用加速度傳感器測量振動位移的方法(原稿)

1、 摘要：為了預防鉆柱振動失效，采用加速度傳感器測量鉆柱的縱振、橫振、扭振及耦合振動。給出了加速度傳感器在鉆柱上的安裝位置和數量，建立了加速度傳感器測試信號值與鉆柱振動值的關系式。本文分析加速度傳感器測量鉆柱的縱振、橫振、扭振及其耦合振動的方法，給出了加速度傳感器安裝位置和數量，建立了加速度傳感器測試信號與鉆柱振動加速度的數學表達式。為驗證測量方法的有效性，利用 ANSYS 仿真軟件建立了鉆柱振動，對加速度傳感器安裝位置及個數、測量

2、信號處理方法進行闡述。關鍵詞：鉆柱；振動；加速度；傳感器在石油鉆井過程中，由于鉆柱的旋轉、鉆頭破巖、井壁碰撞等因素作用，會引起鉆柱振動，并導致鉆柱失效［1］ 。對鉆柱振動狀態(tài)分析及減振和防斷技術開展了大量研究，主要成果有采用能量法、有限元法進行了鉆柱振動分析，并通過鉆具設計、減震器應用及鉆井參數優(yōu)化來控制鉆柱振動引起的鉆具失效。由于井下鉆柱振動狀況的復雜性，國內在鉆柱振動測試方面的研究較少，例如宿雪通過在鉆柱頂部測量振動信號，獲得鉆頭下

3、方地層特性，研究鉆柱與井壁之間的接觸情況。只有精確地測試和提取鉆柱振動信號，才能更準確分析和診斷鉆柱的振動狀態(tài)。一、概述位移和加速度是振動測量與分析的兩個主要物理量。長期以來,人們一直采用直接測量法測量這兩個物理量,即用位移傳感器測量位移,用加速度傳感器測量加速度。直接測量法在一般的場合是可行的,但在一些特殊場合,由于結構動態(tài)特2、扭轉振動。由于鉆頭牙齒輪流交替接觸井底，且鉆頭不是在一個平滑的平面內轉動，使得鉆頭的轉矩及轉速隨機波動，引

4、起鉆頭、鉆柱的扭轉振動。扭轉振動會通過轉盤引起傳動系統以及動力設備的振動。鉆柱發(fā)生扭轉振動時，鉆柱處于扭轉擺動的狀態(tài)。這種情況下，鉆柱的各部分之間產生剪切應力，強烈的扭轉振動會使鉆柱在短時間內受到破壞。例如，扭轉振動經常導致鉆頭牙齒斷裂、鉆柱扭斷和粘扣失效，在鉆柱扭轉振動微分方程中，通常采用扭轉加速度ε來描述鉆柱的扭轉振動。在實際鉆井工程中，可根據鉆井工藝和鉆柱的工作狀態(tài)，進行鉆柱振動分析與簡化。對于轉盤驅動鉆柱進行旋轉鉆井時，上述振動

5、都可能在鉆柱上同時產生，即發(fā)生耦合振動，也可能發(fā)生振動或振動的耦合；對于井下動力鉆具驅動鉆頭破巖的滑移鉆井時，由于鉆柱只產生軸向運動，產生橫振、扭振的可能性較小，可處理為縱向振動。二、鉆柱振動測量方法為了測量鉆柱發(fā)生振動時的軸向加速度ａｚ、橫向加速度ａｘ和ａｙ、扭轉加速度ε，考慮到鉆柱的振動特性、鉆柱橫截面結構，設計加速度傳感器，并安裝在測試短接的不同部位。在測試接頭橫截面ｘｏｙ平面內安裝 4 個加速度傳感器Ａ1、Ａ2、Ａ3、Ａ4，沿橫

6、截面ｘｏｙ的法線方向安裝 2 個測試方向相同、到中心距離均為ｒ的加速度傳感器Ａ5 和Ａ6。其中，Ａ2、Ａ3 是一對特性相同，測試方向與測試短接截面切線方向一致，到截面中心的距離為ｒ的加速度傳感器；Ａ1、Ａ4 在橫截面ｘｏｙ上沿徑向方向，到中心距離為Ｒ的加速度傳感器。傳感器測量的加速度信號分別記為ａ1、ａ2、ａ3、ａ4、ａ5、ａ6。當鉆柱旋轉θ角后，如圖。根據剛體運動學原理，加速度傳感器測量的加速度信號ａ1-ａ6 與鉆柱振動的加速度ａｚ、