CN102322257A

CN102322257A - 压力平衡装置

Info

Publication number: CN102322257A
Application number: CN2011101326832A
Authority: CN
Inventors: J·D·拉特克利夫; N·P·布鲁姆; T·M·吉尔
Original assignee: Sondex Wireline Ltd
Current assignee: Sondex Wireline Ltd
Priority date: 2010-05-11
Filing date: 2011-05-11
Publication date: 2012-01-18
Anticipated expiration: 2031-05-11
Also published as: CA2739214A1; GB201007811D0; US8689620B2; EP2386719A2; CA2739214C; US20110277545A1; CN102322257B; EP2386719A3; EP2386719B1

Abstract

本发明涉及压力平衡装置，具体而言，涉及一种用于变送器的压力平衡装置。该压力平衡装置具有压力传输装置，比方说，例如活塞、囊袋、隔膜或波纹管，该压力传输装置布置成在使用中暴露于流体，比方说井下流体。具有中空轴的流体腔室布置成被压力传输装置作用在其上。中空轴的横截面积布置成小于压力传输装置的横截面积，以减小阻力。该中空轴可为可连接到负载传感器上的负载传输轴。

Description

压力平衡装置

技术领域

本发明涉及一种例如用于变送器的压力平衡装置。

背景技术

井下测井工具常设计成是压力平衡的。在该情况下，测量传感器位于工具的主体内并通过合适的密封壳体保护免受井内流体影响，但此处一些形式的压力输送装置用于将工具内的流体加压至与外侧的井内流体大致相同的压力。这样，传感器暴露于井内压力下，而没有遭受直接浸没在井内流体中的后果。补偿机构必须还允许内部流体在低压但在高温下膨胀。

井下经常使用的压力补偿机构包括活塞、橡胶囊袋和柔性金属波纹管。各个机构就工具内侧和外侧之间所产生的压力差而言均具有优点和缺点，比方说可维护性、成本、耐久性和阻止来自井内化学品的侵袭。在这些方法当中，常常使用补偿活塞，因为它们设计简单且结构牢固。然而，活塞补偿系统的设计中固有地需要动态滑动密封件，其经历高流体静压力并因此遭受高摩擦力，并阻挡活塞的运动。此运动阻力引起跨越活塞的差压，该差压与使活塞克服其密封件移动所需的最小的力相对应。密封件摩擦越高，工具的内侧和外侧之间的差压将越大。在工具内侧的传感器需要处于与井内流体相同的压力下以便进行精确测量的情况下，该差压引起测量误差并且是不期望的。以类似的方式，囊袋和柔性金属波纹管在结构上具有硬度，该硬度阻止运动并因此产生差压。

井下压敏装置的一个典型示例是缆索头负载测量工具。该工具被置于测井工具索的顶部并设计成向用户报告由钢丝绳或牵引工具施加在工具索上的力。本质上，该工具必须测量该索中不同的轴向加载，但不测量仅由该索周围的井压产生的轴向负载。使用压力平衡的负载测量传感器是一个解决方案，该解决方案固有地需要良好的压力补偿装置。

发明内容

本发明提供一种例如用于变送器的压力平衡装置。该压力平衡装置包括压力传输装置，比方说，例如活塞、囊袋、隔膜或波纹管。该压力传输装置具有横截面积并布置成在使用中暴露于流体。该压力传输装置布置成作用在具有中空轴的流体腔室上，其中该中空轴的横截面积小于压力传输装置的横截面积。

因此，提供了一种用于变送器的改进的井下工具压力测量方法，该变送器对例如油井与工具内部之间的差压敏感。利用建立的压力平衡机构，比方说活塞、柔性波纹管和橡胶囊袋，小心地控制补偿装置和贯通心轴的轴的面积比率以便减少由补偿器摩擦或硬度所产生的差压对引起的变送器误差的影响。该中空轴可为可连接到负载传感器上的负载传输轴。

活塞和轴周围的心轴的面积比率具有例如不是等于1，而是小于1的比率，比方说小于0.8或小于0.7。这减少了补偿器/压力传输装置摩擦/硬度对测量变量的影响。

该改进的压力平衡构造允许压敏变送器产生小于常规压力平衡系统的测量误差。在缆索头负载测量工具的情况下，该构造使得精度增加并且由于使用常规压力补偿器对系统的压力改变而引起的滞后减小。

增加的精度使得在井下工具如井下负载测量工具中使用该装置对用户有大得多的吸引力，因为它们能够更可靠地测量施加在工具索上的负载并预测缆索头何时将达到强度极限。还可更成功地控制在斜井操作期间平衡钢丝绳与牵引装置之间的负载。

附图说明

现将参照附图仅以示例方式描述本发明的实施例，附图中：

图1示出用于变送器的压力平衡装置的第一示例；

图2示出用于变送器的压力平衡装置的第二示例；

图3示出用于变送器的压力平衡装置的第三示例；以及

图4示出对于具有各种横截面积(A₂)的中空轴的压力平衡装置产生的误差(e)。

具体实施方式

如图1中所示，此示例的压力平衡装置1具有设置在壳体20中的压力传输装置10，该压力传输装置在本示例中为活塞。代替活塞，压力传输装置10例如可为橡胶囊袋或柔性金属波纹管。活塞通过密封件11抵靠壳体20的内表面密封。装置1通过进口21暴露于外部压力P_W下。压力平衡装置1具有密封的腔室22，该腔室22具有内部压力P_t。腔室22具有中空轴23和变送器24。压力传输装置10的运动可引导内部流体通过中空轴23流入或流出密封的腔室22。在此示例中，变送器24为负载传感器，而中空轴23为负载传输轴。装置1可布置成沿轴23的方向测量跨越该装置的负载。在此示例中，轴23布置成贯通具有O形环密封件26的心轴25。活塞10根据外部压力P_W和内部压力P_t如箭头F所示来回移动，且对活塞/压力传输装置10的运动/变形具有阻力F。图中所示的各个特性定义如下：

D₁是活塞的直径。

D₂是中空负载传输轴的直径。

P_W是外部压力，例如井内压力。

P_t是工具内部压力。

F是对补偿器的运动/变形的阻力。

取决于该机构的确切构造，活塞直径D₁将具有与其相关的横截面积A₁。类似地，负载传输轴将具有与直径D₂相关的横截面积A₂。如果传感器中由于工具内侧和外侧之间的差压而引起的误差为e并且面积比率为R，则：

差压

ΔP＝P_w-P_t

驱动活塞的差压

ΔP = \frac{F}{A_{1}}

测量误差

e＝ΔPA₂

因此

e = \frac{{FA}_{2}}{A_{1}}

并且，如果

R = \frac{A_{2}}{A_{1}}

则

e＝RF

因此，对于小于阻力F的误差e，R＜1。

这意味着要减少活塞/补偿器10对所测量的力的影响，补偿器面积应当大，而负载传输轴截面积应当小。对于极端情况，在无穷大的补偿器或无穷小的轴的情况下，该误差将为零。在实践中，此理想情况不可能实现，并且一般来说，由于井下工具设计中经历的直径限制，轴23的面积优选至少是提供用于比方说井下工具中的预期用途的充分强度和牢固度的最低量。压力传输装置的面积A₁和轴的面积A₂优选在彼此的数量级内。因此，本发明的实施例考虑了当R小于1时的情况，该情况使得整体误差减小。

图2示出根据本发明的压力平衡装置的又一示例。图2的装置与图1的装置非常相似，除了不是使用活塞而是使用囊袋30作为压力传输装置10。与参考图1所述相同的原理也适用于图2的示例，除了横截面积A₁是囊袋30经由进口21暴露于外部压力P_W下的有效横截面积。

图3是压力平衡装置1的又一个示例，除了不是使用活塞或囊袋而是使用波纹管40作为压力传输装置。与图1和2的示例相似，波纹管40的有效横截面积A₁大于中空轴的横截面积A₂，从而导致装置的误差e减小。

在如图1中所示的压力平衡装置1上进行了一些实验，其中压力传输装置10的横截面积A₁为725mm²，且压力平衡装置1承受1牛顿的驱动力F。压力平衡装置1配备中空轴23，该中空轴具有如下表1中所列的不同横截面积A₂和对各个中空轴23确定的以牛顿为单位的测量误差。

表1

A1(mm²) 725

驱动力F(N) 1

结果也在图4中以图形方式表示。如从表1和图4中可见，测量误差随着面积比率减小而减小，在此示例中通过减小中空轴23的横截面积来减小面积比率。面积比率(A₂/A₁)可等于或小于例如0.8、0.7、0.6、0.5、0.4、0.3、0.2或0.1。

已经发现虽然减小面积比(A₂/A₁)减小了误差，但过多地减小中空轴的横截面积可能牺牲压力平衡装置的机械强度和牢固度。在实践中，已发现优选的是将面积比率(A₂/A₁)维持在0.1或更大。

虽然以上表1中提供的示例是用于具有压力传输装置10的压力平衡装置1，该压力传输装置10具有725mm²的横截面积，但是显然，本发明的示例可与具有任何适当的截面积A₁的压力传输装置10的压力平衡装置1一起使用。在实践中，压力传输装置10可具有可实际地或方便地提供的尽可能大的横截面积A₁。然而，压力传输装置10的横截面积A₁在实践中将有可能受压力传输装置1在其中使用的具体应用和对压力平衡装置1可提供的空间限制。例如，如果用于井下工具中，则横截面积将受工具中可获得的空间限制并且可能为数千mm²或更小。

可对上述示例做出众多改型同时落入本发明的范围内。例如，虽然已经描述了图1至3的压力平衡装置用于井下工具如井下负载测量工具中，但该压力平衡装置可用于任何应用中。还应注意，虽然已将该压力平衡装置的示例与作为变送器的负载传感器一起使用，但在适合的情形下可使用任何合适的变送器，比方说，例如压力变送器。

Claims

1.一种用于变送器的压力平衡装置，所述压力平衡装置包括：

压力传输装置，其具有横截面积并布置成在使用中暴露于流体；以及

具有中空轴的流体腔室，所述流体腔室布置成被所述压力传输装置作用在其上；

其中，所述中空轴的横截面积小于所述压力传输装置的横截面积。

2.根据权利要求1所述的压力平衡装置，其特征在于，所述中空轴为负载传输轴。

3.根据权利要求2所述的压力平衡装置，其特征在于，所述负载传输轴连接到负载传感器上。

4.根据任一前述权利要求所述的压力平衡装置，其特征在于，所述压力传输装置为活塞。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的压力平衡装置，其特征在于，所述压力传输装置为隔膜。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的压力平衡装置，其特征在于，所述压力传输装置为波纹管。

7.根据任一前述权利要求所述的压力平衡装置，其特征在于，所述压力传输装置的横截面积与所述中空轴的横截面积的比率为0.8或更小。

8.根据任一前述权利要求所述的压力平衡装置，其特征在于，所述压力传输装置的横截面积与所述中空轴的横截面积的比率为0.7或更小。

9.一种井下工具，包括根据任一前述权利要求所述的压力平衡装置。

10.一种井下负载测量工具，包括权利要求1至8中任一项所述的压力平衡装置。

11.一种大致如前文参考附图所述的用于变送器的压力平衡装置。

12.一种大致如前文参考附图所述的井下工具。