[发明专利]旋转模拟底部钻柱的动态力多参数测量系统

说明书

技术领域

本发明属于钻柱动力学检测技术领域，特别涉及到虚拟仪器多线程信号检测方法和动 态力多参数测量的系统设计，用于模拟底部钻柱旋转过程中近钻头处轴向力、侧向力、扭 矩和距钻头不同高度处底部钻柱的侧向力，以及转速的多参数测量。

背景技术

钻柱力学特性研究是现代钻井工程理论和技术的重要组成部分。在随钻测井过程中， 底部钻具在充满钻井液的狭长井眼里工作，存在纵向振动、横向振动、扭转振动，以及各 种振动耦合，其运动状态和动力学特性反映了井眼轨迹与钻柱疲劳失效规律，因此获取底 部钻具近钻头处的动态力参数有助于系统建立底部钻具组合(Bottom-Hole Assembly，简 称BHA)的动力学模型、掌握BHA的防斜打直机理。

目前一些机构主要研制井下测试短节(也称工具短节)，通过现场测试直接获取井下 底部钻具受力和振动特性的相关数据。由于侧向力对于了解地层特性及预测定向钻井的井 眼轨迹是非常重要的，专利US4324297和US4445578分别设计了测量弯矩、剪切力的测 试短节结构，由检测的测量数据推导侧向力；专利US4811597设计了测量轴向力和扭矩 的测试短节结构，以补偿温度梯度和测试短节内孔与环孔之间差压的影响，但这些有限参 数不能充分反映底部钻具的运动特性。专利US4662458和US4958517提出在测试短节上 布置应变片以实现底部钻具的轴向力、扭矩、剪切力及弯矩等参数的测量，且专利 US4662458在此基础上提出利用传输电缆或泥浆脉冲等方式将原始数据由井下测试器上 传至地面处理器，以进行后续处理和模型计算。但传输电缆长时间工作在井下腐蚀性液体 内易受侵蚀，且在随钻过程中存在磨损的风险，而目前可商用的泥浆脉冲传输速率很低， 一般仅为10bit/s，其信噪比更受钻井液和现场噪声的严重影响。为提高井下参数的传输速 率，专利US 2006290528提出一种通过在每节钻杆内穿入电缆和在管接头处进行线圈耦合 的高速钻杆遥测方式以实现高速传输，但这种方式需要改变现有钻杆结构，且某节钻杆连 接部分出现的意外问题会影响整个信道的可靠传输。

这样，由地面测量分析底部钻具的井下动力学特性的研究逐渐成为研究热点之一。 1996年Mabile等人通过安装在轮盘上部的测试短节在地面对旋转钻柱顶端承受的扭矩及 转速进行测量，并结合建立的钻柱动态模型估算钻转速以分析井钻柱的异常振动特性(参 见：Mabile，C.，Desplans，J P，Pavone D.New way of using surface measurements to detect down hole vibrationsp[C]//Proceedings of the European Petroleum Conference.1996，2： 97-104.)。2001年Macpherson等人分别在钻头上部和轮盘上部的测试短节内安装传感器 进行钻压、扭矩、弯矩及振动加速度等参数的井下与地面测量，结合建立的钻柱动态模型 由地面测量结果估算底部钻具动态特性，并与井下测量方法进行比较分析(参见： Macpherson J D，Jogi P N，Kingman J E E.Application and analysis of simultaneous near bit and surface dynamic measurements[J].SPE Drilling and Completion，2001，16(4)：230-238.)。 井下参数的地面测量方法无需考虑井下测试短节的现场各种复杂条件，结构设计相对简 单、现场安装方便，但该方法需要对现场测试的边界条件建立准确合适的钻柱动态模型， 但现场测试要求模型简单有效，避免复杂运算影响钻柱动态特性的实时评估，这也是当前 正在研究解决的重点与难点。