專利名稱：用于井下負載測量工具的測力計的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于井下負載測量工具的測力計(load cell)，例如來測量由鋼絲繩或牽引工具施加至油井測井繩的張力或壓力。
背景技術(shù)：
鉆井測井工程師常需要將負載測量傳感器安裝在測井工具繩的頂部和鋼絲繩纜的底部之間，例如在線纜頭上。這監(jiān)視了直接施加至工具繩的軸向負載。這是用來確定工具繩是否已經(jīng)在井下卡住和/或鋼絲繩中的張力是否接近線纜頭的斷裂點的重要測量。線纜頭負載傳感器還幫助測井工程師確定在高度偏離的鉆井中在運行期間由鋼絲繩和牽引器施加在工具繩上的力。設(shè)計線纜頭負載單元時所面臨的挑戰(zhàn)是將由井下靜水壓力單獨產(chǎn)生的軸向負載從由鋼絲繩或牽引器施加的負載分離。在深井中，靜水壓力將導(dǎo)致施加至工具繩的數(shù)萬磅軸向壓縮力，并且此壓縮力比最大的潛在鋼絲繩力大一個數(shù)量級。US 2008/02165M公開了獲得井下壓力和溫度信息的井下測力計。此井下壓力和溫度信息用于校準井下測力計的讀數(shù)。然而，將會期望的是不必獲取溫度和壓力測量值并且然后對測力計進行溫度和壓力校準，因為這增加了制造時間并且要求測力計具有需要在進行測量時準備和使用的補償文件。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，提供了用于井下負載測量工具的測力計，該測力計包括布置成諸如惠斯通電橋的平衡陣列的多個應(yīng)變計，并且其中應(yīng)變計的平衡陣列設(shè)置在流體中，在使用中，該流體處于與周圍的井下流體大體上相同的壓力下。由于被應(yīng)變計的平衡陣列補償，因而不要求對測力計進行壓力或溫度校準。因此， 制造時間顯著縮短并且不需要補償文件。測力計優(yōu)選地布置成用來測量跨越測力計的剪切應(yīng)變。使用剪切應(yīng)變計而非單軸向量計還允許精度的提高，因為測力計無需解析在鉆井壓力的頂部的鋼絲繩負載。應(yīng)變計測力計堅固、簡單，具有良好的敏感度并且是高度線性的。測力計優(yōu)選地具有梁，在其上設(shè)置了應(yīng)變計的平衡陣列，并且該梁優(yōu)選地具有至少一個彎曲件，該彎曲件布置成當軸向力被施加到測力計時彎曲。可提供包括測力計的井下工具。井下工具可包括在其中設(shè)置了測力計的線纜頭。


現(xiàn)將僅通過示例參照所附的圖來描述本發(fā)明的實施例，其中圖1顯示了位于鉆井的井眼中的井下單元；圖2顯示了本發(fā)明的一個示例的測力計；圖3是圖2中所示的測力計的更詳細的透視視圖；以及
圖4示意性地圖示了在負載作用下測力計所經(jīng)歷的彈性應(yīng)變。
具體實施例方式圖1圖示了位于鉆井的井眼20中的井下單元10。井下單元10從經(jīng)由設(shè)置在地表處的滑輪50從滾筒40通過的鋼絲繩30懸吊。測力計可設(shè)置在任何適當?shù)奈恢?，例如在線纜頭11中。如圖1中示意性地圖示的，井下單元 10可能卡在井眼中。圖2顯示了可與圖1中所示的井下單元10—起使用的測力計12。在此示例中，測力計12設(shè)置在上接頭13和下接頭14之間。應(yīng)變計15附接至彎曲件16并且整個測力計浸在處于與周圍的鉆井流體相同的靜水壓力下的流體17中。應(yīng)變計15被特別設(shè)計來衡量彎曲件16中的剪切應(yīng)變，并且彎曲件布置為在軸向負載施加至測力計12時彎曲。測力計 12包括若干組四個應(yīng)變計。各組被布置來測量梁18中的剪切應(yīng)變，并且全部應(yīng)變計被布置成諸如惠斯登電橋的平衡陣列。并非組成惠斯登電橋的所有應(yīng)變計15均在圖2中顯示，因為一些應(yīng)變計將在梁18的其它側(cè)上。由于外部井下靜水壓力通過例如可為活塞，隔膜等的壓力補償器19施加，并且彎曲件16的材料經(jīng)歷所產(chǎn)生的靜水應(yīng)變，在各組平衡陣列中的四個應(yīng)變計經(jīng)受等量的應(yīng)變，并且平衡不受影響。類似地，井下溫度變化也等量地影響平衡陣列中的所有應(yīng)變計，而不影響陣列的平衡。然而，當軸向負載施加至測力計時，彎曲件16發(fā)生剪切應(yīng)變并且電橋平衡相應(yīng)地改變。此改變由嵌入該單元的電子器件(未顯示)感測。圖3顯示了測力計12的更詳細的透視視圖。可見兩個應(yīng)變計15彼此垂直地定向。 類似地，兩個其它應(yīng)變計(未顯示)也彼此垂直地同樣布置在梁18的相反側(cè)上。在此示例中，各應(yīng)變計15為電阻元件，且四個獨立電阻元件使用適當?shù)碾姎膺B接20布置成惠斯通電橋。梁18可由任何合適的材料制成。在此實例中，梁18由不銹鋼制成。梁材料優(yōu)選地選擇為具有基本與制成應(yīng)變計15的材料的彈性模量相匹配的彈性模量。在此示例中，梁 18由17-4PH不銹鋼制成。不銹鋼可已進行熱處理以提供足夠的強度，從而經(jīng)受井下環(huán)境。圖4示意性地圖示了當測力計12經(jīng)受12000N的負載時由梁18經(jīng)受的彈性應(yīng)變。 如可從圖4所見，跨越測力計可經(jīng)歷不同水平的應(yīng)變，特別是最大的應(yīng)變在彎曲件16周圍經(jīng)歷。在使用期間，在梁18的不同部分中經(jīng)歷的這些不同的應(yīng)變由多個應(yīng)變計15檢測。產(chǎn)生的電子輸出(在此例子中通過布置成惠斯通電橋的應(yīng)變計15產(chǎn)生)由諸如微處理器或電路(未顯示)的適當?shù)目刂破鳈z測，從而提供對測力計12遭受的并且因此井下單元10 所遭受的負載的指示。如上所述，由于應(yīng)變計15布置成平衡陣列并經(jīng)由壓力補償器19遭受井下壓力，這導(dǎo)致測力計12由于井下壓力在所有方向上均勻地應(yīng)變，使得應(yīng)變計的平衡陣列由于井下壓力測得的整體應(yīng)變將實際上為零。壓力測試在圖2中所示的測力計上使用充滿Capella油的圍油燒瓶進行，該測力計浸入Capella油中。在使用數(shù)字電壓計讀取之前，惠斯通電橋使用具有通過運算放大器電路放大100倍的平衡電壓的實驗室電源供電至+/-5伏。以此構(gòu)造并且通過12000N的滿負載，發(fā)現(xiàn)該測力計12的敏感度為11. 7N/mV。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，從0到 20000psi(l. 38X105kN/m2)改變周圍壓力導(dǎo)致若干毫伏的惠斯通電橋的平衡電壓上的最大變化，其代表小于0. 5%，更典型地為0. 2%或更小的測得負載的誤差，使得無需對井下壓力變化進行補償，提供了更簡單、更可靠并且更低價的控制布置。還進行了實驗來確定是否存在由于由井下流體所導(dǎo)致的溫度上的變化對應(yīng)變計的平衡陣列的靈敏度的任何影響，測力計將在該井下流體中使用。在附接至同時記錄測力計平衡電壓和測力計溫度的數(shù)據(jù)記錄器時，圖2中圖示的測力計在烤箱中被烘烤，且溫度從室溫循環(huán)直至177°C。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)由此周圍溫度變化所經(jīng)歷的誤差小于0. 5%，更典型地為0. 2%或更少。此偏差足夠小從而無需在傳感器電子器件中進行補償，提供了更簡單、更可靠并且更低價的控制布置。在井下壓力和溫度環(huán)境中使用上文所述的測力計導(dǎo)致應(yīng)變計15在升高的靜水壓力作用下全部稍微變短，并且由于升高的溫度稍微變長。然而，盡管測力計12遭受升高的壓力和溫度，但應(yīng)變計15的陣列的平衡得到維持。然而，如我們的圖4中所圖示的，當測力計12遭受負載時(在圖4的示例中使用了 12000N的負載)，在跨越測力計12的應(yīng)變上存在差異。此差異產(chǎn)生了指向內(nèi)的主向量之一，同時朝外的其它點使得兩個應(yīng)變計15變得更長，同時其它兩個變得更短，改變了惠斯通電橋的平衡。此平衡上的改變產(chǎn)生了指示測力計所遭受的負載的輸出電壓。測力計12被校準，以使得關(guān)聯(lián)的控制器提供測力計12所遭受的負載的指示，例如通過使用諸如將平衡陣列的輸出電壓映射至對應(yīng)負載的查詢表或類似的算法。測力計12 所遭受的負載，并且因此工具繩所遭受的負載的指示可展示給在地表處的適當?shù)牟僮髡撸?或存儲以用于稍后的分析，或用于兩者。本發(fā)明的實施例的有利因素為在壓力平衡的環(huán)境中使用剪切應(yīng)變計，在該環(huán)境中應(yīng)變計經(jīng)受來自所有方向的滿靜水壓力。使用此構(gòu)造另一優(yōu)勢在于，在溫度和靜水壓力兩者的影響下，應(yīng)變元件全部產(chǎn)生相同量的變形，理論上不會在諸如惠斯通電橋的平衡陣列中產(chǎn)生整體的變化。僅當與壓力和溫度不關(guān)聯(lián)的負載在測力計中出現(xiàn)時才產(chǎn)生平衡上的改變。在實踐中，由于應(yīng)變計15中的缺陷，將會有一些誤差偏差。然而，已發(fā)現(xiàn)該偏差足夠小至考慮為忽略不計。使用本發(fā)明的一個實施例的測力計產(chǎn)生了測量分辨率上的顯著改善，以及大大簡化的校準過程。測力計的輸出基本是線性的，因此可用三個測量點進行校準。還無需對工具進行溫度或壓力校準，因為這由諸如應(yīng)變計的惠斯通電橋布置的平衡陣列所補償。這顯著地縮短了制造時間，并且消除了對與工具一起提供給客戶的補償文件的需要?？蓪ι鲜鍪纠龀龊芏喔淖兌月湓诒景l(fā)明的范圍之內(nèi)。例如，盡管圖示了兩個彎曲件，但可使用一個或三個或更多的彎曲件。此外，在使用時，可使用諸如活塞、隔膜、風(fēng)箱等的任何適當?shù)膲毫ρa償器19來將外部井下靜水壓力施加至測力計之內(nèi)的流體，在該測力計中安置了應(yīng)變計的平衡陣列。
權(quán)利要求
1.一種用于井下負載測量工具的測力計，所述測力計包括布置成平衡陣列的多個應(yīng)變計，其中應(yīng)變計的所述陣列設(shè)置在流體中，在使用中，所述流體處于與周圍的井下流體基本相同的壓力下。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測力計，其特征在于，所述測力計布置成測量跨越所述測力計的剪切應(yīng)變。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的測力計，其特征在于，所述測力計具有梁，在所述梁上設(shè)置了應(yīng)變計的所述平衡陣列，并且所述梁包括布置為當向所述測力計施加軸向負載時彎曲的至少一個彎曲件。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的測力計，其特征在于，所述梁具有布置在所述梁的不同側(cè)上的兩個彎曲件。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或權(quán)利要求4所述的測力計，其特征在于，所述梁的彈性模量基本匹配于所述應(yīng)變計的彈性模量。
6.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的測力計，其特征在于，所述平衡陣列為惠斯登電橋。
7.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的測力計，其特征在于，應(yīng)變計的所述陣列設(shè)置在流體中，在使用中，所述流體還處在與所述周圍的井下流體基本相同的溫度下。
8.一種井下負載測量工具，包括根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的測力計。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的井下負載測量工具，其特征在于，所述井下負載測量工具具有線纜頭，所述測力計設(shè)置在所述線纜頭中。
10.基本如在上文中參考附圖所描述的一種測力計。
11.基本如在上文中參考附圖描述的一種井下負載測量工具。
全文摘要
本發(fā)明描述了一種用于井下負載測量工具的測力計。該測力計包括布置成諸如惠斯通電橋的平衡陣列的多個應(yīng)變計。應(yīng)變計的陣列設(shè)置在流體中，該流體在使用中處于與周圍的井下流體相同的壓力下。由于平衡陣列處于與該周圍的流體相同的壓力中，無需對測力計進行壓力校準。優(yōu)選地將測力計布置成測量跨越該測力計的剪切應(yīng)變。
文檔編號E21B47/00GK102322999SQ20111013405
公開日2012年1月18日 申請日期2011年5月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月11日
發(fā)明者J·D·拉特克里弗, T·吉爾 申請人:桑德克斯有線有限公司