[发明专利]一种井下钻压和扭矩测量的方法

权利要求书

1.一种井下钻压和扭矩测量的方法，其特征在于：包括钻压随钻测量和扭矩随钻测量；

所述钻压随钻测量包括以下步骤：

S1、在井下工程参数随钻测量仪测试主轴外侧的同一横截面上，沿周向均匀间隔90°的4个位置上分别安装电阻应变片R₁、R₃、R₅、R₇，以作为轴向应变测量桥臂，同时确保R₁与R₅成对、R₃与R₇成对；在井下工程参数随钻测量仪测试主轴外侧的同一横截面上，在紧邻电阻应变片R₁、R₃、R₅、R₇的下面，且沿测试主轴的周向均匀间隔90°的4个位置上分别安装电阻应变片R₂、R₄、R₆、R₈，以作为横向补偿应变片；

S2、在井下工程参数随钻测量仪测试主轴上粘贴电阻应变片R₁、R₃、R₅、R₇、R₂、R₄、R₆和R₈，粘贴电阻应变片的步骤包括：选择电阻应变片→选择胶粘剂→打磨应变片粘贴表面→清洗应变片粘贴表面→表面画线定位→应变片清洗→涂敷底胶→应变片粘贴→夹具压板加压→加热固化→贴片质量检查，若质量合格即完成电阻应变片的粘贴；

S3、组桥方案连接引线：按照组桥方案连接引线，组桥时采用稳压电源供电、采用高精度八位半数字万用表测量电桥的平衡性，若不平衡采用康铜丝对电桥进行预调平衡；

S4、在调整平衡后、连接好后的八应变片全桥电路的基础上，对各电阻应变片进行防潮处理，防潮处理应根据试验的要求和环境涂覆不同的防潮材料，防潮剂采用703、704硅胶；

S5、进行钻压测量：八应变片全桥电路的4个桥臂分别为R₁₅、R₂₆、R₃₇、R₄₈，其中R₁₅、R₃₇为相对桥臂，当钻压外力作用在测试主轴上时，各测点处电阻应变片随测试主轴一起变形，变形后引起应变片变形，应变片电阻发生变化，使得电桥输出信号发生变化，从而测量钻井工况下的测试主轴轴向变形，通过应力应变关系知测试主轴所受钻压值，钻压值与指示应变的关系为：

式中：WOB为钻压，N；σ为测试主轴粘贴应变片截面轴向应力，Pa；A为测试主轴粘贴应变片截面面积，m²；E为弹性元件的弹性模量，Pa；ε为真实应变，无因次；μ为材料的泊松系数，无因次；ε_du为指示应变，无因次；D为测试主轴外径，m；d为测试主轴内径，m；

在发生变形前，全部电阻应变片的电阻均为R，即：

R₁＝R₂＝R₃＝R₄＝R₅＝R₆＝R₇＝R₈＝R

发生变形后，各电阻应变片的阻值发生变化，得各应变片阻值，即：

各电阻应变片所组成的桥臂R₁₅、R₂₆、R₃₇、R₄₈阻值变化情况为：

而各个电阻的指示应变值分别为：

则各个桥臂的指示应变值分别为：

根据电阻应变计灵敏系数的定义，电阻应变计灵敏系数K为：

各应变片组成的四个桥臂自身电阻阻值的相对变化与应变之间的关系为：

根据全桥接法电桥的输出特性，得钻压测量桥的输出信号：

U_s+-为检测到的电压差，U_p+-为电源电压；

因此，指示应变ε_du＝2(1+μ)ε_P，电桥的桥臂系数为k＝2(1+μ)；注意，电桥输出正负是相对的，若将信号输出线正负极反接，则电桥输出为正，在电路设计中根据需求接线；不难看出：利用电阻应变片粘贴方式对被测量敏感的特性，消除了轴向载荷测量中弯矩、扭矩的影响；消除了温度对电桥输出的影响，电桥能够实现温度自补偿；

由材料力学知，空心圆轴承受轴向钻压载荷时，将产生轴向变形，此时轴向应力为：

测量得到的指示应变与测试主轴真实应变之间关系为：

ε_du＝kε_P＝2(1+μ)ε_P

根据轴向拉或压的应力应变关系σ＝Eε，从而得测试主轴上钻压的计算公式为：

所述扭矩随钻测量包括以下步骤：

S1、在井下工程参数随钻测量仪测试主轴外侧的同一横截面上，且沿周向均匀间隔90°的4个位置上分别安装2个应变片，即使电阻应变片R₂、R₄、R₆、R₈均与母线呈45°安装，电阻应变片R₁、R₃、R₅、R₇均与母线呈135°或-45°安装；

S2、在井下工程参数随钻测量仪测试主轴上粘贴电阻应变片R₁、R₃、R₅、R₇、R₂、R₄、R₆和R₈，粘贴电阻应变片的步骤包括：选择电阻应变片→选择胶粘剂→打磨应变片粘贴表面→清洗应变片粘贴表面→表面画线定位→应变片清洗→涂敷底胶→应变片粘贴→夹具压板加压→加热固化→贴片质量检查，若质量合格即完成电阻应变片的粘贴；

S3、组桥方案连接引线：按照组桥方案连接引线，组桥时采用稳压电源供电、采用高精度八位半数字万用表测量电桥的平衡性，若不平衡采用康铜丝对电桥进行预调平衡；

S4、在调整平衡后、连接好后的八应变片全桥电路的基础上，对各电阻应变片进行防潮处理，防潮处理应根据试验的要求和环境涂覆不同的防潮材料，防潮剂采用703、704硅胶；

S5、进行扭矩测量：八应变片全桥电路的4个桥臂分别为R₁₅、R₂₆、R₃₇、R₄₈，其中R₁₅、R₃₇为相对桥臂，当扭矩载荷作用在测试主轴上时，各测点处电阻应变片随测试主轴一起变形，变形后引起应变片变形，电阻应变片的电阻发生变化，使得电桥输出信号发生变化，从而测量钻井工况下的测试主轴扭转变形，通过应力应变关系知测试主轴所受扭矩值，扭矩值与指示应变的关系为：

式中：TOB为扭矩，N·m；W_T为粘贴应变片截面截面模量，m³；τ_max为截面剪切应力，Pa；ε₁为真实应变，无因次；E为弹性元件的弹性模量，Pa；μ为材料的泊松系数，无因次；ε_du为指示应变，无因次；D为测试主轴外径，m；d为测试主轴内径，m；

发生变形前，全部电阻应变片的电阻均为R，即：

R₁＝R₂＝R₃＝R₄＝R₅＝R₆＝R₇＝R₈＝R

发生变形后，各电阻应变片的阻值发生变化，得各应变片阻值，即：

各电阻应变片所组成的桥臂R₁₅、R₂₆、R₃₇、R₄₈阻值变化情况为：

而各个电阻的指示应变值分别为：

则各个桥臂的指示应变值分别为：

根据电阻应变计灵敏系数的定义，电阻应变计灵敏系数K为：

各应变片组成的四个桥臂自身电阻阻值的相对变化与应变之间的关系为：

根据全桥接法电桥的输出特性，得扭矩测量桥的输出信号：

因此，指示应变ε_du＝4ε_T，电桥的桥臂系数为k＝4；由此不难看出：利用电阻应变片粘贴方式对被测量敏感的特性，消除了扭矩测量中弯矩、轴向载荷的影响；消除了温度对电桥输出的影响，电桥能够实现温度自补偿；

空心圆轴受扭矩时，沿着表面与母线成45°角的方向上产生最大应力σ₁＝-σ₂，相应的应变为ε₁＝-ε₂，其大小与圆环截面上的最大剪切应力τ_max相等，所述圆环截面上的最大剪切应力τ_max与扭矩有如下关系：

式中：TOB为扭矩；W_T为测试主轴的截面抗扭模量；D为测试主轴外径，m；d为测试主轴内径，m；由于，最大主应力σ₁＝τ_max，因此，根据双向应力状态的胡克定律有：

测量得到的指示应变与测试主轴真实应变之间关系为：

ε_du＝kε₁＝4ε_T

故，测试主轴上扭矩值为：