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小；沿鉆鋌圓柱體軸向±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??；但是該原理適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。