CN102839963A - 随钻钻压扭矩测量短节 - Google Patents

Abstract

随钻钻压扭矩测量短节，该短节上部加工成锥形内螺纹，下部加工成锥形外螺纹，外部中间部分加工成内小外大的四个环形槽，下端到中间部位加工有圆形孔，孔内装有内部保护套管；该短节内部中间偏上部分装有导流套总成，导流套总成内部装有二次转换电路，导流套总成由导流套固定螺栓与测量短节固定连接；测量敏感区外部有四层密封，测量敏感区上、下边缘处沿圆周安装有硬质合金片。该测量短节通过橡胶硫化、玻璃钢充注技术，实现了传感部分的多层密封，测量短节内部安装了内部保护套管、外部镶嵌了硬质合金片，保证了短节性能的长期稳定性。该测量短节结构简单、密封性能好、耐磨性能好。

Description

随钻钻压扭矩测量短节

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的测量短节。

背景技术：

钻井过程中，近钻头处的钻压、扭矩等钻井工程参数的随钻准确测量对安全、高效钻井是十分重要的。随着钻井深度的增加，特别是各种分支井、水平井的开发，各种卡钻、掉牙轮、钻具断落等钻井事故时有发生，给钻井生产的安全与效率带来很大影响，实时测量近钻头处的钻压扭矩等钻井工程参数的变化可以有效地防止此类事故的发生，为安全、高效钻井提供技术支持。

公知的钻井监控技术大多采用地面扭矩仪和指重表来测量扭矩和钻压，由于钻井过程中钻柱与井壁的相互作用过程复杂，由地面测量数据推算得到近钻头处工程参数的准确度较差。并且钻铤在钻井液中受到浮力与摩擦力、钻铤下放的冲击力和弹性力、不规则井眼的井壁对钻铤的摩擦力、钻铤螺旋弯曲旋转的离心力、以及钻铤在井下的纵振、横振等因素都不易精确计算，即便推算模型考虑因素再多，推算结果的准确度与可信度也很低。如：在定向井和水平井的钻井过程中，钻铤靠在或躺在井底，无法仅凭地面指重表上的钻压指示来判定井底真正加在钻头处的钻压与扭矩的大小。由此可见：地面仪表测量的不准确性、推算结果的可信度低以及传送数据的时间延迟效应等情况，都会引起不同程度钻井事故的发生。

通过井下近钻头处工程参数的准确测量，可以对实际钻井过程的实时数据进行分析、处理和对比，进而指导钻井过程。如：合理泥浆当量循环密度的确定、环空压力检测与分析技术等，总结各种工程参数对钻井过程的影响规律，及时发现和控制某些钻井事故、达到安全、高效钻井的目的，真正实现无风险、高效钻井。

目前石油钻井中使用的钻头分为牙轮钻头，金刚石钻头及刮刀钻头三大类，其中前两类钻头使用较多。通过钻头旋转与钻压的作用，钻头的各个齿交替地接触井底岩石，以冲击、压碎和滑动剪切等作用使岩石破碎。除旋转运动以外，钻头还会有纵向振动，并且纵向振动的频率高，幅度小。采用井下动力钻井时，井下动力钻具是用钻柱送到井底并靠钻柱与钻铤来承受反扭矩。采用转盘钻井时，依靠钻柱和钻铤向井底传递钻压和扭矩。

钻铤在钻进、下钻、起钻等不同的工作状态下，不同部位的受力情况与运动形式差别很大。主要包括：轴向拉力和压力、扭矩、弯曲力矩、离心力、钻铤内外挤压、纵向振动、扭转振动、横向摆振等。由于钻柱和钻铤的复杂运动形式，钻头在井底有涡动现象、井底钻压波动很大，甚至出现钻头离开井底的跳钻现象。理论上，钻铤所受的力与力矩可以简化为：对钻头施加的钻压、传递钻柱的扭矩、由钻柱运动和井底反作用力产生的弯曲力矩以及钻进过程中的钻头振动。从测量技术的角度，可以将钻铤受力简化为轴向的钻压作用与振动作用、围绕轴向的一对扭矩和钻铤径向受到的弯矩作用。

由于多年来国内外井下测量仪器的开发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、环空压力等工程参数测量技术研究较少，检索发现仅有少量的与此相关的专利技术，下面分别予以分析比较：

公知的圆柱拉伸、压缩与扭转测量技术是基于材料力学中拉压与扭转应力作用产生的应变效应，利用应变测量原理来实现的。沿圆柱轴向0°、90°粘贴应变片，通过测量应变片的电阻变化获得圆柱受到拉伸与压缩力的大小；沿圆柱轴向±45°粘贴应变片，通过测量应变片的电阻变化获得圆柱受到扭转力矩的大小；但是该原理适用于单独的拉压作用、单独的扭矩作用的测量，无法直接应用于井下高温、高压、受复合应力作用的井下工程参数测量。

基于上述测量原理和井下仪器的实际工作过程，最早在1985年由法国石油研究院研制了第一台钻柱力学参数测量仪并申请了专利，随后著名的石油仪器公司，如：斯伦贝谢、贝克休斯、APS等公司相继于2000年前后申请了相关的井下工程参数测量短节专利，国内的研究人员在2005年前后也申请过与贝克休斯公司相近的专利技术。相应的专利包括美国专利：6610935 B1、4608861、4821563、4958517、5386724、6216533，欧洲专利：PCT/US00/31685等。

法国石油研究院和贝克休斯公司的专利就是基本的拉压、扭矩测量原理加上不同结构的井下仪器保护套、不同的测量电路与应变片连接方式。这两个专利共同的缺点是保护套与应变片部分的密封比较困难，特别是在井下钻铤的工作过程中，由于弯矩的作用常常会使泥浆侵入应变片部分而导致测量电路无法正常工作，为此贝克休斯公司在保护套与传感部分、转换电路的密封方面开展了大量的工作，如：设计双密封圈、GT型密封圈、通过地面测试系统检验弯矩大小对密封性能的影响等，一定程度地解决了该问题。

斯伦贝谢和APS公司对该技术进行了进一步的改进，通过在钻铤径向钻一定直径、一定深度的孔，将应变片粘贴在钻孔内，然后用高压密封盖板将应变片密封在内部，应变片的电极引线通过钻孔之间的内部连接通道进行互连，最后与安装在钻铤中间的抗压筒内或者安装在钻铤壁槽内的测量电路相连。二者的共同点是解决了保护套的密封问题，不同之处在于径向孔的布置方式、应变片引线连接方式及其与二次转换电路的连接方式等方面。这种技术的问题是：首先，内部引线孔加工比较困难，往往需要分别加工，然后再焊接到一起，或者采用特制工具进行加工；其次，由于径向孔的直径不能太大，给应变片的粘贴造成了很大困难。第三，这种测量短节的测量特性也表现出一定的非线性，必须经过地面刻度与校验之后才能应用于实际的测量当中，使该技术的实用性受到一定程度的限制。

除上述著名公司的专利以外，国内外还有部分公司分别针对密封问题、加工问题进行了改进与专利申请，但都没有改变加工难度、密封性能、测量短节测量特性三者之间的矛盾，因此，技术上没有本质性的提高。

发明内容：

本发明的目的是提供一种简单实用的井下钻压扭矩随钻测量的测量短节，且测量短节输出与被测参数呈线性关系。与现有技术相比，该测量短节克服了井下钻压扭矩测量短节的密封性、耐磨性和抗冲蚀性能较差等方面的缺陷；本发明结构简单、可以方便地实现测量短节的更换、并可以方便地连接到近钻头钻铤的不同测量位置处。

本发明所述的仪器包括：上部连接钻铤、钻铤短节、导流套总成、导流套固定螺栓、硬质合金片、第一层密封、第二层密封、第三层密封、第四层密封、下部连接钻铤、固定螺帽、内部保护套管、测量敏感区、应变片、密封圈、导线孔、高压密封盖板、二次转换电路、扭矩测量应变片、钻压测量应变片、扭矩测量桥路、钻压测量桥路、扭矩放大单元以及钻压放大单元。

钻铤短节上部加工成锥形内螺纹，下部加工成锥形外螺纹，外部中间部分加工成内小外大的四个环形槽，下端到中间部位加工有圆形孔，孔内装有内部保护套管；钻铤短节内部中间偏上部分装有导流套总成，导流套总成内部装有二次转换电路，导流套总成由导流套固定螺栓与钻铤短节固定连接；测量敏感区外部的四个环形槽分别安装有第一层密封、第二层密封、第三层密封和第四层密封，四层密封的材料是橡胶，或者是玻璃钢，测量敏感区上、下边缘处沿圆周安装有硬质合金片，硬质合金片高出测量短节外表面1～2mm；内部保护套管选用硬质合金材质，内部保护套管和测量敏感区的内表面之间安装有密封圈，内部保护套管由固定螺帽进行安装紧固。

本发明所述的钻压扭矩随钻测量测量短节具有的有益效果是：(1).通过橡胶硫化、玻璃钢充注技术，实现了传感部分的多层密封，且不影响测量短节的测量性能；(2).利用内部保护套管减弱了钻铤内部泥浆对测量短节测量敏感区的冲刷与磨损；(3).利用硬质合金片解决了钻铤外部泥浆和井壁对测量短节测量敏感区的磨损，保证了测量短节特性的长期稳定性。

附图说明：

图1一种用于井下钻压扭矩随钻测量的测量短节的系统集成示意图；

图2一种用于井下钻压扭矩随钻测量的测量短节的应变片布局示意图。

具体实施方式：

现结合说明书附图1、附图2，对本发明做进一步描述。

图1表示钻压扭矩测量短节与上部连接钻铤1、下部连接钻铤10、导流套总成3连接在一起时的整体结构。其中，测量敏感区13用来粘贴钻压测量应变片20、扭矩测量应变片19，应变片粘贴方式参见图2。应变片引线通过导线孔16引出来连接至二次转换电路18，引线孔通过高压密封盖板17进行密封。应变片粘贴、内部连接、引线完成后，进行第一层密封6的加工，经过规定的时间后，依次进行第二层密封7、第三层密封8、第四层密封9的加工，为了保证密封效果，综合应用了橡胶硫化与挤出技术、玻璃钢充注技术。四层密封层加工完成后，能够消除由于弯矩作用而产生的泥浆侵入和渗漏现象；利用镶嵌在测量短节两边的硬质合金片5减少钻铤短节2外部泥浆和井壁对测量短节的外部磨损；利用内部保护套管12隔离钻铤短节2内部泥浆与测量短节，消除钻铤短节2内部泥浆对测量短节内部的冲蚀，从而保证测量短节测量性能的长期稳定性。

图2表示测量短节应变片的粘贴方式与钻压扭矩的测量电路。图2将应变片14沿传感部分表面0～360°展开，钻压测量应变片20用0°、90°的应变片粘贴方式来测量钻压，扭矩测量应变片19用±45°的应变片粘贴方式来测量扭矩；短节基本测量原理符合材料力学中的拉压、扭转测量原理，扭矩测量桥路21和钻压测量桥路22是增加零点调整的惠斯登电桥，用于调节由于粘贴过程产生的应变片初始应力不平衡的影响，通过将间隔180°的两个相同的电阻串联接在一个桥臂、将相隔45°的应变片接入相邻桥臂中，抵消弯矩作用对测量结果的影响，实现钻压扭矩的精确测量。

以下通过测量短节的加工与装配顺序，说明测量短节的基本原理：(1).将一段无磁钻铤短节材料的圆柱体上端加工出锥形内螺纹，下端加工锥形外螺纹，中部用车床车薄，达到测量敏感区13设计的外径时，进入下一步；(2).在钻铤短节2上加工导线孔16，加工与导流套总成3连接的通孔；(3).按设计要求，加工测量短节内部通孔；(4).加工安装导流套总成3的一对导流套固定螺栓孔；加工导流套总成3，在导流套总成3内部安装二次转换电路18；(5).加工钻铤短节2内部与固定螺帽11外螺纹相配合的连接螺纹、加工内部保护套管12；(6).按测量要求，粘贴扭矩测量应变片19和钻压测量应变片20，将桥路电阻连接好后，将电极引线(供电电源、输出信号线)从导线孔16引出至导流套总成3；(7).依次进行四层橡胶密封的加工；(8).安装内部保护套管12之后，进行硬质合金片5的加工；(9)加工上部连接钻铤和下部连接钻铤并分别与钻铤的上端内螺纹和下端外螺纹连接。至此，整个测量短节加工与装配完毕，可以用于井下工程参数的测量。

从外观与连接方式上看，测量短节可以看成是一段钻铤短节。可以根据实际测量需要，连接到近钻头处钻铤的任意一段，图1表示了这种连接方式。实际使用时，连接好的测量短节随钻铤下入井底。

钻井过程中，在近钻头处钻压扭矩的作用下，粘贴于测量敏感区11上的应变片16将钻压和扭矩作用转换成电信号，经位于导流套总成3内部的二次转换电路18转换为可以被转换电路处理器采集记录的数字信号。转换电路处理器有两种工作方式，一种是采集记录的数字信号经过导流套总成3与随钻测量系统(MWD)进行通讯，由MWD传输到地面监控系统。另一种是采集记录的数字信号存储于转换电路的存储器芯片中，钻井过程结束、起钻后进行数据回放，利用计算机分析钻井过程中工程参数的变化规律。

Claims (5)

1.随钻钻压扭矩测量短节，包括上部连接钻铤(1)、钻铤短节(2)、导流套总成(3)、导流套固定螺栓(4)、下部连接钻铤(10)、测量敏感区(13)、应变片(14)、导线孔(16)、高压密封盖板(17)、二次转换电路(18)，其特征还包括硬质合金片(5)、第一层密封(6)、第二层密封(7)、第三层密封(8)、第四层密封(9)、固定螺帽(11)、内部保护套管(12)、密封圈(15)；钻铤短节(2)上部加工成锥形内螺纹，下部加工成锥形外螺纹，外部中间部分加工成内小外大的四个环形槽，下端到中间部位加工有圆形孔，孔内装有内部保护套管(12)；钻铤短节(2)内部中间偏上部分装有导流套总成(3)，导流套总成(3)内部装有二次转换电路(18)，导流套总成(3)由导流套固定螺栓(4)与钻铤短节(2)固定连接；测量敏感区(13)外部有四层密封，测量敏感区(13)上、下边缘处沿圆周安装有硬质合金片(5)。

2.根据权利要求1所述的随钻钻压扭矩测量短节，其特征是：测量敏感区(13)外部的四个环形槽分别安装有第一层密封(6)、第二层密封(7)、第三层密封(8)和第四层密封(9)。

3.根据权利要求1所述的随钻钻压扭矩测量短节，其特征是：第一层密封(6)、第二层密封(7)、第三层密封(8)和第四层密封(9)的材料是橡胶，或者是玻璃钢。

4.根据权利要求1所述的随钻钻压扭矩测量短节，其特征是：硬质合金片(5)高出测量短节外表面1～2mm。

5.根据权利要求1所述的随钻钻压扭矩测量短节，其特征是：内部保护套管(12)选用硬质合金材质，内部保护套管(12)和测量敏感区(13)的内表面之间安装有密封圈(15)，内部保护套管(12)由固定螺帽(11)进行安装紧固。

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