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系、鉆鋌內(nèi)壓影響、鉆壓與扭矩之間的耦合關系等基本的測量特性，為應變片粘貼、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。
關鍵詞：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；與幾何導向相關的井斜、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、鉆井效率相關的鉆壓、扭矩、環(huán)空壓力等工程參數(shù)測量技術研究較少。

1 近鉆頭工程參數(shù)測量技術
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、扭轉振動、橫向擺振等。由于鉆柱和鉆鋌的復雜運動形式，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實現(xiàn)的。沿鉆鋌圓柱體軸向0°、90°粘貼應變片，通過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，無法直接應用于井下高溫、高壓、受復合應力作用的工程參數(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)出不同結構的井下工程參數(shù)測量短接，并于2000年前后申請了相關的井下工程參數(shù)測量短接專利。國內(nèi)的研究人員以此為基礎于2005年前后也申請了相應的專利技術。
1．3 現(xiàn)有鉆壓扭矩測量技術比較
目前有代表性的鉆壓扭矩測量技術仍是法國石油研究院與斯倫貝謝公司的兩類專利技術，其他技術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，將應變片粘貼在鉆孔內(nèi)，然后用高壓密封蓋板將應變片密封在內(nèi)部，應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、應變片引線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用于實際的測量當中。