[发明专利]用于测量在井中工作的钻头上的弯曲的设备

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求了2009年7月30日提交的美国临时专利申请No.12/512,740的权益，该申请的全部内容通过引用合并于此。

技术领域

本发明涉及用于测量钻头上的弯曲的设备。更具体地，本发明针对在例如油井的井内进行向下钻孔工作的钻头上的弯曲的测量。

背景技术

在例如气、油的地下钻探或地热钻探中，通过在大地中的地层深度钻出钻孔。这样的钻孔如下形成：将钻头连接到管的称为“钻管”的部分以形成通常称为“钻柱”的组件，所述钻柱从地面上的钻机悬垂且向下延伸到钻孔的底部。钻头旋转，使得钻头前进到大地内，由此形成钻孔。在旋转钻探中，通过在地面处旋转钻柱而使钻头旋转。在定向钻探中，钻头通过联接到钻头的井下泥浆马达旋转；钻柱的剩余部分在钻探期间不旋转。在可转向钻柱中，泥浆马达弯曲而相对于钻头的中心线略微成角度，以产生引导钻头的路径偏离直线的侧向力。在任何情况下，为润滑钻头且从其路径冲洗切削物，地面上的以活塞运行的泵将称为“钻探泥浆”的高压流体泵送通过钻柱中的内部通道且通过钻头泵送出。钻探泥浆然后通过形成在钻柱和钻孔的表面之间的环形通道流到地面。

取决于钻探运行，流动通过钻柱的钻探泥浆的压力将典型地在0至25000psi之间。另外，在钻头上存在大的压力差，使得在钻柱外侧流动的钻探泥浆的压力明显低于在钻柱内侧流动的钻探泥浆的压力。因此，在钻柱内的部件受到大的压力。另外，钻柱的部件还受到来自钻探泥浆的磨损和磨蚀、以及钻柱的振动。

在整个钻探运行中，钻头可能受到多种作用在钻柱上的载荷。作用在钻柱上的基本载荷有：轴向拉压，扭转，弯曲，压力和温度。所有这些载荷导致应变施加到钻柱。这些载荷可能是静载荷或动载荷且在钻探过程中波动。轴向拉压载荷是由于将钻探重量施加到钻头导致。这一般地称为“钻压”或WOB。钻压的实际量取决于钻柱的整体重量和施加在钻机处的拉压载荷的量。这典型地称为“大钩载荷”。影响施加到钻头的重量的次级载荷是静水压载荷和摩擦载荷。静水压载荷取决于钻头的深度和钻探流体的密度。由于钻柱和钻孔之间的接触，另外还存在沿钻柱的长度的摩擦载荷。扭转载荷施加到钻柱以在钻头处提供足够的切割扭矩。钻头扭矩可通过两个方式施加：通过钻机处的马达施加，所述马达使钻柱旋转而钻柱又使钻头旋转，和/或通过井下马达施加，所述井下马达使恰好在钻头上方的驱动轴旋转。钻柱弯曲来自钻探轨迹的曲率，钻柱由于重力的下垂和屈曲。典型地，钻探越深温度越高。然而，在不同的地层内可能存在温度变化。环面温度和钻柱的孔内的流体内的温度可能略微不同。孔温度倾向于略低于环面温度。

施加到钻柱的载荷使钻柱材料受到应变。应变计可用于测量这些载荷。应变计定位在钻铤上，使其受到一定的应变。应变计以电桥布置连接，使得应变计测量了希望的载荷同时消除了其他载荷的影响。例如，应变计可安装在钻铤上且相互连接，使得电桥仅测量弯曲载荷，而除去拉压载荷与扭矩载荷。压力和温度应变不能被消除。因此，这些载荷和测量值和修正因数应用于测量。测量值可井下记录和/或通过泥浆脉冲或布线的管道传递到地面。

在此通过引用完整合并的题为“Apparatus for Measuring Weight and Torque on a Drill Bit Operating in a Well”的美国专利No.6,547,016提供了用于计算钻压和钻头上扭矩（torque on bit）的方法，其方式使得弯曲的效应不影响计算，但不包括任何用于测量弯曲的效应的方式。

发明内容

在常规的钻压和钻头上扭矩测量系统中缺乏测量弯曲载荷的方法。在此公开了用于测量钻头上的弯曲的方法和设备。合并了以所公开的方式测量弯曲载荷的应变计的益处尚未被实现。这样的设备包括在钻管内形成的第一、第二和第三凹穴，其中凹穴围绕钻管大致等距地周向间隔开。凹穴中的每个凹穴形成至少一个壁，且应变传感器的组被附着到每个凹穴内的壁上。电路连接了每组内的应变传感器中的每个应变传感器，从而形成了带有第一、第二、第三和第四桥臂的电桥。电桥布置为使得设备能够感测钻头的弯曲。

另外，设备可包括类似的可测量施加到钻头的重量和/或扭矩的传感器布置。在此设备中，用于每个测量类型的传感器的组可通过电路布置和连接以形成电桥。电桥可布置为允许每组传感器可单独地测量钻头上的弯曲、重量和扭矩。

附图说明

图1是钻机的部分示意图，其中钻柱合并了根据本发明的用于测量钻头上的弯曲的设备。

图2是钻铤的一部分的视图。

图3是通过图1中示出的钻柱的钻铤部分的纵向截面图。