井下钻具扭矩测量方法研究

于怀彬 贺越腾 孙亮 赵佩 王学涛

摘 要：钻井施工过程中，扭矩是衡量钻具在井下工作状况的一个重要参数，在不同的施工参数、施工工况下扭矩也会发生较大的变化。通过测量钻具在井下所受扭矩的变化，可以对井下工况进行判断，有效避免井下复杂的发生，实现钻井提速提效。本文对钻具扭矩测量机理进行了研究，并对应变片的贴片方式进行了分析，为提高扭矩测量精度提供了一种方法。

关键词：钻具;扭矩测量;应变片;精度

为了保证钻井作业的高效安全，准确的获得近钻头处的工程参数，可以在近钻头处安放测量工具，钻井过程中实时测量近钻头处的钻压、扭矩、温度、振动等工程参数。这些工程参数的获取能够使地面工作人员实时掌握井下鉆具的工作状态，根据井下工程参数的变化来有效预见钻井事故的发生，进而做出正确的决策，减少或预防钻井事故的发生。

扭矩测量作为参数测量中的重要一环，在钻井施工现场得到越来越多的应用。本文对井下钻具的扭矩测量方法及方式进行了研究，通过测量方式优选、布片方式的优化达到提高扭矩测量精度的目的，对现场施工有一定的指导意义。

1、钻具扭矩测量机理

扭矩的测量主要是通过应变片方式测量钻铤在承受扭矩时发生的应变。测量过程为：将作为检测元件的电阻应变片粘贴在被测部件表面，然后将应变片接入应变测量电路。随着部件的受力变形，应变片的电阻发生变化，电阻变化与构件表面的应变成比例关系。测量电路的输出信号经过放大电路后，可由记录仪器记录。应变片测量应变范围大、线性度好、温度稳定性高，利用这一原理，将金属丝制成应变片贴在受载荷物体的表面，将钻铤受力产生的应变转化为电阻变化来测量扭矩。

2、应变片排布研究

应变片为蓝宝石基底，其耐高温、蠕变和机械滞后都非常微小。应变传感器阵列中的箔式应变片上的金属栅丝在受外力的影响下会发生形状的改变，从而其体电阻会发生变化。

将钻铤模型简化为一截面积为 A，长度为 L 的圆柱体。在扭矩作用P下，钻铤在轴向方向上长度由原来的L变为L+△L。根据材料力学在轴向拉伸或者压缩时的虎克定律：

要测量钻铤上的扭矩值只需要求取在钻铤表面的最大剪应力。钻铤受到扭矩作用发生形变，由纵向轴线和圆周线组成的正方形扭成菱形。各圆周线围绕钻铤轴线相对旋转一个角度;而圆周线长度、形状以及相邻两圆周之间距离未发生变化。因此，采用与钻铤轴线成±45°的应变片来测量扭矩。

应变片安装在三个沿钻铤圆周等角度分布的凹槽内，凹槽相距角度120度，两两凹槽之间加工了通孔相互连通。应变片粘贴在凹槽侧壁上，通过通孔中的导线将应变片连接起来，组成应变测量桥路阵列。并在每个圆柱形凹槽上配有铍铜金属盖，对凹槽内的应变片形成保护，防止在井下高温高压和振动工况下，岩屑和钻井液侵入凹槽破坏应变测量桥路阵列，对测量扭矩力产生影响。

由于应变传感器阵列中的应变片具有灵敏度的方向性，因此需要对应变片在钻铤上的粘贴位置进行设计，应变片的粘贴位置如图2所示。应变片沿着凹槽的槽壁按照顺时针方向粘贴4片箔式应变片，两两应变片的中心位置沿圆周相距90度夹角。位于45度、135度、225度和315度位置上的应变片用于测量井下钻铤短节所受到的扭矩力。应变片粘贴并经过高温老化后，使用高精度电阻测量仪对每个粘贴后的应变片进行测量，将阻值与其它应变片差异较大拆除重贴，尽量保证所有应变片的一致性，这样可以减小零点偏置误差。在两两相邻金属圆柱形凹槽之间的通孔中穿入导线，并用导线将凹槽内所有应变片的设计方案进行连接。即相同桥臂方向上的应变片先串联在一起在与其它桥臂方向上的应变片进行串联，最后使应变片在所有的金属圆柱形凹槽内部形成惠斯通电桥结构，这种设计可以抵消温度变化对测量的影响也可以提高测量灵敏度。

4、结束语

井下参数测量仪器近年来在钻井施工中得到越来越多的应用，扭矩测量也作为井下的一个重要参数得到重视。然而在实际的扭矩测量工作中，扭矩测量参数的准确性还要受到钻具的震动、弯曲、温度等多个井下因素的影响，因此进行扭矩测量方式研究具有重要意义。

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