CN115885085A - 用于在筒中将传感器组件对中的装置 - Google Patents

Abstract

一种用于使传感器组件在筒中对中的装置，包括连接第一支承构件和第二支承构件的多个臂组件。每个臂组件包括枢转地连接到第一支承构件的第一臂、枢转地连接到第二支承构件的第二臂以及枢转地连接在第一臂和第二臂之间的第三臂。第三臂枢转地连接到轴向定位在第一支承构件和第二支承构件之间的第三支承构件。第三臂横跨装置的纵向轴线延伸，使得在使用中每个臂组件接触筒的相对的侧部，以使传感器组件在筒中对中。

Description

用于在筒中将传感器组件对中的装置

对应申请

本申请基于与新西兰专利申请第767264号相关的临时说明书，其全部内容以参见的方式纳入本文。

技术领域

本发明涉及用于在诸如管道、井筒或套管井筒之类的筒中使传感器设备对中的装置，并且具体地涉及在电缆测井应用中用于使传感器设备对中的装置。

背景技术

碳氢化合物勘探和开发活动依赖于从传感器获取的信息，这些传感器捕获与勘探区域的地质特性相关的数据。用于获取此数据的一种方法是通过电缆测井。电缆测井是在井眼的新区段钻完后立即在井筒中执行的，称为裸眼测井。这些井筒被钻到目标深度，该目标深度覆盖关注的区域，通常在1000-5000米深之间。然后将也称为“测井工具”或“工具串”的传感器包下放到井筒中，并在重力作用下下降到井筒井(wellbore well)的目标深度。测井工具下降到电缆上，电缆是一组包裹在连接到测井工具的钢缆中的通信电线。钢缆承载来自工具串的载荷、缆线本身、作用在井下设备上的摩擦力以及因粘住或卡住而产生的任何超拉力。一旦测井工具到达目标深度，它就会以受控的上升速率通过井筒返回，则在测井工具中的传感器操作成生成和捕获地质数据。

电缆测井也在衬有钢管或套管的井筒中进行，称为套管井测井。在钻完井筒的区段后，将套管下降到井筒中并固结到位。固结剂放置在套管和井筒壁之间的环形部中，以确保与井筒在不同深度处相交的渗透性岩层的各层之间的隔离。固结剂还可以防止碳氢化合物在套管和井筒之间的环形部中流动，这对于井的完整性和安全性很重要。油井通常在连续的区段中钻探。用大直径钻头“钻入”井筒以钻出第一区段。套管的第一区段称为导体管道。导体管道被固结到新井筒中并固定到表层井口。较小的钻头穿过导体管道，并将表层井眼钻到更深的水平。然后表层套管串在井眼中行进至井眼的底部。然后这个通常为20英寸(标称外径(OD))的表层套管通过填充表层套管与新井眼和导体管道之间形成的环形部而固结到位。钻孔继续以较小的钻头尺寸进行下一个间隔。类似地，中间套管(例如13又3/8英寸)被固结到该井眼区段中。钻孔继续以较小的钻头尺寸进行下一个间隔。生产套管(例如9又3/8英寸外径(OD))行进至TD(总深度)并固结到位。最后的套管串(例如7英寸外径(OD))从前一个套管串的尾管悬挂器上固结到位。因此，工具串必须向下横穿套管井眼，并且可能需要进入较小直径的井筒中。

有各种各样的测井工具设计成用来测量岩石和岩石中所含流体的各种物理特性。测井工具包括换能器和传感器，以诸如测量电阻、伽马射线密度、声音速度等特性。各个测井工具是可组合的，并且通常连接在一起以形成测井工具串。一些传感器设计用于在数据采集期间与筒眼壁紧密接触，而其它传感器则理想地在井筒中对中以获得最佳结果。附连于工具串的任何装置都需要满足这些要求。电缆测井工具串通常的量级为：长度为20英尺至100英尺，直径为2英寸至5英寸。

在套管井眼中，测井工具用于评估套管与井筒壁之间的固结剂粘结强度和套管的状况。有若干类型的传感器，并且它们通常需要在套管中对中。一种这样的测井工具利用高频超声换能器和传感器来记录围绕套管的周向测量值。超声换能器和传感器安装在连接到工具底部的旋转头上。这个旋转头旋转并使传感器能够随着工具慢慢从井筒中绞出而记录来自套管壁、固结剂套筒和井筒壁的方位超声反射。其它工具具有可记录声信号随着它沿着套管壁传播而振幅下降或衰减的换能器和传感器。重要的是，这些换能器和传感器在套管中很好地对中，以确保记录的数据有效。其它测量流动井筒中流体和气体产生的测井工具也可能需要传感器对中。测井工具也在生产井中行进以确定产出流体的流动特性。其中许多传感器还需要对中来使数据有效。

在裸眼(无套管井筒)中，测井工具用于扫描井筒壁以确定地层构造倾角、裂缝的尺寸和定向、岩石中孔隙空间的尺寸和分布以及关于沉积环境的信息。一种这样的工具在接触井筒的周缘的垫片上具有多个传感器，以测量微电阻率。其它工具产生沿着井筒壁传播的声学信号并且由沿着工具间隔开并且围绕工具的方位角的多个接收器记录。与套管井眼测井工具一样，这些传感器的测量结果通过在井筒中良好对中而优化。

钻井和电缆测井操作是昂贵的任务。这主要是由于钻井设备的资本成本和电缆测井系统的特殊性。重要的是尽快开展和完成这些活动，以尽量减少这些成本。应尽可能避免延迟部署电缆测井工具。

这种延迟的原因之一是难以将电缆测井工具下降到井筒的目标深度。测井工具仅在重力作用下通过缆线顺着井筒下降。缆线是柔性的，不能将工具顺着井筒推动。因此，井的顶部的操作员几乎无法控制测井工具的下降。

对于斜井，电缆测井工具下降失败的可能性显著增加。斜井不竖直向下行进，而是向下和侧向行进，与竖直方向成一定角度。通常从单个表层位置钻出多个斜井，以允许勘探和生产大面积区域。随着电缆测井工具在重力作用下通过缆线顺着井筒行进时，工具串将随着它向下行进到目标深度而沿着井筒壁的低侧或底部拖动。工具串对井筒壁的摩擦或拖动会阻止工具下降到期望的深度。工具串的长的长度会进一步加剧将顺着井筒引导工具串的问题。

参考图1，在斜井中，工具串的重量施加垂直于井筒壁的侧向力(PW)。该侧向力产生拖曳力，该拖曳力起到防止工具串下降至井筒的作用。工具串重量的轴向分量(AW)用于将工具串顺着井筒拉动，并且该力与沿相反方向作用的拖曳力相反。随着井的偏斜增加，工具重量的轴向分量(AW)减小，并且侧向力(PW)增加。当侧向力(PW)产生的拖曳力等于工具串重量的轴向分量(AW)时，工具不会在井筒中下降。

随着井眼的偏斜增加，滑动摩擦力或拖曳力会阻止测井工具下降。实际限制是从竖直方向偏60°，并且在这些大角度井中，任何可以减少摩擦的装置都非常有价值。拖曳力是垂直作用于井筒壁的工具重量的侧向分量与摩擦系数的乘积。可期望降低摩擦系数以降低拖曳力。摩擦系数可以通过使用低摩擦材料，诸如铁氟龙来降低。拖曳力也可以通过使用轮来减小。

对中测井工具的常用设备是弓形弹簧对中器。弓形弹簧对中器包含许多弯曲的板簧。板簧在其末端处附连于固定到测井工具的附连结构。弯曲的板簧(或弓形)的中点布置成从附连结构和工具串径向向外突出。当弓形弹簧对中器不受井筒约束时，弓形弹簧对中器的外径大于其待部署的井筒或套管的直径。一旦部署在井筒中，弓形弹簧就会变平，并且变平的弓形弹簧在工具串上提供对中力。在斜井中，这种对中力必须大于垂直于井筒或套管壁作用的工具串的侧向重量分量。因此，在更大的井斜处需要更大的对中力。如果对中力太小，对中器将会塌缩，并且工具传感器不对中。如果对中力太大，则过大的力将会引起不必要的阻力，这可能会阻止工具下降或导致测井工具的粘滑移动。粘滑是指工具以一系列突增而不是以恒定速度顺着井筒向上移动的地方。粘滑动作将会损害获取的测量数据或可能使获取的测量数据无效。使用弓形弹簧对中器的重力下降的实际限制是与竖直方向成60度左右。井筒在浅层是竖直的，并且随着深度的增加而产生偏斜。因此，在同一井筒内所需的对中力会有所不同。由于弓形弹簧对中器必须针对最高偏斜进行构造，因此在大部分调查区间内，拖曳力总是大于所需的拖曳力。

通过弓形弹簧对中器，在小井筒中的对中力更大，因为板簧比在大井筒中具有更大的偏转(更多压缩)。因此，在较大的井眼尺寸中需要更强的或多个弓形弹簧。这些对中器通常具有“增强器”套件，以在较大的井筒或具有较高偏斜的井筒中施加更大的对中力。

在偏斜大于60度时，必须使用其他方法来克服摩擦力并使工具串能够在井筒中下降。一种方法是使用连接到工具串的驱动装置(牵引机)。牵引机包含有动力轮，动力轮可强制接触井筒壁，以便将工具串驱动到井下。另一种方法是用钻杆或卷绕管件将工具串推入井下。这些方法涉及额外的风险、更多的设备并且涉及更多的时间，因此成本要高得多。

为了减少对中器的阻力，轮可以附连于弓形弹簧的中心以接触井筒壁。然而，与板簧塌缩或动力过大相关的基本问题仍然存在。

另一种已知类型的对中器由一组杠杆或臂组成，在杠杆枢转地连接在一起的位置处或附近具有轮。有多组杠杆轮组件围绕装置的中心轴等方位地设置。典型地存在三到六组。每个杠杆组的端部连接到可在对中装置的中心心轴上自由轴向滑动的块。使用弹簧迫使这些块朝向彼此滑动，从而迫使臂以与对中器(和工具串)轴线成一定角度偏斜，使得轮可以径向向外延伸以抵靠井筒壁施加力。对于这种类型的装置，对中力取决于赋能(energising)设备或弹簧的类型和布置。对中器装置典型地借助轴向或径向弹簧或两者的组合来赋能。这种类型的对中器的优点是通过沿着井筒壁滚动而不是滑动的轮减少了阻力。

杠杆——轮对中器的重要问题是，由于无法将一个臂的径向移动经由滑块传递到另一个臂，这些对中器可能无法在井筒中使工具串对中。当臂与对中器中心线之间的角度较小时，在较小直径的井筒中加剧了这些装置无法使工具串对中的问题。例如，在10度的臂角度下，井筒直径变化10mm(5mm径向位移)导致小于1mm的轴向位移。在滑块的如此小的轴向移动的情况下，诸如枢转点、轴承和滑动构件中的机械部件之间的间隙导致对中器装置无法使工具串对中，因为臂组件中的一个的径向位移没有通过滑块足够准确地传递到其它臂组件。这导致工具串偏离中心，偏离中心又可能引起工具串传感器返回错误数据。

对中器装置也可由直接施加径向向外力的弹簧装置赋能。此类弹簧装置可以是作用在对中器臂和中心心轴之间的卷簧、扭簧或板簧。对于作用在铰接臂上的板簧或从对中器/工具串轴线径向布置的卷簧，上述限制仍然适用。即，与大井筒相比，在小井筒中的对中力更大，其中弹簧在小井筒中经受更大的偏转。在井斜增加时，需要更大的对中力。如果对中力太小，则对中器将会塌缩，并且工具传感器不对中。如果对中力太大，则过大的力将会引起不必要的阻力，这可能会阻止工具下降或导致测井工具的粘滑移动。在小臂角度处，径向力可通过包括径向增强弹簧来增加，然而这不会纠正对中的基本问题。测井工具可偏离中心一段距离，该距离由垂直于井筒壁作用的工具重量和径向弹簧的弹簧硬度确定。

说明书中对任何现有技术的引用不是也不应被视为承认或任何形式的暗示该现有技术构成任何国家公知常识的部分。

发明内容

本发明的目的是解决任何一个或多个上述问题，或者至少为业界提供一种有用的装置，用于使传感器设备在筒或管道中对中。

根据本发明的一个方面，提供了一种用于使传感器组件在筒中对中的装置，该装置包括：

第一支承构件和第二支承构件，第一支承构件和第二支承构件沿着装置的纵向轴线轴向间隔开；

多个臂组件，这些多个臂组件连接在第一支承构件和第二支承构件之间，每个臂组件包括：

第一臂，该第一臂通过具有第一枢转轴线的第一枢转接头枢转地连接到第一支承构件，

第二臂，该第二臂通过具有第二枢转轴线的第二枢转接头枢转地连接到第二支承构件，

第三臂，该第三臂连接在第一臂和第二臂之间，第三臂通过具有第三枢转轴线的第三枢转接头枢转地连接到第一臂，并且第三臂通过具有第四枢转轴线的第四枢转接头枢转地连接到第二臂，以及

第三支承构件，该第三支承构件轴向地定位在第一支承构件和第二支承构件之间，第三臂通过第五枢转接头枢转地连接到第三支承构件，第五枢转接头具有与纵向轴线交合并正交的第五枢转轴线；

其中，第三臂在第三枢转轴线和第四枢转轴线之间延伸穿过与纵向轴线重合的平面，使得在使用中每个臂组件接触筒的相对的侧部，以使传感器组件在筒中对中。

在一些实施例中，第三枢转轴线位于与装置的纵向轴线重合的平面的第一侧上，并且第四枢转轴线位于该平面的相对的第二侧上。

在一些实施例中，第一枢转轴线和第三枢转轴线位于与装置的纵向轴线重合的平面的第一侧上，第二枢转轴线和第四枢转轴线位于该平面的相对的第二侧上，并且第三臂在第一枢转轴线与第三枢转轴线之间延伸穿过该平面。

在一些实施例中，第一枢转轴线、第二枢转轴线和第三枢转轴线位于与装置的纵向轴线重合的平面的第一侧上，第四枢转轴线位于该平面的相对的第二侧上，并且第三臂在第一枢转轴线与第三枢转轴线之间延伸穿过平面。

在一些实施例中，第二枢转轴线和第三枢转轴线位于与装置的纵向轴线重合的平面的第一侧上，第一枢转轴线和第四枢转轴线位于该平面的相对的第二侧上，并且第三臂在第一枢转轴线与第三枢转轴线之间延伸穿过平面。

在一些实施例中，第一支承构件和第二支承构件中的一个或两个适于沿着纵向轴线轴向移动，以允许臂组件相对于纵向轴线径向延伸和缩回。

在一些实施例中，第三支承构件适于沿着纵向轴线轴向移动。

在一些实施例中，第一支承构件和第二支承构件适于沿着纵向轴线轴向移动，以允许臂组件相对于纵向轴线径向延伸和缩回，并且其中，第三支承构件被固定以防止轴向移动。第三支承构件可以与心轴一体地形成。

在一些实施例中，第五枢转接头和轴线位于第三枢转轴线和第四枢转轴线之间的中间。

在一些实施例中，第一枢转轴线和第三枢转轴线之间的距离大于第三枢转轴线和第五枢转轴线之间的距离，并且第二枢转轴线和第四枢转轴线之间的距离大于第四枢转轴线和第五枢转轴线之间的距离。

在一些实施例中，每个臂组件关于第五枢转点旋转对称。

在一些实施例中，第三臂关于第五枢转轴线对称。

在一些实施例中，每个臂组件包括第一滚轮或轮，以在与装置的纵向轴线重合的平面的第一侧上接触筒壁，以及第二滚轮或轮，以在该平面的相对的第二侧上接触筒壁。

在一些实施例中，第五枢转接头和轴线位于第一轮或滚轮以及第二轮或滚轮之间的中间。

在一些实施例中，第一轮或滚轮以及第二滚轮或轮在垂直于纵向轴线并且偏离第三枢转轴线和第四枢转轴线的旋转轴线上旋转地联接到相应的第一臂和第二臂或第三臂的相应端部。

在一些实施例中，第一臂和/或第二臂的形状或轮廓设计成保护轮和/或减少对中器被卡在或挂在井筒限制部上的可能性。

在一些实施例中，第一臂和/或第二臂的形状或轮廓设计成使得当臂组件处于最大径向向外位置时，第一轮和/或第二轮与井筒限制部之间的初始接触相对于装置的纵向轴线发生在轮的旋转轴线的径向外侧。

在一些实施例中，第一臂和/或第二臂的形状或轮廓设计成使得第一轮和/或第二轮以至少20度或至少45度的初始接触角度接触井筒限制部。

在一些实施例中，第一臂的形状或轮廓设计成使得当臂组件处于最大径向向外位置时，位于第一轮和第一枢转轴线之间的第一臂的径向最外延伸部相对于装置的纵向轴线在第一轮的旋转轴线的径向外侧，和/或

其中，第二臂的形状或轮廓设计成使得当臂组件处于最大径向向外位置时，位于第二轮和第二枢转轴线之间的第二臂的径向最外延伸部相对于装置的纵向轴线在第二轮的旋转轴线的径向外侧。

在一些实施例中，第一臂的形状或轮廓设计成使得当臂组件处于最大径向向外位置时，位于第一轮和第一枢转轴线之间的第一臂的径向最外延伸部定位成使得第一轮以至少20度或至少45度的初始接触角度接触井筒限制部，和/或

其中，第二臂的形状或轮廓设计成使得当臂组件处于最大径向向外位置时，位于第二轮和第二枢转轴线之间的第二臂的径向最外延伸部定位成使得第二轮以至少20度或至少45度的初始接触角度接触井筒限制部。

在一些实施例中，轮具有至少30mm或至少40mm的外径。

在一些实施例中，该装置包括一个或多个弹簧元件以径向向外偏置臂组件，使得每个臂组件在平面的第一侧上和该平面的相对的第二侧上接触筒壁。

在一些实施例中，该装置包括一个或多个弹簧(轴向)元件，这些元件作用在第一支承构件和/或第二支承构件上，以将第一支承构件和第二支承构件轴向地偏置在一起并且径向向外偏置臂组件。

在一些实施例中，该装置包括一个或多个(径向)弹簧元件，这些元件作用在一个或多个臂组件上，以径向向外偏置臂组件。

在一些实施例中，一个或多个弹簧元件构造在一起，延伸穿过第三枢转轴线和第四枢转轴线的线与纵向轴线之间的角度(A)处于一定范围内，使得臂组件各自都为一定范围的井筒直径提供基本上恒定的径向力。

在一些实施例中，延伸穿过第三枢转轴线和第四枢转轴线的线与纵向轴线之间的角度(A)保持在基本上大于10度且基本上小于75度的范围内。

在一些实施例中，延伸穿过第三枢转轴线和第四枢转轴线的线与纵向轴线之间的角度(A)保持在25度至65度的范围内。

在一些实施例中，第一枢转接头和第二枢转接头围绕装置的纵向轴线周向间隔开(在方位角上错位)。

在一些实施例中，第一枢转接头和第二枢转接头围绕装置的纵向轴线周向间隔开(在方位角上错位)180度。

在一些实施例中，该平面是第一平面，并且第一枢转接头、第二枢转接头、第三枢转接头和第四枢转接头在第二平面上对准，第二平面与对中器的纵向轴线重合并且正交于第一平面。

在一些实施例中，每个臂组件包括第一滚轮或轮以在第一平面的第一侧上接触筒壁，以及第二滚轮或轮以在第一平面的相对的第二侧上接触筒壁，并且滚轮或轮在第二平面上对准。

在一些实施例中，第五枢转接头侧向偏离第二平面。

在一些实施例中，该装置包括心轴，第一支承构件和第二支承构件适于沿着心轴轴向移动，并且其中，第一枢转轴线和第二枢转轴线位于心轴外径的径向外侧。

在一些实施例中，第一枢转轴线和第二枢转轴线不与心轴相交。

在一些实施例中，臂组件围绕心轴周向嵌套或缠结在一起。

在一些实施例中，臂组件布置成使得臂组件的第一枢转接头和第一枢转轴线在正交于纵向轴线的第一平面上对准，并且臂组件的第二枢转接头和第二枢转轴线在正交于纵向轴线的第二平面上对准。

在一些实施例中，臂组件布置成使得第三枢转接头和第三枢转轴线在正交于纵向轴线的第三平面上对准。

在一些实施例中，臂组件布置成使得第四枢转接头和第四枢转轴线在正交于纵向轴线的第四平面上对准。

在一些实施例中，臂组件布置成使得第五枢转接头和第五枢转轴线在正交于纵向轴线的第五平面上对准。

在一些实施例中，对中器是无源装置，其中臂组件径向向外的赋能仅由装置的一个或多个弹簧元件提供。

臂组件的径向末端一起呈现装置的外径。在一些实施例中，该装置包括可调节的机械止挡机构以将装置的最大外径设定在最大外径范围内，使得该装置可构造成用于预定范围的筒直径，并且一个或多个弹簧元件被预加载以径向向外偏置臂组件，使得当径向末端处于设定的最大直径时该装置支承传感器组件。

在一些实施例中，心轴包括围绕心轴的外表面间隔开的多个切面，并且第一支承构件和/或第二支承构件各自具有围绕支承构件的内表面间隔开的对应的多个切面，以将第一支承构件和/或第二支承构件旋转地键接到心轴。

在一些实施例中，多个切面布置成使得心轴具有多边形外表面并且第一支承构件和/或第二支承构件具有对应的多边形内表面。

在一些实施例中，第三支承构件旋转地未键接到心轴。

在一些实施例中，心轴具有对应于第一支承构件的第一部分、对应于第二支承构件的第二部分和对应于第三支承构件的第三部分，并且心轴的第一部分和/或第二部分包括所述多个切面，并且心轴的第三部分没有多个切面或者是圆柱形的。

优选地，多边形是正多边形，例如心轴可以具有六边形或八边形外表面。在一些实施例中，心轴的外表面具有与在第一支承构件和/或第二支承构件处的相邻第一枢转接头和/或第二枢转接头中的每一个在方位角上对准的切面。切面的数量可以等于臂组件的数量。心轴可具有在相邻的第一枢转接头和/或相邻的第二枢转接头之间延伸的切面，使得切面的数量等于臂组件的数量或臂组件数量的两倍。例如，对中器包括三个臂组件，并且心轴包括对应于第一支承构件和/或第二支承构件的六个切面或六边形外表面，其中第一支承构件和/或第二支承构件具有对应的六边形内表面。

在一些实施例中，该装置适用于在电缆测井操作期间使电缆测井工具串在井筒中对中。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于使传感器组件在筒中对中的装置，该装置包括：

第一支承构件和第二支承构件，第一支承构件和第二支承构件沿着装置的纵向轴线轴向间隔开；

多个臂组件，这些多个臂组件连接在第一支承构件和第二支承构件之间，每个臂组件包括：

第一臂，该第一臂通过具有第一枢转轴线的第一枢转接头枢转地连接到第一支承构件，

第二臂，该第二臂通过具有第二枢转轴线的第二枢转接头枢转地连接到第二支承构件，

第三臂，该第三臂连接在第一臂和第二臂之间，第三臂通过具有第三枢转轴线的第三枢转接头枢转地连接到第一臂，并且第三臂通过具有第四枢转轴线的第四枢转接头枢转地连接到第二臂，

其中，第三枢转轴线位于与装置的纵向轴线重合的平面的第一侧上，并且第四枢转轴线位于该平面的相对的第二侧上，以及

第三支承构件，该第三支承构件轴向地定位在第一支承构件和第二支承构件之间，第三臂通过第五枢转接头枢转地连接到第三支承构件，第五枢转接头具有该平面重合的的第五枢转轴线，

第三臂延伸穿过第三枢转轴线和第四枢转轴线之间的平面，使得在使用中每个臂组件接触筒的相对的侧部，以使传感器组件在筒中对中。

第二方面可以包括以上关于第一方面描述的任何一个或多个特征。

根据本发明的第三方面，提供了一种用于使传感器组件在筒中对中的装置，该装置包括：

第一支承构件和第二支承构件，第一支承构件和第二支承构件沿着装置的纵向轴线轴向间隔开；

多个臂组件，这些多个臂组件连接在第一支承构件和第二支承构件之间，每个臂组件包括：

第一臂，该第一臂通过具有第一枢转轴线的第一枢转接头枢转地连接到第一支承构件；

第二臂，该第二臂通过具有第二枢转轴线的第二枢转接头枢转地连接到第二支承构件；以及

接触井筒壁的滚轮或轮；

其中，第一臂和第二臂连接成使得第一支承构件和第二支承构件的相对轴向移动导致臂组件相对于纵向轴线径向延伸和缩回；以及

其中，第一臂和/或第二臂的形状或轮廓设计成使得臂的径向最外延伸部位于轮和相应的第一枢转轴线或第二枢转轴线之间，并且其中，径向最外延伸部定位成使得轮以至少20度或至少45度的初始接触角度接触井筒限制部。

第三方面可以包括以上关于第一方面描述的任何一个或多个特征。

根据本发明的第四方面，提供了一种电缆测井工具串，该电缆测井工具串包括一个或多个细长传感器组件和根据上述本发明的第一方面、第二方面或第三方面的装置，该装置用于在电缆测井操作期间将电缆测井工具串在井筒中对中。

除非上下文另有说明，术语“井筒(wellbore)”可指有带套管和无套管的井筒。因此，术语“井筒壁”可以指井筒壁或井筒内的套管的壁。

除非上下文另有说明，否则术语“工具串(tool string)”是指细长的传感器包或组件，在行业中也称为“测井工具(logging tool)”，并且可能包括传感器以外的部件，诸如附连于传感器部件或工具串组件的引导和定向装置和托架装置。工具串可包括单个细长传感器组件，或连接在一起的两个或更多个传感器组件。

除非上下文清楚地另作要求，否则在整个说明书和权利要求书中，词语“包括”、“包含”等应诠释为包含的含义，而不是排它或穷尽的含义，即，“包括但不限于”的含义。

在前面的描述中，参考了具有已知等同物的本发明的特定部件或整体，那么这些等同物被并入本文，如同单独阐述一样。

本发明也可以广义地说包括本申请的说明书所涉及或示出的单独地或共同地以部件、元件或特征中的两个或两个以上的任意组合或全部组合的部件、元件和特征，并且其中，具有在本发明涉及的领域中的已知等同物的具体整体在本文中被提及，如当单独阐述时，这些已知等同物被认为纳入本文。

应当在其所有新颖方面中考虑的本发明的其他方面将从以下通过本发明的可能实施例的示例给出的描述变得显而易见。

附图说明

现在参考附图讨论本发明的示例实施例。

图1是电缆测井操作中井场和沿井筒下降的工具串的示意图。

图2A至2G提供了根据本发明的一个实施例的对中装置(对中器)的示意图。图2A是对中器的侧视图，其中对中器的臂组件处于对应于较大井筒直径的径向向外位置。图2B示出了臂组件处于对应于较小井筒直径的径向向内位置。图2C和2D是端视图，其中臂组件处于径向向外和径向向内的位置。图2E和2F是再次示出了处于径向向外和径向向内位置的臂组件的等距类型视图。图2G是在图2C中的线F-F上的、在对中器的中心线(纵向轴线)上的剖视图，其中臂组件处于图2A和2B所示的径向位置之间的径向位置。

图2H至2L分别提供在如图2A所示的线A-A、B-B、C-C、D-D和E-E上的示意性剖视图。

图3A至3G示出了图2A至2G的对中器，但只示出一个臂组件，以突出图2A至2G的实施例中每个臂组件的布置。图3A是侧视图。图3B是正交于图3A的视图的另一侧视图。图3C是图3A中的线G-G上的对中器的中心线(纵向轴线)上的剖视图。图3D是等距视图。图3E至3I分别是在如图3B所示的线H-H、I-I、J-J、K-K、L-L上的剖视图。

图4A和4B示出了包含径向作用弹簧的两个对中器。

图5A和5B示出了与图2A和2G的对中器相似的对中器，但其中每个臂组件的第一轮和第二轮的旋转轴线偏离每个臂组件的第三枢转接头和第四枢转接头。图5A是侧视图，而图5B是等距视图。

图6A至6C示出了类似于图2A至2G的对中器的对中器，但具有四个臂组件。图6A是侧视图，图6B是等距视图，而图6C是端视图。

图7示出了穿过套管接头的图2A至2G的对中器，该附图呈现放大的井筒区段。

图8是类似于图2A至2G的对中器的对中器的等距视图，但附加地具有臂组件的可旋转地键接到对中器心轴的支承构件。

图9A至9F示出了类似于图2A至2G的对中器的对中器，但附加地具有构造成保护臂组件的轮和/或降低对中器卡在井筒限制部上的风险的臂。图9A是侧视图。图9B是对中器的第一臂的放大图。图9C示出了井筒中的对中器和对中器的接合井筒直径减小部的第一臂。图9D示出了井筒中的对中器，其中对中器的轮与井筒直径减小部进行初始接触。图9E是与井筒直径减小部接触的第一臂的放大图。图9F是与井筒直径减小部进行初始接触的轮的放大图。

图10示出了类似于图2A至2G的对中器的对中器，但附加地包括可调节的机械止挡部件以预设对中器的最大外径。

图11提供了机械优势(杠杆力)、轴向弹簧力和由根据本发明的对中器的臂组件对井筒壁施加的所得径向力与臂组件的径向偏转的图表。

图12示出了可变节距卷簧，该卷簧构造成提供可变的弹簧刚度。

图13A和13B示出了类似于图2A至2G的对中器的对中器，但其中心轴包括多边形外表面。图13A是等距视图，而图13B是通过支承构件和心轴的、在侧向于对中器的纵向轴线的剖面线上的剖视图。

具体实施方式

图1提供了井场100的示意图。测井工具串101在电缆103上顺着井筒102下降。井场表面设备包括典型地悬挂自井架的滑轮104和绞车单元105，绞车单元用于解开和卷起往返于井筒的电缆，以将测井工具101部署到井筒和从井筒收回，以进行井筒电缆测井操作。测井工具串101可以包括一个或多个测井工具，每个测井工具承载一个或多个传感器106，传感器联接在一起以形成测井工具串101。电缆102包括多根导线或缆线，以为一个或多个传感器106提供电力，并将传感器数据传输到井场表面。一个或多个对中装置1提供给测井工具101，以使测井工具101在井筒102中对中。

图2A至2G是对中装置1的示意图，该装置将与工具串101一起提供或作为工具串101的部分。对中装置(或对中器)包括在每一端处的联接件2或接口，以将对中器1连接至工具串101的其它部件。联接件可包括电气或液压连接件，以提供从电缆到电缆测井工具和/或电缆工具之间的电气和液压连通。替代地，对中器装置可以与电缆测井工具成一体，例如，测井工具的外壳体可以形成对中器的中心心轴。替代地，对中器装置可以在电缆测井工具(壳体)的外侧上滑动，从而避免与工具串和电缆的任何电气或液压连接。联接件或接口可以是本领域已知的任何合适的联接件或接口。

多个臂组件(联动件)3围绕装置1的纵向轴线4周向间隔开。在所示的实施例中，存在三个臂组件3，然而对中器可以具有三个、四个或更多的臂组件，例如五个或六个臂组件。图6A至6C示出了具有四个臂组件3的示例对中器。

臂组件3构造成轴向和径向移动，以接合井筒壁102a，从而提供对中力，以使工具串101保持在井筒102的中心。每个臂组件或联动件3包括第一臂或连杆5和第二臂或连杆6。第一臂5通过第一枢转接头11枢转连接到第一支承构件8，而第二臂6通过第二枢转接头12枢转连接到第二支承构件9。每个臂组件3还包括连接在第一臂5和第二臂6之间的第三臂或连杆7。第三臂7通过第三枢转接头13枢转地连接到第一臂5并且通过第四枢转接头14枢转地连接到第二臂6。第三支承构件10轴向定位在第一支承构件8和第二支承构件9之间。第三臂7通过第五枢转接头15枢转地连接到第三支承构件10。

每个枢转接头11、12、13、14、15具有枢转销或轴，臂5、6、7在枢转销或轴上围绕枢转轴线11a、12a、13a、14a、15a枢转，这些枢转轴线是销或轴的轴线并因此是接头的轴线。第一支承构件8和第二支承构件9中的一个或两个适于轴向移动，使得每个臂组件3通过第一臂5、第二臂6和第三臂7围绕相应的第一枢转接头11、第二枢转接头12、第三枢转接头13、第四枢转接头14和第五枢转接头15枢转来径向移动以接合井筒壁102。

对中器1具有一个或多个弹簧元件17，以向臂组件3提供力，从而迫使臂组件3抵靠井筒壁102a，以提供对中力，从而在井筒102内居中地保持对中器1以及因此相关联的工具串101。在所示的实施例中，第一支承构件8和第二支承构件9两者轴向移动，并且对中器1具有作用在第一支承构件8和第二支承构件9中的每一个上的轴向弹簧17，以将支承构件8、9轴向偏置在一起，从而将臂组件3抵靠井筒壁102a径向向外偏置。当支承构件8、9中的一个固定时，对中器1没有作用在固定的支承件上的弹簧。

优选地，第三支承构件10也轴向移动，并且最优选地，第一支承构件7、第二支承构件8和第三支承构件9轴向移动，使得支承构件和连接的臂组件3可以沿着纵向轴线4轴向移动(或浮动)。在替代的、不太优选的实施例中，第一支承构件和第二支承构件适于沿着纵向轴线轴向移动并且第三支承构件被固定以防止轴向移动。例如，第三支承构件可以与心轴一体地形成。

由于第一支承构件7、第二支承构件8和第三支承构件9以及因此臂组件3构造成在心轴16上轴向移动，当对中器随着工具串向下横穿井筒而撞击井筒中的凸缘或其它障碍物时，对中器的臂组件3可轴向移动，从而减少对中器部件上的机械应力。在平衡状态下，对中器的支承构件8、9、10和臂组件3返回到弹簧17之间的“中心”位置，弹簧在该位置具有相同的长度和弹力。

支承构件8、9、10可以在对中器1的中心构件或心轴16上轴向滑动。例如，每个支承构件8、9、10可以包括箍套或环形构件，该箍套或环形构件与心轴12共线并被接纳在心轴12上以在其上滑动。每个支承构件8、9、10可以包括围绕心轴12组装在一起的多个部件。

(一个或多个)轴向弹簧17可以是卷簧，如所示的实施例中所示，其与心轴16共线，或者还可以包括围绕心轴周向布置(在方位角上间隔开)的多个卷簧(如图10中的实施例所示)。本领域的技术人员将理解，其它类型的弹簧和弹簧结构可以用于为对中器提供动力，诸如扭簧、板簧和贝勒维尔垫圈(Belleville Washer)。也可以使用两个或更多个弹簧装置的组合，例如，可以端对端地提供一个或多个弹簧，以赋予组合的非线性弹簧刚度。替代地，卷簧的节距可在其长度上变化以提供非线性弹簧刚度。对中器可以附加地或替代地具有直接向臂组件施加径向向外的力的弹簧元件。例如，卷簧或板簧可位于第一臂与心轴或第一支承构件之间，和/或第二臂与心轴或第二支承构件之间，和/或第三臂与心轴或第三支承构件之间，以提供径向作用力。例如，图4A示出了在心轴与第一臂5和第二臂6之间具有径向作用的板簧21的对中器，而图4B示出了在心轴与第一臂5和第二臂6之间具有径向作用的卷簧22的对中器。根据本发明的对中器可以仅具有轴向弹簧、仅具有径向弹簧或轴向弹簧和径向弹簧的组合。可以使用轴向和径向作用弹簧的组合来提供相对恒定的径向力。

优选地，每个臂组件3包括位于或邻近第三枢转接头13以接触井筒壁102a的第一滚轮或第一轮18，以及位于或邻近第四枢转接头14的第二滚轮或第二轮19。在使用中，臂组件3被径向向外偏置，使得第一轮18和第二轮19与井筒的相对侧接触，以随着工具串101横穿井筒102减少井筒壁102a和工具串101之间的摩擦。如图2A所示，第一滚轮18可具有与第三枢转接头13的枢转轴线13a共线的旋转轴线，而第二滚轮19可具有与第四枢转接头14的枢转轴线共线的旋转轴线。替代地，第一滚轮18的旋转轴线可位于第三枢转接头13附近，而第二滚轮19的旋转轴线可位于第四枢转接头14附近。例如，第一滚轮18可旋转地安装到邻近第三枢转接头13的第一臂5或第三臂7，和/或第二滚轮19可旋转地安装到邻近第四枢转接头14的第二臂6或第三臂7。如图2A所示，第一滚轮18可具有与第三枢转接头13的枢转轴线13a平行的旋转轴线，而第二滚轮19可具有与第四枢转接头14的枢转轴线平行的旋转轴线。图5A和5B示出了具有与图2A至2G的对中器类似构造的实施例，但是第一滚轮18邻近第三枢转轴线13a安装到第一臂5，其中滚轮18的旋转轴线平行于第三枢转轴线13a，并且第二滚轮19邻近第四枢转轴线14a安装到第二臂6，其中滚轮19的旋转轴线平行于第四枢转轴线14a。

可以在心轴上提供机械止挡件20以设定对中器1的最大直径。每个止挡件20限制相应的支承构件8、9的轴向移动，以限制臂组件3的径向向外移动。当对中器1进入井筒中的大直径区段时，机械止挡件20防止臂组件3径向延伸到期望的范围之外，以避免例如对中器1从井筒的较大直径区段进入井筒的较小直径区段或穿过井口控制组件的困难。井口控制组件包括一堆柱塞和阀，用于出于安全原因关闭井筒。井口控制组件具有较大内径的区段，这些区段可以卡在臂组件上并阻止对中器通过。

如图所示，第三臂7在第三枢转轴线和第四枢转轴线之间延伸横穿对中器的纵向轴线4。第三枢转轴线位于与对中器的纵向轴线4重合的平面的第一侧上，并且第四枢转轴线位于平面P1的相对的第二侧上。第三臂7延伸穿过平面P1并且位于第三枢转轴线13a和第四枢转轴线14a之间。第五枢转轴线15a与纵向轴线4交合(coincident)，即枢转轴线15a与纵向轴线4正交并相交。第五枢转轴线15a与平面P1重合。第三枢转轴线和第四枢转轴线与第五枢转轴线等距，或者换言之，第五枢转接头15和轴线15a位于第三枢转轴线13a和第四枢转轴线14a之间的中间。

第三臂7或“摇臂”关于枢转轴线15a对称。摇臂围绕穿过纵向轴线4的枢转轴线15a枢转，即轮18、19与枢转轴线15a等距定位，或者换言之，第五枢转接头15和轴线15a位于轮之间的中间。由通过臂组件3作用的弹簧赋能的摇臂7确保臂组件/轮18、19在井筒的相对侧上与井筒壁接触。因此，具有穿过纵向轴线4的中心枢转轴线15a的“摇臂”确保了对中器的纵向轴线和工具串位于井筒的中心，从而使工具串对中以用于准确的数据采集。

摇臂7在每个臂组件3中的布置提供了对中器和相关联的工具串在井筒中的直接对中。例如，在斜井中，至少一个臂组件的第一轮18或第二轮19中的一个将接触井筒的底侧(井筒的在井筒中心线下方的一侧)，其中对中器在其自身重量和井筒的低侧的工具串的重量作用下“静止不动”。(一个或多个)弹簧17将第一支承构件8和第二支承构件9偏置在一起以径向向外偏置臂组件，使得第一轮18和第二轮19中的另一个接触井筒的相对的高侧。在第一轮和第二轮接触井筒的相对两侧的情况下，对中器和工具串必须位于井筒的中心。无论井筒偏斜(从竖直高度偏斜到水平)如何，(一个或多个)弹簧都径向向外偏置臂组件，使得由于摇臂对称性，臂组件(优选臂组件的轮)接触井筒的相对两侧，以使对中器和工具串在井筒中直接对中。

此外，对中器可以“桥接式横跨”大直径井筒区段，同时继续使传感器对中。例如，图7示出了对中器1穿过呈现扩大的井筒区段的套管接头。对中器在臂组件的第三臂7的每一端处或附近具有两组轴向间隔开的径向末端，这些径向末端由轮提供。一组轮14-1保持与直径扩大区段外侧的井筒壁接触以继续使传感器组件对中，而另一组轮14-2穿过直径扩大区段。随着对中器横穿井筒的直径扩大区段，这种布置实现了平滑通过。

在所示实施例中，第一枢转轴线11a和第三枢转轴线13a位于与装置的纵向轴线重合的平面P1的第一侧上，并且第二枢转轴线12a和第四枢转轴线14a位于平面P1的相对的第二侧上。在替代实施例中，第一臂5和第二臂6可横跨对中器的纵向轴线4延伸，其中第一枢转轴线11a和第四枢转轴线14a位于与装置的纵向轴线重合的平面P1的第一侧上，并且第二枢转轴线12a与第三枢转轴线13a位于平面P1的相对的第二侧上。在又一替代实施例中，第一臂5和第二臂6中的一个可横跨纵向轴线延伸。例如，第一枢转轴线11a、第二枢转轴线12a和第三枢转轴线13a可位于与装置的纵向轴线重合的平面P1的第一侧上，并且第四枢转轴线14a位于平面P1的相对的第二侧上，然而这种布置不是优选的。优选地，第一枢转轴线和第三枢转轴线在平面P1的一侧上，第二轴线和第四轴线在平面的另一侧上，如图所示。

所示实施例的枢转点的相对位置由图2H至2L的剖视图进一步突出。如图2E和2F所示，臂组件3被标记为臂组件3A、3B和3C。关于臂组件3A，第一枢转接头、第二枢转接头、第三枢转接头、第四枢转接头和第五枢转接头在图2H至2L中被标记为3A-11、3A-12、3A-13、3A-14和3A-15，这些枢转接头分别具有标记为3A-11a、3A-12a、3A-13a、3A-14a和3A-15a的枢转轴线。如图所示，第一枢转接头3A-11和相应的轴线3a-11a以及第三枢转接头3A-13和相应的轴线3A-13a位于与纵向轴线4重合的平面P1的第一侧上。第二枢转接头3A-12和相应的轴线3A-12a，以及第四枢转接头3A-14和相应的轴线3A-14a位于与纵向轴线4重合的平面P1的相对的第二侧上。第五枢转接头3A-15及其相应的枢转轴线3A-15a与平面P1和纵向轴线4重合。第一枢转轴线、第二枢转轴线、第三枢转轴线、第四枢转轴线和第五枢转轴线与对中器1的纵向轴线平行且正交。第一枢转接头3A-11和第二枢转接头3A-12围绕装置的纵向轴线周向间隔开(在方位角上错位)。第一枢转接头和第二枢转接头围绕装置的纵向轴线周向间隔开(在方位角上错位)180度。进一步地，第一枢转接头、第二枢转接头、第三枢转接头和第四枢转接头在与对中器的纵向轴线重合的第二平面P2上对准。平面P2正交于平面P1。优选地，如图所示，第一滚轮18和第二滚轮19还在平面P2上与第一枢转接头、第二枢转接头、第三枢转接头和第四枢转接头侧向对准。第五枢转接头从第二平面P2侧向偏移，例如偏移距离D，如图2J中最佳所见。第三臂7围绕心轴16延伸到平面P1的任一侧，以将第三枢转接头3A-13和第四枢转接头3A-14定位在平面P2上。

支承构件8、9、10中的一个或多个可以键接到心轴，以将(一个或多个)支承构件旋转地固定到心轴，使得支承构件在心轴上轴向移动，而支承构件和心轴之间没有相对旋转。例如，心轴和支承构件中的一个可以包括纵向“轨道”或凸起，以与心轴和支承构件中的另一个的相应纵向通道或狭槽接合。例如，在图8中，心轴16包括纵向“轨道”或凸起23，以接合相应的支承构件8、9、10中的相应纵向通道或狭槽。本领域的技术人员将理解，(一个或多个)支承构件8、9、10和心轴16之间的键接布置23、24的阳型/阴型方面可以相反，即支承构件8、9、10可以包括纵向“轨道”或凸起17，以接合心轴16中的相应纵向通道或狭槽。键接布置23、24确保枢转接头11、12、13和14以及轮18、19在与对中器的纵向轴线重合的平面(例如图2H至2H中的平面P2)上保持对准。

枢转接头11、12、13、14以及轮18、19在平面P2上的侧向对准减少了枢转接头上的机械应力，例如通过减少接头11、12、13、14和15上的弯矩和推力载荷。

如图2A和2B中最佳所示，臂组件3布置成使得臂组件3的第一枢转接头11和枢转轴线线11a轴向对准。即，所有臂组件3的第一枢转接头11和轴线11a在横向平面(正交于纵向轴线4的平面，例如，在图2A中延伸穿过线E-E的第一平面)上对准。类似地，第二枢转接头12和轴线12a在横向平面中对准(例如，在图2A中延伸穿过线A-A的第二平面)。优选地，第三枢转接头13和轴线13a在横向平面(例如，在图2A中延伸穿过D-D线的第三平面)中对准，第四枢转接头14和轴线14a在横向平面(例如，在图2A中延伸穿过线B-B的第四平面)中对准，并且第五枢转接头15和轴线15a在横向平面(例如，在图2A中延伸穿过线C-C的第五平面)中对准。

在第一枢转接头和第二枢转接头和它们各自的轴线的轴向对准的情况下，臂组件3围绕心轴周向嵌套在一起，或者换言之，臂组件3围绕心轴16缠结在一起，很像多头螺纹中的螺纹缠结在一起。相比臂组件3对沿着对中器的轴向间隔开的情况下，这种布置实现了长度减小的对中器。

参考图9A至9F，在一些实施例中，臂组件的形状或轮廓可以设计成保护臂组件的轮18、19和/或减少对中器被卡在或挂在井筒限制部上的可能性。在所示实施例中，每个臂组件3的第一臂5和第二臂6的形状或轮廓设计成与井筒限制部接触。随着对中器横穿过井筒限制部，第一臂5或第二臂6之间的接触迫使臂组件径向向内，使得当轮18、19到达直径减小区段时，与每个轮的接触发生在轮的旋转轴线的径向外侧。在轮的径向轴线外侧与井筒直径减小部分的接触导致施加到轮的力，该力作用为迫使臂进一步径向向内以允许对中器经过井筒限制部并进入减小的井筒区段。在轮的旋转轴线径向内侧发生的井筒直径阶梯式下降的情况下与轮接触会导致施加到轮的力，该力作用为迫使臂组件径向向外，从而导致对中器和工具串被卡在或挂在井筒限制部上。因此，成形的或轮廓化的臂改善了对中器和工具串越过井筒直径变化的可能性。

每个臂5、6的轮廓或形状设计成使得臂5、6具有位于轮18、19与相应的第一枢转轴线或第二枢转轴线之间的径向最外延伸部。至少当臂组件3处于最大径向向外位置时，径向最外延伸部相对于对中器的纵向轴线在轮18、19的旋转轴线的径向外侧。

例如，参考图9F，在所示的实施例中，第一臂5的轮廓或形状设计成使得臂5的径向最外延伸部R(相对于对中器的纵向轴线4的径向)位于轮18和第一枢转轴线11a之间。至少当臂组件3处于最大径向向外位置时，径向最外延伸部R相对于对中器的纵向轴线在轮18的旋转轴线13a的径向外侧。由于臂的径向最外延伸部在轮和第一枢转轴线之间，所以臂5在轮18之前接触井筒限制部，以确保轮在轮旋转轴线的径向外侧接触井筒限制部。这确保了通过与井筒壁接触而施加到轮上的力直接作用以迫使臂组件径向向内。

在优选实施例中，臂5可以成形为或构造成使得臂5的径向外部延伸部R确保轮18以至少20度的初始接触角度接触井筒的减小直径。参考图9F，接触角度是延伸通过轮轴线和轮周界上的接触点26的线与对中器的纵向轴线4之间的角度D。优选地，轮初始接触角度至少为20度，并且更优选地至少为45度。

优选地，臂5、6的前缘或表面(图9F中的25)呈现与纵向轴线成一定角度倾斜的斜坡表面。如图9C和9E所示，斜坡表面接触井筒限制部，从而导致臂组件3被迫径向向内，同时引导对中器经过井筒限制部，直到臂的最外径向延伸部R接触井筒限制部。在一些实施例中，沿着斜坡表面延伸的线与轮的外径相切，或者该线延伸到轮的外径之外，如图9B所示。臂5、6的形状或轮廓设计成使得臂的前缘或表面与纵向轴线之间的角度大于延伸穿过第一枢转轴线和第三枢转轴线的线与第一臂5的纵向轴线之间的角度(参见图9B)或延伸穿过第二枢转轴线和第四枢转轴线的线与第二臂6的纵向轴线之间的角度。

参考图9A至9F描述的臂提供了在对中器中使用的较大直径的轮，由此较大直径的轮受到臂的保护。与较小直径的轮相比，较大直径的轮减少了对井筒壁的摩擦。对中器的轮的直径优选地至少为30mm，或至少为40mm。现有技术的对中器通常具有20-25mm直径的轮。

本领域的技术人员将理解，只有第一臂或第二臂可以如所描述的那样轮廓化或成形，在这种情况下，对中器将在井筒中具有优选的定向(具有轮廓化或成形的臂的底部或向下端)。第三臂7的一端或两端的形状或轮廓也可以设计成保护每个臂组件的“后轮”，即每个臂组件3中的轮19，其在第一轮18已经进入井筒的减小区段之后接触井筒的相对侧。本领域的技术人员还将理解，形状或轮廓设计成保护轮的臂可用于任何杠杆臂式对中器，包括在每个臂组件或联动件中仅包括两个臂的对中器。

参考图10，在一些实施例中，对中器1具有机械止挡件31以设定对中器的最大外径。由轮14提供的对中器的径向末端一起呈现对中器的外径。即，径向末端位于基本上圆形的曲线上，其中，圆形曲线的直径代表对中器的外径。弹簧将轮径向向外偏置到装置的未加载外径处的径向最外未加载位置。机械止挡件将最大外径设定为小于未加载外径，使得一个或多个弹簧被预加载以在处于预设最大外径时向轮提供径向力。弹簧17被预加载以向轮14提供径向力，其中轮处于设定的最大直径，使得对中器随着传感器组件沿着筒横穿以预设的最大直径支承传感器组件。优选地，在使用中，最大外径设定为等于、或略大于、或略小于预期的井筒直径。将对中器的最大外径设置为略小于或略大于或等于井筒直径，允许对中器更容易插入井筒中。在对中器弹簧17提供足够的力来支承工具串的重量并且对中器的最大直径显著大于井筒的直径的情况下，可能难以将对中器1插入到井筒中。

在一些实施例中，对中器具有可调节的机械止挡机构30以允许对中器的最大直径被预设在外径范围内以对应于预期的井筒直径。在图10所示的实施例中，可调节的止挡机构30包括止挡部件31，该止挡部件构造成可调节至相对于框架16的设定位置。在设定位置中，止挡部件31和对应的支承构件8、9之间的接合防止支承构件8、9朝向轮14轴向移动，从而设定对中器的最大外径。在所示的实施例中，止挡部件31是螺栓。螺栓的柄延伸穿过支承构件8、9中的孔并且螺栓的螺纹与固定到对中器的框架16的匹配螺纹构件32的螺纹接合。螺栓31的头部33承靠在支承构件8、9上以限制支承构件朝向轮14的移动。螺栓相对于螺纹构件32的旋转调节了对中器的最大外径。可以提供锁定机构以将止挡部件31锁定在设定位置。在所示实施例中，锁定机构是螺母34，其被接纳在螺栓31上，以紧靠配合螺纹构件32的端部。支承构件8、9自由地轴向移动远离轮14，在螺栓的柄上滑动并允许对中器直径抵抗弹簧17的力而减小。替代地，间隔件可以附连到支承构件8、9和机械止挡件20之间的中心心轴16，以防止支承构件8，9朝向轮14移动，从而设定轮的最大直径。具有不同长度的间隔件可以用于设定不同的最大对中器直径。新西兰专利申请768524中描述了用于预设对中器最大外径的其它可调节止挡机构，其全部内容以参见的方式纳入本文。

在所示实施例中，第一枢转接头11和第二枢转接头12定位在对中器的中心心轴16的外径的径向外侧。第一枢转轴线11a和第二枢转轴线12a不与心轴16相交。第三枢转接头13和第四枢转接头14也位于心轴的外径的径向外侧，以用于臂组件的全部径向运动范围，即，即使在臂组件处于径向最内侧位置时，第三枢转接头和第四枢转接头也在心轴的外径的外侧。即使在径向最内侧的位置，第三枢转接头和第四枢转接头也不与心轴16相交。这是优选的布置，用于将枢转轴线定位在心轴的外径(OD)的内侧的其它布置也是可能的。

每个联动件或臂组件3在轴向位移和径向位移之间提供机械优势(机械杠杆力)以结合轴向弹簧元件13向井筒壁102a提供径向力。由于支承构件8、9、10由多个臂组件3链接，因此每个臂组件的位移与支承构件的轴向位移相等，从而使对中器和工具串在井筒内对中。

机械优势随着臂组件3的轴向和径向位置而变化。臂组件3的机械优势可表示为Fr/Fa，其中Fa是(一个或多个)轴向弹簧元件17在臂组件上提供的轴向力，而Fr是施加到井筒壁102a的所得径向力。随着机械优势的增加，从轴向弹簧力转移到井筒壁上的径向力也在增加。机械优势取决于每个臂与装置的中心线之间的角度(例如图2A和2B中的第三臂7与纵向轴线之间的角度A)，并且随着角度A增加而增加。类似地，第一臂5和第二臂6与装置的中心线之间的角度B和C有助于机械优势。因此，臂组件3的机械优势随着井筒直径的增加而增加。与机械优势相平衡，(一个或多个)弹簧17提供的力随着井筒直径的增大而减小，因为支承构件8、9轴向滑动，以使弹簧减压。反之，随着井筒直径的减小，机械优势减小，并且随着弹簧被滑动的支承构件进一步压缩，轴向的弹簧力增加。

应理解的是，将臂与中心轴线之间的角度限定为延伸穿过臂的相应两端的枢转轴线的线与纵向轴线之间的角度。例如，第三臂7与纵向轴线4之间的角度A是延伸穿过第三枢转轴线13a和第四枢转轴线14a的线与纵向轴线4之间的角度A。

优选地，对中器1在井筒直径范围上提供相对恒定的对中力。对中器1施加的径向力是由(一个或多个)弹簧17提供的轴向弹簧力和臂组件3的机械优势的产物。由于轴向力随着机械优势的减少而增加，因此通过优化弹簧刚度、弹簧预加载和机械臂组件的几何形状来平衡弹簧力和机械优势，对于一系列的井筒直径尺寸，能够实现相对恒定的径向力。图11示出了用于包括如本文所述的臂组件3的对中器的径向力，该对中器设计成在直径在3.5英寸和6.5英寸之间(直径范围为3英寸，其相当于对于从1.75英寸到3.25英寸的每个臂组件的1.5英寸的径向范围)变化的套管尺寸中操作。在这个直径范围内，径向力保持在约800至1300N(180至292磅力)的范围内。在图11中，对中力约为1050N±250N，对于将工具串101在井筒102中对中的实际功能而言，这被认为是相对恒定的。

为了实现抵靠井筒壁102a的相对恒定的径向力，臂组件3的第三臂7与装置1的中心轴线4之间的角度A应该优选地保持在一定范围内以避免非常大的角度和非常小的角度。在纵向轴线4与臂组件3的第三臂7之间的大角度(角度接近90度)下，小的轴向弹簧力将导致施加至井筒壁102a的高径向力。随着测井工具串穿过井筒，高径向力会导致更大的摩擦力。高摩擦力可能阻止工具串在重力作用下下降，并可能导致粘滑，此时工具以一系列突增而不是恒定的速度顺着井筒向上移动，从而影响所收集数据的准确性。当臂处于大角度时，需要更大的径向力来使对中器塌缩。这使得对中器难以下降到较小直径的套管中(例如，从9又5/8英寸套管到7英寸衬管)。对中器的臂甚至可能被井口控制组件卡住，该组件由一叠液压柱塞和阀组成，用于井口控制和安全(在井喷时关闭)。相反，在纵向轴线与臂组件3的第三臂7之间的小角度(角度接近0度)下，需要大的轴向弹簧力来提供足够的径向力以使工具串对中。

在小臂角度处，径向力可通过包括如上文参考图4A和4B所述的径向增强弹簧来增加。附加地或替代地，可变刚度弹簧可以轴向地施加到滑动支承构件8、9和/或径向地施加到每个臂组件，以在机械优势减小时，在臂组件的纵向轴线和臂之间的小角度处提供增加的弹簧力，以及在机械优势增加时，在臂组件的纵向轴线和臂之间的大角度处提供减小的弹簧力。例如，可变节距卷簧可以轴向地提供给滑动支承构件8、9，和/或径向地设置在臂5、6和心轴16之间，使得随着卷簧被压缩，弹簧刚度增加。可变节距弹簧如图12所示。可变刚度弹簧可以设计成使得可变弹簧刚度结合由臂组件提供的可变机械优势对于一定范围的井筒直径实现恒定径向力。然而，即使使用可变刚度弹簧，小角度下的对中也存在困难。在小角度下，井筒直径的大变化仅引起支承构件7、8的轴向位移的非常小的变化。因此，一个臂组件的偏转很难经由支承构件的轴向偏转传递到其它臂组件，并且臂并非一致地偏转。当发生这种情况时，装置不再用于使工具对中，臂彼此独立作用。部件之间需要极高的精度公差，以确保所有臂一致偏转以实现对中。在小臂角度下实现对中所需的机加工公差可能不切实际。

在一实施例中，臂组件构造成使得第三臂7与纵向轴线之间的角度A保持在约30度至60度的范围内。该角度优选地远大于10度且远小于75度。该角度优选地保持在20至70度的范围内，或者更优选地保持在25至65度的范围内。在所示实施例中，第一枢转轴线和第三枢转轴线之间的距离大于第三枢转轴线和第五枢转轴线之间的距离，并且第二枢转轴线和第四枢转轴线之间的距离大于第四枢转轴线和第五枢转轴线之间的距离，使得第一臂与纵向轴线之间的角度B和第二臂与纵向轴线之间的角度C小于第三臂与纵向轴线之间的角度A。然而，角度B和C可以与角度A相同或大于角度A。优选地，角度B和角度C小于角度A以使对中器能够从较大直径的筒横穿到较小直径的筒。

如上文参考图8所述，在一些实施例中，支承构件8、9、10中的一个或多个可键接到心轴16以将(一个或多个)支承构件旋转地固定到心轴。图13A示出了对中器的另一实施例，其中第一支承构件8和第二支承构件9键接到心轴16以将支承构件旋转地固定到心轴。对中器的心轴16通常会是空心的，以容纳布线，并且井筒中的外部井筒压力可能非常高，例如30，000psi(磅力/平方英寸)。心轴上的键槽凹槽将会造成心轴16的“应力上升”(局部应力增加)，这可能导致心轴在压力下塌缩。为了减少心轴中增加的应力，可以给支承构件8、9、10提供键槽，而在心轴上具有如图8的实施例中的对应的键或轨道。然而，键槽的必要径向高度可能难以在支承构件8、9、10中得到满足，并且/或者心轴上的键的径向高度需要在心轴的制造中对材料进行大量的额外机加工。为了解决这些问题，在一些实施例中并且如图13A所示，支承构件与心轴的键接是通过具有多个切面(平坦表面)的心轴提供的，这些切面围绕心轴的外表面间隔开。每个切面至少延伸有心轴长度的一部分，第一支承构件和/或第二支承构件在心轴上移动。支承构件8、9具有围绕支承构件的内表面的对应的多个间隔开的切面，以使支承构件旋转地键接至心轴，从而防止旋转，并允许支承构件在心轴上滑动或轴向移动。每个切面可以与在心轴/装置的中心纵向轴线上居中的圆弧相切。

为心轴提供多切面的表面避免了心轴上的键槽引起的应力上升，并且在支承构件上容纳键槽所需的径向高度更小。

在图13A所示的实施例中，切面布置成给心轴16提供多边形的外表面，而支承构件8、9具有对应的多边形内表面，以将支承构件旋转地键接至心轴，从而防止旋转并允许支承构件在心轴上滑动或轴向移动。图13B示出了心轴16的切面和多边形外表面以及第一支承构件8和第二支承构件9中的一个的对应多边形内表面。在图13A的实施例中，多边形是六边形，然而本领域的技术人员将理解，其它多边形也是可能的，其切面数多于或少于六面。可以设想，心轴和(一个或多个)支承构件可具有至少两个切面(例如在直径上相对)，以将心轴和(一个或多个)支承构件键接在一起。然而，在优选的实施例中，心轴的外表面具有与第一支承构件或第二支承构件处的相邻第一枢转接头11或第二枢转接头12在方位角上对准的切面。替代地或附加地，心轴16可具有在相邻的第一枢转接头11或第二枢转接头12之间延伸的切面，使得切面的数量等于臂组件3的数量或臂组件3数量的两倍。例如，在图示的包括三个臂的实施例中，心轴包括六个切面，或与每个滑动支承构件8、9相关联的六边形外部形状。例如，包括四个臂组件的对中器可以具有外表面为八边形的心轴，并且其中第一支承构件、第二支承构件和/或第三支承构件具有对应的八边形内表面。

在图8的实施例中，第一支承构件、第二支承构件和第三支承构件键接到心轴。然而，在图13A的实施例中，第一支承构件和第二支承构件键接到心轴并且第三支承构件旋转地未键接(没有键接)到心轴。心轴具有对应于第一支承构件8的第一部分16A、对应于第二支承构件9的第二部分16B和对应于第三支承构件10的第三部分16C。心轴的第一部分和第二部分中的每一个包括多个切面以将相应的支承构件键接到心轴。第三部分16C是没有切面的圆柱形。尽管第三支承构件未键接到心轴，但第一支承构件和/或第二支承构件的键接基本上保持第三支承构件在心轴上的相对旋转位置。在所示实施例中，第一枢转接头11和第二枢转接头12的第一枢转轴线和第二枢转轴线平行于相邻的切面。

本领域的技术人员将理解，心轴的第三部分16C也可以包括待切面的外表面以将第三支承构件键接在心轴中。在这样的实施例中，第三部分16C中的切面可以从第一部分16A和第二部分16B中的切面旋转地偏移，使得第一枢转接头11和第二枢转接头12的第一枢转轴线和第二枢转轴线平行于相邻的切面，并且第五枢转接头15的第五枢转轴线正交于相邻的切面。心轴的第三部分16C的切面可以从第一部分16A和第二部分16B的切面旋转偏移出心轴部分16A、16B、16C的多边形形状的内角的一半。例如，在包括三个臂组件的实施例中，心轴的第三部分16C的切面可以从心轴的第一部分16A和第二部分16B的切面旋转偏移30度，第一心轴部分、第二心轴部分和第三心轴部分具有六边形形状，因此内角为60度。

在所示的实施例中，心轴的位于第一支承构件8和第三支承构件10之间的一部分以及心轴的位于第二支承构件9和第三支承构件10之间的一部分各自具有比心轴的带切面的部分更大的外部截面，以提供机械止挡件，从而为对中器设定最大直径。每个止挡件限制相应的第一支承构件8和第二支承构件9的轴向移动，以限制臂组件的径向向外移动。

心轴和(一个或多个)支承构件的(一个或多个)带切面的表面实现了(一个或多个)支承构件与心轴的键接，同时更加坚固，并且还在制造心轴期间需要从毛坯材料中机加工更少的材料。

本领域的技术人员将了解，具有多边形外表面的心轴具有横截面，该横截面具有恒定的多边形外部形状，其延伸有心轴的至少一部分长度。同样，具有多边形内表面的支承构件也具有横截面，该横截面具有恒定的多边形内部形状，其延伸有支承构件的一定长度。

根据本发明的一个方面，如上所述的对中器提供了以下的一个或多个益处。各自包括第三臂7(摇臂)的臂组件3确保了通过第三臂7横跨井筒延伸使得每个臂组件(优选地每个臂组件的轮)接触井筒的相对的侧部，使对中器和工具串在井筒中直接对中。对中器还可以“桥接式横跨”大直径井筒区段，同时继续使传感器对中。对中器可以构造成为相对较大范围的井筒直径实现相对恒定的径向力。枢转接头的构造允许对中器提供径向对中力，该对中力不高到导致在期望井筒范围内的较小直径的筒中产生过多的摩擦力，但又能提供足够的径向力以在较大直径的筒中居中地保持对中器和相关工具串。通过平衡实际的机械优势和轴向弹簧力，允许使对中器即使在偏斜的井筒中也能使工具串对中，因为在偏斜的井筒中，工具串和对中器的重量抵抗由对中器提供的对中径向力产生作用。此外，对中器是无源装置，其仅由机械弹簧部件17提供赋能。不需要其它的动力输入，例如由位于服务区的动力单元提供的电力或液压动力。因此，本发明提供了成本较低、有效和简化的装置，该装置提供了更好的操作可靠性和测井数据的准确性。

已经关于在电缆测井操作期间使工具串在井筒中对中描述了本发明。然而，根据本发明的对中装置可用于在其它应用中使传感器组件在筒中对中，例如，为检查目的使照相机在管道中对中。

尽管已经借助于示例并参照其可能实施方式描述了本发明，但应理解，可对其进行更改或改进而不偏离所附权利要求书的精神或范围。

Claims (23)

1.一种用于将传感器组件在筒中对中的装置，所述装置包括：

第一支承构件和第二支承构件，所述第一支承构件和所述第二支承构件沿着所述装置的纵向轴线轴向间隔开；

多个臂组件，所述多个臂组件连接在所述第一支承构件和所述第二支承构件之间，每个臂组件包括：

第一臂，所述第一臂通过具有第一枢转轴线的第一枢转接头枢转地连接到所述第一支承构件，

第二臂，所述第二臂通过具有第二枢转轴线的第二枢转接头枢转地连接到所述第二支承构件，

第三臂，所述第三臂连接在所述第一臂和所述第二臂之间，所述第三臂通过具有第三枢转轴线的第三枢转接头枢转地连接到所述第一臂，并且所述第三臂通过具有第四枢转轴线的第四枢转接头枢转地连接到所述第二臂，以及

第三支承构件，所述第三支承构件轴向地定位在所述第一支承构件和所述第二支承构件之间，所述第三臂通过第五枢转接头枢转地连接到所述第三支承构件，所述第五枢转接头具有与所述纵向轴线交合并正交的第五枢转轴线；

其中，所述第三臂在所述第三枢转轴线和所述第四枢转轴线之间延伸穿过与所述装置的所述纵向轴线重合的平面，使得在使用中每个臂组件接触所述筒的相对的侧部，以使所述传感器组件在所述筒中对中。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第三枢转轴线位于与所述装置的所述纵向轴线重合的所述平面的第一侧上，并且所述第四枢转轴线位于所述平面的相对的第二侧上。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述第一枢转轴线位于所述平面的第一侧上，而所述第二枢转轴线位于所述平面的相对的第二侧上。

4.如权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，所述第一支承构件和所述第二支承构件中的一个或两个适于沿着所述纵向轴线轴向移动，以允许所述臂组件相对于所述纵向轴线径向延伸和缩回。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述第三支承构件适于沿着所述纵向轴线轴向移动。

6.如权利要求1至5中任一项所述的装置，其特征在于，所述第五枢转接头和所述第五枢转轴线位于所述第三枢转轴线和所述第四枢转轴线之间的中间。

7.如权利要求1至6中任一项所述的装置，其特征在于，所述第一枢转轴线和所述第三枢转轴线之间的距离大于所述第三枢转轴线和所述第五枢转轴线之间的距离，并且所述第二枢转轴线和所述第四枢转轴线之间的距离大于所述第四枢转轴线和所述第五枢转轴线之间的距离。

8.如权利要求1至7中任一项所述的装置，其特征在于，每个臂组件关于第五枢转点旋转对称。

9.如权利要求1至8中任一项所述的装置，其特征在于，所述第三臂关于所述第五枢转轴线旋转对称。

10.如权利要求1至9中任一项所述的装置，其特征在于，每个臂组件包括第一滚轮或第一轮以在与所述装置的所述纵向轴线重合的平面的第一侧上接触筒壁，以及第二滚轮或第二轮以在所述平面的相对的第二侧上接触所述筒壁。

11.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述第五枢转接头和第五枢转轴线位于所述第一滚轮或第一轮与所述第二滚轮或第二轮之间的中间。

12.如权利要求10或11所述的装置，其特征在于，所述第一滚轮或第一轮以及所述第二滚轮或第二轮在所述第三枢转轴线和所述第四枢转轴线处或附近、在垂直于所述装置的所述纵向轴线的旋转轴线上旋转地联接到相应的所述第一臂和所述第二臂。

13.如权利要求1至12中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置包括一个或多个弹簧元件以径向向外偏置所述臂组件，使得每个臂组件在与所述装置的所述纵向轴线重合的平面的第一侧上和所述平面的相对的第二侧上接触筒壁。

14.如权利要求13所述的装置，其特征在于，所述一个或多个弹簧元件作用在所述第一支承构件和/或所述第二支承构件上，以将所述第一支承构件和所述第二支承构件轴向地偏置在一起并且径向向外偏置所述臂组件。

15.如权利要求13或14所述的装置，其特征在于，所述一个或多个弹簧元件一起构造成在延伸通过所述第三枢转轴线和所述第四枢转轴线的线与所述纵向轴线之间具有角度(A)，使得所述臂组件各自为一定范围的井筒直径提供基本上恒定的径向力。

16.如权利要求13至15中任一项所述的装置，其特征在于，对中器是无源装置，其中所述臂组件径向向外的赋能仅由所述装置的所述一个或多个弹簧元件提供。

17.如权利要求13至16中任一项所述的装置，其特征在于

所述臂组件的径向末端一起呈现所述装置的外径，以及

其中，所述装置包括可调节的机械止挡机构，以将所述装置的最大外径设定在最大外径范围内，使得所述装置能够构造成用于预定范围的井筒直径，以及

所述一个或多个弹簧元件被预加载以径向向外偏置所述臂组件，使得当所述径向末端处于设定的最大直径时，所述装置支承所述传感器组件。

18.如权利要求1至17中任一项所述的装置，其特征在于，心轴包括围绕所述心轴的外表面间隔开的多个切面，并且所述第一支承构件和/或所述第二支承构件各自具有围绕支承构件的内表面间隔开的对应的多个切面，以将所述第一支承构件和/或所述第二支承构件旋转地键接到所述心轴。

19.如权利要求18所述的装置，其特征在于，所述多个切面布置成使得所述心轴具有多边形外表面，并且所述第一支承构件和/或所述第二支承构件具有对应的多边形内表面。

20.如权利要求18或19所述的装置，其特征在于，所述第三支承构件旋转地未键接到所述心轴。

21.如权利要求20所述的装置，其特征在于：

所述心轴具有对应于所述第一支承构件的第一部分、对应于所述第二支承构件的第二部分和对应于所述第三支承构件的第三部分，以及

所述心轴的所述第一部分和/或所述第二部分包括所述多个切面，以及

所述心轴的所述第三部分没有多个切面或者是圆柱形的。

22.如权利要求1至21中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置适用于在电缆测井操作期间使电缆测井工具串在井筒中对中。

23.一种电缆测井工具串，包括一个或多个细长传感器组件和一个或多个如权利要求1至20中任一项所述的装置，用于在电缆测井操作期间将所述电缆测井工具串在井筒中对中。

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