CN110424950A - 一种随钻测量装置的应变片布置方式及电桥接桥方法 - Google Patents

Abstract

一种随钻测量装置的应变片布置方式及电桥接桥方法，先在短钻铤表面沿圆周方向铣出六个用于安装应变片的圆形测量平面，该六个圆形测量平面的位置分别为0°、α、β、180°、α+180°、β+180°；在0°和180°的两个测量平面上采用相同的布置方式粘贴8片应变片，相邻两片间隔45度，每片均指向圆心，且距圆心的距离相同；在剩余的四个测量平面上采用相同的方式，绕圆心环状粘贴4片应变片，相邻两片间隔90度；接桥：总的原则是将每个测量平面上相隔180度的两个应变片接入到同一个桥臂上。本发明方法不仅可以进行钻压扭矩的测量还可以测量短钻铤所受到的弯矩，并且避免了应变片的相互重叠粘贴方式，能够确保测量的精度。

Description

一种随钻测量装置的应变片布置方式及电桥接桥方法

技术领域

本发明属于随钻测量领域，具体涉及一种随钻测量装置的应变片布置方式及电桥接桥方法。

背景技术

在油气钻井过程当中，近钻头处的工程参数诸如钻压、扭矩和弯矩等参数的随钻测量的准确性对于高效、安全的钻井是非常重要的。钻井人员可以通过对井下近钻头处工程参数的实时准确测量，来对实际钻井过程进行分析、处理和对比，进而指导钻井过程。并且可以通过总结各测量参数对钻井进程与效率方面的影响规律，可以实现及时发现和控制某些钻井事故，从而达到安全、高效钻井的目的,实现真正实现无风险钻井。

在钻井过程中，钻铤的动作可以分为下钻、钻进和起钻等过程。在这不同的运动过程中，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。因此在井下随钻工程参数的测量中钻铤所受到的钻压、扭矩和弯矩的测量对于钻井安全是非常重要的。目前有许多钻井监控技术是在地面上通过诸如扭矩仪和指重表测量得到的扭矩和钻压来推算得到近钻头的工程参数。然而采用该种方法，由于实际井下情况的复杂性会导致通过地面参数推算得到井下工程参数的准确性较低。能够准确的测量得到井下随钻的钻压、扭矩和弯矩对于钻井安全是非常重要。

目前国内外对于随钻工程参数的测量多是基于应变片测量短钻铤上的应变来进行的。短钻铤的材料可以认为是线弹性的材料，因此其所受到的压力与压力引起的正应变、扭矩与扭转形成的切应变、以及弯矩与其引起的正应变都相应的成正比。因此如果能够通过应变片测量得到这些相应的应变，便可以换算得到短钻铤上所受到的钻压、扭矩和弯矩。然而由于短钻铤受力和运动的复杂性，通常是受到钻压、扭矩和弯矩的同时作用的。对于应变片其测量得到的应变中可能是由钻压、扭矩和弯矩共同作用而引起的。如果采用该多种因素带来的应变是无法获取具体的所关心的工程参数的大小的。

因此基于应变片的随钻工程参数测量中的一项关键技术便是如何通过合适的应变片的粘贴排布方式，使得测量得到的应变能够单独的反映钻压、扭矩和弯矩的大小，并且能够依托这些测量得到的应变的值的大小换算得到短钻铤具体所受到的实时的钻压扭矩和弯矩的大小。

国内外目前已经有一些关于基于应变片的工程参数测量的专利：斯伦贝谢公司在90年代提出了一种用于测量工程参数的应变片的粘贴方式。所公开的专利(USOO5386724A)中，将应变片安装在一个圆环上，每个圆环上粘贴8片应变片，在短钻铤的周向相隔180度的两个面上铣出一个平面，安装两个相同的带有八片应变片的测量环。共计16片应变片，其中8片用于接桥测量钻压，8片用于接桥测量扭矩。所提供的专利无法测量弯矩的大小，且采用测量环的方法，可能使得测量环与钻铤的变形不一致，从而影响测量的准确性。国内中国石油化工集团在2010年左右申请的两个有关工程参数测量的专利(申请号：201110165338.9，201110165372.6)中公布了一种基于应变片测量钻压和扭矩的粘贴方式：在圆柱轴向每隔45度布四片应变片，总计32片，采用T形布片测量钻压，与轴线成正负45度方向布片测量扭矩。该专利中给出的应变片粘贴方式中，两个应变片粘贴重合可能会影响测量的精度，并且无法测量弯矩参数。

发明内容

本发明的目的是提供一种随钻测量装置的应变片布置方式及电桥接桥方法，该方法不仅可以进行钻压扭矩的测量还可以测量短钻铤所受到的弯矩，并且避免了应变片的相互重叠粘贴方式，能够确保测量的精度。

本发明采取的技术方案为：

一种随钻测量装置的应变片布置方式及电桥接桥方法，包括以下步骤：

(1)在短钻铤(1)的表面沿圆周方向铣出六个用于安装应变片(2)的圆形测量平面(3)，该六个圆形测量平面的位置分别为0°、α、β、180°、α+180°、β+180°(分别为4、5、6、7、8、9)，其中0<α<β<90°；

(2)在0°和180°的两个测量平面上采用相同的布置方式粘贴8片应变片，相邻两片间隔45度，每片均指向圆心，且距圆心的距离相同；在剩余的四个测量平面上采用相同的方式，绕圆心环状粘贴4片应变片，相邻两片间隔90度；

(3)接桥：总的原则是将每个测量平面上相隔180度的两个应变片接入到同一个桥臂上；具体的接桥方法为：

1)将0°和180°两个测量平面上的与钻铤轴线垂直和平行的共八个应变片(R11、R15、R13、R17、R41、R45、R43、R47)接桥为钻压测量电路(10)，其中，同一个测量平面(比如0°测量平面)上间隔90度的应变片接入相邻桥臂(比如R11和R13及R17)，不同测量平面上相对应位置上的应变片接入相对的桥臂(比如0°的R11和180°的R41)，如此接桥用来测量钻压引起的应变；

2)将0°和180°两个测量平面上的与钻铤轴线成45度的共八个应变片(R12、R16、R14、R18、R42、R46、R44、R48)接桥为扭矩测量电路(11)，其中同个测量平面上间隔90度的应变片接入相邻桥臂(比如R12和R14及R18)，不同测量平面上相对应位置上的应变片接入相对的桥臂(比如0°的R12和180°的R42)，如此接桥用来测量扭矩产生的应变；

3)将α度和α+180°两个测量平面上的八个应变片(R21、R25、R23、R27、R51、R55、R53、R57)接桥为弯矩测量电路Ⅰ(12)，其中同个测量平面上间隔90度的应变片接入相邻桥臂(比如R21和R23及R27)，不同测量平面上相对应位置上的应变片接入相邻的桥臂(比如α度的R21和α+180°的R51)，如此接桥用来测量弯矩引起的正应变；

4)将β度和β+180°两个测量平面上的八个应变片(R31、R35、R33、R37、R61、R65、R63、R67)采用与α度和α+180°两个测量平面上的应变片相同的接桥方式接桥为弯矩测量电路Ⅱ(13)，测得另外一组由于弯矩产生的正应变。

进一步的，所述α的角度范围为50～70、β的角度范围为110～130。

测得的两个弯矩产生的应变都有可能不是最大正应变，但是可以根据材料力学中弯矩引起的正应变与距离中性层的距离成正比这一知识，结合两个电路测量的弯曲正应变大小以及α和β之间的角度差，计算得到最大弯曲正应变，从而计算得到钻铤所受到的弯矩大小。

本发明的有益效果是：

(1)通过在短钻铤表面铣出平整的测量平面，从而在其上粘贴应变片，防止了直接在曲面上粘贴应变片引起的测量误差。

(2)通过沿着测量用的圆形平面的圆形等距离对称布置两片应变片，并将这两片应变片接入电桥的同一根桥臂上，从而测量圆心位置处的应变，避免了需要在同一位置上重复粘贴应变片导致测量精度较低的问题。

(3)在测量某一个具体的工程参数时，通过合理的接电桥摒除其他工程参数的影响，从而确保了测量的准确性。

(4)测量过程中短钻铤只向地面传递应变的电信号，所有的工程参数的换算在地面实现，方便简化短钻铤中的测量电路。

(5)通过α度、β度、α+180°、β+180°的平面上电阻应变片进行接桥测量，可以得到两组弯曲应变，而后通过这两组弯曲正应变利用材料力学的知识换算得到最大正应变，进而可以计算得到钻铤所受到的弯矩，实现了利用应变片测量弯矩的方法。

附图说明

图1是测量应变片在短钻铤上的布置位置示意图，左图为粘贴了应变片的测量平面在短钻铤上的位置图；右图为测量平面在短钻铤上的分布剖面图。

图2是短钻铤上每个测量面上的应变片的粘贴方式示意图。

图3是短钻铤上的共计32片应变片的接电桥的电路示意图。

图中：1.短钻铤；2.应变片；3.测量平面；4.短钻铤0°表面上的应变片的粘贴方式；5.短钻铤α度表面上的应变片的粘贴方式；6.短钻铤β度表面上的应变片的粘贴方式；7.短钻铤180°表面上的应变片的粘贴方式；8.短钻铤α+180°表面上的应变片的粘贴方式；9.短钻铤β+180°度表面上的应变片的粘贴方式；10.钻压测量电路；11.扭矩测量电路；12.弯矩测量电路Ⅰ；13.弯矩测量电路Ⅱ。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1显示出的为测量应变片在短钻铤上的安装方法。为了能够使得应变片平整的粘贴在短钻铤表面上，需要在短钻铤表面铣一个圆形的平面，应变片便粘贴在这个平面上。在短钻铤一周总共铣出六个平面，分别是周向的0°、α、β°、180°、α+180°、β+180°(本实施例中，α和β分别取值为60°、120°)。这六个平面上的具体的应变片粘贴方式如图2所示。其中0°和180°的两个平面上粘贴八片应变片，每一片应变片都指向所在圆平面的中心，每片应变片间隔45度。其中与短钻铤轴线平行和垂直的四片应变片构成+形片，而与轴线成45度的四片构成X形布片。剩余的四个平面α度、β度、α+180°、β+180°的平面上，每个面上都以+形状布片。六个平面上总共布置了32片应变片。具体应变片的测量电路如图3所示。电路10是由测量平面4和7上的八个应变片接成的电桥，该电桥是用于测量钻铤所受到的钻压。电路11是由测量平面成X布置的八片应变片接成的电桥，该电桥是用于测量钻铤所受到的扭矩的大小的。电路12是由测量平面5和测量平面8上的共8个电阻组成的电桥，该电桥的用途是用来测量钻铤所受到的弯曲应变。电路13是由测量平面6和测量平面9上的总共8个应变片构成的测量弯曲应变的电桥。由于在钻井过程中钻铤弯曲方向存在不确定性，因此测量电路12和测量电路13所测量得到的弯曲应变可能都不是钻铤所受到的最大的弯曲应变。然而可以结合这两个电路上的测量得到的弯曲应变结合材料力学的基础知识快速换算得到钻铤所受到的最大弯曲应变从而可以计算得到钻铤所受到的弯矩的大小。在所有的测量过程中，井下只需向地面传输电桥的输出的值，而后在地面可以通过计算机快速换成钻铤所受到的钻压、扭矩和弯矩。

下面以两口井的使用情况进行说明。晋SHHxx井使用4脊PDC钻头，试验井段为658-738m，完钻垂深约650m，试验井段为二开造斜段，多数情况下为纯螺杆钻进；钻井液密度接近1.02g/cm3，使用本发明所采用的贴片方案与接桥方式，测得的钻压、扭矩以及弯矩分别为10K、0.4KN.M、2.6KN.M。古交CJS-Lxx井，试验井段为二开直井段及造斜段，使用4脊PDC钻头，在井深约550m，使用本发明所采用的贴片方案与接桥方式，测得的钻压、扭矩以及弯矩分别为9.35KN、0.35KN·m、2.6KN·m。

Claims (2)

1.一种随钻测量装置的应变片布置方式及电桥接桥方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：在短钻铤(1)的表面沿圆周方向铣出六个用于安装应变片(2)的圆形测量平面(3)，该六个圆形测量平面的位置分别为0°、α、β、180°、α+180°、β+180°，其中0<α<β<90°；

步骤二：在0°和180°的两个测量平面上采用相同的布置方式粘贴8片应变片，相邻两片间隔45度，每片均指向圆心，且距圆心的距离相同；在剩余的四个测量平面上采用相同的方式，绕圆心环状粘贴4片应变片，相邻两片间隔90度；

步骤三：接桥：总的原则是将每个测量平面上相隔180度的两个应变片接入到同一个桥臂上，具体的接桥方法为：

1)将0°和180°两个测量平面上的与钻铤轴线垂直和平行的共八个应变片接桥为钻压测量电路(10)，其中，同一个测量平面上间隔90度的应变片接入相邻桥臂，不同测量平面上相对应位置上的应变片接入相对的桥臂，如此接桥用来测量钻压引起的应变；

2)将0°和180°两个测量平面上的与钻铤轴线成45度的共八个应变片接桥为扭矩测量电路(11)，其中同个测量平面上间隔90度的应变片接入相邻桥臂，不同测量平面上相对应位置上的应变片接入相对的桥臂，如此接桥用来测量扭矩产生的应变；

3)将α度和α+180°两个测量平面上的八个应变片接桥为弯矩测量电路Ⅰ(12)，其中同个测量平面上间隔90度的应变片接入相邻桥臂，不同测量平面上相对应位置上的应变片接入相邻的桥臂，如此接桥用来测量弯矩引起的正应变；

4)将β度和β+180°两个测量平面上的八个应变片采用与α度和α+180°两个测量平面上的应变片相同的接桥方式接桥为弯矩测量电路Ⅱ(13)，测得另外一组由于弯矩产生的正应变。

2.如权利要求1所述的一种随钻测量装置的应变片布置方式及电桥接桥方法，其特征在于，所述α的角度范围为50～70、β的角度范围为110～130。