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　　多年來(lái)，國(guó)內(nèi)外井下隨鉆測(cè)量?jī)x器開發(fā)的重點(diǎn)一直是與油氣地質(zhì)儲(chǔ)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(cè)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(cè)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(cè)量技術(shù)研究較少。

　　1 近鉆頭工程參數(shù)測(cè)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(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(yùn)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(nèi)外擠壓、縱向振動(dòng)、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)、橫向擺振等。由于鉆柱和鉆鋌的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)形式，鉆頭在井底有渦動(dòng)現(xiàn)象、井底鉆壓波動(dòng)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(jiǎn)化為：對(duì)鉆頭施加的鉆壓、傳遞鉆柱的扭矩、由鉆柱運(yùn)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(cè)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(duì)扭矩和鉆鋌徑向受到的彎矩作用。

　　1.2 鉆壓扭矩測(cè)量原理

　　材料力學(xué)中拉壓與扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的測(cè)量都是基于受力物體的應(yīng)變效應(yīng)，利用應(yīng)變測(cè)量原理來(lái)實(shí)現(xiàn)的。沿鉆鋌圓柱體軸向0°、90°粘貼應(yīng)變片，通過(guò)測(cè)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(guò)測(cè)量應(yīng)變片的電阻變化獲得鉆鋌受到扭轉(zhuǎn)力矩的大小;但是該原理適用于單獨(dú)的拉壓作用、單獨(dú)的扭矩作用的測(cè)量，無(wú)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(cè)量。

　　基于上述測(cè)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(guó)石油研究院研制了第一臺(tái)鉆柱力學(xué)參數(shù)測(cè)量?jī)x并申請(qǐng)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(cè)量短接，并于2000年前后申請(qǐng)了相關(guān)的井下工程參數(shù)測(cè)量短接專利。國(guó)內(nèi)的研究人員以此為基礎(chǔ)于2005年前后也申請(qǐng)了相應(yīng)的專利技術(shù)。

　　1.3 現(xiàn)有鉆壓扭矩測(cè)量技術(shù)比較

　　目前有代表性的鉆壓扭矩測(cè)量技術(shù)仍是法國(guó)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(gè)專利進(jìn)行改進(jìn)的，下面分析這些測(cè)量技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。

　　法國(guó)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(cè)量原理加上不同結(jié)構(gòu)的井下儀器保護(hù)套、不同的測(cè)量電路與傳感器連接方式。這兩個(gè)專利共同的缺點(diǎn)是保護(hù)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(dǎo)致測(cè)量電路無(wú)法正常工作，為此貝克休斯公司在保護(hù)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(wèn)題。

　　斯倫貝謝和APS公司對(duì)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(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(guò)鉆孔之間的內(nèi)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(nèi)或者安裝在鉆鋌壁槽內(nèi)的測(cè)量電路相連。二者的共同點(diǎn)是解決了保護(hù)套的密封問(wèn)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(diǎn)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(jìn)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(cè)量特性也表現(xiàn)出一定的非線性，必須經(jīng)過(guò)地面刻度與校驗(yàn)之后才能應(yīng)用于實(shí)際的測(cè)量當(dāng)中。

　　2 傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與特性分析

　　2.1 井下工程參數(shù)測(cè)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(cè)量電路5等連接在一起時(shí)的整體結(jié)構(gòu)示意圖。其中：傳感器1用來(lái)粘貼測(cè)量鉆壓和扭矩的應(yīng)變片，應(yīng)變片引線通過(guò)導(dǎo)線孔引入安裝在抗壓筒5中的扭矩測(cè)量橋路、單片機(jī)電路;引線孔通過(guò)高壓密封蓋板4進(jìn)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(cè)量單元的兩個(gè)相互垂直的整體剖面圖，圖1中的另一個(gè)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。

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　　正常鉆進(jìn)情況下，鉆壓扭矩測(cè)量值相對(duì)平穩(wěn)，由單片機(jī)記錄存儲(chǔ)鉆井過(guò)程中的鉆壓扭矩值，用于起鉆回放后的鉆井過(guò)程分析;當(dāng)鉆壓扭矩測(cè)量值異常時(shí)，通過(guò)井下水力脈沖發(fā)生器將實(shí)時(shí)測(cè)量值傳送到地面監(jiān)控系統(tǒng)，供鉆井人員來(lái)決策參考。

　　2.2 傳感囂的有限元計(jì)算模型

　　圖2(a)為傳感器的有限元計(jì)算模型，應(yīng)變片安裝在3個(gè)圓周方向成120度的圓孔中、圓孔之間通過(guò)連接通道、用導(dǎo)線互聯(lián)。3個(gè)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(jìn)行密封。由于鉆井過(guò)程中，圓孔中的壓力是常壓，外部是鉆井過(guò)程的環(huán)空壓力，所以密封效果很好。應(yīng)變片分布在3個(gè)鉆孔內(nèi)0°/45°/90°/135°/180°/225°/270°/315°共8個(gè)方向，應(yīng)變片粘貼方式參見圖2(c)。

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　　用于有限元計(jì)算的傳感器尺寸分別為：鉆鋌外徑178 mm、鉆鋌內(nèi)徑76mm，測(cè)量部分孔徑：45mm，測(cè)量部分孔深：39mm，蓋板厚度：15 mm，蓋板邊長(zhǎng)：60 mmx60 mm。由材料力學(xué)知識(shí)可知：0°/90°/180°/270°4個(gè)方向的應(yīng)變片對(duì)鉆壓測(cè)量敏感、45°/135°/225°/315°4個(gè)方向的應(yīng)變片對(duì)扭矩測(cè)量敏感。理論上，將不同孔中對(duì)應(yīng)粘貼角度的應(yīng)變片串聯(lián)接入測(cè)量橋路就可以抵消彎矩作用對(duì)鉆壓扭矩測(cè)量結(jié)果的影響。假如彎矩作用使某一應(yīng)變片阻值增加，必然使相反方向的應(yīng)變片阻值減小，從而使串聯(lián)的總電阻保持不變。所以計(jì)算過(guò)程中未考慮彎矩的作用。

　　2.3 有限元計(jì)算結(jié)果分析

　　通過(guò)ANSYS建模、加載和計(jì)算，分析鉆壓、扭矩單獨(dú)作用與聯(lián)合作用時(shí)對(duì)傳感器輸出的影響規(guī)律、分析鉆鋌內(nèi)壓對(duì)這兩個(gè)測(cè)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(jì)算過(guò)程中用到的鉆壓扭矩參數(shù)參見表1，表中打鉤的計(jì)算點(diǎn)是以下分析的基礎(chǔ)。圖3、圖4分別表示鉆壓、扭矩單獨(dú)作用時(shí)的計(jì)算結(jié)果，考慮到應(yīng)變片粘貼的對(duì)稱性，兩圖只給出了0°/45°/90°/135°4個(gè)方向應(yīng)變量的輸出結(jié)果。

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　　圖3中45°、135°方向的應(yīng)變片隨著扭矩作用的增加，應(yīng)變量線性增加，而0°、90°方向的應(yīng)變片輸出幾乎不變;圖4中0°、90°方向的應(yīng)變片隨著鉆壓作用，應(yīng)變量線性增加，但是45°、135°的扭矩測(cè)量應(yīng)變片也隨著鉆壓作用而線性變化。

　　由此可見：可以通過(guò)測(cè)量不同方向應(yīng)變片的應(yīng)變量來(lái)獲得實(shí)際的鉆壓扭矩值。但是不同角度應(yīng)變片對(duì)鉆壓、扭矩的敏感程度不同，扭矩作用只對(duì)45°、135°方向的應(yīng)變片敏感，而4個(gè)方向的應(yīng)變片都對(duì)鉆壓作用敏感。也就是說(shuō)，鉆壓作用對(duì)扭矩測(cè)量有影響，而扭矩作用對(duì)鉆壓測(cè)量幾乎沒(méi)有影響，實(shí)際的測(cè)量條件下，必須考慮兩個(gè)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(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，兩圖只考慮了鉆鋌內(nèi)壓對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，沒(méi)有考慮環(huán)空壓力的影響。

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　　圖5中的兩組直線表示內(nèi)壓分別為30、60 MPa時(shí)，相同扭矩作用下應(yīng)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(huì)引起測(cè)量電路的零點(diǎn)發(fā)生變化;但斜率基本保持不變，這就要求在測(cè)量過(guò)程中需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)的零點(diǎn)調(diào)整。

　　圖6表示內(nèi)壓分別為0、30、60 MPa時(shí)，鉆壓作用下傳感器應(yīng)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(méi)有變化，也要求在測(cè)量過(guò)程中進(jìn)行動(dòng)態(tài)零點(diǎn)調(diào)整。

　　3 結(jié)論

　　通過(guò)不同的應(yīng)變片布局，傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)鉆壓和扭矩的測(cè)量目標(biāo)。其中：?jiǎn)我还r的應(yīng)變與鉆壓、扭矩值成線性關(guān)系。實(shí)際使用過(guò)程中，需要考慮鉆壓和扭矩相互影響，其中：扭矩對(duì)鉆壓的影響很小、但鉆壓對(duì)扭矩的影響較大。同時(shí)也說(shuō)明了測(cè)量過(guò)程解耦和測(cè)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(diǎn)變了，但斜率基本上沒(méi)有發(fā)生變化，要求在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中進(jìn)行動(dòng)態(tài)的零點(diǎn)調(diào)整;斜率沒(méi)有變化是因?yàn)樵诓牧系膹椥苑秶瑧?yīng)變規(guī)律仍為線性的胡克定律。