[发明专利]一种超大口径钻井转盘转矩测试方法

说明书

一种超大口径钻井转盘转矩测试方法，通过四个相同的小齿轮同时驱动转盘，传感器可以分别布置在每个小齿轮轴上，同时监测转矩的变化，根据需要，通过每个小齿轮获得转盘转矩；也可以对四个小齿轮轴上的转矩信息综合处理，获得高精度转矩测试结果，通过分析小齿轮轴上的应变情况，将四个应变片布置在小齿轮轴的最佳位置，并使其组成差动全桥，利用测试电路测量输出电压，实现超大口径转盘转矩测试，该测量方法不需要改变小齿轮的结构，也不需要在整个传动路线上布置特别的结构，测试方法简单，适用现场测量。

技术领域

本发明涉及钻机转盘转矩测试技术领域，特别涉及一种超大口径钻井转盘转矩测试方法。

背景技术

超大口径钻机转盘是深水、超深水油气开发钻井平台的主要部件。在起下钻柱或管柱时，它承受全部钻柱或管柱的质量；下放水下BOP及水下器具时，承受水下BOP及水下器具的质量；处理井下事故时，可用于钻具的旋转。

转盘转矩是反映钻井过程中钻具工作状态的重要参数，根据转盘转矩变化情况可以提早判别钻具的工作状态。监测转盘转矩，可以对井下钻具状态进行实时监测，也可以反映井斜、卡钻等井下工况，还能反映地层变化，因此，准确测量转盘扭矩，对于安全、高效、快速地钻井十分重要。

而海洋半潜式钻井平台不同于陆地钻井方式，其转盘传动方式和陆上钻机转盘不同。尤其是目前正在研制的半潜式钻井平台，其动力由液压马达通过键传递到小齿轮轴，小齿轮和大齿轮啮合，将转矩直接传动给转盘，由于液压马达和小齿轮轴、小齿轮和大齿轮间的空间限制，不能使用常规方法进行转矩的在线监测。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种超大口径钻井转盘转矩测试方法，通过四个相同的小齿轮同时驱动转盘，传感器分别布置在每个小齿轮轴上，同时监测转矩的变化，根据需要，通过每个小齿轮获得转盘转矩；也可以对四个小齿轮轴上的转矩信息综合处理，获得高精度转矩测试结果，实现超大口径转盘转矩测试。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种超大口径钻井转盘转矩测试方法，具体按照以下步骤实施：

步骤一、根据传动方案，由于动力由四个液压马达输出，四个液压马达的动力通过键分别传递到相应的小齿轮轴上，经过四个小齿轮同时传递到转盘上，通过测量小齿轮轴上的传递转矩，得到转盘转矩，然后确定小齿轮轴上的传递转矩与转盘转矩的关系；

步骤二、在小齿轮和右端轴承间存在距离，用于布置应变片进行转矩测量，建立小齿轮轴的力学模型，根据小齿轮轴的结构尺寸，确定其弯矩变化规律，进而确定应变变化规律，明确应变片的具体位置；

步骤三、结合步骤一和步骤二，确定小齿轮轴上的应变与转盘转矩的数学模型为：

其中，d为应变片布置位置处轴段直径；ε_x为x处的应变；E为小齿轮轴的弹性模量；

步骤四、结合步骤二，通过分析小齿轮轴上的应变情况，将四个应变片布置在小齿轮轴的最佳位置，并使其组成差动全桥，利用测试电路测量输出电压。

步骤五、结合步骤四，通过输出电压，确定小齿轮轴上的应变，再通过式(1)，间接测量得到转矩。

所述的步骤一具体为：动力由四个液压马达输出，四个液压马达的动力通过键分别传递到相应的小齿轮轴上，经过四个小齿轮同时传递到转盘上，通过测量小齿轮轴上的传递转矩T₁，得到转盘转矩T。

二者关系为

其中，T₁为小齿轮上转矩；T为转盘转矩；n为转盘转速；n₁为小齿轮转速；η为传动效率。