专利名称：用于井下负载测量工具的测力计的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于井下负载测量工具的测力计(load cell)，例如来测量由钢丝绳或牵引工具施加至油井测井绳的张力或压力。
背景技术：
钻井测井工程师常需要将负载测量传感器安装在测井工具绳的顶部和钢丝绳缆的底部之间，例如在线缆头上。这监视了直接施加至工具绳的轴向负载。这是用来确定工具绳是否已经在井下卡住和/或钢丝绳中的张力是否接近线缆头的断裂点的重要测量。线缆头负载传感器还帮助测井工程师确定在高度偏离的钻井中在运行期间由钢丝绳和牵引器施加在工具绳上的力。设计线缆头负载单元时所面临的挑战是将由井下静水压力单独产生的轴向负载从由钢丝绳或牵引器施加的负载分离。在深井中，静水压力将导致施加至工具绳的数万磅轴向压缩力，并且此压缩力比最大的潜在钢丝绳力大一个数量级。US 2008/02165M公开了获得井下压力和温度信息的井下测力计。此井下压力和温度信息用于校准井下测力计的读数。然而，将会期望的是不必获取温度和压力测量值并且然后对测力计进行温度和压力校准，因为这增加了制造时间并且要求测力计具有需要在进行测量时准备和使用的补偿文件。
发明内容
根据本发明，提供了用于井下负载测量工具的测力计，该测力计包括布置成诸如惠斯通电桥的平衡阵列的多个应变计，并且其中应变计的平衡阵列设置在流体中，在使用中，该流体处于与周围的井下流体大体上相同的压力下。由于被应变计的平衡阵列补偿，因而不要求对测力计进行压力或温度校准。因此， 制造时间显著缩短并且不需要补偿文件。测力计优选地布置成用来测量跨越测力计的剪切应变。使用剪切应变计而非单轴向量计还允许精度的提高，因为测力计无需解析在钻井压力的顶部的钢丝绳负载。应变计测力计坚固、简单，具有良好的敏感度并且是高度线性的。测力计优选地具有梁，在其上设置了应变计的平衡阵列，并且该梁优选地具有至少一个弯曲件，该弯曲件布置成当轴向力被施加到测力计时弯曲。可提供包括测力计的井下工具。井下工具可包括在其中设置了测力计的线缆头。
现将仅通过示例参照所附的图来描述本发明的实施例，其中图1显示了位于钻井的井眼中的井下单元；图2显示了本发明的一个示例的测力计；图3是图2中所示的测力计的更详细的透视视图；以及
图4示意性地图示了在负载作用下测力计所经历的弹性应变。
具体实施例方式图1图示了位于钻井的井眼20中的井下单元10。井下单元10从经由设置在地表处的滑轮50从滚筒40通过的钢丝绳30悬吊。测力计可设置在任何适当的位置，例如在线缆头11中。如图1中示意性地图示的，井下单元 10可能卡在井眼中。图2显示了可与图1中所示的井下单元10—起使用的测力计12。在此示例中，测力计12设置在上接头13和下接头14之间。应变计15附接至弯曲件16并且整个测力计浸在处于与周围的钻井流体相同的静水压力下的流体17中。应变计15被特别设计来衡量弯曲件16中的剪切应变，并且弯曲件布置为在轴向负载施加至测力计12时弯曲。测力计 12包括若干组四个应变计。各组被布置来测量梁18中的剪切应变，并且全部应变计被布置成诸如惠斯登电桥的平衡阵列。并非组成惠斯登电桥的所有应变计15均在图2中显示，因为一些应变计将在梁18的其它侧上。由于外部井下静水压力通过例如可为活塞，隔膜等的压力补偿器19施加，并且弯曲件16的材料经历所产生的静水应变，在各组平衡阵列中的四个应变计经受等量的应变，并且平衡不受影响。类似地，井下温度变化也等量地影响平衡阵列中的所有应变计，而不影响阵列的平衡。然而，当轴向负载施加至测力计时，弯曲件16发生剪切应变并且电桥平衡相应地改变。此改变由嵌入该单元的电子器件(未显示)感测。图3显示了测力计12的更详细的透视视图。可见两个应变计15彼此垂直地定向。 类似地，两个其它应变计(未显示)也彼此垂直地同样布置在梁18的相反侧上。在此示例中，各应变计15为电阻元件，且四个独立电阻元件使用适当的电气连接20布置成惠斯通电桥。梁18可由任何合适的材料制成。在此实例中，梁18由不锈钢制成。梁材料优选地选择为具有基本与制成应变计15的材料的弹性模量相匹配的弹性模量。在此示例中，梁 18由17-4PH不锈钢制成。不锈钢可已进行热处理以提供足够的强度，从而经受井下环境。图4示意性地图示了当测力计12经受12000N的负载时由梁18经受的弹性应变。 如可从图4所见，跨越测力计可经历不同水平的应变，特别是最大的应变在弯曲件16周围经历。在使用期间，在梁18的不同部分中经历的这些不同的应变由多个应变计15检测。产生的电子输出(在此例子中通过布置成惠斯通电桥的应变计15产生)由诸如微处理器或电路(未显示)的适当的控制器检测，从而提供对测力计12遭受的并且因此井下单元10 所遭受的负载的指示。如上所述，由于应变计15布置成平衡阵列并经由压力补偿器19遭受井下压力，这导致测力计12由于井下压力在所有方向上均勻地应变，使得应变计的平衡阵列由于井下压力测得的整体应变将实际上为零。压力测试在图2中所示的测力计上使用充满Capella油的围油烧瓶进行，该测力计浸入Capella油中。在使用数字电压计读取之前，惠斯通电桥使用具有通过运算放大器电路放大100倍的平衡电压的实验室电源供电至+/-5伏。以此构造并且通过12000N的满负载，发现该测力计12的敏感度为11. 7N/mV。实验结果发现，从0到 20000psi(l. 38X105kN/m2)改变周围压力导致若干毫伏的惠斯通电桥的平衡电压上的最大变化，其代表小于0. 5%，更典型地为0. 2%或更小的测得负载的误差，使得无需对井下压力变化进行补偿，提供了更简单、更可靠并且更低价的控制布置。还进行了实验来确定是否存在由于由井下流体所导致的温度上的变化对应变计的平衡阵列的灵敏度的任何影响，测力计将在该井下流体中使用。在附接至同时记录测力计平衡电压和测力计温度的数据记录器时，图2中图示的测力计在烤箱中被烘烤，且温度从室温循环直至177°C。已经发现由此周围温度变化所经历的误差小于0. 5%，更典型地为0. 2%或更少。此偏差足够小从而无需在传感器电子器件中进行补偿，提供了更简单、更可靠并且更低价的控制布置。在井下压力和温度环境中使用上文所述的测力计导致应变计15在升高的静水压力作用下全部稍微变短，并且由于升高的温度稍微变长。然而，尽管测力计12遭受升高的压力和温度，但应变计15的阵列的平衡得到维持。然而，如我们的图4中所图示的，当测力计12遭受负载时(在图4的示例中使用了 12000N的负载)，在跨越测力计12的应变上存在差异。此差异产生了指向内的主向量之一，同时朝外的其它点使得两个应变计15变得更长，同时其它两个变得更短，改变了惠斯通电桥的平衡。此平衡上的改变产生了指示测力计所遭受的负载的输出电压。测力计12被校准，以使得关联的控制器提供测力计12所遭受的负载的指示，例如通过使用诸如将平衡阵列的输出电压映射至对应负载的查询表或类似的算法。测力计12 所遭受的负载，并且因此工具绳所遭受的负载的指示可展示给在地表处的适当的操作者， 或存储以用于稍后的分析，或用于两者。本发明的实施例的有利因素为在压力平衡的环境中使用剪切应变计，在该环境中应变计经受来自所有方向的满静水压力。使用此构造另一优势在于，在温度和静水压力两者的影响下，应变元件全部产生相同量的变形，理论上不会在诸如惠斯通电桥的平衡阵列中产生整体的变化。仅当与压力和温度不关联的负载在测力计中出现时才产生平衡上的改变。在实践中，由于应变计15中的缺陷，将会有一些误差偏差。然而，已发现该偏差足够小至考虑为忽略不计。使用本发明的一个实施例的测力计产生了测量分辨率上的显著改善，以及大大简化的校准过程。测力计的输出基本是线性的，因此可用三个测量点进行校准。还无需对工具进行温度或压力校准，因为这由诸如应变计的惠斯通电桥布置的平衡阵列所补偿。这显著地缩短了制造时间，并且消除了对与工具一起提供给客户的补偿文件的需要。可对上述示例做出很多改变而仍落在本发明的范围之内。例如，尽管图示了两个弯曲件，但可使用一个或三个或更多的弯曲件。此外，在使用时，可使用诸如活塞、隔膜、风箱等的任何适当的压力补偿器19来将外部井下静水压力施加至测力计之内的流体，在该测力计中安置了应变计的平衡阵列。
权利要求
1.一种用于井下负载测量工具的测力计，所述测力计包括布置成平衡阵列的多个应变计，其中应变计的所述阵列设置在流体中，在使用中，所述流体处于与周围的井下流体基本相同的压力下。
2.根据权利要求1所述的测力计，其特征在于，所述测力计布置成测量跨越所述测力计的剪切应变。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的测力计，其特征在于，所述测力计具有梁，在所述梁上设置了应变计的所述平衡阵列，并且所述梁包括布置为当向所述测力计施加轴向负载时弯曲的至少一个弯曲件。
4.根据权利要求3所述的测力计，其特征在于，所述梁具有布置在所述梁的不同侧上的两个弯曲件。
5.根据权利要求3或权利要求4所述的测力计，其特征在于，所述梁的弹性模量基本匹配于所述应变计的弹性模量。
6.根据任一前述权利要求所述的测力计，其特征在于，所述平衡阵列为惠斯登电桥。
7.根据任一前述权利要求所述的测力计，其特征在于，应变计的所述阵列设置在流体中，在使用中，所述流体还处在与所述周围的井下流体基本相同的温度下。
8.一种井下负载测量工具，包括根据任一前述权利要求所述的测力计。
9.根据权利要求8所述的井下负载测量工具，其特征在于，所述井下负载测量工具具有线缆头，所述测力计设置在所述线缆头中。
10.基本如在上文中参考附图所描述的一种测力计。
11.基本如在上文中参考附图描述的一种井下负载测量工具。
全文摘要
本发明描述了一种用于井下负载测量工具的测力计。该测力计包括布置成诸如惠斯通电桥的平衡阵列的多个应变计。应变计的阵列设置在流体中，该流体在使用中处于与周围的井下流体相同的压力下。由于平衡阵列处于与该周围的流体相同的压力中，无需对测力计进行压力校准。优选地将测力计布置成测量跨越该测力计的剪切应变。
文档编号E21B47/00GK102322999SQ20111013405
公开日2012年1月18日 申请日期2011年5月11日 优先权日2010年5月11日
发明者J·D·拉特克里弗, T·吉尔 申请人:桑德克斯有线有限公司