（机械工程专业论文）井底钻压扭传感系统及标定装置设计研究.pdf

摘要 随着现代钻井技术的发展，随钻测量技术的应用越来越广泛。在地质钻探、石油钻 井中，特别是受控定向斜井和大位移水平井中，随钻测量系统是连续监测钻井轨迹、及 时纠偏必不可少的工具。所以，随钻测量及传输对钻井基础理论研究、提高钻井效率具 有十分重要的意义。 论文首先应用材料力学的相关知识对设计的测量单元结构做了相应的力学分析，在 确保所设计的测量单元强度满足要求的条件下，分析了不同材料、不同安全系数下贴片 结构所产生的最大应变。 其次，应用实验应力分析知识确定了测量应变片的粘贴方式及测量桥路组成，并完 成了测量桥路输出分析等技术研究。同时，针对人为贴装应变片存在的方位误差进行了 深入研究，从理论上给出了贴片角度的误差精度要求，为后续的实验提供理论依据。 最后，本文根据传感器标定知识设计了一钻压扭矩传感器标定装置，对标定装置所 用到的液压缸、拉压传感器及扭矩传感器等元件和设备进行计算选型。通过查取资料及 产品来选取合适的加压和加扭装置及传感器，为设计的传感器做后续标定实验打下基 础。 关键词：随钻测量；应变片；钻压、扭矩测量；传感器标定 s t u d ya n dd e s i g no ns e n s o rs y s t e m s a n ds e n s o rc a l i b r a t i o n d e v i c eo fd o w n h o l ew o b t o r q u em e a s u r e m e n t s u nz h a o h o n g ( m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y ) d i r e c t e db ys e f a n gj u na n ds e d o ux i u r o n g a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e r nd r i l l i n gt e c h n o l o g y , m w dh a sb e e na p p l i e dm o r ea n d m o r ec o m m o n l y i ng e o l o g i c a ls u r v e ya n do i ld r i l l i n g ，e s p e c i a l l yi nt h ed i r e c t i o n a ld r i l l i n g s a n d e x m n d e d - r e a c hh o r i z o n t a lw e l l s ，m w di sa n i n d i s p e n s a b l et o o l f o rc o n t i n u o u s m o n i t o r i n go fd r i l l i n gt r a j e c t o r ya n dt i m e l yc o r r e c t i o n t h e r e f o r e ，m w di si m p o r t a n tt ot h e t h e o r e t i c a ls t u d yo fd r i l l i n ge n g i n e e r i n ga n di m p r o v e m e n to fd r i l l i n ge f f i c i e n c y a tt h eb e g i n n i n g ，t h i sp a p e rw a sm a i n l yf o c u s e do nt h et h e o r e t i c a la n a l y s i so ft w i s t i n g a n dp r e s s u r eo nt h ed r i l l i n gc o l l a rb ym e c h a n i c so fm a t e r i a l s t oe n s u r et h es t r e n g t ho f m e a s u r eu n i tt om e e tt h er e q u i r e d ，w ea n a l y z et h em a x i m u ms t r a i no nt h ep a t c hs t r u c t u r e u n d e rt h ed i f f e r e n tm a t e r i a l sa n ds e c u r i t yf a c t o r s s e c o n d ，w eu s e dt h ek n o w l e d g eo fa n a l y s i so fe x p e r i m e n t a ls t r e s st od e t e r m i n et h e s t i c k u pm e t h o do ft h es t r a i na n dt h em a k e - u po fw h e a t s t o n eb r i d g e a n dw ea l s oc o m p l e t e d t h eo u t p u t st e c h n o l o g ya n dr e s e a r c ho fw h e a t s t o n eb r i d g e a tt h es a m et i m e ，t h ep o s i t i o n e r r o ro fs t r a i ng a u g eb ym a n - m a d ew a ss t u d i e d ，t h es c o p eo ft h em a x i m u ma l l o w a b l ee r r o r f r o md e v i a t i o na n g l ew a sg i v e n ，w h i c hw a st h et h e o r e t i c a lb a s i sf o r t h ef o l l o w i n ge x p e r i m e n t f i n a l l y ，a c c o r d i n gt ot h ek n o w l e d g eo fs e n s o rc a l i b r a t i o n ，w ed e s i g n e daw o bt o r q u e s e n s o rc a l i b r a t i o nd e v i c e ，c a l c u l a t e da n ds e l e c t e dt h eh y d r a u l i cc y l i n d e ra n dp u l lp r e s s u r e s e n s o ra n dt o r q u es e n s o ru s et oc a l i b r a t i o nd e v i c e s b ya c c e s s i n gi n f o r m a t i o na n dp r o d u c t s ， w es e l e c tt h ea p p r o p r i a t ec o m p r e s s i o na n dp r o c e s s i n gd e v i c e sa n ds e n s o r s t h i sc a nl a yt h e f o u n d a t i o nf o rt h ef o l l o w i n gc a l i b r a t i o ne x p e r i m e n to ft h ed e s i g n e ds e n s o r s k e yw o r d s ：m w d ，s t r a i ng a u g e ，w o b ，t o r q u em e a s u r e m e n t ；s e n s o rc a l i b r a t i o n 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在指导教师的指导下进行研究工作所取得的 研究成果。论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除了文中加以标注和致谢 外，本论文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人或他人为获得中 国石油大学( 华东) 或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同 志对研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：岔! 昼红日期：列。年6 月e l 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和复印， 将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：孟! ! 垦丝 指导教师签名：声孽祥 i t 期：州a 年6 月p 日 e t 期：姊年6 月e t 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 课题研究背景 第一章绪论 石油钻井集多种学科知识、多项工艺技术于一体，是一项复杂的系统工程。在钻井 过程中，由于井下工作环境恶劣，地质情况复杂，钻井过程中遇到的地下情况也各不相 同，尤其在新的探区，存在着较多的偶然因素。因此，我们所面临的主要难题就是如何 对井下工况做出准确的判断。以目前的状况来看，主要是由地面仪表测量收集有限的数 据来预测井下工况。由于地面仪表测量的不准确性，以及数据传送时间的延迟效应，此 方法测得的钻井参数与井下实际情况存在着较大的偏差，不能及时反映井下状况，给下 一步钻进带来困难，甚至可能因误判断而造成更为复杂的钻井事故n 。2 1 。 在这种发展需求下，井下测量逐渐向近钻头化、实时化、多参数化的方向发展。随 钻测量( m w d ) 技术也正是在这一背景下产生发展起来的。 1 2 随钻测量技术概述 随钻测量技术( m w d ) 是在钻井过程中对钻头附近信息进行实时测量并上传至地 面，通过计算机实时显示和存储处理，为下一步施工提供依据口3 。 在随钻测量系统中，传感器作为下部钻具组合整体的一部分被装在特殊井下仪器 中。传感器测得的信息通过某种遥测通道将井下仪器中发射器产生的信号发送到地面。 其原理框图h 1 如图1 1 所示： 图1 - 1 随钻测量系统原理框图 f i g l - 1 t h eb l o c kd i a g r a mo fm w d s y s t e m 随钻测量系统的信号传输方式分为有线传输方式和无线传输方式两种。有线传输方 式可直接向井内传感器供电，实现井内与地上设备间的通信，实时性好，数据传输率高。 但电缆的存在往往影响正常钻进。无线传输方式是通过泥浆脉冲、电磁波和声波三种方 式作为信息的传输通道来传递数据。导向钻进和自动定向钻进等现代钻探技术都是以无 线传输方式为基础的口1 。 随钻测量系统所传信息种类可以分为璐1 ： 定向数据测量，包括井斜角、方位角、工具面角的测量； 底层特性测量，如伽玛射线、电阻率测井记录； 钻井参数测量，包括井底钻压、钻杆扭矩及环空压力等。 1 3 钻井工程参数测量的发展现状 在旋转导向钻井中，钻柱是高柔性结构的。钻柱在钻进时存在转向、扭转和横向振 动。钻柱的振动可能会使钻头短暂离开井底从而使钻头出现空转，同时也会造成钻头非 正常磨损，甚至还可能出现钻头扭转振动、钻头和钻柱反转( 涡动) 、钻具脱扣及钻柱粘、 滑扣等严重情况1 。因此，研究井下工程参数测量是有重要意义的。 1 3 1 国外钻井工程参数测量的发展口叫订 2 0 世纪8 0 年代，法国石油研究院研制了一种专门用于钻柱动力学实测研究的随钻 测量装置，并且在以后陆续对该装置进行了补充改进。至今，他们先后利用此装置进行 了钻柱的粘滑振动、钻柱振动理论与实测对比等方面的研究。此随钻测量装置可以测量 井下转速、井底钻压、钻柱扭矩及弯矩、x ，y ，z 方向的加速度和磁偏角、钻井液压力、 环空温度等井下参数以及地面转速、泵压、扭矩、大钩载荷和纵向加速度等地面参数。 该装置可以较精确地描述钻柱在井下的受力和运动状态，但是该装置是有线数据信号传 输，会影响钻井的正常钻进。 2 0 世纪9 0 年代以来，随着传感检测技术和微电子技术的进步以及随钻测量、随钻测 井等技术日趋成熟，美国贝克休斯、英国斯伦贝谢等国外大公司相继开发近钻头井下数 据测试系统。如： ( 1 ) 2 0 0 2 年8 月，由斯伦贝谢公司开发出的s l i mp u l s e 回收式随钻测量系统成功解 决了深水平井作业中因高温、高压而加大测量难度的难题，并且采用s l i mp u l s em w d 技 2 中国石油大学( 华东) 硕十学位论文 术在意大利v i l l a f o r 2 t u n at r e c a t e 油田成功钻出了世界最深的水平井。 ( 2 ) 2 0 0 4 年1 月，由w e a l h e r f o r d 公司开发的电磁随钻测量系统( e m m w d ) t r e n ds e t 不仅能够满足欠平衡环境下恶劣钻井条件，还能满足过平衡应用的一些基本要求。相对 于常规随钻测量系统来说，此系统具有更可靠、数据传输速度更快的优点，其中速度传 输速度可以达到1 2 b s 。 ( 3 ) 2 0 0 4 年，p r e c i s i o nd r i l l i n gc o m p u t a l o g 公司成功生产出的恶劣环境m w d ( h e l m w d ) 系统在墨西哥和美国进行了成功作业n 引。此系统主要包括定向探测器、高温方位 伽马仪、环境恶劣度测量和井眼、环空压力探测器，能够在温度1 8 0 c 、压力1 7 2 m p a 的 井下环境中稳定工作。 ( 4 ) 2 0 0 5 年3 月，由美国科学钻井公司开发的g m w d 系统成功应用在得克萨斯的一 台陆地钻机上，在当时创造了随钻陀螺测量的纪录。此g m w d 系统摒弃了用电缆进行信 号传输的方法并将一种高精度的陀螺定向系统集成到m w d 中，在很大程度上提高了其 安全性能。 以上这些系统包括钻井动态传感检测元件和高速数据监测及处理应用系统，能够相 对准确地测量工程中的井斜角、方位角、工具面角等定向数据和电阻率、伽马射线、孔 隙度等地层特性以及井底钻压、扭矩等钻井工程参数。 1 3 2 国内钻井工程参数测量的发展 长期以来，国内钻井工程中多采用地面扭矩仪和指重表来测量钻压和扭矩。钻井过 程中，钻柱与井壁的相互作用过程非常复杂，通过地面测量的数据来推算近钻头工程参 数与井下实际情况相差很大，不能准确掌握井下钻具的真实状态。因此，随着随钻测量 技术的发展，国内开始大量研究设计井下近钻头测量短节的随钻测量装置，但还没有进 入产品应用阶段。国内随钻测量技术主要以研究测量地层特性参数为主，对钻井工程参 数的测量技术的研究甚少【1 2 - 1 8 3 ，现对国内的钻井工程参数研究做以下概述。 ( 1 ) 2 0 0 2 年，国家“九五 科技重点攻关子课题基金资助的，由中国石油大学研 制了钻柱测量接头口1 。该测量接头可连接在钻柱的不同部位随同钻柱下井，实测、记录并 存储钻柱在井下不同位置的受力与运动等参数，起钻后进行数据回放。此测量接头可以同 时测量钻柱弯矩，扭矩，轴向拉压力，轴向、径向、周向三向的加速度，钻柱内外钻井 液压力及井下温度，但结构复杂，加工比较困难。 3 ( 2 ) 2 0 0 6 年，由长江大学和河南油田分公司石油工程技术研究院合作研究了井下 管柱状态测试短节，作为中国石油化工股份有限公司科技开发项目中的部分成果。该测 量结构可以测量钻压、扭矩及井下管柱的蠕动位移n 7 1 。 ( 3 ) 2 0 0 7 年，作为国家8 6 3 项目，由西南石油大学研制的新型工程参数测量仪在近 钻头的测试中，能够同时测量钻压、扭矩、井下环空压力和钻头侧向力。该测试仪采用了 新型传感元件以适应和满足旋转导向钻井技术及常规钻井技术的要求n 引。 通过对上述国内外随钻测量技术中钻井工程参数测量发展的综述可知：到目前为 止，国外随钻测量技术经过几十年发展已经较为成熟；虽然国内随钻测量技术研究起步 较晚，但是为加快我国无线随钻测量技术的研究与应用，缩短与国际先进水平的差距， 我们可以在借鉴国外先进的无线随钻测量技术的基础上，研究制造出自己的无线随钻测 量系统。 1 4 课题研究的目的和意义 钻井工程参数的测量在旋转导向钻井工具正确引导钻井钻头进行钻井工作过程中 是极其重要的环节n 钔。通过对测得的钻井工程参数进行综合分析，详细了解钻头工作现 状，才能及时调整钻井工程参数，顺利完成整个钻井工作。 近年来，随着随钻测量技术的发展，在近钻头处设计安装一测量短节来实现钻井工 程参数的实时测量，并根据测得的数据进行数据分析和优化钻井参数，能很好的判断井 下复杂状况，有利于安全钻进。但是由于井下工作环境恶劣( 如高温、高压、腐蚀等) ， 对测量方法和测量设备设计的可靠性提出了更高的要求。 本课题主要对井底钻压扭矩的测量方法和测量传感器及传感器标定装置进行研究 设计。 1 5 课题主要研究内容 本课题在中国石油天然气集团公司研制开发的新型正脉冲无线随钻测量系统 c g m w d 啪3 的前提下加入了井底钻压和扭矩测量装置。课题的主要任务是设计一套井底 钻压扭矩测量装置，实现井底钻压及扭矩的测量。主要研究内容为： ( 1 ) 井底钻压扭矩测量方法选择。 总结随钻测量技术中钻井工程参数测量的现有测量方法，选择及论证钻压和扭矩测 4 中国石油大学( 华东) 硕上学位论文 量最佳实现方法。 ( 2 ) 设计一近钻头测量单元用来安装传感器。 测量单元本质上是一个测量装置，但同时还是实际钻井施工时所下钻具组合中的一 个钻柱单元。设计测量单元时，要求测量单元下接钻头，上接钻杆，不影响钻柱的正常 工作，并要考虑在测量短节内部留出足够的钻井液通道，使钻井液能够顺畅的流过。测 量短节的外径尺寸根据课题提供的基本参数来定。 ( 3 ) 对近钻头测量短节选材并进行井下动力学分析，保证传感器安全可靠的运行。 根据材料力学知识及对井底复杂环境的考虑，在设计时要求测量单元的工作压力应 低于材料的弹性极限；测量短节机械承载部分有足够的强度以传递与承受载荷；所选材 料应具有高强度、高弹性极限、低弹性模量、稳定的物理性质及良好的机械加工和热处 理性能。 ( 4 ) 传感器结构研究与设计 通过第一段内容的分析与研究，确定出钻压扭矩测量方法后，本课题采用电阻应变 式测量方法进行测量，所设计的测量单元应变仓中贴应变片。所以需要对传感器结构即 贴片方式及接桥进行设计，并对设计的传感器进行性能分析。 ( 5 ) 传感器标定装置设计 对所设计的测量单元中的传感器进行标定，对传感器的制造和使用都有重要意义。 对于新研制的传感器，须进行静态和动态标定试验，才能用标定数据进行量值传递，而 标定数据又可做为改进传感器设计的重要依据。 本环节主要目标是设计一传感器标定装置，用来标定所设计的钻压扭矩传感器，为 传感器的实验室标定做准备。 1 6 本章小结 本章首先对随钻测量技术进行了概述，在此基础上提出了本课题研究的目的和意 义。在第二节中介绍了随钻测量技术中钻井工程参数测量的国内外发展现状，确定了本 课题所要研究的技术路线及主要研究工作。 5 第_ 二章钻压扭矩测量方法及传感器类型研究 第二章钻压扭矩测量方法及传感器类型选择 一种好的测量方法对钻井工程参数的测量起着关键作用。用合适的方法对钻压扭矩 进行测量，对数据的准确可靠性及下一步钻进过程是起着非常重要的作用的。 2 1 钻压测量方法研究 目前采用的井底钻压测量方法主要为指重表测量方法、随钻测量接头方法和液压测 试法瞳卜捌。现就各测量方法及特点做如下论述。 ( 1 ) 指重表测量方法。指重表是在石油、地质勘探中各种钻机、修井机的钻井或 修井作业过程中，指示并记录钻具悬重和钻压变化的一种显示仪器，能够帮助司钻掌握 钻机、修井机在钻井或修井作业中的工作参数和判断钻具的工作状态。但是在井台上用 指重表所测量的钻压，由于钻柱的弯曲、与井壁的摩擦等诸多因素的影响，测量结果与 井下实际状况相差很大，尤其是在钻斜井和水平井时，其偏差更大。 ( 2 ) 随钻测量接头。随钻测量接头是在紧靠钻头处增加一个测量短节，用来安放 电源、传感器及有关电路。通过井下设置的传感器，在不影响钻井正常进行的情况下对 钻井过程中的钻压进行随钻测量。 ( 3 ) 液压测试法井下钻压测量装置是由中海石油研究中心、西南石油学院及中国 海洋石油总公司联合研制的，其结构如图2 1 所示。 此结构中，接头8 设置有内花键9 与花键下接头7 连接，这样可以保证花键下接头 7 在花键9 的传动下随内花键接头8 转动，从而带动钻头转动，即实现了钻压的测量， 又能保证钻杆的正常作业。设置在液压缸体4 和上接头1 中空部的电子线路芯2 通过引 线接头3 将压力传感器5 检测到得数据传送到面。电子线路芯放置于管路1 3 中。由中 空活塞6 和液压缸体4 组成的液压缸1 1 中存放液体，通过压力传感器来检测液体压力 的变化，从而得到钻压的变化信号。为增加液压缸体的强度，保证运行安全，特设置了 保护外壳1 0 保证液压缸经久耐用。 液压测试法测量钻压，其工作原理为钻头带动活塞上下运动使密封液压油产生压力 波动来传递压力，通过压力传感器来感测压力信号，并通过压力传感器的数据线将数据 上传至地面。 此方法因用液压油传递钻压而使钻头工作平稳，消除了扭矩、弯矩及泥浆液压力对 6 中国百油 学( 毕东) 顾t 学位论立 钻压测量的影响测得的钻压t b 较准确。以目前开发研制的系统来看其结构相对应变测 试法来说，压力传感器的安装使得测量短壮结构更加复杂，并在很大程度上改变了钻杆 的结构。另外，测量的井下参数较少只能用采测量钻压。 1 渡压缸体2 上接头3 内花键接头4 冲空活塞5 j 茛压缸6 花键下接头 7 花键8 传蓐器连通孔9 压力传瘪器i m 电子线路芯 “引线接头l z 管路1 3 保护壳 图2 - 1 液压涮试法井下钻压铡量装置 f i 9 2 一l h y d r a u l i c t e s t m e t h o da b o u td o w n h o i e d r i l l i n gp r e s s u r e m e a s u r e m e n t d e v i c e 2 2 井底扭矩测量方法选择 目前采用的井底扭矩测量方法有转盘扭矩传感器测量方法、新型方钻杆悬重扭矩仪 测量方法、随钻测量接头测量方法及顶驱系统测量方法。各种测量方法的原理及优缺点 如下”训。 第二章钻压扭矩测量方法及传感器类型研究 ( 1 ) 转盘扭矩传感器。转盘扭矩传感器是目前使用比较广泛的测量仪器，通过扭矩 传感器能够判断井下钻具运转状态、钻头磨损状况、地层岩性、可钻性变化等情况，也 可以间接测量钻柱扭向振动。但由于受地层、岩性等影响，在测量精度、可靠性等方面 存在许多不足。 ( 2 ) 新型方钻杆悬重扭矩仪。新型方钻杆悬重扭矩仪的原理是通过直接测量方钻 杆下保护接头处的扭矩及悬重来测量钻杆扭矩的大小。此测量方法可用于普通钻机，不 影响工作人员操作并且能较真实地反应井下钻杆的工作状态。但是，因方钻杆内传输信 号的电缆容易被冲蚀并且密封较困难，目前还达不到推广应用的程度。 ( 3 ) 随钻测量接头。随钻测量接头能在正常钻进中，不论是直井段、造斜弯曲段 或水平段，实时记录下钻柱某一段所受的各种力学参数，如机械振动，拉、压、弯曲、 扭矩力及各种管柱变形等，为进一步研究提供可靠数据。测量接头在满足上述要求的前 提下还能适应井下实时钻进的如机械强度、几何空间、高压密封、腐蚀、高温等各种恶 劣条件。以此来研究钻柱在井眼各位置的实际工作情况。 ( 4 ) 顶驱系统。顶驱系统测量方法是先测量顶驱马达输入电流，由测得的顶驱马 达输入电流通过公式换算为所需要测量的扭矩。此方法适用范围小，只适用于顶驱钻机 的情况，而且测量精度不够理想。 经以上分析可知，加装一随钻测量接头的方法是最可行的。本课题采用随钻测量接 头的方法测量钻压和扭矩，关键在于测量接头的设计及传感器的设计。 随钻测量接头设计中，传感系统密封在测量接头中的电子仪器仓内，钻进时随钻柱 下至预定深度，测得的数据可以存储，起钻至地面后通过地面系统进行数据回放，也可 以通过采用泥浆压力脉冲编码方式直接传送到地面进行数据处理分析和显示。此测量方 法简单，能够在恶劣的环境下同时测量各种力学参数，并且测得的数据精确可靠。 2 3 传感器类型分析与选择 传感器的选择考虑采用压电式传感器与应变式传感器相结合及电阻应变测试法两 种方案。现对两种分案分别进行论述。 2 3 1 压电式传感器与应变式传感器相结合 此方案中钻压和扭矩分别用不同的方法测量，电路分放在不同的存放仓中。即钻压 8 中目自油大学( 华东) 坝十学位论文 测量采用压电式传感器，扭矩测量采用应变式传感器。其结构如图2 - 2 所示。 图2 - 2 压电式与应变式传感器测量短节结构 h 9 2 - 2t h ep i e z o e l e c t r i c s e n $ o r sa n ds t r a i n 卵b s o r m e as u i n g ss h o r ts e c t i o n 图2 - 2 中l 为扭矩测量结构，采用电阻应变式传感器测量方法：2 为钻压测量结构， 采用压电式传感器测量方法，这样测得的数据互不影响。 压电式传感器测量方法利用压电晶片的压电效应来测量钻压。现介绍压电式传感器 的测量原理。 压电晶片原理为：当压电晶片受到外力作用时，在两个极板上积聚数量相等、而极 性相反的电荷，形成了电场。因此压电传感器即可视为电荷发生器，又视为电容器，其 电容量与压电材料、压电晶片工作面的面积有关。如果旆加于晶片的外力不变，积聚在 极板上的电荷又无泄漏，那么在外力继续作用期日j 电荷量保持不变，而在力消除后 电荷随之消失。实验证明在极板上积聚的电荷量q 与作用力f 成正比，即 日= d f( 2 1 ) 式中d 一压电常数，与材质及贴片方向有关。 压电式传感器往往用两个或两个以上井接或串接的晶片。井接时电容量大，输出电 荷量大，时间常数大，适宜于测量缓变信号，适宜于以电荷量输出的场台。串接时，传 感器本身电容量小，输出电压大，适用于以电压作为输出信号。 压电式传感器是一个具有一定电容量的电荷源，电容器上的开路电压与电荷q 、 传感器电容乞存在下列关系 e o = 旦 ( 2 2 ) o 当压电式传感器按入测量电路，联接电缆的寄生电容就形成传感器的并联电容t ， 第二章钻压扭矩测量方法及传感器类型研究 后续电路的输入阻抗和传感器中的漏电阻就形成泄漏电阻r ，为防止漏电造成电荷损 失，通常要求r 1 0 1 1 q ，因此传感器可近似为开路。 2 3 2 电阻应变式测试法 此方案中，钻压和扭矩测量都采用应变式传感器测量方法，电路存放在同一个存放 仓中记录和储存测得的数据。 电阻应变式传感器是通过测量在被测力作用下某弹性元件的变形或应变来测得被 测力的。对于电阻应变式传感器的测量原理介绍如下忉删。 ( 1 ) 应变片的构造 丝绕式应变片的构造如图2 3 所示。丝绕式应变片由敏感栅、基底、引出线、覆盖 层、粘结剂所组成。敏感栅由极细的高电阻率的金属丝绕成栅状，用粘结剂把它附着在 基底上，用引出线引出，加上覆盖层即构成应变片。测量构件应变时用粘结剂将应变片 粘贴在构件表面上，敏感栅随构件一起变形，根据敏感栅的电阻变化即可测出构件应变 的大小。 引线覆盖层基片 栅 图2 3 丝绕式应变片 f i 9 2 - 3 w i r e - w o u n ds t r a i ng a u g e ( 2 ) 金属丝的电阻应变效应 电阻应变片主要是根据金属丝的电阻应变效应的物理学原理而工作的。大多数金属 丝在轴向受到拉伸时，其电阻增加；压缩时，其电阻减小，即电阻值随变形发生变化。 这一现象称为电阻应变效应。由实验可知，当变形在一定范围内，其线应变与电阻变化 率之间存在着线性关系，用公式表示为 l o 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 百zkr=kg(2-3) 式中，r 为电阻丝的初始电阻( q ) ，丝为变形后的电阻变化量，占为电阻丝的应 变。k 称为电阻丝应变灵敏系数，随材料而异。对同样应变，k 值越大，酬尺也越 大，所以k 说明了电阻丝应变效应的灵敏程度。 当电阻丝在外力作用下随同物体发生变形时，其长度l 、断面积a 、电阻率p 均将 发生变化，这将导致电阻r 的变化。根据欧姆定律r = p 与可知证明，电阻的相对变化 = d r ：_ d 一丝+ 塑 ( 2 - 4 4 ) 一= ：- 一 ij rlr p 式中，驯k 占一电阻丝轴向相对变形，或称纵向应变； 咖，一电阻丝径向相对变形，或称横向变形。 考虑到电阻丝受轴向证应力仃会使材料轴向伸长、径向缩小并引起电阻率发生变 化，此三项变化直接决定电阻的相对变化。对于金属丝来说，电阻率随应变的改变所产 生的变化是很小的，可忽略。这样上式可简化为 百d r ( 1 + 2 u ) 占( 2 - 5 ) 式中u 一电阻丝材料的泊松比。 此式表明了电阻相对变化率与应变成正比，他们之间呈线性关系。即 = 筹_ 1 + 2 u ( 2 - 6 ) ( 3 ) 应变式传感器原理 应变式传感器的测量基础是弹性软件的弹性变形和作用力成正比的现象。以电阻应 变计为转换元件的电阻应变式传感器，主要由弹性元件和粘贴于其上的电阻应变计构 成。其工作原理是，由于被测物理量( 如载荷、位移、压力等) 能够在弹性元件上产生 弹性变形( 应变) ，而粘贴在弹性元件表面的电阻应变计可以感受到弹性变形转变成电 阻的变化，这样电阻应变式传感器就将被测物理量的变化转换成电信号的变化，原理图 如图2 4 所示。 第二章钻压扭矩测量方法及传感器类型研究 机 电阻燹1 匕 电桥应变仪 蝴物体i ( 受垄) 械 ，士赤阻、 变 o 肚欠f 主善忙l k 吧沛 形 数据采集处理 图2 - 4 应变式传感器测量原理图 f i 9 2 - 4 s t r a i ns e n s o rs c h e m a t i c 在力、扭矩及流体压力的测量中，通常把被测量直接作为弹性元件所承受的载荷； 在静位移的测量中。利用刚性极小的弹性元件直接感受位移的变化：在振动测量中，则 是按照惯性式测振原理，利用一个由弹性元件和惯性质量块构成的质量一弹簧系统来反 映被测振动的位移、速度和加速度乜引。 ( 4 ) 应变电桥特性 应变片随同构件变形而引起的电阻变化，可利用四臂电桥( 惠斯顿电桥) 来测量。 其工作原理如下。 电桥( 如图2 - 5 所示) 前四个桥壁a b 、b c 、c d 和d a 的电阻分别为墨，恐，恐 和心。当对角结点a ，c 接上电压为吮c 的直流电源时，则另一对角结点b ，d 的输出 电压为u b o = u 月丑一u _ d = 厶蜀一厶心 由于= 最厶= 丽u a c ，故得： 吣叽c 杀黼 p 7 ， 当电桥的输出电压u b d = 0 ，即电桥平衡时，得 墨r 3 = 恐r ( 2 - 8 ) 若电桥的四个桥臂均为粘贴在构件上的电阻应变片，且其初始电阻相等，即 r = 心= r = 心= r ，则在构件受力前，显然电桥保持平衡，u s o = 0 。在构件受力后， 若各应变片产生的电阻改变量分别为觚，恐，皑和皑，则由式( 2 - 7 ) ，并考虑到 5 r , 远小于r ，略去分子中觚的高次项和分母中的r 项，可得电桥的输出电压为 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 = 叽c 盟等芦 当各桥臂应变片的灵敏度篷相同时，式( 2 - 9 ) 可改写成 = 孚& ( q 一岛+ 岛一毛) b 图2 5 应变电桥 ( 2 - 9 ) ( 2 - l o ) f i 9 2 。5 s t r a i nb r i d g e 电测法的主要特点是：灵敏度与精确度较高。应变片尺寸小，能满足应力梯度较大 情况下的应变测量。可测静应变，也可测量频率范围由0 - 5 0 0 千赫的动应变。应变片可 以制成各种型式，或制成各种型式的传感器，可测量力、压强、位移、加速度、扭矩、 以及大变形和裂纹扩展速率等参数，能满足力学测量上的多种需要。同时测量结果为电 信号，易于进行数据处理和实现测试自动化。 2 4 本章小结 通过分析可知，压电式传感器和应变式传感器相结合的方法测量钻压和扭矩使得测 量短节结构过于复杂且不好控制；采用电阻应变式传感器测量方法，很大程度上简化了 随钻测量短节的结构，可以在不改变或极少改变钻杆的结构参数的情况下，准确可靠的 工作，这对于研究钻头和钻杆传动系统在实际工作条件下的钻压和扭矩有重要意义。 因此，本课题钻压及扭矩测量拟采用在测量短节中安装电阻应变式传感器这一方案 来实现。 1 3 第三章钻雎扭矩测量原理及测量单元强度分析 第三章钻压扭矩测量原理及测量单元强度分析 传感器设计中，感受被测物理量的弹性元件是传感器的关键部分。弹性元件的结构 形式多样，目的是提高感受被测物理量的灵敏性和稳定性。常用的弹性元件的结构形式 有：受拉的直杆、受弯曲的梁、受扭转的圆轴、受均布力的薄圆板、受内压的圆筒、受 径向载荷的圆环以及受轴向载荷的剪切轮辐式结构等。所以，测量单元本体结构既要 满足传感器要求，又要满足钻井要求。 3 1 给定设计参数 该测量单元能够测量钻压及扭矩两个参数。测量短节工作条件为： 扭矩测量范围为士3 0 0 0 0 n m ，精度为士3 0 0 n m ； 钻压测量范围为+ 2 5 吨，精度为o 1 0 2 吨； 测量单元外径为1 7 2 m m ，适用井眼 2 1 5 9 m m 测量单元最高工作温度1 2 5 1 2 ，泥浆液最高压力5 0 m p a 。 3 2 钻压和扭矩测量原理 3 2 1 钴压测量原理 一心 卜一厶+ a i 一 卜_ 一毛一 图3 - 1 弹性体的弹性形变 f i 9 3 1 e l a s t i cd e f o r m a t i o no ft h ee l a s t o m e r 如图3 - 1 所示，在弹性体两端施加与弹性体平行的拉伸或压缩力力f 时，弹性体的 长度将发生变化，即长度由原长乇变为z 。弹性体拉伸时，a 大予零；弹性体压缩时， 出小于零。用相对增量来表征此应变用长度即为：占= 与= 等。 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 假设弹性体横截面积为鲋，则由拉压作用产生的应力可表示为：仃：竺。 4 由材料力学知识可知，在弹性极限范围内，应力仃与应变s 是成正比的，由公式可 表示为( 即弹性体在拉伸或压缩时的胡克定律跚3 ) ： 盯：e xs = e 掣( 3 - 1 ) 1 0 式中：e 一比例系数即为弹性模量或杨氏模量。 3 2 2 扭矩测量原理 d 图3 - 2 弹性体剪切形变原理图 f i 9 3 - 2 s h e a rd e f o r m a t i o no f t h ee l a s t o m e r 从弹性体上截取一单元体，如图3 2 所示。若在单元体的上下表面加大小相等、方 向相反的切向力必，则弹性体单元会发生变形即剪切变形m 1 。 由材料力学知识可知，若变形在弹性极限范围内，则由切向力产生的剪应力大小与 剪应变成正比，可用公式表示为： f = l i ma f s ( 3 2 ) s 3 3 测量单元本体结构设计 测量单元主要用来安放传感器，并实现与钻杆的上下连接。测量短节的设计中，传 感器弹性元件设计的好坏往往影响测量精度。传感器的弹性元件常为实心或空心杆柱 式、悬臂梁式、环式，轮辐式等啪1 。对于钻压和扭矩大动载荷的测量，要满足井底复杂 条件并容许泥浆通过，所以传感器弹性元件只适合为空心杆柱式。在同样的应力应变条 件下，空心杆柱式弹性元件比实心杆柱式弹性元件的外形尺寸大，但空心杆柱式有更好 的抗非测量载荷的性能。 1 5 第三章钻压扭矩测量原理及测量单元强度分析 3 3 1 传感器弹性元件结构设计原则 测量单元结构中要安装应变式传感器，所以安装传感器部分必须满足传感器弹性元 件结构设计的要求。 弹性元件结构设计往往与传感器使用的状态、环境条件、准确度等要求密切相关。 因此，要获得满意的设计，首先应进行全面的考察和了解。 下面阐述的是传感器弹性元件的一般设计原则汹1 ，使用时结合具体情况，合理取舍、 灵活运用。 ( 1 ) 结构简单。简单的结构形式可以简化加工工艺、降低成本。 ( 2 ) 有很好的刚性。为使传感器工作状态保持稳定，减弱外界振动干扰影响，特 别是低频影响，应尽量使弹性元件在载荷作用下的弹性位移减小，使之有较高固有频率。 ( 3 ) 结构的整体性。弹性元件应尽量是一个整体，避免组合形式。因为诸如紧固 松动、焊接变形、滑动位移等因素的存在，都可能对传感器的重复性、可靠性带来潜在 的影响。 ( 4 ) 对作用力位置变化和干扰力的影响不敏感。弹性元件应变敏感区的应力分布， 应只随作用力大小而变化。但是，一般的结构形式很难避免受干扰力，以及受作用力方 向和位置变化的影响。为此，设计不受上述因素影响的弹性元件，优点是显而易见的。 ( 5 ) 弹性元件有效工作区应有良好的线性。有效工作区即是应变计工作的敏感区， 该处应有良好的应力应变线性关系。因此，对该区域的几何尺寸、加工精度都应有更为 严格的要求。 ( 6 ) 弹性元件有效工作区应具有最大应变值。这样，弹性元件其他部位的变形都 较小。因此，在载荷作用下的弹性元件具有较高的灵敏度和较好的疲劳寿命。 ( 7 ) 工作区的最佳额定应变值。选择工作区的最佳额定应变值是弹性元件设计的 基础。由于传感器处在长期频繁的使用状态下，且要求有较高的分辨率和线性度。所以， 在保证输出信号足够大的情况下，选择较低的应力水平为佳。通常的额定应变值选择在 6 0 0 - 2 0 0 0 a 6 之间。 ( 8 ) 弹性元件自身具有过载保护能力或便于设置过载保护装置。对于大量程传感 器，安全过载保护是十分必要的。弹性体结构本身具有过载保护能力固然很好，但往往 结构较复杂使加工变得更加困难。因此，多数情况下可以借助简单的附加装置。 ( 9 ) 弹性元件工作区的工艺性能好。结构形式的工艺性包括机械加工、粘贴和密 1 6 中目石油人学( 毕东) 十# 位论空 封等安装工艺。应变计工作区要求加工精度高、几何尺寸的一致性好因此要尽可能考 虑便于实现加工要求的结构设计。同时工作区的结构还应便于应变计的粘贴操作。 332 测量单元总体结构设计 测量单元上与钻杆或钻铤连接，下与钻头连接，并不仅仅是一个测量单元，同时也 是钻具组合中的一部分，相当于钻铤。所以测量单元必须具备普通钻轩的特性，还必须 满足强度的要求。测量单元结构和强度设计是否合理，关系到钻进和检测系统的安全和 测量稳定性。 本课题设计的测量单元由两部分组成，分别为机械部分和电子仪器部分。其结构如 图3 - 3 所示。 1 涮量单元本体结构2 窟封接头3 电路存放保护筒 4 引线块5 紧定螺钉t 应变仓保护筒7 密封暖8 1 0 导流密封块9 扶正块 圈3 0 测量单元结构设计 尉驴- 3t h e d e s i g no f m e a s i l g e m e b g u n i t e 所设计的测量单元中，机械结构部分主要包括测量单元本体1 、应变仓保护筒6 、 备用接头2 、导流密封块8 和1 0 、引线块4 、电路存放保护筒3 及密封7 组成。电子仪 器部分主要由电子仪器总成、应变片总成、及导线总成组成。 ( 1 ) 测量本体本体采用标准钻铤呻加工方式加工螺纹在钻铤上开应变仓及安装 应变仓保护筒以安装保护传感器。采用的钻铤结构如图3 - 4 所示、尺寸如表3 1 所示： 第三章钻压扭矩测量原理及测量单元强度分析 图3 - 4 标准钻铤结构 f i 9 3 - 4s t a n d a r dd r i l lc o l l a rs t r u c t u r e 表3 - 1 标准钻铤结构参数 t a b l e 3 1s t a n d a r dd r i l lc o l l a rs t r u c t u r ep a r a m e t e r s 外径d内径d台肩倒角 钻铤编号 弯曲强度比 m mi nm mi n d fm m n c 5 0 - 6 71 7 1 463 47 1 421 3 1 61 5 9 52 3 7 ：l ( 2 ) 应变仓f 用来贴应变片，其中包括钻压测量应变片组和扭矩测量应变片组。 应变仓与测量单元内部相通，即充满钻井液，以保持测量单元在井底工作时压力保持平 衡，防止意外情况发生。应变仓保护筒与测量单元本体采用紧定螺钉固定，工作时只承 受弯矩及钻井液内外压力。测量单元在安装时，下接钻头或者钻铤，这样应变仓保护筒 可以更好的固定。 ( 3 ) 密封接头2 的作用是：一是用来固定和密封电路存放块保护筒；二是为以后 测量的继续扩展留出空间，可以用来接其他测量结构。 ( 4 ) 电路存放保护筒安装于引线块2 上方，用来存放测量所需的电子仪器。电路 存放保护筒内部空间的大小取决于电子仪器的大小和多少，结构如图3 5 所示： l l l 一十素卜一一卅一 图3 5电路存放保护筒结构示意图 f i 9 3 - 5 t h es t r u c t u r e ss c h e m a t i cd i a g r a mo fp r o t e c t i o nt u b eu s e dt os t o r ec i r c u i t ( 5 ) 在测量单元本体设计中，引线块4 主要作用是：内部走线，外部允许钻井液顺 1 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 利通过，并且工作时为保证引线块不会上下窜动，需要用螺钉进行固定。 引线块4 的结构剖面图如图3 6 所示。在o o 方向上开d 孔为应变片走线预留孔；1 2 0 0 和2