一种新型钻压扭矩随钻测量传感器的特性分析

　　油气钻井过程中，近钻头处的钻压、扭矩等工程参数的随钻准确测量对安全、高效钻井具有重要意义。随着井深的增加，特别是诸如分支井、水平井、鱼骨井等特殊工艺井的开发，各种卡钻、掉牙轮、钻具断落等钻井事故时有发生，给钻井生产的安全与效率带来很大影响。通过对近钻头工程参数的实时测量值进行分析处理，可以总结各个测量参数对钻井进程与效率的影响规律，及时发现和控制某些钻井事故、达到安全、高效钻井的目的，真正实现无风险钻井。

　　多年来，国内外井下随钻测量仪器开发的重点一直是与油气地质储量直接相关的地层电阻率、孔隙率、伽马射线等地质参数的测量;与几何导向相关的井斜、方位、工具面角等井眼轨迹参数的测量与控制;而与钻井安全、钻井效率相关的钻压、扭矩、环空压力等工程参数测量技术研究较少。

　　1 近钻头工程参数测量技术

　　1.1 近钻头钻铤的受力分析

　　目前，油气钻井方式以钻盘钻井、井下动力钻具钻井两种方式为主。钻铤在钻进、下钻、起钻等不同的钻井过程中，钻柱/钻铤不同部位的受力情况与运动形式差别很大。主要包括：轴向拉力和压力、扭矩、弯曲力矩、离心力、钻铤内外挤压、纵向振动、扭转振动、横向摆振等。由于钻柱和钻铤的复杂运动形式，钻头在井底有涡动现象、井底钻压波动很大，甚至出现钻头离开井底的跳钻现象。

　　理论上，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以及钻进过程中的钻头振动。从测量技术的角度，可以将钻铤受力简化为厚壁圆管受到轴向的拉压与振动、围绕轴向的一对扭矩和钻铤径向受到的弯矩作用。

　　1.2 钻压扭矩测量原理

　　材料力学中拉压与扭转应力的测量都是基于受力物体的应变效应，利用应变测量原理来实现的。沿钻铤圆柱体轴向0°、90°粘贴应变片，通过测量应变片的电阻变化获得钻铤受到拉压作用力的大小;沿钻铤圆柱体轴向±45°粘贴应变片，通过测量应变片的电阻变化获得钻铤受到扭转力矩的大小;但是该原理适用于单独的拉压作用、单独的扭矩作用的测量，无法直接应用于井下高温、高压、受复合应力作用的工程参数测量。

　　基于上述测量原理和井下仪器的实际工作过程，最早在1985年由法国石油研究院研制了第一台钻柱力学参数测量仪并申请了专利，随后著名的石油仪器公司，如：斯伦贝谢、贝克休斯、APS等公司相继开发出不同结构的井下工程参数测量短接，并于2000年前后申请了相关的井下工程参数测量短接专利。国内的研究人员以此为基础于2005年前后也申请了相应的专利技术。