专利名称：用于测量井下位置处的重量和扭矩的设备和方法
技术领域：
本发明大体涉及感测施加到钻柱上的扭矩和重量，并且具体而言，涉及感测在泥线水平和泥线以下的水平处施加到钻柱上的扭矩和重量。
背景技术：
在海底钻井操作中，钻井船舶大体浮动在待钻井的区域上面。然后钻井船舶送入钻井立管，钻井立管从水面钻井船舶延伸到位于海床处的井头。钻井立管用作船舶和井头之间的生命线，因为大多数钻井操作都是通过钻井立管来执行的。在井需要装置时，例如套管悬挂器、桥接件悬挂器、密封件、耐磨衬套等，它们在钻柱上从船舶的表面传送通过立管，通过井头并进入井孔中。使用重量和旋转来放置和促动这些装置。因为这一点，在某种程度上特别地知道在海底环境中施加到装置上的重量和扭矩是重要的，以知道装置已经到达 井孔中的合适位置，并且被恰当地促动。典型地，通过在钻井船舶处测量施加的扭矩和重量来实现这一点。因为钻井船舶浮动在海底井头的上方，所以它们会经受海流和风的影响。海流和风将推动钻井船舶，使得它们在井头的上方无法保持完全固定，尽管努力将它们锚定到海床上。另外，立管本身会经受海流引起的运动。因为这一点，立管将无法在井头和钻井船舶之间保持真正的竖直。相反，立管将响应于船舶相对于井头的位置和在锚定在钻井船舶和井头处的端部之间延伸的未锚定的立管区段上的海流的影响而“弯曲”。在钻探较深的水中的位置吋，问题变得恶化。在立管弯曲时，穿过立管的钻柱将接触立管，而不是在立管壁之间保持悬空。在钻柱接触立管壁所处的位置处，钻柱被锚定，并且将钻井船舶施加到钻柱上的操作重量和扭矩中的一些从钻柱传递到立管。因而，在井孔中施加到装置上的总扭矩和总重量小于在钻井船舶处施加的总扭矩和总重量。因为装置依赖于合适的重量和扭矩来设置、设定和测试在井孔中的合适位置，所以由于抵靠着立管而锚定钻柱而引起的扭矩和重量的损失可意味着钻井船舶处的操作员未恰当地测试、设定或设置装置，因为他们以在钻井船舶处得到的扭矩和重量量度作为他们的行动的基础。为了确保施加合适的扭矩和重量来设置、设定和测试装置，測量在装置位置处施加的扭矩和重量是必要的。用于感测已经施加了合适的重量和扭矩来设定井下消耗品的一种现有技术的方法包括在井下消耗品的设置位置处使用带特殊凹槽的套管。然后将接近传感器结合到消耗品中，或者备选地结合到与消耗品顺列的単独的工具中。当特殊的套管上的凹槽紧邻传感器时，接近传感器被触发(trip)。然后接近传感器产生声学信号，在平台处接收该声学信号，并且将该声学信号理解为工具的设置。不幸的是，这些装置需要使用专门的工具和专门的套管来合适地产生设定/设置信号。另外，装置无法提供关于在消耗品处施加的重量和扭矩的信息，该信息可指示钻井平台和井是否相对于彼此有错位，或者钻柱已经被锚定。用于感测井下位置处的重量和扭矩的另ー种现有技术的方法包括使用悬空应变量计传感器来測量和记录井下位置处的重量和扭矩。但是，不是使用这些传感器来实时地确定所发生的事情，而是在设定任何井下消耗品之前确定在钻井期间的摩擦损失。研究来自这些装置的数据和计算，并且使用它们来在类似的位置和地层类型处进行钻井操作。在井头消耗品的设置、设定和测试期间，它们不对操作员提供实时反馈。因此，存在对ー种用于在设置、设定和测试海底井头装置时感测在泥线中的重量和扭矩的方法和设备的需要。
发明内容
通过提供了一种用于实时地測量井下位置处的重量和扭矩的设备及其使用方法的本发明的优选实施例，大体解决或规避了这些和其它问题，并且大体实现了技术优点。根据本发明的一个实施例，一种用于测量钻井平台在井下海底送入工具处施加到钻柱上的扭矩和重量的系统，该系统包括测カ计杆、接受器杆和显示器。测カ计杆具有顺列地联接到钻柱上的双向扭矩和重量传感器。测カ计杆进ー步联接到送入工具上，使得测カ计杆将測量在送入工具处施加的扭矩和重量，以及作为响应而产生信号。测カ计杆通讯联接到接受器杆上，使得接受器杆可接收来自测カ计杆的信号。接受器杆又在钻井平台的回转台处顺列地联接到钻柱上，并且进一歩通讯联接到位于钻井平台的操作员附近的显示器上。在接受器杆和显示器之间的通讯联接允许接受器杆将信号发送给显示器。显示器又实时地对操作员呈现信号。根据本发明的另ー个实施例，一种用于测量钻井平台在井下海底送入工具处施加到钻柱上的扭矩和重量的系统，该系统包括测カ计杆、信号发送器、信号接受器和显示器。测カ计杆具有顺列地联接到钻柱上且进ー步联接到送入工具上的双向测压元件。信号发送器联接到测カ计杆和双向测压元件上。信号发送器构造成接收来自双向测压元件的多个信号，以及将那些信号发送给信号接受器。信号接受器通讯联接到显示器上，并且显示器构造成以操作员所理解的方式实时地呈现信号。根据本发明的又一个实施例，一种用于在设置海底井头消耗品时感测在泥线中由钻井平台在井下海底送入工具处施加到钻柱上的重量和扭矩的方法包括以下步骤。首先，该方法提供重量和扭矩感测系统，并且将其顺列地联接到钻柱和送入工具上。接着，该方法沿着海底立管向下送入感测系统，并且将感测系统送入到井孔的泥线中。然后该方法操作送入工具，并且响应于送入工具的操作而在重量和扭矩感测系统的双向测压元件中产生信号。接着，该方法将信号从感测系统的双向测压元件发送到钻井平台处的显示器，并且将信号传输给钻井平台操作员。优选实施例的优点在于其实时地提供在海底井孔中的装置位置处施加的扭矩和重量的量度。这允许钻井船舶的操作员更好地确定装置已经在井孔中恰当地设置和设定。另外，通过比较该量度与在水面处施加的扭矩和重量的量度，操作员将得到钻柱已被锚定在海底立管上的指示。
为了获得本发明的特征、优点和目标以及其它将变得显而易见的方式，并且可详 细地理解该方式，可通过參照本发明的实施例来得到在上面简要概述的本发明的更具体的描述，在附图中示出了本发明的实施例，附图形成本说明书的一部分。但是，要注意，附图仅示出本发明的优选实施例，并且因此不应理解为限制其范围，因为本发明可容许有其它等效的实施例。图I是在井头组件和浮动平台之间延伸的立管的示意图。图2是采用了本发明的一个实施例的钻井工具的示意图。图3是图2中采用的示例性测量工具的示意图。图4A-5B是图3的示例性测量工具所采用的重量和扭矩传感器的示意图。图6是ー个备选测量工具的示意图。图7是本发明的一个实施例中采用的接受器工具的示意图。 图8是在本发明的一个实施例中通讯联接的測量工具、接受器工具和显示器区域的示意图。图9是本发明的一个备选实施例的示意图。图10-12是在设置、设定和/或测试海底井头消耗品的操作步骤中的套管悬挂器送入工具的示意图。
具体实施例方式现在将在下文參照附图来更加完整地描述本发明，附图示出了本发明的实施例。但是，本发明可体现为许多不同的形式，并且不应理解为限于本文阐述的示出的实施例。相反，提供这些实施例，使得本公开将是彻底和全面的，并且将对本领域技术人员完整地传达本发明的范围。相同标号在全文中指示相同元件，而且点撇符号(如果使用了的话)在备选实施例中指示类似的元件。在以下论述中，阐述了许多具体细节，以提供对本发明的彻底理解。但是，将对本领域技术人员显而易见的是，可在没有这样的具体细节的情况下实践本发明。另外，对于大部分而言，已经省略了关于钻井平台操作、立管组装和拆卸、井头消耗品的操作和使用等有关的细节，因为不认为这样的细节对获得本发明的全面理解是必要的，而且认为这样的细节在相关领域技术人员的技能之内。參照图1，显示了通过立管15而连接到海床处的井头组件13上的浮动钻井平台
11。柱17(例如套管柱或衬套柱)从井头组件13延伸到地下井孔底部(未显示)。立管15使得钻管19能够被从浮动平台11部署到井头组件13，以及继续在泥线14的下方进入柱17中。钻柱19接收来自位于浮动平台11上的钻井装置的旋转扭矩和向下的力或重量。虽然是由刚性部件组成的，但是立管15在其横跨浮动平台11和井头组件13之间的距离时不能完全保持刚性。立管15由接头组成，各个接头可允许相对于基本竖直位置有某种程度的运动。各个接头的轻微运动的联合作用将使立管15响应于水面巨良23引起的浮动平台11的竖直运动、海底水流21造成的横向运动和浮动平台11响应于风25而引起的横向运动而“弯曲”。如所显示的那样，海底水流21、巨浪23和风25已经使浮动平台11移动，使得立管15在图I中显示的弯曲位置上。钻柱19不会响应于环境状况而“弯曲”。钻柱19在其通过立管15从浮动平台11传送到井头组件13且然后传送到柱17中时保持基本刚性。因此，钻柱19的外径将如显示的那样在接触位置27处接触立管15的内径表面。在这些位置处，在浮动平台11处施加到钻柱19上的旋转扭矩和重量的一部分从钻柱19传递到立管15，从而导致实际施加到井下工具上的扭矩和重量小于在水面处施加的扭矩和重量。
如图2中显示的那样，为了測量在泥线14处或下方施加的实际旋转扭矩和重量，在通过送入工具31来设定海底井头装备(例如套管悬挂器32)吋，将测カ计杆29顺列地联接在送入工具31和钻柱19之间。送入工具31是用来设置和操作海底井头装备(例如套管悬挂器、管道悬挂器、密封件、井头壳体、树等)的传统工具。在钻柱19上将送入工具31送入到井头组件13内的位置(例如在防喷器(BOP) 33处)，或者沿着柱17进ー步向下(例如在井头35处或甚至进ー步到井下)送入送入工具31。测カ计杆29包含測量在送入工具31处施加的旋转扭矩和重量的操作元件。可用任何适当的方式将这些测量结果传输*给钻井平台11，或者可选地存储在测カ计杆29中且在以后的日子取回这些测量结果。在示出的实施例中，实时地将测量结果传输给钻井平台11，使得平台11上的操作员可因此作出响应。现在參照图3，显示了测カ计杆29的详细视图。测カ计杆29可包括管状本体37、声学发送器39、电池41、多个应变量计43、弹性体密封件45、保护套筒47、固持螺母49、键51和止动螺钉53。管状本体37限定具有轴线38的膛孔36，以允许钻井流体或烃通过，这取决于井目前正经历的特定的操作。管状本体37具有构造成联接到钻柱19 (图2)上的上部端55。本领域技术人员将理解，该联接可为螺纹连接、夹持连接或任何其它适当的钻柱联接。类似地，管状本体37 (图3)具有构造成联接到送入工具31 (图2)上的下部端57。本领域技术人员将理解，该联接可为螺纹连接、夹持连接或任何其它适当的钻柱联接。在管状本体57的下部部分中形成下部本体凹部59，下部本体凹部59的大小和形状使得保护套筒47可在包围管状本体37的下部本体凹部59处在管状本体37的上面滑动。在示出的实施例中，当保护套筒47在组装之后包围管状本体37时，保护套筒47的外径表面将与管状本体37的外径表面齐平。管状本体37进ー步限定发送器凹部61和电池凹部63。发送器凹部61和电池凹部63两者均从下部本体凹部57的外径表面向内延伸向膛孔36。发送器凹部61的大小和形状使得声学发送器39可装配到发送器凹部61中，从而基本填满发送器凹部61，同时允许保护套筒47在下部本体凹部59处包围管状本体37。类似地，电池凹部63的大小和形状使得电池41可装配到电池凹部63中，从而基本填满电池凹部63，同时允许保护套筒47在下部本体凹部59处包围管状本体37。密封件45可由弾性体形成，并且如示出的那样包括0形环。密封件45将在下部本体凹部59上面传送，并且，在保护套筒47包围下部本体凹部59之后，密封保护套筒47和管状本体37之间的环形空间。在组装期间，在保护套筒47在下部本体凹部59的上面滑动之后，可通过形成于管状本体37的外径表面中的匹配螺纹65来将固持螺母49旋到管状本体37上，使得固持螺母49将抵靠保护套筒47且将其保持就位。在示出的实施例中，进一步通过放置到固持螺母49中的槽口中的键51来固定固持螺母49，并且用止动螺钉53将固持螺母49保持就位。沿轴向在发送器凹部61和电池凹部63的下方以及沿轴向在螺纹65的上方在下部本体凹部59的表面中形成环形量计凹部67。量计凹部67从下部本体凹部59的表面沿径向向内延伸向膛孔36。量计凹部67有足够的深度，使得可将该多个量计43置于量计凹部43中，同时允许保护套筒47在量计43的上面滑动，而不干扰量计43的操作。另外，可在发送器凹部61、电池凹部63和量计凹部67之间使下部本体凹部59的表面成型，以允许在电池41、声学发送器39和应变量计43之间建立通讯联接。在该示例性实施例中，管状本体37由SAE 4340钢形成，被淬火和回火到42HRC处。备选实施例可使用具有高屈服应カ和低磁滞的任何适当的材料，例如铝6061等。电池41包括可由需要电流来运行的装置发送和使用的电池存储的电势。声学发送器39可为这样的装置。声学发送器39可包括控制器，控制器构造成接收来自电池41的电势，以及将电压供应给应变量计43。声学发送器39构造成为应变量计43供应稳定的电压，以及作为响应而接收可变的电压。声学发送器39可接收来自应变量计43的电压，并且将接收自应变量计43的那个电压作为声学信号而传输给井上装置。在将信号传输到井上之前，声学发送器39可将信号传送通过可选地包括在声学发送器39中的放大电路。在运行中，电池41电联接到声学发送器39上，使得发送器39可接收来自电池41的功率。继而，声学发送器39电联接到应变量计43上，使得声学发送器39可将电压供应给应变量计43，以及响应于供应的电压而接收来自应变量计43的电压。在该示例性实施例中，当送入工具31通过在平台11处施加的载荷来运行时，应变量计43将如下面描述的那样运行，以供应响应电压，响应电压被声学发送器39读取,并且然后被声学发送器39传输到井上。 现在參照图4A至5B，将该多个应变量计43布置成形成两通道双向测压元件。在该示例性实施例中，将ー个通道布置成測量重量，而将第二通道布置成測量扭矩。该多个应变量计可包括布置成形成两个单独的惠斯通电桥的八个应变量计。首先，如图4A中示出的那样，第一惠斯通电桥可在第一通道上，并且布置成包括四个应变量计69、71、73和75，以及在量计凹部67中结合到管状本体37的表面上。在该示例性实施例中，使用图4B中示出的应变量计布置来测量重量。两个应变量计69、73将平行于轴线38而对准，而两个应变量计71、75将垂直于轴线38而对准。应变量计71和75将在管状本体37的沿直径相对的侧上。类似地，应变量计69和73将在管状本体37的沿直径相对的侧上。如图4B中显示的那样，应变量计69、71、73和75将如下面那样连通性地联接。应变量计69可在第一端处联接到应变量计71的第一端上。应变量计69的第二端可联接到应变量计75的第一端上。应变量计71的第二端可联接到应变量计73的第一端上。应变量计73的第二端可联接到应变量计75的第二端上。在连接应变量计69和71以及73和75的输入节点70处施加电压。可在连接应变量计69和75以及71、73的输出节点72处读取对应的输出电压。声学发送器39连通性地联接到连接应变量计69和71以及73和75的输入节点70上，以施加已知的电压输入。声学发送器39又在应变量计69和75以及71和73处联接到输出节点72上，从输出节点72处读取输出电压，并且发送输出电压。如图5A和5B中示出的那样，第二惠斯通电桥可在第二通道上，并且布置成包括在量计凹部67中结合到管状本体37的表面上的四个应变量计77、79、81和83。在该示例性实施例中，使用图5A中示出的应变量计布置来测量扭矩。两个应变量计77、81将相对于垂直于轴线38的轴线以负45度角对准，而两个应变量计79、83将相对于垂直于轴线38的轴线以正四十五度角对准。应变量计77和81将在管状本体37的沿直径相对的侧上。类似地，应变量计79和83将在管状本体37的沿直径相对的侧上。如图5B中显示的那样，应变量计77、79、81和83将如下面那样连通性地联接。应变量计77可在第一端处联接到应变量计79的第一端上。应变量计77的第二端可联接到应变量计83的第一端上。应变量计79的第二端可联接到应变量计81的第一端上。应变量计81的第二端可联接到应变量计83的第二端上。在连接应变量计77和79以及81和83的输入节点78处施加电压。可在连接应变量计77和83以及79、81的输出节点80处读取对应的输出电压。声学发送器39连通性地联接到连接应变量计77和79以及81和83的输入节点78上。声学发送器39对这些节点施加已知的电压。声学发送器39又在应变量计77和83以及79和81处联接到输出节点80上，从输出节点80处读取输出电压，并且发送输出电压。通过电联接到电池41上来对声学发送器39提供功率。在被置于钻柱19中之前，声学发送器39被通电，以开始对该示例性实施例的两个惠斯通电桥施加电压，以及从该两个惠斯通电桥读取电压。本领域技术人员将理解，可使用额外的应变量计惠斯通电桥布置来提供更大的数据集合声学发送器39可接收来自输出节点的电压读数，并且以任何适当的方式将电压转换成声学信号。声学发送器39可连接到管状本体37上，使得声学发送器39可产生声学信号，然后声学发送器可通过钻管19将声学信号发送给下面关于图7所描述的接受器杆87。在被部署到井下之前，用以下方式标定测カ计29。在上面描述的输入节点70、78处对应变量计43施加电压，并且从输出节点72、80读取输出电压，并且将该输出电压记录为基本输出电压。然后外部装置将对测カ计29施加已知的重量和扭矩载荷，同时在输入节点70、78处对应变量计43施加相同的电压。从输出节点72、80读取对应的电压，并且记录该电压。重复进行该过程，以建立使施加的载荷与产生的输出电压相关的数据集合。根据这个数据集合，建立标定カ矩方程，该方程将允许根据从输出节点72、80读取的输出电压来确定对测カ计施加的载荷。在图6中示出的一个备选实施例中，数据记录器85可代替声学发送器39。数据记录器85将如上面关于图4A至5B中的声学发送器39所描述的那样联接到该多个应变量计43上。但是，不像声学发送器39，数据记录器85不会将信号发送到水面。相反，数据记录器85将把得到的所有读数存储到数据存储単元中，以在从井孔中移除测カ计杆29之后进行分析。现在參照图7，显示了位于海平面的上方且接收来自声学发送器39的声学信号的接受器杆87的详细视图。接受器杆87可包括管状接受器本体97、声学接受器89、电池90、无线电发送器91、接受器弾性体密封件99、接受器保护套筒101、接受器固持螺母103、接受器键105和接受器止动螺钉107。接受器本体97限定具有轴线93的接受器膛孔95，以允许钻井流体或烃通过，这取决于井目前正经历的特定的操作。接受器本体97具有构造成联接到钻柱19(图2和图8)上的上部端109和下部端121。本领域技术人员将理解，该联接可为螺纹连接、夹持连接或任何其它适当的钻柱联接。在接受器本体97的下部部分中形成接受器本体凹部111，接受器本体凹部111的大小和形状使得接受器保护套筒101可在接受器本体凹部111处在接受器本体97的上面滑动，从而在组装之后在接受器本体凹部111处包围接受器本体97组件。在示出的实施例中，当保护套筒101包围接受器本体97时，接受器保护套筒101的外径表面将与接受器本体97的外径表面齐平。接受器本体97进ー步限定接受器电池凹部113、接受器凹部115和在图7的背面的接受器发送器凹部117。接受器电池凹部113、接受器凹部115和接受器发送器凹部117从接受器本体凹部111的外径表面向内延伸向接受器膛孔95。接受器电池凹部113的大小和形状使得电池90可装配到接受器电池凹部113中，从而基本填满接受器电池凹部113，同时允许接受器保护套筒101在接受器本体凹部111处包围接受器本体97。类似地，接受器凹部115的大小和形状使得声学接受器89可装配到接受器凹部115中，从而基本填满接受器凹部115，同时允许接受器保护套筒101在接受器本体凹部111处包围接受器本体97。另外，接受器发送器凹部117的大小和形状使得无线电发送器91可装配到接受器发送器凹部117中，从而基本填满接受器发送器凹部117，同时允许接受器保护套筒101在接受器本体凹部111处包围接受器本体97。接受器密封件99可由弾性体形成，并且如示出的那样包括0形环的形状。接受器密封件99将在接受器本体凹部111上面传送，并且，在接受器保护套筒101包围接受器本体凹部111之后，密封接受器保护套筒101和接受器本体97之间的环形空间。在组装期间，在接受器保护套筒101在接受器本体凹部111的上面滑动之后，可通过形成于接受器本体97的外径表面中的匹配的接受器螺纹119来将接受器固持螺母103旋到接受器本体97上，使得接受器固持螺母103将抵靠接受器保护套筒101且将其保持就位。在示出的实施例中，接受器固持螺母103进ー步被放置到接受器固持螺母103中的槽口中的接受器键105 固定，并且被接受器止动螺钉107保持就位。在该示例性实施例中，接受器本体97由SAE4340钢形成，被淬火和回火到42HRC处。备选实施例可使用具有高屈服应カ和低磁滞的任何适当的材料，例如铝6061等。在该示例性实施例中，电池90联接到声学接受器89和无线电发送器91上，以对两者供应电势。类似于声学发送器39，接受器89可连接到接受器本体97上，使得声学接受器89可通过送入柱19的金属管而接收声学发送器39产生的声学信号。备选地，声学信号可穿过任何适当的介质，例如立管15中的液体或送入柱19中的液体，只要将声学发送器39和声学接受器89定位成通过那个介质来产生和接收信号即可。要是那样的话，接受器杆87将具有浸没在立管15或送入柱19中的液体内的感测部分。无线电发送器91将在液体的上方，以便发出RF信号。声学接受器89又与无线电发送器91通讯联接。当声学接受器89接收到来自声学发送器39的声学信号时，声学接受器89将把信号转换成可由无线电发送器91接收的信号，以及然后将那个信号发送给无线电发送器91。无线电发送器91又将把信号转换成无线电信号，并且将该信号发送给平台11(图I)上的无线电接收器123(图8)。在如图2和图8中示出的运行中，操作员将把测カ计杆29联接到送入工具31上，以及将套管悬挂器32连接到送入工具31上，如下面描述的那样。然后操作员将把钻井エ具31、测カ计杆29和套管悬挂器32送入到立管15中。操作员组装送入柱19，并且当送入工具31在海底井头组件13附近时，操作员将在平台11处把接受器杆87连接到送入柱19中。接受器杆87将在海平面的上方。在把测カ计杆29送入海底之前，对测カ计杆29通电。当操作员想要知道送入工具31处的操作扭矩时，操作员对接受器杆87通电。在图8中示出的示例性实施例中，接受器杆87将在与无线电接收器123无线通讯的范围中，无线电接收器123通讯联接到位于浮动平台11处的操作员舱室中的显示器125上，如图I和图8中示出的那样。对钻柱19施加扭矩和重量，以用下面的方式来促动套管悬挂器32。參照图10,大体显示了被用来设定套管悬挂器的送入工具31的实施例。送入工具31由杆135组成。杆135是具有延伸通过其中的轴向通道137的管状部件。杆135在其上部端上连接到测カ计29上。然后测カ计29如上面描述的那样联接到送入柱19上。杆135的下部部分在其外表面上具有螺纹139。送入工具31具有内部本体141，在杆135沿轴向延伸通过内部本体141吋，内部本体141包围杆135。内部本体141具有上部本体部分143和下部本体部分145。内部本体141的下部本体部分145连接到轴承盖147上。轴承盖147沿着其内表面具有螺纹149，螺纹149与杆135的外表面上的螺纹139接合。内部本体141的下部部分145和轴承盖147容纳接合元件151。在这个特定的实施例中，接合元件151是具有平滑的内表面和成型外表面的ー组止块。在接合元件151与套管悬挂器32接合时，成型外表面适于接合套管悬挂器32的内表面上的互补的成型表面153。虽然未显示，但是套管柱附连到套管悬挂器32的下部端上。 内部本体141的下部本体部分145具有内部凹部，内部凹部沿着其内表面具有螺纹155。凸轮157定位在杆135和内部本体141的内部凹部之间。凸轮157在其外表面上具有螺纹158，螺纹158与内部本体141的下部本体部分145的内部凹部的表面上的螺纹155接合。凸轮157和杆135连接到彼此上，使得凸轮157和杆135 —致地旋转，但是凸轮157可独立于杆135而相对于内部本体141沿轴向运动。例如，凸轮157和杆131可借助于阻旋键而连接到彼此上。外部本体或活塞159包围杆135和内部本体141的大部分。活塞159连接到杆135上，使得它们一致地旋转和运动。设定套筒161连接到活塞159的下部端上。设定套筒161承载离开(packoff)密封件163，离开密封件163沿着设定套筒161的下部端部分定位。当恰当地设定吋，离开密封件163将起到把套管悬挂器32密封到高压壳体165上的作用。在活塞159在上部位置上时,离开密封件163在套管悬挂器32的上方间隔开。參照图10，在运行中，首先将送入工具31定位成使其沿轴向延伸通过套管悬挂器32。活塞159在上部位置上，并且套管悬挂器离开密封件163由连接到活塞159上的设定套筒161承载。将送入工具31降低到套管悬挂器32中，直到内部本体141的外表面和送入工具31的轴承盖147滑动地接合套管悬挂器32的内表面为止。一旦送入工具31和套管悬挂器32以抵靠的方式接触彼此，杆135则旋转四圈。在杆135旋转时，杆135的一部分从轴承盖147上旋出，并且杆135和活塞159相对于内部本体141沿纵向向下运动。在杆135相对于内部本体141旋转时，凸轮157 —致地旋转，并且同时从内部本体141上旋出，以及相对于内部本体141沿纵向向下运动。在凸轮157的外表面上的肩部164与接合元件157接触，从而迫使接合元件157沿径向向外，以及与套管悬挂器32的内表面上的轮廓153进行接合接触，从而将内部本体141锁定到套管悬挂器32上。一旦送入工具31和套管悬挂器32锁定到彼此上，就沿着立管将送入工具31和套管悬挂器32降低到高压壳体165中，直到套管悬挂器32如图10中显示的那样靠住为止。如图11中不出的那样，然后杆135沿同一方向旋转额外的四圈。在杆135相对于内部本体141旋转时，杆135完全从轴承盖147上旋出，从而使杆135和活塞159能够相对于内部本体141和套管悬挂器32进ー步自由地沿纵向向下运动。在旋转期间，将发生测カ计29的变形，从而如上面关于图4A-5B所描述的那样，在输出节点72、80处产生输出电压，然后如下面描述的那样发送该输出电压。參照图12，然后在钻管柱(未显示)上向下施加重量，以及随后施加到测カ计杆29、杆135和活塞159上。在杆135和活塞159相对于内部本体43进ー步沿纵向向下运动时，离开密封件163设置在套管悬挂器32和高压壳体165之间，从而沿径向接合套管悬挂器32的外表面和高压壳体165的内表面。这就设定了套管悬挂器32。在这个过程中施加的重量将再次使测カ计29变形，从而在输出节点72、80处产生输出电压，然后测カ计杆29如下面描述的那样将输出电压发送到水面。测カ计杆29将通过如上面描述的那样工作的多个应变量计43来測量在测カ计杆29的井下位置处施加的扭矩和重量。然后声学发送器39将响应于施加的载荷和施加的已知电压而产生表示多个应变量计43产生的电压差的声学信号。声学信号穿过送入柱19或送入柱19内的液体或包围送入柱19的液体。声学接受器89接收这个声学信号，将声学信号转换成电信号，并且然后将电信号转送给无线电发送器91，在无线电发送器91中信号被转换成无线信号，然后无线信号被发送给无线电接收器123。然后无线电接收器123将信号再次转换成电信号，并且将信号发送给位于操作员附近的显示器125。然后显示器125将把指示应变量计43处的电压的信号转换成操作员理解的信号， 以基于在测カ计杆29的标定期间确定的标定カ矩方程而报告在井头13中的测カ计杆29的位置处实际施加的重量和扭矩。根据这一点，操作员然后将能够比较施加的扭矩和重量与他的仪器将告诉他的他在平台11处所施加的扭矩和重量。照这样，然后操作员可调节在水面处的扭矩和重量，以在测カ计杆29的位置处实现期望的扭矩和重量。本领域技术人员将理解，可用任何适当的方式来实现通讯信号的转换。类似地，可通过沿着信号路径的任何装置或者通过与设备通讯的额外的适当的装置来实现基于应变量计43产生的响应电压而计算在测カ计杆29处施加的扭矩和重量。在图9中示出的一个备选实施例中，第二测カ计杆或回转台测カ计127可在回转台水平处与第二接受器杆或回转台接受器129 —起顺列地联接到钻柱19上。备选实施例包括上面描述的图1-8的实施例的元件。回转台测カ计127和回转台接受器129包括测カ计杆29和接受器杆87的构件，并且将如上面分别关于测カ计杆29和接受器杆87所描述的那样操作。回转台接受器129可将接收自回转台测カ计127的信号传输给第二无线接受器133，然后第二无线接受器133可使回转台信号在第二显示器131上显示。照这样，操作员可接收回转台水平处的第二读数，这将允许操作员更好地理解井下正在发生的情况，以及使接收到的数据同歩，以便在将来进行研究。因此，公开的实施例提供许多优点。例如，公开的实施例允许操作员更好地理解井下正在发生什么情況。另外，公开的实施例通过实时地将在井下位置处实际施加的扭矩和重量传输给操作员来允许操作员适应扭矩和重量损失。照这样，公开的实施例帮助操作员确保置于井下的装备被恰当地设定和促动，从而提高在海底井中成功钻井和生产的可能性。另外，公开的实施例对操作员提供平台未对准井头的指示，从而为操作员提供拉动立管而迫使平台在井头的上方竖直对准的机会。要理解，本发明可采取许多形式和实施例。因此，可在前述内容中作出若干变型，而不偏离本发明的精神或范围。因此由于參照本发明的某些优选实施例来描述了本发明，要注意，公开的实施例是在性质上是示例性的，而非限制性的，而且在前述公开中构想了大范围的变型、改良、改变和替代，并且在一些情况下，可在没有对应地使用其它特征的情况下采用本发明的ー些特征。基于对优选实施例的前述描述的审阅，可认为许多这样的变型和改良对本领域技术人员而言是显而易见和合乎需要的。因此，宽泛地且以与本发明的范 围一致的方式来理解所附权利要求是合适的。
权利要求
1.一种用于送入海底井头构件的系统，包括 具有用于联接到送入柱上的上部端的送入工具，所述送入工具适于承载和设定所述构件； 测カ计杆，其具有双向扭矩和重量传感器，并且适于顺列地联接到所述送入柱上，以及进ー步联接到所述送入工具上，使得所述测カ计杆将測量在所述送入工具处施加的扭矩和重量，并且作为响应而产生信号； 适于在海平面上方顺列地联接到所述送入柱上的接受器杆； 所述测カ计杆通讯联接到所述接受器杆上，使得所述接受器杆能够接收来自所述测カ计杆的所述信号； 用于对操作员实时呈现所述信号的显示器；以及 所述接受器杆进一歩通讯联接到位于所述钻井平台的操作员附近的所述显示器上，使得所述接受器杆能够将所述信号发送给所述显示器。
2.根据权利要求I所述的系统，其特征在于，所述测カ计杆包括 信号发送器，其联接到所述扭矩和重量传感器上，使得所述信号发送器将电势供应给所述扭矩和重量传感器，以及作为响应而接收对应的电势；以及 所述信号发送器进ー步联接到所述测カ计杆上，使得所述信号发送器能够将所述电势作为信号发送给所述接受器杆。
3.根据权利要求I所述的系统，其特征在于，所述接受器杆包括 信号接受器，其联接到所述接受器杆上，以接收所述测カ计杆所产生的所述信号；以及所述信号接受器进ー步通讯联接到接受器发送器上，使得所述信号接受器所接收的所述信号能够发送给所述显示器。
4.根据权利要求I所述的系统，其特征在于，所述信号发送器包括放大电路，以接收来自所述扭矩和重量传感器的所述信号，以及放大所述信号来进行发送。
5.根据权利要求I所述的系统，其特征在于，在所述测カ计杆和所述接受器杆之间的通讯联接包括声学信号。
6.根据权利要求I所述的系统，其特征在于，在所述接受器杆和所述显示器之间的通讯联接包括无线电信号。
7.根据权利要求I所述的系统，其特征在于，所述双向扭矩和重量传感器包括 具有布置成两个惠斯通电桥的至少八个应变量计的双向测压元件； 两个应变量计在所述测カ计杆的沿直径相对的侧上与测カ计轴线平行地结合到所述测カ计杆上； 两个应变量计在所述测カ计杆的沿直径相対的侧上与所述测カ计轴线垂直地结合到所述测カ计杆上，使得所述平行的应变量计和所述垂直的应变量计能够连通性地联接成第一惠斯通电桥，以产生对应于施加到所述测カ计杆上的重量载荷的电压； 两个应变量计在所述测カ计杆的沿直径相对的侧上相对于垂直于所述测カ计轴线的轴线以四十五度角结合到所述测カ计杆上；以及 两个应变量计在所述测カ计杆的沿直径相对的侧上相对于垂直于所述测カ计轴线的所述轴线以负四十五度角结合到所述测カ计杆上，使得所述应变量计能够连通性地联接成第二惠斯通电桥，以产生对应于施加到所述测カ计杆上的扭矩载荷的电压。
8.一种用于送入海底井头构件的系统，包括 具有用于联接到送入柱上的上部端的送入工具，所述送入工具适于承载和设定所述构件； 所述送入工具具有用于响应于旋转而施加设定カ的旋转装置； 测カ计杆，其具有适于顺列地联接到所述送入柱上且进ー步联接到所述送入工具上的双向测压元件； 联接到所述测カ计杆和所述双向测压元件上的信号发送器； 所述信号发送器构造成接收来自所述双向测压元件的多个信号； 在海平面上方联接到所述送入柱上的信号接受器； 所述信号发送器进ー步通讯联接到所述信号接受器上，使得信号能够从所述双向测压元件发送到所述信号发送器，以及然后发送到所述信号接受器； 显示器，其构造成以操作员所理解的方式呈现所述信号，以及安装成使得操作员能够直观地实时地监测所述显示器；以及 所述信号接受器通讯联接到所述显示器上。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在干，所述双向测压元件包括布置成两个惠斯通电桥的至少八个应变量计。
10.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，在所述信号发送器和所述信号接受器之间的通讯联接包括声学信号。
11.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，在所述接受器和所述显示器之间的通讯联接包括无线电信号。
12.一种用于送入海底井头装置的方法，包括 (a)提供重量和扭矩感测系统，其顺列地联接到送入柱和送入工具上，所述送入工具连接到海底井头装置上； (b)沿着海底立管向下送入所述感测系统，以及将所述海底井头装置定位成与海底井头组件接合； (C)操作所述送入工具，以将所述海底装置设定在所述井头组件中； (d)响应于对所述送入工具的所述操作而在所述重量和扭矩感测系统的双向测压元件中产生信号； (e)将所述信号从所述感测系统的双向测压元件发送到所述钻井平台处的显示器；然后 (f)将所述信号传输给钻井平台操作员。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，步骤(c)包括旋转所述送入柱，以使所述送入工具的一部分相对于所述井头装置而旋转。
14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，步骤(d)包括 使所述感测系统的测力计杆变形，所述变形会改变所述双向测压元件的电阻；以及 响应于所述改变的电阻而产生所述信号。
15.根据权利要求14所述的方法,其特征在于,产生信号包括产生对应于施加到所述双向测压元件上的电压和在所述送入工具处施加的载荷的电压。
16.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述方法进ー步包括在 海平面上方的水平处将水面重量和扭矩感测系统联接到所述钻柱上，并且同时执行步骤(C); 响应于在步骤(C)中对所述送入工具的所述操作而在所述水面重量和扭矩感测系统的双向测压元件中产生水面信号； 将所述水面信号从所述水面重量和扭矩感测系统的所述双向测压元件发送到所述钻井平台处的显示器；然后 将所述水面信号传输给所述钻井平台操作员。
17.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，步骤(c)包括对所述海底井头装置施加所述送入柱的重量的至少一部分。
18.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，步骤(c)包括在已经设定所述海底井头装置之后向上拉所述送入柱，以测试所述海底井头装置是否被恰当地设定。
19.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述方法进ー步包括 在海平面上方的位置处将接收单元连接到所述送入柱中；其中 步骤(e)包括以声学的方式将所述信号发送给所述接收単元。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在干，以声学的方式发送所述信号包括通过所述送入柱的材料而发送所述信号。
全文摘要
本发明涉及用于测量井下位置处的重量和扭矩的设备和方法。测力计测量在送入工具位置处施加的重量和扭矩，并且将测得信息发送给钻井平台操作员。该系统包括具有双向扭矩和重量传感器的测力计杆，其顺列地联接到钻柱上，并且进一步联接到送入工具上，使得测力计杆将测量在送入工具处施加的扭矩和重量，以及作为响应而产生信号。测力计杆通讯联接到接受器杆上，使得接受器杆可接收来自测力计杆的信号。接受器杆在钻井平台的回转台处顺列地联接到钻柱上，并且进一步通讯联接到位于钻井平台的操作员附近的显示器上，使得接受器杆可将信号发送给显示器。显示器对操作员实时地呈现信号。
文档编号E21B47/001GK102654051SQ20121006624
公开日2012年9月5日 申请日期2012年3月5日 优先权日2011年3月3日
发明者F·K·科巴塔, L·A·佩鲁奇, P·P·阿尔法诺, R·R·艾蒙 申请人:韦特柯格雷公司