專利名稱：隨鉆鉆壓扭矩測量短節(jié)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種在石油鉆井工程中應(yīng)用于井下鉆壓扭矩隨鉆測量的測量短節(jié)。
技術(shù)背景鉆井過程中，近鉆頭處的鉆壓、扭矩等鉆井工程參數(shù)的隨鉆準確測量對安全、高效鉆井是十分重要的。隨著鉆井深度的增加，特別是各種分支井、水平井的開發(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，實時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，為安全、高效鉆井提供技術(shù)支持。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)的準確度較差。并且鉆鋌在鉆井液中受到浮力與摩擦力、鉆鋌下放的沖擊力和彈性力、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算，即便推算模型考慮因素再多，推算結(jié)果的準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來判定井底真正加在鉆頭處的鉆壓與扭矩的大小。由此可見地面儀表測量的不準確性、 推算結(jié)果的可信度低以及傳送數(shù)據(jù)的時間延遲效應(yīng)等情況，都會引起不同程度鉆井事故的發(fā)生。通過井下近鉆頭處工程參數(shù)的準確測量，可以對實際鉆井過程的實時數(shù)據(jù)進行分析、處理和對比，進而指導鉆井過程。如合理泥漿當量循環(huán)密度的確定、環(huán)空壓力檢測與分析技術(shù)等，總結(jié)各種工程參數(shù)對鉆井過程的影響規(guī)律，及時發(fā)現(xiàn)和控制某些鉆井事故、達到安全、高效鉆井的目的，真正實現(xiàn)無風險、高效鉆井。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。采用井下動力鉆井時，井下動力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，依靠鉆柱和鉆鋌向井底傳遞鉆壓和扭矩。鉆鋌在鉆進、下鉆、起鉆等不同的工作狀態(tài)下，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軸向的鉆壓作用與振動作用、圍繞軸向的一對扭矩和鉆鋌徑向受到的彎矩作用。由于多年來國內(nèi)外井下測量儀器的開發(fā)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，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伸與壓縮力的大??；沿圓柱軸向士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)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、受復合應(yīng)力作用的井下工程參數(shù)測量?；谏鲜鰷y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， 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)。相應(yīng)的專利包括美國專利:6610935B1、4608861、4821563、4958517、5386724、6216533，歐洲專利=PCT/ US00/31685 等。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)的井下儀器保護套、不同的測量電路與應(yīng)變片連接方式。這兩個專利共同的缺點是保護套與應(yīng)變片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應(yīng)變片部分而導致測量電路無法正常工作，為此貝克休斯公司在保護套與傳感部分、轉(zhuǎn)換電路的密封方面開展了大量的工作，如設(shè)計雙密封圈、GT型密封圈、通過地面測試系統(tǒng)檢驗彎矩大小對密封性能的影響等，一定程度地解決了該問題。斯倫貝謝和APS公司對該技術(shù)進行了進一步的改進，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)的問題是首先，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行加工；其次，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，這種測量短節(jié)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)用于實際的測量當中，使該技術(shù)的實用性受到一定程度的限制。除上述著名公司的專利以外，國內(nèi)外還有部分公司分別針對密封問題、加工問題進行了改進與專利申請，但都沒有改變加工難度、密封性能、測量短節(jié)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
實用新型內(nèi)容
本實用新型的目的是提供一種簡單實用的井下鉆壓扭矩隨鉆測量的測量短節(jié)，且測量短節(jié)輸出與被測參數(shù)呈線性關(guān)系。與現(xiàn)有技術(shù)相比，該測量短節(jié)克服了井下鉆壓扭矩測量短節(jié)的密封性、耐磨性和抗沖蝕性能較差等方面的缺陷；本實用新型結(jié)構(gòu)簡單、可以方便地實現(xiàn)測量短節(jié)的更換、并可以方便地連接到近鉆頭鉆鋌的不同測量位置處。本實用新型隨鉆鉆壓扭矩測量短節(jié)包括上部連接鉆鋌、鉆鋌短節(jié)、導流套總成、 導流套固定螺栓、硬質(zhì)合金片、第一層密封、第二層密封、第三層密封、第四層密封、下部連接鉆鋌、固定螺帽、內(nèi)部保護套管、測量敏感區(qū)、應(yīng)變片、密封圈、導線孔、高壓密封蓋板、二次轉(zhuǎn)換電路、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、扭矩放大單元以及鉆壓放大單元。鉆鋌短節(jié)外部中間部分的四個環(huán)形槽分別安裝有第一層密封、第二層密封、第三層密封和第四層密封。鉆鋌短節(jié)上部加工成錐形內(nèi)螺紋，下部加工成錐形外螺紋，外部中間部分加工成內(nèi)小外大的四個環(huán)形槽，下端到中間部位加工有圓形孔，孔內(nèi)裝有內(nèi)部保護套管；鉆鋌短節(jié)內(nèi)部中間偏上部分裝有導流套總成，導流套總成內(nèi)部裝有二次轉(zhuǎn)換電路，導流套總成由導流套固定螺栓與鉆鋌短節(jié)固定連接；測量敏感區(qū)外部有四層密封，分別是第一層密封、第二層密封、第三層密封和第四層密封，四層密封的材料是橡膠，或者是玻璃鋼，測量敏感區(qū)上、 下邊緣處沿圓周安裝有硬質(zhì)合金片，硬質(zhì)合金片高出測量短節(jié)外表面1 2mm ；內(nèi)部保護套管選用硬質(zhì)合金材質(zhì)，內(nèi)部保護套管和測量敏感區(qū)的內(nèi)表面之間安裝有密封圈，內(nèi)部保護套管由固定螺帽進行安裝緊固。本實用新型所述的鉆壓扭矩隨鉆測量測量短節(jié)具有的有益效果是(1).通過橡膠硫化、玻璃鋼充注技術(shù)，實現(xiàn)了傳感部分的多層密封，且不影響測量短節(jié)的測量性能； (2).利用內(nèi)部保護套管減弱了鉆鋌內(nèi)部泥漿對測量短節(jié)測量敏感區(qū)的沖刷與磨損；(3). 利用硬質(zhì)合金片解決了鉆鋌外部泥漿和井壁對測量短節(jié)測量敏感區(qū)的磨損，保證了測量短節(jié)特性的長期穩(wěn)定性。

圖1是一種用于井下鉆壓扭矩隨鉆測量的測量短節(jié)的系統(tǒng)集成示意圖；圖2是一種用于井下鉆壓扭矩隨鉆測量的測量短節(jié)的應(yīng)變片布局示意圖；圖3是一種用于井下鉆壓扭矩隨鉆測量的測量短節(jié)的扭矩轉(zhuǎn)換電路示意圖；圖4是一種用于井下鉆壓扭矩隨鉆測量的測量短節(jié)的鉆壓轉(zhuǎn)換電路示意圖。1.上部連接鉆鋌2.鉆鋌短節(jié)3.導流套總成4.導流套固定螺栓 5.硬質(zhì)合金片 6.第一層密封7.第二層密封8.第三層密封 9.第四層密封10.下部連接鉆鋌11.固定螺帽12.內(nèi)部保護套管13.測量敏感區(qū)14.應(yīng)變片15.密封圈16.導線孔17.高壓密封蓋板 18. 二次轉(zhuǎn)換電路19.扭矩測量應(yīng)變片 20.鉆壓測量應(yīng)變片 21.扭矩測量橋路22.鉆壓測量橋路 23.扭矩放大單元 24.鉆壓放大單元
具體實施方式
現(xiàn)結(jié)合說明書附圖1、附圖2、附圖3、附圖4，對本實用新型做進一步描述。圖1表示一種用于井下鉆壓扭矩隨鉆測量的測量短節(jié)與上部連接鉆鋌1、下部連接鉆鋌10、導流套總成3連接在一起時的整體結(jié)構(gòu)。其中，測量敏感區(qū)13用來粘貼鉆壓測量應(yīng)變片20、扭矩測量應(yīng)變片19，應(yīng)變片粘貼方式參見圖2。應(yīng)變片引線通過導線孔16引出來連接至二次轉(zhuǎn)換電路18，引線孔通過高壓密封蓋板17進行密封。應(yīng)變片粘貼、內(nèi)部連接、引線完成后，進行第一層密封6的加工，經(jīng)過規(guī)定的時間后，依次進行第二層密封7、第三層密封8、第四層密封9的加工，為了保證密封效果，綜合應(yīng)用了橡膠硫化與擠出技術(shù)、玻璃鋼充注技術(shù)。四層密封層加工完成后，能夠消除由于彎矩作用而產(chǎn)生的泥漿侵入和滲漏現(xiàn)象；利用鑲嵌在測量短節(jié)兩邊的硬質(zhì)合金片5減少鉆鋌短節(jié)2外部泥漿和井壁對測量短節(jié)的外部磨損；利用內(nèi)部保護套管12隔離鉆鋌短節(jié)2內(nèi)部泥漿與測量短節(jié)，消除鉆鋌短節(jié) 2內(nèi)部泥漿對測量短節(jié)內(nèi)部的沖蝕，從而保證測量短節(jié)測量性能的長期穩(wěn)定性。圖2表示一種用于井下鉆壓扭矩隨鉆測量的測量短節(jié)的應(yīng)變片粘貼方式。圖3表示一種用于井下鉆壓扭矩隨鉆測量的測量短節(jié)的扭矩轉(zhuǎn)換電路。圖4表示一種用于井下鉆壓扭矩隨鉆測量的測量短節(jié)的鉆壓轉(zhuǎn)換電路。圖2將應(yīng)變片14沿傳感部分表面0 360° 展開，鉆壓測量應(yīng)變片20用0°、90°的應(yīng)變片粘貼方式來測量鉆壓，扭矩測量應(yīng)變片19 用士45°的應(yīng)變片粘貼方式來測量扭矩；短節(jié)基本測量原理符合材料力學中的拉壓、扭轉(zhuǎn)測量原理，扭矩測量橋路21和鉆壓測量橋路22是增加零點調(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)力不平衡的影響，通過將間隔180°的兩個相同的電阻串聯(lián)接在一個橋臂、將相隔45°的應(yīng)變片接入相鄰橋臂中，抵消彎矩作用對測量結(jié)果的影響， 實現(xiàn)鉆壓扭矩的精確測量。以下通過測量短節(jié)的加工與裝配順序，說明測量短節(jié)的基本原理(1).將一段無磁鉆鋌短節(jié)材料的圓柱體上端加工出錐形內(nèi)螺紋，下端加工錐形外螺紋，中部用車床車薄， 達到測量敏感區(qū)13設(shè)計的外徑時，進入下一步；O).在鉆鋌短節(jié)2上加工導線孔16，加工與導流套總成3連接的通孔；C3).按設(shè)計要求，加工測量短節(jié)內(nèi)部通孔；(4).加工安裝導流套總成3的一對導流套固定螺栓孔；加工導流套總成3，在導流套總成3內(nèi)部安裝二次轉(zhuǎn)換電路18 ； (5).加工鉆鋌短節(jié)2內(nèi)部與固定螺帽11外螺紋相配合的連接螺紋、加工內(nèi)部保護套管12 ； (6).按測量要求，粘貼扭矩測量應(yīng)變片19和鉆壓測量應(yīng)變片20，將橋路電阻連接好后，將電極引線(供電電源、輸出信號線)從導線孔16引出至導流套總成3 ;(7).依次進行四層橡膠密封的加工；(8).安裝內(nèi)部保護套管12之后，進行硬質(zhì)合金片5的加工；(9) 加工上部連接鉆鋌和下部連接鉆鋌并分別與鉆鋌的上端內(nèi)螺紋和下端外螺紋連接。至此， 整個測量短節(jié)加工與裝配完畢，可以用于井下工程參數(shù)的測量。從外觀與連接方式上看，測量短節(jié)可以看成是一段鉆鋌短節(jié)?？梢愿鶕?jù)實際測量需要，連接到近鉆頭處鉆鋌的任意一段，圖1表示了這種連接方式。實際使用時，連接好的測量短節(jié)隨鉆鋌下入井底。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)換電路處理器有兩種工作方式，一種是采集記錄的數(shù)字信號經(jīng)過導流套總成3與隨鉆測量系統(tǒng)(MWD)進行通訊，由MWD傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控系統(tǒng)。另一種是采集記錄的數(shù)字信號存儲于轉(zhuǎn)換電路的存儲器芯片中，鉆井過程結(jié)束、起鉆后進行數(shù)據(jù)回放，利用計算機分析鉆井過程中工程參數(shù)的變化規(guī)律。
權(quán)利要求1.隨鉆鉆壓扭矩測量短節(jié)，包括上部連接鉆鋌(1)、鉆鋌短節(jié)O)、導流套總成(3)、導流套固定螺栓(4)、下部連接鉆鋌(10)、測量敏感區(qū)(13)、應(yīng)變片(14)、導線孔(16)、高壓密封蓋板(17)、二次轉(zhuǎn)換電路(18)，其特征還包括硬質(zhì)合金片(5)、第一層密封(6)、第二層密封(7)、第三層密封(8)、第四層密封(9)、固定螺帽(11)、內(nèi)部保護套管(12)、密封圈 (15)；鉆鋌短節(jié)( 上部加工成錐形內(nèi)螺紋，下部加工成錐形外螺紋，外部中間部分加工成內(nèi)小外大的四個環(huán)形槽，下端到中間部位加工有圓形孔，孔內(nèi)裝有內(nèi)部保護套管(1 ；鉆鋌短節(jié)( 內(nèi)部中間偏上部分裝有導流套總成(3)，導流套總成C3)內(nèi)部裝有二次轉(zhuǎn)換電路 (18)，導流套總成(3)由導流套固定螺栓⑷與鉆鋌短節(jié)(2)固定連接；測量敏感區(qū)(13) 外部有四層密封，測量敏感區(qū)(1 上、下邊緣處沿圓周安裝有硬質(zhì)合金片(5)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的隨鉆鉆壓扭矩測量短節(jié)，其特征是鉆鋌短節(jié)( 外部中間部分的四個環(huán)形槽分別安裝有第一層密封(6)、第二層密封(7)、第三層密封(8)和第四層密封(9)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的隨鉆鉆壓扭矩測量短節(jié)，其特征是第一層密封(6)、第二層密封(7)、第三層密封(8)和第四層密封(9)的材料是橡膠，或者是玻璃鋼。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的隨鉆鉆壓扭矩測量短節(jié)，其特征是硬質(zhì)合金片( 高出測量短節(jié)外表面1 2mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的隨鉆鉆壓扭矩測量短節(jié)，其特征是內(nèi)部保護套管(1 選用硬質(zhì)合金材質(zhì)，內(nèi)部保護套管(1 和測量敏感區(qū)(1 的內(nèi)表面之間安裝有密封圈(15)，內(nèi)部保護套管(12)由固定螺帽(11)進行安裝緊固。
專利摘要隨鉆鉆壓扭矩測量短節(jié)，其鉆鋌短節(jié)上部加工成錐形內(nèi)螺紋，下部加工成錐形外螺紋，外部中間部分加工成內(nèi)小外大的四個環(huán)形槽，下端到中間部位加工有圓形孔，孔內(nèi)裝有內(nèi)部保護套管；該短節(jié)內(nèi)部中間偏上部分裝有導流套總成，導流套總成內(nèi)部裝有二次轉(zhuǎn)換電路，導流套總成由導流套固定螺栓與測量短節(jié)固定連接；測量敏感區(qū)外部有四層密封，測量敏感區(qū)上、下邊緣處沿圓周安裝有硬質(zhì)合金片。該測量短節(jié)通過橡膠硫化、玻璃鋼充注技術(shù)，實現(xiàn)了傳感部分的多層密封，測量短節(jié)內(nèi)部安裝了內(nèi)部保護套管、外部鑲嵌了硬質(zhì)合金片，保證了短節(jié)性能的長期穩(wěn)定性。該測量短節(jié)結(jié)構(gòu)簡單、密封性能好、耐磨性能好。
文檔編號E21B47/06GK202220597SQ20112020766
公開日2012年5月16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)明者崔海波, 張?；? 李閃, 楊錦舟, 耿艷峰 申請人:中國石化集團勝利石油管理局鉆井工藝研究院, 中國石油化工集團公司