井下鉆具扭矩測量方法研究

于懷彬 賀越騰 孫亮 趙佩 王學濤

摘 要：鉆井施工過程中，扭矩是衡量鉆具在井下工作狀況的一個重要參數，在不同的施工參數、施工工況下扭矩也會發生較大的變化。通過測量鉆具在井下所受扭矩的變化，可以對井下工況進行判斷，有效避免井下復雜的發生，實現鉆井提速提效。本文對鉆具扭矩測量機理進行了研究，并對應變片的貼片方式進行了分析，為提高扭矩測量精度提供了一種方法。

關鍵詞：鉆具;扭矩測量;應變片;精度

為了保證鉆井作業的高效安全，準確的獲得近鉆頭處的工程參數，可以在近鉆頭處安放測量工具，鉆井過程中實時測量近鉆頭處的鉆壓、扭矩、溫度、振動等工程參數。這些工程參數的獲取能夠使地面工作人員實時掌握井下鉆具的工作狀態，根據井下工程參數的變化來有效預見鉆井事故的發生，進而做出正確的決策，減少或預防鉆井事故的發生。

扭矩測量作為參數測量中的重要一環，在鉆井施工現場得到越來越多的應用。本文對井下鉆具的扭矩測量方法及方式進行了研究，通過測量方式優選、布片方式的優化達到提高扭矩測量精度的目的，對現場施工有一定的指導意義。

1、鉆具扭矩測量機理

扭矩的測量主要是通過應變片方式測量鉆鋌在承受扭矩時發生的應變。測量過程為：將作為檢測元件的電阻應變片粘貼在被測部件表面，然后將應變片接入應變測量電路。隨著部件的受力變形，應變片的電阻發生變化，電阻變化與構件表面的應變成比例關系。測量電路的輸出信號經過放大電路后，可由記錄儀器記錄。應變片測量應變范圍大、線性度好、溫度穩定性高，利用這一原理，將金屬絲制成應變片貼在受載荷物體的表面，將鉆鋌受力產生的應變轉化為電阻變化來測量扭矩。

2、應變片排布研究

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

將鉆鋌模型簡化為一截面積為 A，長度為 L 的圓柱體。在扭矩作用P下，鉆鋌在軸向方向上長度由原來的L變為L+△L。根據材料力學在軸向拉伸或者壓縮時的虎克定律：

要測量鉆鋌上的扭矩值只需要求取在鉆鋌表面的最大剪應力。鉆鋌受到扭矩作用發生形變，由縱向軸線和圓周線組成的正方形扭成菱形。各圓周線圍繞鉆鋌軸線相對旋轉一個角度;而圓周線長度、形狀以及相鄰兩圓周之間距離未發生變化。因此，采用與鉆鋌軸線成±45°的應變片來測量扭矩。

應變片安裝在三個沿鉆鋌圓周等角度分布的凹槽內，凹槽相距角度120度，兩兩凹槽之間加工了通孔相互連通。應變片粘貼在凹槽側壁上，通過通孔中的導線將應變片連接起來，組成應變測量橋路陣列。并在每個圓柱形凹槽上配有鈹銅金屬蓋，對凹槽內的應變片形成保護，防止在井下高溫高壓和振動工況下，巖屑和鉆井液侵入凹槽破壞應變測量橋路陣列，對測量扭矩力產生影響。

由于應變傳感器陣列中的應變片具有靈敏度的方向性，因此需要對應變片在鉆鋌上的粘貼位置進行設計，應變片的粘貼位置如圖2所示。應變片沿著凹槽的槽壁按照順時針方向粘貼4片箔式應變片，兩兩應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度位置上的應變片用于測量井下鉆鋌短節所受到的扭矩力。應變片粘貼并經過高溫老化后，使用高精度電阻測量儀對每個粘貼后的應變片進行測量，將阻值與其它應變片差異較大拆除重貼，盡量保證所有應變片的一致性，這樣可以減小零點偏置誤差。在兩兩相鄰金屬圓柱形凹槽之間的通孔中穿入導線，并用導線將凹槽內所有應變片的設計方案進行連接。即相同橋臂方向上的應變片先串聯在一起在與其它橋臂方向上的應變片進行串聯，最后使應變片在所有的金屬圓柱形凹槽內部形成惠斯通電橋結構，這種設計可以抵消溫度變化對測量的影響也可以提高測量靈敏度。

4、結束語

井下參數測量儀器近年來在鉆井施工中得到越來越多的應用，扭矩測量也作為井下的一個重要參數得到重視。然而在實際的扭矩測量工作中，扭矩測量參數的準確性還要受到鉆具的震動、彎曲、溫度等多個井下因素的影響，因此進行扭矩測量方式研究具有重要意義。

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