数字散斑相关技术实现井架应变测量

王孟法，韩 兴，方义平，丁铁恒
（中国石油集团钻井工程技术研究院康布尔公司，北京102206）①

摘要：在进行井架承载能力评定时，现有的检测方法存在诸多不足。结合现有计算机图片处理功能，设计了一套基于数字散斑相关技术的井架应变测量方法。与现有的电测法得到的井架应变测量结果对比，基于数字散斑相关技术的井架应变测量方法的测量结果精确、可靠。此测量方法减轻了劳动强度，提高了工作效率，解决了现有井架承载能力评定工作中应变测量方法存在的不足。基于数字散斑相关技术的井架应变测量方法为井架承载能力评定提供一种新的应变测量方法，对更加科学、合理、全面地评定钻修机井架的承载能力具有实用价值。

关键词：井架；应变；数字散斑相关法；测量

① 收稿日期：2015－08－08 
基金项目：中国石油天然气集团公司科技发展部科研项目“钻井新装备新工具研制”之子课题“井架多参数测量及评定系统研制”（2011B—4306） 
作者简介：王孟法（1984－），男，山东菏泽人，工程师，硕士，2010年毕业于长江大学机械设计及理论专业，现从事钻修井设备评估及相关技术研究，E－mail：kembl＿wmf＠126.com。

井架是钻修井设备的重要组成部分，其安全承载性能直接影响着石油、天然气的勘探、生产作业。为了保障井架的使用安全，根据中国石油集团公司管理制度和行业标准，需定期对在役井架进行检测评估［1］。现有的常规井架检测评定方法为电测法［2］，其检测方法存在劳动强度大、低温环境适应性差、测量数据有限，不满足防爆要求等诸多问题［3－6］。结合现有强大的计算机图片处理功能及视觉原理，设计了一套基于数字散斑相关法的井架应变测量方法，能够更加科学、合理地测评钻修井架的承载能力。

数字散斑相关技术也就是数字图像相关技术（Digital Image Correlation Technique，DIC），它是利用数字相关方法来分析受载荷作用下的试样表面数字图像（物体表面的随机分布的散斑点记录在数字图像中）数据［7－9］。它不同于干涉测量方法（如激光全息法、电子散斑法），数字散斑法具有简单、测量环境要求低、光源要求低（激光、普通自然白光或者普通照明均可）、测量范围可以任意制定等特点。

数字散斑相关法测量变形的关键问题是对两散斑场（变形前的参考散斑场以及变形后的散斑场）进行相关运算。物体变形前后的两个散斑场的光强分别可表示为。假设散斑位移场为u（x，y）和v（x，y），则变形前散斑图上任一点（x，y）的光强与变形后的散斑图上位于（x＋u（x，y），y＋v（x，y））的光强相对应。以场中某一点P0为中心取子集Su，设其大小为m×m个像素，则子集Su就记录了点P0周围随机分布的斑点光强信息，定义为二维样本空间。产生位移后，原来子集Su内的斑点就位于子集Sd内相应位置，与原斑点一一对应，构成另一样本空间。按概率与统计原理分析可知，两样本完全相关时，相关系数为1，若有变形，相关系数会相应下降，因此物体的位移量就可通过找出最大相关系数的点的位置确定。当散斑场发生位移时，首先在变形场前的散斑图上选定能反映待测位移信息的子区，然后在变形后的相关区域内利用相同大小的子区作相关搜索，找出最大的相关点的位置，两点的坐标位移差值就是待测点的变形位移。

基于数字散斑相关法的井架应力应变测量系统由CCD摄像镜头、三角架、数据线、采集卡、笔记本电脑（包括图像处理软件）、激光测距仪组成，如图1。

1）CCD摄像镜头用于采集测量对象的数字图片。

2）采集卡实现数字图片CCD镜头到电脑的输送。

3）激光测距仪实现各测点与CCD镜头间的距离及CCD倾角测量，及便计算CCD镜头视角像素与实体间的关系。

图1　基于数字散斑相关技术的井架应力测量系统

目的：验证基于数字散斑相关技术的井架应变测量方法的可行性；对比现有常规方法（电测法）与此测量方法测量结果；验证此测量方法优缺点。

基于数字散斑相关技术的井架应变测量指导思想为：测点1与测点2的垂直位移差为测点1与测点2之间杆件长度的位移叠加（如图2）。测得两测点的位移关系与两测点间的长度比值，可得该杆件的应力应变。

图2　川庆钻探某J450/45－K型井架视频测点

以川庆钻探某JJ450/45－K型井架为例，验证该测量系统的性能。基于视频测量的测试点选择如图2所示，为了验证系统测量的精确性，在杆件测点1与测点2、测点2与测点3、测点3与测点4、测点4与测点5间分别布置了应变片测点1、2、3、4。在阶梯钩载［10］（100、500、1000、1400kN）作用下，视频测量系统测试的部分测点像素变化曲线见图3。在几种钩载作用下2种测量系统测量的应变值如表1及如图4～7所示。

图3　视频测量系统测试的测点1～5位移像素变化曲线

从表1及图4～7，通过测试结果对比，得出以下结论：基于数字散斑相关技术的井架应变测量方法测试的井架杆件应变值与传统方法应变片测试法测试的应变值基本一致。基于现有的电测法测量结果是准确、可靠的。说明基于数字散斑相关技术的井架应变测量方法测试的井架应变准确、可靠。

现有电测法测试流程包括选点、布线、打磨、清洗、贴片、测试，准备工作需要2h，而使用基于数字散斑相关技术井架应变测量方法测试流程包括位置选择、选点、镜头高试、测试，准备工作只需0.5～1.0h［11－14］，大幅提高了工作效率。基于数字散斑相关技术井架应变测量方法，在测量井架杆件应力应变过程中，无需在井架测点布置数据线，减轻了劳动强度；同时，数字散斑相关法井架应力应变测量系统，理论上可选择无数多个点，使用井架应力应变测量更加全面、科学。

表1　两种井架应力应变测试系统测量的应变值με

图4　视屏法测点1－2与应变法测点1测试对比

图5　视屏法测点2－3与应变法测点2测试对比

图6　视屏法测点3－4与应变法测点3测试对比

图7　视屏法测点4－5与应变法测点4测试对比

1）为了更好的测试、评价在役井架的承载能力，研制了基于数字散斑相关技术的井架应变测量系统。

2）与传统的应变片电测方法比较，基于数字散斑相关技术的井架应变测量方法的测试结果更准确、可靠，提高了井架承载能力测评工作效率、减轻了劳动强度。解决了现有电测法检测过程中存在的不足。

3）基于数字散斑相关法的井架应力应变测量系统为井架承载能力评定提供了一种新的测试方法，对更加科学、合理地测评钻修井架承载能力具有实用价值。

参考文献：

［1］SY/6326—2012，石油钻机和修井机井架底座承载能力检测评定方法及分级规范.［S］.2012.

［2］徐国强，侯密山，张志田.车载修井机井架承载能力电测评定［J］.农业装备与车辆工程，2008（6）：40－42.

［3］吴文秀，王孟法.大腿应力集中损伤井架承载能力研究［J］.石油矿场机械，2010，39（11）：8－11.

［4］费洪海.在役JJ160/41－K井架承载能力检测与评定研究［D］.杭州：浙江大学，2012.

［5］韩东颖，李子丰，周国强，等.基于振动参数的钻井井架安全承载能力评定［J］.石油钻探技术，2006，34（6）：48－52.

［6］余焱群，綦耀光.车载修井机井架的动态测试与分析［J］.重型机械，2010（5）：35－37.

Derrick Strain Measuring Method Based on Digital Speckle Correlation Technique

WANG Mengfa，HAN Xin，FANG Yiping，DING Tieheng
（Kembl Petroleum Technology Co.，Ltd.，DRI of CNPC，Beijing102206，China）

Abstract：Against the existing detection of measuring method for an existing derrick bearing capacity assessment.Combined powerful computer graphics processing capabilities，design a measuring 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 measuring results from measuring method of derrick strain based on digital speckle correlation technique are accurate and reliable.At the same time，this measuring method reducing the labor intensity 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 evaluation，having important practical value for derrick bearing capacity assessment on more scientific，rational，comprehensive.

Keywords：drilling derrick；strain；digital speckle correlation method；measuring

中图分类号：TE923

文献标识码：A doi：10.3969/j.issn.1001－3482.2015.12.016

文章编号：1001－3482（2015）12－0063－04

王孟法，韩 兴，方义平，丁铁恒
（中国石油集团钻井工程技术研究院康布尔公司，北京102206）①(www.xing528.com)

摘要：在进行井架承载能力评定时，现有的检测方法存在诸多不足。结合现有计算机图片处理功能，设计了一套基于数字散斑相关技术的井架应变测量方法。与现有的电测法得到的井架应变测量结果对比，基于数字散斑相关技术的井架应变测量方法的测量结果精确、可靠。此测量方法减轻了劳动强度，提高了工作效率，解决了现有井架承载能力评定工作中应变测量方法存在的不足。基于数字散斑相关技术的井架应变测量方法为井架承载能力评定提供一种新的应变测量方法，对更加科学、合理、全面地评定钻修机井架的承载能力具有实用价值。

关键词：井架；应变；数字散斑相关法；测量

① 收稿日期：2015－08－08 
基金项目：中国石油天然气集团公司科技发展部科研项目“钻井新装备新工具研制”之子课题“井架多参数测量及评定系统研制”（2011B—4306） 
作者简介：王孟法（1984－），男，山东菏泽人，工程师，硕士，2010年毕业于长江大学机械设计及理论专业，现从事钻修井设备评估及相关技术研究，E－mail：kembl＿wmf＠126.com。

井架是钻修井设备的重要组成部分，其安全承载性能直接影响着石油、天然气的勘探、生产作业。为了保障井架的使用安全，根据中国石油集团公司管理制度和行业标准，需定期对在役井架进行检测评估［1］。现有的常规井架检测评定方法为电测法［2］，其检测方法存在劳动强度大、低温环境适应性差、测量数据有限，不满足防爆要求等诸多问题［3－6］。结合现有强大的计算机图片处理功能及视觉原理，设计了一套基于数字散斑相关法的井架应变测量方法，能够更加科学、合理地测评钻修井架的承载能力。

数字散斑相关技术也就是数字图像相关技术（Digital Image Correlation Technique，DIC），它是利用数字相关方法来分析受载荷作用下的试样表面数字图像（物体表面的随机分布的散斑点记录在数字图像中）数据［7－9］。它不同于干涉测量方法（如激光全息法、电子散斑法），数字散斑法具有简单、测量环境要求低、光源要求低（激光、普通自然白光或者普通照明均可）、测量范围可以任意制定等特点。

数字散斑相关法测量变形的关键问题是对两散斑场（变形前的参考散斑场以及变形后的散斑场）进行相关运算。物体变形前后的两个散斑场的光强分别可表示为。假设散斑位移场为u（x，y）和v（x，y），则变形前散斑图上任一点（x，y）的光强与变形后的散斑图上位于（x＋u（x，y），y＋v（x，y））的光强相对应。以场中某一点P0为中心取子集Su，设其大小为m×m个像素，则子集Su就记录了点P0周围随机分布的斑点光强信息，定义为二维样本空间。产生位移后，原来子集Su内的斑点就位于子集Sd内相应位置，与原斑点一一对应，构成另一样本空间。按概率与统计原理分析可知，两样本完全相关时，相关系数为1，若有变形，相关系数会相应下降，因此物体的位移量就可通过找出最大相关系数的点的位置确定。当散斑场发生位移时，首先在变形场前的散斑图上选定能反映待测位移信息的子区，然后在变形后的相关区域内利用相同大小的子区作相关搜索，找出最大的相关点的位置，两点的坐标位移差值就是待测点的变形位移。

基于数字散斑相关法的井架应力应变测量系统由CCD摄像镜头、三角架、数据线、采集卡、笔记本电脑（包括图像处理软件）、激光测距仪组成，如图1。

1）CCD摄像镜头用于采集测量对象的数字图片。

2）采集卡实现数字图片CCD镜头到电脑的输送。

3）激光测距仪实现各测点与CCD镜头间的距离及CCD倾角测量，及便计算CCD镜头视角像素与实体间的关系。

图1　基于数字散斑相关技术的井架应力测量系统

目的：验证基于数字散斑相关技术的井架应变测量方法的可行性；对比现有常规方法（电测法）与此测量方法测量结果；验证此测量方法优缺点。

基于数字散斑相关技术的井架应变测量指导思想为：测点1与测点2的垂直位移差为测点1与测点2之间杆件长度的位移叠加（如图2）。测得两测点的位移关系与两测点间的长度比值，可得该杆件的应力应变。

图2　川庆钻探某J450/45－K型井架视频测点

以川庆钻探某JJ450/45－K型井架为例，验证该测量系统的性能。基于视频测量的测试点选择如图2所示，为了验证系统测量的精确性，在杆件测点1与测点2、测点2与测点3、测点3与测点4、测点4与测点5间分别布置了应变片测点1、2、3、4。在阶梯钩载［10］（100、500、1000、1400kN）作用下，视频测量系统测试的部分测点像素变化曲线见图3。在几种钩载作用下2种测量系统测量的应变值如表1及如图4～7所示。

图3　视频测量系统测试的测点1～5位移像素变化曲线

从表1及图4～7，通过测试结果对比，得出以下结论：基于数字散斑相关技术的井架应变测量方法测试的井架杆件应变值与传统方法应变片测试法测试的应变值基本一致。基于现有的电测法测量结果是准确、可靠的。说明基于数字散斑相关技术的井架应变测量方法测试的井架应变准确、可靠。

现有电测法测试流程包括选点、布线、打磨、清洗、贴片、测试，准备工作需要2h，而使用基于数字散斑相关技术井架应变测量方法测试流程包括位置选择、选点、镜头高试、测试，准备工作只需0.5～1.0h［11－14］，大幅提高了工作效率。基于数字散斑相关技术井架应变测量方法，在测量井架杆件应力应变过程中，无需在井架测点布置数据线，减轻了劳动强度；同时，数字散斑相关法井架应力应变测量系统，理论上可选择无数多个点，使用井架应力应变测量更加全面、科学。

表1　两种井架应力应变测试系统测量的应变值με

图4　视屏法测点1－2与应变法测点1测试对比

图5　视屏法测点2－3与应变法测点2测试对比

图6　视屏法测点3－4与应变法测点3测试对比

图7　视屏法测点4－5与应变法测点4测试对比

1）为了更好的测试、评价在役井架的承载能力，研制了基于数字散斑相关技术的井架应变测量系统。

2）与传统的应变片电测方法比较，基于数字散斑相关技术的井架应变测量方法的测试结果更准确、可靠，提高了井架承载能力测评工作效率、减轻了劳动强度。解决了现有电测法检测过程中存在的不足。

3）基于数字散斑相关法的井架应力应变测量系统为井架承载能力评定提供了一种新的测试方法，对更加科学、合理地测评钻修井架承载能力具有实用价值。

参考文献：

［1］SY/6326—2012，石油钻机和修井机井架底座承载能力检测评定方法及分级规范.［S］.2012.

［2］徐国强，侯密山，张志田.车载修井机井架承载能力电测评定［J］.农业装备与车辆工程，2008（6）：40－42.

［3］吴文秀，王孟法.大腿应力集中损伤井架承载能力研究［J］.石油矿场机械，2010，39（11）：8－11.

［4］费洪海.在役JJ160/41－K井架承载能力检测与评定研究［D］.杭州：浙江大学，2012.

［5］韩东颖，李子丰，周国强，等.基于振动参数的钻井井架安全承载能力评定［J］.石油钻探技术，2006，34（6）：48－52.

［6］余焱群，綦耀光.车载修井机井架的动态测试与分析［J］.重型机械，2010（5）：35－37.

Derrick Strain Measuring Method Based on Digital Speckle Correlation Technique

WANG Mengfa，HAN Xin，FANG Yiping，DING Tieheng
（Kembl Petroleum Technology Co.，Ltd.，DRI of CNPC，Beijing102206，China）

Abstract：Against the existing detection of measuring method for an existing derrick bearing capacity assessment.Combined powerful computer graphics processing capabilities，design a measuring 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 measuring results from measuring method of derrick strain based on digital speckle correlation technique are accurate and reliable.At the same time，this measuring method reducing the labor intensity 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 evaluation，having important practical value for derrick bearing capacity assessment on more scientific，rational，comprehensive.

Keywords：drilling derrick；strain；digital speckle correlation method；measuring

中图分类号：TE923

文献标识码：A doi：10.3969/j.issn.1001－3482.2015.12.016

文章编号：1001－3482（2015）12－0063－04