利用钻柱形变实现气体钻井近钻扭矩监测

王旭东 陈一健 夏文鹤 杨 峰 简 旭

(1. 中石化西南石油工程有限公司钻井工程研究院， 四川 德阳 618000; 2. 西南石油大学石油与天然气工程学院，成都 610000)

利用钻柱形变实现气体钻井近钻扭矩监测

王旭东1陈一健2夏文鹤2杨 峰1简 旭2

(1. 中石化西南石油工程有限公司钻井工程研究院， 四川 德阳 618000; 2. 西南石油大学石油与天然气工程学院，成都 610000)

在气体钻井过程中，需要实时获取近钻扭矩的变化情况，以判断是否出现了卡钻、井壁垮塌等危险工况。目前钻柱扭矩信息的主要获取方式是地面测量和近钻测量，两种方式均有局限性。为此设计了针对钻柱形变所产生扭转角进行测量的方法，并推导出转角与近钻扭矩的关系式，通过室内试验验证了转角法测量近钻扭矩的可行性。

钻柱形变； 气体钻井； 钻杆扭转角； 近钻扭矩监测

在气体钻井施工中，为了及时了解开采过程中的井下工作状况，需要实时获取钻柱扭矩变化状况，以判断是否发生了卡钻、井壁垮塌等危险工况。目前，钻井过程中多在地面上获取钻柱扭矩信息，应用扭矩传感器在地面上指导施工[1-3]。这种方法存在以下问题：(1) 在钻井过程中，钻柱通常长达千米，很容易受井下环境和地面机械状况的干扰，所测扭矩绝对值不够准确，从而导致扭矩地面计算结果和近钻实际扭矩值有较大偏差，较难判断钻柱扭转振动的强烈程度。(2) 稳定的高扭矩有利于提高钻速，但该钻进方式对扭矩监测的时效性、精确性有较高要求。尤其是在深井、超深井钻井中，近钻扭矩变化传递到地面，并引起地面检测装置视值发生明显变化，这一过程所耗时间较长；因此，很难在地面上实现近钻扭矩变化的实时监测，遇到事故时无法及时采取相应措施。

近钻扭矩测量多采用钻铤上贴应变片的方式[4-13]。钻铤的强度大而应变非常小，因此对应变测试仪器的灵敏度、放大倍数显示以及供电系统的安全性都有非常高的要求。但是，井下空间小，工况恶劣，测试仪器很难同时满足以上较高要求，难以准确获取井下近钻扭矩。虽然钻杆受力产生的应变比钻铤大，但是由于钻杆的强度低，在钻杆上开槽贴测试传感器可能会降低钻杆的强度，导致钻杆断裂，影响钻井安全，因此该方法不能采用。基于上述方法的不足，设计了一种利用多根钻杆形成的扭转角测量气体钻井近钻扭矩的方法。该方法原理可靠，结构简单，便于操作，可以解决气体钻井近钻扭矩测量难题。

1 转角法近钻扭矩监测系统设计

为了能够通过多根钻杆形成的扭转角来测量近钻扭矩，设计了近钻钻具组合：数根钻铤+无磁钻铤+若干根钻杆+无磁钻铤。无磁钻铤中各安装1套角度测试仪，2套角度测试仪中心轴线与钻铤轴线垂直，离钻头的距离分别为x1、x2，间距dx=x1-x2。

在钻柱旋转下钻过程中，钻铤轴线竖直向下，则角度测试仪基本保持在水平面周向运动，可在角度测试仪内安装地磁传感器作为转角监测元件，以监测角度测试仪所指向的方位角度 (见图1)。角度测试仪和气体钻井井下微波传输中继器连接，将各自监测的方位值、实时上传至地面接收机[14-15](见图2)。虽然2套角度测试仪所指向的方位角度在不断地发生周期性变化，但是由于钻杆未受扭力作用，未发生周向的形变，则2套角度测试仪所指方位的角度差保持不变，视为角度差的基本值。在钻井过程中，近钻钻具组合中的若干钻杆受到扭力作用，在扭力作用下钻杆发生周向的形变，则2套角度测试仪指向方位角度差会不断发生变化。

无磁钻铤之间钻杆数量应满足以下要求：能产生足够的周向形变，以保证角度测试仪能检测出角度差值的变化；但同时应保证钻杆中心轴不会产生明显的弯曲，使得测试精度大幅降低。若钻柱处于小幅度倾斜，不会对测试结果有较大影响；若钻柱处于近似水平状态，则可将地磁传感器更换为三轴重力加速度传感器，监测钻杆的横滚角，仍然可以获取2套角度测试仪的横滚角度差。

1 — 无磁钻铤；2 — 角度测试仪；3 — 若干根钻杆；4 — 若干根钻铤； 7 — 微波传输中继器；11 — 近钻具组合。

图1 近钻具组合结构图

1 — 无磁钻铤；3 — 若干根钻杆；4 — 若干根钻铤；5 — 钻头；6 — 地磁场；7 — 微波传输中继器；8 — 地面接收机；9 — 上部钻柱；10 — 井筒；11 — 近钻具组合。

图2 整体系统示意图

2 转角法测量扭矩原理

根据材料力学圆轴扭转的平面假设可知，钻柱扭转变形前、后横截面仍为平面、半径仍为直线，且相邻两横截面间的距离不变，钻柱圆轴的横截面就像刚性平面一样，绕轴向旋转了一个角度。根据变形后横截面仍为平面、半径仍为直线的假设，可以求得距圆心ρ处的切应变γρ：

(1)

式中：ρ—— 距离圆心距离；

dφ—— 旋转角度；

dx—— 两平面间距离；

根据剪切胡克定律知

τρ=Gγρ

(2)

式中：τρ—— 切应力；

G—— 弹性模量；

将式(1)代入式(2)得

(3)

横截面上的扭矩

(4)

式中：dA—— 横截面积；

将式(3)代入式(4)得

(5)

根据图1的设计，公式中dφ为未知量。如果视钻杆旋转下钻过程中的φB为2个角度测试仪角度差的基本值，则dφ=φr-φB为钻进过程中钻杆受扭力作用后，2套角度测试仪轴线所在横截面在周向上的形变角度，代入式(5)，就可以推导出钻杆受到的扭矩大小。在近似水平井段采用横滚角法来测量近钻扭矩，具有相同结果。

3 室内实验

无论是采用地磁法还是横滚角法，其测量原理是一致的，都是通过测量钻柱受扭力作用下与不受扭力作用下2个被测面视扭转角度差的变化，然后通过扭矩公式计算钻杆受到的扭矩大小。根据该测量原理并基于实验室的实验条件，设计了适用于垂直井段测试钻杆扭矩的实验模型(见图3)和实验装置。将钢管垂直固定在长方形的平面底座上，平面底座的两端由两个略高于管道的支架组成，每个支架的顶端固定着一个定滑轮，其中滑轮的滑动部分上表面与固定在管道上方的扭臂处于同一水平高度。在扭臂两端分别连线接着一个托盘，并通过滑轮的传动。当托盘内增加砝码时，砝码的重力将带动扭臂的旋转给钢管施加一个扭矩的作用。钢管下部固定，方位固定，因此只需在钢管顶部，安装方位传感器监测方位角的变化。实验装置的扭臂长为1 m，扭转段长80 cm，外径63.0 mm，壁厚1 mm，杨氏模量E为210 GPa，泊松比μ=0.3，取重力加速度为9.8 Nkg。

图3 转角法测扭矩实验模型图

在实验开始之前钢管未受扭矩作用时，先记录下方位传感器指向的方位值，以此为基准(φB=7.4°)；然后记录钢管受扭矩作用引起的相对方位角变化后的角度差φr，视dφ=φr-φB，dφ为模型受扭力作用后2套角度测试仪轴线所在横截面A在周向上的形变角度。根据式(6)：

(6)

在钢管材料参数、结构参数确定的情况下，方位角差值的变化值与钢管受到的扭矩成线性关系。施加不同的扭矩后，得到表1所示数据。实验所测数据与理论计算值相差不大，误差主要原因是仪器精度不够和计算参数不准确。

表1 扭矩测量数据(转角法)

根据最小二乘法，扭矩T与方位角角度差的变化值dφ的关系式为：dφ= 0.010 2T。扭矩测量拟合曲线如图4所示。

4 结 语

(1) 与其他测量扭矩的方法相比，在井下近钻头区域采用转角法测量的近钻扭矩值更准确，更能反映近钻区域钻柱的扭矩。

(2) 设计的近钻具组合可以实时测量扭矩，有利于及时采取正确的钻井施工方案，消除重大事故隐患。

图4 扭矩测量拟合曲线(转角法)

(3) 通过上述理论和试验验证了近钻具组合的可行性，但还需进行现场试验，以确定是否可以满足现场需求。

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Study on Measurement of the Near-Bit Torque in Gas Drilling Based on the Deformation of Drill String

WANGXudong1CHENYijian2XIAWenhe2YANGFeng1JIANXu2

(1.Sinopec Drilling Engineering Research Insitiute of Southwest Petroleum Engineering Company Ltd., Deyang Sichuan 618000, China; 2.College of Petroleum and Gas Engineering, Southwest Petroleum University, Chengdu 610000, China)

In order to judge whether in the downhole pipe-sticking, borehole wall collapse or other dangerous work conditions happen, it is necessary to real-time monitor the change of drill string torque during gas drilling. Meanwhile, it can save time for deciding the accurate construction measurement and decrease potential accidents. Two approaches, surface-detecting and downhole-detecting, are dominated in examining the torque of the BHA in contemporary field application, but both of them have limitations. Therefore, the method of measuring torsional angle of the drill string was designed and the relation of the corner and the near-bit torque were deduced. The laboratory experiments verify the feasibility of using the corner method to measure the near-bit torque.

drill string deformation; gas drilling; torsional angle of the drill string; the near-bit torque monitoring

2017-03-28

中国石油化工集团公司科研项目“微波传输随钻测控技术深化研究”(JP14051)

王旭东(1983 — )，男，硕士，工程师，研究方向为定向井工艺技术与优快钻井技术。

TE927

A

1673-1980(2017)04-0047-03