一種新型鉆壓扭矩隨鉆測量傳感器的特性分析

摘要：近鉆頭工程參數包括鉆壓、扭矩、溫度和環(huán)空壓力等，這些參數的隨鉆準確測量對安全、高效鉆井具有重要意義。在分析比較現有各種近鉆頭工程參數測量技術(shù)的基礎上，利用有限元分析軟件ANSYS詳細分析了一種新型近鉆頭鉆壓扭矩隨鉆測量傳感器不同角度的應力應變關(guān)系、鉆鋌內壓影響、鉆壓與扭矩之間的耦合關(guān)系等基本的測量特性，為應變片粘貼、內壓修正算法開(kāi)發(fā)等提供了理論依據，也為近鉆頭工程參數隨鉆測量短接的研制奠定了基礎。
關(guān)鍵詞：鉆井工程；近鉆頭測量；隨鉆測量；扭矩；鉆壓

油氣鉆井過(guò)程中，近鉆頭處的鉆壓、扭矩等工程參數的隨鉆準確測量對安全、高效鉆井具有重要意義。隨著(zhù)井深的增加，特別是諸如分支井、水平井、魚(yú)骨井等特殊工藝井的開(kāi)發(fā)，各種卡鉆、掉牙輪、鉆具斷落等鉆井事故時(shí)有發(fā)生，給鉆井生產(chǎn)的安全與效率帶來(lái)很大影響。通過(guò)對近鉆頭工程參數的實(shí)時(shí)測量值進(jìn)行分析處理，可以總結各個(gè)測量參數對鉆井進(jìn)程與效率的影響規律，及時(shí)發(fā)現和控制某些鉆井事故、達到安全、高效鉆井的目的，真正實(shí)現無(wú)風(fēng)險鉆井。
多年來(lái)，國內外井下隨鉆測量?jì)x器開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)一直是與油氣地質(zhì)儲量直接相關(guān)的地層電阻率、孔隙率、伽馬射線(xiàn)等地質(zhì)參數的測量；與幾何導向相關(guān)的井斜、方位、工具面角等井眼軌跡參數的測量與控制；而與鉆井安全、鉆井效率相關(guān)的鉆壓、扭矩、環(huán)空壓力等工程參數測量技術(shù)研究較少。

1 近鉆頭工程參數測量技術(shù)
1．1 近鉆頭鉆鋌的受力分析
目前，油氣鉆井方式以鉆盤(pán)鉆井、井下動(dòng)力鉆具鉆井兩種方式為主。鉆鋌在鉆進(jìn)、下鉆、起鉆等不同的鉆井過(guò)程中，鉆柱／鉆鋌不同部位的受力情況與運動(dòng)形式差別很大。主要包括：軸向拉力和壓力、扭矩、彎曲力矩、離心力、鉆鋌內外擠壓、縱向振動(dòng)、扭轉振動(dòng)、橫向擺振等。由于鉆柱和鉆鋌的復雜運動(dòng)形式，鉆頭在井底有渦動(dòng)現象、井底鉆壓波動(dòng)很大，甚至出現鉆頭離開(kāi)井底的跳鉆現象。
理論上，鉆鋌所受的力與力矩可以簡(jiǎn)化為：對鉆頭施加的鉆壓、傳遞鉆柱的扭矩、由鉆柱運動(dòng)和井底反作用力產(chǎn)生的彎曲力矩以及鉆進(jìn)過(guò)程中的鉆頭振動(dòng)。從測量技術(shù)的角度，可以將鉆鋌受力簡(jiǎn)化為厚壁圓管受到軸向的拉壓與振動(dòng)、圍繞軸向的一對扭矩和鉆鋌徑向受到的彎矩作用。
1．2 鉆壓扭矩測量原理
材料力學(xué)中拉壓與扭轉應力的測量都是基于受力物體的應變效應，利用應變測量原理來(lái)實(shí)現的。沿鉆鋌圓柱體軸向0°、90°粘貼應變片，通過(guò)測量應變片的電阻變化獲得鉆鋌受到拉壓作用力的大??；沿鉆鋌圓柱體軸向±45°粘貼應變片，通過(guò)測量應變片的電阻變化獲得鉆鋌受到扭轉力矩的大??；但是該原理適用于單獨的拉壓作用、單獨的扭矩作用的測量，無(wú)法直接應用于井下高溫、高壓、受復合應力作用的工程參數測量。
基于上述測量原理和井下儀器的實(shí)際工作過(guò)程，最早在1985年由法國石油研究院研制了第一臺鉆柱力學(xué)參數測量?jì)x并申請了專(zhuān)利，隨后著(zhù)名的石油儀器公司，如：斯倫貝謝、貝克休斯、APS等公司相繼開(kāi)發(fā)出不同結構的井下工程參數測量短接，并于2000年前后申請了相關(guān)的井下工程參數測量短接專(zhuān)利。國內的研究人員以此為基礎于2005年前后也申請了相應的專(zhuān)利技術(shù)。
1．3 現有鉆壓扭矩測量技術(shù)比較
目前有代表性的鉆壓扭矩測量技術(shù)仍是法國石油研究院與斯倫貝謝公司的兩類(lèi)專(zhuān)利技術(shù)，其他技術(shù)或多或少是基于這兩個(gè)專(zhuān)利進(jìn)行改進(jìn)的，下面分析這些測量技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。
法國石油研究院和貝克休斯公司的專(zhuān)利就是基本的拉壓、扭矩測量原理加上不同結構的井下儀器保護套、不同的測量電路與傳感器連接方式。這兩個(gè)專(zhuān)利共同的缺點(diǎn)是保護套與傳感器部分的密封比較困難，特別是在井下鉆鋌的工作過(guò)程中，由于彎矩的作用常常會(huì )使泥漿侵入傳感器部分而導致測量電路無(wú)法正常工作，為此貝克休斯公司在保護套與傳感部分、轉換電路的密封方面開(kāi)展了大量的工作，一定程度地解決了該問(wèn)題。
斯倫貝謝和APS公司對該技術(shù)進(jìn)行了進(jìn)一步的改進(jìn)，通過(guò)在鉆鋌徑向鉆一定直徑、一定深度的孔，將應變片粘貼在鉆孔內，然后用高壓密封蓋板將應變片密封在內部，應變片的電極引線(xiàn)通過(guò)鉆孔之間的內部連接通道進(jìn)行互連，最后與安裝在鉆鋌中間的抗壓筒內或者安裝在鉆鋌壁槽內的測量電路相連。二者的共同點(diǎn)是解決了保護套的密封問(wèn)題，不同之處在于徑向孔的布置方式、應變片引線(xiàn)的連接方式及其與二次轉換電路的連接方式等方面。這種技術(shù)的缺點(diǎn)也很明顯：首先是內部引線(xiàn)孔加工比較困難，往往需要分別加工，然后再焊接到一起，或者采用特制工具進(jìn)行加工；其次是由于徑向孔的直徑不能太大，給應變片的粘貼造成了很大困難；第三，這種傳感器的測量特性也表現出一定的非線(xiàn)性，必須經(jīng)過(guò)地面刻度與校驗之后才能應用于實(shí)際的測量當中。