CN106437519B - 一种气体钻井近钻扭矩测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种气体钻井近钻扭矩测量方法，它是在钻柱下部的近钻钻柱上通过钻杆轴向间隔布置两节无磁钻铤，每节无磁钻铤内分别布置一套方位测试仪，每套方位测试仪设有对应的微波传输中继器，每套方位测试仪将所监测的方位值通过对应的微波传输中继器实时传输给地面；在钻井过程中，近钻钻柱的钻杆受到扭力作用后发生周向变形、其所受扭矩值满足关系式：式中，T为近钻钻柱的钻杆受到的扭矩值；G为近钻钻柱的钻杆的切变模量；为扭转角沿长度方向的变化率；A为近钻钻柱的钻杆的横截面积；ρ为近钻钻柱的钻杆的横截面上的某一点到圆心之间的距离。本发明能够真实、及时、可靠、精确地反应近钻区域的工况。
Description
_种气体钻井近钻扭矩测量方法
技术领域
[0001] 本发明涉及气体钻井技术，具体是一种气体钻井近钻扭矩测量方法。
背景技术
[0002] 在气体钻井施工中，为了能够掌握开采过程中井下工作的状况，需要实时的获取 井筒内的钻柱下部的扭矩变化状况，即近钻钻柱(靠近钻头的钻柱）的扭矩变化状况，以此 判断井下是否发生卡钻、井壁垮塌等危险工况。
[0003] 目前，气体钻井近钻钻柱的扭矩信息测量通常是在地面进行的，即在钻柱驱动转 盘和/或钻柱上部布置扭矩传感器，从而通过对扭矩传感器所获数据的读取，以获得井下近 钻钻柱的扭矩变化状况，进而解释、指导气体钻井工程的施工。此近钻钻柱扭矩信息测量方 法虽然简单、方便，但其存在的主要技术问题是：由于井筒内的钻柱是由轴向逐节连接的多 根钻杆和钻铤组成的，其往往长达上千米，每根钻杆和钻铤的长度通常分别长约9米，且每 根钻杆为弹性变形体;因此，在钻井过程中，近钻钻柱在井下所受扭矩会受到地层、钻头、钻 具组合、井眼形状、钻压、转速、栗冲、钻井液性能及地面机械等等因素的综合影响，受力复 杂，在地面的转盘和/或上部钻柱上测量其绝对值相当有困难，同时由于其与各种因素的对 应关系较难确定，最终所测得近钻钻柱的扭矩绝对值大多数是不准确的，往往和近钻钻柱 实际所受扭矩值具有较大的偏差，较难判断出近钻钻柱扭转振动的强烈程度。
[0004] 由此可见，现有气体钻井近钻钻柱扭矩的测量技术存在测量时效性和精确性差的 技术问题，进而在钻井过程中无法对钻柱实现稳定的高扭矩控制，既不利于将钻具事故控 制制度到最小程度，也不利于提高气体钻井的钻速。
发明内容
[0005] 本发明的发明目的在于：针对上述现有技术的不足，提供一种操作简单、测量准 确、时效性高、可靠实用的气体钻井近钻扭矩测量方法。
[0006] 本发明所采用的技术方案是，一种气体钻井近钻扭矩测量方法，所述近钻扭矩测 量方法是，在钻柱下部的近钻钻柱上通过钻杆轴向间隔布置两节无磁钻铤，每节无磁钻铤 内分别布置一套方位测试仪，每套方位测试仪设有对应的微波传输中继器，每套方位测试 仪将所监测的方位值通过对应的微波传输中继器实时传输给地面;在钻井过程中，近钻钻 柱的钻杆受到扭力作用后发生周向变形、其所受扭矩值满足关系式：
[0007] 式中，T为近钻钻柱的钻杆受到的扭矩值；
[0008] G为近钻钻柱的钻杆的切变模量；
[0009]
为扭转角沿长度方向的变化率;其中
为近钻钻柱的钻杆受扭力作用后两 套方位测试仪所监测方位值之间的扭力角度差，dx为两套方位测试仪之间的垂直距离；
[0010] A为近钻钻柱的钻杆的横截面积；
[0011] P为近钻钻柱的钻杆的横截面上的某一点到圆心之间的距离。
[0012] 所述近钻钻柱主要由从上而下轴向顺序连接在一起的第一无磁钻铤、至少一根钻 杆、第二无磁钻铤和普通钻铤组成，所述第一无磁钻铤和第二无磁钻铤内分别安装有一套 方位测试仪，每套方位测试仪的轴线与所在无磁钻铤的轴线相垂直。
[0013] 所述近钻钻柱的钻杆受扭力作用后两套方位测试仪所监测方位值之间的扭力角 度差满足关系式
τ
[0014] 式中，
为近钻钻柱的钻杆受扭力作用后两套方位测试仪所监测方位值之间的 扭力角度差；
[0015]
为近钻钻柱的钻杆受扭力作用后两套方位测试仪所监测方位值之间的总角度 差；
f为近钻钻柱的钻杆在未受扭力作用下两套方位测试仪所监测方位值之间的基本角度 差。
[0016] 所述两套方位测试仪之间的垂直距离满足关系式:dx = X1-X2;
[0017] 式中，dx为两套方位测试仪之间的垂直距离；
[0018] X1为处于近钻钻柱上部无磁钻铤上的第一方位测试仪至钻头之间的垂直距离；
[0019] X2为处于近钻钻柱下部无磁钻铤上的第二方位测试仪至钻头之间的垂直距离。
[0020] 本发明的有益效果是:上述测量方法通过在近钻钻柱上布置测量仪器并通过对应 的换算关系，从而时效、准确地获取井下近钻钻柱在钻井过程中所受的实际扭矩值，进而真 实、可靠、精确地反应近钻区域的工况，在钻井过程中能够对钻柱实现稳定的高扭矩控制， 进而既有利于将钻具事故控制制度到最小程度，也有利于提高气体钻井的钻速，其具有操 作简单、测量准确、时效性高、可靠实用等特点。
附图说明
[0021] 下面结合附图对本发明作进一步的说明。
[0022] 图1为本发明所用钻柱的一种简单结构示意图。
[0023]图2为图1中近钻钻柱的结构不意图。
具体实施方式
[0024] 参见图1和图2所示，本发明为气体钻井的近钻扭矩测量方法，其依靠伸入井筒1内 的钻柱本身对钻头4附近区域的近钻钻柱3所受扭矩实现真实、及时、精确、可靠地测量。
[0025] 具体的，本发明的钻柱结构包括伸入井筒1内的、轴向依序连接的上部钻柱2、下部 钻柱和钻头4,而下部钻柱又包括靠近钻头4的近钻钻柱3。近钻钻柱3主要由从上而下轴向 顺序连接在一起的第一无磁钻铤31、多根钻杆32、第二无磁钻铤33和普通钻铤36组成，多根 钻杆32将两节无磁钻铤(31、33)在轴向上间隔开，普通钻铤36与钻头4连接。第一无磁钻铤 31内布置有第一方位测试仪34和与之相匹配微波传输中继器6,第一方位测试仪34的轴线 与第一无磁钻铤31的轴线相垂直，无磁钻铤在旋转过程中，其内部的方位测试仪基本保持 在水平面的周向运动，进而可以获得地磁场7与方位测试仪轴线的夹角，第一方位测试仪34 的轴线与地磁线7之间的夹角为第二无磁钻铤33内布置有第二方位测试仪35和与之相 匹配微波传输中继器6,第二方位测试仪35的轴线与第二无磁钻铤33的轴线相垂直，无磁钻 铤在旋转过程中，其内部的方位测试仪基本保持在水平面的周向运动，进而可以获得地磁 场7与方位测试仪轴线的夹角，第二方位测试仪35的轴线与地磁线7之间的夹角为当 然，上部钻柱2和其它下部钻柱内可以考虑或者应当布置有对应微波传输中继器6,从而使 两套方位测试仪(34、35)分别通过对应的微波传输中继器6，将各自所监测的方位值通过微 波传输中继器6的相互“接力传递”实时的传输给地面，由地面接收机5接收。钻杆32的数量 所应遵循的原则是:能够产生足够的周向形变，进而保证两套方位测试仪(34、35)能检测出 因其周向变形而存在的角度差值的变化，但是，同时应保证整个钻杆组不会产生明显的轴 向弯曲，以避免测试精度被降低。
[0026] 在上述钻柱结构中，若地磁场的强度不够，测试值波动较大，则可以考虑在无磁钻 铤中安装人工磁场，以替代地磁场的作用。
[0027] 在钻井过程中，近钻钻柱3的钻杆32受到扭力作用后发生周向变形，其所受扭矩值 满足下述关系式：
[0028]
[0029] 式中，T为近钻钻柱的钻杆受到的扭矩值；
[0030] G为近钻钻柱的钻杆的切变模量；
[0031]
为扭转角沿长度方向的变化率;其中
为近钻钻柱的钻杆受扭力作用后两 套方位测试仪所监测方位值之间的扭力角度差，dx为两套方位测试仪之间的垂直距离；
[0032] A为近钻钻柱的钻杆的横截面积；
[0033] P为近钻钻柱的钻杆的横截面上的某一点到圆心之间的距离。
[0034] 上式中，近钻钻柱的钻杆受扭力作用后两套方位测试仪所监测方位值之间的扭力 角度差：
1满足下述关系式：
[0035]
[0036] 式中
为近钻钻柱的钻杆受扭力作用后两套方位测试仪所监测方位值之间的 扭力角度差；
[0037]
为近钻钻柱的钻杆在未受扭力作用下两套方位测试仪所监测方位值之间的基 本角度差，该基本角度差的确定是:在入井筒前将两套方位测试仪进行同步设置，使其具有 相同的时钟走时、测试周期及发送周期;在多根钻杆旋转下钻的过程中，虽然两套方位测试 仪所指向的方位角度在不断的周期性变化，但是由于多根钻杆未受扭力作用、未发 生周向的形变，则地面接收机5所接收到的两套方位测试仪指向方位的角度差为
„ _ _·，保持不变，视其为基本角度差；
[0038]
为近钻钻柱的钻杆受扭力作用后两套方位测试仪所监测方位值之间的总角度 差;该总角度差的确定是:在钻井过程中，多根钻杆受到扭力作用，在扭力作用下发生周向 的形变，则两套方位测试仪指向方位的角度差为
会不断的发生变化，视其为 总角度差。
[0039] 上式中，两套方位测试仪之间的垂直距离dx满足下述关系式：
[0040] dx = xi~X2;
[0041] 式中，dx为两套方位测试仪之间的垂直距离；
[0042] X1为处于近钻钻柱上部无磁钻铤上的第一方位测试仪至钻头之间的垂直距离；
[0043] X2为处于近钻钻柱下部无磁钻铤上的第二方位测试仪至钻头之间的垂直距离。
[0044] 以上技术方案仅用以说明本发明，而非对其限制。尽管参照上述具体技术方案对 本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对上述具体技术 方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换，并不使相应 技术方案的本质脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (4)
1. 一种气体钻井近钻扭矩测量方法，其特征在于，所述近钻扭矩测量方法是，在钻柱下 部的近钻钻柱上通过钻杆轴向间隔布置两节无磁钻铤，每节无磁钻铤内分别布置一套方位 测试仪，每套方位测试仪设有对应的微波传输中继器，每套方位测试仪将所监测的方位值 通过对应的微波传输中继器实时传输给地面;在钻井过程中，根据所接收的近钻钻柱的方 位值而计算获取近钻钻柱的钻杆的扭矩，具体的，近钻钻柱的钻杆受到扭力作用后发生周 向变形、其所受扭矩值满足关系式
式中，T为近钻钻柱的钻杆受到的扭矩值； G为近钻钻柱的钻杆的切变模量；
为扭转角沿长度方向的变化率;其中，为近钻钻柱的钻杆受扭力作用后两套方位 测试仪所监测方位值之间的扭力角度差，dx为两套方位测试仪之间的垂直距离； A为近钻钻柱的钻杆的横截面积； P为近钻钻柱的钻杆的横截面上的某一点到圆心之间的距离。
2. 根据权利要求1所述气体钻井近钻扭矩测量方法，其特征在于，所述近钻钻柱主要由 从上而下轴向顺序连接在一起的第一无磁钻铤、至少一根钻杆、第二无磁钻铤和普通钻铤 组成，所述第一无磁钻铤和第二无磁钻铤内分别安装有一套方位测试仪，每套方位测试仪 的轴线与所在无磁钻铤的轴线相垂直。
3. 根据权利要求1所述气体钻井近钻扭矩测量方法，其特征在于，所述近钻钻柱的钻杆 受扭力作用后两套方位测试仪所监测方位值之间的扭力角度差满足关系式
式中，c%为近钻钻柱的钻杆受扭力作用后两套方位测试仪所监测方位值之间的扭力角 度差； β为近钻钻柱的钻杆受扭力作用后两套方位测试仪所监测方位值之间的总角度差;％ 为近钻钻柱的钻杆在未受扭力作用下两套方位测试仪所监测方位值之间的基本角度差。
4. 根据权利要求1所述气体钻井近钻扭矩测量方法，其特征在于，所述两套方位测试仪 之间的垂直距离满足关系式:dx = JQ-X2; 式中，dx为两套方位测试仪之间的垂直距离； X1为处于近钻钻柱上部无磁钻铤上的第一方位测试仪至钻头之间的垂直距离； X2为处于近钻钻柱下部无磁钻铤上的第二方位测试仪至钻头之间的垂直距离。
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