CN113653482A - 一种用于修井的井下多工程参数测量短节及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于修井的井下多工程参数测量短节及测量方法，该短节包括钻铤本体，在钻铤本体的轴向中心设置修井液循环通道，在钻铤本体的外壁上沿周向间隔120°均匀分布三个电路板仓，各电路板仓均由电路板仓盖板密封，在各电路板仓内分别安装传感器组件和电路板，在各电路板仓的底面均设置应变计仓，各应变计仓间以过线孔相通，在各应变计仓内分别粘贴8个应变计。本发明所公开的测量短节，可串接入井下近修井工具处，并随修井工具一同入井作业，消除了上部钻杆摩阻引起的测量误差，解决了地面测量数据无法准确反映井下真实状况的问题。

Description

一种用于修井的井下多工程参数测量短节及其测量方法

技术领域

本发明属于修井作业领域，特别涉及该领域中的一种用于修井的井下多工程参数测量短节及其测量方法。

背景技术

修井作业是石油钻井以及后续油井维护的一种作业，是为了确保油井能顺利生产而采取的维护和保养措施。修井作业中的常规任务主要是复杂落鱼（井内落物）打捞和油井套管修复。在作业过程中经常需要进行落鱼造扣和提拉受损套管，在这些操作过程中，井下近修井工具处的钻压、拉力、扭矩、旋转圈数、环空压力都是重要的施工参数，直接关系到修井作业的成功与否。

国内外现有的井下工程参数测量技术主要应用于钻井过程中的随钻测量，用来测量钻压、扭矩和旋转速度等参数，不包括旋转圈数的测量。但修井作业流程、现场设备、施工工艺与钻井过程有很大不同，现有用于随钻工程参数测量的设备无法直接用于修井作业。

在现有修井作业的施工工艺中，井下近工具处的钻压、拉力、扭矩和旋转圈数等参数，是由地面修井机自带的传感器进行测量显示或由人工计数完成，但当井深越深，尤其是井内套管弯曲过大，对钻杆的摩阻增大时，在修井液浮力等因素的共同干扰下，地面测量的结果与近工具处的实际参数值相差甚远，不能够准确反映井下近工具处的真实情况，操作人员无法准确判断是否打捞到落物，是否造扣成功，是否造扣圈数达到了设计要求，往往只能凭借经验操作，或者只能通过反复多次作业尝试，导致了频繁的起下钻作业，大大降低了施工效率，增加了作业成本，严重影响了修井作业的成功率，甚至会给井内油管带来二次损害，造成油井报废。

目前修井作业中虽然可通过地面指重仪表获取钻压、拉力值，但无法获取扭矩参数。造扣作业中的旋转圈数一般是通过人工在地面对转盘正转圈数和倒转圈数计数得到的。在随钻裸眼井场景下，也可通过磁通门传感器测量地磁，当钻柱旋转时，记录切割地磁力线的次数，从而得到旋转圈数。然而，修井作业是在已经带有金属套管的生产井内进行的，金属套管会影响地磁线的分布，导致上述方法无法准确测量。

目前国内尚没有适用于修井作业的近工具处钻压、拉力、扭矩、旋转圈数、环空压力等工程参数测量的系统产品。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供一种可接入修井钻具串中并紧邻井下工具处的井下多工程参数测量短节及其测量方法。

本发明采用如下技术方案：

一种用于修井的井下多工程参数测量短节，其改进之处在于：包括钻铤本体，在钻铤本体的轴向中心设置修井液循环通道，在钻铤本体的外壁上沿周向间隔120°均匀分布三个电路板仓，各电路板仓均由电路板仓盖板密封，在各电路板仓内分别安装传感器组件和电路板，在各电路板仓的底面均设置应变计仓，各应变计仓间以过线孔相通，在各应变计仓内分别粘贴8个应变计，2个应变计为一组，其中测扭矩的两组应变计两两交叉，敏感方向布置在与钻铤本体的轴向成±45°的方向上，测张力的两组应变计中，一组敏感方向与钻铤本体的轴向平行，一组敏感方向与钻铤本体的轴向垂直，使用穿过过线孔的导线将分布在三个应变计仓同一粘贴位置的应变计以串行方式连接起来，作为全桥惠斯通电桥的一个桥臂，共八个桥臂，由测扭矩的两组应变计形成的四个桥臂组成一个全桥惠斯通电桥，由测张力的两组应变计形成的四个桥臂组成另一个全桥惠斯通电桥，全桥惠斯通电桥将受力时产生相同方向应变的两个桥臂作为对侧桥臂，产生相反方向应变的两个桥臂作为相邻桥臂，向各全桥惠斯通电桥施加激励电压并放大采集输出电压；在钻铤本体的下端设置导流套，在导流套的下端安装多芯接插件，在导流套内设置通孔，安装在通孔内的导线将多芯接插件与钻铤本体内的电路板电连接在一起；在钻铤本体的外壁上固定安装带凸起腔体的底座，在腔体内安装焊接有陀螺仪惯性传感器芯片的电路板，且电路板的安装方向与钻铤本体的轴向垂直；在钻铤本体的外壁和与修井液循环通道相对的内壁上分别开小孔，并安装压力传感器。

进一步的，钻铤本体由高强度无磁不锈钢材料制成。

进一步的，电路板仓由电路板仓盖板配合O型密封圈密封，电路板仓盖板通过螺栓固定。

进一步的，在钻铤本体的外壁上沿周向间隔90°均匀分布有四个电路板仓。

进一步的，应变计为电阻应变计。

进一步的，导流套通过多芯接插件与电池探管组件和脉冲发生器组件连接。

进一步的，导流套与钻铤本体之间通过O型密封圈密封。

进一步的，底座为金属底座。

一种测量方法，使用上述的测量短节，其改进之处在于，包括如下步骤：

（1）测张力和扭矩：

向各全桥惠斯通电桥施加固定的激励电压，通过电路放大其输出电压并进行采集，输出电压的极性和大小变化即可反映出钻铤本体所受张力、扭矩的方向和大小；

（2）测旋转圈数：

采用陀螺仪惯性传感器测量钻铤本体的旋转角速度，再对角速度按时间积分得到旋转圈数；

（3）识别修井液循环的进行与停止：

两个压力传感器分别测量修井液循环通道内的修井液压力和钻铤本体外壁与井壁间的修井液压力，如修井液循环通道内的修井液压力大于钻铤本体外壁与井壁间的修井液压力一定数值，则修井液循环正在进行；如两个压力基本一致，则修井液循环停止。

本发明的有益效果是：

本发明所公开的测量短节，可串接入井下近修井工具处，并随修井工具一同入井作业，消除了上部钻杆摩阻引起的测量误差，可测量和存储井下近修井工具处的钻压、拉力、扭矩、旋转圈数、环空压力和环空温度，解决了地面测量数据无法准确反映井下真实状况的问题。此外该测量短节还可驱动修井液压力脉冲发生器，通过改变循环修井液截流面积的方式产生压力脉冲，从而将测量结果实时传输至地面。

本发明所公开的测量方法，与本发明的测量短节相配合，可测量井下近修井工具处的张力、扭矩和旋转圈数，并识别修井液循环的进行与停止，使地面操作者能够更加准确的判断近修井工具处的状态，提高修井作业的成功率。

附图说明

图1是本发明实施例1所公开测量短节的结构组成示意图；

图2是本发明实施例1所公开测量短节中应变计的粘贴位置示意图；

图3是本发明实施例1所公开测量短节中应变计的粘贴方式示意图；

图4是全桥惠斯通电桥的电路组成示意图；

图5是本发明实施例1所公开测量短节中陀螺仪惯性传感器芯片的安装方式示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1，如图1所示，本实施例公开了一种用于修井的井下多工程参数测量短节，包括钻铤本体1，在钻铤本体的轴向中心设置修井液循环通道2，以保证修井液的正常循环。钻铤本体由高强度无磁不锈钢材料制成，属于金属弹性体，在钻铤本体受到轴向压力、拉力（以下统称为张力）扭矩时，将产生弹性应变，弹性应变的大小同所受力、力矩的大小成正比。如图2所示，在钻铤本体的外壁上沿周向间隔120°均匀分布三个电路板仓3，各电路板仓均由电路板仓盖板4配合O型密封圈密封，电路板仓盖板通过螺栓固定。在各电路板仓内分别安装传感器组件和电路板，在各电路板仓的底面均设置应变计仓5，各应变计仓间以过线孔51相通。

当钻铤本体受到轴向张力时，将在轴向产生应变，由于泊松现象，钻铤本体也会在与轴向垂直的方向上产生相反的应变；当钻铤本体受到扭矩作用时，将在与轴向成±45°的方向上产生最大的剪切应变。根据以上原理，如图3所示（图中应变计上的黑色线条表示应变计的敏感方向），在各应变计仓内分别粘贴8个电阻应变计，2个应变计为一组，其中测扭矩的两组应变计两两交叉，敏感方向布置在与钻铤本体的轴向成±45°的方向上，测张力的两组应变计中，一组敏感方向与钻铤本体的轴向平行，一组敏感方向与钻铤本体的轴向垂直，使用穿过过线孔的导线将分布在三个应变计仓同一粘贴位置的应变计以串行方式连接起来，作为全桥惠斯通电桥的一个桥臂，共八个桥臂，由测扭矩的两组应变计形成的四个桥臂组成一个全桥惠斯通电桥，由测张力的两组应变计形成的四个桥臂组成另一个全桥惠斯通电桥，全桥惠斯通电桥将受力时产生相同方向应变的两个桥臂作为对侧桥臂，产生相反方向应变的两个桥臂作为相邻桥臂，向各全桥惠斯通电桥施加激励电压并放大采集输出电压。如图4所示，R1,R2,R3,R4分别为全桥惠斯通电桥的4个桥臂，U_i为激励电压，U₀为输出电压。桥臂R1由应变计R11，R21，R31连接组成；桥臂R2由应变计R13，R23，R33连接组成；桥臂R3由应变计R12，R22，R32连接组成；桥臂R4由应变计R14，R24，R34连接组成。使用同一种应变计组成全桥惠斯通电桥，可抵消温度对应变计的影响。在钻铤本体的外壁上沿周向间隔120°均匀分布应变计，可以抵消钻铤本体所受弯矩带来的影响。

在钻铤本体的下端设置导流套6，导流套与钻铤本体之间通过O型密封圈61密封。在导流套的下端安装多芯接插件7，在导流套内设置通孔，安装在通孔内的导线将多芯接插件与钻铤本体内的电路板电连接在一起。导流套通过多芯接插件与电池探管组件（电池短节）和脉冲发生器组件电气连接。

如图5所示，在钻铤本体的外壁上固定安装带凸起腔体的金属安装底座8，在腔体内安装焊接有陀螺仪惯性传感器芯片9的电路板10，且电路板的安装方向与钻铤本体的轴向垂直，使陀螺仪惯性传感器的敏感轴同钻铤本体轴向平行，以便测量钻铤本体绕轴向轴心旋转的角速度，同时，采用螺栓硬连接的方式将底座固定在钻铤本体上，避免机械振动产生共振，引起测量误差。

可采用Analog Device公司生产的数字接口MEMS陀螺仪ADXRS450，该陀螺仪角速度测量范围±300°/s ，具有低噪声和低功耗特性，且具有2000g的抗冲击能力，能够满足设计需求。该陀螺仪的角速度输出数据更新速率为500Hz，单片机以500Hz速率连续读取角速度数据，并对角速度数据进行滤波和积分运算，可以得到顺时针旋转圈数，逆时针旋转圈数和有效旋转圈数三个计算结果。

测量短节测量的各参数需要通过压力脉冲发生器实时发送至地面。压力脉冲发生器是通过改变钻具内修井液循环通道的流通面积产生压力脉冲。因此，压力脉冲发生器必须在修井液循环流动的状态下才能有效工作。为了节约电池电量，测量短节需要检测修井液循环是开启还是关闭，从而控制压力脉冲发生器仅在修井液循环开启的状态下工作。

通过在钻铤本体的外壁和与修井液循环通道相对的内壁上分别开小孔，并安装压力传感器，分别测量钻铤本体内循环通道的修井液压力和钻铤本体外侧的上返修井液压力，通过判断两个压力差的大小，来识别修井液循环的开启与关闭状态。当修井液在地面泵车的驱动下开始循环时，内循环通道的修井液压力将大于外侧上返修井液压力一定数值；当停止循环时，两个压力基本保持一致。

亦可在钻铤本体的外壁上沿周向间隔90°均匀分布四个电路板仓，在每个电路板仓的底面按照上述方式粘贴应变计。全桥惠斯通电桥的每个桥臂由四个电路板仓同一位置的应变计组成。修井液循环开启关闭的检测亦可通过安装一个加速度传感器，由加速度传感器检测循环引起的振动来实现。

本实施例还公开了一种测量方法，使用上述的测量短节，包括如下步骤：

（1）测张力和扭矩：

向各全桥惠斯通电桥施加固定的激励电压，通过电路放大其输出电压并进行采集，输出电压的极性和大小变化即可反映出钻铤本体所受张力、扭矩的方向和大小；

（2）测旋转圈数：

采用陀螺仪惯性传感器测量钻铤本体的旋转角速度，再对角速度按时间积分得到旋转圈数；

（3）识别修井液循环的进行与停止：

两个压力传感器分别测量修井液循环通道内的修井液压力和钻铤本体外壁与井壁间的修井液压力，如修井液循环通道内的修井液压力大于钻铤本体外壁与井壁间的修井液压力一定数值，则修井液循环正在进行；如两个压力基本一致，则修井液循环停止。

Claims (9)

1.一种用于修井的井下多工程参数测量短节，其特征在于：包括钻铤本体，在钻铤本体的轴向中心设置修井液循环通道，在钻铤本体的外壁上沿周向间隔120°均匀分布三个电路板仓，各电路板仓均由电路板仓盖板密封，在各电路板仓内分别安装传感器组件和电路板，在各电路板仓的底面均设置应变计仓，各应变计仓间以过线孔相通，在各应变计仓内分别粘贴8个应变计，2个应变计为一组，其中测扭矩的两组应变计两两交叉，敏感方向布置在与钻铤本体的轴向成±45°的方向上，测张力的两组应变计中，一组敏感方向与钻铤本体的轴向平行，一组敏感方向与钻铤本体的轴向垂直，使用穿过过线孔的导线将分布在三个应变计仓同一粘贴位置的应变计以串行方式连接起来，作为全桥惠斯通电桥的一个桥臂，共八个桥臂，由测扭矩的两组应变计形成的四个桥臂组成一个全桥惠斯通电桥，由测张力的两组应变计形成的四个桥臂组成另一个全桥惠斯通电桥，全桥惠斯通电桥将受力时产生相同方向应变的两个桥臂作为对侧桥臂，产生相反方向应变的两个桥臂作为相邻桥臂，向各全桥惠斯通电桥施加激励电压并放大采集输出电压；在钻铤本体的下端设置导流套，在导流套的下端安装多芯接插件，在导流套内设置通孔，安装在通孔内的导线将多芯接插件与钻铤本体内的电路板电连接在一起；在钻铤本体的外壁上固定安装带凸起腔体的底座，在腔体内安装焊接有陀螺仪惯性传感器芯片的电路板，且电路板的安装方向与钻铤本体的轴向垂直；在钻铤本体的外壁和与修井液循环通道相对的内壁上分别开小孔，并安装压力传感器。

2.根据权利要求1所述用于修井的井下多工程参数测量短节，其特征在于：钻铤本体由高强度无磁不锈钢材料制成。

3.根据权利要求1所述用于修井的井下多工程参数测量短节，其特征在于：电路板仓由电路板仓盖板配合O型密封圈密封，电路板仓盖板通过螺栓固定。

4.根据权利要求1所述用于修井的井下多工程参数测量短节，其特征在于：在钻铤本体的外壁上沿周向间隔90°均匀分布有四个电路板仓。

5.根据权利要求1所述用于修井的井下多工程参数测量短节，其特征在于：应变计为电阻应变计。

6.根据权利要求1所述用于修井的井下多工程参数测量短节，其特征在于：导流套通过多芯接插件与电池探管组件和脉冲发生器组件连接。

7.根据权利要求1所述用于修井的井下多工程参数测量短节，其特征在于：导流套与钻铤本体之间通过O型密封圈密封。

8.根据权利要求1所述用于修井的井下多工程参数测量短节，其特征在于：底座为金属底座。

9.一种测量方法，使用权利要求1所述的测量短节，其特征在于，包括如下步骤：

（1）测张力和扭矩：

向各全桥惠斯通电桥施加固定的激励电压，通过电路放大其输出电压并进行采集，输出电压的极性和大小变化即可反映出钻铤本体所受张力、扭矩的方向和大小；

（2）测旋转圈数：

采用陀螺仪惯性传感器测量钻铤本体的旋转角速度，再对角速度按时间积分得到旋转圈数；

（3）识别修井液循环的进行与停止：

两个压力传感器分别测量修井液循环通道内的修井液压力和钻铤本体外壁与井壁间的修井液压力，如修井液循环通道内的修井液压力大于钻铤本体外壁与井壁间的修井液压力一定数值，则修井液循环正在进行；如两个压力基本一致，则修井液循环停止。

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