于懷彬 賀越騰 孫亮 趙佩 王學(xué)濤

摘 要：鉆井施工過(guò)程中，扭矩是衡量鉆具在井下工作狀況的一個(gè)重要參數(shù)，在不同的施工參數(shù)、施工工況下扭矩也會(huì)發(fā)生較大的變化。通過(guò)測(cè)量鉆具在井下所受扭矩的變化，可以對(duì)井下工況進(jìn)行判斷，有效避免井下復(fù)雜的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)鉆井提速提效。本文對(duì)鉆具扭矩測(cè)量機(jī)理進(jìn)行了研究，并對(duì)應(yīng)變片的貼片方式進(jìn)行了分析，為提高扭矩測(cè)量精度提供了一種方法。

關(guān)鍵詞：鉆具;扭矩測(cè)量;應(yīng)變片;精度

為了保證鉆井作業(yè)的高效安全，準(zhǔn)確的獲得近鉆頭處的工程參數(shù)，可以在近鉆頭處安放測(cè)量工具，鉆井過(guò)程中實(shí)時(shí)測(cè)量近鉆頭處的鉆壓、扭矩、溫度、振動(dòng)等工程參數(shù)。這些工程參數(shù)的獲取能夠使地面工作人員實(shí)時(shí)掌握井下鉆具的工作狀態(tài)，根據(jù)井下工程參數(shù)的變化來(lái)有效預(yù)見(jiàn)鉆井事故的發(fā)生，進(jìn)而做出正確的決策，減少或預(yù)防鉆井事故的發(fā)生。

扭矩測(cè)量作為參數(shù)測(cè)量中的重要一環(huán)，在鉆井施工現(xiàn)場(chǎng)得到越來(lái)越多的應(yīng)用。本文對(duì)井下鉆具的扭矩測(cè)量方法及方式進(jìn)行了研究，通過(guò)測(cè)量方式優(yōu)選、布片方式的優(yōu)化達(dá)到提高扭矩測(cè)量精度的目的，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工有一定的指導(dǎo)意義。

1、鉆具扭矩測(cè)量機(jī)理

扭矩的測(cè)量主要是通過(guò)應(yīng)變片方式測(cè)量鉆鋌在承受扭矩時(shí)發(fā)生的應(yīng)變。測(cè)量過(guò)程為：將作為檢測(cè)元件的電阻應(yīng)變片粘貼在被測(cè)部件表面，然后將應(yīng)變片接入應(yīng)變測(cè)量電路。隨著部件的受力變形，應(yīng)變片的電阻發(fā)生變化，電阻變化與構(gòu)件表面的應(yīng)變成比例關(guān)系。測(cè)量電路的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)放大電路后，可由記錄儀器記錄。應(yīng)變片測(cè)量應(yīng)變范圍大、線(xiàn)性度好、溫度穩(wěn)定性高，利用這一原理，將金屬絲制成應(yīng)變片貼在受載荷物體的表面，將鉆鋌受力產(chǎn)生的應(yīng)變轉(zhuǎn)化為電阻變化來(lái)測(cè)量扭矩。

2、應(yīng)變片排布研究

應(yīng)變片為藍(lán)寶石基底，其耐高溫、蠕變和機(jī)械滯后都非常微小。應(yīng)變傳感器陣列中的箔式應(yīng)變片上的金屬柵絲在受外力的影響下會(huì)發(fā)生形狀的改變，從而其體電阻會(huì)發(fā)生變化。

將鉆鋌模型簡(jiǎn)化為一截面積為 A，長(zhǎng)度為 L 的圓柱體。在扭矩作用P下，鉆鋌在軸向方向上長(zhǎng)度由原來(lái)的L變?yōu)長(zhǎng)+△L。根據(jù)材料力學(xué)在軸向拉伸或者壓縮時(shí)的虎克定律：

要測(cè)量鉆鋌上的扭矩值只需要求取在鉆鋌表面的最大剪應(yīng)力。鉆鋌受到扭矩作用發(fā)生形變，由縱向軸線(xiàn)和圓周線(xiàn)組成的正方形扭成菱形。各圓周線(xiàn)圍繞鉆鋌軸線(xiàn)相對(duì)旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度;而圓周線(xiàn)長(zhǎng)度、形狀以及相鄰兩圓周之間距離未發(fā)生變化。因此，采用與鉆鋌軸線(xiàn)成±45°的應(yīng)變片來(lái)測(cè)量扭矩。

應(yīng)變片安裝在三個(gè)沿鉆鋌圓周等角度分布的凹槽內(nèi)，凹槽相距角度120度，兩兩凹槽之間加工了通孔相互連通。應(yīng)變片粘貼在凹槽側(cè)壁上，通過(guò)通孔中的導(dǎo)線(xiàn)將應(yīng)變片連接起來(lái)，組成應(yīng)變測(cè)量橋路陣列。并在每個(gè)圓柱形凹槽上配有鈹銅金屬蓋，對(duì)凹槽內(nèi)的應(yīng)變片形成保護(hù)，防止在井下高溫高壓和振動(dòng)工況下，巖屑和鉆井液侵入凹槽破壞應(yīng)變測(cè)量橋路陣列，對(duì)測(cè)量扭矩力產(chǎn)生影響。

由于應(yīng)變傳感器陣列中的應(yīng)變片具有靈敏度的方向性，因此需要對(duì)應(yīng)變片在鉆鋌上的粘貼位置進(jìn)行設(shè)計(jì)，應(yīng)變片的粘貼位置如圖2所示。應(yīng)變片沿著凹槽的槽壁按照順時(shí)針?lè)较蛘迟N4片箔式應(yīng)變片，兩兩應(yīng)變片的中心位置沿圓周相距90度夾角。位于45度、135度、225度和315度位置上的應(yīng)變片用于測(cè)量井下鉆鋌短節(jié)所受到的扭矩力。應(yīng)變片粘貼并經(jīng)過(guò)高溫老化后，使用高精度電阻測(cè)量?jī)x對(duì)每個(gè)粘貼后的應(yīng)變片進(jìn)行測(cè)量，將阻值與其它應(yīng)變片差異較大拆除重貼，盡量保證所有應(yīng)變片的一致性，這樣可以減小零點(diǎn)偏置誤差。在兩兩相鄰金屬圓柱形凹槽之間的通孔中穿入導(dǎo)線(xiàn)，并用導(dǎo)線(xiàn)將凹槽內(nèi)所有應(yīng)變片的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行連接。即相同橋臂方向上的應(yīng)變片先串聯(lián)在一起在與其它橋臂方向上的應(yīng)變片進(jìn)行串聯(lián)，最后使應(yīng)變片在所有的金屬圓柱形凹槽內(nèi)部形成惠斯通電橋結(jié)構(gòu)，這種設(shè)計(jì)可以抵消溫度變化對(duì)測(cè)量的影響也可以提高測(cè)量靈敏度。

4、結(jié)束語(yǔ)

井下參數(shù)測(cè)量?jī)x器近年來(lái)在鉆井施工中得到越來(lái)越多的應(yīng)用，扭矩測(cè)量也作為井下的一個(gè)重要參數(shù)得到重視。然而在實(shí)際的扭矩測(cè)量工作中，扭矩測(cè)量參數(shù)的準(zhǔn)確性還要受到鉆具的震動(dòng)、彎曲、溫度等多個(gè)井下因素的影響，因此進(jìn)行扭矩測(cè)量方式研究具有重要意義。

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