應變式井下工程參數測量傳感器組橋與布片研究

胡 澤 肖宇恒 葛 亮 張 韜

(西南石油大學電氣信息學院，四川 成都 610500)

0 引言

為適應現代油氣勘探開發需求，復雜結構井已經成為當前國際石油工業的研究前沿［1］。與此同時，旋轉導向鉆井技術應運而生。旋轉導向鉆井技術能夠成功實現旋轉導向的關鍵技術之一就是要能夠實時測量出近鉆頭處的鉆井參數［2］。

應變式井下工程參數測量傳感器能夠實現測量鉆壓、扭矩和鉆頭側向力等參數，從而為現場技術人員提供實時掌握井下鉆壓、扭矩和鉆頭側向力的手段。該傳感器采用鎳鉻鋁合金制作的金屬箔式應變片，具有抗高溫、抗蠕變、耐腐蝕等特點，能夠適應井下惡劣環境［3］，從而為分析井下鉆頭的實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雜事故，縮短鉆井時間，提高鉆井速度［4］。

1 應變式傳感器設計

基于應變式傳感器的作用機理變片，將彈性體的形變轉化為應變片的形變［5］。本文設計的傳感器是在鉆柱上加入一節測量主軸作為彈性體，在測量主軸上進行應變片的布片組橋。

布片組及測試點位置示意圖如圖1所示。

圖1 布片組及測試點位置示意圖Fig.1 Schematic of arranging group and measuring point location

該測試共有16個測試點，每組測量電橋使用4個測試點，分別放置在圓周上且相互間隔90°。每個測試點分別貼有2枚應變片，即每組測量電橋包含8枚應變片，4組電橋總共有32枚應變片。這32枚應變片屬于同一批次，靈敏系數為 2.4 ～2.6、電阻系數為1.24 ～1.42 Ω·mm2/m、電阻溫度系數為 ±20 ×10－6℃。4 組電橋分別是鉆壓測量電橋、扭矩測量電橋和側向力測量所需的兩組電橋。測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行測量［6］，2枚應變片組成一個電橋臂。與4枚應變片的電橋相比，8枚應變片的電橋不但提高了靈敏度和輸出電壓，而且也有利于優化傳感器的性能。

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

2 測量電橋的設計

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

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

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

3 測量電橋與應變片輸出分析

在同一彈性體上同時測量鉆壓、扭矩、鉆頭側向力，其最主要的問題是如何消除各測量參數之間的耦合影響，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償。下面以扭矩測量電橋為例，分析本設計如何通過布片和組橋方式來消除這些影響。扭矩的測量實際上就是對測量主軸所受的剪應力進行測量，將應變片貼在測量主軸上，作為敏感元件來測量剪應力，從而達到測量扭矩的目的。

為了減小鉆壓、側向力，并進行溫度補償。扭矩測量電橋的8枚應變片分為4組，每組相隔90°貼在垂直于軸線的圓周上。每組中的一枚應變片與軸線成45°夾角;另一枚與軸線成－45°夾角。假設溫度對每枚應變片產生的應變量為εT，當鉆壓作用于測量主軸時，8枚應變片的應變量大小相等、方向相同，設為εp;當扭矩作用于測量主軸時，與主軸軸線成45°夾角的應變片與主軸軸線成－45°夾角的應變片產生的應變量大小相等、方向相反。取與主軸軸線成45°夾角的應變片產生的應變量大小為εM，當側向力作用于測量主軸時，圓周0°上的兩枚應變片與圓周180°上的兩枚應變片產生的應變量大小相等、方向相反。取圓周0°上的兩枚應變片產生的應變量為εWx，圓周90°上的兩枚應變片與圓周270°上的兩枚應變片產生的應變量大小相等、方向相反，取圓周90°上的兩枚應變片產生的應變量為εWy。當扭矩、鉆壓、側向力和溫度同時影響扭矩測量電橋時，下式成立。

將式(2)代入式(1)，假設電橋負載遠遠大于電橋內阻，忽略調零電阻的影響，便可得到扭矩測量電橋的輸出為:

同理可以得到鉆壓測量電橋的輸出為:

側向力Wx測量電橋的輸出為:

側向力Wy測量電橋的輸出:

式中:εWxA、εWxB、εWyA、εWyB為鉆頭側向力使主軸產生的彎曲形變導致應變片產生的應變量。

當側向力作用時，它們具有如下關系:

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

在已知兩個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向力。需要說明的是，式(2)～式(8)的推導在忽略應變片橫向效應的前提下才成立。

4 應變式傳感器的制作與標定

通過分析式(3)、式(4)和式(8)的結果可知，在適當的假設條件下，在同一個測量軸上實現對鉆壓、扭矩、鉆頭側向力的測量，并抵消非測量參數引起的應變量，消除不同測量參數之間的耦合，這在理論上是可行的。但是要充分地反映布片組橋效果，使設計的傳感器性能在應用時達到最優，還必須在制作和標定時注意以下問題。

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

②粘貼后的應變片要用放大鏡仔細檢查，確保方位角準確，應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，然后用紅外線燈進行烘烤，但溫度應控制在40～80℃。若一開始就烘烤，則應變片敏感柵材料的電阻系數將會隨溫度的驟然變化而改變［10－13］。

③在標定過程中，為減小應變式傳感器的機械滯后效應，應在對傳感器進行3次以上的加載和卸載后，才記錄標定數據。

5 結束語

本文設計了能同時測量鉆壓、扭矩和鉆頭側向力的應變式傳感器。該傳感器能很好地抵消溫度對被測參數的影響，較好地降低各測量參數之間的耦合影響;同時，其靈敏度和量程也滿足隨鉆測量的要求;采用耐高溫、耐腐蝕和抗蠕變的鎳鉻鋁合金箔式應變片設計的傳感器對井下環境有很強的適應能力。現場試驗結果表明，該傳感器能夠成功獲得井下鉆井工程參數，并很好地滿足井下工況對傳感器的要求。

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