一种新型钻压扭矩随钻测量传感器的特性分析

    正常钻进情况下，钻压扭矩测量值相对平稳，由单片机记录存储钻井过程中的钻压扭矩值，用于起钻回放后的钻井过程分析；当钻压扭矩测量值异常时，通过井下水力脉冲发生器将实时测量值传送到地面监控系统，供钻井人员来决策参考。
2．2 传感嚣的有限元计算模型
    图2(a)为传感器的有限元计算模型，应变片安装在3个圆周方向成120度的圆孔中、圆孔之间通过连接通道、用导线互联。3个圆孔之间的连接通道参见传感器的径向剖面图2(b)，圆孔用图1中的盖板4与密封圈进行密封。由于钻井过程中，圆孔中的压力是常压，外部是钻井过程的环空压力，所以密封效果很好。应变片分布在3个钻孔内0°／45°／90°／135°／180°／225°／270°／315°共8个方向，应变片粘贴方式参见图2(c)。

    用于有限元计算的传感器尺寸分别为：钻铤外径178 mm、钻铤内径76mm，测量部分孔径：45mm，测量部分孔深：39mm，盖板厚度：15 mm，盖板边长：60 mmx60 mm。由材料力学知识可知：0°／90°／180°／270°4个方向的应变片对钻压测量敏感、45°／135°／225°／315°4个方向的应变片对扭矩测量敏感。理论上，将不同孔中对应粘贴角度的应变片串联接入测量桥路就可以抵消弯矩作用对钻压扭矩测量结果的影响。假如弯矩作用使某一应变片阻值增加，必然使相反方向的应变片阻值减小，从而使串联的总电阻保持不变。所以计算过程中未考虑弯矩的作用。
2．3 有限元计算结果分析
    通过ANSYS建模、加载和计算，分析钻压、扭矩单独作用与联合作用时对传感器输出的影响规律、分析钻铤内压对这两个测量参数的影响，寻求钻铤内压与环空压力影响的修正方法。
    计算过程中用到的钻压扭矩参数参见表1，表中打钩的计算点是以下分析的基础。图3、图4分别表示钻压、扭矩单独作用时的计算结果，考虑到应变片粘贴的对称性，两图只给出了0°／45°／90°／135°4个方向应变量的输出结果。

    图3中45°、135°方向的应变片随着扭矩作用的增加，应变量线性增加，而0°、90°方向的应变片输出几乎不变；图4中0°、90°方向的应变片随着钻压作用，应变量线性增加，但是45°、135°的扭矩测量应变片也随着钻压作用而线性变化。
    由此可见：可以通过测量不同方向应变片的应变量来获得实际的钻压扭矩值。但是不同角度应变片对钻压、扭矩的敏感程度不同，扭矩作用只对45°、135°方向的应变片敏感，而4个方向的应变片都对钻压作用敏感。也就是说，钻压作用对扭矩测量有影响，而扭矩作用对钻压测量几乎没有影响，实际的测量条件下，必须考虑两个参数之间的耦合程度与解耦算法。

图5、图6分别表示钻铤内部压力对测量结果的影响，两图只考虑了钻铤内压对测量结果的影响，没有考虑环空压力的影响。

    图5中的两组直线表示内压分别为30、60 MPa时，相同扭矩作用下应变量的变化规律。由图可见：随着内压的增加或者钻铤内部压力与环空压力差值的增加，特性曲线的截距发生了变化，这种变化将会引起测量电路的零点发生变化；但斜率基本保持不变，这就要求在测量过程中需要进行动态的零点调整。
    图6表示内压分别为0、30、60 MPa时，钻压作用下传感器应变量的变化规律。与图5相同，特性曲线的截距随着内压的变化发生了变化，但斜率几乎没有变化，也要求在测量过程中进行动态零点调整。

3 结论
    通过不同的应变片布局，传感器能够实现钻压和扭矩的测量目标。其中：单一工况的应变与钻压、扭矩值成线性关系。实际使用过程中，需要考虑钻压和扭矩相互影响，其中：扭矩对钻压的影响很小、但钻压对扭矩的影响较大。同时也说明了测量过程解耦和测量之前刻度工作的必要性。与内压为零的情况比，特性曲线的截距变了表示零点变了，但斜率基本上没有发生变化，要求在实际测量过程中进行动态的零点调整；斜率没有变化是因为在材料的弹性范围，应变规律仍为线性的胡克定律。