应变式井下工程参数测量传感器组桥与布片研究

胡 泽 肖宇恒 葛 亮 张 韬

(西南石油大学电气信息学院，四川 成都 610500)

0 引言

为适应现代油气勘探开发需求，复杂结构井已经成为当前国际石油工业的研究前沿［1］。与此同时，旋转导向钻井技术应运而生。旋转导向钻井技术能够成功实现旋转导向的关键技术之一就是要能够实时测量出近钻头处的钻井参数［2］。

应变式井下工程参数测量传感器能够实现测量钻压、扭矩和钻头侧向力等参数，从而为现场技术人员提供实时掌握井下钻压、扭矩和钻头侧向力的手段。该传感器采用镍铬铝合金制作的金属箔式应变片，具有抗高温、抗蠕变、耐腐蚀等特点，能够适应井下恶劣环境［3］，从而为分析井下钻头的实际工作情况提供了非常直观的手段。该传感器可以减少和消除井下复杂事故，缩短钻井时间，提高钻井速度［4］。

1 应变式传感器设计

基于应变式传感器的作用机理变片，将弹性体的形变转化为应变片的形变［5］。本文设计的传感器是在钻柱上加入一节测量主轴作为弹性体，在测量主轴上进行应变片的布片组桥。

布片组及测试点位置示意图如图1所示。

图1 布片组及测试点位置示意图Fig.1 Schematic of arranging group and measuring point location

该测试共有16个测试点，每组测量电桥使用4个测试点，分别放置在圆周上且相互间隔90°。每个测试点分别贴有2枚应变片，即每组测量电桥包含8枚应变片，4组电桥总共有32枚应变片。这32枚应变片属于同一批次，灵敏系数为 2.4 ～2.6、电阻系数为1.24 ～1.42 Ω·mm2/m、电阻温度系数为 ±20 ×10－6℃。4 组电桥分别是钻压测量电桥、扭矩测量电桥和侧向力测量所需的两组电桥。测量所用的惠斯通电桥如图2所示。

图2 惠斯通电桥Fig.2 The Wheatstone bridge

采用全桥电压桥路进行测量［6］，2枚应变片组成一个电桥臂。与4枚应变片的电桥相比，8枚应变片的电桥不但提高了灵敏度和输出电压，而且也有利于优化传感器的性能。

式中:Uo为输出电压;K为灵敏度系数;E为输入电压;εRx为应变片 Rx产生的应变量(x=1，2，3，4)。

2 测量电桥的设计

由于在同一个主轴上要同时测量钻压、扭矩、钻头所受侧向力形成的弯曲力矩，为了减小各测量参数之间的耦合影响以及温度对电桥输出的影响，提高应变式传感器的精度、灵敏度和性能，需要合理地设计测量电桥，科学地进行布片和组桥［7］。4组测量布片组的布片方式和4组测量电桥的组桥方式分别如图3和图4所示。

图3 四组测量布片组的布片方式Fig.3 Arranging mode of four groups of measuring arrangement

图4 四组测量电桥的组桥方式Fig.4 Bridging mode of four groups of measuring bridges

3 测量电桥与应变片输出分析

在同一弹性体上同时测量钻压、扭矩、钻头侧向力，其最主要的问题是如何消除各测量参数之间的耦合影响，图3(d)与图4(d)给出的布片与组桥方式在理论上能够消除这种耦合影响，并能够提供很好的温度补偿。下面以扭矩测量电桥为例，分析本设计如何通过布片和组桥方式来消除这些影响。扭矩的测量实际上就是对测量主轴所受的剪应力进行测量，将应变片贴在测量主轴上，作为敏感元件来测量剪应力，从而达到测量扭矩的目的。

为了减小钻压、侧向力，并进行温度补偿。扭矩测量电桥的8枚应变片分为4组，每组相隔90°贴在垂直于轴线的圆周上。每组中的一枚应变片与轴线成45°夹角;另一枚与轴线成－45°夹角。假设温度对每枚应变片产生的应变量为εT，当钻压作用于测量主轴时，8枚应变片的应变量大小相等、方向相同，设为εp;当扭矩作用于测量主轴时，与主轴轴线成45°夹角的应变片与主轴轴线成－45°夹角的应变片产生的应变量大小相等、方向相反。取与主轴轴线成45°夹角的应变片产生的应变量大小为εM，当侧向力作用于测量主轴时，圆周0°上的两枚应变片与圆周180°上的两枚应变片产生的应变量大小相等、方向相反。取圆周0°上的两枚应变片产生的应变量为εWx，圆周90°上的两枚应变片与圆周270°上的两枚应变片产生的应变量大小相等、方向相反，取圆周90°上的两枚应变片产生的应变量为εWy。当扭矩、钻压、侧向力和温度同时影响扭矩测量电桥时，下式成立。

将式(2)代入式(1)，假设电桥负载远远大于电桥内阻，忽略调零电阻的影响，便可得到扭矩测量电桥的输出为:

同理可以得到钻压测量电桥的输出为:

侧向力Wx测量电桥的输出为:

侧向力Wy测量电桥的输出:

式中:εWxA、εWxB、εWyA、εWyB为钻头侧向力使主轴产生的弯曲形变导致应变片产生的应变量。

当侧向力作用时，它们具有如下关系:

式(5)和式(6)表示的电桥输出都包含了测量主轴上A、B两处由侧向力引起的弯曲应变量，而不是针对某一处，但是这并不影响侧向力的测量。以Uox为例，测量主轴上总存在一点处于AB两点连线上，且在这点上因侧向力而产生的弯曲应变量= θ(+)，同理，θ、β为未知的常系数，那么侧向力测量电桥的输出表达式为:

在已知两个相互垂直的分力的情况下，利用力的合成便可得到钻头所受的侧向力。需要说明的是，式(2)～式(8)的推导在忽略应变片横向效应的前提下才成立。

4 应变式传感器的制作与标定

通过分析式(3)、式(4)和式(8)的结果可知，在适当的假设条件下，在同一个测量轴上实现对钻压、扭矩、钻头侧向力的测量，并抵消非测量参数引起的应变量，消除不同测量参数之间的耦合，这在理论上是可行的。但是要充分地反映布片组桥效果，使设计的传感器性能在应用时达到最优，还必须在制作和标定时注意以下问题。

①由于各测量电桥的解耦合很大程度依赖于应变片粘贴的几何位置，所以在粘贴时应保证同组测量电桥的应变片准确无误地处于同一界面，并且应变片与主轴的夹角要尽量准确。在应变片和主轴上准确地布画栅格线可以有效解决此问题［8－9］。

②粘贴后的应变片要用放大镜仔细检查，确保方位角准确，应变片与主轴间无气泡，检查完毕后用夹具固定，并让其在室温中自然干燥24 h，然后用红外线灯进行烘烤，但温度应控制在40～80℃。若一开始就烘烤，则应变片敏感栅材料的电阻系数将会随温度的骤然变化而改变［10－13］。

③在标定过程中，为减小应变式传感器的机械滞后效应，应在对传感器进行3次以上的加载和卸载后，才记录标定数据。

5 结束语

本文设计了能同时测量钻压、扭矩和钻头侧向力的应变式传感器。该传感器能很好地抵消温度对被测参数的影响，较好地降低各测量参数之间的耦合影响;同时，其灵敏度和量程也满足随钻测量的要求;采用耐高温、耐腐蚀和抗蠕变的镍铬铝合金箔式应变片设计的传感器对井下环境有很强的适应能力。现场试验结果表明，该传感器能够成功获得井下钻井工程参数，并很好地满足井下工况对传感器的要求。

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