基于數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)的井架應(yīng)變測(cè)量方法

王孟法，韓　興，方義平，丁鐵恒（中國石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院　康布爾公司，北京102206）

基于數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)的井架應(yīng)變測(cè)量方法

王孟法，韓興，方義平，丁鐵恒
（中國石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院康布爾公司，北京102206）

在進(jìn)行井架承載能力評(píng)定時(shí)，現(xiàn)有的檢測(cè)方法存在諸多不足。結(jié)合現(xiàn)有計(jì)算機(jī)圖片處理功能，設(shè)計(jì)了一套基于數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)的井架應(yīng)變測(cè)量方法。與現(xiàn)有的電測(cè)法得到的井架應(yīng)變測(cè)量結(jié)果對(duì)比，基于數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)的井架應(yīng)變測(cè)量方法的測(cè)量結(jié)果精確、可靠。此測(cè)量方法減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率，解決了現(xiàn)有井架承載能力評(píng)定工作中應(yīng)變測(cè)量方法存在的不足。基于數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)的井架應(yīng)變測(cè)量方法為井架承載能力評(píng)定提供一種新的應(yīng)變測(cè)量方法，對(duì)更加科學(xué)、合理、全面地評(píng)定鉆修機(jī)井架的承載能力具有實(shí)用價(jià)值。

井架；應(yīng)變；數(shù)字散斑相關(guān)法；測(cè)量

井架是鉆修井設(shè)備的重要組成部分，其安全承載性能直接影響著石油、天然氣的勘探、生產(chǎn)作業(yè)。為了保障井架的使用安全，根據(jù)中國石油集團(tuán)公司管理制度和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，需定期對(duì)在役井架進(jìn)行檢測(cè)評(píng)估［1］?，F(xiàn)有的常規(guī)井架檢測(cè)評(píng)定方法為電測(cè)法［2］，其檢測(cè)方法存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、低溫環(huán)境適應(yīng)性差、測(cè)量數(shù)據(jù)有限，不滿足防爆要求等諸多問題［3-6］。結(jié)合現(xiàn)有強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)圖片處理功能及視覺原理，設(shè)計(jì)了一套基于數(shù)字散斑相關(guān)法的井架應(yīng)變測(cè)量方法，能夠更加科學(xué)、合理地測(cè)評(píng)鉆修井架的承載能力。

1　數(shù)字散斑相關(guān)法

數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)也就是數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)（Digital Image Correlation Technique，DIC），它是利用數(shù)字相關(guān)方法來分析受載荷作用下的試樣表面數(shù)字圖像（物體表面的隨機(jī)分布的散斑點(diǎn)記錄在數(shù)字圖像中）數(shù)據(jù)［7-9］。它不同于干涉測(cè)量方法（如激光全息法、電子散斑法），數(shù)字散斑法具有簡(jiǎn)單、測(cè)量環(huán)境要求低、光源要求低（激光、普通自然白光或者普通照明均可）、測(cè)量范圍可以任意制定等特點(diǎn)。

數(shù)字散斑相關(guān)法測(cè)量變形的關(guān)鍵問題是對(duì)兩散斑場(chǎng)（變形前的參考散斑場(chǎng)以及變形后的散斑場(chǎng)）進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算。物體變形前后的兩個(gè)散斑場(chǎng)的光強(qiáng)分別可表示為I1（xi，yi）和I1（xi，yi），xi=xi+u（x，y），yi=yi+v（x，y）。假設(shè)散斑位移場(chǎng)為u （x，y）和v（x，y），則變形前散斑圖上任一點(diǎn)（x，y）的光強(qiáng)與變形后的散斑圖上位于（x+u（x，y），y+v（x，y））的光強(qiáng)相對(duì)應(yīng)。以場(chǎng)中某一點(diǎn)P0為中心取子集Su，設(shè)其大小為m×m個(gè)像素，則子集Su就記錄了點(diǎn)P0周圍隨機(jī)分布的斑點(diǎn)光強(qiáng)信息，定義為二維樣本空間。產(chǎn)生位移后，原來子集Su內(nèi)的斑點(diǎn)就位于子集Sd內(nèi)相應(yīng)位置，與原斑點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)，構(gòu)成另一樣本空間。按概率與統(tǒng)計(jì)原理分析可知，兩樣本完全相關(guān)時(shí)，相關(guān)系數(shù)為1，若有變形，相關(guān)系數(shù)會(huì)相應(yīng)下降，因此物體的位移量就可通過找出最大相關(guān)系數(shù)的點(diǎn)的位置確定。當(dāng)散斑場(chǎng)發(fā)生位移時(shí)，首先在變形場(chǎng)前的散斑圖上選定能反映待測(cè)位移信息的子區(qū)，然后在變形后的相關(guān)區(qū)域內(nèi)利用相同大小的子區(qū)作相關(guān)搜索，找出最大的相關(guān)點(diǎn)的位置，兩點(diǎn)的坐標(biāo)位移差值就是待測(cè)點(diǎn)的變形位移。

2　測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)成

基于數(shù)字散斑相關(guān)法的井架應(yīng)力應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)由CCD攝像鏡頭、三角架、數(shù)據(jù)線、采集卡、筆記本電腦（包括圖像處理軟件）、激光測(cè)距儀組成，如圖1。

1）CCD攝像鏡頭用于采集測(cè)量對(duì)象的數(shù)字圖片。

2）采集卡實(shí)現(xiàn)數(shù)字圖片CCD鏡頭到電腦的輸送。

3）激光測(cè)距儀實(shí)現(xiàn)各測(cè)點(diǎn)與CCD鏡頭間的距離及CCD傾角測(cè)量，及便計(jì)算CCD鏡頭視角像素與實(shí)體間的關(guān)系。

圖1　基于數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)的井架應(yīng)力測(cè)量系統(tǒng)

3　現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量驗(yàn)證

目的：驗(yàn)證基于數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)的井架應(yīng)變測(cè)量方法的可行性；對(duì)比現(xiàn)有常規(guī)方法（電測(cè)法）與此測(cè)量方法測(cè)量結(jié)果；驗(yàn)證此測(cè)量方法優(yōu)缺點(diǎn)。

基于數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)的井架應(yīng)變測(cè)量指導(dǎo)思想為：測(cè)點(diǎn)1與測(cè)點(diǎn)2的垂直位移差為測(cè)點(diǎn)1與測(cè)點(diǎn)2之間桿件長(zhǎng)度的位移疊加（如圖2）。測(cè)得兩測(cè)點(diǎn)的位移關(guān)系與兩測(cè)點(diǎn)間的長(zhǎng)度比值，可得該桿件的應(yīng)力應(yīng)變。

圖2　川慶鉆探某J450／45-K型井架視頻測(cè)點(diǎn)

以川慶鉆探某JJ450／45-K型井架為例，驗(yàn)證該測(cè)量系統(tǒng)的性能。基于視頻測(cè)量的測(cè)試點(diǎn)選擇如圖2所示，為了驗(yàn)證系統(tǒng)測(cè)量的精確性，在桿件測(cè)點(diǎn)1與測(cè)點(diǎn)2、測(cè)點(diǎn)2與測(cè)點(diǎn)3、測(cè)點(diǎn)3與測(cè)點(diǎn)4、測(cè)點(diǎn)4與測(cè)點(diǎn)5間分別布置了應(yīng)變片測(cè)點(diǎn)1、2、3、4。在階梯鉤載［10］（100、500、1000、1400 kN）作用下，視頻測(cè)量系統(tǒng)測(cè)試的部分測(cè)點(diǎn)像素變化曲線見圖3。在幾種鉤載作用下2種測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量的應(yīng)變值如表1及如圖4～7所示。

圖3　視頻測(cè)量系統(tǒng)測(cè)試的測(cè)點(diǎn)1～5位移像素變化曲線

表1　兩種井架應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量的應(yīng)變值　με

圖4　視屏法測(cè)點(diǎn)1-2與應(yīng)變法測(cè)點(diǎn)1測(cè)試對(duì)比

圖5　視屏法測(cè)點(diǎn)2-3與應(yīng)變法測(cè)點(diǎn)2測(cè)試對(duì)比

圖6　視屏法測(cè)點(diǎn)3-4與應(yīng)變法測(cè)點(diǎn)3測(cè)試對(duì)比

圖7　視屏法測(cè)點(diǎn)4-5與應(yīng)變法測(cè)點(diǎn)4測(cè)試對(duì)比

從表1及圖4～7，通過測(cè)試結(jié)果對(duì)比，得出以下結(jié)論：基于數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)的井架應(yīng)變測(cè)量方法測(cè)試的井架桿件應(yīng)變值與傳統(tǒng)方法應(yīng)變片測(cè)試法測(cè)試的應(yīng)變值基本一致?；诂F(xiàn)有的電測(cè)法測(cè)量結(jié)果是準(zhǔn)確、可靠的。說明基于數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)的井架應(yīng)變測(cè)量方法測(cè)試的井架應(yīng)變準(zhǔn)確、可靠。

現(xiàn)有電測(cè)法測(cè)試流程包括選點(diǎn)、布線、打磨、清洗、貼片、測(cè)試，準(zhǔn)備工作需要2h，而使用基于數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)井架應(yīng)變測(cè)量方法測(cè)試流程包括位置選擇、選點(diǎn)、鏡頭高試、測(cè)試，準(zhǔn)備工作只需0.5～1.0h［11-14］，大幅提高了工作效率?；跀?shù)字散斑相關(guān)技術(shù)井架應(yīng)變測(cè)量方法，在測(cè)量井架桿件應(yīng)力應(yīng)變過程中，無需在井架測(cè)點(diǎn)布置數(shù)據(jù)線，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度；同時(shí)，數(shù)字散斑相關(guān)法井架應(yīng)力應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)，理論上可選擇無數(shù)多個(gè)點(diǎn)，使用井架應(yīng)力應(yīng)變測(cè)量更加全面、科學(xué)。

4　結(jié)論

1）為了更好的測(cè)試、評(píng)價(jià)在役井架的承載能力，研制了基于數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)的井架應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)。

2）與傳統(tǒng)的應(yīng)變片電測(cè)方法比較，基于數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)的井架應(yīng)變測(cè)量方法的測(cè)試結(jié)果更準(zhǔn)確、可靠，提高了井架承載能力測(cè)評(píng)工作效率、減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度。解決了現(xiàn)有電測(cè)法檢測(cè)過程中存在的不足。

3）基于數(shù)字散斑相關(guān)法的井架應(yīng)力應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)為井架承載能力評(píng)定提供了一種新的測(cè)試方法，對(duì)更加科學(xué)、合理地測(cè)評(píng)鉆修井架承載能力具有實(shí)用價(jià)值。

［1］SY／6326—2012，石油鉆機(jī)和修井機(jī)井架底座承載能力檢測(cè)評(píng)定方法及分級(jí)規(guī)范.［S］.2012.

［2］徐國強(qiáng)，侯密山，張志田.車載修井機(jī)井架承載能力電測(cè)評(píng)定［J］.農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2008（6）：40-42.

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［4］費(fèi)洪海.在役JJ160／41K井架承載能力檢測(cè)與評(píng)定研究［D］.杭州：浙江大學(xué)，2012.

［5］韓東穎，李子豐，周國強(qiáng)，等.基于振動(dòng)參數(shù)的鉆井井架安全承載能力評(píng)定［J］.石油鉆探技術(shù)，2006，34（6）：48-52.

［6］余焱群，綦耀光.車載修井機(jī)井架的動(dòng)態(tài)測(cè)試與分析［J］.重型機(jī)械，2010（5）：35-37.

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［8］李揚(yáng).數(shù)字散斑相關(guān)法的研究和應(yīng)用［D］.天津：天津大學(xué)，2006.

［9］金觀昌.計(jì)算機(jī)輔助光學(xué)測(cè)量［M］.北京：清華大學(xué)出版社，1997.

［10］SY／6326—2012，鉆機(jī)修井機(jī)井架承載能力評(píng)定及分級(jí)規(guī)范［S］.

［11］王孟法，成志強(qiáng)，余利，等.昌平實(shí)驗(yàn)室井架多參數(shù)視頻測(cè)量試驗(yàn)報(bào)告［Z］.北京：北京康布爾石油技術(shù)發(fā)展有限公司，2013.

［12］王孟法，呂浩波，李金波，等.松原井架多參數(shù)視頻測(cè)量試驗(yàn)報(bào)告［Z］.北京：北京康布爾石油技術(shù)發(fā)展有限公司。2013.

［13］王孟法，秦專專，劉科，等.新疆井架多參數(shù)視頻測(cè)量試驗(yàn)報(bào)告［Z］.北京：北京康布爾石油技術(shù)發(fā)展有限公司，2013.

［14］王孟法，成志強(qiáng)，劉志強(qiáng)，等.四川井架多參數(shù)視頻測(cè)量試驗(yàn)報(bào)告［Z］.北京：北京康布爾石油技術(shù)發(fā)展有限公司，2013.

Derrick Strain Measuring Method Based on Digital Speckle Correlation Technique

WANGMengfa，HAN Xin，F(xiàn)ANG Yiping，DING Tieheng
（Kembl Petroleum Technology Co．，Ltd．，DRI of CNPC，Beijing 102206，China）

Against the existing detection of measuring method for an existing derrick bearing ca-pacity assessment.Combined powerful computer graphics processing capabilities，design a measur-ing method of derrick strain based on digital speckle correlation technique.Through comparing derrick strain measuring on site with Electrical Measuring method，can be conclude that the meas-uring results from measuring method of derrick strain based on digital speckle correlation tech-nique are accurate and reliable.At the same time，this measuring method reducing the labor inten-sity largely，improving the work efficiency.Solved the existing problems of derrick measuring method in the presence.Providing a new strain measuring method for derrick bearing capacity e-valuation，having important practical value for derrick bearing capacity assessment on more scien-tific，rational，comprehensive.

drilling derrick；strain；digital speckle correlation method；measuring

TE923

A

10.3969／j.issn.1001-3482.2015.12.016

1001-3482（2015）12-0063-04

2015-08-08

中國石油天然氣集團(tuán)公司科技發(fā)展部科研項(xiàng)目“鉆井新裝備新工具研制”之子課題“井架多參數(shù)測(cè)量及評(píng)定系統(tǒng)研制”（2011B—4306）

王孟法（1984-），男，山東菏澤人，工程師，碩士，2010年畢業(yè)于長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)及理論專業(yè)，現(xiàn)從事鉆修井設(shè)備評(píng)估及相關(guān)技術(shù)研究，Email：kembl＿wmf＠126.com。