CN102839961A - 石油钻井钻压扭矩随钻测量仪器的刻度装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在石油钻井工程中应用于井下钻压扭矩随钻测量仪器的地面刻度装置及方法。本发明的特征是：刻度短节设计成一种对称结构；采用连接器连接刻度短节与夹紧装置，使刻度短节悬浮于液压与机械模块中；刻度方法采用实测值与标准值的比对方法；分别使钻压或扭矩输出值从小到大或从大到小按一定步长变化，实现两个参数的单独刻度；或者使一个参数保持恒定，另一个参数步进增减，实现两个参数的联合刻度。其优点是：能够实现钻压、扭矩的单独刻度和联合刻度；消除了刻度装置机械模块的对中误差；消除了重力和夹紧装置产生的弯曲力矩对刻度结果的影响。

Description

石油钻井钻压扭矩随钻测量仪器的刻度装置及方法

技术领域：

本发明涉及一种在石油钻井工程中应用于井下钻压扭矩随钻测量仪器的地面刻度装置及方法。

背景技术：

随着定向井、水平井、鱼骨井、分支井以及大位移水平井等特殊工艺钻井技术的发展，各种卡钻、埋钻、掉牙轮等钻井事故时有发生，对钻井过程的安全性提出了更高的要求，如何合理有效地控制钻井过程，保证钻井过程的安全、高效是近年来石油钻井工程技术领域提出的问题之一，井下工程参数测量与实时监控技术是解决该问题的前提和条件。

多年来，国内外井下测量仪器开发的重点一直是与油气地质储量直接相关的地层电阻率、孔隙率、伽马射线等地质参数的测量、与几何导向钻井技术相关的井斜、方位、工具面角等井眼轨迹参数的测量与控制；而与钻井安全、钻井效率相关的钻压、扭矩等工程参数测量技术研究较少，更缺乏井下工程参数测量仪器的地面刻度装置及方法。国内外相关技术背景分析如下：

公知的扭矩刻度装置的工作原理是利用杠杆原理，由固定长度的力臂和可以增减重量/个数的砝码组合来改变扭矩的大小，从而实现扭矩测试仪的静态刻度过程，刻度方法简单、实用。

这种刻度装置存在的问题是：①.只能实现静态刻度，无法刻度扭矩变化过程中传感器的动态响应特性，而传感器的动态响应数据中蕴含着井下钻具钻进过程中的破岩、振动、与井壁碰撞等工程信息，具有重要的实际意义和研究价值，需要地面刻度装置能够提供与此相关的测量信息；②.刻度范围有限，为了增加刻度范围，常规的方法是增加力臂的长度与砝码的重量，由于存在着力臂机械变形而影响刻度精度的问题，其刻度范围受到一定的限制；③.操作不便，每改变一次扭矩的大小都需要人工增减砝码，不仅劳动强度大，而且需要大量的备用砝码；④.由于砝码腐蚀、不干净等原因造成的砝码重量改变也会对刻度精度产生一定的影响。

目前尚未检索到钻压刻度装置与刻度方法的专利信息，与钻压刻度装置相似的装置是材料力学研究中应用的拉伸与压缩力刻度装置。传统的拉压刻度装置及方法是利用砝码和钢丝绳组成的测试系统，通过砝码重量与接触面积的计算得到拉应力、压应力的数值大小。其基本特征与扭矩刻度装置相同，也存在着刻度范围有限、操作不便、静态刻度等问题而无法满足井下工程参数测量仪器的刻度要求。

由于在实际钻井过程中，钻压和扭矩同时作用在井下测量仪器上，要求刻度装置也能够提供钻压扭矩同时产生作用的刻度条件，进而测试井下随钻测量短节的特性。上述单个刻度装置均无法实现钻压扭矩的联合刻度，也就无法得到钻压、扭矩之间的耦合关系与修正方法。

发明内容：

本发明的目的是为井下钻压扭矩随钻测量仪器提供一种地面刻度装置及方法，精确地控制钻压与扭矩输出按一定的动静态刻度规律变化作用于被刻度的测量短节，在地面实验条件下获得井下钻压扭矩随钻测量短节的动静态输入输出关系，获得钻压扭矩测量参数之间的耦合系数，为测量短节的数据处理算法开发提供基础数据。

本发明所述的仪器包括：刻度装置的液压与机械模块、计算机测控模块和刻度短节三大部分。其中：液压与机械模块是刻度装置的动力源与执行机构，能够准确地输出刻度过程所需要的钻压与扭矩值，并能够将输出值稳定地保持一段规定的时间。计算机测控模块用来完成刻度信号采集与数据处理、人机交互、刻度过程显示、刻度结果输出、打印等功能。刻度短节由两个标准钻压表、两个标准扭矩表、测量短节和连接器串接组成。

本发明所述的刻度方法包括：钻压与扭矩的单独刻度方法、钻压与扭矩的联合刻度方法。以钻压扭矩的联合刻度方法为例，说明本刻度方法。

(1).连接标准钻压表、标准扭矩表与测量短节，组成刻度短节；

(2).利用刻度装置的固定式夹紧装置与移动式夹紧装置将刻度短节夹紧于刻度装置中；

(3).利用刻度装置的计算机采集模块采集并记录刻度短节输出信号、标准钻压表、标准扭矩表输出信号，作为刻度装置的零点信号；

(4).在计算机测控模块的控制下，保持钻压输出值不变，按照某一刻度步长输出扭矩值，如：取刻度短节测量范围的10％作为刻度步长，作用于刻度短节；

(5).采集记录刻度短节输出信号、标准钻压表、标准扭矩表输出信号，作为刻度信号；

(6).判断扭矩值是否达到刻度短节的测量上限，如果不是，转向(4)循环操作；如果是，转向下一步；

(7).判断钻压值是否达到刻度短节的测量上限，如果不是，将扭矩值置为零，按照某一步长增加钻压输出值，转向(4)循环操作；如果是，一个完整的刻度过程结束。

刻度数据处理方法简述如下：测量短接的输出信号是两套标准表输出信号的加权平均值，权系数由应变片的粘贴方式、粘贴精度、刻度装置的基本误差、环境温度等因素决定。

在刻度条件确定的情况下，权系数为常数，刻度方程为式(1)：

$\left\{\begin{array}{c}{Y}_{1i}=k_{11}{P}_{1i}+k_{12}{P}_{2i}+k_{13}{T}_{1i}+k_{14}{T}_{2i}+y_{10}\\ Y_{2i}=k_{21}{P}_{1i}+k_{22}{P}_{2i}+k_{23}{T}_{1i}+k_{24}{T}_{2i}+y_{20}\end{array}\right.---\left(1\right)$

i＝1，2，…，n

其中：n为刻度次数；Y_1i、Y_2i为测量短节的输出信号；k₁₁～k₁₄、k₂₁～k₂₄为影响因素的权系数；P₁、P₂为标准钻压表的输出信号；T₁、T₂为标准扭矩表的输出信号；y₁₀、y₂₀为测量短节输出的零点信号。

一般情况下，刻度流程设计为每个单独的上行或下行包含4％、8％、12％、20％、40％、60％、80％和100％共八个刻度点。完成一次上行下行的刻度过程，n＝15。

利用刻度得到的n组测量值，可以求出刻度方程(1)中的常数。

为简化起见，令：

$Y={\left[\begin{array}{cc}{Y}_{11}& Y_{21}\\ Y_{12}& Y_{22}\\ ...& ...\\ Y_{1n}& Y_{2n}\end{array}\right]}_{n\×2},$ $X={\left[\begin{array}{cc}{k}_{11}& k_{21}\\ k_{12}& k_{22}\\ k_{13}& k_{23}\\ k_{14}& k_{24}\end{array}\right]}_{4\×2,}$ $A={\left[\begin{array}{cccc}{P}_{11}& P_{21}& T_{11}& T_{21}\\ P_{12}& P_{22}& T_{12}& T_{22}\\ ..& ..& ..& ..\\ P_{1n}& P_{2n}& T_{1n}& T_{2n}\end{array}\right]}_{n\×4},$ $B={\left[\begin{array}{cc}{y}_{10}& Y_{20}\\ y_{10}& y_{20}\\ ...& ...\\ y_{10}& y_{20}\end{array}\right]}_{n\×2}---\left(2\right)$

利用式(2)将式(1)的刻度方程简化为：

Y＝AX+B                        (3)

由式(3)利用最小二乘法可以解得：

X＝(A^TA)^-1(A^TY-A^TB)            (4)

由此得到了系数k₁₁～k₁₄、k₂₁～k₂₄的具体数值，用于实际测量中的解耦计算。

实际应用时，测量方程为：

[y₁ y₂]＝[P₁ P₂ T₁ T₂]X        (5)

P₁、P₂、T₁、T₂分别表示需要测得的钻压扭矩值，也就是需要经过解耦修正计算后得到的测量值，忽略测量短节两端钻压和扭矩的变化量，假设P₁≈P₂、T₁≈T₂，且测量值y₁、y₂进行了零点修正，通过测量方程(5)可以得到：

$\left[\begin{array}{c}P\\ T\end{array}\right]={\left[\begin{array}{cc}{k}_{11}+k_2& k_{13}+k_{14}\\ k_{21}+k_{22}& k_{23}+k_{24}\end{array}\right]}^{-1}\left[\begin{array}{c}{y}_1\\ y_2\end{array}\right]=K\left[\begin{array}{c}{y}_1\\ y_2\end{array}\right]---\left(6\right)$

经过地面刻度以后，矩阵K是已知的，根据式(6)对测量结果进行计算，得到解耦后的较为准确的测量值。

本发明的特征是：①.刻度短节设计成两个标准钻压表、两个标准扭矩表的对称结构，通过数据处理抵消对中误差影响；②.采用连接器连接刻度短节与夹紧装置，使刻度短节悬浮于液压机械系统中，消除了重力和弯矩对刻度结果的影响；③.通过液压控制模块与计算机测控模块，使输出的钻压扭矩值按一定规律动态变化，分别对测量短节的钻压扭矩测量特性进行单独刻度；④.在一个参数固定的情况下，使另一个参数步进增减，实现钻压扭矩两个参数的联合刻度，为两个被测参数之间的耦合关系修正提供基础数据。⑤.操作简单，刻度范围满足现有钻盘钻井、井下动力钻具钻井的井下工程参数测量范围。

本发明所述的井下钻压扭矩随钻测量仪器刻度装置的有益效果是：①.实现钻压、扭矩两个参数的静态刻度，由一套装置完成通常扭矩刻度仪、拉压刻度仪两套装置的功能。通过机械与液压模块产生以一定步长变化的钻压、扭矩输出值作用于刻度短节，测控模块通过比较标准钻压表、标准扭矩表与测量短节输出的钻压、扭矩测量值，确定钻压扭矩随钻测量短节的输入输出关系，进而对其测量特性进行修正，提高测量短节的静态测试精度；②.在钻压输出值保持恒定的情况下，使扭矩输出从小到大或者从大到小变化，检验钻压作用对扭矩测量的影响大小。反过来，检验扭矩作用对钻压测量的影响大小。实现钻压扭矩两个参数的联合刻度，确定两个被测信号之间耦合关系，为测量结果的解耦算法提供基础数据；③.实现钻压、扭矩的动态刻度，通过液压与机械模块产生一定规律变化的钻压扭矩输出值作用于刻度短节，对传感器的动态特性进行测试和分析，为井下仪器的测量结果解释提供依据，为最终钻井故障的及时判定提供基础实验数据。

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

附图说明：

图1石油钻井钻压扭矩随钻测量仪器的刻度装置及方法的总体结构示意图；

图2石油钻井钻压扭矩随钻测量仪器的刻度装置及方法的计算机测控模块示意图；

图3石油钻井钻压扭矩随钻测量仪器的刻度装置及方法的液压控制模块示意图；

具体实施方式：

现结合说明书附图1、附图2、附图3，对本发明作进一步描述。

图1表示刻度装置的总体结构示意图，刻度装置主要由液压与机械模块(包括扭矩发生器1、固定式夹紧装置3、移动式夹紧装置23、钻压发生器4、底座与液压控制模块6)、计算机测控模块7两大部分组成。在液压控制模块6的控制下，刻度装置的扭矩发生器1、钻压发生器4能够输出满足井下仪器刻度精度要求的钻压、扭矩值；刻度装置的测控模块7除了实现精确采集标准钻压表12、标准扭矩表13的输出信号、测量短节11的输出信号以外，还需要完成刻度信号处理、钻压扭矩耦合关系的确定等任务，并通过人机交互完成启动、停止、顺序执行刻度过程等软件功能。两大部分协调控制完成一个完整刻度过程所需要的测量短节拆装、加载、稳定、卸载、人机交互等功能。

图1中，测量短节11、标准钻压表12和标准扭矩表13通过连接器22、24连接成一个整体；液压控制模块6控制液压与机械模块的两个夹紧装置3、23将连接好的测量短节11、标准钻压表12和标准扭矩表13整体悬浮于刻度装置中，由支撑架2进行支撑；然后通过液压操作手柄控制扭矩发生器1产生扭矩输出、控制钻压发生器4产生钻压输出，两个输出信号均作用于刻度短节；测控模块7通过数据采集卡9对总液压、扭矩液压、钻压液压信号的采集，按照刻度方法与刻度条件要求，判断/指导刻度过程；通过采集卡10分别采集标准扭矩表12、标准钻压表13和测量短节11的输出信号，通过对采集信号的处理获得测量短节的动静态测量特性；为了使刻度装置能够适应不同长度的测量短节，移动式夹紧装置23、钻压发生器4都设计具有在底座上进行横向移动、锁紧的功能。

图1中标准钻压表12、标准扭矩表13提供施加于测量短节11的钻压扭矩标准值，测量短节输出钻压扭矩的测量值；连接器22保证刻度短节可以悬浮于刻度装置中，而不是依靠夹紧的摩擦力来施加扭矩作用，可以一定程度地消除由于两个夹紧装置3的不对中造成的误差；此外，为了消除两个夹紧装置的对中误差的影响，采用了两块标准钻压表、两块标准扭矩表的对称结构，所有测量信号由测控模块进行采集与处理。两套由连接器22、标准钻压表12、标准扭矩表13固定地连接在一起的套件，通过更换不同的测量短节接头24以适应不同尺寸的测量短节。

图2表示刻度装置的计算机测控模块7的详细组成，整个测控模块实际上是一个工控机数据采集与处理系统。其中：工控机采用工业平板电脑8、数据采集通过数据采集卡9、数据采集卡10来完成，采集数据来自压力传感器19～21、标准扭矩表12、标准钻压表13和测量短节11。数据采集卡9用来采集三个压力传感器19、20、21测量的液压模块的总液压、输出扭矩液压、输出钻压液压信号，由工控机8判断刻度系统的工作进程是否合理，并给出相应的提示；数据采集卡10用来采集标准钻压表12、标准扭矩表13以及测量短节11的输出信号，由工控机8进行后续刻度数据处理。因采集目的与精度要求不同，两块采集卡具有不同的采集速率和采集精度。

图3表示刻度装置的液压控制模块，实际系统中将液压控制模块6和计算机测控模块7集成在一个控制柜中。其中：液压控制模块包括液压操作手柄14、液压保持器15、液压调节阀16、电气操作按钮17、液压泵18。蓄能式液压保持器15能够保持输出液压信号长时间稳定不变，数字式液压调节阀16能够精确地控制其输出的液压信号在全量程范围内连接均匀变化。通过电气操作按钮17启动液压泵18工作、通过14、15、16之间的操作配合实现不同钻压、不同扭矩的输出。

总之，整个刻度装置通过液压与机械模块、液压控制模块输出按一定规律变化的钻压、扭矩值作用于测量短节上，通过计算机测控模块采集、处理标准钻压表、标准扭矩表和测量短节的输出信号，获得井下钻压扭矩测量短节的输入输出特性；辅助采集液压系统的总液压、扭矩液压、钻压液压信号，进行刻度进程判断，在刻度方法指导下完成全部的刻度过程。

Claims (5)

1.石油钻井钻压扭矩随钻测量仪器的刻度装置，该装置包括：扭矩发生器(1)、支撑架(2)、固定式夹紧装置(3)、钻压发生器(4)、底座(5)、液压控制模块(6)、计算机测控模块(7)、工业平板电脑(8)、数据采集卡(9)/(10)、测量短节(11)、标准钻压表(12)、标准扭矩表(13)、液压操作手柄(14)、液压保持器(15)、液动调节阀(16)、电气操作按钮(17)、液压泵(18)、压力传感器(19)/(20)/(21)、连接器(22)、移动式夹紧装置(23)、测量短节接头(24)，其特征是：从底座(5)的一端开始依次安装扭矩发生器(1)、固定式夹紧装置(3)、移动式夹紧装置(23)、钻压发生器(4)，底座(5)上安装有导轨，钻压发生器(4)和移动式夹紧装置(23)安装在导轨上，在固定式夹紧装置(3)和移动式夹紧装置(23)之间通过连接器(22)固定刻度短节，刻度短节的设计为对称结构。

2.根据权利要求1所述的石油钻井钻压扭矩随钻测量仪器的刻度装置，其特征是：固定式夹紧装置(3)、移动式夹紧装置(23)与连接器(22)配合使刻度短节悬浮于夹紧装置中；连接器接头(22)是四方接头或六方接头。

3.根据权利要求1所述的石油钻井钻压扭矩随钻测量仪器的刻度装置，其特征是：刻度短节的对称结构是两个标准钻压表(12)、两个标准扭矩表(13)的组合形式，或者是只有两个标准钻压表(12)或者只有两个标准扭矩表(13)的形式。

4.石油钻井钻压扭矩随钻测量仪器的刻度方法，其特征是：计算机测控模块(7)与液压控制模块(6)配合，分别使钻压值或者扭矩值从小到大或者从大到小按一定的步长变化，实现钻压扭矩两个参数的单独刻度；或者保持一个参数的输出值恒定，使另一个参数作步进增减变化，实现两个参数的联合刻度。

5.根据权利要求4所述的石油钻井钻压扭矩随钻测量仪器的刻度方法，其特征是：钻压扭矩的联合刻度方法包括：刻度操作步骤和数据处理方法两部分。

刻度操作步骤如下：

(1).连接标准钻压表(12)、标准扭矩表(13)与测量短节(11)，组成刻度短节；

(2).利用刻度装置的固定式夹紧装置(3)与移动式夹紧装置(23)将刻度短节夹紧于刻度装置中；

(3).利用刻度装置的计算机采集模块采集并记录刻度短节输出信号、标准钻压表(12)、标准扭矩表(13)输出信号，作为刻度装置的零点信号；

(4).在计算机测控模块(7)的控制下，保持钻压输出值不变，按照某一刻度步长输出扭矩值，如：取刻度短节测量范围的10％作为刻度步长，作用于刻度短节；

(5).采集记录刻度短节输出信号、标准钻压表(12)、标准扭矩表(13)输出信号，作为刻度信号；

(6).判断扭矩值是否达到刻度短节的测量上限，如果不是，转向(4)循环操作；如果是，转向下一步；

(7).判断钻压值是否达到刻度短节的测量上限，如果不是，将扭矩值置为零，按照某一步长增加钻压输出值，转向(4)循环操作；如果是，一个完整的刻度过程结束。

数据处理方法如下：

刻度装置的刻度方程为式(1)、测量短节的测量方程为式(6)，通过地面刻度过程确定与式(1)等效的式(3)中的权系数矩阵A，用于实际的测量过程中的钻压扭矩值的解算。

$\left\{\begin{array}{c}{Y}_{1i}=k_{11}{P}_{1i}+k_{12}{P}_{2i}+k_{13}{T}_{1i}+k_{14}{T}_{2i}+y_{10}\\ Y_{2i}=k_{21}{P}_{1i}+k_{22}{P}_{2i}+k_{23}{T}_{1i}+k_{24}{T}_{2i}+y_{20}\end{array}\right.---\left(1\right)$

i＝1，2，…，n

其中：n为刻度次数；Y_1i、Y_2i为测量短节的输出信号；k₁₁～k₁₄、k₂₁～k₂₄为影响因素的权系数；P₁、P₂为标准钻压表的输出信号；T₁、T₂为标准扭矩表的输出信号；y₁₀、y₂₀为测量短节输出的零点信号。令：

$Y={\left[\begin{array}{cc}{Y}_{11}& Y_{21}\\ Y_{12}& Y_{22}\\ ...& ...\\ Y_{1n}& Y_{2n}\end{array}\right]}_{n\×2},$ $X={\left[\begin{array}{cc}{k}_{11}& k_{21}\\ k_{12}& k_{22}\\ k_{13}& k_{23}\\ k_{14}& k_{24}\end{array}\right]}_{4\×2},$ $A={\left[\begin{array}{cccc}{P}_{11}& P_{21}& T_{11}& T_{21}\\ P_{12}& P_{22}& T_{12}& T_{22}\\ ..& ..& ..& ..\\ P_{1n}& P_{2n}& T_{1n}& T_{2n}\end{array}\right]}_{n\×4},$ $B={\left[\begin{array}{cc}{y}_{10}& Y_{20}\\ y_{10}& y_{20}\\ ...& ...\\ y_{10}& y_{20}\end{array}\right]}_{n\×2}---\left(2\right)$

式(1)等效为式(3)

Y＝AX+B                            (3)

由式(3)解得：

X＝(A^TA)^-1(A^TY-A^TB)                (4)

测量短节的测量方程为：

[y₁ y₂]＝[P₁ P₂ T₁ T₂]X            (5)

实际测量值的解算结果为：

$\left[\begin{array}{c}P\\ T\end{array}\right]={\left[\begin{array}{cc}{k}_{11}+k_2& k_{13}+k_{14}\\ k_{21}+k_{22}& k_{23}+k_{24}\end{array}\right]}^{-1}\left[\begin{array}{c}{y}_1\\ y_2\end{array}\right]=K\left[\begin{array}{c}{y}_1\\ y_2\end{array}\right]---\left(6\right)$

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