扭矩测量单元和装置、井下扭矩测量系统和方法及应用与流程

1.本发明涉及油田钻探工程技术领域，特别涉及一种扭矩测量单元和装置、井下扭矩测量系统和方法及应用。


背景技术：

2.随钻测量(measurement while drilling，mwd)是指钻机在钻进的同时连续不断地检测有关钻孔或钻头的信息。钻井过程中，近钻头处的钻压、扭矩等钻井工程参数的随钻准确测量对安全、高效钻井是十分重要的。随着钻井深度的增加，特别是各种分支井、水平井的开发，各种卡钻、掉牙轮、钻具断落等钻井事故时有发生，给钻井生产的安全与效率带来很大影响，实时测量近钻头处的钻压扭矩等钻井工程参数的变化可以有效地防止此类事故的发生，为安全、高效钻井提供技术支持。
3.钻井监控技术大多采用地面扭矩仪和指重表来测量扭矩和钻压，由于钻井过程中钻柱与井壁的相互作用过程复杂，由地面测量数据推算得到近钻头处工程参数的准确度较差。并且钻铤在钻井液中受到浮力与摩擦力、钻铤下放的冲击力和弹性力、不规则井眼的井壁对钻铤的摩擦力、钻铤螺旋弯曲旋转的离心力、以及钻铤在井下的纵振、横振等因素都不易精确计算，即便推算模型考虑因素再多，推算结果的准确度与可信度也很低。
4.由于地面测量存在的诸多弊端，使用随钻动态参数测量工具的扭矩钻压测量方法逐渐成为钻井监控技术的研究方向，目前，随钻测量一般采用金属栅丝应变片作为测量扭矩力的载体，通过将金属栅丝应变片粘贴在钻铤的舱体内。当钻铤本体承受扭矩力时，安装金属栅丝应变片的舱体也会产生相应的变形。这种变形通过作用在应变片上，引起固连到钻铤本体上的金属栅丝应变片上的金属栅丝发生形变，可以改变金属栅丝应变片的体电阻，应变片体电阻的变化，最终反应出钻铤本体所承受的扭矩力大小；多个金属栅丝应变片组成了相应扭矩测量矩阵，在外加电压的情况下，扭矩测量矩阵输出与矩阵所受扭矩力相应的电压信号，该电压信号被相应的电路采集处理转换成相应的扭矩值。


技术实现要素：

5.本技术发明人发现现有技术中基于金属栅丝的应变所引起的体电阻变化来测量扭矩，但金属栅丝应变所引起的体电阻变化量小，灵敏度低，金属栅丝收温度变化影响易产生随机形变，扭矩力测量的误差变化无法有效补偿，采用金属栅丝电阻变化来引起流过应变片电流发生变化的方式测量扭矩力，容易受到外界和自身测量电路的各种噪声影响，从而降低扭矩力测量的灵敏度。此外，组成扭矩测量矩阵的多个金属栅丝应变片之间的差异性很大，造成扭矩测量矩阵的一致差，测量精度低。
6.鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种扭矩测量单元和装置、井下扭矩测量系统和方法及应用。
7.本发明实施例提供一种扭矩测量单元，包括：相对设置的两个薄膜电极、位于薄膜电极之间的两个半导体层和位于半导体层之间的绝缘体层；
8.所述半导体层采用含gan材料，所述绝缘体层采用sio2；
9.第一薄膜电极设置为加载高频输入信号；第二薄膜电极设置为输出高频输出信号。
10.在一些可选的实施例中，所述绝缘层的厚度不大于5μm，所述半导体层的厚度为15-20μm。
11.在一些可选的实施例中，所述绝缘层的厚度为3-4μm。
12.在一些可选的实施例中，所述第一薄膜电极连接有第一电极引线，通过第一电极引线连接高频信号发生器；
13.所述第二薄膜电极连接有第二电极引线，通过第二电极引线输出高频输出信号。
14.在一些可选的实施例中，所述第一薄膜电极和第二薄膜电极之间加载直流电压后，两个半导体层在绝缘体层两侧产生电场沟道；
15.所述第一薄膜电极加载高频输入信号后，在扭矩力作用下输出经过电场沟道后产生相位差的高频输出信号。
16.本发明实施例还提供一种扭矩测量传感器，包括至少一个述的扭矩测量单元。
17.本发明实施例还提供一种扭矩测量装置，包括：直流电压支路、高频信号发生器和至少一个上述的扭矩测量单元；
18.所述直流电压支路连接在所述扭矩测量单元的第一薄膜电极和第二薄膜电极之间，为所述扭矩测量单元加载直流电压，使两个半导体层在绝缘体层两侧产生电场沟道；
19.所述高频信号发生器连接在第一薄膜电极和第二薄膜电极之间，以便从所述第一薄膜电极加载高频输入信号，在扭矩力作用下从第二薄膜电极输出经过电场沟道产生相位差的高频输出信号。
20.在一些可选的实施例中，所述高频信号发生器经隔直电容连接于第一薄膜电极；和/或
21.所述直流电压支路包括串联的直流电压源和运算放大器。
22.在一些可选的实施例中，所述扭矩测量装置还包括：扭矩测量电路；
23.所述扭矩测量电路连接于所述扭矩测量单元，以获取扭矩测量单元加载的高频输入信号和输出的高频输出信号，比较得到高频输出信号和高频输入信号的相位差。
24.在一些可选的实施例中，所述扭矩测量电路，包括：
25.混频调理电路，连接于所述扭矩测量单元两端，以获取扭矩测量单元加载的高频输入信号和输出的高频输出信号，并进行前置放大、带通滤波、双路混频和低通滤波处理；
26.相位比较测量电路，连接所述混频调理电路，以比较处理后的高频输出信号和高频输入信号，得到高频输出信号和高频输入信号的相位差。
27.在一些可选的实施例中，所述混频调理电路，包括：
28.两个前置放大器，一个连接扭矩测量单元的第一薄膜电极以获取高频输入信号并进行放大处理，一个连接扭矩测量单元的第二薄膜电极以获取高频输出信号并进行放大处理；
29.两个带通滤波器，分别连接两个前置放大器，以对放大处理后的信号进行带通滤波；
30.双路混频器，连接两个带通滤波器，以对带通滤波后的信号进行双路混频处理；
31.两个低通滤波器，连接双路混频器，以对双路混频处理后的信号进行低通滤波，得到得到低通滤波后的高频输出信号和高频输入信号。
32.在一些可选的实施例中，所述相位比较测量电路，包括：
33.双路比较器，连接两个低通滤波器，以使低通滤波器输出的高频输出信号和高频输入信号形成两路方波信号；
34.相位差测量单元，连接双路比较器，以比较两路方波信号的时间差，得到高频信号相位差。
35.在一些可选的实施例中，上述扭矩测量装置还包括：
36.数字信号处理单元，连接所述相位比较测量电路，以根据所述相位差确定钻铤承受的扭矩力大小，和/或将所述相位差对应的时间进行关联。
37.本发明实施例还提供一种井下扭矩测量系统，包括：钻铤、直流电压支路、高频信号发生器、扭矩力测量电路和至少一个上述的扭矩测量单元；
38.所述钻铤上设有测量单元安装位，以安装扭矩测量单元；
39.所述钻铤上设有电路舱体，以容纳直流电压支路、高频信号发生器和扭矩力测量电路：所述直流电压支路和高频信号发生器连接在所述扭矩测量单元的第一薄膜电极和第二薄膜电极之间，为所述扭矩测量单元加载直流电压，使两个半导体层在绝缘体层两侧产生电场沟道；
40.所述高频信号发生器连接在第一薄膜电极和第二薄膜电极之间，以便从所述第一薄膜电极加载高频输入信号，在扭矩力作用下从第二薄膜电极输出经过电场沟道产生相位差的高频输出信号；
41.所述扭矩测量电路连接于所述扭矩测量单元，以获取高频输入信号和高频输出信号并比较得到高频信号相位差。
42.在一些可选的实施例中，所述测量单元安装位为沿钻铤本体周向加工的环形槽，所述环形槽中设置多个安装位，每个安装位中安装至少一个扭矩测量单元。
43.在一些可选的实施例中，同一个安装位中的扭矩测量单元串联，不同安装位中的扭矩测量单元并联。
44.在一些可选的实施例中，上述系统还包括：密封外套；
45.所述密封外套，套装于所述钻铤上，覆盖以保护所述测量单元安装位。
46.在一些可选的实施例中，所述密封外套两端设有内螺纹，所述钻铤上的测量单元安装位两侧设有内螺纹，密封外套以螺纹方式安装于钻铤上；
47.所述钻铤上的测量单元安装位两侧还设有密封圈安装槽，用于安装密封圈，以实现与所述密封外套之间的防水密封。
48.在一些可选的实施例中，所述电路舱体设有多个，不同电路舱体之间设有第一连线孔，电路舱体和扭矩测量单元安装位之间设有第二连线孔；
49.所述直流电压支路、高频信号发生器和扭矩力测量电路可安装同一电路舱体或不同电路舱体中。
50.在一些可选的实施例中，所述扭矩测量电路，包括：
51.混频调理电路，连接于所述扭矩测量单元两端，以获取扭矩测量单元加载的高频输入信号和输出的高频输出信号，并进行前置放大、带通滤波、双路混频和低通滤波处理；
52.相位比较测量电路，连接所述混频调理电路，以比较处理后的高频输出信号和高频输入信号，得到高频输出信号和高频输入信号的相位差；
53.数字信号处理单元，连接所述相位比较测量电路，以根据所述相位差确定钻铤承受的扭矩力大小，和/或将所述相位差对应的时间进行关联。
54.在一些可选的实施例中，上述系统还包括：泥浆脉冲信息传输装置和数据接收装置；
55.所述扭矩测量电路与泥浆脉冲信息传输装置信号连接，通过所述泥浆脉冲信息传输装置向数据接收装置发送测得的高频信号相位差，根据所述相位差确定钻铤承受的扭矩力大小。
56.在一些可选的实施例中，所述泥浆脉冲信息传输装置与扭矩测量电路通过信号传输接头连接；
57.所述信号传输接头带有密封结构，密封结构上设有信号线连接孔以连接扭矩测量电路。
58.本发明实施例还提供一种扭矩测量方法，使用上述的扭矩测量单元实现，包括：
59.安装在钻铤上的扭矩测量单元测量两端加载直流电压，并加载高频输入信号，在钻铤承受的扭矩力作用下，输出高频输出信号；
60.与扭矩测量单元连接的扭矩测量电路，获取扭矩测量单元加载的高频输入信号和输出的高频输出信号，得到高频输出信号和高频输入信号的相位差；
61.根据所述相位差确定钻铤承受的扭矩力大小。
62.在一些可选的实施例中，所述安装在钻铤上的扭矩测量单元测量两端加载直流电压，并加载高频输入信号，在钻铤承受的扭矩力作用下，输出高频输出信号，包括：
63.安装在钻铤上的扭矩测量单元通过第一薄膜电极和第二薄膜电极之间串联的直流电压源和运算放大器加载直流电压，使两个半导体层在绝缘体层两侧产生电场沟道；
64.通过第一薄膜电极和第二薄膜电极之间连接的高频信号发生器在第一薄膜电极上加载高频输入信号，在钻铤承受的扭矩力作用下从第二薄膜电极输出经过电场沟道产生相位差的高频输出信号。
65.在一些可选的实施例中，所述获取扭矩测量单元加载的高频输入信号和输出的高频输出信号，得到高频输出信号和高频输入信号的相位差，包括：
66.扭矩测量电路包括的混频调理电路获取扭矩测量单元加载的高频输入信号和输出的高频输出信号，并进行前置放大、带通滤波、双路混频和低通滤波处理；
67.扭矩测量电路包括的相位比较测量电路比较处理后的高频输出信号和高频输入信号，得到高频输出信号和高频输入信号的相位差；
68.扭矩测量电路包括的数字信号处理单元将所述相位差对应的时间进行关联。
69.在一些可选的实施例中，根据相位差确定钻铤承受的扭矩力大小，包括：
70.根据得到的高频输出信号和高频输入信号的相位差，基于预先建立的扭矩力和高频信号相位差的对应关系，确定所述相位差对应的的扭矩力为所述钻铤承受的扭矩力。
71.在一些可选的实施例中，上述方法还包括：预先建立扭矩力和高频信号相位差的对应关系。
72.在一些可选的实施例中，预先建立扭矩力和高频信号相位差的对应关系，包括：
73.将不同大小的扭矩力加载到安装有扭矩测量单元的钻铤本体上；
74.针对加载的每个扭矩力值，测量扭矩测量单元的高频输出信号与高频输入信号的高频信号相位差；
75.建立扭矩力和高频信号相位差的对应关系。
76.在一些可选的实施例中，建立扭矩力和高频信号相位差的对应关系，包括：
77.用每个扭矩力值和对应的高频信号相位差建立如下方程组，
78.y1＝a0 a1θ1 a2θ
12
........ anθ
1n
79.y2＝a0 a1θ2 a2θ
22
........ anθ
2n
80.........................................................
81.ym＝a0 a1θm a2θ
m2
........ anθ
mn
82.其中，yi表示扭矩力值，θi表示yi对应的高频信号相位差，i＝1、2、3、
……
、i、
……
、m，m为正整数；aj为标定系数，j＝1、2、3、
……
、j、
……
、n，n为正整数；
83.求解方程组得到标定系数aj，建立起扭矩力和高频信号相位差的对应关系表达式：
[0084][0085]
本发明实施例提供一种上述的扭矩测量单元、或上述的扭矩测量传感器、或上述的扭矩测量装置、或上述的扭矩测量系统在井下随钻扭矩参数测量中的应用。
[0086]
本发明实施例提供一种井下随钻扭矩方法，使用上述的扭矩测量单元、或上述的扭矩测量传感器、或上述的扭矩测量装置、或上述的扭矩测量系统实现。
[0087]
本发明实施例提供的上述技术方案的有益效果至少包括：
[0088]
本发明实施例提供的扭矩测量单元，采用gan半导体层和绝缘体层，在直流电压作用下能够产生电场沟道，在被测物体所承受的扭矩力作用下，电场沟道大小发生变化，导致其等效电容变化，引起加载到扭矩测量单元的高频输入信号的相位发生变化，基于相位变化后的高频输出信号与高频输入信号的相位差，测得被测物体所承受的扭矩力；由于高频信号的相位变化能够灵敏、准确地反映出被测物体所承受的扭矩力，因此，能够精确测量扭矩力的变化情况，测量灵敏度高；且gan半导体材料的温度稳定性好且耐高温特性好，能够很好的适应井下测量环境。
[0089]
使用扭矩测量单元的扭矩测量装置和系统，可以用于井下随钻扭矩测量过程中，由于gan具有更好的温度稳定性好且耐高温特性好，更适合井下高温环境，且采用gan材料的扭矩测量单元，其测量灵敏度和精确度大大提高，使井下扭矩测量更准确，更有利于了解井下钻具所承受的实际扭矩，及时调整相关操作。
[0090]
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
[0091]
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
[0092]
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实
施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
[0093]
图1为本发明实施例一中扭矩测量单元的结构示意图；
[0094]
图2为本发明实施例二中扭矩测量装置的结构示意图；
[0095]
图3为本发明实施例二中扭矩测量装置的一种具体示例图；
[0096]
图4为本发明实施例三中扭矩测量系统的平面结构示意图；
[0097]
图5为本发明实施例三中扭矩测量系统的立体结构示意图；
[0098]
图6为本发明实施例四中扭矩测量系统的结构示意图；
[0099]
图7为本发明实施例五中扭矩测量方法的流程图；
[0100]
图8为本发明实施例六中扭矩测量方法的流程图。
[0101]
附图标记说明：
[0102]
1-扭矩测量单元，2-直流电压支路，3-高频信号发生器，4-扭矩测量电路，5-钻铤；6-密封外套；
[0103]
11-第一薄膜电极，12-第二薄膜电极，13-半导体层，14-绝缘体层，15-第一电极引线，16-第二电极引线，17-高频输入信号，18-高频输出信号，19-电场沟道，10-高频信号相位差；
[0104]
21-直流电压源，22-运算放大器；
[0105]
41-混频调理电路，42-相位比较测量电路，43-数字信号处理单元，44-存储器；
[0106]
411、412-前置放大器，413、414-带通滤波器，415-双路混频器，416、417-低通滤波器；
[0107]
421-双路比较器，422-相位差测量单元；
[0108]
51-测量单元安装位，52-电路舱体，53-密封圈安装槽，54-第一连线孔，55-第二连线孔，56-引线；
[0109]
71-泥浆脉冲信息传输装置，72-数据接收装置，73-信号传输接头，731-密封结构，732-信号线连接孔，74-钻柱串。
具体实施方式
[0110]
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
[0111]
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0112]
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本
发明中的具体含义。
[0113]
为了解决现有技术中采用金属栅丝应变片进行井下扭矩力测量，测量灵敏度和测量精度低的问题，本发明实施例提供一种扭矩测量单元及扭矩测量装置、系统和方法，采用基于gan、sio2半导体电场沟道实现扭矩力测量，灵敏度和测量精度大大提高。
[0114]
实施例一
[0115]
本发明实施例一提供一种扭矩测量单元，其结构如图1所示，包括：相对设置的两个薄膜电极11和12、位于薄膜电极之间的两个半导体层13和位于半导体层13之间的绝缘体层14。
[0116]
其中，半导体层13采用含gan材料，绝缘体层14采用sio2；第一薄膜电极11设置为通过第一电极引线15加载高频输入信号17；第二薄膜电极12第二电极引线14输出高频输出信号18。
[0117]
第一薄膜电极11和第二薄膜电极12之间加载直流电压后，两个半导体层13在绝缘体层14两侧产生电场沟道19；第一薄膜电极11加载高频输入信号17后，在扭矩力作用下输出经过电场沟道后产生相位差的高频输出信号18。高频输出信号18和高频输入信号17比较后得到高频信号相位差10。第一薄膜电极11和第二薄膜电极12采用导电材料制成，可以采用金属薄膜电极，两个金属薄膜电极一个作为正极，一个作为负极，当直流电压加载到金属薄膜的正负极上时，会在绝缘体两侧形成两个电荷空间，在两个电荷空间之间会形成一个微米级别的内建电场沟道。
[0118]
可选的，绝缘层14的厚度不大于5μm，优选的，绝缘层14的厚度为3-4μm。
[0119]
可选的，半导体层13的厚度为15-20μm。
[0120]
本发明实施例还提供一种扭矩测量传感器，包括至少一个上述的扭矩测量单元。也就是说，可以将多个扭矩测量单元通过串联或并联的方式组合成一个扭矩测量传感器使用。
[0121]
本发明实施例提供的扭矩测量单元及相关应用是一种基于gan、sio2半导体电场沟道的扭矩力测量方案，由于gan半导体材料的温度稳定性好且耐高温特性好，因此适合与工作于井下高温环境中，其通过外加扭矩力改变电场沟道的大小，对外表现出电场沟道等效电容的变化，当外加高频信号加载到该沟道后会引起高频信号的相位发生变化，该相位变化通过数字信号处理算法处理后可灵敏、准确反映出钻铤本体所承受的扭矩力，有效的解决现有扭矩测量方法存在的问题。
[0122]
而通过gan、sio2、和金属薄膜电极构成扭矩测量单元，在外界电路电压的作用下可以在gan、sio2之间形成一条非常薄电场沟道，当扭矩力施加到该电场沟道上时，会使其产生相应的微小型状变化，从而导致该电场沟道两侧的间距改变，当高频信号加载到该电场沟道后，从而导致流过电场沟道的高频电流的相位发生变化，整个薄电场沟道对高频信号表现为容抗的变化。该扭矩测量单元能提高扭矩信号测量的精度，这是因为gan、sio2之间形成的薄电场沟为微米级，gan温度系数低的材料且耐高温，薄电场沟为微米级，对外部扭矩应变非常敏感，因此灵敏度高。薄电场沟等效直流阻抗高：消耗的功率小适合井下有效空间内的小容量电池供电工作环境，且由于高直流阻抗特性，在外不供电电压恒定条件下，本身发热极小,对测量稳定性影响微小。动态响应好：由于形成的电场沟道很薄,因此其固有频率很高,动态响应时间短,能在几兆赫的频率下工作,特别适合动态测量扭矩力的瞬时
变化，比机械形成的金属栅丝应变片具有更高的精度和更好的一致性。
[0123]
实施例二
[0124]
本发明实施例二提供一种扭矩测量装置，其结构如图2和图3所示，包括扭矩测量单元1、直流电压支路2、高频信号发生器3。其中扭矩测量单元可以包括至少一个，或者扭矩测量单元设置为扭矩测量传感器的形式。其中：
[0125]
直流电压支路2连接在扭矩测量单元1的第一薄膜电极和第二薄膜电极之间，为扭矩测量单元1加载直流电压，使两个半导体层在绝缘体层两侧产生电场沟道；
[0126]
高频信号发生器2连接在第一薄膜电极和第二薄膜电极之间，以便从第一薄膜电极加载高频输入信号，在扭矩力作用下从第二薄膜电极输出经过电场沟道产生相位差的高频输出信号。
[0127]
可选的，高频信号发生器3不是直接连接到第一薄膜电极上，而是经隔直电容连接于第一薄膜电极。
[0128]
可选的，直流电压支路2包括串联的直流电压源21和运算放大器22。直流电压源21和运算放大器22串联后，连接在两个薄膜电极的电极引线上，运算放大器21可以加强直流电压源22的电流的输出能力。。
[0129]
在一些可选的实施例中，上述扭矩测量装置还包括：扭矩测量电路4；
[0130]
扭矩测量电路4连接于扭矩测量单元1，以获取扭矩测量单元1加载的高频输入信号和输出的高频输出信号，比较得到高频输出信号和高频输入信号的相位差。
[0131]
上述扭矩测量电路4，包括：混频调理电路41、相位比较测量电路42和数字信号处理单元43。
[0132]
混频调理电路41，连接于扭矩测量单元两端，以获取扭矩测量单元加载的高频输入信号和输出的高频输出信号，并进行前置放大、带通滤波、双路混频和低通滤波处理；
[0133]
相位比较测量电路42，连接混频调理电路，以比较处理后的高频输出信号和高频输入信号，得到高频输出信号和高频输入信号的相位差；
[0134]
可选的，上述扭矩测量电路4还包括存储器44，用于存储得到的相位差数据。将相位差和对应的时间关联后，得到不同时间对应的相位差，可以将相位差数据进行存储。
[0135]
可选的，混频调理电路41，包括：
[0136]
两个前置放大器411和412，一个连接扭矩测量单元1的第一薄膜电极以获取高频输入信号并进行放大处理，一个连接扭矩测量单元1的第二薄膜电极以获取高频输出信号并进行放大处理；
[0137]
两个带通滤波器413和414，分别连接两个前置放大器411和412，以对放大处理后的信号进行带通滤波；
[0138]
双路混频器415，连接两个带通滤波器413和414，以对带通滤波后的信号进行双路混频处理；
[0139]
两个低通滤波器416和417，连接双路混频器415，以对双路混频处理后的信号进行低通滤波，得到得到低通滤波后的高频输出信号和高频输入信号。
[0140]
可选的，相位比较测量电路42，包括双路比较器421和相位差测量单元422。
[0141]
双路比较器421，连接两个低通滤波器416和417，以使低通滤波器输出的高频输出信号和高频输入信号形成两路方波信号；
[0142]
相位差测量单元422，连接双路比较器421，以比较两路方波信号的时间差，得到高频信号相位差。
[0143]
可选的，上述装置，还包括数字信号处理单元43，连接相位比较测量电路42，以根据所述相位差确定钻铤承受的扭矩力大小，和/或将相位差对应的时间进行关联。也就是说，扭矩测量装置可以得到相位差后，直接将相位差数据提供给用户或者其他接收或显示设备，也可以得到相位差后，继续分析出相位差对应的扭矩力大小，将扭矩力数据提供给用户或其他接收或显示设备。
[0144]
实施例三
[0145]
本发明实施例三提供一种井下扭矩测量系统，其结构如图4和图5所示，其中，图5为立体结构图，图4为侧面投影图，包括扭矩测量单元1、直流电压支路2、高频信号发生器3、扭矩力测量电路4和钻铤5。扭矩测量单元1、直流电压支路2、高频信号发生器3、扭矩力测量电路4的相关内容可以参照实施例二的相关描述。
[0146]
钻铤5上设有测量单元安装位51，以安装扭矩测量单元1；
[0147]
钻铤5上设有电路舱体52，以容纳直流电压支路2、高频信号发生器3和扭矩力测量电路4：直流电压支路2和高频信号发生器3连接在扭矩测量单元的第一薄膜电极和第二薄膜电极之间，为扭矩测量单元1加载直流电压，使两个半导体层在绝缘体层两侧产生电场沟道；
[0148]
高频信号发生器3连接在第一薄膜电极和第二薄膜电极之间，以便从第一薄膜电极加载高频输入信号，在扭矩力作用下从第二薄膜电极输出经过电场沟道产生相位差的高频输出信号；
[0149]
扭矩测量电路4连接于扭矩测量单元1，以获取高频输入信号和高频输出信号并比较得到高频信号相位差。
[0150]
可选的，测量单元安装位51为沿钻铤本体周向加工的环形槽，环形槽中设置多个安装位，每个安装位中安装至少一个扭矩测量单元。可以设计为同一个安装位中的扭矩测量单元串联，不同安装位中的扭矩测量单元并联。扭矩测量单元可以根据测量需要安装排布，如图4和图5所示的，沿钻铤轴线排布粘贴有一圈，以便测量钻铤圆周上各个位置的扭矩力大小，判断不同位置承受的扭矩力是否一致，哪些位置承受的扭矩力更大等等。例如，钻铤5上有一圈测量单元安装位，每个安装位是一个加工出的圆柱形凹槽，每个安装位安装4个扭矩测量单元，作为一个测量单元组，每个测量单元组中的4个测量单元串联，各测量单元安装位上的测量单元组并联。每个凹槽中的扭矩测量单元均与电路舱体中的扭矩测量电路，直流电压支路、高频信号发生器等电气连接，连接用的电源供电线、信号输入输出线等均穿过第二连线孔连接至电路的舱体中的相应电路上，钻铤5在石油钻井过程中会承受一定的钻井压力和井下扭矩，及时了解其所承受的扭矩更有利于钻井作业中及时调整各种操作。
[0151]
如图4和图5所示的，钻铤上的电路舱体也可以设置多个，图中以4个为例，不同电路舱体之间设有第一连线孔54，电路舱体和扭矩测量单元安装位之间设有第二连线孔55；直流电压支路、高频信号发生器和扭矩力测量电路可安装同一电路舱体或不同电路舱体中。布设在不同电路舱体中的电路需要连线时穿过第一连线孔实现连接，如图中所示的扭矩测量单元和扭矩测量电路之间的引线56，电路舱体中的电路与扭矩测量单元通过第二连
线孔实现线路连接。电路舱体还可以放置电池，电池为电路和测量单元供电
[0152]
在一些可选的实施例中，上述系统还包括密封外套6；密封外套6，套装于钻铤5上，覆盖以保护测量单元安装位51。由于钻铤一般是在井下环境中，良好的密封更有利于保护扭矩测量单元和扭矩测量电路，将其与环空钻井液相隔离，防止钻铤环空中钻井液的冲蚀，保护扭矩力测量单元不被井下恶劣工况损坏。
[0153]
密封外套6两端设有内螺纹，钻铤5上的测量单元安装位51两侧设有内螺纹，密封外套51以螺纹方式安装于钻铤上；钻铤5上的测量单元安装位51两侧还设有密封圈安装槽53，用于安装密封圈，以实现与密封外套之间的防水密封。
[0154]
上述系统，测得高频信号相位差后，可以将高频信号相位差传输给数据接收装置，进行分析，获得扭矩力变化情况，也可以有扭矩测量电路分析获得扭矩力变化情况后，再输出给数据接收装置。
[0155]
本发明实施例提供随钻井下扭矩测量装置，可以作为井下工程参数测量工具的一部分，实现扭矩测量功能，其主要测量井下钻具所承受的扭矩。扭矩测量单元采用gan、sio2、和金属薄膜电极构成的扭矩测量单元，沿钻铤的轴向方向构成的扭矩测量传感器实现，扭矩测量单元参照如图1所示，图4和5中，在第一薄膜电极11和第二薄膜电极12上通入直流电压时，会由于电子和空穴的迁移作用，在sio2绝缘体两侧，分别聚集正负电荷形成一个电场沟道，改沟道对外表现出电容特性。扭矩测量单元通过感受外部扭矩力作用，从而改变由sio2绝缘体隔离开来的电场沟道的间距，从而对外表现出电容量的变化。通过外围高频信号发生、扭矩测量电路对扭矩力测量系统进行标定，可建立起扭矩力和高频信号相位差之间的对应关系，可以测量出钻具本体所承受扭矩力的值。由于扭矩力测量单元内部的掺杂gan半导体里所产生的电场沟道的等效电容量十分微小，因此很难直接测量其电容值，因此采用外围电路产生高频信号加载到扭矩测量单元的金属薄膜两端，并测量通过电场沟道后的高频信号与通过该电场沟道前高频信号之间的相位差，来间接测量加载到扭矩力测量单元上的扭矩力。
[0156]
实施例四
[0157]
本发明实施例四提供一种井下扭矩测量系统，其结构如图6所示，与实施例三中的系统不同之处在于，可以将测量得到的相位差信息实时的传递到接收端，以便能够实时查看测相位差数据，及时了解钻铤扭矩力的变化情况。
[0158]
也就是说，该扭矩测量系统还包括：泥浆脉冲信息传输装置71和数据接收装置72；扭矩测量电路4与泥浆脉冲信息传输装置71信号连接，通过泥浆脉冲信息传输装置71向数据接收装置发送测得的高频信号相位差，根据所述相位差确定钻铤承受的扭矩力大小。
[0159]
如图5所示的，泥浆脉冲信息传输装置71与扭矩测量电路4通过信号传输接头73连接；信号传输接头73带有密封结构731，密封结构731上设有信号线连接孔732以连接扭矩测量电路4。
[0160]
扭矩测量单元1通过信号传输接头73，将井下实时测量到的扭矩数据发送到随钻测量(measure while drilling，mwd)泥浆脉冲信息传输装置71，泥浆脉冲信息传输装置71经钻柱串74，通过钻柱内的泥浆介质，将相位差信息以压力波的方式传递到地面的数据接收装置72。数据接收装置可以将接收到的相位差数据在人机交互界面上进行实时展示。
[0161]
实施例五
[0162]
本发明实施例五提供一种扭矩力测量方法，使用上述的扭矩测量单元实现，其流程如图7所示，包括如下步骤：
[0163]
步骤s101：安装在钻铤上的扭矩测量单元测量两端加载直流电压，并加载高频输入信号，在钻铤承受的扭矩力作用下，输出高频输出信号。
[0164]
安装在钻铤上的扭矩测量单元通过第一薄膜电极和第二薄膜电极之间串联的直流电压源和运算放大器加载直流电压，使两个半导体层在绝缘体层两侧产生电场沟道；通过第一薄膜电极和第二薄膜电极之间连接的高频信号发生器在第一薄膜电极上加载高频输入信号，在钻铤承受的扭矩力作用下从第二薄膜电极输出经过电场沟道产生相位差的高频输出信号。
[0165]
步骤s102：与扭矩测量单元连接的扭矩测量电路，获取扭矩测量单元加载的高频输入信号和输出的高频输出信号，得到高频输出信号和高频输入信号的相位差。
[0166]
扭矩测量电路包括的混频调理电路获取扭矩测量单元加载的高频输入信号和输出的高频输出信号，并进行前置放大、带通滤波、双路混频和低通滤波处理；扭矩测量电路包括的相位比较测量电路比较处理后的高频输出信号和高频输入信号，得到高频输出信号和高频输入信号的相位差；扭矩测量电路包括的数字信号处理单元将相位差对应的时间进行关联。
[0167]
当随钻工程参数测量短节受到扭力影响时，安装在钻铤上的各个扭矩力测量单元也受到扭矩力影响，产生相应的电场沟道的间距变化，对外表现出电容发生变化。当高频信号发生器产生的高频信号加载到该扭矩力测量单元，由于电场沟道的间距变化对高频信号产生一定相位变化。高频信号发生器产生的高频信号相位与通过扭矩力测量单元之后输出的的高频信号的相位之间会产生一定的相位差。
[0168]
步骤s103：根据相位差确定钻铤承受的扭矩力大小。
[0169]
根据得到的高频输出信号和高频输入信号的相位差，基于预先建立的扭矩力和高频信号相位差的对应关系，确定相位差对应的的扭矩力为钻铤承受的扭矩力。可以将相位差对应的时间进行关联，以便展示不同时间对应的相位差和/或扭矩力，可以将相位差数据和/或扭矩力数据存储在井下存储器中或者传递到地面接收装置。
[0170]
当高频信号加载到各扭矩测量单元时，会在所有扭矩力测量单元上产生相位变化，该相位变化通过标定好的相位差与扭矩力之间的函数关系式可转换成相应的扭矩力，从而计算出钻铤等随钻工具在钻井过程中所承受的扭矩力，得到的扭矩力值储存可以储存井下存储器，也可以随时传输到地上监控设备。
[0171]
实施例六
[0172]
本发明实施例六提供扭矩力测量方法的一种具体实现过程，其流程如图8所示，包括如下步骤：
[0173]
步骤s201：安装在钻铤上的扭矩测量单元通过第一薄膜电极和第二薄膜电极之间串联的直流电压源和运算放大器加载直流电压，使两个半导体层在绝缘体层两侧产生电场沟道。
[0174]
步骤s202：通过第一薄膜电极和第二薄膜电极之间连接的高频信号发生器在第一薄膜电极上加载高频输入信号，在钻铤承受的扭矩力作用下从第二薄膜电极输出经过电场沟道产生相位差的高频输出信号。
[0175]
扭矩测量传感器由安装在钻铤本体上的多片扭矩力测量单元并联构成，基准电压源通过运算放大器产生电压信号加载到扭矩测量传感器的多片扭矩力测量单元上，每片扭矩力测量单元上会在该直流电源的下产生一个电场沟道，该电场沟道构成一个等效电容，当加载到扭矩力测量单元上的扭矩力发生改变时，扭矩力测量单元的内建电场沟道发生变化，其等效电容也发生变化，高频信号通过该等效电容时，高频信号的相位发生变化，通过测量该相位变化，可以反映出加载到扭矩传感器上的扭矩力的大小。
[0176]
步骤s203：扭矩测量电路包括的混频调理电路获取扭矩测量单元加载的高频输入信号和输出的高频输出信号，并进行前置放大、带通滤波、双路混频和低通滤波处理；
[0177]
高频输入信号和高频输出信号分别通过前置放大电路对信号进行放大后，分别通过带通滤波器滤除电路噪声，再通过双路混频器混频混频处理，然后分别经过低通滤波器滤波后进入双路比较器。
[0178]
步骤s204：扭矩测量电路包括的相位比较测量电路比较处理后的高频输出信号和高频输入信号，得到高频输出信号和高频输入信号的相位差。
[0179]
通过双路比较器变化为能被相位差测量电路处理的低频信号，并计算出高频信号发生器产生的高频输入信号和通过扭矩力测量单元后的高频输出信号之间的相位差。
[0180]
步骤s205：将高频信号相位差通过泥浆脉冲信息传输装置发送给数据接收装置。
[0181]
步骤s206：数据接收装置根据得到的高频输出信号和高频输入信号的相位差，基于预先建立的扭矩力和高频信号相位差的对应关系，确定相位差对应的的扭矩力为钻铤承受的扭矩力。
[0182]
可以将相位差对应的时间进行关联，以便展示不同时间对应的相位差和/或扭矩力。
[0183]
本实施例中以将高频信号相位差传输到接收装置进行处理为例，实际应用中也可以处理后得到扭矩力数据再发送给接收装置。
[0184]
扭矩测量单元上的输入高频信号和输出高频信号进行放大和滤波处理。由于承载着对应扭矩力的高频信号在时域上每个周期时间很短，直接测量其相位差将产生很大相位误差，因此需将该高频信号通过混频电路转换成低频信号后再继续测量其相位差，将高频信号发生器产生的高频输入信号和通过扭矩力测量单元的高频输出信号，经前置放大、带通滤波、混频和低通滤波处理后，形成相应的低频信号，并将该低频信号通过双路高速比较器，形成两路ttl方波信号，两路方波信号输入到相位差测量电路，就可以计算出两路方波信号在时间上的差值，该时间差值对应高频输入信号和高频输出信号的相位差，因此通过扭矩测量系统处理和测量可以求出高频信号在受扭矩力影响的扭矩测量单元上产生的相位差，该相位差通过实现标定好的扭矩与相位差之间的转换表达式，可以转换成相对应的扭矩力。当钻具在井下钻进工作时，通过扭矩测量电路对扭矩力测量单元所输出高频信号进行相位差变化量的测量，并将该相位差变化量带入到公式中，便可以求出井下钻具所承受的扭矩力。
[0185]
上述实施例五和实施例六提供的扭矩测量方法，还包括预先确定扭矩力和高频信号相位差的对应关系。可以将不同大小的扭矩力加载到安装有扭矩测量单元的钻铤本体上；针对加载的每个扭矩力值，测量扭矩测量单元的高频输出信号与高频输入信号的高频信号相位差；建立扭矩力和高频信号相位差的对应关系。
[0186]
建立扭矩力和高频信号相位差的对应关系，包括：
[0187]
由于随钻井下扭矩测量系统测量出的是反映扭矩力大小的相位差，因此需要对该系统进行标定，建立不同扭矩力和相位差的公示关系。使用大型扭矩标定装置产生不同的扭矩力加载到随钻井下扭矩测量系统的钻铤本体上。这样扭矩测量系统会根据不同的扭矩力值测量到相应的高频信号的相位差值。将扭矩力值和相应的高频信号的相位差值带入多项式公式：
[0188][0189]
θ是扭矩测量装置的输出高频信号的相位差值，y是扭矩标定装置所加载的扭矩力的真实值。实际上，只要扭矩测量传感器的响应可以表示为单调连续函数，就可以利用多项式函数来逼近到任意精度。
[0190]
通过带入不同的扭矩力加载值yi可以由测量电路测量出不同的相位差值θi，因此，用每个扭矩力值和对应的高频信号相位差建立如下方程组，
[0191]
y1＝a0 a1θ1 a2θ
12
........ anθ
1n
[0192]
y2＝a0 a1θ2 a2θ
22
........ anθ
2n
[0193]
........................................................
[0194]
ym＝a0 a1θm a2θ
m2
........ anθ
mn
[0195]
其中，yi表示扭矩力值，θi表示yi对应的高频信号相位差，i＝1、2、3、
……
、i、
……
、m，m为正整数；aj为标定系数，j＝1、2、3、
……
、j、
……
、n，n为正整数；求解方程组得到标定系数aj，建立起扭矩力和高频信号相位差的对应关系表达式：
[0196][0197]
θj表示θ的j次方。
[0198]
此后，在扭矩测量系统使用过程中，将井下测得的高频信号相位差代入该表达式，得到对应的扭矩力即为钻铤等井下工具承受的扭矩力。
[0199]
基于同一发明构思，本发明实施例还提供一种上述的扭矩力测量单元或上述的扭矩力测量传感器或扭矩力测量装置或扭矩力测量系统在井下随钻扭矩参数测量中的应用。
[0200]
基于同一发明构思，本发明实施例还提供一种井下随钻扭矩方法，使用上述的扭矩力测量单元或上述的扭矩力测量传感器或扭矩力测量装置或扭矩力测量系统实现。
[0201]
本发明实施例提供上述用于井下钻具所承受的扭矩力参数测量的装置、系统和方法，实现钻井过程中井下钻具所受扭矩力随钻监测，其有利于修正各种模型、优化钻井参数、预防及提前控制井下事故的发生，达到安全高效钻井的目的。
[0202]
随钻井下扭矩工程参数测量装置是监测井下钻具运行状态的重要工具，在现有的常规钻井系统中，钻具在井下进行旋转钻进，钻头、钻铤和钻杆组成的钻具组合在地层中钻进时，受到与井壁、井底地层接触的摩擦力影响，在钻具组合上产生扭矩力。正常钻进时该扭矩力反应为钻具组合的轻微形变，但由于所钻复杂地层发生井壁破裂、垮塌时，钻具组合旋转工况会受阻，从而产生一定的扭矩力波动，监测该扭矩力的异常波动可预判井下工况的异常，以便及时采取措施解决由于井壁坍塌或地层缩径引起的钻具被卡死等风险的出现，预防钻井事故的发生。避免由于处理事故所产生的时间成本和经济成本，有效提高钻井
效率，降低钻井成本。
[0203]
除非另外具体陈述，术语比如处理、计算、运算、确定、显示等等可以指一个或更多个处理或者计算系统、或类似设备的动作和/或过程，所述动作和/或过程将表示为处理系统的寄存器或存储器内的物理(如电子)量的数据操作和转换成为类似地表示为处理系统的存储器、寄存器或者其他此类信息存储、发射或者显示设备内的物理量的其他数据。信息和信号可以使用多种不同的技术和方法中的任何一种来表示。例如，在贯穿上面的描述中提及的数据、指令、命令、信息、信号、比特、符号和码片可以用电压、电流、电磁波、磁场或粒子、光场或粒子或者其任意组合来表示。
[0204]
应该明白，公开的过程中的步骤的特定顺序或层次是示例性方法的实例。基于设计偏好，应该理解，过程中的步骤的特定顺序或层次可以在不脱离本公开的保护范围的情况下得到重新安排。所附的方法权利要求以示例性的顺序给出了各种步骤的要素，并且不是要限于所述的特定顺序或层次。
[0205]
在上述的详细描述中，各种特征一起组合在单个的实施方案中，以简化本公开。不应该将这种公开方法解释为反映了这样的意图，即，所要求保护的主题的实施方案需要清楚地在每个权利要求中所陈述的特征更多的特征。相反，如所附的权利要求书所反映的那样，本发明处于比所公开的单个实施方案的全部特征少的状态。因此，所附的权利要求书特此清楚地被并入详细描述中，其中每项权利要求独自作为本发明单独的优选实施方案。
[0206]
本领域技术人员还应当理解，结合本文的实施例描述的各种说明性的逻辑框、模块、电路和算法步骤均可以实现成电子硬件、计算机软件或其组合。为了清楚地说明硬件和软件之间的可交换性，上面对各种说明性的部件、框、模块、电路和步骤均围绕其功能进行了一般地描述。至于这种功能是实现成硬件还是实现成软件，取决于特定的应用和对整个系统所施加的设计约束条件。熟练的技术人员可以针对每个特定应用，以变通的方式实现所描述的功能，但是，这种实现决策不应解释为背离本公开的保护范围。
[0207]
结合本文的实施例所描述的方法或者算法的步骤可直接体现为硬件、由处理器执行的软件模块或其组合。软件模块可以位于ram存储器、闪存、rom存储器、eprom存储器、eeprom存储器、寄存器、硬盘、移动磁盘、cd-rom或者本领域熟知的任何其它形式的存储介质中。一种示例性的存储介质连接至处理器，从而使处理器能够从该存储介质读取信息，且可向该存储介质写入信息。当然，存储介质也可以是处理器的组成部分。处理器和存储介质可以位于asic中。该asic可以位于用户终端中。当然，处理器和存储介质也可以作为分立组件存在于用户终端中。
[0208]
对于软件实现，本技术中描述的技术可用执行本技术所述功能的模块(例如，过程、函数等)来实现。这些软件代码可以存储在存储器单元并由处理器执行。存储器单元可以实现在处理器内，也可以实现在处理器外，在后一种情况下，它经由各种手段以通信方式耦合到处理器，这些都是本领域中所公知的。
[0209]
上文的描述包括一个或多个实施例的举例。当然，为了描述上述实施例而描述部件或方法的所有可能的结合是不可能的，但是本领域普通技术人员应该认识到，各个实施例可以做进一步的组合和排列。因此，本文中描述的实施例旨在涵盖落入所附权利要求书的保护范围内的所有这样的改变、修改和变型。此外，就说明书或权利要求书中使用的术语“包含”，该词的涵盖方式类似于术语“包括”，就如同“包括，”在权利要求中用作衔接词所解
释的那样。此外，使用在权利要求书的说明书中的任何一个术语“或者”是要表示“非排它性的或者”。