钻井液搅拌器工况参数检测方法研究(编辑修改稿)

钻井液搅拌器工况参数检测方法研究(编辑修改稿)内容摘要：

和密度影响搅拌轴扭矩 、 搅拌轴转速影响搅拌轴扭矩，扭矩的变化影 响电机实际功率，所以 液位高度、密度、转速、扭矩 为整个检测系统的参数 ，其中扭矩的变化是反映整个系统的主要参数。 如表 22 所示为搅拌器检测系统参数表 西南石油大学硕士研究生学位论文 7 表 22 搅拌器测试参数 搅拌器检测点 搅拌轴的扭矩 搅拌器的电机功率 条件参数 常温条件，转速 100,额定功率，泥浆密度 被测参数 钻井液液位 高度，电机实际功率， 搅拌轴 扭矩 综上所述， 搅拌器工况参数检测系统功能主要有扭矩检测功能、电机功率检测功能、钻井液液位高度检测功能。 （ 1） 扭矩检测的功能 搅拌器在整个工作过程中，搅拌轴的主要功能是传 送动力的部件，同时也是主要受力部件。 它的受力来自钻井液反作用力，所以钻井液是影响搅拌轴受力的主要方面。 当搅拌器转速、钻井液高度一定时，搅拌器的受力因素是钻井液密度的大小，通过检测搅拌轴扭矩大小的变化，可以检测钻井液密度的变化。 当钻井液密度、高度一定时，搅拌器转速的快慢，对搅拌轴的扭矩是有影响的。 通过检测各个钻井液搅拌器的扭矩后，纵向比较各个搅拌轴的扭矩变化，从而可以反映整个钻井液的密度变化。 检测搅拌轴的扭矩对整个检测系统来说，是主要检测方面，有了搅拌轴扭矩的实时变化，可以 总体把握钻井液的泥浆密度。 通过比较 从而可以得到钻井液密度是否符合钻井要求，如果不符合则可以及时报警，减少不必要的损失。 （ 2） 电机 功率检测功能 搅拌器电机功率的额定功率就是电机的输出功率，电机的输入功率要比电机的输出功率大。 所以检测电机的实际功率可以检测整个搅拌器系统运行的正常与否。 （ 3） 钻井液液位高度检测功能 液位高度检测能实时有效地检查钻井液的液位高度，可以 实时传输给 上位机 ，能够检测 钻井液 的 液位高度 是否符合标准 ； 能够 在 不影响 搅拌器 的 正常 工作下，总体把握钻井液的状态 ； 能够采集存储数据，以备后面的数据的对比和参考 ,同时保证 检测 数据的准确 性。 搅拌器检测系统方案设计 在广泛获取 搅拌器 资料调研后，根据 搅拌器 的机械特点，初步确定了整体的测量方案， 根据 研究 目的和要求，将 设计一个 对搅拌器实时检测 测试系统 ,对 搅拌器的性能进行检测，整个检测系统将分为 三个部分，分别为 搅拌轴扭矩 检 测、钻井液搅拌器工况参数检测方法研究 8 电机功率 检 测、 钻井液 高度 检 测 ，来完成对搅拌器的实时工况检测。 搅拌器扭矩检 测是对搅拌器真实的工况受力反应，电机功率测试是对整个运行状况的总体把握，泥浆高度的检测可以从侧面反应搅拌器受力情况，辅助反应搅拌器的检测，使其更加具有可靠性。 搅拌器检测 系统框图 如 图 21 所示。 图 21搅拌器检测系统框图 电机 功率的测量 方案 （ 1） 影响搅拌功率的因素 在不同的搅拌过程中，不同的物性、不同的物料量在完成其搅拌过程中所需要的动力肯定不同，这就是由于工艺过程中的物性所决定的。 这个动力的大小是被搅拌的物体物理、化学性能以及各种搅拌过程所需要的最终结果的函数所决定的。 只有知道了搅拌器达到搅拌过程所需要的结果而必须用于被搅拌介质的功率，才能知道流体作用力的大小。 电机功率的消耗是搅拌器转速，搅拌浆的直径 ，搅拌器本身结构及下列一系列 混合环境的因素的 函数： 搅拌器中流体介质的物性； 搅拌槽的集合尺寸； 扭矩测点 功率测点 测量转速 工况计算 高度测点 液面到测定距离 上位机 信号处理 单元 数据采集模块 信号传输单元 数据 传输 模块 信号存储 单元 数据存储上位机 西南石油大学硕士研究生学位论文 9 搅拌浆相对于槽体和流体界面的位置及相对槽中其他物体或者障碍物的位置； 这些都是有实际意义的主要变量，虽在某些特殊的情况下，需要考虑 其他的重要因素。 例如在装有同一物料的搅拌槽中，无界面时与有气液界面或者自由表面时相比较，都会有不同值的消耗功率存在。 然而，尽管存在这些很特殊的情况，但在对钻井液搅拌器的检测中只考虑影响因素最大的那些因素。 （ 2） 测量搅拌功率的方法 功率是机械性能的一个重要指标 ，是衡量电机工作强度的一个重要参数，只有了解了功率的大小才能，掌握机 械做功的多少。 功率大小，除理论计算外，很多时候还需要进行实际的测量。 现在测量功率的方法很多 ，比如有机械功率表法和测量转速求功率法。 前者 就是用机械功率表直接测量电机的机械功率消耗，它属于直接测量的方法。 这种方法当然比较理想，但操作起来需要专门的仪器，而且操作很不方便。 后者是从测量电动机的转速入手，根据电机本身相关参数的关系，从而得到电机的实际输出功率。 根据牛顿阻力定律，可以求出搅拌器的功率关系。 假设流体以相对速度流经过某一平板，所以作用在平板上的力 Fw为： 2 2wACFww   （ 2— 1） 式中： w— 流体相对速度； A— 平板在在垂直平面上的投影面积； Cw— 阻力系数。 由于搅拌槽内的流场很复杂，作用在桨叶上的相对速度大小不容易确定，但与桨叶叶端的速度 u 成正比例关系： DNuw   （ 2— 2） 与此同时，投影面积 A 在几何相似的一族搅拌浆中与搅拌 桨 直径 D 的平方成正比例关系。 2DA （ 2— 3） 将 式（ 22）、（ 23） 带入（ 21）得到作用力 Fw 42 DNFw  （ 2— 4） 假设力作用点距离搅拌轴中心的距离与搅拌桨 直径 D 成正例，由此可以得到搅拌器的功率为： 532 DNNMP   (2— 5) 钻井液搅拌器工况参数检测方法研究 10 则用无因次的功率准数 Np 来表示搅拌器的功率特性，得到 53 DNNP P   (2— 6) 式中： P— 功率， W； Np— 功率准数； — 流体密度， kg/ 3m ； N— 搅拌器的转速， sr ； D— 搅拌浆的直径， m； 由以上公式知道，搅拌器的功率与搅拌器的转速是有 直接 关系 ，测得搅拌器的转速从而就可以得到搅拌器的消耗功率。 所以检测搅拌器电机功率最终转化为检测搅拌器的转速来反映搅拌器电机功率的大小。 搅拌轴扭矩的测量 方案 使机器元件旋转的力或者力矩叫做转动力矩，简称转矩。 任何机械元件在转矩的作用下，势必会产生某种程度的扭矩变形。 所以，我们习惯上又把转动力矩叫扭矩力矩，简称扭矩。 同时，扭矩又可以分为静态扭矩和动态扭矩。 静态扭矩是扭矩值不随时间变化，或随时间变化量很小。 动态扭矩则是扭矩值随时间变化很大的扭矩。 测量搅拌轴扭矩是本检测系统中很重要的环节，只有得到搅拌轴的实时扭矩才可以实时检测整个搅拌器系统。 随着科技的进步，测量扭矩的方法很多。 下面介绍几种测量扭矩的方法。 测反作用力测 量 扭矩 测反作用力测量 扭矩是通过测量制动扭矩来进行测量，具体说就是通过阻止电动机的旋转从而施加的反作用扭矩，这种扭矩我们就叫做制动扭矩。 这一种扭矩的测量方案简单易行，采集、传输数据很方便。 但这种方法有一定的局限性，它只能测量静态扭矩，比如采用这种方法的扭矩测量案例中有：扭力扳手，静态扭矩实验测量 设备 等。 磁弹性效应测扭矩 磁弹型扭矩传感器是利用了铁磁材料和其他一些合金逆向磁致伸缩效应。 逆向磁致伸缩效应，我们也称作弹性性效应，指的是铁磁材料在外力或者扭矩的作用下，内部结构发生畸变，产生了应力 ，材料内部磁畴之间的位置发生移动，磁畴磁 化强度矢量发生旋转，而使材料的磁化强度发生相应的变化。 如果将铁磁材料的轴放在磁场中并且对它施加扭矩，铁磁材料的磁化强度的变化将表现在磁导率的变化上，从而如果测量出这一变化，就可以得知对应的扭矩信号。 根据磁弹性效应的原理，可以制成各种不同类型的磁弹性扭矩传感器。 国内西南石油大学硕士研究生学位论文 11 外从 20 世纪 80 年代中期已经开始此种传感器的研究和开发，其中具有代表性的设计是双“Ⅱ”逆磁致伸缩效应传感器。 此种类型的传感器磁芯正交于轴侧 ，将线圈绕在磁极上，构成了两组励磁线圈和两组测量线圈，交变电流通过励磁线圈从而在轴的表面建立磁场，弹性轴被加 载了扭矩后，轴表面就会产生应力，由于磁致伸缩逆效应在轴的表面的磁场发生改变，这种等效磁阻的变化使测量线圈中产生与扭矩成比例的感应电动势。 但是由于转动轴常用的铁磁性材料的磁致伸缩逆效应较弱，通常会影响扭矩测量灵敏度和精度，而且对转动轴材料的均匀性和旋转精度的要求较严格 [4]~[7]。 这种扭矩传感器设计的关键是磁弹性元件的选取和制造，磁弹性元件的磁致伸缩效应越明显，该传感器的灵敏度就会越高。 磁弹性扭矩传感器属于非接触式传感器，而且安装及其使用很方便，还不占用较大空间。 在轴的表面粘贴或者喷涂一层磁致伸缩材料，就 可以减少轴表面材料部均匀性带来的误差，对提高测试精度和灵敏度有很大的帮助。 [13]此类传感器实际测得的是磁致伸缩层材料应力，如何将其转化为转动轴本省的应力或者扭矩值还需要相当大的一部分工作，同时这种传感器致命之处受到外界电磁干扰影响极大，对屏蔽电磁辐射的要求很高，所以它不能在恶劣的环境下长期工作。 测相位差测量扭矩 在转角型扭矩传感器中， 激光式、磁电式和 振弦式 扭矩传感器都是利用相位差来进行扭矩测量 ，转角型扭矩传感器是基于材料力学中圆柱形弹性轴扭矩与扭转角成正比例的关系来测量扭矩，可以用传递法求出。 传递法又称 转轴法，它是根据弹性轴承在传递转矩时所产生的物理参数变化而测量扭矩的方法。 这些变化的物理参数可以是轴承的应变、应力和变形。 根据相位差测量原理做成的扭矩传感器在国内已经有 30 余年的历史，技术很成熟，但在与其他类型扭矩传感器相比较，它对环境的适应性比较差，在苛刻恶劣的工作环境中（比如汽车扭矩测量和钻井作业扭矩测量）其可靠性大大的降低，因为其自身质量大，结构复杂，安装调试很不方便，而且在其在动态测量准确度也很低。 在近些年中一些新型 光电转角型 扭矩传感器不断的开发、研制出来。 例如清华大学于 1999 年研制成德无线无源 表面波扭（ SAW）矩传感器，这种扭矩传感器把雷达技术与 SAW 传感器综合在一起，同电阻应变式扭矩传感器一样，都是都过测量与轴成 45 度角方向上的应变来对弹性轴上的扭矩进行测量。 它的主要组成部分有压电基片、反射栅、叉指换能器（ IDT）等等，在技术上运用了真空镀膜、光刻等现代工艺技术。 其工作原理是利用被反射的 SAW 相速度在应变前后产生的变化，从而间接测量扭矩的大小。 此外， 在扭矩测量发展过程中还出现了一些更加实用的新型传感器，例如美国弗吉尼亚西蒙斯飞行器公司利用光纤技术研制出的光纤传感器，可应用于飞行器涡轮发动机扭矩 的测试；英国福特汽车钻井液搅拌器工况参数检测方法研究 12 公司委托南安普大学机械工程系为其研制出的电容式扭矩测试仪，可以用来连续的监测汽车发动机或者齿轮箱中传动轴扭矩测试。 2020 年由冯浩教授提出一种新型光栅扭矩传感器，并在 2020 年申请了发明和实用新型国家专利。 这些发展足以说明在社会发展过程中，转角型扭矩传感器被越来越多的应用在社会生产中。 但这些转角型扭矩传感器在使用过程中对周围的环境要求比较高，不适合在高恶劣环境中应用。 应变型扭矩传感器 应变式扭矩传感器是目前国内使用较多的一种测量扭矩的传感器，其结构简单，成本较低，技术较成熟。 如图 22 所示，在扭矩 M 作用下，在旋转轴表面贴应变片，使其与轴线成 45 度和 135 度角，将他们连成 桥式电路 ，扭矩使应变片的电阻率发生了变化，电阻变化通过电桥输出的电压与外加扭矩成正关系 [14]。 图 22 电阻应变传感器贴片示意图 应变式扭矩传感器 中使用的 应变片很小且很轻，对轴承的机械运转不会产生影响、不会影响轴 的 正常工作运行。 由于应变式扭矩传感器是通过电阻变化来反映轴的扭矩大小的变化，所以可以用于多种工作环境中，亦可以用于高恶劣的工作环境中，但通过应变片测量扭矩大小的精确度不是很高，不适合应用于对扭矩测量数据 要求比较精确的测试中。 综合以上比较，由于 钻井液 搅拌器属于简单机械结构，而且在泥浆搅拌过程中始终处于比较恶劣的工作环境下，且对扭矩测量大小的精度要求不高。 所以选择利用应变式扭矩传感器来测量钻井液搅拌器的扭矩 ，钻井液搅拌器属于高速旋转机械 ，溅起的钻井液很容易影响应变扭矩传感器， 若使用有线 应变 扭矩传感器影响搅拌器的工作状态，所以本论文应采用无线扭矩传感器 ，并且采用塑料罩保护应变片扭矩传感器。 西南石油大学硕士研究生学位论文 13 钻井液液位高度的测量方案 目前 国内外生产实践中采用的液位测量方法很多，主要有 机械浮。