井底钻压扭矩传感器设计与分析

孙召红,房 军,盛利民,窦秀荣

(1.中国石油大学(华东)机电工程学院,山东东营257061;2.中国石油集团钻井工程技术研究院,北京100097)

井底钻压扭矩传感器设计与分析

孙召红1,房 军1,盛利民2,窦秀荣2

(1.中国石油大学(华东)机电工程学院,山东东营257061;2.中国石油集团钻井工程技术研究院,北京100097)

井底钻压扭矩参数的测量在钻井过程中十分重要。在分析靠近钻头处测量短节受力的基础上,应用应变原理建立了钻压、扭矩测量模型,得出钻井液压力对钻压测量产生的影响较大。在测量短节上增加1个压力传感器测量钻井液压力,通过数据处理可以消除钻井液压力对测量产生的影响。该方法能较好地实现井底钻压扭矩的测量。

近钻头测量;应变测试法;钻压;扭矩

井底钻压及扭矩的实时监测能使钻井工作者更加准确地控制钻井过程,减少钻井风险,提高钻探井的可观测性和可控制性[1-2]。

目前主要是在钻台上使用指重表来测量和控制井底钻压及扭矩,但由于受到钻柱弯曲、与井壁的摩擦等诸多因素的影响,测量结果与井下实际状况差别很大,使得操作人员不能准确地判断井下工作情况[3],因此设计合理的测量钻压和扭矩方法是非常重要的。

1 测量短节结构设计

井底钻压扭矩测量短节结构如图1,主要由测量本体、电路存放总成、引线总成、平衡孔和保护套筒组成。平衡孔用来连通应变仓与短节内的钻井泥浆,使应变仓保持压力平衡。

2 测量短节力学分析

测量短节同时受到轴向钻压 F、钻井液内外压力 p1和 p2、Wx和Wy方向的弯矩M、扭转力矩 T的作用,如图2。由于测量短节在靠近钻头处,可忽略弯矩对测量短节强度产生的影响。

测量短节贴应变片处的应力主要有轴向力 F产生的拉或压应力为

扭矩 T产生的剪切应力为

图1 测量短节结构

图2 测量短节受力

由拉梅公式[3],即

可计算出贴片处钻井液产生的径向应力σr和周向应力σθ为

式中,D为测量短节外径,mm;d为测量短节内径, mm;r为测量短节横截面上任意点到圆心的距离, mm;JP为测量短节横截面对圆心的极惯性矩, mm4;p1为钻井液内压力,MPa;p2为钻井液外压力,MPa。

3 扭矩测量

3.1 贴片及接桥方式

测量扭矩时,在45°方向上剪应力为零,正应力达到最大值。为增大输出信号并减少温度变化对测量结果的影响,采用全桥工作方式和4个阻值相等、灵敏度相同的应变片,贴片方式如图3(沿 z轴展开),接桥方式如图4。

图3 扭矩测量贴片方式

图4 扭矩测量电桥

3.2 接桥分析

该接桥方式可以抵消钻压、弯矩、温度和钻井液压力对扭矩测量产生的影响[5]。

在扭矩 T作用下,R1、R3的阻值增加,其阻值为εT,R2、R4的阻值减小,其阻值也为εT,则电桥输出电压为

式中,k为应变片灵敏度系数。

将式(6)代入式(5),可得电桥输出电压与扭矩的关系为

由式(7)可见,扭矩与电桥输出电压之间呈线性关系,则可得扭矩为

4 钻压测量

4.1 贴片及接桥方式

钻压在轴线方向上产生的应变最大,采用沿轴线方向贴片测量、横向作为温度补偿的贴片方法,如图5。

图5 钻压测量贴片方式

为增大信号输出,采用全桥工作方式,可消除弯矩和温度对测量产生的影响[4],但钻井液压力对钻压测量产生的影响不能通过接桥来抵消。接桥方式如图6。

图6 钻压测量接桥方式

4.2 钻井液压力的影响

截取单元体,对钻井液压力产生的影响进行分析,如图7。

钻压产生的应力沿z轴,由式(4)可得钻井液产生的周向应力σθ=-p1,径向应力σr=-p1,则由广义虎克定律[6]即

可得在z轴方向由钻井液压力产生的应变为

图7 受钻井液力影响的单元体应力

以钻压测量范围为±250 kN,测量短节外径∅172 mm,贴片处内径∅88 mm、外径∅120 mm,钻井液压力50 MPa为例,计算当钻压和钻井液达到最大值时,钻井液对钻压测量产生的影响。

由式(10)可得钻井液在钻压方向上的微应变为

由公式[4]

可得钻压在钻压方向上的微应变为

由以上算例分析可见,测量钻压时,钻井液压力产生的影响不能忽略。由式(10)可以看出,钻井液压力产生的应变与钻井液压力成线性关系,如图8。

图8 钻井液压力与在钻压方向上产生的应变关系

在测量短节上加1个压力传感器可以测量出钻井液内压 p1,然后通过输出电压与钻压和钻井液内压的关系式进行数据处理,以消除其影响。

测量钻压时的电桥输出电压为

将式(10)～(11)代入式(12),可得输出电压与钻压和钻井液内压的关系式为

由式(13)可见,输出电压中包含钻井液压力产生的影响,则钻压与电桥输出电压的关系即轴向钻压为

5 结论

1) 应用应变原理测量钻压和扭矩方法简单,能够在一定精度范围内实现钻压和扭矩的测量。

2) 钻井液压力对钻压测量的影响很大。在测量短节上增加钻井液压力传感器,通过数据处理,可以消除钻井液压力对测量产生的影响。

3) 由于井底环境复杂,如振动、摩擦、高温等,单纯贴片无法消除所有因素的影响,可以通过数据处理、传感器标定及后续软件等措施来修正。

[1] 蒋维平,孟宪民.钻井工程实时多参数监测控制系统的研究[J].中国煤炭地质,2008,20(5):68-71.

[2] 刘文喜,张 鹏,韩 侠.井下工具可靠性设计[J].石油矿场机械,2009,38(7):56-59.

[3] 高蕴熙,段忠南.井下扭矩钻压的随钻测量系统[J].自动化与仪表,1997,12(4):42-44,53.

[4] 杨桂通.弹塑性力学引论[M].北京:清华大学出版社,2007.

[5] 潘少川,刘耀己,钱浩生.实验应力分析[M].北京:高等教育出版社,1989.

[6] 刘鸿文.材料力学[M].北京:高等教育出版社,1992.

Design and Analysis of Torque and Bit Weight Sensor

SUN Zhao-hong1,FANGJun1,SHENG Li-min2,DOU Xiu-rong2
(1.College of Mechanical and Electrical Engineering,China University ofPetroleum(Huadong),
Dongying257061,China;2.CN PC Drilling Research Institute,Beijing100097,China)

The torque measurement and bit weight down hole while drilling is of significant importance for the safety and efficiency in a drilling process.Based on the analysis of measuring short section’s stress and the forms of exercise near the bit,using the relationship between stress and strain,the bit weight and torque measurement model were established,and also the drilling fluidic fluency was analyzed.The sensor is designed which can realize the bottom drill press torque.

measurement near the bit;strain test method;weight on bit;torque

1001-3482(2010)04-0065-04

TE927.602

A

2009-10-26

孙召红(1981-),女,山东青岛人,硕士研究生,主要研究方向为井底钻压扭矩测量方法,E-mail:sun_linghu@ 163.com。