管具拉压力

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1、管具拉压力,目录,一、基本介绍 二、压力传感器 三、测量仪器及方法,一、基本介绍,在钻井工程中必须为破碎岩石的工具提供足够的轴向载荷，这种轴向压力可以来自液体压力，气体压力或者钻具的自重。因此力的检测在钻井工程中用得非常普遍，按力的性质可以分为测压力、测拉力和测应力，可用的测力方法也很多，大致分为以下几种： （1）通过测应变或位移来测力； （2）通过测量等效的液体或气体压力来测量力； （3）用压磁或者压电的方式来测量力； （4）通过测量加速度来测力。 实际工作中，往往是两种方法共同使用，通过转换的方法来测量。,钻杆是整个钻杆柱的关键和主要组成部分,由钻杆组成的钻杆柱在钻孔中承受着拉、压、弯、扭

2、等及其复杂的受力工况。包括由钻杆自重、卡埋钻、钻机给进压力引起的轴向拉、压力; 由钻机提供的扭矩,用于克服孔壁、冲洗液对钻杆回转的阻力,和钻头克取岩石的力;以及钻杆在离心力及轴向压力作用下产生的弯曲应力。 钻杆轴向力 处于悬挂状态下的钻柱，在自重作用下，由上到下均受拉力。最下端的拉力为零，井口处的拉力最大。在钻井液中钻柱将受到浮力的作用，浮力使钻柱受拉减小。起钻过程中，钻柱与井壁之间的摩擦力以及遇阻、遇卡，均会增大钻柱上的拉伸载荷。下钻时钻柱的承载情况与起钻时相反。循环系统在钻柱内及钻头水眼上所耗损的压力，也将使钻柱承受的拉力增大。钻铤以自重给钻头加钻压，造成钻柱下部处于压缩状态。 钻杆柱中和

3、点就是钻杆柱拉压应力的分界面,也称零点断面。,钻杆,套管是加固井壁,为油气生产提供通道的一种专用管材。套管包括几种类型,一般的油井通常下导管、表层套管、技术套管和生产套管等几层。生产套管的主要作用是将储集层中的油气从套管中采出来,并用来保护井壁,隔开各层流体,达到油气分层测试,分层采油、注水和分层改造的目的。因此,生产套管内是生产、各项作业频繁活动的直接场所,其损坏对生产影响最大。,套管,二、压力传感器,压磁式传感器的压磁力敏元件在受力时变形非常微小，故这种传感器十分牢固，超载能力强，不均匀载荷对测量精度影响小，能用于野外和井下恶劣的环境。同时它还具备输出信号强，抗干扰性能好等优点。与电阻应变

4、式传感器相比, 不需粘贴, 安装方法简单。但是，这种传感器线性度稍差，响应速度较慢。 工作原理 压磁效应：某些铁磁材料在机械力F的作用下，使材料的导磁率 发生变化，导磁率的变化导致材料的磁阻R改变，从而又引起铁芯线圈的电感L、阻抗Z或感应电势产生相应变化。材料受拉力时，在作用方向上导磁率提高，反之受压力时，则在作用方向上导磁率降低。 铁磁材料相对磁导率变化与应力 之间的关系如下： 为压磁材料在磁饱和时的应变；Bm为压磁材料的饱和感应强度。 此种压磁元件的应变和磁导率的相对变化近似成线性关系，相对灵敏度约为200。,压磁式压力传感器,压磁元件 压磁元件是由磁性材料构成产生压磁效应的元件, 目前主

5、要是采用正磁致伸缩特性硅钢片经粘叠而成, 如图1 所示,在硅钢片上加工有相互垂直的4 个孔, 在孔1、2 中绕有励磁用初级绕组W12, 孔3、4 间绕有测量用的次级绕组W34；孔1、2、3、4 把传感器分成A、B、C、D 四个部分, 见图1 ( a ),它们具有相同的磁导率。在没有外力作用的情况下, 当在励磁绕组W12中通电时, 则在线圈中产生磁场H。因为A、B 、C、 D各处磁导率相同 , 磁力线成轴对称分布, 合成磁场方向H 平行于测量线圈绕组W34的平面见图1 ( b), 在磁场作用下, 磁导体沿H 方向磁化, 磁通密度B 与H 取向相同, 这时测量绕组无磁通通过, 所以不会产生感应电势

6、。在有外力作用的情况下, 如果对传感器施加作用力F , 如图1( c )所示, 将在A、B 区产生很大的压应力。C、D 区基本处于自由状态。相对于磁致伸缩材料, A、B 偏向水平方向, 与测量绕阻W34交链, W34中将产生感应电势 。作用力F 越大, W34交链的磁通越多, 感应电势 也就越大。经过变换处理后, 就能通过电流或电压来表示被测力F 的大小。 弹性元件由弹簧钢制成, 弹性体两边形状是使力垂直作用于压磁元件上, 并且要求弹性体与压磁元件的接触面有一定的平面度和表面粗糙度, 并保证给压磁元件施加一定的预压力。这样, 弹性体基本不吸力, 从而保证在长期的应用过程中压磁元件的受力点作用位

7、置始终不会改变。,在油田钻井及高压注水过程中, 往往要在管柱上安装测力传感器, 以便了解钻头处钻压及管柱的轴向受力 。目前轴向力的测量大多采用电阻应变式传感器, 它是一种由弹性体、电阻应变片和惠斯登电桥3 个主要部分组成的传感器 。为了消除井下高温的影响, 常采用带有温度补偿功能的电阻应变传感器, 贴电阻片时需要考虑消除弯曲应力的影响。弹性体除了需要满足机械强度和刚度要求以外, 必须保证粘贴电阻应变片部位的弹性应变与弹性体承受的载荷保持严格的对应关系；同时, 为了提高测力传感器测力的灵敏度, 还应使贴片部位达到较高的应力水平。 电阻应变式传感器具有以下优点： 1. 结构简单，使用方便，性能稳定

8、、可靠； 2. 易于实现测试过程自动化合多点同步测量、远距离测量和遥测； 3. 灵敏度高，测量速度快，适合静态、动态测量。,电阻式应变压力传感器,电阻应变片的结构如图所示，一般由敏感栅(金属丝或箔)、基底、覆盖层、黏合剂、引出线等组成。敏感栅是转换元件，它把感受到的应变转换为电阻的变化；基底用来将弹性体的表面应变准确地传送到敏感栅上，并使敏感栅与弹性体之间相互绝缘；覆盖层用来保护敏感栅；黏合剂把敏感栅与基底粘贴在一起；引出线作为连接测量导线之用。常用电阻应变片有两大类：金属电阻应变片和半导体应变片。,应变片,电阻应变片,金属电阻应变片有丝式、箔式及薄膜式等结构形式。丝式应变片如图 (a)所示，

9、它是将金属丝短接后粘接剂粘贴在基底上而成。基底可分为纸基、胶基和纸浸胶基等。电阻丝两端焊有引出线，使用时只要将应变片贴于弹性体上就可构成应变式传感器。箔式应变片如图 (b)、(c)、(d)所示，它的敏感栅是通过光刻、腐蚀等工艺制成。箔栅厚度一般在0.0030.01mm之间。与丝式应变片相比其表面积大，散热性好，允许通过较大的电流。由于它的厚度薄，因此具有较好的可挠性，灵敏度系数较高。箔式应变片还可以根据需要制成任意形状，适合批量生产。,金属电阻应变片结构 1基底； 2敏感栅； 3引线 （a）金属丝短接式；（b）金属箔式；（c）用于扭矩测量；（d）用于流体压力测量,电阻应变式传感器由弹性敏感元件

10、与电阻应变片构成。弹性敏感元件在感受被测量时将产生变形，其表面产生应变。而粘贴在弹性敏感元件表面的电阻应变片将随着弹性敏感元件产生应变，因此电阻应变片的电阻值也产生相应的变化，这被称为电阻应变效应（对半导体应变片称为压阻效应）。这样，通过测量电阻应变片的电阻值变化，就可以确定被测量力的大小了。其中半导体应变片灵敏度比金属应变片要高几十甚至上百倍。 电阻应变效应 K0为电阻丝的应变灵敏度系数，它表示单位应变所引起的电阻值的相对变化。,电阻应变片的测量转换电路,电阻应变片的电阻变化范围很小，如果直接用欧姆表测量其电阻的变化将十分困难，且误差很大。通常采用电桥电路，将应变片微小的电阻变化转化为易测量

11、的电压或电流信号。通过电桥电路输出的信号既可用指示仪表直接测量，也可以通过放大器放大作进一步的信号处理。由于电桥测量电路简单，具有较高的精确度和灵敏度，能预调平衡，易消除温度及环境的影响，因此在测量系统中被广泛采用。 按照所采用的激励电源不同，电桥可分为直流电桥和交流电桥。直流电桥主要的优点是所需的高稳定度直流电源较易获得；电桥输出是直流量，可以用直流仪表测量，精度较高；对传感器至测量仪表的连接导线要求较低；电桥的预调平衡电路简单，仅需对纯电阻加以调整即可。但是零漂、温漂和地电位的影响较大。交流电桥采用交流激励电源，结合调制解调技术，能较好克服零漂和温漂的影响，但是其电路相对复杂。下面我们主要

12、介绍直流电桥的接法。,1.单臂电桥 如图所示，R1为测量应变片，其余为固定电阻。当R1的阻值变化R时，电桥输出电压为： 单臂电桥的灵敏度最低，因此在实际测量中很少采用。,电桥的连接方式,单臂电桥,2.差动半桥 差动半桥利用了相邻相减的特性，将2个相邻的应变片布置在受力变形相反的地方，形成电压差动方式。 如图所示，R1、R2为应变片，发生应变时，其R的变化是相反的，因此电桥输出电压为：,差动半桥 R1、R2测量片；R3、R4温度补偿片,3.差动全桥 差动全桥是使用最多的测量电路，有最高的测量灵敏度，而且自然地形成了温度补偿。如图所示，4个应变片都是测量片，R1、R3与R2、R4的应变相反。电桥输

13、出电压为：,差动全桥 R1、R2 、R3、R4测量片,电桥具有和差特性，即相邻桥臂的应变若极性相同（同为拉应变或压应变时），电桥的输出电压与两应变之差有关；若相邻桥臂应变的极性相反，则输出电压与两应变片之和有关。在实际测量中常利用和差特性，采用半桥或者全桥接法，有选择地安排在受拉和受压区，以增大输出电压，同时还可以消除因力不延柱体轴线所造成的横向力和扭矩。 如全桥接法时，输出电压可写作：,柱式应变压力传感器 在钻井过程中经常会遇到测较大的轴向压力的情况，这时通常选用柱式应变压力传感器。 在实际测量中，力不可能正好沿着柱体的轴线作用，而总是与轴线之间成一微小的角度或微小的偏心，这就使弹性柱体除受

14、纵向力作用外，还受到横向力和弯矩的作用，从而影响测量精度，为了消除横向力的影响，常采用承膜片结构。它是在传感器刚性外壳上端加一片或两片极薄的膜片传至外壳和底座。在垂直于膜片平面方向上，其刚度很小，沿柱体轴向的变形正比于被测力。,柱式力传感器原理图,考虑到圆筒金属材料容易找，且受力合理，弹性元件采用空心柱式，贴八个应变计，贴在圆筒中部四等分圆周上，其中有四个轴向片和四个横向片，选取应变片粘贴位置时，要把应变片中的四片粘贴在最大正应变处，另四片放在负的最大应变处，这样可获得最大的灵敏度，圆柱体轴向就是最大正应变处，圆柱体的环向即为最大负应变处，故应变片贴在圆筒中部四等分圆周上，贴片位置如图所示，接

15、入串联全桥电路，,三、测量仪器及方法,井下测试短节是井下管柱状态检测系统的核心部分, 安装在管柱的被测端, 随管柱一起下人井中。工作过程中, 短节的测试模块根据参数设置, 智能化检测和记录管柱的轴向拉压力、蠕动及周围液体的压力、温度等参数。 井下测试短节的机械部分是井下管柱状态检测系统的壳体构架,主要由应变筒(敏感元件) 和外筒2个关键零件组成。应变筒和外筒之间有一个密封的环形空间, 用以放置电子元件、电池并保护应变筒上的应变片, 使其与井下液体隔开为传感器及电路提供包容空间。因此, 其结构及强度设计得是否合理, 关系到检测系统的安全和测量稳定性。井下测试短节作为整个管柱的组成部分, 必须在高

16、温高压环境中保持足够的强度和抗腐蚀性。,井下测试短节,由于液体压力在内外筒截面变化处产生附加的拉压力测量拉压力的应变片贴片区域应远离内外筒的相互作用区域, 以减小附加拉压力的影响, 同时也有利于消除内外筒装配应力对应变片的影响。所以, 轴向拉压力测试筒设计在短节端部比较合理。应变片贴到测力筒的特定对称受力区域, 实现对井下管柱轴向拉压力的测量。,工作原理 测量应力时必须考虑高阶弹性常数对金属传播的声波即横波的影响.当初始的各向同性材料承受任何应力时, 材料变为各向异性, 受材料中超声波速度的影响, 各向同性材料的不变值转变为可变值.为了分析应力状态, 采用两横波垂直于应力轴传播的方式, 当物体承受单向拉应力时, 物体即产生各向异性.声速随应力变化的关系式为 式中:V 为声速的增量, Vso为无应力时套管中的声速, 为套管应力, 为各项同性材料中的二阶弹性常数, n 为各项同性材料中的三阶弹性常数,超声波法测量套管应力,超声波检测实验装置,由于需要在管内测量, 特加工圆弧形探头以便与套管耦合。将探头(换能器)放在套管内壁, 向外发射声波。