應(yīng)變式井下工程參數(shù)測(cè)量傳感器組橋與布片研究

胡 澤 肖宇恒 葛 亮 張 韜

(西南石油大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川 成都 610500)

0 引言

為適應(yīng)現(xiàn)代油氣勘探開發(fā)需求，復(fù)雜結(jié)構(gòu)井已經(jīng)成為當(dāng)前國際石油工業(yè)的研究前沿［1］。與此同時(shí)，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)能夠成功實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向的關(guān)鍵技術(shù)之一就是要能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量出近鉆頭處的鉆井參數(shù)［2］。

應(yīng)變式井下工程參數(shù)測(cè)量傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)測(cè)量鉆壓、扭矩和鉆頭側(cè)向力等參數(shù)，從而為現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員提供實(shí)時(shí)掌握井下鉆壓、扭矩和鉆頭側(cè)向力的手段。該傳感器采用鎳鉻鋁合金制作的金屬箔式應(yīng)變片，具有抗高溫、抗蠕變、耐腐蝕等特點(diǎn)，能夠適應(yīng)井下惡劣環(huán)境［3］，從而為分析井下鉆頭的實(shí)際工作情況提供了非常直觀的手段。該傳感器可以減少和消除井下復(fù)雜事故，縮短鉆井時(shí)間，提高鉆井速度［4］。

1 應(yīng)變式傳感器設(shè)計(jì)

基于應(yīng)變式傳感器的作用機(jī)理變片，將彈性體的形變轉(zhuǎn)化為應(yīng)變片的形變［5］。本文設(shè)計(jì)的傳感器是在鉆柱上加入一節(jié)測(cè)量主軸作為彈性體，在測(cè)量主軸上進(jìn)行應(yīng)變片的布片組橋。

布片組及測(cè)試點(diǎn)位置示意圖如圖1所示。

圖1 布片組及測(cè)試點(diǎn)位置示意圖Fig.1 Schematic of arranging group and measuring point location

該測(cè)試共有16個(gè)測(cè)試點(diǎn)，每組測(cè)量電橋使用4個(gè)測(cè)試點(diǎn)，分別放置在圓周上且相互間隔90°。每個(gè)測(cè)試點(diǎn)分別貼有2枚應(yīng)變片，即每組測(cè)量電橋包含8枚應(yīng)變片，4組電橋總共有32枚應(yīng)變片。這32枚應(yīng)變片屬于同一批次，靈敏系數(shù)為 2.4 ～2.6、電阻系數(shù)為1.24 ～1.42 Ω·mm2/m、電阻溫度系數(shù)為 ±20 ×10－6℃。4 組電橋分別是鉆壓測(cè)量電橋、扭矩測(cè)量電橋和側(cè)向力測(cè)量所需的兩組電橋。測(cè)量所用的惠斯通電橋如圖2所示。

圖2 惠斯通電橋Fig.2 The Wheatstone bridge

采用全橋電壓橋路進(jìn)行測(cè)量［6］，2枚應(yīng)變片組成一個(gè)電橋臂。與4枚應(yīng)變片的電橋相比，8枚應(yīng)變片的電橋不但提高了靈敏度和輸出電壓，而且也有利于優(yōu)化傳感器的性能。

式中:Uo為輸出電壓;K為靈敏度系數(shù);E為輸入電壓;εRx為應(yīng)變片 Rx產(chǎn)生的應(yīng)變量(x=1，2，3，4)。

2 測(cè)量電橋的設(shè)計(jì)

由于在同一個(gè)主軸上要同時(shí)測(cè)量鉆壓、扭矩、鉆頭所受側(cè)向力形成的彎曲力矩，為了減小各測(cè)量參數(shù)之間的耦合影響以及溫度對(duì)電橋輸出的影響，提高應(yīng)變式傳感器的精度、靈敏度和性能，需要合理地設(shè)計(jì)測(cè)量電橋，科學(xué)地進(jìn)行布片和組橋［7］。4組測(cè)量布片組的布片方式和4組測(cè)量電橋的組橋方式分別如圖3和圖4所示。

圖3 四組測(cè)量布片組的布片方式Fig.3 Arranging mode of four groups of measuring arrangement

圖4 四組測(cè)量電橋的組橋方式Fig.4 Bridging mode of four groups of measuring bridges

3 測(cè)量電橋與應(yīng)變片輸出分析

在同一彈性體上同時(shí)測(cè)量鉆壓、扭矩、鉆頭側(cè)向力，其最主要的問題是如何消除各測(cè)量參數(shù)之間的耦合影響，圖3(d)與圖4(d)給出的布片與組橋方式在理論上能夠消除這種耦合影響，并能夠提供很好的溫度補(bǔ)償。下面以扭矩測(cè)量電橋?yàn)槔?，分析本設(shè)計(jì)如何通過布片和組橋方式來消除這些影響。扭矩的測(cè)量實(shí)際上就是對(duì)測(cè)量主軸所受的剪應(yīng)力進(jìn)行測(cè)量，將應(yīng)變片貼在測(cè)量主軸上，作為敏感元件來測(cè)量剪應(yīng)力，從而達(dá)到測(cè)量扭矩的目的。

為了減小鉆壓、側(cè)向力，并進(jìn)行溫度補(bǔ)償。扭矩測(cè)量電橋的8枚應(yīng)變片分為4組，每組相隔90°貼在垂直于軸線的圓周上。每組中的一枚應(yīng)變片與軸線成45°夾角;另一枚與軸線成－45°夾角。假設(shè)溫度對(duì)每枚應(yīng)變片產(chǎn)生的應(yīng)變量為εT，當(dāng)鉆壓作用于測(cè)量主軸時(shí)，8枚應(yīng)變片的應(yīng)變量大小相等、方向相同，設(shè)為εp;當(dāng)扭矩作用于測(cè)量主軸時(shí)，與主軸軸線成45°夾角的應(yīng)變片與主軸軸線成－45°夾角的應(yīng)變片產(chǎn)生的應(yīng)變量大小相等、方向相反。取與主軸軸線成45°夾角的應(yīng)變片產(chǎn)生的應(yīng)變量大小為εM，當(dāng)側(cè)向力作用于測(cè)量主軸時(shí)，圓周0°上的兩枚應(yīng)變片與圓周180°上的兩枚應(yīng)變片產(chǎn)生的應(yīng)變量大小相等、方向相反。取圓周0°上的兩枚應(yīng)變片產(chǎn)生的應(yīng)變量為εWx，圓周90°上的兩枚應(yīng)變片與圓周270°上的兩枚應(yīng)變片產(chǎn)生的應(yīng)變量大小相等、方向相反，取圓周90°上的兩枚應(yīng)變片產(chǎn)生的應(yīng)變量為εWy。當(dāng)扭矩、鉆壓、側(cè)向力和溫度同時(shí)影響扭矩測(cè)量電橋時(shí)，下式成立。

將式(2)代入式(1)，假設(shè)電橋負(fù)載遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電橋內(nèi)阻，忽略調(diào)零電阻的影響，便可得到扭矩測(cè)量電橋的輸出為:

同理可以得到鉆壓測(cè)量電橋的輸出為:

側(cè)向力Wx測(cè)量電橋的輸出為:

側(cè)向力Wy測(cè)量電橋的輸出:

式中:εWxA、εWxB、εWyA、εWyB為鉆頭側(cè)向力使主軸產(chǎn)生的彎曲形變導(dǎo)致應(yīng)變片產(chǎn)生的應(yīng)變量。

當(dāng)側(cè)向力作用時(shí)，它們具有如下關(guān)系:

式(5)和式(6)表示的電橋輸出都包含了測(cè)量主軸上A、B兩處由側(cè)向力引起的彎曲應(yīng)變量，而不是針對(duì)某一處，但是這并不影響側(cè)向力的測(cè)量。以Uox為例，測(cè)量主軸上總存在一點(diǎn)處于AB兩點(diǎn)連線上，且在這點(diǎn)上因側(cè)向力而產(chǎn)生的彎曲應(yīng)變量= θ(+)，同理，θ、β為未知的常系數(shù)，那么側(cè)向力測(cè)量電橋的輸出表達(dá)式為:

在已知兩個(gè)相互垂直的分力的情況下，利用力的合成便可得到鉆頭所受的側(cè)向力。需要說明的是，式(2)～式(8)的推導(dǎo)在忽略應(yīng)變片橫向效應(yīng)的前提下才成立。

4 應(yīng)變式傳感器的制作與標(biāo)定

通過分析式(3)、式(4)和式(8)的結(jié)果可知，在適當(dāng)?shù)募僭O(shè)條件下，在同一個(gè)測(cè)量軸上實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆壓、扭矩、鉆頭側(cè)向力的測(cè)量，并抵消非測(cè)量參數(shù)引起的應(yīng)變量，消除不同測(cè)量參數(shù)之間的耦合，這在理論上是可行的。但是要充分地反映布片組橋效果，使設(shè)計(jì)的傳感器性能在應(yīng)用時(shí)達(dá)到最優(yōu)，還必須在制作和標(biāo)定時(shí)注意以下問題。

①由于各測(cè)量電橋的解耦合很大程度依賴于應(yīng)變片粘貼的幾何位置，所以在粘貼時(shí)應(yīng)保證同組測(cè)量電橋的應(yīng)變片準(zhǔn)確無誤地處于同一界面，并且應(yīng)變片與主軸的夾角要盡量準(zhǔn)確。在應(yīng)變片和主軸上準(zhǔn)確地布畫柵格線可以有效解決此問題［8－9］。

②粘貼后的應(yīng)變片要用放大鏡仔細(xì)檢查，確保方位角準(zhǔn)確，應(yīng)變片與主軸間無氣泡，檢查完畢后用夾具固定，并讓其在室溫中自然干燥24 h，然后用紅外線燈進(jìn)行烘烤，但溫度應(yīng)控制在40～80℃。若一開始就烘烤，則應(yīng)變片敏感柵材料的電阻系數(shù)將會(huì)隨溫度的驟然變化而改變［10－13］。

③在標(biāo)定過程中，為減小應(yīng)變式傳感器的機(jī)械滯后效應(yīng)，應(yīng)在對(duì)傳感器進(jìn)行3次以上的加載和卸載后，才記錄標(biāo)定數(shù)據(jù)。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了能同時(shí)測(cè)量鉆壓、扭矩和鉆頭側(cè)向力的應(yīng)變式傳感器。該傳感器能很好地抵消溫度對(duì)被測(cè)參數(shù)的影響，較好地降低各測(cè)量參數(shù)之間的耦合影響;同時(shí)，其靈敏度和量程也滿足隨鉆測(cè)量的要求;采用耐高溫、耐腐蝕和抗蠕變的鎳鉻鋁合金箔式應(yīng)變片設(shè)計(jì)的傳感器對(duì)井下環(huán)境有很強(qiáng)的適應(yīng)能力?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，該傳感器能夠成功獲得井下鉆井工程參數(shù)，并很好地滿足井下工況對(duì)傳感器的要求。

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