油氣鉆井過程中,,近鉆頭處的鉆壓,、扭矩等工程參數(shù)的隨鉆準(zhǔn)確測量對安全,、高效鉆井具有重要意義。隨著井深的增加,,特別是諸如分支井,、水平井、魚骨井等特殊工藝井的開發(fā),,各種卡鉆,、掉牙輪、鉆具斷落等鉆井事故時有發(fā)生,,給鉆井生產(chǎn)的安全與效率帶來很大影響,。通過對近鉆頭工程參數(shù)的實時測量值進(jìn)行分析處理,可以總結(jié)各個測量參數(shù)對鉆井進(jìn)程與效率的影響規(guī)律,,及時發(fā)現(xiàn)和控制某些鉆井事故,、達(dá)到安全、高效鉆井的目的,,真正實現(xiàn)無風(fēng)險鉆井,。
多年來,國內(nèi)外井下隨鉆測量儀器開發(fā)的重點一直是與油氣地質(zhì)儲量直接相關(guān)的地層電阻率,、孔隙率,、伽馬射線等地質(zhì)參數(shù)的測量;與幾何導(dǎo)向相關(guān)的井斜,、方位,、工具面角等井眼軌跡參數(shù)的測量與控制;而與鉆井安全,、鉆井效率相關(guān)的鉆壓,、扭矩、環(huán)空壓力等工程參數(shù)測量技術(shù)研究較少,。
1 近鉆頭工程參數(shù)測量技術(shù)
1.1 近鉆頭鉆鋌的受力分析
目前,,油氣鉆井方式以鉆盤鉆井、井下動力鉆具鉆井兩種方式為主,。鉆鋌在鉆進(jìn),、下鉆、起鉆等不同的鉆井過程中,,鉆柱/鉆鋌不同部位的受力情況與運動形式差別很大,。主要包括:軸向拉力和壓力、扭矩,、彎曲力矩,、離心力、鉆鋌內(nèi)外擠壓、縱向振動,、扭轉(zhuǎn)振動,、橫向擺振等。由于鉆柱和鉆鋌的復(fù)雜運動形式,,鉆頭在井底有渦動現(xiàn)象,、井底鉆壓波動很大,甚至出現(xiàn)鉆頭離開井底的跳鉆現(xiàn)象,。
理論上,,鉆鋌所受的力與力矩可以簡化為:對鉆頭施加的鉆壓、傳遞鉆柱的扭矩,、由鉆柱運動和井底反作用力產(chǎn)生的彎曲力矩以及鉆進(jìn)過程中的鉆頭振動,。從測量技術(shù)的角度,可以將鉆鋌受力簡化為厚壁圓管受到軸向的拉壓與振動,、圍繞軸向的一對扭矩和鉆鋌徑向受到的彎矩作用,。
1.2 鉆壓扭矩測量原理
材料力學(xué)中拉壓與扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的測量都是基于受力物體的應(yīng)變效應(yīng),利用應(yīng)變測量原理來實現(xiàn)的,。沿鉆鋌圓柱體軸向0°,、90°粘貼應(yīng)變片,通過測量應(yīng)變片的電阻變化獲得鉆鋌受到拉壓作用力的大?。谎劂@鋌圓柱體軸向±45°粘貼應(yīng)變片,,通過測量應(yīng)變片的電阻變化獲得鉆鋌受到扭轉(zhuǎn)力矩的大?。坏窃撛磉m用于單獨的拉壓作用,、單獨的扭矩作用的測量,,無法直接應(yīng)用于井下高溫、高壓,、受復(fù)合應(yīng)力作用的工程參數(shù)測量,。
基于上述測量原理和井下儀器的實際工作過程,最早在1985年由法國石油研究院研制了第一臺鉆柱力學(xué)參數(shù)測量儀并申請了專利,,隨后著名的石油儀器公司,,如:斯倫貝謝、貝克休斯,、APS等公司相繼開發(fā)出不同結(jié)構(gòu)的井下工程參數(shù)測量短接,,并于2000年前后申請了相關(guān)的井下工程參數(shù)測量短接專利。國內(nèi)的研究人員以此為基礎(chǔ)于2005年前后也申請了相應(yīng)的專利技術(shù),。
1.3 現(xiàn)有鉆壓扭矩測量技術(shù)比較
目前有代表性的鉆壓扭矩測量技術(shù)仍是法國石油研究院與斯倫貝謝公司的兩類專利技術(shù),,其他技術(shù)或多或少是基于這兩個專利進(jìn)行改進(jìn)的,下面分析這些測量技術(shù)的優(yōu)缺點,。
法國石油研究院和貝克休斯公司的專利就是基本的拉壓,、扭矩測量原理加上不同結(jié)構(gòu)的井下儀器保護(hù)套,、不同的測量電路與傳感器連接方式。這兩個專利共同的缺點是保護(hù)套與傳感器部分的密封比較困難,,特別是在井下鉆鋌的工作過程中,,由于彎矩的作用常常會使泥漿侵入傳感器部分而導(dǎo)致測量電路無法正常工作,為此貝克休斯公司在保護(hù)套與傳感部分,、轉(zhuǎn)換電路的密封方面開展了大量的工作,,一定程度地解決了該問題。
斯倫貝謝和APS公司對該技術(shù)進(jìn)行了進(jìn)一步的改進(jìn),,通過在鉆鋌徑向鉆一定直徑,、一定深度的孔,將應(yīng)變片粘貼在鉆孔內(nèi),,然后用高壓密封蓋板將應(yīng)變片密封在內(nèi)部,,應(yīng)變片的電極引線通過鉆孔之間的內(nèi)部連接通道進(jìn)行互連,最后與安裝在鉆鋌中間的抗壓筒內(nèi)或者安裝在鉆鋌壁槽內(nèi)的測量電路相連,。二者的共同點是解決了保護(hù)套的密封問題,,不同之處在于徑向孔的布置方式、應(yīng)變片引線的連接方式及其與二次轉(zhuǎn)換電路的連接方式等方面,。這種技術(shù)的缺點也很明顯:首先是內(nèi)部引線孔加工比較困難,,往往需要分別加工,然后再焊接到一起,,或者采用特制工具進(jìn)行加工,;其次是由于徑向孔的直徑不能太大,給應(yīng)變片的粘貼造成了很大困難,;第三,,這種傳感器的測量特性也表現(xiàn)出一定的非線性,必須經(jīng)過地面刻度與校驗之后才能應(yīng)用于實際的測量當(dāng)中,。
2 傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計與特性分析
2.1 井下工程參數(shù)測量單元的整體結(jié)構(gòu)
圖1表示鉆壓扭矩傳感器1與上部連接鉆鋌2,、抗壓筒和測量電路5等連接在一起時的整體結(jié)構(gòu)示意圖。其中:傳感器1用來粘貼測量鉆壓和扭矩的應(yīng)變片,,應(yīng)變片引線通過導(dǎo)線孔引入安裝在抗壓筒5中的扭矩測量橋路,、單片機電路;引線孔通過高壓密封蓋板4進(jìn)行密封,。圖1中上下兩幅剖面圖分別表示井下工程參數(shù)測量單元的兩個相互垂直的整體剖面圖,,圖1中的另一個剖面圖3清楚地表明了抗壓筒連接處的泥漿通道,圖1中的4是引線孔密封蓋板,。
正常鉆進(jìn)情況下,,鉆壓扭矩測量值相對平穩(wěn),由單片機記錄存儲鉆井過程中的鉆壓扭矩值,用于起鉆回放后的鉆井過程分析,;當(dāng)鉆壓扭矩測量值異常時,,通過井下水力脈沖發(fā)生器將實時測量值傳送到地面監(jiān)控系統(tǒng),供鉆井人員來決策參考,。
2.2 傳感囂的有限元計算模型
圖2(a)為傳感器的有限元計算模型,,應(yīng)變片安裝在3個圓周方向成120度的圓孔中、圓孔之間通過連接通道,、用導(dǎo)線互聯(lián),。3個圓孔之間的連接通道參見傳感器的徑向剖面圖2(b),圓孔用圖1中的蓋板4與密封圈進(jìn)行密封,。由于鉆井過程中,,圓孔中的壓力是常壓,外部是鉆井過程的環(huán)空壓力,,所以密封效果很好,。應(yīng)變片分布在3個鉆孔內(nèi)0°/45°/90°/135°/180°/225°/270°/315°共8個方向,應(yīng)變片粘貼方式參見圖2(c),。
用于有限元計算的傳感器尺寸分別為:鉆鋌外徑178 mm,、鉆鋌內(nèi)徑76mm,測量部分孔徑:45mm,,測量部分孔深:39mm,,蓋板厚度:15 mm,蓋板邊長:60 mmx60 mm,。由材料力學(xué)知識可知:0°/90°/180°/270°4個方向的應(yīng)變片對鉆壓測量敏感,、45°/135°/225°/315°4個方向的應(yīng)變片對扭矩測量敏感。理論上,,將不同孔中對應(yīng)粘貼角度的應(yīng)變片串聯(lián)接入測量橋路就可以抵消彎矩作用對鉆壓扭矩測量結(jié)果的影響。假如彎矩作用使某一應(yīng)變片阻值增加,,必然使相反方向的應(yīng)變片阻值減小,,從而使串聯(lián)的總電阻保持不變。所以計算過程中未考慮彎矩的作用,。
2.3 有限元計算結(jié)果分析
通過ANSYS建模,、加載和計算,分析鉆壓,、扭矩單獨作用與聯(lián)合作用時對傳感器輸出的影響規(guī)律,、分析鉆鋌內(nèi)壓對這兩個測量參數(shù)的影響,尋求鉆鋌內(nèi)壓與環(huán)空壓力影響的修正方法,。
計算過程中用到的鉆壓扭矩參數(shù)參見表1,,表中打鉤的計算點是以下分析的基礎(chǔ)。圖3、圖4分別表示鉆壓,、扭矩單獨作用時的計算結(jié)果,,考慮到應(yīng)變片粘貼的對稱性,兩圖只給出了0°/45°/90°/135°4個方向應(yīng)變量的輸出結(jié)果,。
圖3中45°,、135°方向的應(yīng)變片隨著扭矩作用的增加,應(yīng)變量線性增加,,而0°,、90°方向的應(yīng)變片輸出幾乎不變;圖4中0°,、90°方向的應(yīng)變片隨著鉆壓作用,,應(yīng)變量線性增加,但是45°,、135°的扭矩測量應(yīng)變片也隨著鉆壓作用而線性變化,。
由此可見:可以通過測量不同方向應(yīng)變片的應(yīng)變量來獲得實際的鉆壓扭矩值。但是不同角度應(yīng)變片對鉆壓,、扭矩的敏感程度不同,,扭矩作用只對45°、135°方向的應(yīng)變片敏感,,而4個方向的應(yīng)變片都對鉆壓作用敏感,。也就是說,鉆壓作用對扭矩測量有影響,,而扭矩作用對鉆壓測量幾乎沒有影響,,實際的測量條件下,必須考慮兩個參數(shù)之間的耦合程度與解耦算法,。
圖5,、圖6分別表示鉆鋌內(nèi)部壓力對測量結(jié)果的影響,兩圖只考慮了鉆鋌內(nèi)壓對測量結(jié)果的影響,,沒有考慮環(huán)空壓力的影響,。
圖5中的兩組直線表示內(nèi)壓分別為30、60 MPa時,,相同扭矩作用下應(yīng)變量的變化規(guī)律,。由圖可見:隨著內(nèi)壓的增加或者鉆鋌內(nèi)部壓力與環(huán)空壓力差值的增加,特性曲線的截距發(fā)生了變化,,這種變化將會引起測量電路的零點發(fā)生變化,;但斜率基本保持不變,這就要求在測量過程中需要進(jìn)行動態(tài)的零點調(diào)整,。
圖6表示內(nèi)壓分別為0,、30,、60 MPa時,鉆壓作用下傳感器應(yīng)變量的變化規(guī)律,。與圖5相同,,特性曲線的截距隨著內(nèi)壓的變化發(fā)生了變化,但斜率幾乎沒有變化,,也要求在測量過程中進(jìn)行動態(tài)零點調(diào)整,。
3 結(jié)論
通過不同的應(yīng)變片布局,傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)鉆壓和扭矩的測量目標(biāo),。其中:單一工況的應(yīng)變與鉆壓,、扭矩值成線性關(guān)系。實際使用過程中,,需要考慮鉆壓和扭矩相互影響,,其中:扭矩對鉆壓的影響很小、但鉆壓對扭矩的影響較大,。同時也說明了測量過程解耦和測量之前刻度工作的必要性,。與內(nèi)壓為零的情況比,特性曲線的截距變了表示零點變了,,但斜率基本上沒有發(fā)生變化,,要求在實際測量過程中進(jìn)行動態(tài)的零點調(diào)整;斜率沒有變化是因為在材料的彈性范圍,,應(yīng)變規(guī)律仍為線性的胡克定律,。