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(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力應變關(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
材料力學中拉壓與扭轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(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(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。
2 傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計與特性分析
2．1 井下工程參數(shù)測量單元的整體結(jié)構(gòu)
圖1表示鉆壓扭矩傳感器1與上部連接鉆鋌2、抗壓筒和測量電路5等連接在一起時的整體結(jié)構(gòu)示意圖。其中：傳感器1用來粘貼測量鉆壓和扭矩的應變片，應變片引線通過導線孔引入安裝在抗壓筒5中的扭矩測量橋路、單片機電路；引線孔通過高壓密封蓋板4進行密封。圖1中上下兩幅剖面圖分別表示井下工程參數(shù)測量單元的兩個相互垂直的整體剖面圖，圖1中的另一個剖面圖3清楚地表明了抗壓筒連接處的泥漿通道，圖1中的4是引線孔密封蓋板。
正常鉆進情況下，鉆壓扭矩測量值相對平穩(wěn)，由單片機記錄存儲鉆井過程中的鉆壓扭矩值，用于起鉆回放后的鉆井過程分析；當鉆壓扭矩測量值異常時，通過井下水力脈沖發(fā)生器將實時測量值傳送到地面監(jiān)控系統(tǒng)，供鉆井人員來決策參考。
2．2 傳感囂的有限元計算模型
圖2(a)為傳感器的有限元計算模型，應變片安裝在3個圓周方向成120度的圓孔中、圓孔之間通過連接通道、用導線互聯(lián)。3個圓孔之間的連接通道參見傳感器的徑向剖面圖2(b)，圓孔用圖1中的蓋板4與密封圈進行密封。由于鉆井過程中，圓孔中的壓力是常壓，外部是鉆井過程的環(huán)空壓力，所以密封效果很好。應變片分布在3個鉆孔內(nèi)0°／45°／90°／135°／180°／225°／270°／315°共8個方向，應變片粘貼方式參見圖2(c)。
用于有限元計算的傳感器尺寸分別為：鉆鋌外徑178 mm、鉆鋌內(nèi)徑76mm，測量部分孔徑：45mm，測量部分孔深：39mm，蓋板厚度：15 mm，蓋板邊長：60 mmx60 mm。由材料力學知識可知：0°／90°／180°／270°4個方向的應變片對鉆壓測量敏感、45°／135°／225°／315°4個方向的應變片對扭矩測量敏感。理論上，將不同孔中對應粘貼角度的應變片串聯(lián)接入測量橋路就可以抵消彎矩作用對鉆壓扭矩測量結(jié)果的影響。假如彎矩作用使某一應變片阻值增加，必然使相反方向的應變片阻值減小，從而使串聯(lián)的總電阻保持不變。所以計算過程中未考慮彎矩的作用。
2．3 有限元計算結(jié)果分析
通過ANSYS建模、加載和計算，分析鉆壓、扭矩單獨作用與聯(lián)合作用時對傳感器輸出的影響規(guī)律、分析鉆鋌內(nèi)壓對這兩個測量參數(shù)的影響，尋求鉆鋌內(nèi)壓與環(huán)空壓力影響的修正方法。
計算過程中用到的鉆壓扭矩參數(shù)參見表1，表中打鉤的計算點是以下分析的基礎(chǔ)。圖3、圖4分別表示鉆壓、扭矩單獨作用時的計算結(jié)果，考慮到應變片粘貼的對稱性，兩圖只給出了0°／45°／90°／135°4個方向應變量的輸出結(jié)果。
圖3中45°、135°方向的應變片隨著扭矩作用的增加，應變量線性增加，而0°、90°方向的應變片輸出幾乎不變；圖4中0°、90°方向的應變片隨著鉆壓作用，應變量線性增加，但是45°、135°的扭矩測量應變片也隨著鉆壓作用而線性變化。
由此可見：可以通過測量不同方向應變片的應變量來獲得實際的鉆壓扭矩值。但是不同角度應變片對鉆壓、扭矩的敏感程度不同，扭矩作用只對45°、135°方向的應變片敏感，而4個方向的應變片都對鉆壓作用敏感。也就是說，鉆壓作用對扭矩測量有影響，而扭矩作用對鉆壓測量幾乎沒有影響，實際的測量條件下，必須考慮兩個參數(shù)之間的耦合程度與解耦算法。
圖5、圖6分別表示鉆鋌內(nèi)部壓力對測量結(jié)果的影響，兩圖只考慮了鉆鋌內(nèi)壓對測量結(jié)果的影響，沒有考慮環(huán)空壓力的影響。
圖5中的兩組直線表示內(nèi)壓分別為30、60 MPa時，相同扭矩作用下應變量的變化規(guī)律。由圖可見：隨著內(nèi)壓的增加或者鉆鋌內(nèi)部壓力與環(huán)空壓力差值的增加，特性曲線的截距發(fā)生了變化，這種變化將會引起測量電路的零點發(fā)生變化；但斜率基本保持不變，這就要求在測量過程中需要進行動態(tài)的零點調(diào)整。
圖6表示內(nèi)壓分別為0、30、60 MPa時，鉆壓作用下傳感器應變量的變化規(guī)律。與圖5相同，特性曲線的截距隨著內(nèi)壓的變化發(fā)生了變化，但斜率幾乎沒有變化，也要求在測量過程中進行動態(tài)零點調(diào)整。
3 結(jié)論
通過不同的應變片布局，傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)鉆壓和扭矩的測量目標。其中：單一工況的應變與鉆壓、扭矩值成線性關(guān)系。實際使用過程中，需要考慮鉆壓和扭矩相互影響，其中：扭矩對鉆壓的影響很小、但鉆壓對扭矩的影響較大。同時也說明了測量過程解耦和測量之前刻度工作的必要性。與內(nèi)壓為零的情況比，特性曲線的截距變了表示零點變了，但斜率基本上沒有發(fā)生變化，要求在實際測量過程中進行動態(tài)的零點調(diào)整；斜率沒有變化是因為在材料的彈性范圍，應變規(guī)律仍為線性的胡克定律。
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