CN1619098A - 井下钻具传感器系统及用法 - Google Patents

Abstract

提供一种可用来确定井下工具上作用力的方法。该井下工具设有可操作地连接到钻孔工具上的钻铤和装在钻铤周围的传感器。该传感器适宜测量钻铤的变形，从而可确定钻孔工具上的作用力。该传感器可以是力测量系统、应变规或钻用震击器系统的一个部件。钻铤适宜放大及/或隔离施加在钻杆组上的变形。

Description

井下钻具传感器系统及用法

相关申请的相互参照

根据美国法典35§119，本申请要求享有对2003.11.20提交申请的题为“井下钻具传感器系统及用法”的美国临时申请No.60/523,653拥有优先权。该临时申请在这里被整体参考引用。

技术领域

本发明涉及地下岩层的井下钻孔。尤其涉及钻孔作业时钻孔工具上所受井下力的确定。

背景技术

图1示出用来在地层103内钻孔102的钻井装置101。从该装置101向下延伸为钻杆组104，在其底部设有钻头105。钻杆组在钻头105之上还设有钻孔时的测量(“MWD”)工具106和钻铤107。

在钻孔时钻头和相关传感器和位在孔底附近的设备构成底孔组合件(“BHA”)。图2示出位在钻孔102底部的BHA 200。钻头105设在钻杆组104的端头上。在钻杆组104上有一MWD工具106设在钻杆组104邻近和一钻铤107位在MWD工具106邻近。图2还示出设在钻孔工具周围的传感器202用来作出各种井下测量。

油井和气井的钻孔牵涉到要小心地操纵钻孔工具使它沿着所需的路径钻孔。而在确定并分析作用在钻孔工具上的力以后就可作出决定使钻孔过程容易进行及/或得到改进。这些力还可使钻机操作工优化钻孔条件，这样钻孔便可更经济地被钻出。确定钻头上的力之所以重要是因为它能使操作工例如检测出钻孔问题的端爪并在系统的任何部分如钻头或钻杆组失效之前改正不适合的状态。通过测量这些井下的力能够检测出来的某些问题例如可包括马达停转、粘管、和构成BHA趋向。在发生粘管的情况下，可能需要在井孔内降下一个钓钩工具以便去除粘管。为了松开粘住在钻孔内的BHA，曾经研发过带有工具如钻用震击器的技术。这种钻用震出器的一侧曾在美国专利5,033,557号中描述过，该专利委托本发明的受委托人代理。

作用在钻孔工具上而能影响钻孔作业及其达到位置的力例如可包括钻头上的重量(“WOB”)和钻头上的扭矩(“TOB”)。WOB说明的是钻头施加在钻孔底部上的向下的力。TOB说明的是施加在钻头上使它在钻孔内旋转的扭矩。在钻孔时弯曲是一个重要的问题，要考虑钻杆组的弯曲式施加在钻杆组及/或钻铤上的弯曲。弯曲可由WOB、TOB、或其他井下的力造成。

曾经研发出在地面上测量WOB或TOB的技术。一种这样的技术使用应变规来测量靠近钻头的钻杆组上的力。应变规是一个小的电阻器件，它被连结到一个要被测量变形的材料上。应变规被这样连结使它能随着它所连结的材料变形。应变规在变形时其电阻随着改变。将一电流施加到应变规上并测量越过该规所需的不同电压，就可测出应变规的电阻，从而可测出其变形。

使用应变规技术的一例在授予Das等人的美国专利5,386,724号(“Das专利”)中曾有说明，该专利被指定由本发明的受委托人代理。Das专利所公开的为一由带台阶的圆筒构成的载荷传感器。应变规位在载荷传感器上，而载荷传感器位在钻杆组内的径向口袋内。当钻杆组由于井下力而变形时，载荷传感器也被变形。载荷传感器上的应变规能测出载荷传感器的变形，该值与钻铤的变形有关。如同Das专利所说，载荷传感器可被嵌入到钻铤内使载荷传感器随同钻铤变形。

图3A和3B示出Das专利所公开的载荷传感器300。如图3A所示的载荷传感器300具有八个位在一环形表面301上的应变规，包括四个重量应变规311、312、313和314，及四个扭矩应变规321、322、323和324。重量应变规311-314分别沿着垂直和水平轴线设置，扭矩应变规321-324则设在各个重要应变规311-314之间。图3B示出设在钻铤331内的载荷传感器300。当钻铤由于井下力而被变形时，设在钻铤内的载荷传感器也被变形，以致该变形能用应变规测出。

载荷传感器及/或应变规的其他例子可在美国专利US 5,386,724和未决的美国专利10/064,438中找到，这两个专利都被指定由本发明的被委托人代理。载荷传感器通常可由具有极小残余应力而较适合用于应变规测量的材料构成。有许多这样的材料，例如可包括INCONELX-750、INCONEL 718或其他本行业行家所知的材料。

尽管应变规有不少进步，仍旧需要有人提供能在严峻的井下钻孔条件下作出准确测量的技术。传统的传感器通常容易环绕钻铤轴线弯曲。另外，传统的传感器通常对温度波动敏感，温度波动通常在井孔内可以遇到如在传感器所在整个钻链壁上的梯度和从野外温度开始的均匀的温度上升。

希望所提供的系统能够消除在钻头和地面之间产生而作用在钻杆组上的力的干预。还希望这种技术能将所接收到的变形放大以便容易测量及/或操纵。最好这种系统能够不管在钻孔环境内所受到的温度波动而以足够的准确度操作，并能消除静液压对测量读数的影响。提供本发明是为了需要研发这样的系统来提高在井孔干预、安装问题、及/或温度波动等情况下测量的可靠性。

也还需要有一个更为准确而可靠的载荷传感器，该器可不受井下工作条件的影响而具有长的工作寿命。

发明概述

本发明涉及一种井下钻孔工具用的力的测量系统。该系统设有一个用来放大钻铤机械变形的设施、和一个设在该设施上的变形感知元件。

在至少一个方面，本发明涉及一种通过钻杆组用来测量悬挂在井孔内的井下钻也工具上所受力的设备。该设备包括一个可操作地连接在钻杆组上的钻链，该钻链适宜将受力而造成的变形放大。而传感器适宜测出钻铤的变形，从而可确定作用在钻孔工具上的力。在各个方面，本发明都可涉及一个力的测量系统、一个应变规系统、和一个钻用震击器系统。

力的测量系统使用一对板和一个介电质，这对板相隔一个距离而将介电质放在其间。该系统可使用电容器、线性可变差动变压器、电阻抗、差动可变磁阻、涡流及/或电感传感器。

应变规系统使用定位在钻铤上的应变规。有一套筒定位在钻铤的周围。钻铤上可设有一个局部的贯穿切口使钻铤像弹簧那样作用或分成两个部分。套筒可被用来连接钻链的两个部分。或者，应变规可装在钻铤内侧的一个壳体上。

钻用震击器系统包括一个具有第一部和第二部和一个设在其间的弹性元件。在某些情况下，使用一个套筒来连接这两个部分并在其间形成一个空腔。而传感器适宜测量空腔内的压力变化。

在另一方面，本发明涉及一种确定作用在井下工具上的载荷的方法。该方法包括当将载荷施加在井下工具上时确定设在井下工具内的传感器的电性能，并根据钻铤在加载条件下和在松驰条件下传感器电性能的差异来确定载荷量。传感器的电性能会被改变因为载荷能使传感器的一个从第一元件和第二元件选出的相对位置及在它们之间的区域改变。该方法还可包括当井下工具处在加载条件下时确定其变形的数量，将测量结果从传感器传送到地面，由地面分析测量结果来确定作用在井下工具上的力及/或根据测量结果的分析作出钻孔的决定。

在另一方面，本发明还涉及一种井下传感器，可通过钻杆组测量悬挂在井孔中的井下钻孔工具所受的载荷。该传感器包括定位在井下工具上的第一和第二传感元件。它们被这样连结到井下工具上使当钻孔工具受到载荷时，一个从它们选出的相对位置及在它们之间的区域能被改变。

本发明的其他方面和优点在阅读下面的说明和所附的权利要求后当可明白。

附图简述

图1示出一个包括钻孔工具和底孔组合件的钻井系统的部分剖面。

图2示出图1中的底孔组合件。

图3A示出一个现有技术的载荷传感器的平面图。

图3B示出定位在一钻铤内的、图3A中的现有技术载荷传感器的平面图。

图4A示出一个可被用来测量WOB的井下传感器系统的概略的纵向剖面。

图4B示出有一力施加在其上的、图4A中的井下传感器系统。

图5A示出另一个可被用来测量TOB的井下传感器系统的概略视图。

图5B示出图5A中井下传感器系统的径向剖面。

图5C示出有一力施加在其上的、图5A中的井下传感器系统。

图6A示出用来测量轴向弯曲的另一个井下传感器系统的纵向剖面。

图6B示出有一力施加在其上的、图6A中的井下传感器系统。

图6C示出用来测量TOB的另一个井下传感器系统的径向剖面。

图7A示出用来测量径向弯曲的另一个井下传感器的纵向剖面。

图7B示出有一力施加在其上的、图7A中的井下传感器系统。

图7C示出具有装在钻铤上的介电板支承平台的、用来测量径向弯曲的、另一个井下传感器系统的纵向剖面。

图7D示出有一力施加在其上的、图7C中的井下传感器系统。

图8A示出使用平行于力轴的板、用来测量WOB的另一个井下传感器系统的纵向剖面。

图8B示出有一力施加在其上的井下传感器系统。

图9A示出具有互相反向移动的，导电板、用来测量TOB的、另一个井下传感器系统的纵向剖面。

图9B示出有一力施加在其上的、图9A中井下传感器系统的纵向剖面。

图10A示出具有互相相对旋转的导电板、用来测量弯曲的另一个井下传感器系统的纵向剖面。

图10B示出有力施加其上时图10A中的井下传感器系统。

图11A示出使用具有螺旋切口的应变规系统的、另一个井下传感器系统的切开的透视图。

图11B示出图11A中井下传感器系统的透视图。

图11C为图11A中井下传感器系统的剖面。

图11D为图11A中井下传感器系统的纵向剖面。

图12A为使用具有中心元件的应变规系统的另一个井下传感器系统的透视图。

图12B示出图12A中井下传感器系统一部分的剖面。

图12C为使用具有载荷传感器的应变规系统的另一个井下传感器系统的透视图。

图12D示出图12C中井下传感器系统的纵向剖面。

图13A为使用钻用震击器系统的另一个井下传感器系统的透视图。

图13B示出图13A中井下传感器系统一部分的剖视图。

图13C示出图13A中井下传感器系统的纵向剖面。

图14A为使用具有流体式的钻用震击器系统的另一个井下传感器系统的透视图。

图14B示出图14A中井下传感器系统一部分的剖面。

图14C示出图14A中井下传感器系统的一个局部的纵向剖面。

图15为一流程图，画出作用在钻孔工具上的力的井下测量方法。

图16A示出使用LVDT的另一个井下传感器系统的纵向剖面。

图16B示出图16A中井下传感器系统的径向剖面。

图17示出使用具有一个线圈和一个铁芯的LVDT的另一个井下传感器系统的径向剖面。

图18A示出定位在钻铤毂盘内的另一个井下传感器系统的径向剖面。

图18B示出图18A中井下传感器系统的纵向剖面。

图18C示出有力作用在其上时图18B中的井下传感器系统。

图18D示出具有处在对准位置的电容器板的、图18A中的井下传感器系统。

图18E示出有力作用在其上时图18D中的井下传感器系统。

图19为一流程图，画出确定传感器电性能的方法。

图20示出用来确定热膨胀和压力效应的另一个井下传感器的径向剖面。

图21示出具有热镀层的井下工具的钻铤的径向剖面。

图22示出使用非电容性传感器的另一个井下传感器系统的纵向剖面。

详细说明

图1和2画出一个传统的钻井工具和井孔环境。如前所述，传统的钻井工具包括由钻架101悬挂下来的钻杆组104。该钻杆组由多个钻铤(有时称为钻管)用螺纹连接组成。每一钻铤都有贯穿的通道(未示出)以便从地面将钻孔用泥浆注入到钻头。某些这种钻铤如BHA(图2)及/或钻铤107设有电路、马达或其他系统以便完成井下作业。在本发明中，一个或多个这种钻铤可设有用来作出井下测量如WOB、TOB和弯曲的系统。另外一些与钻孔工具及/或井下环境有关的参数也可被确定。

力的传感系统：

图4A-14C和16A-18E涉及各种力的传感系统，它们被定位在一个或多个钻铤内用来确定钻孔工具上所受的力如WOB、TOB和弯曲。在每一个这些实施例中，该系统都是定位在钻铤的上面、里面或周围以便用来测量所需的参数。

图4A-10B画出具有互相面对的导电板的电容性系统的各种实施例。这些图的电容性系统被用来确定作用在钻孔工具上的力如WOB、TOB和弯曲。这些板的板面最好但并不总是互相平行并与加载方向垂直。

图4A-4B画出一个电容性系统400。该系统设在一个钻铤402内，可操作地连接到一个传统的钻杆组如104上，并可用于图1及/或2画出的传统的钻井环境，它被用来测量由WOB力作用在钻杆组上造成的变形。

电容性系统400包括两块面板404和一个介电质406。最好如图4A和4B所示，面板404和介电质406都被定位在通过钻链402延伸的通道408内。用来流通钻孔泥浆的通道408是由钻铤402的内表面412形成的。该内表面412上形成能够支承面板404和介电质406的平台407。如图4A和4B所示，面板404和介电质406与钻铤402上的WOB作用力定位在同一直线上。面板404可装在钻铤402内使它们互相平行，或在限定的距离L₄内互相面对。

在本文提供的某些实施例中，有各种面板被定位在钻铤内的各种支承上(在某些示出的例子中)。但支承的形状对本发明来说不受限制。

面板404最好由导电材料如钢或其他导电金属制成，它们最好被互相面对设置，中间隔开一个距离L₄。介电质406可以是任何传统的介电质并被定位在两块面板之间。面板404被这样定位使它们能够展示一个被称为电容的推导的物理性能。

电容是说一个由导电体和介电质组成的系统当有电位差存在时该系统存储电能的能力。在一简单的系统中，这个电容C取决于两个面的面积A，两个面之间的距离L，和两个面之间的材料的介电常数ε_r，情况如下：

$C=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_{r}A}{L}$ 等式1

其中ε₀为真空的介电常数。介电常数关系到一种材料的保持电场的能力。在典型的情况下，介电常数是恒定的或可预知的。这样，改变两个面的面积或两个面之间的距离就可改变电容。

将一可变电流施加到两个面中的一个上，并测量在两个面之间造成的电位差，也可测量出电容。这个方法的特征是通过系统的阻抗Z，而阻抗Z的定义如下：

$Z=\frac{L}{2\mathrm{\πf}{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_{r}A}=\frac{1}{2\mathrm{\πfC}}$ 等式2

其中f是可变的电流频率。现在，这个概念可被用来测量作用在钻杆组上的力。这个力使钻杆组变形。而这个变形可被转移并获得只要测量在钻杆组内两块导电板之间的可变电容即可。

这个电容系统可被用来确定作用在钻孔工具上的力如WOB、TOB和弯曲。变形通过一个变形载荷承受元件被转移到测量器件。变形元件的长度是通过改变两个面之间的距离或变化L得到的。

某些现有技术的传感器如在Das专利(美国专利5,386,724号，在背景一节中曾论述)中公开的载荷传感器使用应变规来测量钻铤受载荷后的变形。应变规随同钻铤变形，并且变形量可由应变规电阻的变化来确定。而本发明是使用其他电工原理和如电容、电感和电阻抗根据钻铤在承受载荷时所发生的变形量来确定作用在钻铤上的力。

本说明使用的语词“力”泛指所有可被施加到钻头或钻杆组上的载荷(例如力、压力、扭力和转矩)。例如使用语词“力”时不应被解释为不包括扭力或转矩。所有这些载荷都能引起能用本发明的一个或多个实施例测量的相应的变形。

系统400的电容由其形状尺寸限定。参阅图4A，两块电容器板404各具有与另一板相对的表面面积限定系统400的电容面积。而且，两块电容器板404隔开一个距离L₄，在它们之间的电介质材料406具有特定的导电率ε₄。这两个参数结合使传感器具有特定的电容，这个电容可用上面的等式1量化。

图4B示出在载荷WOB下的系统400。钻链402变形(被压缩)，变形量正比于WOB的数量。钻铤402的压缩变形使两块电容器板404互相靠近，因此它们被距离L₄′隔开。由于压缩变形，图4B中的L₄′短于图4A中的L₄。

两块板404相向移动，因为它们在钻铤402不同的轴向点被连结在钻铤402上。钻铤402的任何变形都将引起板间距离L₄相应的变化。

上面的等式1示出，减少电容器板404之间的距离(即从L₄减到L₄′)会增加系统400的电容。检测这个电容的增加就能确定变形的多少，而这又能用来确定WOB。在某些情况下，例如当用计算机计算WOB时，WOB可从电容的变化直接确定，不必具体确定变形的多少。这些实施例并没有离开本发明的范围。

在图4A和4B中，两块板404基本上互相平行。在其他一些实施例中，两块板也可不互相平行。本行业的具有一般技能的人将能设计出其他形状的板，但并没有跑出本发明的范围。

在图4B中，电容器板404基本上被安排得与WOB所作用的方向垂直(即板404的定位基本上是水平的，而WOB的作用基本上是垂直的)。这样安排对由于WOB使钻杆组402变形而引起的电容器板404的运动可达到最大。虽然这样安排是有利的，但并不要求本发明的所有实施例都这样做。

应该知道上面关于板的相互相对位置(如基本上平行)和板相对于被测载荷方向的位置(如垂直)的说明都可应用到本发明的其他实施例。

在某些情况下，系统的电容可这样确定：将系统连接到一个具有恒定电流AC电源的电路内，根据这个已知的AC电流值，从越过传感器的电压变化便可确定电容。

在某些情况下，越过传感器的电压变化被用来确定传感器阻抗的变化。阻抗用Z表示，为电路元件对电流提供的阻抗。电容器的阻抗已在上面用等式2限定。阻抗与电压的关系如等式3：

                 V＝IZ_CAP          等式3

其中Z_CAP为电容器(如系统400)的阻抗。这样，越过系统400的电压如发生变化，就说明阻抗有变化，而这又说明电容有变化。电容的变化量与变形有关，而变形又与WOB有关。

传感系统400可位在BHA(如图2中的200)内的MWD钻铤(如图2中的106)内。在另一种安排中，系统可位在分隔开的钻铤如图1和2所示的钻铤107内。在一钻井系统中传感器的位置并不能限制本发明。

另一个用来描述在钻孔过程中作出测量的语词为“钻孔时测井”(“LWD”)。如同在本行业中所知，LWD通常指涉及地层和地层内流体的性能的测量。这与MWD不一样，MWD通常指涉及钻头的测量如孔口温度和压力、WOB、TOB和钻头的航线。由于本发明的一个或多个实施例涉及测量作用在钻头上的力，在本说明中使用“MWD”这个语词。但应注意，上述区别对本发明并没有密切关系。使用MWD一词并不是要排斥本发明的设有LWD钻孔工具的实施例。

电容是与井下测量系统结合的技术的一例。其他非接触位移的测量器件也可用来替代电容，如线性可变差动变压器、电阻抗、差动可变磁阻、涡流、或电感传感器。这些技术可用在一个壳体内的两个线圈使它们分别构成感知和校正元件来实现。当传感器的表面被移位与铁素或高导材料贴近时，传感线圈的磁阻被改变，其时校正线圈用来参照。用高频正弦波磁动势激励这两个线圈，并用一个灵敏的解调器测量其差分的磁阻。微分这两个线圈的输出可以得到位置信号的灵敏的测量，同时抵消掉温度引起的变化。铁素靶由于磁路透磁性的更改，改变传感线圈的磁阻；导电的靶(如铝)由于环绕传感线圈的场在靶的表层内感应的涡流的相互作用而运作。解释有关这种技术的公式和原理的例子可从下列网址中找到，这些网址在这里被整个引录，供参考。

http：//web.ask.com/redir？bpg＝http％3a％2f％2fweb.ask.com％2fweb％3fq％3deddy％2bcurrent％2bdisplacement％2bmeasurement％26o％3d0％26page％3d1&q＝eddy+current+displacement+measurement&u＝http％3a％2f％2ftm.wc.ask.com％2fr％3ft％3dan％26s％3da％26uid％3d071D59039D9B069F3％26sid％3d16C2569912E850AF3％26qid％3d2AE57B684BFE7F46ABCD174420281ABA％26io％3d8％26sv％3dza5cb0d89％26ask％3deddy％2bcurrent％2bdisplacement％2bmeasurement％26uip％3dd8886712％26en％3dte％26eo％3d-100％26pt％3dSensors％2b-％2bSeptember％2bl998％2b-％2bDesigning％2band％2bBuilding％2ban％2bEddy％2bCurrent％26ac％3d24％26qs％3d1％26pg％3d1％26ep％3d1％26te_par％3d204％26u％3dhttp％3a％2f％2fwww.sensorsmag.com％2farticles％2f0998％2fedd0998％2fmain.shtml&s＝a&bu＝http％3a％2f％2fwww.sensorsmag.com％2farticles％2f0998％2fedd0998％2fmain.shtml

该网址说明涡流传感器及其在非接触的位置和位移测量上的使用。按照磁感应原理运作的涡流传感器能够测量金属靶的位置，即使被非金属材料如塑料、不透明的流体、和灰尘阻隔。涡流传感器又是结实的，能在污染的环境下广泛的温度范围内动作。

涡流位移传感器典型地包括四个组件：(1)传感线圈；(2)靶；(3)驱动电子线路；和(4)信号处理块。当传感线圈被AC电流驱动时，它会产生一个振荡的磁场而在任何邻近的金属物体(即靶)内诱导出涡流。该涡流在与线圈内电流相反的方向上循环，减少线圈内的磁通量，从而减少其电感。该涡流还散发能量，增加线圈的电阻。这些电工原理可被用来确定靶离开线圈的位移。

有关LVDT的理论和操作的一例可在下列网址上找到，该网址被整个引录供参考：

          http：//www.macrosensors.com/primerframe.htm

在相关部分内，上述网址说，线性可变差动变压器(“LVDT”)是一个电-机械的变送器，它能将直线运动转变成电信号。取决于具体的系统，LVDT可以灵敏地觉察到小至几百万分之一英寸的直线运动。

典型的LVDT包括一个线圈和一个铁芯。该线圈组合件由一个设在中央的初级绕组和两个在初级绕组两侧的次级绕组构成。典型地这些绕组都被成形在热稳定的玻璃上并被包围在高导磁的屏蔽内。线圈组合件典型地是LVDT传感器的固定部分。

LVDT的活动元件是铁芯，典型地它是一个圆筒形元件，可在线圈组合件内移动到留出一些径向间隙。该铁芯通常由高导磁的材料制成。

操作时，初级绕组充有AC电流称为初次激励。LVDT的电输出为两个次级绕组之间的差动电压，该电压随着铁芯在线圈组合件内的轴向位置而变。

LVDT的初级绕组由波幅恒定的AC电流充电。发生的磁通量被铁芯耦合到次级绕组上。如果铁芯被移动到更靠近第一个次级绕组，那么在第一个次级绕线内诱导出的电压将增加，而在另一个次级绕组内诱导出的电压将减少。这就造成一个差动电压。

图5A-5C将这个电容应用到TOB式的测量器件。图5A-5C画出电容系统的另一个实施例500。这个系统500与系统400相同，只是系统500包括的导电板504和介电质506是另一种承受旋转力TOB的形状。在这实施例中，载荷承受元件为钻铤502而TOB力是通过钻铤轴线转移的。

在图5A-5C中画出的电容系统500中，板504沿着钻铤502的内表面被装在一个支承或安装件(未示出)上。两块板504被装在不同的径向位置上并各沿径向向钻铤的中心延伸。这两板504被这样定位，使当钻孔工具旋转时，它们也沿着钻铤的转线转动。换句话说，当钻孔工具旋转时，板504之间的距离L₅将根据所施加的TOB力伸展和收缩。图5B为沿图5A中5B-5B线的剖面。图5B画出在初始位置时两块平行板504之间的距离L₅。图5C画出在施加旋转力TOB后两块平行板504之间的距离L’₅。在这情况下，L’₅大于L₅。

图6A和6B将这个电容应用到弯曲式的测量器件。图6A和6B画出电容系统的另一个实施例600。这个系统600与系统400相同，只是系统600包括的导电板604和介电质606是另一种承受轴向弯曲的形状。在这实施例中，载荷承受元件为钻铤602，而弯曲作为力矩沿着钻铤602轴线被转移。

在图6A中画出的电容系统600中，板604沿着钻铤602的内表面被安装而离开钻铤602的中心轴线。板604被定位得与钻铤602的轴线垂直，使当钻孔工具弯曲时板604会随之移动如图6B所示。换句话说，当钻孔工具弯曲时，板604之间的距离L₆将根据所施的弯曲力伸展和收缩。图6B画出系统600和施加弯曲力后在两板604之间造成的距离L’₆。

上面所说的系统有一个或多个位在钻铤的轴线上。在这位置上，传感系统要对WOB造成的变形负责。在某些情况下，它们可能具有对弯曲不敏感的额外的优点。例如在图4A所示的传感系统中，WOB的作用是使两块电容板404的所有部分移动得都更靠近。但若钻铤402被弯曲，该作用将使传感器400上的板404这样移动，一半更为靠近，另一半更为分开。这个作用将抵消弯曲的作用，使传感器400基本上对弯曲不敏感。

上述的图6A和6B所示的系统600处在偏离钻铤602轴线的位置，它却能检测钻杆组的弯曲。

图6C示出另一个钻铤602a的径向剖面。钻铤602a与图6A和6B中示出的钻铤相同，只是钻铤602a包括三个钻铤系统610、620、630，它们都位在钻铤602a的叶片603a、603b、603c上并能检测井下载荷。钻铤602a中心部或毂部可容纳其他传感器或设备。当钻铤602a受到例如由于WOB的压缩变形时，系统610、620、630的电容都有相似的变化。但当钻铤602a弯曲时，系统610、620、630中至少有一个会增加板间距离(即减少电容)，并且至少还有一个会减少板间距离(即增加电容)，而第三个传感器在钻铤弯曲时可能会经历压缩或膨胀，要看弯曲的方向而定。在钻铤602a内使用三个系统610、620、630全部，就能同时确定WOB和弯曲。

图7A-7D将这个电容应用到另一个弯曲式的测量器件上。图7A-7B画出电容系统的另一个实施例700。这个系统700与系统600相同，只是这个系统700包括的导电板704和介电质706是另一种承受径向弯曲力的形状。另外，有一平台定位在钻铤内用来支承板704。在这实施例中，载荷承受元件为钻铤702而弯曲力作为力矩沿着钻铤轴线被转移。

在图7A中画出的电容系统700中，板704被装在位在通道708内的平台710上。平台710有一底部716装在钻铤702的内表面712上，和一轴部714从底部沿着钻铤702的中心轴线向上延伸。其中一块板定位在中心轴714上，另一块板704定位在内表面712上，离开第一块板的距离为L₇。这两块板704的定位与钻铤轴线平行，当钻孔工具弯曲时，板704会相应移动，如图7B所示。换句话说，当工具弯曲时，板间距离704会根据所话加的弯曲力伸展和收缩。如图7B所示，施加在钻铤702上的弯曲力使钻铤702和平台710连同定位在其上的相关板704的位置偏移。系统700在运动后造成距离L’₇。

图7C-7D画出电容系统的另一个实施例700a。系统700a与系统700相同，只是系统700a包括的导电板704a和介电质706a是另一种承受径向弯曲的形状。另外，平台710a和支承720a被定位在钻铤内用来支承板704a。在这实施例中，载体承受元件为钻铤702a。

在图7C中画出的电容系统700a中，板704被装在定位在通道708a内的平台710a上。平台710a有一底部716a装在钻铤的内表面712a上，和一轴部从底部沿着钻铤的中心轴线延伸。两块板中的一块704a定位在中心轴上，另一块704a定位在内表面712a上的支承720上，离开第一块板的距离为L_7A，而两块板之间的投影面积为A_7A。板704a的定位与钻铤轴线垂直，因此当钻铤工具弯曲时，两块板随之互相平行地移动如图7D所示。换句话说，当工具弯曲时，板间距离将根据所施加的径向弯曲伸展和收缩。另外，两块板的平行运动会将板间面积改变为A’_7A。如图7D所示，施加在钻铤702a上的会使钻铤的位置和平台连同定位在其上的相关的板的位置偏移。系统的运动造成距离L’_7a和面积A’_7A。

现在参阅图8A-8B，其中画出电容系统的一个实施例800，该系统具有互相平行的导电板并且放置得与载荷轴线平行。本例是将电容应用于WOB式的测量器件。系统800与系统400相同，只是系统800包括的导电板804和介电质806是另一种形状。在这实施例中，载荷承受元件为钻铤802而WOB力通过钻铤轴线被转移。

在图8A画出的电容系统中，板804被装在定位在由钻铤802的内表面812形成的通过808内的平台810上。平台810将板支承在其内在两板之间形成面积A₈。当将WOB施加在钻孔工具上时，板804会随之沿着钻铤轴线变形。换句话说，当工具被压缩或延伸时，板间面积A₈会随着所施加的WOB力而改变。这个由导电板804得到的变形与载荷承受元件的变形成正比。如图8B所示，板面于是随着载何承受元件变形将面积改变为A’₈。

现在参阅图9A-10B，其中画出的电容系统实施例具有互相平行而互相对向移动的两块导电板。变形是由两块板在互相对向移动时它们之间投影面积的改变而得到的。图9A和9B将这应用到TOB式的测量器件上。图9A画出电容系统的另一种实施例。系统900与系统400相同，只是系统900包括的导电板904和介电质906是另一种形状。在这实施例中，载荷承受元件为钻铤902，TOB力通过钻铤轴线被转移。

在图9A和9B画出的电容系统900中，平台910被定位在由钻铤902的内表面912形成的通道908内。平台910装在内表面912上并通过钻铤902的通道908延伸。第一块板被定位在平台910上，而第二块板被定位在与第一块板邻近的钻铤902的内表面912上。两块板904最好互相平行，在它们之间有一块面积A₉。两块板904被这样定位，使当将TOB力施加在钻孔工具上而钻铤902迅速变形时，两块板会根据这个变形作相互相对移动。换句话说，当将力施加到钻铤902上时，两块板904会根据所施加的TOB力，相互相对环绕钻铤轴线旋转。钻铤902的变形然后可由传感器的两块重叠的投影面积的改变来获得。重叠面积根据钻铤的变形来改变。图9A画出在TOB施加之前板的位置和板间面积A₉。图9B画出在TOE施加之后板的位置和板间面积A’₉。

图10A和10B将这应用到弯曲式的测量器件上。图10画出电容系统的另一种实施例1000。系统1000与系统400相同，只是系统1000包括的导电板1004和介电质1006是另一种形状。在这实施例中，载何承受元件为钻铤1002，而弯曲力作为力矩沿着钻铤轴线被转移。

在图10A和10B画出的电容系统1000中，板1004被装在定位在由钻铤1002的内表面1012所形成的通道1008内的平台1010上。平台1010支承着板1004而在板间留出面各A₁₀。两块板1004被这样定位，使当有弯曲力施加在钻孔工具上时，两块板1004会随之相对于钻铤轴线迅速变形。换句话说，当工具被弯曲时，两块板1004会随弯曲力矩而彼此相对旋转，而面积A₁₀会根据所施加的弯曲力改变。钻铤1002的变形然后可由传感器的重叠投影面积的改变来获得。重叠面积是根据钻铤1002的变形来改变的。

如上在图4A-10B中所示，电容系统都是被包含有一单个的钻铤内。但该系统也可被定位在钻孔工具的其他位置内或横跨多个钻铤。另外，多个系统可被包含及/或定位在一单个钻铤内以便提供多种型式的力的测量。其他一些传感器可与一个或多个这种系统结合而提供的测量例如可包括：井下压力、温度、密度、表压、压差、横向震动、滚动震动、振动、旋涡、反向旋涡、粘着、滑动、回弹、加速度和深度等等。传送机、计算机或其他装置可被链接到传感器上以便将测量结果传送到地面(最好是高数据传送率的)、分析、压缩或其他产生数据的处理并相应地采取行动。

应变规

图11A-12B画出可用于钻孔工具的各种应变规系统。这里的每一个实施例都采用一个可连接到如同图1和2那样的钻杆组上的钻铤，以便用来测量井下的作用在钻孔工具上的力如WOB、TOB和弯曲力。

图11A-11D画出的应变规系统1100包括一个具有贯穿的螺旋形切口或间隙1106的钻铤1102和一个应变规1104。该钻铤1102可设有带螺纹的端头(未示出)以便可操作地连接到如同图1和2那样的钻杆组。

在钻铤内的螺旋形切口1106被用来放大作用到钻铤上的力及/或减少静液压力作用在测量读数的影响。由于作用在钻头上的重量而出现在钻铤内的轴向力可被转变成扭矩。由于该扭矩而产生的剪应变可被测量并且在钻铤轴线方向施加的垂直的线性函数。

间隙1106最好环绕钻铤的中心部分延伸，将钻铤部分分隔成一个顶部1108、一个底部1110、和一个在其间的中央部1111。所说间隙延伸穿过钻铤的壁使钻铤能作较大的变形而在力的使用下造成弹簧状的运动。最好如图11A中的点线所示，一部分钻铤可在部分1120和1122处保持连结以便将钻铤的各部分固定在一起。如图11B所示，间隙被螺旋形地设置在中心部分的周围。但其他几何形状或形状设计也可考虑。

采用间隙，钻铤传递钻孔所需扭矩的能力可能被减少。为了提供所需的扭矩，有一载荷套筒被固定到钻铤上。如图11C和11D所示，载荷套筒1112最好沿着间隙被定位在钻铤的周围。套筒1112包括一个外部1114、一个套筒1116、螺纹环1118、和一个扭矩传递键1120。还可提供一个锁紧螺帽1115将套筒固定到钻铤上。密封件1123也可提供以便防止流体流动通过套筒。套筒1116最好沿着间隙装在钻铤内侧。

外部1114设在钻铤外表面周围以便协助将钻铤的各部分固定在一起。外部传递施加到钻铤上的扭矩并减少轴向力。外部还可防止泥浆通过间隙流到钻铤内。内部1116沿着钻铤的内表面定位用来使钻铤隔离钻孔泥浆。内部还使钻铤隔离温度波动。螺纹环1118和锁紧螺帽1115被定位在钻铤的内、外表面上与套筒部分邻近的地方以便环绕钻铤将套筒固定在位。

扭矩传递键1120最好定位在钻铤外表面上与外部邻近处。分两键：第一键将扭矩从钻铤的顶部传递到套筒，第二键将扭矩从套筒传递到下钻铤。这两键最好这样设置，以便能作轴向运动及/或分开内部的和外部的泥浆流。

应变规1104如金属箔应变规最好被定位得与钻铤轴线成45°以便测量剪应变，该剪应变为需要测量的WOB、TOB和弯曲力的函数。

图12A和12B画出应变规系统1200另一个可任选的形状设计，该系统包括一个钻铤1202、一个中央元件1208、和一个压力套筒1203。在这实施例中，在钻孔作业时正常施加到钻铤上的力被施加到中央元件上。中央元件连接钻铤的第一部分1214和第二部分1216。中央元件最好具有比钻铤小的横截面以便当将力施加到钻铤及/或中央元件时用来放大所遭受的变形。

中央元件1208包括一个外壳1206、一个内壳1204、密封件1212、一个锁紧螺帽1219和应变规1211。中央元件1208可操作地被连接在钻铤1202的第一部分1214和第二部分1216之间。连接最好是不再分开的，这样第一部分、中央元件和第二部分便构成一单个构件。另一个可能是将钻铤的一个部分和中央元件制成一个整件，再用锁紧螺帽(未示出)连接钻铤的第二部分。虽然载荷套筒及其构件被画成分开的构件，但应知道这种构件可制成整件。

在中央元件内最好设有通道1218以便允许钻铤内的流体流入到应变规邻近的区域内。这个流体流动使中央元件上支承应变规的部分这样变形即由于静液压力造成的变形基本上可被消除。通道可具有任何其他的几何形状尺寸并用应变规定位在其上的区域可具有任何其他的几何形状尺寸，使由于静液压力而造成的该区域的总变形基本上为零。

压力套筒被连结到钻铤的上部并可相对于钻铤的下部滑动及/或转动。密封件1220被定位在钻铤的部分和压力套筒之间。

钻铤的功能被分开成为载荷的传送功能和压力及/或泥浆的分开功能。载荷传送功能由中央元件1208得到，压力及/或泥浆分开功能由压力套筒1203得到。

中央元件被牢固地固定在钻铤的两个部分之间。中央元件将钻杆线接受的、轴向的和扭转的载荷转移出去。压力套筒吸收施加到钻铤上的内、外压力，并密封钻铤的两个部分。这个套筒最好在弯曲时不承担组合件的坚硬性。

由于静液压力造成的钻铤的变形可被通道1218减少。应变规区域被这样设计使由于通道1218内的静液压所造成的拉应变可叠加在由于静液压力作用在中央元件的外直径和表面上所造成的压缩和周边的应变上。例如在应变规下面能实现一个拱形的变形。

温度梯度在钻铤上的影响及从钻铤没有应变的基准温度开始的稳定状态温度变化的影响也都可被减少及/或被防止转移到中央元件。这样，虽然中央元件本身遭受温度变化引起变形，但可将一个标准的完全的惠司登桥(未示出)装在中央元件上来减少传感器的由于温度变化而造成的输出。中央元件由于环绕钻铤轴线弯曲而造成的变形是微小的，因为传感元件的半径与钻铤的半径相比要小得多。

图12C和12D画出应变规系统的另一个实施例1200a。该系统由一个具有贯穿通道1276的钻铤1202a和一个定位在通道内的载荷传感器系统1278构成。在载荷传感器系统和钻铤之间设有流动区域1279可允许泥浆流动通过。通道及/或流动区域可具有多种几何形状如圆形或不规则形。

载荷传感器系统1278包括一个支承在通道1276内的载荷传感器壳体，一个载荷传感器1280，活塞1281和一个锁紧螺帽1282。在该壳体1284内有一容纳载荷传感器的第一空腔1286和一个容纳活塞的第二空腔1288。该活塞移动通过第二空腔以便从具有载荷传感器的第一空腔内转移静液压力。载荷传感器最好由一个较弱的应变规区域1290、两个强区域1292和一个圆筒形中央空腔1294构成。

在作业时锁紧螺帽1282将载荷传感器夹持在位并牢固地将载荷传感器这样连接到钻铤上，使轴向的、周边的和径向的变形以及由作用在钻铤上的扭矩而引起的变形都被转移到载荷传感器上。锁紧螺帽可具有圆筒形空腔1296以便在钻铤轴线方向调整锁紧螺帽的刚度。

锁紧螺帽和载荷传感器的几何形状最好这样选择使钻铤在组合件整个长度上的变形集中在锁紧螺帽的较弱的区域内并且这样来被应变规感知。而且，载荷传感器内圆筒形空腔1296的几何形状被这样选择使载荷传感器由于钻铤上的静液压力载荷而遭受的应变等于载荷传感器由于圆筒形空腔上的压力载荷而遭受的应变，这样来抵消。

钻用震击器

图13-14C画出可在钻孔工具内使用的钻用震击器系统。这种实施例中的每一个都采用一个可连接到如图1和2所示那样的钻杆组上的钻用震击器，用来测量作用在钻孔工具上的井下的力如WOB、TOB和弯曲力。钻用震击器是一种器件，通常与“吊钩”工具结合用来从井孔上除去粘住的管子。这样震击器的一例曾在美国专利5,033,557号描述过，该专利被指定由本发明的受委托人代理。这里使用的钻用震击器引用了震击器的各种形式，可用来进行各种井下测量。

图13A-13C的钻用震击器1300包括一个具有上部1316和下部1318、两者可滑动地连接在一起的钻铤1302。还包括一个锁紧螺帽1304，一个扭矩传递键1306，一个活塞1308，位移传感器1310、1312和一个弹簧1314。钻用震击器还可设有一个基架和密封件(未示出)。

钻铤的第一和第二部分的运动由弹簧或弹性元件控制。设有锁紧螺帽1304以便防止钻铤分离。在钻铤内装有位移传感器1310、1312以便测量在两个钻铤部之间走过的距离。这个距离是施加在钻铤上的WOB力的函数。最好还设有活塞1308以便补偿压力并防止由于静液压力而在两个钻铤部之间位移。最好还设置扭矩传递键以便将相关钻铤部的转动传递给钻头。

钻铤的两个部分被连结在一起以便传递扭矩(通过键1306)。在两个部分之间引入弹性元件1314如弹簧或弹性显著比钢大的固体。当钻铤被压缩而两个部分相互相向移动时弹性元件就被变形。这时可将距离测量下来。

由重量以外的其他因素如热膨胀、热梯度和热瞬变而造成的钻铤的变形与由于重量而造成的弹性元件的变形相比是比较小的。因此校正的准确度可比钻铤本身的变形被测量时的求解稍差；而在后一种情况下，WOB造成的变形比起其他载荷只是属于较小的数量级。

图14A-14C画出图13A-C中的钻用震击器的另一个实施例1400。钻用震击器1400利用一个流体室的设计来替代图13A-13C中画出的弹簧的设计。钻用震击器1400具有上部1416、中部1414和下部1418、还包括一个扭矩传递键1406、一个电子基架1408、一个压力传感器1410、一个电子线路板1412和一个锁紧螺帽1405。

电子基架1408设在钻铤内表面周围，与两部分会合处邻近。最好设有电子基架以便用来支承用传感器测量压力的电子线路。该电子线路可被用来将收集的数据传送到BHA。

钻铤的两个部分可相互相对滑动并通过锁紧螺帽1405被固定在一起。它们被连结，从而在钻铤周围形成一个压力密封的圆筒形隔间1424。该隔间充有液压流体。流体的压力随着静液压力的增加和轴向压缩而增加。有一机械的停止档可被用来固定隔间不让它达到爆裂的压力。流体的压力随着静液压力的减少和轴向拉伸载荷而减少。这时还可用另一个机械停止档(未示出)来防止钻铤的两个部分在过分拉伸时散架。

可以设置一个压力传感器来测量室内的压力。流体室内的压力是施加在钻铤上的WOB力的函数。流体的压力和温度被监控并被设定使与隔间1424体积的改变有关。这个体积的改变是作用在钻铤上的力的函数。泥浆压力也可被测量并被用来补充轴向的测量。这些测量可被用来进一步限定并分析井下的力。

图15为一流程图，该图画出进行测量时可被使用的光学工步。一旦井下的钻杆组和钻孔工具在井孔内时便可确定井下的力。作用在钻孔工具上的力通过传感器(如图4A-14C中的任一项)被测量。测量结果可用已知的遥测系统传送到地面。测量结果被分析以便确定井下的力。处理器或其他器件可被定位在井下或地面以便处理测量数据。钻孔决定可根据产生的数据和信息作出。

该方法包括在步骤1501将一钻杆组和一钻孔工具定位在井孔内。其次在工步1502使用传感器测量作用在钻孔工具上的力。这一工步可包括测量传感器的电性能。该数据涉及钻孔工具的变形，而该变形涉及作用在钻孔工具上的载荷。

该方法然后可包括数个可替代使用的工步。例如可包括在工步1511和1503，分析测量结果以便确定使用在钻孔工具上的力或者还确定钻孔的运动。在某些情况下，确定力包括确定在载荷下钻孔工具的变形。或者，该载荷可被直接确定，不需特为确定钻孔工具的变形。

继续进行1502以下的一系列可替代的工步。其次，在工步1504，可将测量结果传送到地面上。这可用本行业已知的任何一种遥测方法例如泥浆脉冲遥测技术来完成。最后，该方法可包括在工步1505，根据对井下力、载荷和运动的测量结果调整钻孔参数。

在另一条可替代的路线内，该方法可包括在工步1521，将测量结果或分析的测量结果记录在存储器内。这可用测量结果(由工步1502)或用分析的测量结果(由工步1511)来完成。

在另一个可替代的方法中，在工步1531，可将测量结果传送到地面上；在工步1532，在地面上数据可被分析以便确定作用在钻孔工具上的力和载荷。然后可根据井下载荷测量的结果调整钻孔参数。

钻孔工具在作测量时可结合加速度计、磁强仪、陀螺仪及/或其他传感器进行。例如这种结合可包括一个三轴磁强仪、一个三轴加速度计、和角加速度计用来确定角度位置、方位(地平经度)位置、倾斜度、WOB、TOB、环压力、内部压力、泥浆温度、钻铤温度、瞬间温度、钻铤的温度梯度、等等。测量最好在高试样率例如约为1KHz下进行。

图16A示出使用LVDT来确定压缩变形的按照本发明的另一个系统1600。该系统设在一个钻铤1602内，包括一个环状“线圈”1611和一个圆筒形铁芯1612。该铁芯1612能在线圈1611内移动。图16B为沿图16A中16B-16B线切开的传感器1600的径向剖面。铁芯1612位在线圈1611内。整个传感器1600位在钻铤的轴线上。

线圈1611为一空心圆筒，其中包括一个在中央的初级绕组和两个靠近圆筒端头的次级绕组(绕组是本行业所熟悉的，未在图中示出)。铁芯可由透磁材料构成，其大小使它能在线圈1611内沿轴向移动，两者之间不会接触。初级绕组充有AC电流，而输出信号即在两个次级绕组之间的差动电压与铁芯1612在线圈1611内的位置有关。使线圈1611和铁芯1612在钻铤1612内不同的轴向点上连结，当钻铤由于载荷如WOB而遭受变形时，铁芯1612和线圈1611将相互相对运动。运动的量与WOB的量有关，因此后者可被确定。

图16A和16B中的系统使用一个类似电感的原理来确定变形。即用一个恒定的AC电源，量出的差动电压的变化可指示传感器在电感上的变化。电阻抗和电感之间的关系在等式4中示出：

Z＝2πL         等式4

其中L为传感器的电感。由于电感的变化是由铁芯1612在线圈1611内的运动引起的，因此电阻抗的变化与变形量和WOB有关。

图17示出另一个LVDT的钻孔传感器系统1700。系统1700与图16A-B中的系统500相似，只是线圈1711和铁芯1712是弧形的或曲线的，因此当钻铤1702遭受TOB时，它们能相互相对运动。在某些实施例中，线圈1711和铁芯1712在不同的径向位置被连结到钻铤1702上，因此钻铤1702的由于TOB的变形将在线圈1711和铁芯1712之间造成相对运动。例如支承1721和支承1722可在不同的径向位置上被连结到钻铤1702上。

图18A示出一个传感器系统1800的径向剖面，该系统1800位在钻铤1802中心毂部1801内的轴线上，包括四个电容器板1811、1812、1821、1822。第一电容器板1811和第三电容器板1821设在内壁1809上，以180°间隔开。有一立柱1805位在钻铤1802的中心。第二电容器板1812和第四电容器板1822固定在立柱1805上，两者也以180°间隔开，并各与第一电容器板1811和第三电容器板1821相对。钻铤1802有三个辐瓣向内延伸，但泥浆仍能从通道1808流过。

图18B示出传感器系统1800通过图18A中的18B-18B线的纵向剖面。可见第一板1811与第二板1812以距离L_18-A间隔开，第三板1821和第四板1822以距离L_18-B间隔开。在某些实施例中，在松弛状态或不弯曲状态下，距离L_18-A、L_18-B几乎相同，虽然它们不一定要相同。

图18C示出传感器系统1800(和图18A中的钻铤1802)在经受弯曲时的情况。立柱1805被这样设计，假定它在钻铤弯曲时也不弯曲。由于这样的设计，在弯曲状态下第一板1811和第二板1812之间的距离L′_18-A将短于在松驰状态下(如图18B)的这个距离L_18-A。按照等式1，较短的距离L′_18-A会减少第一板1811和第二板1812之间的电容。

在图18C所示的弯曲状态下，在第三板1821和第四板1822之间的距离L′_18-B将大于在松驰状态下(如图18B)的这个距离。按照等式1，这个距离的增加将减少第三板1821和第四板1822之间的电容。

使用图18A-18C示出的传感器，钻铤1802的弯曲可从电容器板对的电容的变化来确定。第一板1811和第二板1812之间的电容变化指示钻铤1802被弯曲。而第三板1821和第四板1822之间的电容变化也可指示钻铤1802被弯曲。电容的变化与弯曲变形有关。就弯曲的测量而言，两对电容器板(即1811-1812、1821-1822)显得有多余。可以设计一个只包括一对板的系统。

图18A-18C示出的传感器还能用来确定TOB。图18D示出图18B中的传感器沿18D-18D线切开的剖面，其中第一板1811和第三板1821在一个轴向点被连结到内表面1809上。第二板1812和第四板1822被连结到立柱1806上，而该立柱在不同于第一板1811和第三板1821的轴向点上被连结到钻铤1802上。当钻铤(图18A中的1802)受到TOB时，所造成的变形和这些板连结到钻铤上的不同的轴向位置将使第一板1811和第三板1821相对于第二板1812和第四板1822而移动。

在图18D示出的松驰状态或不扭转的状态下，第一板1811和第二板1812具有电容面积A_18-A，而第三板1821和第四板1822具有电容面积A_18-B。图18E示出图18D中传感器系统1800当有扭矩如TOB施加在钻铤1802上的情况。第一电容器板1811会相对于第二电容器板1812旋转。这个相对运动使电容面积从A_18-A减少到A′_18-A(图18E)。类似地，施加的扭矩使第三电容器板1821相对于第四电容器板1822而移动，这个相对运动使电容面从A_18-B减至A′_18-B(图18E)。

等式1示出在两个电容器板之间的电容面积减少会使两板之间的电容减少。这样，当将扭矩施加在钻铤上时造成的变形可从两个电容器板(如第一板1811和第二板1812)之间电容的变化来确定。

图18A-18E中示出的特殊设计使我们能用一器同时确定钻铤的TOB和弯曲。钻铤内的弯曲能使其中一对电容器板的电容增加，使另一对电容器板的电容减少。而TOB能使两对电容器板的电容都减少。由于有这个不同，两对电容器板的电容的任何变化都可分解成钻铤内的TOB和弯曲。

图18A-18E示出的传感器有两对电容器板。还能设计出其他的实施例，只用一对或用多于两对的电容器板，但这并未脱离本发明的范围。一个特殊的实施例是只用一对电容器板，但该传感器不能将TOB和弯曲分解。尽管这样，该实施例也未脱离本发明的范围。还有，本发明并不限于以180°将两块电容器板分隔开。那种特殊的间隔只是示出作为一个例子。第一电容器板1011和第二电容器板1021用松驰状态下最大的电容面积示出(图10D)。其他实施例的两块电容器板也可不这样布置，但这并未脱离本发明的范围。

图19示出按照本发明的一个或多个实施例所用方法。该方法包括当钻杆组处在加载条件下时确定一个传感器的电性能(如工步1901)。该方法还包括根据传感器当钻杆组处在加载条件下和松驰状态下对电性能的差异来确定载荷量(如工步1905)。

载荷之所以可被确定是因为在松驰条件下和在加载条件下传感器电性能的差异关系到钻铤的变形，而变形又关系到载荷。

在某些实施例中，该方法还包括确定钻铤的变形量(如工步1903)。这样可能是有利的，因为它能确定作用在钻铤上的应力和应变。

按照本发明，钻铤BHA可包括任何数目的传感器的实施例。使用多个传感器实施例能够同时确定WOB、TOB和弯曲以及在钻孔时作用在钻杆组上的其他的力。例如钻铤可包括一个与图4A相似的传感器实施例和一个与图18A相似的实施例。

温度和压力的变化能对钻杆组的变形有很大的影响。例如钻孔的温度可在50℃和200℃之间变化，而随深度增加的静液压力在深井内可高达30,000磅/平方英寸。热膨胀和由于静液压力而造成的压缩能引起的变形比WOB引起的变形能高几个数量级。这样，例如图4中在两块电容器之间的距离实际上是WOB热膨胀和压力压缩的作用的总和。校正热膨胀和压力的影响将能使井下力的测量更为精确。

图20所示为一用来确定热膨胀和压力的影响的传感器。两块电容器板2004设在一个钻铤2002内。电容器板2004垂直取向并在径向上间隔开。有一支承2015被定位在最外面一块板2004的后面，介电材料则定位在两板2004之间。当静液压力增加时，该支承2015及钻铤2002的其余部分使两块板2004移动到更为靠近。这个变形将使系统2000的电容相应增加。

系统2000还会响应温度变化而在钻铤内引起热膨胀。由于系统2000设在钻铤内，因此它会与钻铤2002一起膨胀和收缩。

由于两块板2004为垂直取向，并且由于它们在基本上相同的轴向位置上连结到钻铤上，该系统2000对由WOB、TOB和弯曲力矩造成的变形较不敏感，而对热膨胀和压力的影响最能起反应。这样，当根据钻铤2002内传感器确定WOB、TOB及/或弯曲力矩时便能使用有关热膨胀和压力影响的数据来比较准确地确定井下力。

图21所示钻铤2102具有热镀层2101。这种钻铤可结合本文所说的各种传感器系统使用。由于钻铤2102为金属，它能很好地导热。如果在钻铤的内部结构和环绕的钻孔之间有显著的温度梯度，导热的钻铤2102就会将热能传送出去，这会促进热膨胀的影响。

热镀层2101可将钻铤2102绝热防止形成温度梯度。温度降将在越过绝热材料时迁到而不是在越过钻铤2102本身时迁到。本行业已知有很多材料可以适用。例如某些型式的橡胶和人造橡胶可将钻铤2102绝热并不承受难对付的井下环境。其他材料如玻璃纤维可被使用。

图22示出按照本发明的另一种传感器系统2200。钻链2202包括第一感知元件2204a和第二感知元件2204b。图22的设计与图4相似，只是图22中的传感器并不使用电容器来确定变形(即在载荷下L₂₂的改变)。而是，在图22中的传感器可使用涡流传感器、红外传感器或超声传感器。

再次参阅图22，传感器系统2200可包括一个涡流传感器，该器具有一个在感知元件2204a中的线圈和一个在感知元件2204b中的靶。这种传感器2200在两个感知元件之间不需有介电材料，因此也不用金属材料。虽然驱动电子线路和信号处理块未在图22中示出，但本行业的行家将会知道那些涡流传感器元件可用本行业已知的任何方式包括进去。

除了涡流传感器系统以外，图22中的传感器系统可包括超声传感器或红外传感器。例如，超声传感器可包括在2204a的超声源和在元件2204b的超声接受器。红外传感器可包括在2204a的红外源和在元件2204b的红外检测器。

本发明的实施例可有下列一个或多个优点。按照本发明的电容和电感系统不易因为温度变化而出现测量误差。野外压力不会影响这些系统某些实施例的操作。另外，这些系统设有容易磨损或需更换的接触部件。

本发明的某些实施例能有利地测量WOB而对扭矩或弯曲并不敏感。另外，本发明的一个或多个实施例能确定两种或更多的在钻铤或钻杆组上的载荷。

本发明的某些实施例能有利地提供有用的信号而获得精确的结果，不需将变形进行机械放大。按照本发明的系统可直接装在钻铤内，不需用分开的载荷传感器。这样某些实施例在钻铤内可只占很小空间。

本发明某些实施例能有利地装在钻铤的内部。这种实施例不易受钻孔的干扰或发生与泥浆流动有关的其他问题。

本发明某些实施例与现有技术相比能有利地较少受温度变化的影响。另外，某些实施例还能校正由于井下的压力和温度变化而引起的应变。

虽然本发明已就有限的实施例进行说明，但本行业的行家在受该说明启发后，将可设计出其他实施例而并未脱离本文所公开的本发明的范围。因此，本发明的范围只能以所附的权利要求书为准。

Claims (40)

1.一种通过一钻杆组用来测量悬挂在井孔内的井下钻孔工具上的载荷的设备，包括：

一个可操作地连接到钻杆组上的钻铤，该钻铤适于放大其所接受的力造成的变形；

一个装在该钻铤内的传感器，该传感器适于测量该钻铤的变形，从而确定该钻孔工具上的力。

2.权利要求1的设备，其特征在于该传感器包括一对板和一个电介质，两块板彼此间隔开一个距离而将该介电质放在其间。

3.权利要求1的设备，其特征在于该传感器包括下列中的一种：电容、线性可变差动变压器、电阻抗、差动可变磁阻、涡流、电感传感器及其组合。

4.权利要求1的设备，其特征在于该传感器为定位在钻铤上的应变规。

5.权利要求4的设备，其特征在于还包括至少一个环绕钻铤的套筒。

6.权利要求4或5的设备，其特征在于该钻铤有一贯通其间局部切口，从而该钻铤可像弹簧那样作用。

7.权利要求4的设备，其特征在于该套筒连接钻铤的各部分。

8.权利要求4的设备，其特征在于该应变规装在该钻铤内的一个壳体上。

9.权利要求1的设备，其特征在于该钻铤具有第一和第二部分和一在其间的弹性元件。

10.权利要求1的设备，其特征在于该钻铤具有第一和第二部分及一个套筒，该套筒把这两部分连接起来，并在其间形成一个空腔，该传感器适于测量该空腔内的压力变化。

11.一种确定作用在井下工具上的载荷的方法，包括：

当将载荷施加在井下工具上时，确定设在井下工具内的传感器的电性能；

根据该钻铤在加载条件下和在松驰条件下电性能的差异确定载荷量，

其中该传感器的电性能被改变，因为载荷使传感器的第一和第二元件的相对位置中的一个选定位置及在这两个元件之间的面积发生改变。

12.权利要求11的方法，其特征在于还包括：

将测量结果从传感器传送到地面；

分析测量结果以便确定作用在该井下工具上的力；及

根据分析的测量结果作出钻孔决定。

13.权利要求11的方法，其特征在于确定载荷量的步骤包括根据该井下工具在加载条件下和在松驰条件下传感器电性能的差异确定该井下工具变形的量，并根据该变形量确定载荷量。

14.权利要求13的方法，其特征在于该变形为压缩变形。

15.权利要求13的方法，其特征在于该变形为扭转变形。

16.权利要求13的方法，其特征在于该变形为弯曲。

17.权利要求11的方法，其特征在于该传感器的电性能包括电阻抗，并且其中当该井下工具处在加载条件下时该传感器电阻抗的确定步骤包括测量第一电容器板和第二电容器板之间的差动电压。

18.权利要求17的方法，其特征在于该电阻抗的差异是由第一电容器板和第二电容器板之间的距离的改变造成的。

19.权利要求17的方法，其特征在于该电阻抗的差异是由第一电容器板和第二电容器板之间的电容面积的改变造成的。

20.权利要求11的方法，其特征在于还包括在由温度和压力构成的组群中选出至少一个组群，利用设在该井下工具内的第二传感器进行测量来对改变作出校正。

21.一种用来测量通过钻杆组悬挂在井孔中的井下钻孔工具上载荷的井下传感器，包括：

定位在该井下工具内的第一传感器元件；及

定位在该井下工具内的第二传感器元件，

其中该第一传感器元件和第二传感器元件被这样连结到该井下工具上，便当该钻孔工具受到载荷时在该第一元件和第二元的相对位置中选出的一个位置并使在两个元件之间的面积改变。

22.权利要求21的井下传感器，其中：

该第一传感器元件包括一第一电容器板；

该第二传感器元件包括邻近该第一电容器板的一第二电容器板，并还包括

一个设在该第一电容器板和第二电容器板之间的电介质材料。

23.权利要求22的井下传感器，其特征在于该第一电容器板基本上平行于该第二电容器板。

24.权利要求22的井下传感器，其特征在于该第一电容器板和第二电容器板被定位得基本上垂直于所要测量载荷的方向。

25.权利要求22的井下传感器，其特征在于该第一电容器板和第二电容器板被定位得基本上垂直于该井下工具的轴线。

26.权利要求22的井下传感器，其特征在于该第一电容器板和第二电容器板被定位得基本上平行于该井下工具的轴线。

27.权利要求22的井下传感器，其特征在于该第一电容器板和第二电容器板被设置在该井下工具的中心。

28.权利要求22的井下传感器，其特征在于该第一电容器板和第二电容器板被设置得偏离井下工具的中心。

29.权利要求28的井下传感器，其特征在于该第一和第二电容器板包括一第一电容器组，该第一电容器组被设在该下井工具的第一叶片内；并且包括：

一第二电容器组，被设在该井下工具的第二叶片内；及

一第三电容器组，被设在该井下工具的第三叶片内。

30.权利要求28的井下传感器，其特征在于该第一电容器板被定位在该下井工具的第一半径上，而该第二电容器板被设在下井工具的第二半径上。

31.权利要求30的井下传感器，其特征在于该第一电容器板在第一半径位置上被连结在该下井工具上，而该第二电容器板在第二半径位置上被连结在该下井工具上。

32.权利要求22的下井工具，还包括：

一个设在井下工具中心的柱头，并在第一轴向位置上被连结到该下井工具上，

被连结到该井下工具的约180°离开该第一电容器板的第三电容器板；及

一块靠近该第三电容器板而连结在该柱头上的第四电容器板，

其中该第二电容器板被连结在该柱头上约180°离开该第四电容器板，并且靠近该第一电容器板，其中该第一、第二、第三和第四电容器板被这样定位，使该第一和第二电容器板构成一第一电容器组，而该第三和第四电容器板构成一第二电容器组。

33.权利要求21的井下传感器，其特征在于还包括一个设在该井下工具周围的热镀层。

34.权利要求33的井下传感器，其特征在于该热镀层为人造橡胶。

35.权利要求33的井下传感器，其特征在于该热镀层为玻璃纤维。

36.权利要求21的井下传感器，其特征在于还包括一个温度和压力校正器，该校正器包括：

设在该钻铤内的一第一校正电容器板；

设在该钻铤内靠近该第一校正电容器板的一第二校正电容器板；

设在该第一和第二校正电容器板之间的一第二电介质材料，

其中该第一和第二校正电容器板被定位得偏离该钻铤中心，与该钻铤的轴线平行，并基本上在相同的轴向位置上连结在该钻铤上。

37.权利要求21的井下传感器，其特征在于：

该第一传感器元件包括一个线圈，该线圈具有初级绕组、第一次级绕组和第二次级绕组；及

该第二传感器元件包括一个设在该线圈内并可相对于该线圈移动的铁芯。

38.权利要求37的井下传感器，其特征在于该线圈和铁芯被定位成基本上与该井下工具的轴线平行，并且该线圈和铁芯分别在第一和第二轴向位置上被连结到该井下工具上。

39.权利要求37的井下传感器，其特征在于该线圈和铁芯为弧形的，并被定位成基本上与该井下工具的轴线垂直，其中该线圈和铁芯分别在第一和第二径向位置上被连结到该井下工具上。

40.权利要求21的井下传感器，其特征在于：

该第一传感元件包括一个源元件；及

该第二传感元件包括一个设在该元件邻近的接收元件，

其中该传感器可从下列各项构成的组群中选用：涡流传感器、超声传感器、红外传感器、电感传感器和差动可变阻抗传感器。

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