專利名稱：井下鉆具傳感器系統(tǒng)及用法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及地下巖層的井下鉆孔。尤其涉及鉆孔作業(yè)時(shí)鉆孔工具上所受井下力的確定。
背景技術(shù)：


圖1示出用來(lái)在地層103內(nèi)鉆孔102的鉆井裝置101。從該裝置101向下延伸為鉆桿組104，在其底部設(shè)有鉆頭105。鉆桿組在鉆頭105之上還設(shè)有鉆孔時(shí)的測(cè)量(“MWD”)工具106和鉆鋌107。
在鉆孔時(shí)鉆頭和相關(guān)傳感器和位在孔底附近的設(shè)備構(gòu)成底孔組合件(“BHA”)。圖2示出位在鉆孔102底部的BHA 200。鉆頭105設(shè)在鉆桿組104的端頭上。在鉆桿組104上有一MWD工具106設(shè)在鉆桿組104鄰近和一鉆鋌107位在MWD工具106鄰近。圖2還示出設(shè)在鉆孔工具周?chē)膫鞲衅?02用來(lái)作出各種井下測(cè)量。
油井和氣井的鉆孔牽涉到要小心地操縱鉆孔工具使它沿著所需的路徑鉆孔。而在確定并分析作用在鉆孔工具上的力以后就可作出決定使鉆孔過(guò)程容易進(jìn)行及/或得到改進(jìn)。這些力還可使鉆機(jī)操作工優(yōu)化鉆孔條件，這樣鉆孔便可更經(jīng)濟(jì)地被鉆出。確定鉆頭上的力之所以重要是因?yàn)樗苁共僮鞴だ鐧z測(cè)出鉆孔問(wèn)題的端爪并在系統(tǒng)的任何部分如鉆頭或鉆桿組失效之前改正不適合的狀態(tài)。通過(guò)測(cè)量這些井下的力能夠檢測(cè)出來(lái)的某些問(wèn)題例如可包括馬達(dá)停轉(zhuǎn)、粘管、和構(gòu)成BHA趨向。在發(fā)生粘管的情況下，可能需要在井孔內(nèi)降下一個(gè)釣鉤工具以便去除粘管。為了松開(kāi)粘住在鉆孔內(nèi)的BHA，曾經(jīng)研發(fā)過(guò)帶有工具如鉆用震擊器的技術(shù)。這種鉆用震出器的一側(cè)曾在美國(guó)專利5,033,557號(hào)中描述過(guò)，該專利委托本發(fā)明的受委托人代理。
作用在鉆孔工具上而能影響鉆孔作業(yè)及其達(dá)到位置的力例如可包括鉆頭上的重量(“WOB”)和鉆頭上的扭矩(“TOB”)。WOB說(shuō)明的是鉆頭施加在鉆孔底部上的向下的力。TOB說(shuō)明的是施加在鉆頭上使它在鉆孔內(nèi)旋轉(zhuǎn)的扭矩。在鉆孔時(shí)彎曲是一個(gè)重要的問(wèn)題，要考慮鉆桿組的彎曲式施加在鉆桿組及/或鉆鋌上的彎曲。彎曲可由WOB、TOB、或其他井下的力造成。
曾經(jīng)研發(fā)出在地面上測(cè)量WOB或TOB的技術(shù)。一種這樣的技術(shù)使用應(yīng)變規(guī)來(lái)測(cè)量靠近鉆頭的鉆桿組上的力。應(yīng)變規(guī)是一個(gè)小的電阻器件，它被連結(jié)到一個(gè)要被測(cè)量變形的材料上。應(yīng)變規(guī)被這樣連結(jié)使它能隨著它所連結(jié)的材料變形。應(yīng)變規(guī)在變形時(shí)其電阻隨著改變。將一電流施加到應(yīng)變規(guī)上并測(cè)量越過(guò)該規(guī)所需的不同電壓，就可測(cè)出應(yīng)變規(guī)的電阻，從而可測(cè)出其變形。
使用應(yīng)變規(guī)技術(shù)的一例在授予Das等人的美國(guó)專利5,386,724號(hào)(“Das專利”)中曾有說(shuō)明，該專利被指定由本發(fā)明的受委托人代理。Das專利所公開(kāi)的為一由帶臺(tái)階的圓筒構(gòu)成的載荷傳感器。應(yīng)變規(guī)位在載荷傳感器上，而載荷傳感器位在鉆桿組內(nèi)的徑向口袋內(nèi)。當(dāng)鉆桿組由于井下力而變形時(shí)，載荷傳感器也被變形。載荷傳感器上的應(yīng)變規(guī)能測(cè)出載荷傳感器的變形，該值與鉆鋌的變形有關(guān)。如同Das專利所說(shuō)，載荷傳感器可被嵌入到鉆鋌內(nèi)使載荷傳感器隨同鉆鋌變形。
圖3A和3B示出Das專利所公開(kāi)的載荷傳感器300。如圖3A所示的載荷傳感器300具有八個(gè)位在一環(huán)形表面301上的應(yīng)變規(guī)，包括四個(gè)重量應(yīng)變規(guī)311、312、313和314，及四個(gè)扭矩應(yīng)變規(guī)321、322、323和324。重量應(yīng)變規(guī)311-314分別沿著垂直和水平軸線設(shè)置，扭矩應(yīng)變規(guī)321-324則設(shè)在各個(gè)重要應(yīng)變規(guī)311-314之間。圖3B示出設(shè)在鉆鋌331內(nèi)的載荷傳感器300。當(dāng)鉆鋌由于井下力而被變形時(shí)，設(shè)在鉆鋌內(nèi)的載荷傳感器也被變形，以致該變形能用應(yīng)變規(guī)測(cè)出。
載荷傳感器及/或應(yīng)變規(guī)的其他例子可在美國(guó)專利US 5,386,724和未決的美國(guó)專利10/064,438中找到，這兩個(gè)專利都被指定由本發(fā)明的被委托人代理。載荷傳感器通?？捎删哂袠O小殘余應(yīng)力而較適合用于應(yīng)變規(guī)測(cè)量的材料構(gòu)成。有許多這樣的材料，例如可包括INCONELX-750、INCONEL 718或其他本行業(yè)行家所知的材料。
盡管應(yīng)變規(guī)有不少進(jìn)步，仍舊需要有人提供能在嚴(yán)峻的井下鉆孔條件下作出準(zhǔn)確測(cè)量的技術(shù)。傳統(tǒng)的傳感器通常容易環(huán)繞鉆鋌軸線彎曲。另外，傳統(tǒng)的傳感器通常對(duì)溫度波動(dòng)敏感，溫度波動(dòng)通常在井孔內(nèi)可以遇到如在傳感器所在整個(gè)鉆鏈壁上的梯度和從野外溫度開(kāi)始的均勻的溫度上升。
希望所提供的系統(tǒng)能夠消除在鉆頭和地面之間產(chǎn)生而作用在鉆桿組上的力的干預(yù)。還希望這種技術(shù)能將所接收到的變形放大以便容易測(cè)量及/或操縱。最好這種系統(tǒng)能夠不管在鉆孔環(huán)境內(nèi)所受到的溫度波動(dòng)而以足夠的準(zhǔn)確度操作，并能消除靜液壓對(duì)測(cè)量讀數(shù)的影響。提供本發(fā)明是為了需要研發(fā)這樣的系統(tǒng)來(lái)提高在井孔干預(yù)、安裝問(wèn)題、及/或溫度波動(dòng)等情況下測(cè)量的可靠性。
也還需要有一個(gè)更為準(zhǔn)確而可靠的載荷傳感器，該器可不受井下工作條件的影響而具有長(zhǎng)的工作壽命。
發(fā)明概述本發(fā)明涉及一種井下鉆孔工具用的力的測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)設(shè)有一個(gè)用來(lái)放大鉆鋌機(jī)械變形的設(shè)施、和一個(gè)設(shè)在該設(shè)施上的變形感知元件。
在至少一個(gè)方面，本發(fā)明涉及一種通過(guò)鉆桿組用來(lái)測(cè)量懸掛在井孔內(nèi)的井下鉆也工具上所受力的設(shè)備。該設(shè)備包括一個(gè)可操作地連接在鉆桿組上的鉆鏈，該鉆鏈適宜將受力而造成的變形放大。而傳感器適宜測(cè)出鉆鋌的變形，從而可確定作用在鉆孔工具上的力。在各個(gè)方面，本發(fā)明都可涉及一個(gè)力的測(cè)量系統(tǒng)、一個(gè)應(yīng)變規(guī)系統(tǒng)、和一個(gè)鉆用震擊器系統(tǒng)。
力的測(cè)量系統(tǒng)使用一對(duì)板和一個(gè)介電質(zhì)，這對(duì)板相隔一個(gè)距離而將介電質(zhì)放在其間。該系統(tǒng)可使用電容器、線性可變差動(dòng)變壓器、電阻抗、差動(dòng)可變磁阻、渦流及/或電感傳感器。
應(yīng)變規(guī)系統(tǒng)使用定位在鉆鋌上的應(yīng)變規(guī)。有一套筒定位在鉆鋌的周?chē)?。鉆鋌上可設(shè)有一個(gè)局部的貫穿切口使鉆鋌像彈簧那樣作用或分成兩個(gè)部分。套筒可被用來(lái)連接鉆鏈的兩個(gè)部分?；蛘?，應(yīng)變規(guī)可裝在鉆鋌內(nèi)側(cè)的一個(gè)殼體上。
鉆用震擊器系統(tǒng)包括一個(gè)具有第一部和第二部和一個(gè)設(shè)在其間的彈性元件。在某些情況下，使用一個(gè)套筒來(lái)連接這兩個(gè)部分并在其間形成一個(gè)空腔。而傳感器適宜測(cè)量空腔內(nèi)的壓力變化。
在另一方面，本發(fā)明涉及一種確定作用在井下工具上的載荷的方法。該方法包括當(dāng)將載荷施加在井下工具上時(shí)確定設(shè)在井下工具內(nèi)的傳感器的電性能，并根據(jù)鉆鋌在加載條件下和在松馳條件下傳感器電性能的差異來(lái)確定載荷量。傳感器的電性能會(huì)被改變因?yàn)檩d荷能使傳感器的一個(gè)從第一元件和第二元件選出的相對(duì)位置及在它們之間的區(qū)域改變。該方法還可包括當(dāng)井下工具處在加載條件下時(shí)確定其變形的數(shù)量，將測(cè)量結(jié)果從傳感器傳送到地面，由地面分析測(cè)量結(jié)果來(lái)確定作用在井下工具上的力及/或根據(jù)測(cè)量結(jié)果的分析作出鉆孔的決定。
在另一方面，本發(fā)明還涉及一種井下傳感器，可通過(guò)鉆桿組測(cè)量懸掛在井孔中的井下鉆孔工具所受的載荷。該傳感器包括定位在井下工具上的第一和第二傳感元件。它們被這樣連結(jié)到井下工具上使當(dāng)鉆孔工具受到載荷時(shí)，一個(gè)從它們選出的相對(duì)位置及在它們之間的區(qū)域能被改變。
本發(fā)明的其他方面和優(yōu)點(diǎn)在閱讀下面的說(shuō)明和所附的權(quán)利要求后當(dāng)可明白。
附圖簡(jiǎn)述圖1示出一個(gè)包括鉆孔工具和底孔組合件的鉆井系統(tǒng)的部分剖面。
圖2示出圖1中的底孔組合件。
圖3A示出一個(gè)現(xiàn)有技術(shù)的載荷傳感器的平面圖。
圖3B示出定位在一鉆鋌內(nèi)的、圖3A中的現(xiàn)有技術(shù)載荷傳感器的平面圖。
圖4A示出一個(gè)可被用來(lái)測(cè)量WOB的井下傳感器系統(tǒng)的概略的縱向剖面。
圖4B示出有一力施加在其上的、圖4A中的井下傳感器系統(tǒng)。
圖5A示出另一個(gè)可被用來(lái)測(cè)量TOB的井下傳感器系統(tǒng)的概略視圖。
圖5B示出圖5A中井下傳感器系統(tǒng)的徑向剖面。
圖5C示出有一力施加在其上的、圖5A中的井下傳感器系統(tǒng)。
圖6A示出用來(lái)測(cè)量軸向彎曲的另一個(gè)井下傳感器系統(tǒng)的縱向剖面。
圖6B示出有一力施加在其上的、圖6A中的井下傳感器系統(tǒng)。
圖6C示出用來(lái)測(cè)量TOB的另一個(gè)井下傳感器系統(tǒng)的徑向剖面。
圖7A示出用來(lái)測(cè)量徑向彎曲的另一個(gè)井下傳感器的縱向剖面。
圖7B示出有一力施加在其上的、圖7A中的井下傳感器系統(tǒng)。
圖7C示出具有裝在鉆鋌上的介電板支承平臺(tái)的、用來(lái)測(cè)量徑向彎曲的、另一個(gè)井下傳感器系統(tǒng)的縱向剖面。
圖7D示出有一力施加在其上的、圖7C中的井下傳感器系統(tǒng)。
圖8A示出使用平行于力軸的板、用來(lái)測(cè)量WOB的另一個(gè)井下傳感器系統(tǒng)的縱向剖面。
圖8B示出有一力施加在其上的井下傳感器系統(tǒng)。
圖9A示出具有互相反向移動(dòng)的，導(dǎo)電板、用來(lái)測(cè)量TOB的、另一個(gè)井下傳感器系統(tǒng)的縱向剖面。
圖9B示出有一力施加在其上的、圖9A中井下傳感器系統(tǒng)的縱向剖面。
圖10A示出具有互相相對(duì)旋轉(zhuǎn)的導(dǎo)電板、用來(lái)測(cè)量彎曲的另一個(gè)井下傳感器系統(tǒng)的縱向剖面。
圖10B示出有力施加其上時(shí)圖10A中的井下傳感器系統(tǒng)。
圖11A示出使用具有螺旋切口的應(yīng)變規(guī)系統(tǒng)的、另一個(gè)井下傳感器系統(tǒng)的切開(kāi)的透視圖。
圖11B示出圖11A中井下傳感器系統(tǒng)的透視圖。
圖11C為圖11A中井下傳感器系統(tǒng)的剖面。
圖11D為圖11A中井下傳感器系統(tǒng)的縱向剖面。
圖12A為使用具有中心元件的應(yīng)變規(guī)系統(tǒng)的另一個(gè)井下傳感器系統(tǒng)的透視圖。
圖12B示出圖12A中井下傳感器系統(tǒng)一部分的剖面。
圖12C為使用具有載荷傳感器的應(yīng)變規(guī)系統(tǒng)的另一個(gè)井下傳感器系統(tǒng)的透視圖。
圖12D示出圖12C中井下傳感器系統(tǒng)的縱向剖面。
圖13A為使用鉆用震擊器系統(tǒng)的另一個(gè)井下傳感器系統(tǒng)的透視圖。
圖13B示出圖13A中井下傳感器系統(tǒng)一部分的剖視圖。
圖13C示出圖13A中井下傳感器系統(tǒng)的縱向剖面。
圖14A為使用具有流體式的鉆用震擊器系統(tǒng)的另一個(gè)井下傳感器系統(tǒng)的透視圖。
圖14B示出圖14A中井下傳感器系統(tǒng)一部分的剖面。
圖14C示出圖14A中井下傳感器系統(tǒng)的一個(gè)局部的縱向剖面。
圖15為一流程圖，畫(huà)出作用在鉆孔工具上的力的井下測(cè)量方法。
圖16A示出使用LVDT的另一個(gè)井下傳感器系統(tǒng)的縱向剖面。
圖16B示出圖16A中井下傳感器系統(tǒng)的徑向剖面。
圖17示出使用具有一個(gè)線圈和一個(gè)鐵芯的LVDT的另一個(gè)井下傳感器系統(tǒng)的徑向剖面。
圖18A示出定位在鉆鋌轂盤(pán)內(nèi)的另一個(gè)井下傳感器系統(tǒng)的徑向剖面。
圖18B示出圖18A中井下傳感器系統(tǒng)的縱向剖面。
圖18C示出有力作用在其上時(shí)圖18B中的井下傳感器系統(tǒng)。
圖18D示出具有處在對(duì)準(zhǔn)位置的電容器板的、圖18A中的井下傳感器系統(tǒng)。
圖18E示出有力作用在其上時(shí)圖18D中的井下傳感器系統(tǒng)。
圖19為一流程圖，畫(huà)出確定傳感器電性能的方法。
圖20示出用來(lái)確定熱膨脹和壓力效應(yīng)的另一個(gè)井下傳感器的徑向剖面。
圖21示出具有熱鍍層的井下工具的鉆鋌的徑向剖面。
圖22示出使用非電容性傳感器的另一個(gè)井下傳感器系統(tǒng)的縱向剖面。
詳細(xì)說(shuō)明圖1和2畫(huà)出一個(gè)傳統(tǒng)的鉆井工具和井孔環(huán)境。如前所述，傳統(tǒng)的鉆井工具包括由鉆架101懸掛下來(lái)的鉆桿組104。該鉆桿組由多個(gè)鉆鋌(有時(shí)稱為鉆管)用螺紋連接組成。每一鉆鋌都有貫穿的通道(未示出)以便從地面將鉆孔用泥漿注入到鉆頭。某些這種鉆鋌如BHA(圖2)及/或鉆鋌107設(shè)有電路、馬達(dá)或其他系統(tǒng)以便完成井下作業(yè)。在本發(fā)明中，一個(gè)或多個(gè)這種鉆鋌可設(shè)有用來(lái)作出井下測(cè)量如WOB、TOB和彎曲的系統(tǒng)。另外一些與鉆孔工具及/或井下環(huán)境有關(guān)的參數(shù)也可被確定。
力的傳感系統(tǒng)圖4A-14C和16A-18E涉及各種力的傳感系統(tǒng)，它們被定位在一個(gè)或多個(gè)鉆鋌內(nèi)用來(lái)確定鉆孔工具上所受的力如WOB、TOB和彎曲。在每一個(gè)這些實(shí)施例中，該系統(tǒng)都是定位在鉆鋌的上面、里面或周?chē)员阌脕?lái)測(cè)量所需的參數(shù)。
圖4A-10B畫(huà)出具有互相面對(duì)的導(dǎo)電板的電容性系統(tǒng)的各種實(shí)施例。這些圖的電容性系統(tǒng)被用來(lái)確定作用在鉆孔工具上的力如WOB、TOB和彎曲。這些板的板面最好但并不總是互相平行并與加載方向垂直。
圖4A-4B畫(huà)出一個(gè)電容性系統(tǒng)400。該系統(tǒng)設(shè)在一個(gè)鉆鋌402內(nèi)，可操作地連接到一個(gè)傳統(tǒng)的鉆桿組如104上，并可用于圖1及/或2畫(huà)出的傳統(tǒng)的鉆井環(huán)境，它被用來(lái)測(cè)量由WOB力作用在鉆桿組上造成的變形。
電容性系統(tǒng)400包括兩塊面板404和一個(gè)介電質(zhì)406。最好如圖4A和4B所示，面板404和介電質(zhì)406都被定位在通過(guò)鉆鏈402延伸的通道408內(nèi)。用來(lái)流通鉆孔泥漿的通道408是由鉆鋌402的內(nèi)表面412形成的。該內(nèi)表面412上形成能夠支承面板404和介電質(zhì)406的平臺(tái)407。如圖4A和4B所示，面板404和介電質(zhì)406與鉆鋌402上的WOB作用力定位在同一直線上。面板404可裝在鉆鋌402內(nèi)使它們互相平行，或在限定的距離L4內(nèi)互相面對(duì)。
在本文提供的某些實(shí)施例中，有各種面板被定位在鉆鋌內(nèi)的各種支承上(在某些示出的例子中)。但支承的形狀對(duì)本發(fā)明來(lái)說(shuō)不受限制。
面板404最好由導(dǎo)電材料如鋼或其他導(dǎo)電金屬制成，它們最好被互相面對(duì)設(shè)置，中間隔開(kāi)一個(gè)距離L4。介電質(zhì)406可以是任何傳統(tǒng)的介電質(zhì)并被定位在兩塊面板之間。面板404被這樣定位使它們能夠展示一個(gè)被稱為電容的推導(dǎo)的物理性能。
電容是說(shuō)一個(gè)由導(dǎo)電體和介電質(zhì)組成的系統(tǒng)當(dāng)有電位差存在時(shí)該系統(tǒng)存儲(chǔ)電能的能力。在一簡(jiǎn)單的系統(tǒng)中，這個(gè)電容C取決于兩個(gè)面的面積A，兩個(gè)面之間的距離L，和兩個(gè)面之間的材料的介電常數(shù)εr，情況如下C=ϵ0ϵrAL]]>等式1其中ε0為真空的介電常數(shù)。介電常數(shù)關(guān)系到一種材料的保持電場(chǎng)的能力。在典型的情況下，介電常數(shù)是恒定的或可預(yù)知的。這樣，改變兩個(gè)面的面積或兩個(gè)面之間的距離就可改變電容。
將一可變電流施加到兩個(gè)面中的一個(gè)上，并測(cè)量在兩個(gè)面之間造成的電位差，也可測(cè)量出電容。這個(gè)方法的特征是通過(guò)系統(tǒng)的阻抗Z，而阻抗Z的定義如下Z=L2πfϵ0ϵrA=12πfC]]>等式2其中f是可變的電流頻率?，F(xiàn)在，這個(gè)概念可被用來(lái)測(cè)量作用在鉆桿組上的力。這個(gè)力使鉆桿組變形。而這個(gè)變形可被轉(zhuǎn)移并獲得只要測(cè)量在鉆桿組內(nèi)兩塊導(dǎo)電板之間的可變電容即可。
這個(gè)電容系統(tǒng)可被用來(lái)確定作用在鉆孔工具上的力如WOB、TOB和彎曲。變形通過(guò)一個(gè)變形載荷承受元件被轉(zhuǎn)移到測(cè)量器件。變形元件的長(zhǎng)度是通過(guò)改變兩個(gè)面之間的距離或變化L得到的。
某些現(xiàn)有技術(shù)的傳感器如在Das專利(美國(guó)專利5,386,724號(hào)，在背景一節(jié)中曾論述)中公開(kāi)的載荷傳感器使用應(yīng)變規(guī)來(lái)測(cè)量鉆鋌受載荷后的變形。應(yīng)變規(guī)隨同鉆鋌變形，并且變形量可由應(yīng)變規(guī)電阻的變化來(lái)確定。而本發(fā)明是使用其他電工原理和如電容、電感和電阻抗根據(jù)鉆鋌在承受載荷時(shí)所發(fā)生的變形量來(lái)確定作用在鉆鋌上的力。
本說(shuō)明使用的語(yǔ)詞“力”泛指所有可被施加到鉆頭或鉆桿組上的載荷(例如力、壓力、扭力和轉(zhuǎn)矩)。例如使用語(yǔ)詞“力”時(shí)不應(yīng)被解釋為不包括扭力或轉(zhuǎn)矩。所有這些載荷都能引起能用本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例測(cè)量的相應(yīng)的變形。
系統(tǒng)400的電容由其形狀尺寸限定。參閱圖4A，兩塊電容器板404各具有與另一板相對(duì)的表面面積限定系統(tǒng)400的電容面積。而且，兩塊電容器板404隔開(kāi)一個(gè)距離L4，在它們之間的電介質(zhì)材料406具有特定的導(dǎo)電率ε4。這兩個(gè)參數(shù)結(jié)合使傳感器具有特定的電容，這個(gè)電容可用上面的等式1量化。
圖4B示出在載荷WOB下的系統(tǒng)400。鉆鏈402變形(被壓縮)，變形量正比于WOB的數(shù)量。鉆鋌402的壓縮變形使兩塊電容器板404互相靠近，因此它們被距離L4′隔開(kāi)。由于壓縮變形，圖4B中的L4′短于圖4A中的L4。
兩塊板404相向移動(dòng)，因?yàn)樗鼈冊(cè)阢@鋌402不同的軸向點(diǎn)被連結(jié)在鉆鋌402上。鉆鋌402的任何變形都將引起板間距離L4相應(yīng)的變化。
上面的等式1示出，減少電容器板404之間的距離(即從L4減到L4′)會(huì)增加系統(tǒng)400的電容。檢測(cè)這個(gè)電容的增加就能確定變形的多少，而這又能用來(lái)確定WOB。在某些情況下，例如當(dāng)用計(jì)算機(jī)計(jì)算WOB時(shí)，WOB可從電容的變化直接確定，不必具體確定變形的多少。這些實(shí)施例并沒(méi)有離開(kāi)本發(fā)明的范圍。
在圖4A和4B中，兩塊板404基本上互相平行。在其他一些實(shí)施例中，兩塊板也可不互相平行。本行業(yè)的具有一般技能的人將能設(shè)計(jì)出其他形狀的板，但并沒(méi)有跑出本發(fā)明的范圍。
在圖4B中，電容器板404基本上被安排得與WOB所作用的方向垂直(即板404的定位基本上是水平的，而WOB的作用基本上是垂直的)。這樣安排對(duì)由于WOB使鉆桿組402變形而引起的電容器板404的運(yùn)動(dòng)可達(dá)到最大。雖然這樣安排是有利的，但并不要求本發(fā)明的所有實(shí)施例都這樣做。
應(yīng)該知道上面關(guān)于板的相互相對(duì)位置(如基本上平行)和板相對(duì)于被測(cè)載荷方向的位置(如垂直)的說(shuō)明都可應(yīng)用到本發(fā)明的其他實(shí)施例。
在某些情況下，系統(tǒng)的電容可這樣確定將系統(tǒng)連接到一個(gè)具有恒定電流AC電源的電路內(nèi)，根據(jù)這個(gè)已知的AC電流值，從越過(guò)傳感器的電壓變化便可確定電容。
在某些情況下，越過(guò)傳感器的電壓變化被用來(lái)確定傳感器阻抗的變化。阻抗用Z表示，為電路元件對(duì)電流提供的阻抗。電容器的阻抗已在上面用等式2限定。阻抗與電壓的關(guān)系如等式3V＝IZCAP等式3其中ZCAP為電容器(如系統(tǒng)400)的阻抗。這樣，越過(guò)系統(tǒng)400的電壓如發(fā)生變化，就說(shuō)明阻抗有變化，而這又說(shuō)明電容有變化。電容的變化量與變形有關(guān)，而變形又與WOB有關(guān)。
傳感系統(tǒng)400可位在BHA(如圖2中的200)內(nèi)的MWD鉆鋌(如圖2中的106)內(nèi)。在另一種安排中，系統(tǒng)可位在分隔開(kāi)的鉆鋌如圖1和2所示的鉆鋌107內(nèi)。在一鉆井系統(tǒng)中傳感器的位置并不能限制本發(fā)明。
另一個(gè)用來(lái)描述在鉆孔過(guò)程中作出測(cè)量的語(yǔ)詞為“鉆孔時(shí)測(cè)井”(“LWD”)。如同在本行業(yè)中所知，LWD通常指涉及地層和地層內(nèi)流體的性能的測(cè)量。這與MWD不一樣，MWD通常指涉及鉆頭的測(cè)量如孔口溫度和壓力、WOB、TOB和鉆頭的航線。由于本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例涉及測(cè)量作用在鉆頭上的力，在本說(shuō)明中使用“MWD”這個(gè)語(yǔ)詞。但應(yīng)注意，上述區(qū)別對(duì)本發(fā)明并沒(méi)有密切關(guān)系。使用MWD一詞并不是要排斥本發(fā)明的設(shè)有LWD鉆孔工具的實(shí)施例。
電容是與井下測(cè)量系統(tǒng)結(jié)合的技術(shù)的一例。其他非接觸位移的測(cè)量器件也可用來(lái)替代電容，如線性可變差動(dòng)變壓器、電阻抗、差動(dòng)可變磁阻、渦流、或電感傳感器。這些技術(shù)可用在一個(gè)殼體內(nèi)的兩個(gè)線圈使它們分別構(gòu)成感知和校正元件來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)傳感器的表面被移位與鐵素或高導(dǎo)材料貼近時(shí)，傳感線圈的磁阻被改變，其時(shí)校正線圈用來(lái)參照。用高頻正弦波磁動(dòng)勢(shì)激勵(lì)這兩個(gè)線圈，并用一個(gè)靈敏的解調(diào)器測(cè)量其差分的磁阻。微分這兩個(gè)線圈的輸出可以得到位置信號(hào)的靈敏的測(cè)量，同時(shí)抵消掉溫度引起的變化。鐵素靶由于磁路透磁性的更改，改變傳感線圈的磁阻；導(dǎo)電的靶(如鋁)由于環(huán)繞傳感線圈的場(chǎng)在靶的表層內(nèi)感應(yīng)的渦流的相互作用而運(yùn)作。解釋有關(guān)這種技術(shù)的公式和原理的例子可從下列網(wǎng)址中找到，這些網(wǎng)址在這里被整個(gè)引錄，供參考。
http//web.ask.com/redir？bpg＝http％3a％2f％2fweb.ask.com％2fweb％3fq％3deddy％2bcurrent％2bdisplacement％2bmeasurement％26o％3d0％26page％3d1&q＝eddy+current+displacement+measurement&u＝http％3a％2f％2ftm.wc.ask.com％2fr％3ft％3dan％26s％3da％26uid％3d071D59039D9B069F3％26sid％3d16C2569912E850AF3％26qid％3d2AE57B684BFE7F46ABCD174420281ABA％26io％3d8％26sv％3dza5cb0d89％26ask％3deddy％2bcurrent％2bdisplacement％2bmeasurement％26uip％3dd8886712％26en％3dte％26eo％3d-100％26pt％3dSensors％2b-％2bSeptember％2bl998％2b-％2bDesigning％2band％2bBuilding％2ban％2bEddy％2bCurrent％26ac％3d24％26qs％3d1％26pg％3d1％26ep％3d1％26te_par％3d204％26u％3dhttp％3a％2f％2fwww.sensorsmag.com％2farticles％2f0998％2fedd0998％2fmain.shtml&s＝a&bu＝http％3a％2f％2fwww.sensorsmag.com％2farticles％2f0998％2fedd0998％2fmain.shtml
該網(wǎng)址說(shuō)明渦流傳感器及其在非接觸的位置和位移測(cè)量上的使用。按照磁感應(yīng)原理運(yùn)作的渦流傳感器能夠測(cè)量金屬靶的位置，即使被非金屬材料如塑料、不透明的流體、和灰塵阻隔。渦流傳感器又是結(jié)實(shí)的，能在污染的環(huán)境下廣泛的溫度范圍內(nèi)動(dòng)作。
渦流位移傳感器典型地包括四個(gè)組件(1)傳感線圈；(2)靶；(3)驅(qū)動(dòng)電子線路；和(4)信號(hào)處理塊。當(dāng)傳感線圈被AC電流驅(qū)動(dòng)時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生一個(gè)振蕩的磁場(chǎng)而在任何鄰近的金屬物體(即靶)內(nèi)誘導(dǎo)出渦流。該渦流在與線圈內(nèi)電流相反的方向上循環(huán)，減少線圈內(nèi)的磁通量，從而減少其電感。該渦流還散發(fā)能量，增加線圈的電阻。這些電工原理可被用來(lái)確定靶離開(kāi)線圈的位移。
有關(guān)LVDT的理論和操作的一例可在下列網(wǎng)址上找到，該網(wǎng)址被整個(gè)引錄供參考http//www.macrosensors.com/primerframe.htm在相關(guān)部分內(nèi)，上述網(wǎng)址說(shuō)，線性可變差動(dòng)變壓器(“LVDT”)是一個(gè)電-機(jī)械的變送器，它能將直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)。取決于具體的系統(tǒng)，LVDT可以靈敏地覺(jué)察到小至幾百萬(wàn)分之一英寸的直線運(yùn)動(dòng)。
典型的LVDT包括一個(gè)線圈和一個(gè)鐵芯。該線圈組合件由一個(gè)設(shè)在中央的初級(jí)繞組和兩個(gè)在初級(jí)繞組兩側(cè)的次級(jí)繞組構(gòu)成。典型地這些繞組都被成形在熱穩(wěn)定的玻璃上并被包圍在高導(dǎo)磁的屏蔽內(nèi)。線圈組合件典型地是LVDT傳感器的固定部分。
LVDT的活動(dòng)元件是鐵芯，典型地它是一個(gè)圓筒形元件，可在線圈組合件內(nèi)移動(dòng)到留出一些徑向間隙。該鐵芯通常由高導(dǎo)磁的材料制成。
操作時(shí)，初級(jí)繞組充有AC電流稱為初次激勵(lì)。LVDT的電輸出為兩個(gè)次級(jí)繞組之間的差動(dòng)電壓，該電壓隨著鐵芯在線圈組合件內(nèi)的軸向位置而變。
LVDT的初級(jí)繞組由波幅恒定的AC電流充電。發(fā)生的磁通量被鐵芯耦合到次級(jí)繞組上。如果鐵芯被移動(dòng)到更靠近第一個(gè)次級(jí)繞組，那么在第一個(gè)次級(jí)繞線內(nèi)誘導(dǎo)出的電壓將增加，而在另一個(gè)次級(jí)繞組內(nèi)誘導(dǎo)出的電壓將減少。這就造成一個(gè)差動(dòng)電壓。
圖5A-5C將這個(gè)電容應(yīng)用到TOB式的測(cè)量器件。圖5A-5C畫(huà)出電容系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施例500。這個(gè)系統(tǒng)500與系統(tǒng)400相同，只是系統(tǒng)500包括的導(dǎo)電板504和介電質(zhì)506是另一種承受旋轉(zhuǎn)力TOB的形狀。在這實(shí)施例中，載荷承受元件為鉆鋌502而TOB力是通過(guò)鉆鋌軸線轉(zhuǎn)移的。
在圖5A-5C中畫(huà)出的電容系統(tǒng)500中，板504沿著鉆鋌502的內(nèi)表面被裝在一個(gè)支承或安裝件(未示出)上。兩塊板504被裝在不同的徑向位置上并各沿徑向向鉆鋌的中心延伸。這兩板504被這樣定位，使當(dāng)鉆孔工具旋轉(zhuǎn)時(shí)，它們也沿著鉆鋌的轉(zhuǎn)線轉(zhuǎn)動(dòng)。換句話說(shuō)，當(dāng)鉆孔工具旋轉(zhuǎn)時(shí)，板504之間的距離L5將根據(jù)所施加的TOB力伸展和收縮。圖5B為沿圖5A中5B-5B線的剖面。圖5B畫(huà)出在初始位置時(shí)兩塊平行板504之間的距離L5。圖5C畫(huà)出在施加旋轉(zhuǎn)力TOB后兩塊平行板504之間的距離L’5。在這情況下，L’5大于L5。
圖6A和6B將這個(gè)電容應(yīng)用到彎曲式的測(cè)量器件。圖6A和6B畫(huà)出電容系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施例600。這個(gè)系統(tǒng)600與系統(tǒng)400相同，只是系統(tǒng)600包括的導(dǎo)電板604和介電質(zhì)606是另一種承受軸向彎曲的形狀。在這實(shí)施例中，載荷承受元件為鉆鋌602，而彎曲作為力矩沿著鉆鋌602軸線被轉(zhuǎn)移。
在圖6A中畫(huà)出的電容系統(tǒng)600中，板604沿著鉆鋌602的內(nèi)表面被安裝而離開(kāi)鉆鋌602的中心軸線。板604被定位得與鉆鋌602的軸線垂直，使當(dāng)鉆孔工具彎曲時(shí)板604會(huì)隨之移動(dòng)如圖6B所示。換句話說(shuō)，當(dāng)鉆孔工具彎曲時(shí)，板604之間的距離L6將根據(jù)所施的彎曲力伸展和收縮。圖6B畫(huà)出系統(tǒng)600和施加彎曲力后在兩板604之間造成的距離L’6。
上面所說(shuō)的系統(tǒng)有一個(gè)或多個(gè)位在鉆鋌的軸線上。在這位置上，傳感系統(tǒng)要對(duì)WOB造成的變形負(fù)責(zé)。在某些情況下，它們可能具有對(duì)彎曲不敏感的額外的優(yōu)點(diǎn)。例如在圖4A所示的傳感系統(tǒng)中，WOB的作用是使兩塊電容板404的所有部分移動(dòng)得都更靠近。但若鉆鋌402被彎曲，該作用將使傳感器400上的板404這樣移動(dòng)，一半更為靠近，另一半更為分開(kāi)。這個(gè)作用將抵消彎曲的作用，使傳感器400基本上對(duì)彎曲不敏感。
上述的圖6A和6B所示的系統(tǒng)600處在偏離鉆鋌602軸線的位置，它卻能檢測(cè)鉆桿組的彎曲。
圖6C示出另一個(gè)鉆鋌602a的徑向剖面。鉆鋌602a與圖6A和6B中示出的鉆鋌相同，只是鉆鋌602a包括三個(gè)鉆鋌系統(tǒng)610、620、630，它們都位在鉆鋌602a的葉片603a、603b、603c上并能檢測(cè)井下載荷。鉆鋌602a中心部或轂部可容納其他傳感器或設(shè)備。當(dāng)鉆鋌602a受到例如由于WOB的壓縮變形時(shí)，系統(tǒng)610、620、630的電容都有相似的變化。但當(dāng)鉆鋌602a彎曲時(shí)，系統(tǒng)610、620、630中至少有一個(gè)會(huì)增加板間距離(即減少電容)，并且至少還有一個(gè)會(huì)減少板間距離(即增加電容)，而第三個(gè)傳感器在鉆鋌彎曲時(shí)可能會(huì)經(jīng)歷壓縮或膨脹，要看彎曲的方向而定。在鉆鋌602a內(nèi)使用三個(gè)系統(tǒng)610、620、630全部，就能同時(shí)確定WOB和彎曲。
圖7A-7D將這個(gè)電容應(yīng)用到另一個(gè)彎曲式的測(cè)量器件上。圖7A-7B畫(huà)出電容系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施例700。這個(gè)系統(tǒng)700與系統(tǒng)600相同，只是這個(gè)系統(tǒng)700包括的導(dǎo)電板704和介電質(zhì)706是另一種承受徑向彎曲力的形狀。另外，有一平臺(tái)定位在鉆鋌內(nèi)用來(lái)支承板704。在這實(shí)施例中，載荷承受元件為鉆鋌702而彎曲力作為力矩沿著鉆鋌軸線被轉(zhuǎn)移。
在圖7A中畫(huà)出的電容系統(tǒng)700中，板704被裝在位在通道708內(nèi)的平臺(tái)710上。平臺(tái)710有一底部716裝在鉆鋌702的內(nèi)表面712上，和一軸部714從底部沿著鉆鋌702的中心軸線向上延伸。其中一塊板定位在中心軸714上，另一塊板704定位在內(nèi)表面712上，離開(kāi)第一塊板的距離為L(zhǎng)7。這兩塊板704的定位與鉆鋌軸線平行，當(dāng)鉆孔工具彎曲時(shí)，板704會(huì)相應(yīng)移動(dòng)，如圖7B所示。換句話說(shuō)，當(dāng)工具彎曲時(shí)，板間距離704會(huì)根據(jù)所話加的彎曲力伸展和收縮。如圖7B所示，施加在鉆鋌702上的彎曲力使鉆鋌702和平臺(tái)710連同定位在其上的相關(guān)板704的位置偏移。系統(tǒng)700在運(yùn)動(dòng)后造成距離L’7。
圖7C-7D畫(huà)出電容系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施例700a。系統(tǒng)700a與系統(tǒng)700相同，只是系統(tǒng)700a包括的導(dǎo)電板704a和介電質(zhì)706a是另一種承受徑向彎曲的形狀。另外，平臺(tái)710a和支承720a被定位在鉆鋌內(nèi)用來(lái)支承板704a。在這實(shí)施例中，載體承受元件為鉆鋌702a。
在圖7C中畫(huà)出的電容系統(tǒng)700a中，板704被裝在定位在通道708a內(nèi)的平臺(tái)710a上。平臺(tái)710a有一底部716a裝在鉆鋌的內(nèi)表面712a上，和一軸部從底部沿著鉆鋌的中心軸線延伸。兩塊板中的一塊704a定位在中心軸上，另一塊704a定位在內(nèi)表面712a上的支承720上，離開(kāi)第一塊板的距離為L(zhǎng)7A，而兩塊板之間的投影面積為A7A。板704a的定位與鉆鋌軸線垂直，因此當(dāng)鉆鋌工具彎曲時(shí)，兩塊板隨之互相平行地移動(dòng)如圖7D所示。換句話說(shuō)，當(dāng)工具彎曲時(shí)，板間距離將根據(jù)所施加的徑向彎曲伸展和收縮。另外，兩塊板的平行運(yùn)動(dòng)會(huì)將板間面積改變?yōu)锳’7A。如圖7D所示，施加在鉆鋌702a上的會(huì)使鉆鋌的位置和平臺(tái)連同定位在其上的相關(guān)的板的位置偏移。系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)造成距離L’7a和面積A’7A。
現(xiàn)在參閱圖8A-8B，其中畫(huà)出電容系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例800，該系統(tǒng)具有互相平行的導(dǎo)電板并且放置得與載荷軸線平行。本例是將電容應(yīng)用于WOB式的測(cè)量器件。系統(tǒng)800與系統(tǒng)400相同，只是系統(tǒng)800包括的導(dǎo)電板804和介電質(zhì)806是另一種形狀。在這實(shí)施例中，載荷承受元件為鉆鋌802而WOB力通過(guò)鉆鋌軸線被轉(zhuǎn)移。
在圖8A畫(huà)出的電容系統(tǒng)中，板804被裝在定位在由鉆鋌802的內(nèi)表面812形成的通過(guò)808內(nèi)的平臺(tái)810上。平臺(tái)810將板支承在其內(nèi)在兩板之間形成面積A8。當(dāng)將WOB施加在鉆孔工具上時(shí)，板804會(huì)隨之沿著鉆鋌軸線變形。換句話說(shuō)，當(dāng)工具被壓縮或延伸時(shí)，板間面積A8會(huì)隨著所施加的WOB力而改變。這個(gè)由導(dǎo)電板804得到的變形與載荷承受元件的變形成正比。如圖8B所示，板面于是隨著載何承受元件變形將面積改變?yōu)锳’8。
現(xiàn)在參閱圖9A-10B，其中畫(huà)出的電容系統(tǒng)實(shí)施例具有互相平行而互相對(duì)向移動(dòng)的兩塊導(dǎo)電板。變形是由兩塊板在互相對(duì)向移動(dòng)時(shí)它們之間投影面積的改變而得到的。圖9A和9B將這應(yīng)用到TOB式的測(cè)量器件上。圖9A畫(huà)出電容系統(tǒng)的另一種實(shí)施例。系統(tǒng)900與系統(tǒng)400相同，只是系統(tǒng)900包括的導(dǎo)電板904和介電質(zhì)906是另一種形狀。在這實(shí)施例中，載荷承受元件為鉆鋌902，TOB力通過(guò)鉆鋌軸線被轉(zhuǎn)移。
在圖9A和9B畫(huà)出的電容系統(tǒng)900中，平臺(tái)910被定位在由鉆鋌902的內(nèi)表面912形成的通道908內(nèi)。平臺(tái)910裝在內(nèi)表面912上并通過(guò)鉆鋌902的通道908延伸。第一塊板被定位在平臺(tái)910上，而第二塊板被定位在與第一塊板鄰近的鉆鋌902的內(nèi)表面912上。兩塊板904最好互相平行，在它們之間有一塊面積A9。兩塊板904被這樣定位，使當(dāng)將TOB力施加在鉆孔工具上而鉆鋌902迅速變形時(shí)，兩塊板會(huì)根據(jù)這個(gè)變形作相互相對(duì)移動(dòng)。換句話說(shuō)，當(dāng)將力施加到鉆鋌902上時(shí)，兩塊板904會(huì)根據(jù)所施加的TOB力，相互相對(duì)環(huán)繞鉆鋌軸線旋轉(zhuǎn)。鉆鋌902的變形然后可由傳感器的兩塊重疊的投影面積的改變來(lái)獲得。重疊面積根據(jù)鉆鋌的變形來(lái)改變。圖9A畫(huà)出在TOB施加之前板的位置和板間面積A9。圖9B畫(huà)出在TOE施加之后板的位置和板間面積A’9。
圖10A和10B將這應(yīng)用到彎曲式的測(cè)量器件上。圖10畫(huà)出電容系統(tǒng)的另一種實(shí)施例1000。系統(tǒng)1000與系統(tǒng)400相同，只是系統(tǒng)1000包括的導(dǎo)電板1004和介電質(zhì)1006是另一種形狀。在這實(shí)施例中，載何承受元件為鉆鋌1002，而彎曲力作為力矩沿著鉆鋌軸線被轉(zhuǎn)移。
在圖10A和10B畫(huà)出的電容系統(tǒng)1000中，板1004被裝在定位在由鉆鋌1002的內(nèi)表面1012所形成的通道1008內(nèi)的平臺(tái)1010上。平臺(tái)1010支承著板1004而在板間留出面各A10。兩塊板1004被這樣定位，使當(dāng)有彎曲力施加在鉆孔工具上時(shí)，兩塊板1004會(huì)隨之相對(duì)于鉆鋌軸線迅速變形。換句話說(shuō)，當(dāng)工具被彎曲時(shí)，兩塊板1004會(huì)隨彎曲力矩而彼此相對(duì)旋轉(zhuǎn)，而面積A10會(huì)根據(jù)所施加的彎曲力改變。鉆鋌1002的變形然后可由傳感器的重疊投影面積的改變來(lái)獲得。重疊面積是根據(jù)鉆鋌1002的變形來(lái)改變的。
如上在圖4A-10B中所示，電容系統(tǒng)都是被包含有一單個(gè)的鉆鋌內(nèi)。但該系統(tǒng)也可被定位在鉆孔工具的其他位置內(nèi)或橫跨多個(gè)鉆鋌。另外，多個(gè)系統(tǒng)可被包含及/或定位在一單個(gè)鉆鋌內(nèi)以便提供多種型式的力的測(cè)量。其他一些傳感器可與一個(gè)或多個(gè)這種系統(tǒng)結(jié)合而提供的測(cè)量例如可包括井下壓力、溫度、密度、表壓、壓差、橫向震動(dòng)、滾動(dòng)震動(dòng)、振動(dòng)、旋渦、反向旋渦、粘著、滑動(dòng)、回彈、加速度和深度等等。傳送機(jī)、計(jì)算機(jī)或其他裝置可被鏈接到傳感器上以便將測(cè)量結(jié)果傳送到地面(最好是高數(shù)據(jù)傳送率的)、分析、壓縮或其他產(chǎn)生數(shù)據(jù)的處理并相應(yīng)地采取行動(dòng)。
應(yīng)變規(guī)圖11A-12B畫(huà)出可用于鉆孔工具的各種應(yīng)變規(guī)系統(tǒng)。這里的每一個(gè)實(shí)施例都采用一個(gè)可連接到如同圖1和2那樣的鉆桿組上的鉆鋌，以便用來(lái)測(cè)量井下的作用在鉆孔工具上的力如WOB、TOB和彎曲力。
圖11A-11D畫(huà)出的應(yīng)變規(guī)系統(tǒng)1100包括一個(gè)具有貫穿的螺旋形切口或間隙1106的鉆鋌1102和一個(gè)應(yīng)變規(guī)1104。該鉆鋌1102可設(shè)有帶螺紋的端頭(未示出)以便可操作地連接到如同圖1和2那樣的鉆桿組。
在鉆鋌內(nèi)的螺旋形切口1106被用來(lái)放大作用到鉆鋌上的力及/或減少靜液壓力作用在測(cè)量讀數(shù)的影響。由于作用在鉆頭上的重量而出現(xiàn)在鉆鋌內(nèi)的軸向力可被轉(zhuǎn)變成扭矩。由于該扭矩而產(chǎn)生的剪應(yīng)變可被測(cè)量并且在鉆鋌軸線方向施加的垂直的線性函數(shù)。
間隙1106最好環(huán)繞鉆鋌的中心部分延伸，將鉆鋌部分分隔成一個(gè)頂部1108、一個(gè)底部1110、和一個(gè)在其間的中央部1111。所說(shuō)間隙延伸穿過(guò)鉆鋌的壁使鉆鋌能作較大的變形而在力的使用下造成彈簧狀的運(yùn)動(dòng)。最好如圖11A中的點(diǎn)線所示，一部分鉆鋌可在部分1120和1122處保持連結(jié)以便將鉆鋌的各部分固定在一起。如圖11B所示，間隙被螺旋形地設(shè)置在中心部分的周?chē)?。但其他幾何形狀或形狀設(shè)計(jì)也可考慮。
采用間隙，鉆鋌傳遞鉆孔所需扭矩的能力可能被減少。為了提供所需的扭矩，有一載荷套筒被固定到鉆鋌上。如圖11C和11D所示，載荷套筒1112最好沿著間隙被定位在鉆鋌的周?chē)?。套?112包括一個(gè)外部1114、一個(gè)套筒1116、螺紋環(huán)1118、和一個(gè)扭矩傳遞鍵1120。還可提供一個(gè)鎖緊螺帽1115將套筒固定到鉆鋌上。密封件1123也可提供以便防止流體流動(dòng)通過(guò)套筒。套筒1116最好沿著間隙裝在鉆鋌內(nèi)側(cè)。
外部1114設(shè)在鉆鋌外表面周?chē)员銋f(xié)助將鉆鋌的各部分固定在一起。外部傳遞施加到鉆鋌上的扭矩并減少軸向力。外部還可防止泥漿通過(guò)間隙流到鉆鋌內(nèi)。內(nèi)部1116沿著鉆鋌的內(nèi)表面定位用來(lái)使鉆鋌隔離鉆孔泥漿。內(nèi)部還使鉆鋌隔離溫度波動(dòng)。螺紋環(huán)1118和鎖緊螺帽1115被定位在鉆鋌的內(nèi)、外表面上與套筒部分鄰近的地方以便環(huán)繞鉆鋌將套筒固定在位。
扭矩傳遞鍵1120最好定位在鉆鋌外表面上與外部鄰近處。分兩鍵第一鍵將扭矩從鉆鋌的頂部傳遞到套筒，第二鍵將扭矩從套筒傳遞到下鉆鋌。這兩鍵最好這樣設(shè)置，以便能作軸向運(yùn)動(dòng)及/或分開(kāi)內(nèi)部的和外部的泥漿流。
應(yīng)變規(guī)1104如金屬箔應(yīng)變規(guī)最好被定位得與鉆鋌軸線成45°以便測(cè)量剪應(yīng)變，該剪應(yīng)變?yōu)樾枰獪y(cè)量的WOB、TOB和彎曲力的函數(shù)。
圖12A和12B畫(huà)出應(yīng)變規(guī)系統(tǒng)1200另一個(gè)可任選的形狀設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)包括一個(gè)鉆鋌1202、一個(gè)中央元件1208、和一個(gè)壓力套筒1203。在這實(shí)施例中，在鉆孔作業(yè)時(shí)正常施加到鉆鋌上的力被施加到中央元件上。中央元件連接鉆鋌的第一部分1214和第二部分1216。中央元件最好具有比鉆鋌小的橫截面以便當(dāng)將力施加到鉆鋌及/或中央元件時(shí)用來(lái)放大所遭受的變形。
中央元件1208包括一個(gè)外殼1206、一個(gè)內(nèi)殼1204、密封件1212、一個(gè)鎖緊螺帽1219和應(yīng)變規(guī)1211。中央元件1208可操作地被連接在鉆鋌1202的第一部分1214和第二部分1216之間。連接最好是不再分開(kāi)的，這樣第一部分、中央元件和第二部分便構(gòu)成一單個(gè)構(gòu)件。另一個(gè)可能是將鉆鋌的一個(gè)部分和中央元件制成一個(gè)整件，再用鎖緊螺帽(未示出)連接鉆鋌的第二部分。雖然載荷套筒及其構(gòu)件被畫(huà)成分開(kāi)的構(gòu)件，但應(yīng)知道這種構(gòu)件可制成整件。
在中央元件內(nèi)最好設(shè)有通道1218以便允許鉆鋌內(nèi)的流體流入到應(yīng)變規(guī)鄰近的區(qū)域內(nèi)。這個(gè)流體流動(dòng)使中央元件上支承應(yīng)變規(guī)的部分這樣變形即由于靜液壓力造成的變形基本上可被消除。通道可具有任何其他的幾何形狀尺寸并用應(yīng)變規(guī)定位在其上的區(qū)域可具有任何其他的幾何形狀尺寸，使由于靜液壓力而造成的該區(qū)域的總變形基本上為零。
壓力套筒被連結(jié)到鉆鋌的上部并可相對(duì)于鉆鋌的下部滑動(dòng)及/或轉(zhuǎn)動(dòng)。密封件1220被定位在鉆鋌的部分和壓力套筒之間。
鉆鋌的功能被分開(kāi)成為載荷的傳送功能和壓力及/或泥漿的分開(kāi)功能。載荷傳送功能由中央元件1208得到，壓力及/或泥漿分開(kāi)功能由壓力套筒1203得到。
中央元件被牢固地固定在鉆鋌的兩個(gè)部分之間。中央元件將鉆桿線接受的、軸向的和扭轉(zhuǎn)的載荷轉(zhuǎn)移出去。壓力套筒吸收施加到鉆鋌上的內(nèi)、外壓力，并密封鉆鋌的兩個(gè)部分。這個(gè)套筒最好在彎曲時(shí)不承擔(dān)組合件的堅(jiān)硬性。
由于靜液壓力造成的鉆鋌的變形可被通道1218減少。應(yīng)變規(guī)區(qū)域被這樣設(shè)計(jì)使由于通道1218內(nèi)的靜液壓所造成的拉應(yīng)變可疊加在由于靜液壓力作用在中央元件的外直徑和表面上所造成的壓縮和周邊的應(yīng)變上。例如在應(yīng)變規(guī)下面能實(shí)現(xiàn)一個(gè)拱形的變形。
溫度梯度在鉆鋌上的影響及從鉆鋌沒(méi)有應(yīng)變的基準(zhǔn)溫度開(kāi)始的穩(wěn)定狀態(tài)溫度變化的影響也都可被減少及/或被防止轉(zhuǎn)移到中央元件。這樣，雖然中央元件本身遭受溫度變化引起變形，但可將一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的完全的惠司登橋(未示出)裝在中央元件上來(lái)減少傳感器的由于溫度變化而造成的輸出。中央元件由于環(huán)繞鉆鋌軸線彎曲而造成的變形是微小的，因?yàn)閭鞲性陌霃脚c鉆鋌的半徑相比要小得多。
圖12C和12D畫(huà)出應(yīng)變規(guī)系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施例1200a。該系統(tǒng)由一個(gè)具有貫穿通道1276的鉆鋌1202a和一個(gè)定位在通道內(nèi)的載荷傳感器系統(tǒng)1278構(gòu)成。在載荷傳感器系統(tǒng)和鉆鋌之間設(shè)有流動(dòng)區(qū)域1279可允許泥漿流動(dòng)通過(guò)。通道及/或流動(dòng)區(qū)域可具有多種幾何形狀如圓形或不規(guī)則形。
載荷傳感器系統(tǒng)1278包括一個(gè)支承在通道1276內(nèi)的載荷傳感器殼體，一個(gè)載荷傳感器1280，活塞1281和一個(gè)鎖緊螺帽1282。在該殼體1284內(nèi)有一容納載荷傳感器的第一空腔1286和一個(gè)容納活塞的第二空腔1288。該活塞移動(dòng)通過(guò)第二空腔以便從具有載荷傳感器的第一空腔內(nèi)轉(zhuǎn)移靜液壓力。載荷傳感器最好由一個(gè)較弱的應(yīng)變規(guī)區(qū)域1290、兩個(gè)強(qiáng)區(qū)域1292和一個(gè)圓筒形中央空腔1294構(gòu)成。
在作業(yè)時(shí)鎖緊螺帽1282將載荷傳感器夾持在位并牢固地將載荷傳感器這樣連接到鉆鋌上，使軸向的、周邊的和徑向的變形以及由作用在鉆鋌上的扭矩而引起的變形都被轉(zhuǎn)移到載荷傳感器上。鎖緊螺帽可具有圓筒形空腔1296以便在鉆鋌軸線方向調(diào)整鎖緊螺帽的剛度。
鎖緊螺帽和載荷傳感器的幾何形狀最好這樣選擇使鉆鋌在組合件整個(gè)長(zhǎng)度上的變形集中在鎖緊螺帽的較弱的區(qū)域內(nèi)并且這樣來(lái)被應(yīng)變規(guī)感知。而且，載荷傳感器內(nèi)圓筒形空腔1296的幾何形狀被這樣選擇使載荷傳感器由于鉆鋌上的靜液壓力載荷而遭受的應(yīng)變等于載荷傳感器由于圓筒形空腔上的壓力載荷而遭受的應(yīng)變，這樣來(lái)抵消。
鉆用震擊器圖13-14C畫(huà)出可在鉆孔工具內(nèi)使用的鉆用震擊器系統(tǒng)。這種實(shí)施例中的每一個(gè)都采用一個(gè)可連接到如圖1和2所示那樣的鉆桿組上的鉆用震擊器，用來(lái)測(cè)量作用在鉆孔工具上的井下的力如WOB、TOB和彎曲力。鉆用震擊器是一種器件，通常與“吊鉤”工具結(jié)合用來(lái)從井孔上除去粘住的管子。這樣震擊器的一例曾在美國(guó)專利5,033,557號(hào)描述過(guò)，該專利被指定由本發(fā)明的受委托人代理。這里使用的鉆用震擊器引用了震擊器的各種形式，可用來(lái)進(jìn)行各種井下測(cè)量。
圖13A-13C的鉆用震擊器1300包括一個(gè)具有上部1316和下部1318、兩者可滑動(dòng)地連接在一起的鉆鋌1302。還包括一個(gè)鎖緊螺帽1304，一個(gè)扭矩傳遞鍵1306，一個(gè)活塞1308，位移傳感器1310、1312和一個(gè)彈簧1314。鉆用震擊器還可設(shè)有一個(gè)基架和密封件(未示出)。
鉆鋌的第一和第二部分的運(yùn)動(dòng)由彈簧或彈性元件控制。設(shè)有鎖緊螺帽1304以便防止鉆鋌分離。在鉆鋌內(nèi)裝有位移傳感器1310、1312以便測(cè)量在兩個(gè)鉆鋌部之間走過(guò)的距離。這個(gè)距離是施加在鉆鋌上的WOB力的函數(shù)。最好還設(shè)有活塞1308以便補(bǔ)償壓力并防止由于靜液壓力而在兩個(gè)鉆鋌部之間位移。最好還設(shè)置扭矩傳遞鍵以便將相關(guān)鉆鋌部的轉(zhuǎn)動(dòng)傳遞給鉆頭。
鉆鋌的兩個(gè)部分被連結(jié)在一起以便傳遞扭矩(通過(guò)鍵1306)。在兩個(gè)部分之間引入彈性元件1314如彈簧或彈性顯著比鋼大的固體。當(dāng)鉆鋌被壓縮而兩個(gè)部分相互相向移動(dòng)時(shí)彈性元件就被變形。這時(shí)可將距離測(cè)量下來(lái)。
由重量以外的其他因素如熱膨脹、熱梯度和熱瞬變而造成的鉆鋌的變形與由于重量而造成的彈性元件的變形相比是比較小的。因此校正的準(zhǔn)確度可比鉆鋌本身的變形被測(cè)量時(shí)的求解稍差；而在后一種情況下，WOB造成的變形比起其他載荷只是屬于較小的數(shù)量級(jí)。
圖14A-14C畫(huà)出圖13A-C中的鉆用震擊器的另一個(gè)實(shí)施例1400。鉆用震擊器1400利用一個(gè)流體室的設(shè)計(jì)來(lái)替代圖13A-13C中畫(huà)出的彈簧的設(shè)計(jì)。鉆用震擊器1400具有上部1416、中部1414和下部1418、還包括一個(gè)扭矩傳遞鍵1406、一個(gè)電子基架1408、一個(gè)壓力傳感器1410、一個(gè)電子線路板1412和一個(gè)鎖緊螺帽1405。
電子基架1408設(shè)在鉆鋌內(nèi)表面周?chē)c兩部分會(huì)合處鄰近。最好設(shè)有電子基架以便用來(lái)支承用傳感器測(cè)量壓力的電子線路。該電子線路可被用來(lái)將收集的數(shù)據(jù)傳送到BHA。
鉆鋌的兩個(gè)部分可相互相對(duì)滑動(dòng)并通過(guò)鎖緊螺帽1405被固定在一起。它們被連結(jié)，從而在鉆鋌周?chē)纬梢粋€(gè)壓力密封的圓筒形隔間1424。該隔間充有液壓流體。流體的壓力隨著靜液壓力的增加和軸向壓縮而增加。有一機(jī)械的停止檔可被用來(lái)固定隔間不讓它達(dá)到爆裂的壓力。流體的壓力隨著靜液壓力的減少和軸向拉伸載荷而減少。這時(shí)還可用另一個(gè)機(jī)械停止檔(未示出)來(lái)防止鉆鋌的兩個(gè)部分在過(guò)分拉伸時(shí)散架。
可以設(shè)置一個(gè)壓力傳感器來(lái)測(cè)量室內(nèi)的壓力。流體室內(nèi)的壓力是施加在鉆鋌上的WOB力的函數(shù)。流體的壓力和溫度被監(jiān)控并被設(shè)定使與隔間1424體積的改變有關(guān)。這個(gè)體積的改變是作用在鉆鋌上的力的函數(shù)。泥漿壓力也可被測(cè)量并被用來(lái)補(bǔ)充軸向的測(cè)量。這些測(cè)量可被用來(lái)進(jìn)一步限定并分析井下的力。
圖15為一流程圖，該圖畫(huà)出進(jìn)行測(cè)量時(shí)可被使用的光學(xué)工步。一旦井下的鉆桿組和鉆孔工具在井孔內(nèi)時(shí)便可確定井下的力。作用在鉆孔工具上的力通過(guò)傳感器(如圖4A-14C中的任一項(xiàng))被測(cè)量。測(cè)量結(jié)果可用已知的遙測(cè)系統(tǒng)傳送到地面。測(cè)量結(jié)果被分析以便確定井下的力。處理器或其他器件可被定位在井下或地面以便處理測(cè)量數(shù)據(jù)。鉆孔決定可根據(jù)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)和信息作出。
該方法包括在步驟1501將一鉆桿組和一鉆孔工具定位在井孔內(nèi)。其次在工步1502使用傳感器測(cè)量作用在鉆孔工具上的力。這一工步可包括測(cè)量傳感器的電性能。該數(shù)據(jù)涉及鉆孔工具的變形，而該變形涉及作用在鉆孔工具上的載荷。
該方法然后可包括數(shù)個(gè)可替代使用的工步。例如可包括在工步1511和1503，分析測(cè)量結(jié)果以便確定使用在鉆孔工具上的力或者還確定鉆孔的運(yùn)動(dòng)。在某些情況下，確定力包括確定在載荷下鉆孔工具的變形?；蛘?，該載荷可被直接確定，不需特為確定鉆孔工具的變形。
繼續(xù)進(jìn)行1502以下的一系列可替代的工步。其次，在工步1504，可將測(cè)量結(jié)果傳送到地面上。這可用本行業(yè)已知的任何一種遙測(cè)方法例如泥漿脈沖遙測(cè)技術(shù)來(lái)完成。最后，該方法可包括在工步1505，根據(jù)對(duì)井下力、載荷和運(yùn)動(dòng)的測(cè)量結(jié)果調(diào)整鉆孔參數(shù)。
在另一條可替代的路線內(nèi)，該方法可包括在工步1521，將測(cè)量結(jié)果或分析的測(cè)量結(jié)果記錄在存儲(chǔ)器內(nèi)。這可用測(cè)量結(jié)果(由工步1502)或用分析的測(cè)量結(jié)果(由工步1511)來(lái)完成。
在另一個(gè)可替代的方法中，在工步1531，可將測(cè)量結(jié)果傳送到地面上；在工步1532，在地面上數(shù)據(jù)可被分析以便確定作用在鉆孔工具上的力和載荷。然后可根據(jù)井下載荷測(cè)量的結(jié)果調(diào)整鉆孔參數(shù)。
鉆孔工具在作測(cè)量時(shí)可結(jié)合加速度計(jì)、磁強(qiáng)儀、陀螺儀及/或其他傳感器進(jìn)行。例如這種結(jié)合可包括一個(gè)三軸磁強(qiáng)儀、一個(gè)三軸加速度計(jì)、和角加速度計(jì)用來(lái)確定角度位置、方位(地平經(jīng)度)位置、傾斜度、WOB、TOB、環(huán)壓力、內(nèi)部壓力、泥漿溫度、鉆鋌溫度、瞬間溫度、鉆鋌的溫度梯度、等等。測(cè)量最好在高試樣率例如約為1KHz下進(jìn)行。
圖16A示出使用LVDT來(lái)確定壓縮變形的按照本發(fā)明的另一個(gè)系統(tǒng)1600。該系統(tǒng)設(shè)在一個(gè)鉆鋌1602內(nèi)，包括一個(gè)環(huán)狀“線圈”1611和一個(gè)圓筒形鐵芯1612。該鐵芯1612能在線圈1611內(nèi)移動(dòng)。圖16B為沿圖16A中16B-16B線切開(kāi)的傳感器1600的徑向剖面。鐵芯1612位在線圈1611內(nèi)。整個(gè)傳感器1600位在鉆鋌的軸線上。
線圈1611為一空心圓筒，其中包括一個(gè)在中央的初級(jí)繞組和兩個(gè)靠近圓筒端頭的次級(jí)繞組(繞組是本行業(yè)所熟悉的，未在圖中示出)。鐵芯可由透磁材料構(gòu)成，其大小使它能在線圈1611內(nèi)沿軸向移動(dòng)，兩者之間不會(huì)接觸。初級(jí)繞組充有AC電流，而輸出信號(hào)即在兩個(gè)次級(jí)繞組之間的差動(dòng)電壓與鐵芯1612在線圈1611內(nèi)的位置有關(guān)。使線圈1611和鐵芯1612在鉆鋌1612內(nèi)不同的軸向點(diǎn)上連結(jié)，當(dāng)鉆鋌由于載荷如WOB而遭受變形時(shí)，鐵芯1612和線圈1611將相互相對(duì)運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)的量與WOB的量有關(guān)，因此后者可被確定。
圖16A和16B中的系統(tǒng)使用一個(gè)類似電感的原理來(lái)確定變形。即用一個(gè)恒定的AC電源，量出的差動(dòng)電壓的變化可指示傳感器在電感上的變化。電阻抗和電感之間的關(guān)系在等式4中示出Z＝2πL 等式4其中L為傳感器的電感。由于電感的變化是由鐵芯1612在線圈1611內(nèi)的運(yùn)動(dòng)引起的，因此電阻抗的變化與變形量和WOB有關(guān)。
圖17示出另一個(gè)LVDT的鉆孔傳感器系統(tǒng)1700。系統(tǒng)1700與圖16A-B中的系統(tǒng)500相似，只是線圈1711和鐵芯1712是弧形的或曲線的，因此當(dāng)鉆鋌1702遭受TOB時(shí)，它們能相互相對(duì)運(yùn)動(dòng)。在某些實(shí)施例中，線圈1711和鐵芯1712在不同的徑向位置被連結(jié)到鉆鋌1702上，因此鉆鋌1702的由于TOB的變形將在線圈1711和鐵芯1712之間造成相對(duì)運(yùn)動(dòng)。例如支承1721和支承1722可在不同的徑向位置上被連結(jié)到鉆鋌1702上。
圖18A示出一個(gè)傳感器系統(tǒng)1800的徑向剖面，該系統(tǒng)1800位在鉆鋌1802中心轂部1801內(nèi)的軸線上，包括四個(gè)電容器板1811、1812、1821、1822。第一電容器板1811和第三電容器板1821設(shè)在內(nèi)壁1809上，以180°間隔開(kāi)。有一立柱1805位在鉆鋌1802的中心。第二電容器板1812和第四電容器板1822固定在立柱1805上，兩者也以180°間隔開(kāi)，并各與第一電容器板1811和第三電容器板1821相對(duì)。鉆鋌1802有三個(gè)輻瓣向內(nèi)延伸，但泥漿仍能從通道1808流過(guò)。
圖18B示出傳感器系統(tǒng)1800通過(guò)圖18A中的18B-18B線的縱向剖面?？梢?jiàn)第一板1811與第二板1812以距離L18-A間隔開(kāi)，第三板1821和第四板1822以距離L18-B間隔開(kāi)。在某些實(shí)施例中，在松弛狀態(tài)或不彎曲狀態(tài)下，距離L18-A、L18-B幾乎相同，雖然它們不一定要相同。
圖18C示出傳感器系統(tǒng)1800(和圖18A中的鉆鋌1802)在經(jīng)受彎曲時(shí)的情況。立柱1805被這樣設(shè)計(jì)，假定它在鉆鋌彎曲時(shí)也不彎曲。由于這樣的設(shè)計(jì)，在彎曲狀態(tài)下第一板1811和第二板1812之間的距離L′18-A將短于在松馳狀態(tài)下(如圖18B)的這個(gè)距離L18-A。按照等式1，較短的距離L′18-A會(huì)減少第一板1811和第二板1812之間的電容。
在圖18C所示的彎曲狀態(tài)下，在第三板1821和第四板1822之間的距離L′18-B將大于在松馳狀態(tài)下(如圖18B)的這個(gè)距離。按照等式1，這個(gè)距離的增加將減少第三板1821和第四板1822之間的電容。
使用圖18A-18C示出的傳感器，鉆鋌1802的彎曲可從電容器板對(duì)的電容的變化來(lái)確定。第一板1811和第二板1812之間的電容變化指示鉆鋌1802被彎曲。而第三板1821和第四板1822之間的電容變化也可指示鉆鋌1802被彎曲。電容的變化與彎曲變形有關(guān)。就彎曲的測(cè)量而言，兩對(duì)電容器板(即1811-1812、1821-1822)顯得有多余。可以設(shè)計(jì)一個(gè)只包括一對(duì)板的系統(tǒng)。
圖18A-18C示出的傳感器還能用來(lái)確定TOB。圖18D示出圖18B中的傳感器沿18D-18D線切開(kāi)的剖面，其中第一板1811和第三板1821在一個(gè)軸向點(diǎn)被連結(jié)到內(nèi)表面1809上。第二板1812和第四板1822被連結(jié)到立柱1806上，而該立柱在不同于第一板1811和第三板1821的軸向點(diǎn)上被連結(jié)到鉆鋌1802上。當(dāng)鉆鋌(圖18A中的1802)受到TOB時(shí)，所造成的變形和這些板連結(jié)到鉆鋌上的不同的軸向位置將使第一板1811和第三板1821相對(duì)于第二板1812和第四板1822而移動(dòng)。
在圖18D示出的松馳狀態(tài)或不扭轉(zhuǎn)的狀態(tài)下，第一板1811和第二板1812具有電容面積A18-A，而第三板1821和第四板1822具有電容面積A18-B。圖18E示出圖18D中傳感器系統(tǒng)1800當(dāng)有扭矩如TOB施加在鉆鋌1802上的情況。第一電容器板1811會(huì)相對(duì)于第二電容器板1812旋轉(zhuǎn)。這個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)使電容面積從A18-A減少到A′18-A(圖18E)。類似地，施加的扭矩使第三電容器板1821相對(duì)于第四電容器板1822而移動(dòng)，這個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)使電容面從A18-B減至A′18-B(圖18E)。
等式1示出在兩個(gè)電容器板之間的電容面積減少會(huì)使兩板之間的電容減少。這樣，當(dāng)將扭矩施加在鉆鋌上時(shí)造成的變形可從兩個(gè)電容器板(如第一板1811和第二板1812)之間電容的變化來(lái)確定。
圖18A-18E中示出的特殊設(shè)計(jì)使我們能用一器同時(shí)確定鉆鋌的TOB和彎曲。鉆鋌內(nèi)的彎曲能使其中一對(duì)電容器板的電容增加，使另一對(duì)電容器板的電容減少。而TOB能使兩對(duì)電容器板的電容都減少。由于有這個(gè)不同，兩對(duì)電容器板的電容的任何變化都可分解成鉆鋌內(nèi)的TOB和彎曲。
圖18A-18E示出的傳感器有兩對(duì)電容器板。還能設(shè)計(jì)出其他的實(shí)施例，只用一對(duì)或用多于兩對(duì)的電容器板，但這并未脫離本發(fā)明的范圍。一個(gè)特殊的實(shí)施例是只用一對(duì)電容器板，但該傳感器不能將TOB和彎曲分解。盡管這樣，該實(shí)施例也未脫離本發(fā)明的范圍。還有，本發(fā)明并不限于以180°將兩塊電容器板分隔開(kāi)。那種特殊的間隔只是示出作為一個(gè)例子。第一電容器板1011和第二電容器板1021用松馳狀態(tài)下最大的電容面積示出(圖10D)。其他實(shí)施例的兩塊電容器板也可不這樣布置，但這并未脫離本發(fā)明的范圍。
圖19示出按照本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例所用方法。該方法包括當(dāng)鉆桿組處在加載條件下時(shí)確定一個(gè)傳感器的電性能(如工步1901)。該方法還包括根據(jù)傳感器當(dāng)鉆桿組處在加載條件下和松馳狀態(tài)下對(duì)電性能的差異來(lái)確定載荷量(如工步1905)。
載荷之所以可被確定是因?yàn)樵谒神Y條件下和在加載條件下傳感器電性能的差異關(guān)系到鉆鋌的變形，而變形又關(guān)系到載荷。
在某些實(shí)施例中，該方法還包括確定鉆鋌的變形量(如工步1903)。這樣可能是有利的，因?yàn)樗艽_定作用在鉆鋌上的應(yīng)力和應(yīng)變。
按照本發(fā)明，鉆鋌BHA可包括任何數(shù)目的傳感器的實(shí)施例。使用多個(gè)傳感器實(shí)施例能夠同時(shí)確定WOB、TOB和彎曲以及在鉆孔時(shí)作用在鉆桿組上的其他的力。例如鉆鋌可包括一個(gè)與圖4A相似的傳感器實(shí)施例和一個(gè)與圖18A相似的實(shí)施例。
溫度和壓力的變化能對(duì)鉆桿組的變形有很大的影響。例如鉆孔的溫度可在50℃和200℃之間變化，而隨深度增加的靜液壓力在深井內(nèi)可高達(dá)30,000磅/平方英寸。熱膨脹和由于靜液壓力而造成的壓縮能引起的變形比WOB引起的變形能高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。這樣，例如圖4中在兩塊電容器之間的距離實(shí)際上是WOB熱膨脹和壓力壓縮的作用的總和。校正熱膨脹和壓力的影響將能使井下力的測(cè)量更為精確。
圖20所示為一用來(lái)確定熱膨脹和壓力的影響的傳感器。兩塊電容器板2004設(shè)在一個(gè)鉆鋌2002內(nèi)。電容器板2004垂直取向并在徑向上間隔開(kāi)。有一支承2015被定位在最外面一塊板2004的后面，介電材料則定位在兩板2004之間。當(dāng)靜液壓力增加時(shí)，該支承2015及鉆鋌2002的其余部分使兩塊板2004移動(dòng)到更為靠近。這個(gè)變形將使系統(tǒng)2000的電容相應(yīng)增加。
系統(tǒng)2000還會(huì)響應(yīng)溫度變化而在鉆鋌內(nèi)引起熱膨脹。由于系統(tǒng)2000設(shè)在鉆鋌內(nèi)，因此它會(huì)與鉆鋌2002一起膨脹和收縮。
由于兩塊板2004為垂直取向，并且由于它們?cè)诨旧舷嗤妮S向位置上連結(jié)到鉆鋌上，該系統(tǒng)2000對(duì)由WOB、TOB和彎曲力矩造成的變形較不敏感，而對(duì)熱膨脹和壓力的影響最能起反應(yīng)。這樣，當(dāng)根據(jù)鉆鋌2002內(nèi)傳感器確定WOB、TOB及/或彎曲力矩時(shí)便能使用有關(guān)熱膨脹和壓力影響的數(shù)據(jù)來(lái)比較準(zhǔn)確地確定井下力。
圖21所示鉆鋌2102具有熱鍍層2101。這種鉆鋌可結(jié)合本文所說(shuō)的各種傳感器系統(tǒng)使用。由于鉆鋌2102為金屬，它能很好地導(dǎo)熱。如果在鉆鋌的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和環(huán)繞的鉆孔之間有顯著的溫度梯度，導(dǎo)熱的鉆鋌2102就會(huì)將熱能傳送出去，這會(huì)促進(jìn)熱膨脹的影響。
熱鍍層2101可將鉆鋌2102絕熱防止形成溫度梯度。溫度降將在越過(guò)絕熱材料時(shí)遷到而不是在越過(guò)鉆鋌2102本身時(shí)遷到。本行業(yè)已知有很多材料可以適用。例如某些型式的橡膠和人造橡膠可將鉆鋌2102絕熱并不承受難對(duì)付的井下環(huán)境。其他材料如玻璃纖維可被使用。
圖22示出按照本發(fā)明的另一種傳感器系統(tǒng)2200。鉆鏈2202包括第一感知元件2204a和第二感知元件2204b。圖22的設(shè)計(jì)與圖4相似，只是圖22中的傳感器并不使用電容器來(lái)確定變形(即在載荷下L22的改變)。而是，在圖22中的傳感器可使用渦流傳感器、紅外傳感器或超聲傳感器。
再次參閱圖22，傳感器系統(tǒng)2200可包括一個(gè)渦流傳感器，該器具有一個(gè)在感知元件2204a中的線圈和一個(gè)在感知元件2204b中的靶。這種傳感器2200在兩個(gè)感知元件之間不需有介電材料，因此也不用金屬材料。雖然驅(qū)動(dòng)電子線路和信號(hào)處理塊未在圖22中示出，但本行業(yè)的行家將會(huì)知道那些渦流傳感器元件可用本行業(yè)已知的任何方式包括進(jìn)去。
除了渦流傳感器系統(tǒng)以外，圖22中的傳感器系統(tǒng)可包括超聲傳感器或紅外傳感器。例如，超聲傳感器可包括在2204a的超聲源和在元件2204b的超聲接受器。紅外傳感器可包括在2204a的紅外源和在元件2204b的紅外檢測(cè)器。
本發(fā)明的實(shí)施例可有下列一個(gè)或多個(gè)優(yōu)點(diǎn)。按照本發(fā)明的電容和電感系統(tǒng)不易因?yàn)闇囟茸兓霈F(xiàn)測(cè)量誤差。野外壓力不會(huì)影響這些系統(tǒng)某些實(shí)施例的操作。另外，這些系統(tǒng)設(shè)有容易磨損或需更換的接觸部件。
本發(fā)明的某些實(shí)施例能有利地測(cè)量WOB而對(duì)扭矩或彎曲并不敏感。另外，本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例能確定兩種或更多的在鉆鋌或鉆桿組上的載荷。
本發(fā)明的某些實(shí)施例能有利地提供有用的信號(hào)而獲得精確的結(jié)果，不需將變形進(jìn)行機(jī)械放大。按照本發(fā)明的系統(tǒng)可直接裝在鉆鋌內(nèi)，不需用分開(kāi)的載荷傳感器。這樣某些實(shí)施例在鉆鋌內(nèi)可只占很小空間。
本發(fā)明某些實(shí)施例能有利地裝在鉆鋌的內(nèi)部。這種實(shí)施例不易受鉆孔的干擾或發(fā)生與泥漿流動(dòng)有關(guān)的其他問(wèn)題。
本發(fā)明某些實(shí)施例與現(xiàn)有技術(shù)相比能有利地較少受溫度變化的影響。另外，某些實(shí)施例還能校正由于井下的壓力和溫度變化而引起的應(yīng)變。
雖然本發(fā)明已就有限的實(shí)施例進(jìn)行說(shuō)明，但本行業(yè)的行家在受該說(shuō)明啟發(fā)后，將可設(shè)計(jì)出其他實(shí)施例而并未脫離本文所公開(kāi)的本發(fā)明的范圍。因此，本發(fā)明的范圍只能以所附的權(quán)利要求書(shū)為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種通過(guò)一鉆桿組用來(lái)測(cè)量懸掛在井孔內(nèi)的井下鉆孔工具上的載荷的設(shè)備，包括一個(gè)可操作地連接到鉆桿組上的鉆鋌，該鉆鋌適于放大其所接受的力造成的變形；一個(gè)裝在該鉆鋌內(nèi)的傳感器，該傳感器適于測(cè)量該鉆鋌的變形，從而確定該鉆孔工具上的力。
2.權(quán)利要求1的設(shè)備，其特征在于該傳感器包括一對(duì)板和一個(gè)電介質(zhì)，兩塊板彼此間隔開(kāi)一個(gè)距離而將該介電質(zhì)放在其間。
3.權(quán)利要求1的設(shè)備，其特征在于該傳感器包括下列中的一種電容、線性可變差動(dòng)變壓器、電阻抗、差動(dòng)可變磁阻、渦流、電感傳感器及其組合。
4.權(quán)利要求1的設(shè)備，其特征在于該傳感器為定位在鉆鋌上的應(yīng)變規(guī)。
5.權(quán)利要求4的設(shè)備，其特征在于還包括至少一個(gè)環(huán)繞鉆鋌的套筒。
6.權(quán)利要求4或5的設(shè)備，其特征在于該鉆鋌有一貫通其間局部切口，從而該鉆鋌可像彈簧那樣作用。
7.權(quán)利要求4的設(shè)備，其特征在于該套筒連接鉆鋌的各部分。
8.權(quán)利要求4的設(shè)備，其特征在于該應(yīng)變規(guī)裝在該鉆鋌內(nèi)的一個(gè)殼體上。
9.權(quán)利要求1的設(shè)備，其特征在于該鉆鋌具有第一和第二部分和一在其間的彈性元件。
10.權(quán)利要求1的設(shè)備，其特征在于該鉆鋌具有第一和第二部分及一個(gè)套筒，該套筒把這兩部分連接起來(lái)，并在其間形成一個(gè)空腔，該傳感器適于測(cè)量該空腔內(nèi)的壓力變化。
11.一種確定作用在井下工具上的載荷的方法，包括當(dāng)將載荷施加在井下工具上時(shí)，確定設(shè)在井下工具內(nèi)的傳感器的電性能；根據(jù)該鉆鋌在加載條件下和在松馳條件下電性能的差異確定載荷量，其中該傳感器的電性能被改變，因?yàn)檩d荷使傳感器的第一和第二元件的相對(duì)位置中的一個(gè)選定位置及在這兩個(gè)元件之間的面積發(fā)生改變。
12.權(quán)利要求11的方法，其特征在于還包括將測(cè)量結(jié)果從傳感器傳送到地面；分析測(cè)量結(jié)果以便確定作用在該井下工具上的力；及根據(jù)分析的測(cè)量結(jié)果作出鉆孔決定。
13.權(quán)利要求11的方法，其特征在于確定載荷量的步驟包括根據(jù)該井下工具在加載條件下和在松馳條件下傳感器電性能的差異確定該井下工具變形的量，并根據(jù)該變形量確定載荷量。
14.權(quán)利要求13的方法，其特征在于該變形為壓縮變形。
15.權(quán)利要求13的方法，其特征在于該變形為扭轉(zhuǎn)變形。
16.權(quán)利要求13的方法，其特征在于該變形為彎曲。
17.權(quán)利要求11的方法，其特征在于該傳感器的電性能包括電阻抗，并且其中當(dāng)該井下工具處在加載條件下時(shí)該傳感器電阻抗的確定步驟包括測(cè)量第一電容器板和第二電容器板之間的差動(dòng)電壓。
18.權(quán)利要求17的方法，其特征在于該電阻抗的差異是由第一電容器板和第二電容器板之間的距離的改變?cè)斐傻摹?br> 19.權(quán)利要求17的方法，其特征在于該電阻抗的差異是由第一電容器板和第二電容器板之間的電容面積的改變?cè)斐傻摹?br> 20.權(quán)利要求11的方法，其特征在于還包括在由溫度和壓力構(gòu)成的組群中選出至少一個(gè)組群，利用設(shè)在該井下工具內(nèi)的第二傳感器進(jìn)行測(cè)量來(lái)對(duì)改變作出校正。
21.一種用來(lái)測(cè)量通過(guò)鉆桿組懸掛在井孔中的井下鉆孔工具上載荷的井下傳感器，包括定位在該井下工具內(nèi)的第一傳感器元件；及定位在該井下工具內(nèi)的第二傳感器元件，其中該第一傳感器元件和第二傳感器元件被這樣連結(jié)到該井下工具上，便當(dāng)該鉆孔工具受到載荷時(shí)在該第一元件和第二元的相對(duì)位置中選出的一個(gè)位置并使在兩個(gè)元件之間的面積改變。
22.權(quán)利要求21的井下傳感器，其中該第一傳感器元件包括一第一電容器板；該第二傳感器元件包括鄰近該第一電容器板的一第二電容器板，并還包括一個(gè)設(shè)在該第一電容器板和第二電容器板之間的電介質(zhì)材料。
23.權(quán)利要求22的井下傳感器，其特征在于該第一電容器板基本上平行于該第二電容器板。
24.權(quán)利要求22的井下傳感器，其特征在于該第一電容器板和第二電容器板被定位得基本上垂直于所要測(cè)量載荷的方向。
25.權(quán)利要求22的井下傳感器，其特征在于該第一電容器板和第二電容器板被定位得基本上垂直于該井下工具的軸線。
26.權(quán)利要求22的井下傳感器，其特征在于該第一電容器板和第二電容器板被定位得基本上平行于該井下工具的軸線。
27.權(quán)利要求22的井下傳感器，其特征在于該第一電容器板和第二電容器板被設(shè)置在該井下工具的中心。
28.權(quán)利要求22的井下傳感器，其特征在于該第一電容器板和第二電容器板被設(shè)置得偏離井下工具的中心。
29.權(quán)利要求28的井下傳感器，其特征在于該第一和第二電容器板包括一第一電容器組，該第一電容器組被設(shè)在該下井工具的第一葉片內(nèi)；并且包括一第二電容器組，被設(shè)在該井下工具的第二葉片內(nèi)；及一第三電容器組，被設(shè)在該井下工具的第三葉片內(nèi)。
30.權(quán)利要求28的井下傳感器，其特征在于該第一電容器板被定位在該下井工具的第一半徑上，而該第二電容器板被設(shè)在下井工具的第二半徑上。
31.權(quán)利要求30的井下傳感器，其特征在于該第一電容器板在第一半徑位置上被連結(jié)在該下井工具上，而該第二電容器板在第二半徑位置上被連結(jié)在該下井工具上。
32.權(quán)利要求22的下井工具，還包括一個(gè)設(shè)在井下工具中心的柱頭，并在第一軸向位置上被連結(jié)到該下井工具上，被連結(jié)到該井下工具的約180°離開(kāi)該第一電容器板的第三電容器板；及一塊靠近該第三電容器板而連結(jié)在該柱頭上的第四電容器板，其中該第二電容器板被連結(jié)在該柱頭上約180°離開(kāi)該第四電容器板，并且靠近該第一電容器板，其中該第一、第二、第三和第四電容器板被這樣定位，使該第一和第二電容器板構(gòu)成一第一電容器組，而該第三和第四電容器板構(gòu)成一第二電容器組。
33.權(quán)利要求21的井下傳感器，其特征在于還包括一個(gè)設(shè)在該井下工具周?chē)臒徨儗印?br> 34.權(quán)利要求33的井下傳感器，其特征在于該熱鍍層為人造橡膠。
35.權(quán)利要求33的井下傳感器，其特征在于該熱鍍層為玻璃纖維。
36.權(quán)利要求21的井下傳感器，其特征在于還包括一個(gè)溫度和壓力校正器，該校正器包括設(shè)在該鉆鋌內(nèi)的一第一校正電容器板；設(shè)在該鉆鋌內(nèi)靠近該第一校正電容器板的一第二校正電容器板；設(shè)在該第一和第二校正電容器板之間的一第二電介質(zhì)材料，其中該第一和第二校正電容器板被定位得偏離該鉆鋌中心，與該鉆鋌的軸線平行，并基本上在相同的軸向位置上連結(jié)在該鉆鋌上。
37.權(quán)利要求21的井下傳感器，其特征在于該第一傳感器元件包括一個(gè)線圈，該線圈具有初級(jí)繞組、第一次級(jí)繞組和第二次級(jí)繞組；及該第二傳感器元件包括一個(gè)設(shè)在該線圈內(nèi)并可相對(duì)于該線圈移動(dòng)的鐵芯。
38.權(quán)利要求37的井下傳感器，其特征在于該線圈和鐵芯被定位成基本上與該井下工具的軸線平行，并且該線圈和鐵芯分別在第一和第二軸向位置上被連結(jié)到該井下工具上。
39.權(quán)利要求37的井下傳感器，其特征在于該線圈和鐵芯為弧形的，并被定位成基本上與該井下工具的軸線垂直，其中該線圈和鐵芯分別在第一和第二徑向位置上被連結(jié)到該井下工具上。
40.權(quán)利要求21的井下傳感器，其特征在于該第一傳感元件包括一個(gè)源元件；及該第二傳感元件包括一個(gè)設(shè)在該元件鄰近的接收元件，其中該傳感器可從下列各項(xiàng)構(gòu)成的組群中選用渦流傳感器、超聲傳感器、紅外傳感器、電感傳感器和差動(dòng)可變阻抗傳感器。
全文摘要
提供一種可用來(lái)確定井下工具上作用力的方法。該井下工具設(shè)有可操作地連接到鉆孔工具上的鉆鋌和裝在鉆鋌周?chē)膫鞲衅?。該傳感器適宜測(cè)量鉆鋌的變形，從而可確定鉆孔工具上的作用力。該傳感器可以是力測(cè)量系統(tǒng)、應(yīng)變規(guī)或鉆用震擊器系統(tǒng)的一個(gè)部件。鉆鋌適宜放大及/或隔離施加在鉆桿組上的變形。
文檔編號(hào)E21B17/00GK1619098SQ20041009520
公開(kāi)日2005年5月25日 申請(qǐng)日期2004年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月20日
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