[发明专利]石油钻井钻压扭矩随钻测量仪器的刻度装置及方法

说明书

技术领域：

本发明涉及一种在石油钻井工程中应用于井下钻压扭矩随钻测量仪器的地面刻度装置及方法。

背景技术：

随着定向井、水平井、鱼骨井、分支井以及大位移水平井等特殊工艺钻井技术的发展，各种卡钻、埋钻、掉牙轮等钻井事故时有发生，对钻井过程的安全性提出了更高的要求，如何合理有效地控制钻井过程，保证钻井过程的安全、高效是近年来石油钻井工程技术领域提出的问题之一，井下工程参数测量与实时监控技术是解决该问题的前提和条件。

多年来，国内外井下测量仪器开发的重点一直是与油气地质储量直接相关的地层电阻率、孔隙率、伽马射线等地质参数的测量、与几何导向钻井技术相关的井斜、方位、工具面角等井眼轨迹参数的测量与控制；而与钻井安全、钻井效率相关的钻压、扭矩等工程参数测量技术研究较少，更缺乏井下工程参数测量仪器的地面刻度装置及方法。国内外相关技术背景分析如下：

公知的扭矩刻度装置的工作原理是利用杠杆原理，由固定长度的力臂和可以增减重量/个数的砝码组合来改变扭矩的大小，从而实现扭矩测试仪的静态刻度过程，刻度方法简单、实用。

这种刻度装置存在的问题是：①.只能实现静态刻度，无法刻度扭矩变化过程中传感器的动态响应特性，而传感器的动态响应数据中蕴含着井下钻具钻进过程中的破岩、振动、与井壁碰撞等工程信息，具有重要的实际意义和研究价值，需要地面刻度装置能够提供与此相关的测量信息；②.刻度范围有限，为了增加刻度范围，常规的方法是增加力臂的长度与砝码的重量，由于存在着力臂机械变形而影响刻度精度的问题，其刻度范围受到一定的限制；③.操作不便，每改变一次扭矩的大小都需要人工增减砝码，不仅劳动强度大，而且需要大量的备用砝码；④.由于砝码腐蚀、不干净等原因造成的砝码重量改变也会对刻度精度产生一定的影响。

目前尚未检索到钻压刻度装置与刻度方法的专利信息，与钻压刻度装置相似的装置是材料力学研究中应用的拉伸与压缩力刻度装置。传统的拉压刻度装置及方法是利用砝码和钢丝绳组成的测试系统，通过砝码重量与接触面积的计算得到拉应力、压应力的数值大小。其基本特征与扭矩刻度装置相同，也存在着刻度范围有限、操作不便、静态刻度等问题而无法满足井下工程参数测量仪器的刻度要求。

由于在实际钻井过程中，钻压和扭矩同时作用在井下测量仪器上，要求刻度装置也能够提供钻压扭矩同时产生作用的刻度条件，进而测试井下随钻测量短节的特性。上述单个刻度装置均无法实现钻压扭矩的联合刻度，也就无法得到钻压、扭矩之间的耦合关系与修正方法。

发明内容：

本发明的目的是为井下钻压扭矩随钻测量仪器提供一种地面刻度装置及方法，精确地控制钻压与扭矩输出按一定的动静态刻度规律变化作用于被刻度的测量短节，在地面实验条件下获得井下钻压扭矩随钻测量短节的动静态输入输出关系，获得钻压扭矩测量参数之间的耦合系数，为测量短节的数据处理算法开发提供基础数据。

本发明所述的仪器包括：刻度装置的液压与机械模块、计算机测控模块和刻度短节三大部分。其中：液压与机械模块是刻度装置的动力源与执行机构，能够准确地输出刻度过程所需要的钻压与扭矩值，并能够将输出值稳定地保持一段规定的时间。计算机测控模块用来完成刻度信号采集与数据处理、人机交互、刻度过程显示、刻度结果输出、打印等功能。刻度短节由两个标准钻压表、两个标准扭矩表、测量短节和连接器串接组成。

本发明所述的刻度方法包括：钻压与扭矩的单独刻度方法、钻压与扭矩的联合刻度方法。以钻压扭矩的联合刻度方法为例，说明本刻度方法。

(1).连接标准钻压表、标准扭矩表与测量短节，组成刻度短节；

(2).利用刻度装置的固定式夹紧装置与移动式夹紧装置将刻度短节夹紧于刻度装置中；

(3).利用刻度装置的计算机采集模块采集并记录刻度短节输出信号、标准钻压表、标准扭矩表输出信号，作为刻度装置的零点信号；

(4).在计算机测控模块的控制下，保持钻压输出值不变，按照某一刻度步长输出扭矩值，如：取刻度短节测量范围的10％作为刻度步长，作用于刻度短节；

(5).采集记录刻度短节输出信号、标准钻压表、标准扭矩表输出信号，作为刻度信号；

(6).判断扭矩值是否达到刻度短节的测量上限，如果不是，转向(4)循环操作；如果是，转向下一步；

(7).判断钻压值是否达到刻度短节的测量上限，如果不是，将扭矩值置为零，按照某一步长增加钻压输出值，转向(4)循环操作；如果是，一个完整的刻度过程结束。