钻井过程中扭矩传感器的应用

钻井过程中扭矩传感器的应用研究

摘要：在钻井过程中应用扭矩传感器，通过对扭矩参数的解释，能正确指导工程施工，提高录井技术和资料解释水平，有利于快速发现油气显示，能够提高钻井效率、确保安全钻井。文章详细介绍了扭矩参数曲线的影响因素，扭矩参数曲线的形成过程，对不同的钻头事故形成了一般的判别规律。

abstract: in the drilling process, the torque sensor can guide construction through interpretation of the torque data, raise the level of logging technology and data interpretation, which is favorable for quickly identifying oil and gas shows, improving drilling efficiency and ensuring safe drilling. this article details the influence factor and formation process of the torque curve, forming general discrimination law for the different bit accident.

关键词：钻井；扭矩传感器；扭矩曲线

key words: drilling；torque sensors；torque curves

0 引言

降低钻井成本，保护和及时发现油气层，提高勘探效益，是井筒技术共同面临的课题。过去由于种种原因，往往凭经验进行钻井过程控制，缺乏科学的依据，结果导致钻井工程事故不断发生，尤其在大斜度、大位移井和水平井的钻井过程中，钻井工程事故更是时有发生，其中以钻头事故最为常见，在一定程度上影响了资料的录取、解释及油气层的保护。扭矩传感器可以弥补钻井工作的先天不足，通过扭矩参数能洞察突发的的各类钻头事故。为准确预报工程事故提供决策性依据。扭矩参数的解释应用能正确指导工程施工，提高录井技术和资料解释水平，有利于快速发现油气显示。能够提高钻井效率、确保安全钻井。

1 三种常见扭矩传感器

在国内，扭矩传感器主要有铁饼式、过桥轮式和电扭矩传感器三种。

1.1 电扭矩传感器 电扭矩传感器是通过测试驱动电机的供电电流来获得转盘扭矩参数的，传感器采用了夹钳式结构，便于安装使用，输出是4-20ma的标准电流信号。安装使用，将信号电缆的防护罩拆开，松开夹线器，将信号电缆通过夹线器穿入防护罩,使密封平面压紧。最后将夹线器螺帽拧紧，使信号电缆固定在防护罩上。打开传感器夹钳，用泡沫塑料将被测导线缠上并调整缠绕的厚度，使夹钳关上后被测导线能被固定在园孔中，不晃动。

1.2 铁饼式传感器 顶丝式转盘扭矩传感器，使用了特殊结构的筒式电阻应变测量传感器，通过测量钻盘的扭力，由于转盘的自重及摩擦力的作用，为了使扭动反作用力能使转盘产生极微的角位移，应在三个顶丝与转盘之间安装上橡皮垫，并在转盘底部涂上石墨油，以减少摩擦力，使传感器受力减小外力影响，以提高测量系统的灵敏度。安装与使用，机械安装：先将转盘吊起,在转盘和大墚之间涂上石墨油，然后卸下顶丝换上本传感器，并在三个顶丝与转盘之间垫上橡皮垫，撑紧各顶丝和传感器，使传感器有一定的预应力。将传感器钢丝电缆和接头用铅丝悬挂在大墚或井架上。

1.3 过桥轮式扭矩传感器 钻井过程中,通过张紧轮式转盘扭矩传感器来测定转盘驱动钻具扭矩大小的变化,可正确反映出井下钻具的工作情况和井底地层的变化。如钻头的磨损、牙轮咬住或脱落，钻柱遇卡或折断，地层硬度改变等，均会引起转盘驱动扭矩大小的变化。因此，用张紧轮式转盘扭矩传感器正确测定和显示转盘扭矩，有助于及时掌握井下工况，一旦出现事故苗子能及早采取相应措施，避免事故的发生，因此是一项重要的安全参数。钻井过程中,柴油发动机通过一系列传动装置,经传动链条带动绞车和转盘,转盘驱动钻具,实现钻进。传动链条的张紧程度可相对应于转盘的扭矩，当井下钻具发生异常或地层岩性发生变化时，转盘扭矩产生变化，从而影响到链条张紧力的变化。根据这一原理，在传动链条的下方放入一张紧轮式转盘扭矩传感器，它将链条的张紧力转换成油压，再通过一压力传感器，把输出的油压信号转换成电信号，电信号的强弱就反映转盘驱动扭矩的变化，通过电缆将电信号传递到二次仪表或计算机接口，以显示和采集转盘驱动扭矩的信息。安装使用，①封闭式链条箱的安装封闭式链条箱由于润滑、防尘的需要，其箱内有大量的润滑油，其传感器高压软管与手动注油泵相连（使用快速接头），向传感器注油，张紧轮式转盘扭矩传感器会随着液压油的加注而逐渐抬起，当张紧轮轻微接触链条时，需要摆正传感器上下左右的位置，确认无误后将长、短垫板焊接在链条箱的底座上，向上旋起限位螺栓，以接触到悬架即可，然后锁紧防松螺母。为了使用时压力传感器、注油泵与其相连，还必须在链罩上打一个φ27的孔，高压软管接头从中穿过，外面再用圆螺母锁紧，合上链罩，加注链条润滑油，拔下注油泵，接上压力传感器总成(带三通快速接头)，其安装过程全部完成。②半封闭式链条箱的安装，半封闭式链条箱的安装方法与全封闭类似，只是无须在链罩上打孔，安装完后接上压力传感器总成即可使用。

2 扭矩参数曲线的影响因素

扭矩是钻井工程一项重要参数，受到地层、钻头、钻具结构、钻压、转速、泵冲、钻井液性能以及地面机械因素的影响，在转盘驱动的情况下，其绝对值确定有一定困难且不够准确，但在钻压、转速、岩性等因素相对稳定情况下，扭矩相对值是很有意义的。扭矩参数是钻具振动的一种间接测量参数，实现了地面对井下钻具的转动力的测量。以下就扭转粘滑、钻头跳动和钻具组合的正向偏转进行阐述。

2.1 钻头跳动 钻头牙轮以及牙齿有一定的间距，随着钻头的旋转，牙齿与地层间隔接触，这种作用在牙齿和牙轮上的载荷是周期性变化，载荷的波动又可引起牙轮转速和钻头转速的波动，这种波动反映在扭矩上表现为扭矩曲线窄幅均匀摆动。若钻头牙齿磨损、牙齿折断、牙轮旷动、牙轮脱落、牙轮卡死及钻头泥包等，其振动特征是由于扭动的不均匀造成不均匀，便引起钻头的轴向振动幅度明显增大，使钻头上的轴向载荷和扭矩检测值大幅度波动。若某一牙轮卡死，则当钻头旋转一周，可能会出现某些周期信号，扭矩曲线表现为不对称幅值波动。

2.2 扭转粘滑 扭转粘滑是由于义部钻具组合与井壁之间的动态和表态摩阻产生的，它阻碍了整个钻柱平衡地转动。其过程是一个能量积累和释放的过程。静态摩阻可能由底部钻具组合偏转或弯曲，钻头牙齿的一次深切，钻具与井壁的接触以及井底钻头的突然起动等情况的产，将阻碍底部钻具组合和钻头的旋转。当钻柱一个足以克服静态摩阻的扭矩时，被释放的钻柱最初快速转动，然后减速，当其旋转速度降至某一静态摩阻起作用的临界值以下时，旋转再次停止，这种持续周期约1－40s。地面传感器以较高的速度采样，扭矩传感器检测到的曲线为均匀摆动的正弦波或锯齿波。

2.3 钻具组合的正向偏转 偏转定义为钻柱任一部分偏移中心的转动。在底部钻具组合的正向偏转中，钻铤中心点的运动方向与钻杆的转动方向相同，如果钻铤的偏转速度与钻杆相同，这种偏转作乐　为全同步正向偏转。如果这种偏转振幅保持不变，在全同步偏转期间，在钻铤里就不存在周期性弯曲应力。如果偏转振幅变化较大，其结果会导致弯曲疲劳。正向偏转表现为扭矩曲线突然增加。

以上三种因素相互影响、相互制约，共同伴随在钻进的过程中。在地面测量的扭矩幅度变化曲线可以看作是钻柱轴向和扭转振动的叠加合成曲线。

3 扭矩参数曲线的特征分析和扭矩参数曲线的形成过程

3.1 电信号处理过程 在实时录井中，扭矩的油压经过压力管线传至压力传感器，再通过压力变送器处理成标准的0－10v电压信号或4－20ma电流信号，此电压信号通过a/d板转换成数字量进入计算机，电流信号通过取样电阻、信号处理板，通过串口以数字量进入计算机。进入计算机的数字信号通过程序处理转换成模拟电压信号在屏幕上显示，录井人员在通过标定的方法把电压信号转换成扭矩值，程序实时采集扭矩电压信号，并把此信号转换成实际扭矩值在屏幕上显示，这样就形成我们所说的扭矩参数曲线。录井软件还具有参数回放的功能，也就是说实时录取的数据在计算机中同时存盘，我们可以任意选择时间段对录取的参数曲线进行回放，防止了打印机出现故障而丢失实时资料。

3.2 扭矩参数的标定，计算机采集的是电压信号，用户需要的是实际扭矩值，因此我们需要建立信号电压与扭矩值的对应换算关系，我们把这个过程称之为标定。在实际录井中我们扭矩类型来进行扭矩参数的标定。在正常钻进录井中，当钻压、转速、岩性等情况相对稳定的情况下，扭矩参数的绝对数值变化较小，形成的曲线均匀、平稳，起伏波动较小。

3.3 发生钻头事故时的扭矩曲线，笔者主要是立足焉耆盆地塔河油田春光油田开展的研究工作，主要收集了近几年以来15口钻头事故井的有关工程参数，通过回放、剪切的方法来对原始图形进行综合分析、评价，更进一步认识出现钻头事故时工程参数的变化情况和扭矩曲线的表现特征，为快速钻井、科学打井提供决策依据。牙轮断齿，由于钻压突增或钻遇硬地层，受力不均匀引起转动不均匀而引起牙轮断齿，随后断齿被挤入井壁，钻头跳跃减小，扭矩波动减弱。当钻头牙齿完全断完时，扭矩曲线趋于平稳。该过程反复间断扭矩波动曲线与正常钻进中扭矩曲线复合成为串珠状扭矩曲线特征。

3.4 扭矩参数曲线判断钻头状态的一般规律，扭矩参数是判断井下钻头最直接、最有效的一项参数。一般来说，井下钻头的不同状态在扭矩参数曲线上都有不同的表现特征，我们据此把井下钻头状态分为四个阶段扭矩参数定性的判别规律，见表1。

①扭矩参数定性的判别规律。②扭矩参数定量的判别规律，在扭矩传感器安装之后，橡胶轮刚好把链条顶起，此时扭矩有一个数值，我们把此数值称为零值，当转盘不转、钻具提起时，扭矩参数值将回到零值。在正常钻进时，当钻压、转速均匀及地层岩性变化不大情况下，我们把此时的扭矩值称为扭矩的基值，此时扭矩参数值将形成一条波动较小的参数曲线。随着钻头使用时间的增加，钻头磨损增大，扭矩参数值将随着钻头的磨损而出现波动变化。

4 扭矩参数曲线的地质导向的应用

扭矩参数曲线的地质导向的应用，综合录井实践证明，相同条件下的钻井参数，录井的各项数据基本保持稳定，但随着地层岩性的变化各录井参数也随之改变。钻时表现最为明显，一般来说，砂岩与泥岩的接触中，钻时升高30%以上；泥岩与膏岩接触中，钻时降低30%左右；砂岩、泥页岩与煤接触中，钻时明显降低，且降低幅度较大。扭矩参数与地层岩性联系同样紧密。

5 结论与建议

扭矩作为判断钻头事故的主要参数，其某一点绝对数值的大少不能反应井下钻头的实际情况，但在某一时间段的相对变化才具有实际判别意义。在现场录井解释系统中，有些钻头事故不能单独依靠扭矩参数来判断，其要结合钻压、钻时、转速等参数和地层岩性变化情况进行综合分析、判别，将更有助于提高钻头事故预报准确率。在现场钻井中，影响井下钻头因素较多，判断钻头事故并非易事。本文章收集典型事例相对较少，对不同钻头事故的曲线特征进行描述，形成了一般的判别规律。在应用本结论判别现场钻头事故时还要结合实际工程情况和录井参数实时曲线进行综合判断。

参考文献：

[1]苏亚,杜晨红,孙以材.基于数据无线传输技术的扭矩传感器系统[j].仪表技术与传感器,2007,(05):59-60，67.

[2]高德亮,范振华.扭矩传感器原理及应用[j].科技传播,2012,(02):139，147.

[3]杨进,苏杰,张亮等.事故井打捞管柱扭矩分析及其应用[j].石油钻采工艺,2004,(01):33-34，83.

本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/f3dc620b844769eae009ed12.html