一种新型钻压扭矩随钻测量传感器的特性分析

摘要：近钻头工程参数包括钻压、扭矩、温度和环空压力等，这些参数的随钻准确测量对安全、高效钻井具有重要意义。在分析比较现有各种近钻头工程参数测量技术的基础上，利用有限元分析软件ANSYS详细分析了一种新型近钻头钻压扭矩随钻测量传感器不同角度的应力应变关系、钻铤内压影响、钻压与扭矩之间的耦合关系等基本的测量特性，为应变片粘贴、内压修正算法开发等提供了理论依据，也为近钻头工程参数随钻测量短接的研制奠定了基础。
关键词：钻井工程；近钻头测量；随钻测量；扭矩；钻压

    油气钻井过程中，近钻头处的钻压、扭矩等工程参数的随钻准确测量对安全、高效钻井具有重要意义。随着井深的增加，特别是诸如分支井、水平井、鱼骨井等特殊工艺井的开发，各种卡钻、掉牙轮、钻具断落等钻井事故时有发生，给钻井生产的安全与效率带来很大影响。通过对近钻头工程参数的实时测量值进行分析处理，可以总结各个测量参数对钻井进程与效率的影响规律，及时发现和控制某些钻井事故、达到安全、高效钻井的目的，真正实现无风险钻井。
    多年来，国内外井下随钻测量仪器开发的重点一直是与油气地质储量直接相关的地层电阻率、孔隙率、伽马射线等地质参数的测量；与几何导向相关的井斜、方位、工具面角等井眼轨迹参数的测量与控制；而与钻井安全、钻井效率相关的钻压、扭矩、环空压力等工程参数测量技术研究较少。

1 近钻头工程参数测量技术
1．1 近钻头钻铤的受力分析
    目前，油气钻井方式以钻盘钻井、井下动力钻具钻井两种方式为主。钻铤在钻进、下钻、起钻等不同的钻井过程中，钻柱／钻铤不同部位的受力情况与运动形式差别很大。主要包括：轴向拉力和压力、扭矩、弯曲力矩、离心力、钻铤内外挤压、纵向振动、扭转振动、横向摆振等。由于钻柱和钻铤的复杂运动形式，钻头在井底有涡动现象、井底钻压波动很大，甚至出现钻头离开井底的跳钻现象。
    理论上，钻铤所受的力与力矩可以简化为：对钻头施加的钻压、传递钻柱的扭矩、由钻柱运动和井底反作用力产生的弯曲力矩以及钻进过程中的钻头振动。从测量技术的角度，可以将钻铤受力简化为厚壁圆管受到轴向的拉压与振动、围绕轴向的一对扭矩和钻铤径向受到的弯矩作用。
1．2 钻压扭矩测量原理
    材料力学中拉压与扭转应力的测量都是基于受力物体的应变效应，利用应变测量原理来实现的。沿钻铤圆柱体轴向0°、90°粘贴应变片，通过测量应变片的电阻变化获得钻铤受到拉压作用力的大小；沿钻铤圆柱体轴向±45°粘贴应变片，通过测量应变片的电阻变化获得钻铤受到扭转力矩的大小；但是该原理适用于单独的拉压作用、单独的扭矩作用的测量，无法直接应用于井下高温、高压、受复合应力作用的工程参数测量。
    基于上述测量原理和井下仪器的实际工作过程，最早在1985年由法国石油研究院研制了第一台钻柱力学参数测量仪并申请了专利，随后著名的石油仪器公司，如：斯伦贝谢、贝克休斯、APS等公司相继开发出不同结构的井下工程参数测量短接，并于2000年前后申请了相关的井下工程参数测量短接专利。国内的研究人员以此为基础于2005年前后也申请了相应的专利技术。
1．3 现有钻压扭矩测量技术比较
    目前有代表性的钻压扭矩测量技术仍是法国石油研究院与斯伦贝谢公司的两类专利技术，其他技术或多或少是基于这两个专利进行改进的，下面分析这些测量技术的优缺点。
    法国石油研究院和贝克休斯公司的专利就是基本的拉压、扭矩测量原理加上不同结构的井下仪器保护套、不同的测量电路与传感器连接方式。这两个专利共同的缺点是保护套与传感器部分的密封比较困难，特别是在井下钻铤的工作过程中，由于弯矩的作用常常会使泥浆侵入传感器部分而导致测量电路无法正常工作，为此贝克休斯公司在保护套与传感部分、转换电路的密封方面开展了大量的工作，一定程度地解决了该问题。
    斯伦贝谢和APS公司对该技术进行了进一步的改进，通过在钻铤径向钻一定直径、一定深度的孔，将应变片粘贴在钻孔内，然后用高压密封盖板将应变片密封在内部，应变片的电极引线通过钻孔之间的内部连接通道进行互连，最后与安装在钻铤中间的抗压筒内或者安装在钻铤壁槽内的测量电路相连。二者的共同点是解决了保护套的密封问题，不同之处在于径向孔的布置方式、应变片引线的连接方式及其与二次转换电路的连接方式等方面。这种技术的缺点也很明显：首先是内部引线孔加工比较困难，往往需要分别加工，然后再焊接到一起，或者采用特制工具进行加工；其次是由于径向孔的直径不能太大，给应变片的粘贴造成了很大困难；第三，这种传感器的测量特性也表现出一定的非线性，必须经过地面刻度与校验之后才能应用于实际的测量当中。

2 传感器结构设计与特性分析
2．1 井下工程参数测量单元的整体结构
    图1表示钻压扭矩传感器1与上部连接钻铤2、抗压筒和测量电路5等连接在一起时的整体结构示意图。其中：传感器1用来粘贴测量钻压和扭矩的应变片，应变片引线通过导线孔引入安装在抗压筒5中的扭矩测量桥路、单片机电路；引线孔通过高压密封盖板4进行密封。图1中上下两幅剖面图分别表示井下工程参数测量单元的两个相互垂直的整体剖面图，图1中的另一个剖面图3清楚地表明了抗压筒连接处的泥浆通道，图1中的4是引线孔密封盖板。

    正常钻进情况下，钻压扭矩测量值相对平稳，由单片机记录存储钻井过程中的钻压扭矩值，用于起钻回放后的钻井过程分析；当钻压扭矩测量值异常时，通过井下水力脉冲发生器将实时测量值传送到地面监控系统，供钻井人员来决策参考。
2．2 传感嚣的有限元计算模型
    图2(a)为传感器的有限元计算模型，应变片安装在3个圆周方向成120度的圆孔中、圆孔之间通过连接通道、用导线互联。3个圆孔之间的连接通道参见传感器的径向剖面图2(b)，圆孔用图1中的盖板4与密封圈进行密封。由于钻井过程中，圆孔中的压力是常压，外部是钻井过程的环空压力，所以密封效果很好。应变片分布在3个钻孔内0°／45°／90°／135°／180°／225°／270°／315°共8个方向，应变片粘贴方式参见图2(c)。

    用于有限元计算的传感器尺寸分别为：钻铤外径178 mm、钻铤内径76mm，测量部分孔径：45mm，测量部分孔深：39mm，盖板厚度：15 mm，盖板边长：60 mmx60 mm。由材料力学知识可知：0°／90°／180°／270°4个方向的应变片对钻压测量敏感、45°／135°／225°／315°4个方向的应变片对扭矩测量敏感。理论上，将不同孔中对应粘贴角度的应变片串联接入测量桥路就可以抵消弯矩作用对钻压扭矩测量结果的影响。假如弯矩作用使某一应变片阻值增加，必然使相反方向的应变片阻值减小，从而使串联的总电阻保持不变。所以计算过程中未考虑弯矩的作用。
2．3 有限元计算结果分析
    通过ANSYS建模、加载和计算，分析钻压、扭矩单独作用与联合作用时对传感器输出的影响规律、分析钻铤内压对这两个测量参数的影响，寻求钻铤内压与环空压力影响的修正方法。
    计算过程中用到的钻压扭矩参数参见表1，表中打钩的计算点是以下分析的基础。图3、图4分别表示钻压、扭矩单独作用时的计算结果，考虑到应变片粘贴的对称性，两图只给出了0°／45°／90°／135°4个方向应变量的输出结果。

    图3中45°、135°方向的应变片随着扭矩作用的增加，应变量线性增加，而0°、90°方向的应变片输出几乎不变；图4中0°、90°方向的应变片随着钻压作用，应变量线性增加，但是45°、135°的扭矩测量应变片也随着钻压作用而线性变化。
    由此可见：可以通过测量不同方向应变片的应变量来获得实际的钻压扭矩值。但是不同角度应变片对钻压、扭矩的敏感程度不同，扭矩作用只对45°、135°方向的应变片敏感，而4个方向的应变片都对钻压作用敏感。也就是说，钻压作用对扭矩测量有影响，而扭矩作用对钻压测量几乎没有影响，实际的测量条件下，必须考虑两个参数之间的耦合程度与解耦算法。
    图5、图6分别表示钻铤内部压力对测量结果的影响，两图只考虑了钻铤内压对测量结果的影响，没有考虑环空压力的影响。

    图5中的两组直线表示内压分别为30、60 MPa时，相同扭矩作用下应变量的变化规律。由图可见：随着内压的增加或者钻铤内部压力与环空压力差值的增加，特性曲线的截距发生了变化，这种变化将会引起测量电路的零点发生变化；但斜率基本保持不变，这就要求在测量过程中需要进行动态的零点调整。
    图6表示内压分别为0、30、60 MPa时，钻压作用下传感器应变量的变化规律。与图5相同，特性曲线的截距随着内压的变化发生了变化，但斜率几乎没有变化，也要求在测量过程中进行动态零点调整。

3 结论
    通过不同的应变片布局，传感器能够实现钻压和扭矩的测量目标。其中：单一工况的应变与钻压、扭矩值成线性关系。实际使用过程中，需要考虑钻压和扭矩相互影响，其中：扭矩对钻压的影响很小、但钻压对扭矩的影响较大。同时也说明了测量过程解耦和测量之前刻度工作的必要性。与内压为零的情况比，特性曲线的截距变了表示零点变了，但斜率基本上没有发生变化，要求在实际测量过程中进行动态的零点调整；斜率没有变化是因为在材料的弹性范围，应变规律仍为线性的胡克定律。