專利名稱：用于測量在井中工作的鉆頭上的彎曲的設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于測量鉆頭上的彎曲的設(shè)備。更具體地，本發(fā)明針對在例如油井的井內(nèi)進(jìn)行向下鉆孔工作的鉆頭上的彎曲的測量。
背景技術(shù)：
在例如氣、油的地下鉆探或地?zé)徙@探中，通過在大地中的地層深度鉆出鉆孔。這樣 的鉆孔如下形成將鉆頭連接到管的稱為“鉆管”的部分以形成通常稱為“鉆柱”的組件，所述鉆柱從地面上的鉆機(jī)懸垂且向下延伸到鉆孔的底部。鉆頭旋轉(zhuǎn)，使得鉆頭前進(jìn)到大地內(nèi)，由此形成鉆孔。在旋轉(zhuǎn)鉆探中，通過在地面處旋轉(zhuǎn)鉆柱而使鉆頭旋轉(zhuǎn)。在定向鉆探中，鉆頭通過聯(lián)接到鉆頭的井下泥漿馬達(dá)旋轉(zhuǎn)；鉆柱的剩余部分在鉆探期間不旋轉(zhuǎn)。在可轉(zhuǎn)向鉆柱中，泥漿馬達(dá)彎曲而相對于鉆頭的中心線略微成角度，以產(chǎn)生引導(dǎo)鉆頭的路徑偏離直線的側(cè)向力。在任何情況下，為潤滑鉆頭且從其路徑?jīng)_洗切削物，地面上的以活塞運(yùn)行的泵將稱為“鉆探泥漿”的高壓流體泵送通過鉆柱中的內(nèi)部通道且通過鉆頭泵送出。鉆探泥漿然后通過形成在鉆柱和鉆孔的表面之間的環(huán)形通道流到地面。取決于鉆探運(yùn)行，流動通過鉆柱的鉆探泥漿的壓力將典型地在0至25000psi之間。另外，在鉆頭上存在大的壓力差，使得在鉆柱外側(cè)流動的鉆探泥漿的壓力明顯低于在鉆柱內(nèi)側(cè)流動的鉆探泥漿的壓力。因此，在鉆柱內(nèi)的部件受到大的壓力。另外，鉆柱的部件還受到來自鉆探泥漿的磨損和磨蝕、以及鉆柱的振動。在整個(gè)鉆探運(yùn)行中，鉆頭可能受到多種作用在鉆柱上的載荷。作用在鉆柱上的基本載荷有軸向拉壓，扭轉(zhuǎn)，彎曲，壓力和溫度。所有這些載荷導(dǎo)致應(yīng)變施加到鉆柱。這些載荷可能是靜載荷或動載荷且在鉆探過程中波動。軸向拉壓載荷是由于將鉆探重量施加到鉆頭導(dǎo)致。這一般地稱為“鉆壓”或W0B。鉆壓的實(shí)際量取決于鉆柱的整體重量和施加在鉆機(jī)處的拉壓載荷的量。這典型地稱為“大鉤載荷”。影響施加到鉆頭的重量的次級載荷是靜水壓載荷和摩擦載荷。靜水壓載荷取決于鉆頭的深度和鉆探流體的密度。由于鉆柱和鉆孔之間的接觸，另外還存在沿鉆柱的長度的摩擦載荷。扭轉(zhuǎn)載荷施加到鉆柱以在鉆頭處提供足夠的切割扭矩。鉆頭扭矩可通過兩個(gè)方式施加通過鉆機(jī)處的馬達(dá)施加，所述馬達(dá)使鉆柱旋轉(zhuǎn)而鉆柱又使鉆頭旋轉(zhuǎn)，和/或通過井下馬達(dá)施加，所述井下馬達(dá)使恰好在鉆頭上方的驅(qū)動軸旋轉(zhuǎn)。鉆柱彎曲來自鉆探軌跡的曲率，鉆柱由于重力的下垂和屈曲。典型地，鉆探越深溫度越高。然而，在不同的地層內(nèi)可能存在溫度變化。環(huán)面溫度和鉆柱的孔內(nèi)的流體內(nèi)的溫度可能略微不同?？诇囟葍A向于略低于環(huán)面溫度。施加到鉆柱的載荷使鉆柱材料受到應(yīng)變。應(yīng)變計(jì)可用于測量這些載荷。應(yīng)變計(jì)定位在鉆鋌上，使其受到一定的應(yīng)變。應(yīng)變計(jì)以電橋布置連接，使得應(yīng)變計(jì)測量了希望的載荷同時(shí)消除了其他載荷的影響。例如，應(yīng)變計(jì)可安裝在鉆鋌上且相互連接，使得電橋僅測量彎曲載荷，而除去拉壓載荷與扭矩載荷。壓力和溫度應(yīng)變不能被消除。因此，這些載荷和測量值和修正因數(shù)應(yīng)用于測量。測量值可井下記錄和/或通過泥漿脈沖或布線的管道傳遞到地面。在此通過引用完整合并的題為“Apparatus for Measuring Weight and Torqueon a Drill Bit Operating in a Well”的美國專利No. 6，547，016提供了用于計(jì)算鉆壓和鉆頭上扭矩(torque on bit)的方法,其方式使得彎曲的效應(yīng)不影響計(jì)算,但不包括任何用于測量彎曲的效應(yīng)的方式。

發(fā)明內(nèi)容
在常規(guī)的鉆壓和鉆頭上扭矩測量系統(tǒng)中缺乏測量彎曲載荷的方法。在此公開了用于測量鉆頭上的彎曲的方法和設(shè)備。合并了以所公開的方式測量彎曲載荷的應(yīng)變計(jì)的益處尚未被實(shí)現(xiàn)。這樣的設(shè)備包括在鉆管內(nèi)形成的第一、第二和第三凹穴，其中凹穴圍繞鉆管大致等距地周向間隔開。凹穴中的每個(gè)凹穴形成至少一個(gè)壁，且應(yīng)變傳感器的組被附著到每 個(gè)凹穴內(nèi)的壁上。電路連接了每組內(nèi)的應(yīng)變傳感器中的每個(gè)應(yīng)變傳感器，從而形成了帶有第一、第二、第三和第四橋臂的電橋。電橋布置為使得設(shè)備能夠感測鉆頭的彎曲。另外，設(shè)備可包括類似的可測量施加到鉆頭的重量和/或扭矩的傳感器布置。在此設(shè)備中，用于每個(gè)測量類型的傳感器的組可通過電路布置和連接以形成電橋。電橋可布置為允許每組傳感器可單獨(dú)地測量鉆頭上的彎曲、重量和扭矩。


圖I是鉆機(jī)的部分示意圖，其中鉆柱合并了根據(jù)本發(fā)明的用于測量鉆頭上的彎曲的設(shè)備。圖2是鉆鋌的一部分的視圖。圖3是通過圖I中示出的鉆柱的鉆鋌部分的縱向截面圖。圖4是沿圖3中的線III-III截取橫向截面圖。圖5A是沿圖3中的線IV-IV截取的向凹穴內(nèi)觀察的正視圖，其中塞被移除，從而示出了鉆頭應(yīng)變計(jì)上的彎曲的定向。圖5B是圖5A中示出的凹穴的等軸測視圖。圖6是根據(jù)本發(fā)明的用于測量鉆頭上的彎曲的系統(tǒng)的示意圖。圖7是沿圖5A中的線VI-VI截取的視圖，圖中示出了凹穴側(cè)壁上附著了鉆頭上的彎曲應(yīng)變計(jì)的部分。圖8A是沿圖3中的線IV-IV截取的向凹穴內(nèi)觀察的正視圖，其中塞被移除，從而示出了鉆壓、鉆頭上扭矩和鉆頭應(yīng)變計(jì)上的彎曲的定向。圖8B是圖8A中示出的凹穴的等軸測視圖。圖9 (a)、(C)和(d)分別示出了處于壓縮、拉壓和扭轉(zhuǎn)下的凹穴的扭曲的夸大的視圖。圖9 (b)描繪了孔內(nèi)對于拉壓和扭矩的應(yīng)變模式的另一個(gè)示例。圖10是根據(jù)本發(fā)明的用于測量鉆頭上的拉壓、扭矩和彎曲的系統(tǒng)的示意圖。圖11是類似于圖4的視圖，圖中示出了所公開的技術(shù)的替代實(shí)施例。
圖12是圖4中示出的凹穴中的一個(gè)凹穴的細(xì)節(jié)圖。圖13是圖12中示出的凹穴的替代實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式在此公開了用于測量鉆頭上彎曲(BOB)的技術(shù)。彎曲載荷是鉆柱的縱向軸線的彎曲。涉及鉆頭上彎曲的信息可對于鉆探操作者提供有用的信息。例如，當(dāng)旋轉(zhuǎn)時(shí)受到彎曲應(yīng)變的鉆桿經(jīng)歷了典型的變化的彎曲應(yīng)力，所述彎曲應(yīng)力可導(dǎo)致鉆頭從其意圖路線的偏移。因此，涉及鉆頭上彎曲的信息可警告操作者采取合適的修正動作，以使鉆頭返回到其意圖的路徑。足夠大的彎曲載荷可導(dǎo)致每轉(zhuǎn)上的疲勞損傷。如果已知，則操作者可采取修正措施來降低彎曲的量，所述措施可包括替換鉆柱的變形的部分。以此方式，涉及鉆頭上彎曲的信息可保證在公差界限內(nèi)鉆探目標(biāo)地層，從而有助于避免浪費(fèi)鉆探時(shí)間。此外，操作者可
使用鉆頭上彎曲信息來實(shí)現(xiàn)更好的鉆柱定向控制?？墒褂盟_的測量鉆頭上彎曲的技術(shù)的鉆探系統(tǒng)在圖I中示出。系統(tǒng)包括支承鉆柱4的井架9。鉆頭8聯(lián)接到鉆柱4的鉆鋌部分6的遠(yuǎn)端端部。鉆頭可以是在鉆探操作中使用的任何合適的鉆頭，包括常規(guī)鉆頭、取芯鉆頭和鉸孔器。鉆頭8在底層3中形成鉆孔
2。鉆頭8上的重量通過改變井架9上的大鉤載荷來控制。原動機(jī)(未示出)驅(qū)動傳動裝置7，傳動裝置7使鉆柱4旋轉(zhuǎn)以控制鉆頭8上的扭矩。如常規(guī)情況，泵10將鉆探泥漿14向下泵送通過鉆柱4內(nèi)的如在圖3中示出的內(nèi)部通道18。當(dāng)在鉆頭8處離開后，返回的鉆探泥漿16通過形成在鉆柱4和鉆孔2之間的環(huán)形通道向上流向地面。如另外的常規(guī)情況，地面處的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)12感測鉆探泥漿14內(nèi)的由泥漿牽引器5造成的壓力脈動，所述壓力脈動包含涉及鉆探操作的編碼的信息。彎矩可通過鉆頭上的反作用力和在鉆探流體(例如，泥漿)中的鉆柱的浮重而疊加在鉆頭上。鉆柱方向上的角度可導(dǎo)致彎曲，特別地在鉆孔內(nèi)的發(fā)生方向改變的接合部處。在鉆柱上的重量越大(例如，從頂部驅(qū)動組件懸掛的相互連接的管的數(shù)量越大)，則在接合部處可導(dǎo)致越大的應(yīng)力。圖2示出了作用在鉆柱上的主要相關(guān)載荷。拉壓載荷是力圖于沿鉆鋌的縱向軸線拉伸或壓縮鉆柱的力或多個(gè)力19a、19b。扭轉(zhuǎn)載荷20a、20b力圖于圍繞縱向軸線扭曲鉆柱。彎曲載荷21a、21b是縱向軸線的彎曲。鉆柱上的彎曲載荷可由于鉆柱通過其進(jìn)行鉆孔的孔的曲率導(dǎo)致。例如，如果希望在地層內(nèi)形成的鉆孔-孔不直指向下到大地內(nèi)而是改變方向或成角度地被鉆孔(如在圖I中示出)，則鉆柱彎曲以容許方向改變。鉆頭上的重量可在沿鉆柱的不同點(diǎn)處導(dǎo)致屈曲和彎曲應(yīng)力。“鉆壓”的量可通過在從頂部驅(qū)動組件懸掛被螺紋連接在一起而形成鉆柱的一系列的鉆鋌和鉆管時(shí)調(diào)整施加到鉆頭的重量而變化。當(dāng)鉆柱旋轉(zhuǎn)時(shí)，彎曲應(yīng)力可能改變，這可能修改了拉壓應(yīng)力值。如在下文中更詳細(xì)地描述，應(yīng)變計(jì)可安裝在鉆鋌6內(nèi)的圓形凹穴17中的合適的位置處，以測量作用在鉆柱上的拉壓、扭轉(zhuǎn)和彎曲載荷。鉆鋌6詳細(xì)地在圖3和圖4中示出。如常規(guī)情況，鉆鋌6由鉆管的在每個(gè)端部(未示出)處具有螺紋連接的部分形成，該部分允許被聯(lián)接到鉆柱內(nèi)。例如，鉆鋌的一端聯(lián)接到從圖I中可見的鉆頭8，而另一端聯(lián)接到鉆柱的孔上部分。根據(jù)所公開的技術(shù)，在圖4中標(biāo)記為P1、P2和P3的三個(gè)凹穴37圍繞鉆鋌6的圓周等距地周向間隔開。一個(gè)示例的凹穴P2在圖3中可見，圖3描繪了鉆柱的鉆鋌部分的截面圖。優(yōu)選地，凹穴PU P2和P3位于與鉆鋌6的中心線E垂直地定向的共同的平面內(nèi)。每個(gè)凹穴PU P2、P3從鉆鋌6的表面徑向向內(nèi)向中心線E延伸，以形成圓柱形側(cè)壁38和底壁35 (見圖5B)。每個(gè)凹穴37通過蓋36覆蓋，所述蓋36通過扣合環(huán)(未示出)固定到鉆鋌6，且整合有將凹穴與鉆探泥漿16密封隔離的O形圈(未示出)。如在圖5A和圖5B中示出，第一橫向延伸的通道24將凹穴Pl和P2連接，且第二橫向延伸的通道22將凹穴P2和P3連接。如在圖5A中示出，軸向延伸的通道34將凹穴P2連接到形成在鉆鋌6內(nèi)的凹陷26。電路板30和微處理器32容納在凹陷26內(nèi)，所述凹陷26以蓋36密封。通道22、24和34允許電導(dǎo)體在凹穴PU P2和P3之間且在凹穴P2和凹陷26之間擴(kuò)展，以完成將在下文中詳述的電路。位于鉆柱遠(yuǎn)端端部處的鉆頭可通過在地面處旋轉(zhuǎn)鉆柱而被旋轉(zhuǎn)。因此，鉆鋌6和 凹穴P1、P2、P3可旋轉(zhuǎn)。如果鉆柱和鉆鋌正在旋轉(zhuǎn)，則軸向拉伸或壓縮將隨時(shí)間改變。在彎曲的內(nèi)側(cè)，應(yīng)變計(jì)將被壓縮，而在外側(cè)將被拉伸。在凹穴PU P2、P3旋轉(zhuǎn)時(shí)測量到的彎曲將大致正弦地改變。彎矩將等于在覆蓋了數(shù)個(gè)旋轉(zhuǎn)周期的時(shí)間上的最大讀數(shù)和最小讀數(shù)之間的差的一半，即BOB= (Mfflax-Mfflin)/2結(jié)果對于所有凹穴取平均以得到最好的結(jié)果。此測量方法可消除由于鉆壓或壓力導(dǎo)致的對于彎曲測量的影響，因?yàn)閃OB和壓力測量值將對于所有的凹穴相等且不取決于鉆鋌的定向。旋轉(zhuǎn)方法可與一個(gè)或多個(gè)WOB電橋一起使用。為確定鉆柱或鉆鋌是否正在旋轉(zhuǎn)，在不存在旋轉(zhuǎn)傳感器的情況下，可使用對于單個(gè)讀數(shù)變化的界限。例如，下式可定義非旋轉(zhuǎn)(非彎曲)狀態(tài)(Mmax-Mmin)/(M眶+Mmin)〈L其中M是給定的電橋的WOB測量值L是界限(例如，1%至3%)。如果所有三個(gè)電橋產(chǎn)生滿足此準(zhǔn)則的結(jié)果，則可認(rèn)定鉆鋌正在旋轉(zhuǎn)且可使用此方法。如在圖5A和圖5B中所示，例如金屬箔片或半導(dǎo)體類型的常規(guī)的應(yīng)變計(jì)39附著到凹穴BOB PU P2和P3中的每個(gè)凹穴的側(cè)壁38。在圖4中示出了對于凹穴P2的鉆頭上彎曲(BOB)應(yīng)變計(jì)39的布置細(xì)節(jié)，但應(yīng)理解的是BOB應(yīng)變計(jì)在各凹穴中的布置是相同的。如在圖5A中所示，四個(gè)鉆頭上彎曲(BOB)應(yīng)變計(jì)39圍繞凹穴側(cè)壁38的圓周等距地間隔開。參考所示出的應(yīng)變計(jì)中的每個(gè)應(yīng)變計(jì)的定向角度，四個(gè)BOB應(yīng)變計(jì)39示出為圍繞凹穴側(cè)壁38在角度 0 度、90 度、180 度和 270 度定向(即，B0B-P2。，BOB_P290，BOB_P2180，BOB-P2 2 70)處間隔開。如在圖5B中示出，BOB應(yīng)變計(jì)在相同的平面上縱向定位在鉆鋌內(nèi)。在每個(gè)凹穴P內(nèi)的應(yīng)變計(jì)被電連接，以形成三組應(yīng)變計(jì)(即，三個(gè)凹穴的每個(gè)凹穴內(nèi)一組)，每組應(yīng)變計(jì)包括四個(gè)應(yīng)變計(jì)(即，每個(gè)凹穴內(nèi)四個(gè)應(yīng)變計(jì))。凹穴P2內(nèi)的第一組應(yīng)變計(jì)中的應(yīng)變計(jì)39標(biāo)記為B0B-P2M B0B-P29(i，B0B-P218(i和B0B_P227(I，且與其他兩個(gè)凹穴內(nèi)的類似地定向的應(yīng)變計(jì)一起用于確定鉆頭8上的彎曲。應(yīng)變計(jì)B0B-P2。和B0B-P218(i布置在凹穴側(cè)壁38的相對側(cè)上且沿線A定位，所述線A平行于鉆鋌6的中心線E，使得B0B-P&布置在0度周向定向處且B0B-P218(I布置在180度周向定向處，其中0度是凹穴P2的上止點(diǎn)。應(yīng)變計(jì)B0B-P29(I和BOB-P2270也布置在凹穴側(cè)壁38的相對側(cè)上且沿垂直于線A且因此與鉆鋌6的中心線E垂直的線C定位，使得B0B-P29(i布置在90度周向定向處且BOB-P227(i布置在270度周向定向處。如在圖6中示出，BOB測量利用了在三個(gè)環(huán)凹穴P1、P2和P3的每個(gè)環(huán)凹穴內(nèi)的四個(gè)應(yīng)變計(jì)。在來自三個(gè)凹穴中的每個(gè)凹穴的第一組應(yīng)變計(jì)中的四個(gè)BOB應(yīng)變計(jì)形成為第一惠斯通電橋90，所述電橋90包括布置在四個(gè)橋臂U、L2、L3和L4內(nèi)的十二個(gè)BOB應(yīng)變計(jì)，其中橋臂L1和L2相對，且橋臂L3和L4相對。每個(gè)橋臂Lp L2、L3和L4使用三個(gè)應(yīng)變計(jì),其中的每個(gè)應(yīng)變計(jì)來自所述凹穴的每個(gè)凹穴中的類似的位置。如所示出，在三個(gè)凹穴中的每個(gè)凹穴內(nèi)的處于0度定向處的BOB應(yīng)變計(jì)沿橋臂L1串聯(lián)連接，在三個(gè)凹穴中的每個(gè)凹穴內(nèi)的處于180度定向處的BOB應(yīng)變計(jì)沿橋臂L3串聯(lián)連接，在三個(gè)凹穴中的每個(gè)凹穴內(nèi)的處于90度定向處的BOB應(yīng)變計(jì)沿橋臂L2串聯(lián)連接，且在三個(gè)凹穴中的每個(gè)凹穴內(nèi)的處于270度定向處的BOB應(yīng)變計(jì)沿橋臂L4串聯(lián)連接。通過橋臂L1和L3形成的接頭形成了第一輸入端子II，而通過橋臂L2和L4形成的接頭形成了第二輸入端子12。通過橋臂L2和L3形成的接頭形成了第一輸出端子O1，而通過橋臂L4和L1形成的接頭形成了第二輸出端子02。
可能希望的是除了彎曲外，還測量鉆頭上的拉壓載荷和扭轉(zhuǎn)載荷。因此，除BOB應(yīng)變計(jì)外，WOB和TOB應(yīng)變計(jì)可附著到凹穴側(cè)壁。例如，圖7示出了凹穴側(cè)壁的示例部分和BOB應(yīng)變計(jì)39A、WOB應(yīng)變計(jì)39B以及TOB應(yīng)變計(jì)39C的布置。鉆壓(WOB)應(yīng)變計(jì)與BOB應(yīng)變計(jì)定位在相同的定向(即，0度、90度、180度和270度)中的每個(gè)定向上，因此BOB和WOB應(yīng)變計(jì)示出為處在側(cè)壁38上的相同的徑向位置處。WOB應(yīng)變計(jì)可在凹穴內(nèi)在相同的定向0度、90度、180度和270度的每個(gè)處定位在BOB應(yīng)變計(jì)上方或下方，只要WOB應(yīng)變計(jì)沿相同平面縱向定位，且BOB應(yīng)變計(jì)沿相同平面縱向定位。在圖7中，WOB應(yīng)變計(jì)定位在BOB應(yīng)變計(jì)下方。每個(gè)應(yīng)變計(jì)39定向?yàn)槭蛊涓袘?yīng)軸線定向在相對于圓柱形側(cè)壁38的周向方向上。應(yīng)變計(jì)安裝在圓凹穴內(nèi)，其位置使得可進(jìn)行單獨(dú)的拉壓、扭轉(zhuǎn)和彎曲的測量。圖8A和圖SB描繪了帶有所有三個(gè)類型的應(yīng)變計(jì)的鉆鋌的示例實(shí)施例八個(gè)(WOB)應(yīng)變計(jì)，四個(gè)鉆頭上扭矩(TOB)應(yīng)變計(jì)和四個(gè)鉆頭上彎曲(BOB)應(yīng)變計(jì)39，所述應(yīng)變計(jì)圍繞凹穴側(cè)壁38的圓周等距地間隔開。參考對于應(yīng)變計(jì)中的每個(gè)示出的定向角度，四個(gè)BOB應(yīng)變計(jì)39示出為圍繞凹穴側(cè)壁38的圓周在角度0度、90度、180度和270度定向處間隔開。在BOB應(yīng)變計(jì)的每個(gè)位置處，在相同的定向0度、90度、180度和270度的每個(gè)中，可存在鉆壓(WOB)應(yīng)變計(jì)。WOB應(yīng)變計(jì)可在凹穴內(nèi)定位在BOB應(yīng)變計(jì)上方或下方。在圖8A中，WOB應(yīng)變計(jì)定位在BOB應(yīng)變計(jì)下方，如通過圖8B中的凹穴的等軸測圖所示，在此所述WOB應(yīng)變計(jì)在鉆鋌的截面中不可見。圖8B中的等軸測視圖更清晰地描繪了 BOB應(yīng)變計(jì)和WOB應(yīng)變計(jì)。如在圖8B中所述，TOB和WOB應(yīng)變計(jì)在鉆鋌內(nèi)縱向定位在相同的平面上，且此平面低于BOB應(yīng)變計(jì)定位在其上的平面。W0B、B0B和TOB應(yīng)變計(jì)可相對于其感應(yīng)軸線以類似的定向定位。WOB應(yīng)變計(jì)定位在與BOB應(yīng)變計(jì)相同的定向中，即在0度、90度、180度和270度定向處，但每個(gè)WOB應(yīng)變計(jì)在凹穴內(nèi)定位在BOB應(yīng)變計(jì)上方(即向頁面內(nèi))，但在與TOB應(yīng)變計(jì)定位在相同的平面上(見圖8B)。因?yàn)閃OB應(yīng)變計(jì)不同的平面上定位在BOB應(yīng)變計(jì)的每個(gè)的正好下方，所以WOB應(yīng)變計(jì)在圖8A中不可見。然而，如在圖SB內(nèi)的凹穴P2的等軸測視圖中所示，WOB應(yīng)變計(jì)在凹穴內(nèi)定位在與TOB應(yīng)變計(jì)相同的平面上，但定位在比其上定位有BOB應(yīng)變計(jì)的平面更低的平面上。在另一個(gè)示例實(shí)施例中，BOB應(yīng)變計(jì)可定位在與WOB應(yīng)變計(jì)相同的定向內(nèi)，即定位在0度、90度、180度和270度定向處，但BOB應(yīng)變計(jì)可處在與TOB應(yīng)變計(jì)相同的平面上，且WOB應(yīng)變計(jì)可處在高于或低于TOB應(yīng)變計(jì)的平面上。構(gòu)思的是三組應(yīng)變計(jì)中的任何組應(yīng)變計(jì)可定位在與另一組應(yīng)變計(jì)的平面不同的縱向平面上。在圖8A中，每個(gè)凹穴P內(nèi)的應(yīng)變計(jì)電連接以形成三組應(yīng)變計(jì)，每組包括四個(gè)應(yīng)變計(jì)。凹穴P2內(nèi)的第一組應(yīng)變計(jì)中的應(yīng)變計(jì)39標(biāo)記為B0B-P2M BOB-P290, BOB-P2180和B0B-P227(I，且與其他兩個(gè)凹穴內(nèi)的類似地定向的應(yīng)變計(jì)一起用于確定鉆頭8上的彎曲。應(yīng)變計(jì)B0B-P2。和B0B-P218(i布置在凹穴側(cè)壁38的相對側(cè)上，且沿與鉆鋌6的中心線E平行的線A定位，使得B0B-P2。位于0度周向定向處且B0B-P218Q位于180度定向處，其中0度為凹穴P2的上止點(diǎn)。應(yīng)變計(jì)B0B-P29(i和B0B-P227(i也布置在凹穴側(cè)壁38的相對側(cè)上，且沿垂直于線A且因此與鉆鋌6的中心線E垂直的線C定位，使得B0B-P29(i位于90度周向定向處且B0B-P227Q位于270度定向處。凹穴P2內(nèi)的第二組應(yīng)變計(jì) 39 標(biāo)記為 T0B-P245，T0B_P2135，T0B_P2225 和 T0B_P2315，且與其他兩個(gè)凹穴內(nèi)的類似地定向的應(yīng)變計(jì)一起用于確定鉆頭8上的扭矩。應(yīng)變計(jì)T0B-P245和T0B-P2225布置在凹穴側(cè)壁38的相對側(cè)上且沿與鉆鋌6的中心線E成45度的線B定位，使得T0B-P245位于45度周向定向處且T0B-P2225位于225度定向處。應(yīng)變計(jì)T0B_P2135和T0B-P2315也布置在凹穴側(cè)壁38的相對側(cè)上，且沿垂直于線B且因此與鉆鋌6的中心線E也成45度的線D定位，使得T0B-P2135位于135度周向定向處且T0B_P2315位于315度定向處。凹穴P2內(nèi)的第三組應(yīng)變計(jì)39可以是圖5B中示出的鉆壓應(yīng)變計(jì)，但在圖8A中不可見，因?yàn)樗膫€(gè)應(yīng)變計(jì)WOB即WOB-PZrWOB-PZ—WOB-PZLWOB-PZm中的每個(gè)都定位在四個(gè)所示的BOB應(yīng)變計(jì)的正下方。所述鉆壓應(yīng)變計(jì)與其他兩個(gè)凹穴內(nèi)的類似地定向的應(yīng)變計(jì)一起用于確定鉆頭8上的重量。類似于應(yīng)變計(jì)B0B-P2。和B0B-P218(i，應(yīng)變計(jì)W0B-P2。和W0B_P218(I可沿與鉆鋌6的中心線E平行的線A布置在凹穴側(cè)壁38的相對側(cè)上，使得W0B-P2。位于0度周向定向處且W0B-P2■位于180度定向處，其中0度為凹穴P2的上止點(diǎn)。另外類似于應(yīng)變計(jì)B0B-P29(i和B0B-P227(i，應(yīng)變計(jì)W0B-P29(i和W0B_P227(I也布置在凹穴側(cè)壁38的相對側(cè)上，且沿垂直于線A且因此與鉆鋌6的中心線E垂直的線C定位，使得W0B-P29(i位于90度周向定向處且W0B-P227(i位于270度定向處。WOB應(yīng)變計(jì)可定位在BOB應(yīng)變計(jì)下方，如在圖8B中示出，或WOB應(yīng)變計(jì)可位于BOB應(yīng)變計(jì)上方。如前所述，凹穴P1、P2和P3內(nèi)的每個(gè)單獨(dú)組內(nèi)的應(yīng)變計(jì)同等地布置。參考圖9A至圖9D，認(rèn)為類似于圖4中的實(shí)施例，WOB和TOB應(yīng)變計(jì)在凹穴內(nèi)橫向地定位在相同的平面上，且在相同的定向上(0度、90度、180度和270度)每個(gè)BOB應(yīng)變計(jì)定位為高于每個(gè)WOB應(yīng)變計(jì)。然而，注意到的是BOB應(yīng)變計(jì)可放置在WOB應(yīng)變計(jì)上方、頂上和下方。該布置表示為W/B0B，從而指示W(wǎng)OB和BOB應(yīng)變計(jì)以某一徑向次序位于具體的定向處，其中一個(gè)類型的應(yīng)變計(jì)位于另一類型的應(yīng)變計(jì)的上方。在圖9 (a)中，當(dāng)鉆鋌6的在凹穴P附近的部分受到純軸向壓縮時(shí)，應(yīng)變計(jì)WOBtl和WOB18tl處于拉伸中，而應(yīng)變計(jì)WOB9tl和WOB27tl處于壓縮中。在圖9 (b)中，當(dāng)鉆鋌6的在凹穴P附近的部分受到純軸向拉伸時(shí)，應(yīng)變計(jì)WMffitl和W/B OB■處于壓縮中，而應(yīng)變計(jì)W/B0B9(l和W/B OB27tl處于拉伸中。對于同一具體應(yīng)變計(jì)，在扭矩應(yīng)變計(jì)的每個(gè)位置處的WOB和BOB應(yīng)變相同。然而，應(yīng)變不為零。TOB電橋布置設(shè)計(jì)、為消除這些應(yīng)變。由于扭矩載荷建立的應(yīng)變是不同的，且在扭矩應(yīng)變位置處發(fā)生在不同的方向上。TOB電橋布置為測量這些應(yīng)變。軸向拉壓可導(dǎo)致鉆鋌上的彎曲應(yīng)力和/或應(yīng)變。BOB0, BOB180, BOB90和BOB27tl應(yīng)變計(jì)測量由于彎曲導(dǎo)致的應(yīng)變。BOB。，BOB180, BOB90和BOB27應(yīng)變計(jì)測量由于軸向拉伸導(dǎo)致的應(yīng)變。圖9 (C)描繪了在孔內(nèi)用于拉壓和扭矩的應(yīng)變計(jì)模式的另一個(gè)示例。內(nèi)部線8表示未偏轉(zhuǎn)的凹穴。外部線9表示當(dāng)孔處于拉壓時(shí)的應(yīng)力形式，例如在圖9 (b)中所示的情況。位于0度和180度處的應(yīng)變計(jì)感測了鉆鋌 內(nèi)此截面處的3X公稱應(yīng)變。例如，如果存在公稱拉應(yīng)變，則這些應(yīng)變計(jì)的位置處的應(yīng)變?yōu)? X公稱應(yīng)變。在90度和270度處的應(yīng)變是等于-1/3X公稱應(yīng)變的壓應(yīng)變。例如，如在圖9 (b)中所示，在W/B0B。和W/B OB■處，應(yīng)變是公稱應(yīng)變的三倍。在W/B0B9(i和W/B0B27(i處，應(yīng)變是公稱應(yīng)變的-1/3倍。W0B、B0B和TOB應(yīng)變計(jì)連接為電橋布置。這允許裝置測量希望的測量值，而消除其他測量值的影響。例如，當(dāng)施加軸向載荷時(shí)，電橋布置將應(yīng)變測量值組合以消除此載荷。用于BOB和TOB的電橋布置消除了軸向載荷。如參考圖10更詳細(xì)地描述，包括不同類型的應(yīng)變計(jì)之間的電連接的WOB和BOB應(yīng)變計(jì)的布置允許了鉆壓的測量而同時(shí)消除彎曲的影響，且允許測量鉆鋌上的彎曲而同時(shí)消除應(yīng)變的影響。如在圖9(d)中示出，當(dāng)鉆鋌6的在凹穴P附近的部分受到純拉伸時(shí)，應(yīng)變計(jì)TOB45和TOB225處于壓縮，而應(yīng)變計(jì)TOB135和TOB315處于拉伸。然而，四個(gè)WOB應(yīng)變計(jì)和四個(gè)BOB應(yīng)變計(jì)不受影響。使用在圖9 (d)中示出的TOB應(yīng)變計(jì)的TOB電橋布置設(shè)計(jì)為抵消這些應(yīng)變。由于扭矩載荷建立的應(yīng)變是不同的且在扭矩應(yīng)變計(jì)位置處發(fā)生在不同的方向Dl和D2上。TOB電橋布置為測量這些應(yīng)變。圖10描繪了用于測量鉆壓、鉆頭上彎曲和鉆頭上扭矩的示意圖，圖中示出了三個(gè)惠斯通電橋，分別用于WOB應(yīng)變計(jì)70、BOB應(yīng)變計(jì)90和TOB應(yīng)變計(jì)80。如在圖10中示出，來自三個(gè)凹穴PU P2和P3中的每個(gè)凹穴的第一組應(yīng)變計(jì)中的四個(gè)WOB應(yīng)變計(jì)形成為第一惠斯通電橋70，所述第一惠斯通電橋70包括十二個(gè)布置在四個(gè)橋臂L1、L2、L3和L4內(nèi)的WOB應(yīng)變計(jì)，使得橋臂L1與橋臂L3相對，且橋臂L2與橋臂L4相對。例如，橋臂L1包括WOB-Pltl (來自凹穴I即凹穴Pl的處于0度定向的WOB應(yīng)變計(jì)XW0B-P2。(來自凹穴2即凹穴P2的處于0度定向的WOB應(yīng)變計(jì))和W0B-P3。(來自凹穴3即凹穴P3的處于0度定向的WOB應(yīng)變計(jì))。每個(gè)橋臂L1、L2、L3和L4使用三個(gè)應(yīng)變計(jì)，每個(gè)應(yīng)變計(jì)來自所述凹穴中的每個(gè)凹穴內(nèi)的類似位置。如所示的，在三個(gè)凹穴中的每個(gè)凹穴內(nèi)處于0度定向處的WOB應(yīng)變計(jì)沿橋臂L1串聯(lián)連接，在三個(gè)凹穴中的每個(gè)凹穴內(nèi)處于90度定向處的WOB應(yīng)變計(jì)沿橋臂L2串聯(lián)連接，在三個(gè)凹穴中的每個(gè)凹穴內(nèi)處于180度定向處的WOB應(yīng)變計(jì)沿橋臂L3串聯(lián)連接，且在三個(gè)凹穴中的每個(gè)凹穴內(nèi)處于270度定向處的WOB應(yīng)變計(jì)沿橋臂L4串聯(lián)連接。通過橋臂L1和L2形成的接頭形成了第一輸入端子I1，而通過橋臂L3和L4形成的接頭形成了第二輸入端子12，而通過橋臂L2和L3形成的接頭形成了第一輸出端子O1,而通過橋臂L4和L1形成的接頭形成了第二輸出端子02。也如在圖10中示出，在來自三個(gè)凹穴中的每個(gè)凹穴的第二組應(yīng)變計(jì)中的四個(gè)TOB應(yīng)變計(jì)形成為第二惠斯通電橋80，所述第二惠斯通電橋80包括布置在四個(gè)橋臂LpL243和L4內(nèi)的十二個(gè)TOB應(yīng)變計(jì)，其中橋臂L1和L3相對，且橋臂L2和L4相對。如所示出的，在三個(gè)凹穴中的每個(gè)凹穴內(nèi)處于45度定向的TOB應(yīng)變計(jì)沿橋臂L1串聯(lián)連接，在三個(gè)凹穴中的每個(gè)凹穴內(nèi)處于135度定向的TOB應(yīng)變計(jì)沿橋臂L2串聯(lián)連接，在三個(gè)凹穴中的每個(gè)凹穴內(nèi)處于225度定向的TOB應(yīng)變計(jì)沿橋臂L3串聯(lián)連接，在三個(gè)凹穴中的每個(gè)凹穴內(nèi)處于315度定向的TOB應(yīng)變計(jì)沿橋臂L4串聯(lián)連接。通過橋臂L1和L2形成的接頭形成了第一輸入端子
I1,而通過橋臂L3和L4形成的接頭形成了第二輸入端子12，而通過橋臂L2和L3形成的接頭形成了第一輸出端子O1，而通過橋臂L4和L1形成的接頭形成了第二輸出端子02。BOB惠斯通電橋90類似于以上參考圖6所述的電橋。在來自三個(gè)凹穴中的每個(gè)凹穴的第一組應(yīng)變計(jì)中的四個(gè)BOB應(yīng)變計(jì)形成為第一惠斯通電橋90，所述第一惠斯通電橋90包括布置在四個(gè)橋臂U、L2, L3和L4內(nèi)的十二個(gè)BOB應(yīng)變計(jì)，其中橋臂L1和L2相對，且橋臂L3和L4相對。如所示出，在三個(gè)凹穴中的每個(gè)凹穴內(nèi)處于0度定向的BOB應(yīng)變計(jì)沿橋臂L1串聯(lián)連接，在三個(gè)凹穴中的每個(gè)凹穴內(nèi)處于180度定向的BOB應(yīng)變計(jì)沿橋臂L3串聯(lián)連接，在三個(gè)凹穴中的每個(gè)凹穴內(nèi)處于90度定向的BOB應(yīng)變計(jì)沿橋臂L2串聯(lián)連接，在三個(gè)凹穴中的每個(gè)凹穴內(nèi)處于270度定向的TOB應(yīng)變計(jì)沿橋臂L4串聯(lián)連接。
如常規(guī)情況，在運(yùn)行中電壓V施加在電橋70、80和90中的每個(gè)電橋的輸入端子對I1^ 12、I3兩端。每個(gè)電橋內(nèi)的應(yīng)變計(jì)的電阻使得在應(yīng)變計(jì)未受應(yīng)變時(shí)電橋平衡，且在輸出端子對Op 02、O3兩端的電壓AV為零。然而，應(yīng)變計(jì)的電阻隨應(yīng)變成比例地變化，使得鉆鋌的形成應(yīng)變計(jì)附著到其上的凹穴壁的部分的變形將導(dǎo)致在輸出端子兩端的電壓降A(chǔ)V。重要地，作為根據(jù)本發(fā)明的應(yīng)變計(jì)的布置的結(jié)果，由于施加到鉆頭8的側(cè)向力導(dǎo)致的鉆鋌6上的彎曲載荷的變化將對于WOB或TOB電橋中的任一個(gè)電橋的輸出電壓V無影響。例如，作為根據(jù)本發(fā)明的應(yīng)變計(jì)的布置的結(jié)果，由于施加到鉆頭8的側(cè)向力導(dǎo)致的鉆鋌6上的重量載荷或扭轉(zhuǎn)載荷的變化將對于W0B、B0B或TOB電橋的輸出電壓V無影響。這是因?yàn)橛捎趶澢鶎?dǎo)致的應(yīng)變的凈效應(yīng)在電橋的橋臂中的每個(gè)橋臂內(nèi)被抵消。類似地，重量或扭矩電壓抵消，使得重量和扭矩的凈效應(yīng)在BOB電橋的橋臂中的每個(gè)橋臂內(nèi)被抵消。在WOB惠斯通電橋內(nèi)的橋臂布置和BOB惠斯通電橋內(nèi)的橋臂布置之間的差異是明顯的(另在圖6中示出)。電連接的變化抵消了鉆壓測量值，使得可評估僅鉆鋌上的彎曲。參考WOB測量值，TOB和彎曲對于WOB電橋的輸出電壓無影響。對于惠斯通電橋的一般的公式為AE=V*r/ (1+r)2* (AAR1/R-AR2/R+AR3/R3-AR4/R4)假定在軸向方向上的lin/in應(yīng)變?yōu)閱挝粶y量值，且在橫向方向上的單位測量值為3in/in應(yīng)變，則WOB電橋因數(shù)如下Ng= ((1+1+1)/3-(-0. 3-0. 3-0. 3)/3+(1+1+1)/3-(-0. 3-0. 3-0. 3)/3) =2. 6彎曲被抵消，這是由于電橋的每個(gè)臂具有值為“0”的電阻的凈改變。假定鉆鋌定向?yàn)樵诎佳↖的法向上使得凹穴I具有全彎曲應(yīng)變，則相對于凹穴I具有120度布置的其他兩個(gè)凹穴的應(yīng)變?yōu)榘佳↖的應(yīng)變的一半。該應(yīng)變也與凹穴I的應(yīng)變相反。因此，對于彎曲Ng=O-. 5- 5) /34-1+15+15) /34 (I' 5-5) /3- (- 3+15+15) /3) =0對于扭矩，WOB應(yīng)變計(jì)中的每個(gè)應(yīng)變計(jì)內(nèi)的應(yīng)變?yōu)榱?，且因此不影響測量值。例如，趨向于使鉆鋌6的頂部如在圖2中所示向左彎曲的彎矩將使凹穴P2處于軸向壓縮，如圖9 (a)中所示，使得例如應(yīng)變計(jì)B0B-P&處于拉伸，因此增加其電阻。然而，凹穴P2和P3則處于軸向拉伸，如圖9 (b)所示，使得BOB-Pltl和B0B-P3。每個(gè)處于壓縮，因此降低了其電阻。因?yàn)閼?yīng)變計(jì)BOB-PI。、B0B-P2。和B0B-P3。在BOB電橋的橋臂L1內(nèi)串聯(lián)，所以不存在此橋臂的電阻的凈改變。類似的抵消發(fā)生在BOB電橋的其他三個(gè)橋臂中，使得鉆鋌上的彎曲應(yīng)變不導(dǎo)致在BOB電橋的輸出端子兩端的電壓改變。因?yàn)門OB應(yīng)變計(jì)沿與鉆鋌6的中心線成45度定向的線布置，所以TOB電橋布置設(shè)計(jì)為抵消此應(yīng)變。扭矩載荷所建立的應(yīng)變不同，且在扭矩應(yīng)變計(jì)位置處在不同的方向Dl和D2上發(fā)生。TOB電橋布置為測量這些應(yīng)變。因?yàn)閃OB應(yīng)變計(jì)以不同的方式串聯(lián)連接，所以BOB電橋不受彎曲應(yīng)變的影響。參考TOB測量值，TOB使用類似于WOB電橋的惠斯通電橋。差異在于TOB應(yīng)變計(jì)定向?yàn)槭沟盟鼈儨y量鉆鋌上的扭矩導(dǎo)致的應(yīng)變(如上所述)。應(yīng)變計(jì)安裝為相對于WOB應(yīng)變計(jì)成45度(圖11)，這是鉆鋌內(nèi)的扭矩的最大主應(yīng)變的軸線。扭矩在每個(gè)凹穴內(nèi)的相互相對的兩個(gè)應(yīng)變計(jì)上建立拉伸應(yīng)變，且在其他兩個(gè)應(yīng)變計(jì)內(nèi)建立壓縮應(yīng)變。電橋電路布置為使得類似的應(yīng)變計(jì)處在電橋的相對的臂內(nèi)。電橋因數(shù)則變成Ng= (1+1+1) /3- (-1-1-1) /3+(1+1+1) /3- (-1-1-1) /3=4在TOB應(yīng)變計(jì)處的WOB應(yīng)變對于所有應(yīng)變計(jì)相同。因此，WOB在TOB電橋上的效應(yīng)為Ng= (1+1+1) /3-(1+1+1) /3+(1+1+1) /3-(1+1+1) /3=0
因此，WOB應(yīng)變計(jì)對于TOB電橋自抵消。類似地，考慮趨向于使鉆鋌6的頂部彎曲的彎矩，如上參考BOB電橋所述，所述彎矩使凹穴P2處于軸向壓縮，如在圖7(a)中所示，使得例如應(yīng)變計(jì)W0B-P2。處于拉伸，因此增加其電阻。然而，凹穴P2和P3則處于軸向拉伸，如在圖7 (b)中所示，使得應(yīng)變計(jì)WOB-Pltl和TOB-P3。每個(gè)均處于壓縮，因此降低其電阻。因?yàn)閃OB-Plp W0B-P2。和W0B-P3。在WOB電橋的橋臂L1中串聯(lián)連接，所以不存在此橋臂的電阻的凈改變。在WOB電橋的其他三個(gè)橋臂內(nèi)發(fā)生類似的抵消，使得鉆鋌上的彎曲應(yīng)變不導(dǎo)致在WOB電橋的輸出端子兩端的電壓的改變。因?yàn)門OB應(yīng)變計(jì)沿與鉆鋌6的中心線成45度定向的線布置，所以TOB電橋也不受彎曲應(yīng)變的影響。如在上文中所述，參考BOB測量值，WOB和TOB對于BOB電橋的輸出電壓無影響。通過WOB電橋70、TOB電橋80和BOB電橋90所指示的應(yīng)變可根據(jù)在其輸出端子兩端的電壓AV通過下式確定
ewoB=[AV/V]*[4/4.2Kg]
erolJ=[/\ v/V]*[4/12Kg]
￡_=[謂稿4/418]其中
Gwob =通過WOB電橋70指小 的應(yīng)變
€ roD 二通過TOB電橋80指示的應(yīng)變

Cbob=通過BOB電橋90指 的應(yīng)變V=在電橋的輸入端子兩端施加的電壓A V=在電橋的輸出端子兩端的電壓降Kg=對于應(yīng)變計(jì)的應(yīng)變計(jì)因數(shù)(來自應(yīng)變計(jì)制造商)鉆壓、鉆頭上扭矩和鉆頭上彎曲根據(jù)這些應(yīng)變通過下式確定

其中WOB=鉆頭上的重量TOB=鉆頭上的扭矩BOB=鉆頭上的彎矩E=鉆鋌材料的彈性模量G=鉆鋌材料的剪切模量A=鉆鋌的橫截面積J=鉆鋌的扭轉(zhuǎn)模量R=鉆鋌的半徑kt=凹穴的應(yīng)力集中因數(shù)如在圖10中所示，來自WOB電橋70、TOB電橋80和BOB電橋90的電壓降A(chǔ) V分別通過放大器40、42和43放大，且然后通過整合在電路板30內(nèi)的常規(guī)的電壓測量裝置感測。來自電壓測量裝置的表示了通過WOB、TOB和BOB應(yīng)變計(jì)感測到的應(yīng)變的輸出信號S1、S2和S3分別發(fā)送到微處理器32，在此處將所述輸出信號數(shù)字化。使用這些數(shù)字化的值，微處理器32被程序化為執(zhí)行以上所述的計(jì)算，以得到鉆壓和鉆頭上扭矩。此信息被用泥漿脈沖器5發(fā)送到泥漿脈沖遙測系統(tǒng)50以傳輸?shù)降孛?，在地面處所述信息被?shù)據(jù)采集系統(tǒng)12檢測。優(yōu)選地，將環(huán)面和鉆孔壓力換能器以及溫度傳感器整合到鉆鋌6中，以允許溫度和壓力補(bǔ)償。通過本領(lǐng)域中已熟知的技術(shù)，微處理器使用壓力測量值來計(jì)算由于壓力導(dǎo)致的應(yīng)變，且以視在應(yīng)變減去它或加上它，以得到真實(shí)的WOB應(yīng)變和TOB應(yīng)變。類似地，基于由應(yīng)變計(jì)制造商提供的另外被程序化到微處理器內(nèi)的曲線，還對應(yīng)變計(jì)進(jìn)行溫度修正。雖然在優(yōu)選實(shí)施例中，每個(gè)惠斯通電橋使用四個(gè)應(yīng)變計(jì)，但本發(fā)明也可實(shí)施為使用僅兩個(gè)TOB應(yīng)變計(jì)，假定所述應(yīng)變計(jì)相互相對，例如T0B-P245和T0B-P2225或T0B_P2135和T0B-P2315。在此情況中，精密電阻器可使用在其他兩個(gè)橋臂中以使電橋平衡。雖然在以上所述的實(shí)施例中利用了三個(gè)凹穴P，但也可利用任何更多數(shù)量的凹穴，只要凹穴周向等距地間隔開且凹穴中的每個(gè)凹穴內(nèi)的應(yīng)變計(jì)如上所述地定向，且只要在每個(gè)凹穴內(nèi)的在相同的位置定向的應(yīng)變計(jì)中的每個(gè)(例如，0度應(yīng)變計(jì)中的每個(gè))都連接到電橋的同一橋臂。此外，雖然在以上所述的實(shí)施例中，每個(gè)凹穴內(nèi)的所有應(yīng)變計(jì)位于與凹穴的軸線垂直地定向的相同的平面內(nèi)，但應(yīng)變計(jì)可沿與凹穴的軸向垂直地定向的但沿此軸線相互分離的不同平面布置，只要每對相對的應(yīng)變計(jì)(例如，O度和180度的應(yīng)變計(jì)的對)都位于大致相同的平面內(nèi)。此外，雖然在以上所述的實(shí)施例中，WOB和TOB位于相同的凹穴內(nèi)，但WOB應(yīng)變計(jì)可位于一組至少三個(gè)等距間隔開的凹穴內(nèi)，且TOB應(yīng)變計(jì)位于獨(dú)立地另一組至少三個(gè)等距間隔開的凹穴內(nèi)。雖然在以上所述的實(shí)施例中凹穴形成在鉆管的形成鉆鋌的部分內(nèi)，但鉆柱的其他部分也可利用。圖11示出了替代實(shí)施例，其中BOB和TOB應(yīng)變計(jì)39圍繞每個(gè)凹穴P的底壁35周向間隔開，且WOB應(yīng)變計(jì)布置在側(cè)壁上。替代地，BOB應(yīng)變計(jì)可布置在側(cè)壁38上而WOB和TOB應(yīng)變計(jì)布置在底壁35上，或TOB應(yīng)變計(jì)可布置在側(cè)壁上使得BOB或WOB應(yīng)變計(jì)布置在底壁上。雖然在以上所述的實(shí)施例中利用了三個(gè)凹穴P，但也可利用任何更多數(shù)量的凹穴，只要凹穴周向等間距地間隔開且凹穴中的每個(gè)凹穴內(nèi)的應(yīng)變計(jì)如上所述定向，且只要在每 個(gè)凹穴內(nèi)的在相同的位置定向的應(yīng)變計(jì)中的每個(gè)(例如，0度應(yīng)變計(jì)中的每個(gè))都連接到電橋的同一橋臂。此外，雖然在以上所述的實(shí)施例中，每個(gè)凹穴內(nèi)的所有應(yīng)變計(jì)位于與凹穴的軸線垂直地定向的共同的平面內(nèi)，但應(yīng)變計(jì)可沿與凹穴的軸向垂直地定向的但沿此軸線相互分離的不同平面布置，只要每對相對的應(yīng)變計(jì)(例如，0度和180度的應(yīng)變計(jì)的對)位于大致相同的平面內(nèi)。此外，雖然在以上所述的實(shí)施例中，WOB和TOB位于相同的凹穴內(nèi)，但WOB應(yīng)變計(jì)可位于一組至少三個(gè)等距間隔開的凹穴內(nèi)，且TOB應(yīng)變計(jì)位于獨(dú)立地另一組至少三個(gè)等距間隔開的凹穴內(nèi)。雖然在以上所述的實(shí)施例中凹穴形成在鉆管的形成鉆鋌的部分內(nèi)，但鉆柱的其他部分也可利用。如在圖12中所示，形成在鉆鋌6內(nèi)的通道83允許凹穴37以惰性氣體吹掃，例如氦或氮，以防止應(yīng)變計(jì)39的降級。蓋36可通過扣合環(huán)80固定在凹穴37內(nèi)，且凹穴通過0型圈(未示出)與鉆探泥漿14密封隔離，如在前述美國專利No. 6，457，016中所論述。替代地，例如C形金屬密封件的金屬密封件可用于防止鉆探泥漿14進(jìn)入凹穴。與例如0型圈的彈性體密封件不同，金屬密封件不隨時(shí)間和溫度退化，且不可滲透，且當(dāng)反復(fù)暴露于高壓和低壓時(shí)不受到爆發(fā)性減壓的困擾。合適的金屬密封件可由Inconel 718、A286、NP35N、17-7PH或其他具有良好的耐腐蝕性的金屬制成。在圖12中示出的實(shí)施例中，使用了金屬軸孔密封件81以在凹穴37和蓋36之間形成密封。在另一個(gè)實(shí)施例中，使用金屬面密封件82，如在圖13中示出。在此實(shí)施例中，使用帶有螺紋的蓋36’以增大施加到密封件82的預(yù)載荷。在另一示例性實(shí)施例中，惰性氣體填充口可整合在蓋本身中。例如金屬密封件或彈性體0型圈的密封件可作為第一密封件以防止鉆探泥漿進(jìn)入凹穴。作為第一密封件的此密封件也可進(jìn)一步保持金屬密封件清潔，且至少在某一時(shí)間段內(nèi)不暴露于鉆探流體。因此，應(yīng)認(rèn)識到的是本發(fā)明可通過其他具體的形式實(shí)施，而不偏離本發(fā)明的精神和基本屬性，且應(yīng)參考如指示了本發(fā)明的范圍的附帶的權(quán)利要求，而非前述說明書。
權(quán)利要求
1.一種用于感測施加到鉆頭上的彎曲的設(shè)備，所述鉆頭聯(lián)接到進(jìn)行井中向下鉆孔工作的鉆柱，所述設(shè)備包括 a)鉆管，所述鉆管限定了其中心線且具有聯(lián)接到鉆柱內(nèi)部的裝置； b)形成在所述鉆管中的至少第一、第二和第三凹穴，所述各凹穴圍繞所述鉆管大致等距地周向間隔開，所述凹穴中的每個(gè)凹穴都形成至少一個(gè)壁； c)用于所述凹穴中的每個(gè)凹穴的一組應(yīng)變傳感器，各組應(yīng)變傳感器中的每組都附著到其各凹穴的所述壁，所述各組應(yīng)變傳感器中的每組都包括圍繞其各凹穴的所述壁大致等距地周向地間隔開的第一、第二、第三和第四應(yīng)變傳感器，所述各組應(yīng)變傳感器中的每組內(nèi)的所述第一應(yīng)變傳感器中的每個(gè)都與其各組內(nèi)的所述第三應(yīng)變傳感器相對地布置，所述各組應(yīng)變傳感器中的每組內(nèi)的所述第二應(yīng)變傳感器中的每個(gè)都與其各組內(nèi)的所述第四應(yīng)變傳感器相對地布置，所述第一和第三應(yīng)變傳感器沿與所述鉆管的所述中心線平行的線布置，所述第二和第四應(yīng)變傳感器沿垂直于所述鉆管的所述中心線的線布置；e)電路，所述電路連接所述組內(nèi)的所述應(yīng)變傳感器中的每個(gè)應(yīng)變傳感器，所述電路形 成電橋，所述電橋包括第一、第二、第三和第四橋臂，(i)所述電橋的所述第一橋臂與所述電橋的所述第三橋臂相對，(ii)所述電橋的所述第二橋臂與所述電橋的所述第四橋臂相對，(iii)所述應(yīng)變傳感器的組中的每組內(nèi)的所述第一應(yīng)變傳感器中的每個(gè)都沿所述電橋的所述第一橋臂串聯(lián)連接，(iv)所述應(yīng)變傳感器的組中的每組內(nèi)的所述第二應(yīng)變傳感器中的每個(gè)都沿所述電橋的所述第二橋臂串聯(lián)連接，(v)所述應(yīng)變傳感器的組中的每組內(nèi)的所述第三應(yīng)變傳感器中的每個(gè)都沿所述電橋的所述第三橋臂串聯(lián)連接，且(vi )所述應(yīng)變傳感器的 組中的每組內(nèi)的所述第四應(yīng)變傳感器中的每個(gè)都沿所述電橋的所述第四橋臂串聯(lián)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的設(shè)備，其中(i)第一接頭形成在所述第一橋臂和所述第二橋臂之間，(ii)第二接頭形成在所述第三橋臂和所述第四橋臂之間，由此所述第一接頭和所述第二接頭形成了第一對端子，(iii)第三接頭形成在所述第一橋臂和所述第四橋臂之間，(iv)第四接頭形成在所述第二橋臂和所述第三橋臂之間，由此所述第三接頭和所述第四接頭形成了第二對端子。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的設(shè)備，進(jìn)一步包括 f)用于在所述各對端子中的一對端子兩端施加電壓的裝置； g)用于感測在所述各對端子中的另一對端子兩端的電壓的裝置； h)用于根據(jù)所述感測到的電壓來確定所述鉆頭上的所述彎曲的裝置。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的設(shè)備，進(jìn)一步包括蓋，所述蓋用于封閉所述凹穴中的至少一個(gè)凹穴；金屬密封件，所述金屬密封件與所述蓋協(xié)作以將所述凹穴與圍繞鉆柱的流體密封隔離。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的設(shè)備，其中所述應(yīng)變傳感器的組中的每組都附著到其各凹穴的側(cè)壁上。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的設(shè)備，其中所述應(yīng)變傳感器的組中的每組都附著到其各凹穴的底壁上。
7.一種用于感測施加到鉆頭上的彎曲、重量和扭矩的設(shè)備，所述鉆頭進(jìn)行井下鉆孔工 作，所述設(shè)備包括 a)鉆頭；b)鉆柱，所述鉆柱運(yùn)行地聯(lián)接到所述鉆頭并且具有靠近所述鉆頭布置的部分，所述鉆柱的所述部分限定了其中心線； C)形成在所述鉆柱的所述部分內(nèi)的至少第一、第二和第三凹穴，所述凹穴圍繞所述鉆頭的所述部分大致等距地周向間隔開，所述凹穴中的每個(gè)凹穴都形成了至少第一壁和第二壁； d)用于所述凹穴中的每個(gè)凹穴的第一組應(yīng)變傳感器，所述第一組應(yīng)變傳感器中的每組都附著到其各凹穴的所述壁中的一個(gè)壁上，所述第一組應(yīng)變傳感器中的每組都包括圍繞其各凹穴的所述壁中的所述一個(gè)壁大致等距地周向間隔開的第一、第二、第三和第四應(yīng)變傳感器，所述第一組應(yīng)變傳感器中的每組內(nèi)的所述第一應(yīng)變傳感器中的每個(gè)都與其各組內(nèi)的所述第三應(yīng)變傳感器相對地布置，所述第一組應(yīng)變傳感器中的每組內(nèi)的所述第二應(yīng)變傳感器中的每個(gè)都與其各組內(nèi)的所述第四應(yīng)變傳感器相對地布置，所述第一組應(yīng)變傳感器中的每組內(nèi)的所述第一和第三應(yīng)變傳感器中的每個(gè)都沿與所述鉆柱的所述部分的所述中心線大致平行的第一線布置，所述第一組應(yīng)變傳感器中的每組內(nèi)的所述第二和第四應(yīng)變傳感器中的每個(gè)都沿大致垂直于所述鉆柱的所述部分的所述中心線的第二線布置； e)第一電路，所述第一電路與所述第一組應(yīng)變傳感器內(nèi)的所述應(yīng)變傳感器中的每個(gè)應(yīng)變傳感器連接，所述第一電路形成第一電橋，所述第一電橋包括第一、第二、第三和第四橋臂，(i)所述第一和第二橋臂之間形成第一接頭，(ii)所述第三和第四橋臂之間形成第二接頭，由此所述第一和第二接頭形成第一對端子，(iii)所述第一和第四橋臂之間形成第三接頭，(iv)所述第二和第三橋臂之間形成第四接頭，由此所述第三和第四接頭形成第二對端子，(v)所述第一組應(yīng)變傳感器的每組內(nèi)的所述第一應(yīng)變傳感器中的每個(gè)都沿所述第一電橋的所述第一橋臂串聯(lián)連接，(vi)所述第一組應(yīng)變傳感器中的每組內(nèi)的所述第二應(yīng)變傳感器中的每個(gè)都沿所述第一電橋的所述第二橋臂串聯(lián)連接，(vii)所述第一組應(yīng)變傳感器中的每組內(nèi)的所述第三應(yīng)變傳感器的每個(gè)都沿所述第一電橋的所述第三橋臂串聯(lián)連接，且(viii)所述第一組應(yīng)變傳感器中的每組內(nèi)的所述第四應(yīng)變傳感器中的每個(gè)都沿所述第一電橋的所述第四橋臂串聯(lián)連接； f)用于在所述第一電橋的所述第一和第二對端子中的一對端子兩端施加電壓的裝置； g)用于感測在所述第一電橋的第一和第二端子中的另一對端子兩端的電壓的裝置； h)用于根據(jù)在所述第一電橋兩端感測到的所述電壓來確定所述鉆頭上的所述重量的裝置； i )用于所述凹穴中的每個(gè)凹穴的第二組應(yīng)變傳感器，各所述第二組應(yīng)變傳感器中的每組都附著到其各凹穴的所述壁的一個(gè)壁上，所述第二組應(yīng)變傳感器中的每組都包括圍繞其各凹穴的各壁中的所述一個(gè)壁間隔開的至少第五和第六應(yīng)變傳感器，所述第二組應(yīng)變傳感器中的每組內(nèi)的所述第五應(yīng)變傳感器中的每個(gè)都與其各組內(nèi)的所述第六應(yīng)變傳感器相對地布置，所述第二組應(yīng)變傳感器中的每組內(nèi)的第五和第六應(yīng)變傳感器中的每個(gè)沿都與所述第一線大致成45度定向的第三線布置； j )第二電路，所述第二電路與所述第二組應(yīng)變傳感器內(nèi)的各所述應(yīng)變傳感器中的每個(gè)應(yīng)變傳感器連接，所述第二電路形成第二電橋，所述第二電橋包括第一、第二、第三和第四橋臂，所述第一橋臂與所述第三橋臂相對，所述第二組應(yīng)變傳感器中的每組內(nèi)的所述第五、應(yīng)變傳感器中的每個(gè)都沿所述第二電橋的所述第一橋臂串聯(lián)連接，所述第二組應(yīng)變傳感器中的每組內(nèi)的所述第六應(yīng)變傳感器中的每個(gè)都沿所述第二電橋的所述第三橋臂串聯(lián)連接，所述第二電橋具有一對輸入端子和一對輸出端子； k)用于在所述第二電橋的所述輸入端子兩端施加電壓的裝置； I)用于感測在所述第二電橋的所述輸出端子兩端上的電壓的裝置；m)用于根據(jù)在所述第二電橋的所述輸出端子兩端感測到的所述電壓來確定所述鉆頭上的所述扭矩的裝置； n)用于所述凹穴中的每個(gè)凹穴的第三組應(yīng)變傳感器，所述第三組應(yīng)變傳感器中的每組都附著到其各凹穴的所述壁中的一個(gè)壁上，所述第三組應(yīng)變傳感器中的每組都包括第九、第十、第十一和第十二應(yīng)變傳感器，所述第九、第十、第十一和第十二應(yīng)變傳感器圍繞其各凹穴的各壁中的所述一個(gè)壁大致等距地周向間隔開且相對于附著到其各凹穴的各壁中的 一個(gè)壁的所述第一組應(yīng)變傳感器的每個(gè)徑向地定位，所述第三組應(yīng)變傳感器中的每組內(nèi)的所述第九應(yīng)變傳感器中的每個(gè)都與其各組內(nèi)的所述第十應(yīng)變傳感器相對地布置，所述第三組應(yīng)變傳感器中的每組內(nèi)的所述第十一應(yīng)變傳感器中的每個(gè)都與其各組內(nèi)的所述第十二應(yīng)變傳感器相對地布置，所述第三組應(yīng)變傳感器中的每組內(nèi)的第九和第十應(yīng)變傳感器中的每個(gè)都沿與所述鉆柱的所述部分的所述中心線大致平行的第一線布置，所述第三組應(yīng)變傳感器中的每組內(nèi)的第十一和第十二應(yīng)變傳感器中的每個(gè)都沿大致垂直于所述鉆柱的所述部分的所述中心線的第二線布置； O)第三電路，所述第三電路與所述第三組應(yīng)變傳感器內(nèi)的所述應(yīng)變傳感器中的每個(gè)應(yīng)變傳感器連接，所述第三電路形成第三電橋，所述第三電橋包括第一、第二、第三和第四橋臂，(i)所述第三電路內(nèi)的所述第一和第二橋臂之間形成第一接頭，(ii)所述第三電路內(nèi)的所述第三和第四橋臂之間形成第二接頭，由此所述第一和第二接頭形成第一對端子，(iii)所述第三電路內(nèi)的所述第一和第四橋臂之間形成第三接頭，(iv)所述第三電路內(nèi)的所述第二和第三橋臂之間形成第四接頭，由此所述第三和第四接頭形成第二對端子，(V)所述第三組應(yīng)變傳感器中的每組內(nèi)的所述第九應(yīng)變傳感器中的每個(gè)都沿所述第三電橋的所述第一橋臂串聯(lián)連接，(vi )所述第三組應(yīng)變傳感器中的每組內(nèi)的所述第十一應(yīng)變傳感器中的每個(gè)都沿所述第三電橋的所述第二橋臂串聯(lián)連接，(vii)所述第三組應(yīng)變傳感器中的每組內(nèi)的所述第十應(yīng)變傳感器中的每個(gè)都沿所述第三電橋的所述第三橋臂串聯(lián)連接，且(vi i i )所述第三組應(yīng)變傳感器中的每組內(nèi)的所述第十二應(yīng)變傳感器中的每個(gè)都沿所述第三電橋的所述第四橋臂串聯(lián)連接； P)用于在所述第二電橋的所述輸入端子兩端施加電壓的裝置； I)用于感測在所述第二電橋的所述輸出端子兩端上的電壓的裝置；m)用于根據(jù)在所述第二電橋的所述輸出端子兩端上感測到的所述電壓來確定所述鉆頭上的所述彎曲的裝置。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其中所述凹穴中的每個(gè)凹穴的所述第一壁是側(cè)壁，且其中所述第一組應(yīng)變傳感器中的每組應(yīng)變傳感器都附著到其各凹穴的所述側(cè)壁上。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的設(shè)備，其中所述第二組應(yīng)變傳感器中的每組都附著到其各凹穴的所述側(cè)壁上。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其中所述凹穴中的每個(gè)凹穴的所述第二壁是底壁，其中所述第二組應(yīng)變傳感器中的每組都附著到其各凹穴的所述底壁上。
11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其中所述凹穴中的每個(gè)凹穴的所述第一壁是底壁，其中所述第一組應(yīng)變傳感器中的每組都附著到其各凹穴的所述底壁上。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的設(shè)備，其中所述第二組應(yīng)變傳感器中的每組都附著到其各凹穴的所述底壁上。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的設(shè)備，其中所述第二組應(yīng)變傳感器中的每組都附著到其各凹穴的側(cè)壁上。
14.根據(jù)權(quán)利要求7所述的設(shè)備，進(jìn)一步包括蓋，所述蓋用于封閉所述凹穴中的至少一個(gè)凹穴；金屬密封件，所述金屬密封件與所述蓋協(xié)作以將所述凹穴與圍繞鉆柱的流體密封隔離。
15.根據(jù)權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其中來自所述第一組應(yīng)變傳感器中的應(yīng)變傳感器中的每個(gè)應(yīng)變傳感器的讀數(shù)的變化的界限指示出鉆柱的旋轉(zhuǎn)。
16.根據(jù)權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其中如果鉆柱正在旋轉(zhuǎn)，則彎矩等于在比旋轉(zhuǎn)周期長的時(shí)間上所確定的最大重量和最小重量之間的差的一半。
17.一種用于感測施加到鉆頭的彎曲的方法，所述鉆頭聯(lián)接到進(jìn)行井中向下鉆孔工作的鉆柱，所述鉆柱內(nèi)形成有凹穴，在所述凹穴中布置了通過電路連接以形成電橋的應(yīng)變傳感器的組，所述方法包括如下步驟 a)旋轉(zhuǎn)所述鉆柱，以使所述電橋的輸出隨所述鉆柱旋轉(zhuǎn)而在最大值和最小值之間周期地變化； b)當(dāng)所述鉆柱旋轉(zhuǎn)時(shí)，在某一時(shí)間段上測量所述電橋的變化的輸出，以確定所述最大值和最小值；和 c)確定在所述時(shí)間段上所述電橋的輸出的所述最大值和最小值之間的差。
全文摘要
一種用于測量施加到鉆頭上的彎曲的設(shè)備，所述鉆頭進(jìn)行井下鉆孔工作，所述設(shè)備包括至少三個(gè)圍繞鉆柱的其上接附了鉆頭的鉆鋌等距地周向間隔開的凹穴。四個(gè)應(yīng)變計(jì)圍繞凹穴中的每個(gè)凹穴等距地周向間隔開以形成第一和第二組應(yīng)變計(jì)。第一組內(nèi)的應(yīng)變計(jì)連接為一個(gè)惠斯通電橋，而第二組內(nèi)的應(yīng)變計(jì)連接為第二電橋。在凹穴中的每個(gè)凹穴內(nèi)類似地定向的應(yīng)變計(jì)中的每個(gè)應(yīng)變計(jì)在電橋的單個(gè)橋臂內(nèi)串聯(lián)連接，使得電橋的輸出電壓不受鉆柱內(nèi)的彎曲的影響。第一電橋的輸出用于確定鉆頭上的彎曲。此外，用于測量進(jìn)行井鉆孔工作的鉆頭上的彎曲、質(zhì)量和扭矩的設(shè)備可包括圍繞鉆柱的其上接附了鉆頭的鉆鋌等距地間隔開的至少三個(gè)凹穴，所述三個(gè)凹穴帶有十二個(gè)應(yīng)變計(jì)，所述應(yīng)變計(jì)圍繞凹穴中的每個(gè)凹穴等距地周向間隔開以形成第一和第二組應(yīng)變計(jì)。十二個(gè)應(yīng)變計(jì)的布置考慮了消除鉆壓和鉆頭上的扭矩的影響的鉆頭上的彎曲測量。
文檔編號E21B47/00GK102741503SQ201080043062
公開日2012年10月17日 申請日期2010年7月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月30日
發(fā)明者卡爾·阿莉森·佩里, 馬丁·E·科伯恩, 馬克·埃爾斯沃思·瓦塞爾 申請人:Aps技術(shù)公司