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(shù)包括鉆壓、扭矩、溫度和環(huán)空壓力等，這些參數(shù)的隨鉆準(zhǔn)確測量對安全、高效鉆井具有重要意義。在分析比較現(xiàn)有各種近鉆頭工程參數(shù)測量技術(shù)的基礎(chǔ)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(yīng)力應(yīng)變關(guān)系、鉆鋌內(nèi)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(yīng)變片粘貼、內(nèi)壓修正算法開發(fā)等提供了理論依據(jù)，也為近鉆頭工程參數(shù)隨鉆測量短接的研制奠定了基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞：鉆井工程；近鉆頭測量；隨鉆測量；扭矩；鉆壓

油氣鉆井過程中，近鉆頭處的鉆壓、扭矩等工程參數(shù)的隨鉆準(zhǔn)確測量對安全、高效鉆井具有重要意義。隨著井深的增加，特別是諸如分支井、水平井、魚骨井等特殊工藝井的開發(fā)，各種卡鉆、掉牙輪、鉆具斷落等鉆井事故時有發(fā)生，給鉆井生產(chǎn)的安全與效率帶來很大影響。通過對近鉆頭工程參數(shù)的實時測量值進行分析處理，可以總結(jié)各個測量參數(shù)對鉆井進程與效率的影響規(guī)律，及時發(fā)現(xiàn)和控制某些鉆井事故、達到安全、高效鉆井的目的，真正實現(xiàn)無風(fēng)險鉆井。
多年來，國內(nèi)外井下隨鉆測量儀器開發(fā)的重點一直是與油氣地質(zhì)儲量直接相關(guān)的地層電阻率、孔隙率、伽馬射線等地質(zhì)參數(shù)的測量；與幾何導(dǎo)向相關(guān)的井斜、方位、工具面角等井眼軌跡參數(shù)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(shù)測量技術(shù)研究較少。

1 近鉆頭工程參數(shù)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鉆井、井下動力鉆具鉆井兩種方式為主。鉆鋌在鉆進、下鉆、起鉆等不同的鉆井過程中，鉆柱／鉆鋌不同部位的受力情況與運動形式差別很大。主要包括：軸向拉力和壓力、扭矩、彎曲力矩、離心力、鉆鋌內(nèi)外擠壓、縱向振動、扭轉(zhuǎn)振動、橫向擺振等。由于鉆柱和鉆鋌的復(fù)雜運動形式，鉆頭在井底有渦動現(xiàn)象、井底鉆壓波動很大，甚至出現(xiàn)鉆頭離開井底的跳鉆現(xiàn)象。
理論上，鉆鋌所受的力與力矩可以簡化為：對鉆頭施加的鉆壓、傳遞鉆柱的扭矩、由鉆柱運動和井底反作用力產(chǎn)生的彎曲力矩以及鉆進過程中的鉆頭振動。從測量技術(shù)的角度，可以將鉆鋌受力簡化為厚壁圓管受到軸向的拉壓與振動、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(zhuǎn)應(yīng)力的測量都是基于受力物體的應(yīng)變效應(yīng)，利用應(yīng)變測量原理來實現(xiàn)的。沿鉆鋌圓柱體軸向0°、90°粘貼應(yīng)變片，通過測量應(yīng)變片的電阻變化獲得鉆鋌受到拉壓作用力的大小；沿鉆鋌圓柱體軸向±45°粘貼應(yīng)變片，通過測量應(yīng)變片的電阻變化獲得鉆鋌受到扭轉(zhuǎn)力矩的大?。坏窃撛磉m用于單獨的拉壓作用、單獨的扭矩作用的測量，無法直接應(yīng)用于井下高溫、高壓、受復(fù)合應(yīng)力作用的工程參數(shù)測量。
基于上述測量原理和井下儀器的實際工作過程，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(shù)測量儀并申請了專利，隨后著名的石油儀器公司，如：斯倫貝謝、貝克休斯、APS等公司相繼開發(fā)出不同結(jié)構(gòu)的井下工程參數(shù)測量短接，并于2000年前后申請了相關(guān)的井下工程參數(shù)測量短接專利。國內(nèi)的研究人員以此為基礎(chǔ)于2005年前后也申請了相應(yīng)的專利技術(shù)。
1．3 現(xiàn)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專利技術(shù)，其他技術(shù)或多或少是基于這兩個專利進行改進的，下面分析這些測量技術(shù)的優(yōu)缺點。
法國石油研究院和貝克休斯公司的專利就是基本的拉壓、扭矩測量原理加上不同結(jié)構(gòu)的井下儀器保護套、不同的測量電路與傳感器連接方式。這兩個專利共同的缺點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程中，由于彎矩的作用常常會使泥漿侵入傳感器部分而導(dǎo)致測量電路無法正常工作，為此貝克休斯公司在保護套與傳感部分、轉(zhuǎn)換電路的密封方面開展了大量的工作，一定程度地解決了該問題。
斯倫貝謝和APS公司對該技術(shù)進行了進一步的改進，通過在鉆鋌徑向鉆一定直徑、一定深度的孔，將應(yīng)變片粘貼在鉆孔內(nèi)，然后用高壓密封蓋板將應(yīng)變片密封在內(nèi)部，應(yīng)變片的電極引線通過鉆孔之間的內(nèi)部連接通道進行互連，最后與安裝在鉆鋌中間的抗壓筒內(nèi)或者安裝在鉆鋌壁槽內(nèi)的測量電路相連。二者的共同點是解決了保護套的密封問題，不同之處在于徑向孔的布置方式、應(yīng)變片引線的連接方式及其與二次轉(zhuǎn)換電路的連接方式等方面。這種技術(shù)的缺點也很明顯：首先是內(nèi)部引線孔加工比較困難，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行加工；其次是由于徑向孔的直徑不能太大，給應(yīng)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(xiàn)出一定的非線性，必須經(jīng)過地面刻度與校驗之后才能應(yīng)用于實際的測量當(dāng)中。