井底鉆壓扭矩傳感器設計與分析

孫召紅,房 軍,盛利民,竇秀榮

(1.中國石油大學(華東)機電工程學院,山東東營257061;2.中國石油集團鉆井工程技術研究院,北京100097)

井底鉆壓扭矩傳感器設計與分析

孫召紅1,房 軍1,盛利民2,竇秀榮2

(1.中國石油大學(華東)機電工程學院,山東東營257061;2.中國石油集團鉆井工程技術研究院,北京100097)

井底鉆壓扭矩參數的測量在鉆井過程中十分重要。在分析靠近鉆頭處測量短節受力的基礎上,應用應變原理建立了鉆壓、扭矩測量模型,得出鉆井液壓力對鉆壓測量產生的影響較大。在測量短節上增加1個壓力傳感器測量鉆井液壓力,通過數據處理可以消除鉆井液壓力對測量產生的影響。該方法能較好地實現井底鉆壓扭矩的測量。

近鉆頭測量;應變測試法;鉆壓;扭矩

井底鉆壓及扭矩的實時監測能使鉆井工作者更加準確地控制鉆井過程,減少鉆井風險,提高鉆探井的可觀測性和可控制性[1-2]。

目前主要是在鉆臺上使用指重表來測量和控制井底鉆壓及扭矩,但由于受到鉆柱彎曲、與井壁的摩擦等諸多因素的影響,測量結果與井下實際狀況差別很大,使得操作人員不能準確地判斷井下工作情況[3],因此設計合理的測量鉆壓和扭矩方法是非常重要的。

1 測量短節結構設計

井底鉆壓扭矩測量短節結構如圖1,主要由測量本體、電路存放總成、引線總成、平衡孔和保護套筒組成。平衡孔用來連通應變倉與短節內的鉆井泥漿,使應變倉保持壓力平衡。

2 測量短節力學分析

測量短節同時受到軸向鉆壓 F、鉆井液內外壓力 p1和 p2、Wx和Wy方向的彎矩M、扭轉力矩 T的作用,如圖2。由于測量短節在靠近鉆頭處,可忽略彎矩對測量短節強度產生的影響。

測量短節貼應變片處的應力主要有軸向力 F產生的拉或壓應力為

扭矩 T產生的剪切應力為

圖1 測量短節結構

圖2 測量短節受力

由拉梅公式[3],即

可計算出貼片處鉆井液產生的徑向應力σr和周向應力σθ為

式中,D為測量短節外徑,mm;d為測量短節內徑, mm;r為測量短節橫截面上任意點到圓心的距離, mm;JP為測量短節橫截面對圓心的極慣性矩, mm4;p1為鉆井液內壓力,MPa;p2為鉆井液外壓力,MPa。

3 扭矩測量

3.1 貼片及接橋方式

測量扭矩時,在45°方向上剪應力為零,正應力達到最大值。為增大輸出信號并減少溫度變化對測量結果的影響,采用全橋工作方式和4個阻值相等、靈敏度相同的應變片,貼片方式如圖3(沿 z軸展開),接橋方式如圖4。

圖3 扭矩測量貼片方式

圖4 扭矩測量電橋

3.2 接橋分析

該接橋方式可以抵消鉆壓、彎矩、溫度和鉆井液壓力對扭矩測量產生的影響[5]。

在扭矩 T作用下,R1、R3的阻值增加,其阻值為εT,R2、R4的阻值減小,其阻值也為εT,則電橋輸出電壓為

式中,k為應變片靈敏度系數。

將式(6)代入式(5),可得電橋輸出電壓與扭矩的關系為

由式(7)可見,扭矩與電橋輸出電壓之間呈線性關系,則可得扭矩為

4 鉆壓測量

4.1 貼片及接橋方式

鉆壓在軸線方向上產生的應變最大,采用沿軸線方向貼片測量、橫向作為溫度補償的貼片方法,如圖5。

圖5 鉆壓測量貼片方式

為增大信號輸出,采用全橋工作方式,可消除彎矩和溫度對測量產生的影響[4],但鉆井液壓力對鉆壓測量產生的影響不能通過接橋來抵消。接橋方式如圖6。

圖6 鉆壓測量接橋方式

4.2 鉆井液壓力的影響

截取單元體,對鉆井液壓力產生的影響進行分析,如圖7。

鉆壓產生的應力沿z軸,由式(4)可得鉆井液產生的周向應力σθ=-p1,徑向應力σr=-p1,則由廣義虎克定律[6]即

可得在z軸方向由鉆井液壓力產生的應變為

圖7 受鉆井液力影響的單元體應力

以鉆壓測量范圍為±250 kN,測量短節外徑?172 mm,貼片處內徑?88 mm、外徑?120 mm,鉆井液壓力50 MPa為例,計算當鉆壓和鉆井液達到最大值時,鉆井液對鉆壓測量產生的影響。

由式(10)可得鉆井液在鉆壓方向上的微應變為

由公式[4]

可得鉆壓在鉆壓方向上的微應變為

由以上算例分析可見,測量鉆壓時,鉆井液壓力產生的影響不能忽略。由式(10)可以看出,鉆井液壓力產生的應變與鉆井液壓力成線性關系,如圖8。

圖8 鉆井液壓力與在鉆壓方向上產生的應變關系

在測量短節上加1個壓力傳感器可以測量出鉆井液內壓 p1,然后通過輸出電壓與鉆壓和鉆井液內壓的關系式進行數據處理,以消除其影響。

測量鉆壓時的電橋輸出電壓為

將式(10)～(11)代入式(12),可得輸出電壓與鉆壓和鉆井液內壓的關系式為

由式(13)可見,輸出電壓中包含鉆井液壓力產生的影響,則鉆壓與電橋輸出電壓的關系即軸向鉆壓為

5 結論

1) 應用應變原理測量鉆壓和扭矩方法簡單,能夠在一定精度范圍內實現鉆壓和扭矩的測量。

2) 鉆井液壓力對鉆壓測量的影響很大。在測量短節上增加鉆井液壓力傳感器,通過數據處理,可以消除鉆井液壓力對測量產生的影響。

3) 由于井底環境復雜,如振動、摩擦、高溫等,單純貼片無法消除所有因素的影響,可以通過數據處理、傳感器標定及后續軟件等措施來修正。

[1] 蔣維平,孟憲民.鉆井工程實時多參數監測控制系統的研究[J].中國煤炭地質,2008,20(5):68-71.

[2] 劉文喜,張 鵬,韓 俠.井下工具可靠性設計[J].石油礦場機械,2009,38(7):56-59.

[3] 高蘊熙,段忠南.井下扭矩鉆壓的隨鉆測量系統[J].自動化與儀表,1997,12(4):42-44,53.

[4] 楊桂通.彈塑性力學引論[M].北京:清華大學出版社,2007.

[5] 潘少川,劉耀己,錢浩生.實驗應力分析[M].北京:高等教育出版社,1989.

[6] 劉鴻文.材料力學[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

孫召紅(1981-),女,山東青島人,碩士研究生,主要研究方向為井底鉆壓扭矩測量方法,E-mail:sun_linghu@ 163.com。