[发明专利]用于井下负载测量工具的测力计

说明书

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 2008/0216554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。

附图说明

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10一起使用的测力计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。