扭矩测量单元和装置、井下扭矩测量系统和方法及应用制造方法及图纸

本发明专利技术公开了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。所述扭矩测量单元包括：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；所述半导体层采用含GaN材料，所述绝缘体层采用SiO2；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。所述扭矩测量装置和系统包括所述扭矩测量单元，由于该扭矩测量单元采用GaN半导体层和SiO2绝缘体层，在直流电压作用下能够产生电场沟道，在扭矩力作用下，电场沟道电容变化，引起高频信号相位差变化，从而能够精确测量扭矩力的变化情况，测量灵敏度高。测量灵敏度高。测量灵敏度高。

【技术实现步骤摘要】
扭矩测量单元和装置、井下扭矩测量系统和方法及应用


[0001]本专利技术涉及油田钻探工程
，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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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、本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种扭矩测量单元，其特征在于，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；所述半导体层采用含GaN材料，所述绝缘体层采用SiO2；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。2.如权利要求1所述的扭矩测量单元，其特征在于，所述绝缘层的厚度不大于5μm，所述半导体层的厚度为15
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20μm。3.如权利要求1所述的扭矩测量单元，其特征在于，所述绝缘层的厚度为3
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4μm。4.如权利要求1所述的扭矩测量单元，其特征在于，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；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。5.如权利要求1
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3任一所述的扭矩测量单元，其特征在于，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；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。6.一种扭矩测量传感器，其特征在于，包括至少一个如权利要求1
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5任一所述的扭矩测量单元。7.一种扭矩测量装置，其特征在于，包括：直流电压支路、高频信号发生器和至少一个如权利要求1
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5任一所述的扭矩测量单元；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；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。8.如权利要求7所述的扭矩测量装置，其特征在于，所述高频信号发生器经隔直电容连接于第一薄膜电极；和/或所述直流电压支路包括串联的直流电压源和运算放大器。9.如权利要求7所述的扭矩测量装置，其特征在于，还包括：扭矩测量电路；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。10.如权利要求9所述的扭矩测量装置，其特征在于，所述扭矩测量电路，包括：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；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。11.如权利要求10所述的扭矩测量装置，其特征在于，所述混频调理电路，包括：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；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；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；
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。12.如权利要求11所述的扭矩测量装置，其特征在于，所述相位比较测量电路，包括：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；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。13.如权利要求7
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12任一所述的装置，其特征在于，还包括：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。14.一种井下扭矩测量系统，其特征在于，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如权利要求1
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5任一所述的扭矩测量单元；所述钻铤上设有测量单元安装位，以安装扭矩测量单元；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；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；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。15.如权利要求14所述的系统，其特征在于，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。16.如权利要求15所述的系统，其特征在于，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。17.如权利要求14所述的系统，其特征在于，还包括：密封外套；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。18.如权利要求17所述的系统，其特征在于，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；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。19.如权利要求14所述的系统，其特征在于，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；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...

【专利技术属性】
技术研发人员：王家进，艾维平，窦修荣，毛为民，王鹏，贾衡天，樊懿锋，魏志刚，王磊，郭贤伟，
申请(专利权)人：中国石油集团工程技术研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：