專利名稱：一種用于石油鉆井鉆壓扭矩隨鉆測量的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種應(yīng)用于石油鉆井工程中鉆井鉆壓扭矩隨鉆測量的裝置。
背景技術(shù)：
鉆井過程中，近鉆頭處的鉆壓、扭矩等鉆井工程參數(shù)的隨鉆準(zhǔn)確測量對安全、高效鉆井是十分重要的。隨著鉆井深度的増加，特別是多種分支井、水平井、魚骨井的開發(fā)，各種卡鉆、掉牙輪、鉆具斷落等鉆井事故時(shí)有發(fā)生，給鉆井生產(chǎn)的安全與效率帶來很大影響，實(shí)時(shí)測量近鉆頭處的鉆壓扭矩等鉆井工程參數(shù)的變化可以有效地防止此類事故的發(fā)生。通過對井下近鉆頭處工程參數(shù)的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確測量，可以對實(shí)際鉆井過程進(jìn)行分析、處理和對比，進(jìn)而指導(dǎo)鉆井過程。如合理泥漿當(dāng)量循環(huán)密度的確定、環(huán)空壓カ檢測與分析技術(shù)等，總結(jié)各測量參數(shù)對鉆井進(jìn)程與效率方面的影響規(guī)律，及時(shí)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(shí)現(xiàn)無風(fēng)險(xiǎn)鉆井。
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公知的鉆井監(jiān)控技術(shù)大多采用地面扭矩儀和指重表來測量扭矩和鉆壓，由于鉆井過程中鉆柱與井壁的相互作用過程復(fù)雜，由地面測量數(shù)據(jù)推算得到近鉆頭處工程參數(shù)的準(zhǔn)確度很差。并且鉆柱與鉆鋌在鉆井液中受到浮力與摩擦力、鉆鋌下放的沖擊カ和弾性力、不規(guī)則井眼的井壁對鉆鋌的摩擦力、鉆鋌螺旋彎曲旋轉(zhuǎn)的離心力、以及鉆鋌在井下的縱振、橫振等因素都不易精確計(jì)算，即便推算模型考慮因素再多，推算結(jié)果的準(zhǔn)確度與可信度也很低。如在定向井和水平井的鉆井過程中，鉆鋌靠在或躺在井底，無法僅憑地面指重表上的鉆壓指示值來判定井底真正加在鉆頭處的鉆壓與扭矩的大小?？傊捎诘孛鎯x表測量的不準(zhǔn)確性以及傳送數(shù)據(jù)的時(shí)間延遲效應(yīng)、推算結(jié)果的可信度低甚至根本無法真實(shí)反映井下鉆具的受カ情況，均有可能導(dǎo)致鉆井事故的頻繁發(fā)生。目前石油鉆井中使用的鉆頭分為牙輪鉆頭，金剛石鉆頭及刮刀鉆頭三大類，其中前兩類鉆頭使用較多。通過鉆頭旋轉(zhuǎn)與鉆壓的作用，鉆頭的各個(gè)齒交替地接觸井底巖石，以沖擊、壓碎和滑動剪切等作用使巖石破碎。除旋轉(zhuǎn)運(yùn)動以外，鉆頭還會有縱向振動，并且縱向振動的頻率高，幅度小。采用井下動カ鉆井時(shí)，井下動カ鉆具是用鉆柱送到井底并靠鉆柱與鉆鋌來承受反扭矩。采用轉(zhuǎn)盤鉆井時(shí)，依靠鉆柱和鉆鋌向井底傳遞鉆壓和扭矩。實(shí)際鉆井過程中，有可能是兩種鉆井方式的聯(lián)合應(yīng)用，近鉆頭處的工程參數(shù)變化規(guī)律更加復(fù)雜。鉆鋌在鉆進(jìn)、下鉆、起鉆等不同的鉆井過程中，鉆柱/鉆鋌不同部位的受カ情況與運(yùn)動形式差別很大。主要包括軸向拉カ和壓力、扭矩、彎曲カ矩、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(yùn)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，鉆鋌所受的カ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(yùn)動和井底反作用力產(chǎn)生的彎曲カ矩以及鉆進(jìn)過程中的鉆頭振動。從測量技術(shù)的角度，可以將鉆鋌受カ簡化為軸向的鉆壓與振動、圍繞軸向的一對扭矩和鉆鋌徑向受到的彎矩作用。多年來國內(nèi)外井下測量儀器的開發(fā)重點(diǎn)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)空壓カ等工程參數(shù)測量技術(shù)研究較少，檢索發(fā)現(xiàn)僅有少量的與此相關(guān)的專利技術(shù)，下面分別予以分析比較公知的圓柱拉伸、壓縮與扭轉(zhuǎn)測量技術(shù)是基于材料力學(xué)中拉壓與扭轉(zhuǎn)應(yīng)力作用產(chǎn)生的應(yīng)變效應(yīng)，利用應(yīng)變測量原理來實(shí)現(xiàn)的。沿圓柱軸向0°、90°粘貼應(yīng)變片，通過測量應(yīng)變片的電阻變化獲得圓柱受到拉壓作用力的大??；沿圓柱軸向±45°粘貼應(yīng)變片，通過測量應(yīng)變片的電阻變化獲得圓柱受到扭轉(zhuǎn)カ矩的大小；但是該原理適用于単獨(dú)的拉壓作用、単獨(dú)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?；谏鲜鰷y量原理和井下儀器的實(shí)際工作過程，1985年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等公司相繼于2000年前后申請了相關(guān)的井下工程參數(shù)測量短節(jié)專利。這些專利包括美國專利:6610935 Bl、4608861、4821563、4958517、5386724、6216533，歐洲專利PCT/US00/31685 等。
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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(gè)專利共同的缺點(diǎn)是保護(hù)套與傳感器部分的密封性能比較差，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)ー步的改進(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(diǎn)是解決了保護(hù)套的密封問題，不同之處體現(xiàn)在徑向孔的布置方式、應(yīng)變片引線的連接方式及其與二次轉(zhuǎn)換電路的連接方式方面。這種技術(shù)的缺點(diǎn)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，這種裝置的測量特性也表現(xiàn)出一定的非線性，必須經(jīng)過地面刻度與校驗(yàn)之后才能應(yīng)用于實(shí)際的測量當(dāng)中。除上述著名公司的專利以外，國內(nèi)的研究人員在2005年前后也申請過與貝克休斯公司相近的專利技術(shù)。如CN 2076154U、ZL200420030034. 7、ZL200320105002. 4 等;國夕卜也有部分公司分別針對密封問題、加工問題進(jìn)行了改進(jìn)與專利申請，但都沒有改變加工難度、密封性能、裝置測量特性三者之間的矛盾，因此，技術(shù)上沒有本質(zhì)性的提高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種簡單實(shí)用的石油鉆井鉆壓扭矩隨鉆測量的裝置。與現(xiàn)有技術(shù)相比，該裝置克服了測量敏感區(qū)密封性能難以保證的缺陷，并保證了裝置輸入輸出參數(shù)之間的線性關(guān)系，可以適應(yīng)于不同的井下工程參數(shù)測量場合；本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、可以方便地實(shí)現(xiàn)裝置的更換、可以方便地連接到鉆鋌的不同測量位置處。本發(fā)明的技術(shù)方案為
一種用于石油鉆井鉆壓扭矩隨鉆測量的裝置，包括上部連接鉆挺、鉆鋌短節(jié)、導(dǎo)流套總成、懸掛螺釘、防磨帯、應(yīng)變片、下部連接鉆挺、測量電路、內(nèi)襯管、保護(hù)套筒、測量敏感區(qū)、密封圏、導(dǎo)線孔、高壓密封蓋板、扭矩測量應(yīng)變片、鉆壓測量應(yīng)變片、扭矩測量橋路、鉆壓測量橋路、扭矩放大單元和鉆壓放大單元。鉆鋌短節(jié)上部加工有錐形內(nèi)螺紋，下部加工有錐形外螺紋，外部中間部分加工有環(huán)形槽，環(huán)形槽外部裝有保護(hù)套筒，保護(hù)套筒與測量敏感區(qū)焊接固定，在保護(hù)套筒上、下邊緣處沿圓周加工有防磨帶，鉆鋌短節(jié)與保護(hù)套筒之間留有空間，測量敏感區(qū)上裝有應(yīng)變片；鉆鋌短節(jié)內(nèi)部加工有圓形孔，孔內(nèi)安裝有內(nèi)襯管，內(nèi)襯管為硬質(zhì)合金材料，下端加工有外螺紋，與鉆鋌短節(jié)的內(nèi)螺紋進(jìn)行緊固連接；鉆鋌短節(jié)內(nèi)部中間部分加工有圓形沉孔，沉孔內(nèi)安裝有導(dǎo)流套總成，導(dǎo)流套總成由懸掛螺釘固定。應(yīng)變片分別通過導(dǎo)線經(jīng)由導(dǎo)線孔連接至導(dǎo)流套總成以及測量電路，導(dǎo)線經(jīng)過導(dǎo)線孔的位置由高壓密封蓋板進(jìn)行密封。本發(fā)明所述的ー種用于石油鉆井鉆壓扭矩隨鉆測量的裝置具有的有益效果是 (1).解決了現(xiàn)有專利技術(shù)中存在的由于密封不嚴(yán)、泥漿滲漏導(dǎo)致儀器失效的技術(shù)難題；
(2).符合材料力學(xué)的拉伸壓縮應(yīng)力、扭矩測量原理，可以準(zhǔn)確測量鉆壓扭矩信號，且裝置的輸入輸出呈線性關(guān)系；(3).通過不同應(yīng)變片的組合連接，消除了彎矩作用對鉆壓扭矩測量結(jié)果的影響，使工程參數(shù)的測量更準(zhǔn)確；(4).利用內(nèi)襯管消除了鉆鋌短節(jié)內(nèi)部泥漿對測量敏感區(qū)的沖刷與磨損，利用防磨帶解決了鉆鋌短節(jié)外部泥漿和井壁對測量敏感區(qū)的磨損問題，保證了裝置特性的長期穩(wěn)定性；(5).整個(gè)裝置結(jié)構(gòu)簡單，易于更換，適合批量、系列化生產(chǎn)。


圖I 一種用于石油鉆井鉆壓扭矩隨鉆測量的裝置的系統(tǒng)集成示意圖；圖2 —種用于石油鉆井鉆壓扭矩隨鉆測量的裝置的應(yīng)變片布局示意圖。
I.上部連接鉆鋌2.鉆鋌短節(jié)3.導(dǎo)流套總成
4.懸掛螺釘5.防磨帶6.應(yīng)變片
7.下部連接鉆鋌8.測量電路9.內(nèi)襯管
10.保護(hù)套筒11.測量敏感區(qū)12.密封圈
13.導(dǎo)線孔14.高壓密封蓋板 15.扭矩測量應(yīng)變片
16.鉆壓測量應(yīng)變片 17.扭矩測量橋路 18.鉆壓測量橋路
19.扭矩放大單元20.鉆壓放大單元
具體實(shí)施例方式現(xiàn)結(jié)合說明書附圖I、附圖2，對本發(fā)明作進(jìn)ー步描述。
圖I表示鉆壓扭矩測量裝置與上部連接鉆挺I、下部連接鉆挺7、導(dǎo)流套總成3連接在一起時(shí)的整體結(jié)構(gòu)。其中，測量敏感區(qū)11用來粘貼測量鉆壓的應(yīng)變片16、測量扭矩的應(yīng)變片15，應(yīng)變片粘貼方式參見圖2。應(yīng)變片6引線通過導(dǎo)線孔13引出來連接至導(dǎo)流套總成3中的測量電路8，導(dǎo)流套總成3由懸掛螺釘4固定，導(dǎo)線經(jīng)過導(dǎo)線孔13的位置通過高壓密封蓋板14進(jìn)行密封。應(yīng)變片6粘貼、引線完成后，將保護(hù)套筒10與測量敏感區(qū)11通過焊接的方法連接在一起，徹底消除由于彎矩作用而產(chǎn)生的泥漿侵入和滲漏現(xiàn)象；利用在保護(hù)套筒10外表面上、下邊緣處的防磨帶5減少鉆鋌短節(jié)2外部泥漿與井壁對裝置的外部磨損；利用內(nèi)襯管9隔離鉆鋌短節(jié)2內(nèi)部泥漿與測量敏感區(qū)11，消除內(nèi)部泥漿對裝置的內(nèi)部磨損，從而保證裝置測量性能的長期穩(wěn)定性。在裝置受到鉆壓扭矩作用吋，由于內(nèi)襯管9 一端用螺紋連接到鉆鋌短節(jié)2，另一端利用密封圈12阻斷泥漿的流通，所以內(nèi)襯管9基本不會承受鉆鋌短節(jié)2內(nèi)部泥漿的壓力，也不影響裝置的測量特性。圖2表示應(yīng)變片的粘貼方式與鉆壓扭矩的測量電路。圖2將應(yīng)變片沿測量敏感區(qū)11表面0 360°展開，鉆壓測量應(yīng)變片16用0°、90°兩種粘貼方式的組合來測量鉆壓，扭矩測量應(yīng)變片15用±45°兩種粘貼方式的組合來測量扭矩；裝置的基本測量原理符合材料力學(xué)中的拉壓、扭轉(zhuǎn)測量原理，扭矩測量橋路17、鉆壓測量橋路18是增加零點(diǎn)調(diào)整·的惠斯登電橋，用于調(diào)節(jié)由于粘貼過程產(chǎn)生的應(yīng)變片初始應(yīng)カ不平衡的影響，通過將間隔180°的兩個(gè)相同的電阻串聯(lián)接在一個(gè)橋臂、將相隔45°的應(yīng)變片接入相鄰橋臂中的做法，可以抵消彎矩作用對測量結(jié)果的影響，實(shí)現(xiàn)鉆壓扭矩的精確測量。以下通過裝置的加工與裝配順序，進(jìn)ー步說明裝置的基本原理(I).將一段無磁鉆鋌材料的圓柱中部至中下部用車床車薄，達(dá)到測量敏感區(qū)11的設(shè)計(jì)外徑時(shí)，進(jìn)入下一步；(2).在鉆鋌短節(jié)2上加工與上部連接鉆挺I連接的錐形內(nèi)螺紋，加工與下部連接鉆挺I連接的錐形外螺紋，加工安裝導(dǎo)流套總成3的沉孔以及泥漿通道；(3).在鉆鋌短節(jié)2上加エ導(dǎo)線孔13，加工安裝高壓密封蓋板14的沉孔以及與導(dǎo)流套總成3連接的通孔；(4).加工導(dǎo)流套總成3，導(dǎo)流套總成3內(nèi)部安裝測量電路8 ; (5).在鉆鋌短節(jié)2上加工安裝導(dǎo)流套總成3的ー對懸掛螺釘孔以及ー對懸掛螺釘4 ; ￠).加工鉆鋌短節(jié)2內(nèi)部與內(nèi)襯管9的連接螺紋、加工內(nèi)襯管9 ; (7).安裝導(dǎo)流套總成3，用懸掛螺釘4將導(dǎo)流套總成3進(jìn)行固定；(8).按測量要求，粘貼鉆壓測量應(yīng)變片16和扭矩測量應(yīng)變片15，將橋路電阻連接好后，將電極引線(測量橋路的供電電源、輸出信號線)從導(dǎo)線孔13引出至導(dǎo)流套總成3;(9).安裝高壓密封蓋板14 ;加工保護(hù)套筒10，然后將保護(hù)套筒10與測量敏感區(qū)11焊接在一起；(10).安裝密封圈12和內(nèi)襯管9 ; (11).加工防磨帶5 ; (12)加工上部連接鉆挺I和下部連接鉆挺7井分別與鉆鋌短節(jié)2的上端內(nèi)螺紋和下端外螺紋進(jìn)行連接緊固。至此，整個(gè)裝置加工與裝配完畢，可以進(jìn)行鉆壓扭矩的隨鉆測量。從外觀與連接方式上看，測量短節(jié)與一般的鉆鋌短節(jié)沒有差別。可以根據(jù)實(shí)際測量需要，選擇性地連接到近鉆頭處鉆鋌的任意一段，圖I表示了這種連接方式。實(shí)際使用時(shí)，連接好的測量短節(jié)隨鉆鋌一起下入井底，其功能既是傳遞鉆壓扭矩的鉆鋌、也是ー個(gè)測量與監(jiān)控井下工程參數(shù)變化的裝置。鉆井過程中，在近鉆頭處鉆壓扭矩的作用下，粘貼于測量敏感區(qū)11上的應(yīng)變片16將鉆壓和扭矩作用轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)位于導(dǎo)流套總成3內(nèi)部的二次轉(zhuǎn)換電路18轉(zhuǎn)換為可以被轉(zhuǎn)換電路處理器采集記錄的數(shù)字信號。轉(zhuǎn)換電路處理器的工作方式有兩種，一種是采集記錄的數(shù)字信號存儲于轉(zhuǎn)換電路的非易失性存儲器芯片中，鉆井過程結(jié)束、起鉆后進(jìn)行數(shù)據(jù)回放，利用地面的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)分析已經(jīng)完成的鉆井過程中工程參數(shù)的變化規(guī)律。另ー種是采集記錄的數(shù)字信號經(jīng)過導(dǎo)流套總成3與隨鉆測量系統(tǒng)(MWD)進(jìn)行通訊，通訊方式可以是RS232、RS485或者其他的無線傳輸方式，由MWD傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控鉆井過程 中工程參數(shù)的變化規(guī)律。
權(quán)利要求
1.一種用于石油鉆井鉆壓扭矩隨鉆測量的裝置，包括上部連接鉆挺(I)、鉆鋌短節(jié)(2)、導(dǎo)流套總成(3)、懸掛螺釘⑷、應(yīng)變片(6)、下部連接鉆鋌(7)、測量電路⑶、測量敏感區(qū)(11)、密封圈(12)、導(dǎo)線孔(13)、高壓密封蓋板(14)，其特征還包括防磨帶(5)、內(nèi)襯管(9)、保護(hù)套筒(10);鉆鋌短節(jié)(2)上部加工有錐形內(nèi)螺紋，下部加工有錐形外螺紋，外部中間部分加工有環(huán)形槽，環(huán)形槽外部裝有保護(hù)套筒(10)，鉆鋌短節(jié)(2)與保護(hù)套筒(10)之間留有空間，測量敏感區(qū)(11)上裝有應(yīng)變片出)；鉆鋌短節(jié)(2)內(nèi)部加工有圓形孔，孔內(nèi)安裝有內(nèi)襯管(9)，鉆鋌短節(jié)(2)內(nèi)部中間部分加工有圓形沉孔，沉孔內(nèi)安裝有導(dǎo)流套總成(3)，導(dǎo)流套總成(3)由懸掛螺釘(4)固定。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種用于石油鉆井鉆壓扭矩隨鉆測量的裝置，其特征在干，保護(hù)套筒(10)與測量敏感區(qū)(11)焊接固定，在保護(hù)套筒(10)上、下邊緣處沿圓周加工有防磨帶(5)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種用于石油鉆井鉆壓扭矩隨鉆測量的裝置，其特征在干，內(nèi)襯管(9)為硬質(zhì)合金材料，下端加工有外螺紋，與鉆鋌⑵的內(nèi)螺紋進(jìn)行緊固連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的井下鉆壓扭矩隨鉆測量的裝置，其特征在干，應(yīng)變片(6)分別通過導(dǎo)線經(jīng)由導(dǎo)線孔(13)連接至導(dǎo)流套總成(3)以及測量電路(8)，導(dǎo)線經(jīng)過導(dǎo)線孔(13)的位置由高壓密封蓋板(14)進(jìn)行密封。
全文摘要
一種用于石油鉆井鉆壓扭矩隨鉆測量的裝置，該裝置的外形是一段鉆鋌短節(jié)，其上部加工有錐形內(nèi)螺紋，下部加工有錐形外螺紋，外部中間部分加工有環(huán)形槽，環(huán)形槽外部裝有保護(hù)套筒，裝置與保護(hù)套筒之間留有空間，測量敏感區(qū)上裝有應(yīng)變片；裝置內(nèi)部加工有圓形孔，孔內(nèi)安裝有內(nèi)襯管，裝置內(nèi)部中間部分加工有圓形沉孔，沉孔內(nèi)安裝有導(dǎo)流套總成，導(dǎo)流套總成由懸掛螺釘固定。該裝置解決了現(xiàn)有專利技術(shù)的密封難題，利用防磨帶和內(nèi)襯管分別削弱了連接鉆鋌外部和內(nèi)部泥漿對測量敏感區(qū)的磨損與沖蝕，保證了裝置性能的長期穩(wěn)定性。該裝置結(jié)構(gòu)簡單，易于更換，適合批量、系列化生產(chǎn)。
文檔編號E21B47/00GK102839969SQ20111016537
公開日2012年12月26日 申請日期2011年6月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月20日
發(fā)明者楊錦舟, 張海花, 李作會, 耿艷峰, 崔海波 申請人:中國石油化工集團(tuán)公司, 中國石化集團(tuán)勝利石油管理局鉆井工藝研究院