基于數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)的井架應變測量方法

王孟法，韓　興，方義平，丁鐵恒（中國石油集團鉆井工程技術(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)的井架應變測量方法

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

在進行井架承載能力評定時，現(xiàn)有的檢測方法存在諸多不足。結(jié)合現(xiàn)有計算機圖片處理功能，設計了一套基于數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)的井架應變測量方法。與現(xiàn)有的電測法得到的井架應變測量結(jié)果對比，基于數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)的井架應變測量方法的測量結(jié)果精確、可靠。此測量方法減輕了勞動強度，提高了工作效率，解決了現(xiàn)有井架承載能力評定工作中應變測量方法存在的不足。基于數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)的井架應變測量方法為井架承載能力評定提供一種新的應變測量方法，對更加科學、合理、全面地評定鉆修機井架的承載能力具有實用價值。

井架；應變；數(shù)字散斑相關(guān)法；測量

井架是鉆修井設備的重要組成部分，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)中國石油集團公司管理制度和行業(yè)標準，需定期對在役井架進行檢測評估［1］。現(xiàn)有的常規(guī)井架檢測評定方法為電測法［2］，其檢測方法存在勞動強度大、低溫環(huán)境適應性差、測量數(shù)據(jù)有限，不滿足防爆要求等諸多問題［3-6］。結(jié)合現(xiàn)有強大的計算機圖片處理功能及視覺原理，設計了一套基于數(shù)字散斑相關(guān)法的井架應變測量方法，能夠更加科學、合理地測評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（物體表面的隨機分布的散斑點記錄在數(shù)字圖像中）數(shù)據(jù)［7-9］。它不同于干涉測量方法（如激光全息法、電子散斑法），數(shù)字散斑法具有簡單、測量環(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）、測量范圍可以任意制定等特點。

數(shù)字散斑相關(guān)法測量變形的關(guān)鍵問題是對兩散斑場（變形前的參考散斑場以及變形后的散斑場）進行相關(guān)運算。物體變形前后的兩個散斑場的光強分別可表示為I1（xi，yi）和I1（xi，yi），xi=xi+u（x，y），yi=yi+v（x，y）。假設散斑位移場為u （x，y）和v（x，y），則變形前散斑圖上任一點（x，y）的光強與變形后的散斑圖上位于（x+u（x，y），y+v（x，y））的光強相對應。以場中某一點P0為中心取子集Su，設其大小為m×m個像素，則子集Su就記錄了點P0周圍隨機分布的斑點光強信息，定義為二維樣本空間。產(chǎn)生位移后，原來子集Su內(nèi)的斑點就位于子集Sd內(nèi)相應位置，與原斑點一一對應，構(gòu)成另一樣本空間。按概率與統(tǒng)計原理分析可知，兩樣本完全相關(guān)時，相關(guān)系數(shù)為1，若有變形，相關(guān)系數(shù)會相應下降，因此物體的位移量就可通過找出最大相關(guān)系數(shù)的點的位置確定。當散斑場發(fā)生位移時，首先在變形場前的散斑圖上選定能反映待測位移信息的子區(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)點的位置，兩點的坐標位移差值就是待測點的變形位移。

2　測量系統(tǒng)構(gòu)成

基于數(shù)字散斑相關(guān)法的井架應力應變測量系統(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）、激光測距儀組成，如圖1。

1）CCD攝像鏡頭用于采集測量對象的數(shù)字圖片。

2）采集卡實現(xiàn)數(shù)字圖片CCD鏡頭到電腦的輸送。

3）激光測距儀實現(xiàn)各測點與CCD鏡頭間的距離及CCD傾角測量，及便計算CCD鏡頭視角像素與實體間的關(guān)系。

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

3　現(xiàn)場測量驗證

目的：驗證基于數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)的井架應變測量方法的可行性；對比現(xiàn)有常規(guī)方法（電測法）與此測量方法測量結(jié)果；驗證此測量方法優(yōu)缺點。

基于數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)的井架應變測量指導思想為：測點1與測點2的垂直位移差為測點1與測點2之間桿件長度的位移疊加（如圖2）。測得兩測點的位移關(guān)系與兩測點間的長度比值，可得該桿件的應力應變。

圖2　川慶鉆探某J450／45-K型井架視頻測點

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

圖3　視頻測量系統(tǒng)測試的測點1～5位移像素變化曲線

表1　兩種井架應力應變測試系統(tǒng)測量的應變值　με

圖4　視屏法測點1-2與應變法測點1測試對比

圖5　視屏法測點2-3與應變法測點2測試對比

圖6　視屏法測點3-4與應變法測點3測試對比

圖7　視屏法測點4-5與應變法測點4測試對比

從表1及圖4～7，通過測試結(jié)果對比，得出以下結(jié)論：基于數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)的井架應變測量方法測試的井架桿件應變值與傳統(tǒng)方法應變片測試法測試的應變值基本一致。基于現(xiàn)有的電測法測量結(jié)果是準確、可靠的。說明基于數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)的井架應變測量方法測試的井架應變準確、可靠。

現(xiàn)有電測法測試流程包括選點、布線、打磨、清洗、貼片、測試，準備工作需要2h，而使用基于數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)井架應變測量方法測試流程包括位置選擇、選點、鏡頭高試、測試，準備工作只需0.5～1.0h［11-14］，大幅提高了工作效率。基于數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)井架應變測量方法，在測量井架桿件應力應變過程中，無需在井架測點布置數(shù)據(jù)線，減輕了勞動強度；同時，數(shù)字散斑相關(guān)法井架應力應變測量系統(tǒng)，理論上可選擇無數(shù)多個點，使用井架應力應變測量更加全面、科學。

4　結(jié)論

1）為了更好的測試、評價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)的井架應變測量系統(tǒng)。

2）與傳統(tǒng)的應變片電測方法比較，基于數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)的井架應變測量方法的測試結(jié)果更準確、可靠，提高了井架承載能力測評工作效率、減輕了勞動強度。解決了現(xiàn)有電測法檢測過程中存在的不足。

3）基于數(shù)字散斑相關(guān)法的井架應力應變測量系統(tǒng)為井架承載能力評定提供了一種新的測試方法，對更加科學、合理地測評鉆修井架承載能力具有實用價值。

［1］SY／6326—2012，石油鉆機和修井機井架底座承載能力檢測評定方法及分級規(guī)范.［S］.2012.

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

［3］吳文秀，王孟法.大腿應力集中損傷井架承載能力研究［J］.石油礦場機械，2010，39（11）：8-11.

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［11］王孟法，成志強，余利，等.昌平實驗室井架多參數(shù)視頻測量試驗報告［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)視頻測量試驗報告［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)視頻測量試驗報告［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，劉志強，等.四川井架多參數(shù)視頻測量試驗報告［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公司科技發(fā)展部科研項目“鉆井新裝備新工具研制”之子課題“井架多參數(shù)測量及評定系統(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)于長江大學機械設計及理論專業(yè)，現(xiàn)從事鉆修井設備評估及相關(guān)技術(shù)研究，Email：kembl＿wmf＠126.com。