CN102741503A - 用于测量在井中工作的钻头上的弯曲的设备 - Google Patents

Abstract

一种用于测量施加到钻头上的弯曲的设备，所述钻头进行井下钻孔工作，所述设备包括至少三个围绕钻柱的其上接附了钻头的钻铤等距地周向间隔开的凹穴。四个应变计围绕凹穴中的每个凹穴等距地周向间隔开以形成第一和第二组应变计。第一组内的应变计连接为一个惠斯通电桥，而第二组内的应变计连接为第二电桥。在凹穴中的每个凹穴内类似地定向的应变计中的每个应变计在电桥的单个桥臂内串联连接，使得电桥的输出电压不受钻柱内的弯曲的影响。第一电桥的输出用于确定钻头上的弯曲。此外，用于测量进行井钻孔工作的钻头上的弯曲、质量和扭矩的设备可包括围绕钻柱的其上接附了钻头的钻铤等距地间隔开的至少三个凹穴，所述三个凹穴带有十二个应变计，所述应变计围绕凹穴中的每个凹穴等距地周向间隔开以形成第一和第二组应变计。十二个应变计的布置考虑了消除钻压和钻头上的扭矩的影响的钻头上的弯曲测量。

Description

用于测量在井中工作的钻头上的弯曲的设备

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 Weightand 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。

图4是沿图3中的线III-III截取横向截面图。

图5A是沿图3中的线IV-IV截取的向凹穴内观察的正视图，其中塞被移除，从而示出了钻头应变计上的弯曲的定向。

图5B是图5A中示出的凹穴的等轴测视图。

图6是根据本发明的用于测量钻头上的弯曲的系统的示意图。

图7是沿图5A中的线VI-VI截取的视图，图中示出了凹穴侧壁上附着了钻头上的弯曲应变计的部分。

图8A是沿图3中的线IV-IV截取的向凹穴内观察的正视图，其中塞被移除，从而示出了钻压、钻头上扭矩和钻头应变计上的弯曲的定向。

图8B是图8A中示出的凹穴的等轴测视图。

图9（a）、（c）和（d）分别示出了处于压缩、拉压和扭转下的凹穴的扭曲的夸大的视图。图9（b）描绘了孔内对于拉压和扭矩的应变模式的另一个示例。

图10是根据本发明的用于测量钻头上的拉压、扭矩和弯曲的系统的示意图。

图11是类似于图4的视图，图中示出了所公开的技术的替代实施例。

图12是图4中示出的凹穴中的一个凹穴的细节图。

图13是图12中示出的凹穴的替代实施例。

具体实施方式

在此公开了用于测量钻头上弯曲（BOB）的技术。弯曲载荷是钻柱的纵向轴线的弯曲。涉及钻头上弯曲的信息可对于钻探操作者提供有用的信息。例如，当旋转时受到弯曲应变的钻杆经历了典型的变化的弯曲应力，所述弯曲应力可导致钻头从其意图路线的偏移。因此，涉及钻头上弯曲的信息可警告操作者采取合适的修正动作，以使钻头返回到其意图的路径。足够大的弯曲载荷可导致每转上的疲劳损伤。如果已知，则操作者可采取修正措施来降低弯曲的量，所述措施可包括替换钻柱的变形的部分。以此方式，涉及钻头上弯曲的信息可保证在公差界限内钻探目标地层，从而有助于避免浪费钻探时间。此外，操作者可使用钻头上弯曲信息来实现更好的钻柱定向控制。

可使用所公开的测量钻头上弯曲的技术的钻探系统在图1中示出。系统包括支承钻柱4的井架9。钻头8联接到钻柱4的钻铤部分6的远端端部。钻头可以是在钻探操作中使用的任何合适的钻头，包括常规钻头、取芯钻头和铰孔器。钻头8在底层3中形成钻孔2。钻头8上的重量通过改变井架9上的大钩载荷来控制。原动机（未示出）驱动传动装置7，传动装置7使钻柱4旋转以控制钻头8上的扭矩。

如常规情况，泵10将钻探泥浆14向下泵送通过钻柱4内的如在图3中示出的内部通道18。当在钻头8处离开后，返回的钻探泥浆16通过形成在钻柱4和钻孔2之间的环形通道向上流向地面。如另外的常规情况，地面处的数据采集系统12感测钻探泥浆14内的由泥浆牵引器5造成的压力脉动，所述压力脉动包含涉及钻探操作的编码的信息。弯矩可通过钻头上的反作用力和在钻探流体（例如，泥浆）中的钻柱的浮重而叠加在钻头上。钻柱方向上的角度可导致弯曲，特别地在钻孔内的发生方向改变的接合部处。在钻柱上的重量越大（例如，从顶部驱动组件悬挂的相互连接的管的数量越大），则在接合部处可导致越大的应力。

图2示出了作用在钻柱上的主要相关载荷。拉压载荷是力图于沿钻铤的纵向轴线拉伸或压缩钻柱的力或多个力19a、19b。扭转载荷20a、20b力图于围绕纵向轴线扭曲钻柱。弯曲载荷21a、21b是纵向轴线的弯曲。钻柱上的弯曲载荷可由于钻柱通过其进行钻孔的孔的曲率导致。例如，如果希望在地层内形成的钻孔-孔不直指向下到大地内而是改变方向或成角度地被钻孔（如在图1中示出），则钻柱弯曲以容许方向改变。钻头上的重量可在沿钻柱的不同点处导致屈曲和弯曲应力。“钻压”的量可通过在从顶部驱动组件悬挂被螺纹连接在一起而形成钻柱的一系列的钻铤和钻管时调整施加到钻头的重量而变化。当钻柱旋转时，弯曲应力可能改变，这可能修改了拉压应力值。如在下文中更详细地描述，应变计可安装在钻铤6内的圆形凹穴17中的合适的位置处，以测量作用在钻柱上的拉压、扭转和弯曲载荷。

钻铤6详细地在图3和图4中示出。如常规情况，钻铤6由钻管的在每个端部（未示出）处具有螺纹连接的部分形成，该部分允许被联接到钻柱内。例如，钻铤的一端联接到从图1中可见的钻头8，而另一端联接到钻柱的孔上部分。根据所公开的技术，在图4中标记为P1、P2和P3的三个凹穴37围绕钻铤6的圆周等距地周向间隔开。一个示例的凹穴P2在图3中可见，图3描绘了钻柱的钻铤部分的截面图。优选地，凹穴P1、P2和P3位于与钻铤6的中心线E垂直地定向的共同的平面内。每个凹穴P1、P2、P3从钻铤6的表面径向向内向中心线E延伸，以形成圆柱形侧壁38和底壁35（见图5B）。每个凹穴37通过盖36覆盖，所述盖36通过扣合环（未示出）固定到钻铤6，且整合有将凹穴与钻探泥浆16密封隔离的O形圈（未示出）。

如在图5A和图5B中示出，第一横向延伸的通道24将凹穴P1和P2连接，且第二横向延伸的通道22将凹穴P2和P3连接。如在图5A中示出，轴向延伸的通道34将凹穴P2连接到形成在钻铤6内的凹陷26。电路板30和微处理器32容纳在凹陷26内，所述凹陷26以盖36密封。通道22、24和34允许电导体在凹穴P1、P2和P3之间且在凹穴P2和凹陷26之间扩展，以完成将在下文中详述的电路。

位于钻柱远端端部处的钻头可通过在地面处旋转钻柱而被旋转。因此，钻铤6和凹穴P1、P2、P3可旋转。如果钻柱和钻铤正在旋转，则轴向拉伸或压缩将随时间改变。在弯曲的内侧，应变计将被压缩，而在外侧将被拉伸。在凹穴P1、P2、P3旋转时测量到的弯曲将大致正弦地改变。弯矩将等于在覆盖了数个旋转周期的时间上的最大读数和最小读数之间的差的一半，即：

BOB=(M_max-M_min)/2

结果对于所有凹穴取平均以得到最好的结果。此测量方法可消除由于钻压或压力导致的对于弯曲测量的影响，因为WOB和压力测量值将对于所有的凹穴相等且不取决于钻铤的定向。旋转方法可与一个或多个WOB电桥一起使用。为确定钻柱或钻铤是否正在旋转，在不存在旋转传感器的情况下，可使用对于单个读数变化的界限。例如，下式可定义非旋转（非弯曲）状态：

(M_max-M_min)/(M_max+M_min)<L

其中M是给定的电桥的WOB测量值

L是界限（例如，1%至3%）。

如果所有三个电桥产生满足此准则的结果，则可认定钻铤正在旋转且可使用此方法。如在图5A和图5B中所示，例如金属箔片或半导体类型的常规的应变计39附着到凹穴BOB P1、P2和P3中的每个凹穴的侧壁38。在图4中示出了对于凹穴P2的钻头上弯曲（BOB）应变计39的布置细节，但应理解的是BOB应变计在各凹穴中的布置是相同的。如在图5A中所示，四个钻头上弯曲（BOB）应变计39围绕凹穴侧壁38的圆周等距地间隔开。参考所示出的应变计中的每个应变计的定向角度，四个BOB应变计39示出为围绕凹穴侧壁38在角度0度、90度、180度和270度定向（即，BOB-P2₀，BOB-P2₉₀，BOB-P2₁₈₀，BOB-P2₂₇₀）处间隔开。

如在图5B中示出，BOB应变计在相同的平面上纵向定位在钻铤内。在每个凹穴P内的应变计被电连接，以形成三组应变计（即，三个凹穴的每个凹穴内一组），每组应变计包括四个应变计（即，每个凹穴内四个应变计）。凹穴P2内的第一组应变计中的应变计39标记为BOB-P2₀，BOB-P2₉₀，BOB-P2₁₈₀和BOB-P2₂₇₀，且与其他两个凹穴内的类似地定向的应变计一起用于确定钻头8上的弯曲。应变计BOB-P2₀和BOB-P2₁₈₀布置在凹穴侧壁38的相对侧上且沿线A定位，所述线A平行于钻铤6的中心线E，使得BOB-P2₀布置在0度周向定向处且BOB-P2₁₈₀布置在180度周向定向处，其中0度是凹穴P2的上止点。应变计BOB-P2₉₀和BOB-P2₂₇₀也布置在凹穴侧壁38的相对侧上且沿垂直于线A且因此与钻铤6的中心线E垂直的线C定位，使得BOB-P2₉₀布置在90度周向定向处且BOB-P2₂₇₀布置在270度周向定向处。

如在图6中示出，BOB测量利用了在三个环凹穴P1、P2和P3的每个环凹穴内的四个应变计。在来自三个凹穴中的每个凹穴的第一组应变计中的四个BOB应变计形成为第一惠斯通电桥90，所述电桥90包括布置在四个桥臂L₁、L₂、L₃和L₄内的十二个BOB应变计，其中桥臂L₁和L₂相对，且桥臂L₃和L₄相对。每个桥臂L₁、L₂、L₃和L₄使用三个应变计，其中的每个应变计来自所述凹穴的每个凹穴中的类似的位置。如所示出，在三个凹穴中的每个凹穴内的处于0度定向处的BOB应变计沿桥臂L₁串联连接，在三个凹穴中的每个凹穴内的处于180度定向处的BOB应变计沿桥臂L₃串联连接，在三个凹穴中的每个凹穴内的处于90度定向处的BOB应变计沿桥臂L₂串联连接，且在三个凹穴中的每个凹穴内的处于270度定向处的BOB应变计沿桥臂L₄串联连接。通过桥臂L₁和L₃形成的接头形成了第一输入端子I1，而通过桥臂L₂和L₄形成的接头形成了第二输入端子I2。通过桥臂L₂和L₃形成的接头形成了第一输出端子O₁，而通过桥臂L₄和L₁形成的接头形成了第二输出端子O₂。

可能希望的是除了弯曲外,还测量钻头上的拉压载荷和扭转载荷。因此，除BOB应变计外，WOB和TOB应变计可附着到凹穴侧壁。例如，图7示出了凹穴侧壁的示例部分和BOB应变计39A、WOB应变计39B以及TOB应变计39C的布置。钻压（WOB）应变计与BOB应变计定位在相同的定向（即，0度、90度、180度和270度）中的每个定向上，因此BOB和WOB应变计示出为处在侧壁38上的相同的径向位置处。WOB应变计可在凹穴内在相同的定向0度、90度、180度和270度的每个处定位在BOB应变计上方或下方，只要WOB应变计沿相同平面纵向定位，且BOB应变计沿相同平面纵向定位。在图7中，WOB应变计定位在BOB应变计下方。

每个应变计39定向为使其感应轴线定向在相对于圆柱形侧壁38的周向方向上。应变计安装在圆凹穴内，其位置使得可进行单独的拉压、扭转和弯曲的测量。图8A和图8B描绘了带有所有三个类型的应变计的钻铤的示例实施例：八个（WOB）应变计，四个钻头上扭矩（TOB）应变计和四个钻头上弯曲（BOB）应变计39，所述应变计围绕凹穴侧壁38的圆周等距地间隔开。参考对于应变计中的每个示出的定向角度，四个BOB应变计39示出为围绕凹穴侧壁38的圆周在角度0度、90度、180度和270度定向处间隔开。在BOB应变计的每个位置处，在相同的定向0度、90度、180度和270度的每个中，可存在钻压（WOB）应变计。WOB应变计可在凹穴内定位在BOB应变计上方或下方。在图8A中，WOB应变计定位在BOB应变计下方，如通过图8B中的凹穴的等轴测图所示，在此所述WOB应变计在钻铤的截面中不可见。图8B中的等轴测视图更清晰地描绘了BOB应变计和WOB应变计。

如在图8B中所述，TOB和WOB应变计在钻铤内纵向定位在相同的平面上，且此平面低于BOB应变计定位在其上的平面。WOB、BOB和TOB应变计可相对于其感应轴线以类似的定向定位。WOB应变计定位在与BOB应变计相同的定向中，即在0度、90度、180度和270度定向处，但每个WOB应变计在凹穴内定位在BOB应变计上方（即向页面内），但在与TOB应变计定位在相同的平面上（见图8B）。因为WOB应变计不同的平面上定位在BOB应变计的每个的正好下方，所以WOB应变计在图8A中不可见。然而，如在图8B内的凹穴P2的等轴测视图中所示，WOB应变计在凹穴内定位在与TOB应变计相同的平面上，但定位在比其上定位有BOB应变计的平面更低的平面上。在另一个示例实施例中，BOB应变计可定位在与WOB应变计相同的定向内，即定位在0度、90度、180度和270度定向处，但BOB应变计可处在与TOB应变计相同的平面上，且WOB应变计可处在高于或低于TOB应变计的平面上。构思的是三组应变计中的任何组应变计可定位在与另一组应变计的平面不同的纵向平面上。

在图8A中，每个凹穴P内的应变计电连接以形成三组应变计，每组包括四个应变计。凹穴P2内的第一组应变计中的应变计39标记为BOB-P2₀，BOB-P2₉₀，BOB-P2₁₈₀和BOB-P2₂₇₀，且与其他两个凹穴内的类似地定向的应变计一起用于确定钻头8上的弯曲。应变计BOB-P2₀和BOB-P2₁₈₀布置在凹穴侧壁38的相对侧上，且沿与钻铤6的中心线E平行的线A定位，使得BOB-P2₀位于0度周向定向处且BOB-P2₁₈₀位于180度定向处，其中0度为凹穴P2的上止点。应变计BOB-P2₉₀和BOB-P2₂₇₀也布置在凹穴侧壁38的相对侧上，且沿垂直于线A且因此与钻铤6的中心线E垂直的线C定位，使得BOB-P2₉₀位于90度周向定向处且BOB-P2₂₇₀位于270度定向处。

凹穴P2内的第二组应变计39标记为TOB-P2₄₅,TOB-P2₁₃₅,TOB-P2₂₂₅和TOB-P2₃₁₅,且与其他两个凹穴内的类似地定向的应变计一起用于确定钻头8上的扭矩。应变计TOB-P2₄₅和TOB-P2₂₂₅布置在凹穴侧壁38的相对侧上且沿与钻铤6的中心线E成45度的线B定位，使得TOB-P2₄₅位于45度周向定向处且TOB-P2₂₂₅位于225度定向处。应变计TOB-P2₁₃₅和TOB-P2₃₁₅也布置在凹穴侧壁38的相对侧上，且沿垂直于线B且因此与钻铤6的中心线E也成45度的线D定位，使得TOB-P2₁₃₅位于135度周向定向处且TOB-P2₃₁₅位于315度定向处。

凹穴P2内的第三组应变计39可以是图5B中示出的钻压应变计，但在图8A中不可见，因为四个应变计WOB即WOB-P2₀、WOB-P2₉₀、WOB-P2₁₈₀、WOB-P2₂₇₀中的每个都定位在四个所示的BOB应变计的正下方。所述钻压应变计与其他两个凹穴内的类似地定向的应变计一起用于确定钻头8上的重量。类似于应变计BOB-P2₀和BOB-P2₁₈₀，应变计WOB-P2₀和WOB-P2₁₈₀可沿与钻铤6的中心线E平行的线A布置在凹穴侧壁38的相对侧上，使得WOB-P2₀位于0度周向定向处且WOB-P2₁₈₀位于180度定向处，其中0度为凹穴P2的上止点。另外类似于应变计BOB-P2₉₀和BOB-P2₂₇₀，应变计WOB-P2₉₀和WOB-P2₂₇₀也布置在凹穴侧壁38的相对侧上，且沿垂直于线A且因此与钻铤6的中心线E垂直的线C定位，使得WOB-P2₉₀位于90度周向定向处且WOB-P2₂₇₀位于270度定向处。WOB应变计可定位在BOB应变计下方，如在图8B中示出，或WOB应变计可位于BOB应变计上方。

如前所述，凹穴P1、P2和P3内的每个单独组内的应变计同等地布置。

参考图9A至图9D，认为类似于图4中的实施例，WOB和TOB应变计在凹穴内横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）每个BOB应变计定位为高于每个WOB应变计。然而，注意到的是BOB应变计可放置在WOB应变计上方、顶上和下方。该布置表示为W/BOB，从而指示WOB和BOB应变计以某一径向次序位于具体的定向处，其中一个类型的应变计位于另一类型的应变计的上方。在图9（a）中，当钻铤6的在凹穴P附近的部分受到纯轴向压缩时，应变计WOB₀和WOB₁₈₀处于拉伸中，而应变计WOB₉₀和WOB₂₇₀处于压缩中。

在图9（b）中，当钻铤6的在凹穴P附近的部分受到纯轴向拉伸时，应变计W/BOB₀和W/B OB₁₈₀处于压缩中，而应变计W/BOB₉₀和W/B OB₂₇₀处于拉伸中。对于同一具体应变计，在扭矩应变计的每个位置处的WOB和BOB应变相同。然而，应变不为零。TOB电桥布置设计为消除这些应变。由于扭矩载荷建立的应变是不同的，且在扭矩应变位置处发生在不同的方向上。TOB电桥布置为测量这些应变。轴向拉压可导致钻铤上的弯曲应力和/或应变。BOB₀，BOB₁₈₀，BOB₉₀和BOB₂₇₀应变计测量由于弯曲导致的应变。BOB₀，BOB₁₈₀，BOB₉₀和BOB₂₇应变计测量由于轴向拉伸导致的应变。

图9（c）描绘了在孔内用于拉压和扭矩的应变计模式的另一个示例。内部线8表示未偏转的凹穴。外部线9表示当孔处于拉压时的应力形式，例如在图9（b）中所示的情况。位于0度和180度处的应变计感测了钻铤内此截面处的3×公称应变。例如，如果存在公称拉应变，则这些应变计的位置处的应变为3×公称应变。在90度和270度处的应变是等于-1/3×公称应变的压应变。例如，如在图9（b）中所示，在W/BOB₀和W/B OB₁₈₀处，应变是公称应变的三倍。在W/BOB₉₀和W/BOB₂₇₀处，应变是公称应变的-1/3倍。

WOB、BOB和TOB应变计连接为电桥布置。这允许装置测量希望的测量值，而消除其他测量值的影响。例如，当施加轴向载荷时，电桥布置将应变测量值组合以消除此载荷。用于BOB和TOB的电桥布置消除了轴向载荷。如参考图10更详细地描述，包括不同类型的应变计之间的电连接的WOB和BOB应变计的布置允许了钻压的测量而同时消除弯曲的影响，且允许测量钻铤上的弯曲而同时消除应变的影响。

如在图9（d）中示出，当钻铤6的在凹穴P附近的部分受到纯拉伸时，应变计TOB₄₅和TOB₂₂₅处于压缩，而应变计TOB₁₃₅和TOB₃₁₅处于拉伸。然而，四个WOB应变计和四个BOB应变计不受影响。使用在图9（d）中示出的TOB应变计的TOB电桥布置设计为抵消这些应变。由于扭矩载荷建立的应变是不同的且在扭矩应变计位置处发生在不同的方向D1和D2上。TOB电桥布置为测量这些应变。

图10描绘了用于测量钻压、钻头上弯曲和钻头上扭矩的示意图，图中示出了三个惠斯通电桥，分别用于WOB应变计70、BOB应变计90和TOB应变计80。

如在图10中示出，来自三个凹穴P1、P2和P3中的每个凹穴的第一组应变计中的四个WOB应变计形成为第一惠斯通电桥70，所述第一惠斯通电桥70包括十二个布置在四个桥臂L₁、L₂、L₃和L₄内的WOB应变计，使得桥臂L₁与桥臂L₃相对，且桥臂L₂与桥臂L₄相对。例如，桥臂L₁包括WOB-P1₀（来自凹穴1即凹穴P1的处于0度定向的WOB应变计）、WOB-P2₀（来自凹穴2即凹穴P2的处于0度定向的WOB应变计）和WOB-P3₀（来自凹穴3即凹穴P3的处于0度定向的WOB应变计）。每个桥臂L₁、L₂、L₃和L₄使用三个应变计，每个应变计来自所述凹穴中的每个凹穴内的类似位置。如所示的，在三个凹穴中的每个凹穴内处于0度定向处的WOB应变计沿桥臂L₁串联连接，在三个凹穴中的每个凹穴内处于90度定向处的WOB应变计沿桥臂L₂串联连接，在三个凹穴中的每个凹穴内处于180度定向处的WOB应变计沿桥臂L₃串联连接，且在三个凹穴中的每个凹穴内处于270度定向处的WOB应变计沿桥臂L₄串联连接。通过桥臂L₁和L₂形成的接头形成了第一输入端子I₁，而通过桥臂L₃和L₄形成的接头形成了第二输入端子I₂，而通过桥臂L₂和L₃形成的接头形成了第一输出端子O₁，而通过桥臂L₄和L₁形成的接头形成了第二输出端子O₂。

也如在图10中示出，在来自三个凹穴中的每个凹穴的第二组应变计中的四个TOB应变计形成为第二惠斯通电桥80，所述第二惠斯通电桥80包括布置在四个桥臂L₁、L₂、L₃和L₄内的十二个TOB应变计，其中桥臂L₁和L₃相对，且桥臂L₂和L₄相对。如所示出的，在三个凹穴中的每个凹穴内处于45度定向的TOB应变计沿桥臂L₁串联连接，在三个凹穴中的每个凹穴内处于135度定向的TOB应变计沿桥臂L₂串联连接，在三个凹穴中的每个凹穴内处于225度定向的TOB应变计沿桥臂L₃串联连接，在三个凹穴中的每个凹穴内处于315度定向的TOB应变计沿桥臂L₄串联连接。通过桥臂L₁和L₂形成的接头形成了第一输入端子I₁，而通过桥臂L₃和L₄形成的接头形成了第二输入端子I₂，而通过桥臂L₂和L₃形成的接头形成了第一输出端子O₁，而通过桥臂L₄和L₁形成的接头形成了第二输出端子O₂。

BOB惠斯通电桥90类似于以上参考图6所述的电桥。在来自三个凹穴中的每个凹穴的第一组应变计中的四个BOB应变计形成为第一惠斯通电桥90，所述第一惠斯通电桥90包括布置在四个桥臂L₁、L₂、L₃和L₄内的十二个BOB应变计，其中桥臂L₁和L₂相对，且桥臂L₃和L₄相对。如所示出，在三个凹穴中的每个凹穴内处于0度定向的BOB应变计沿桥臂L₁串联连接，在三个凹穴中的每个凹穴内处于180度定向的BOB应变计沿桥臂L₃串联连接，在三个凹穴中的每个凹穴内处于90度定向的BOB应变计沿桥臂L₂串联连接，在三个凹穴中的每个凹穴内处于270度定向的TOB应变计沿桥臂L₄串联连接。

如常规情况，在运行中电压V施加在电桥70、80和90中的每个电桥的输入端子对I₁、I₂、I₃两端。每个电桥内的应变计的电阻使得在应变计未受应变时电桥平衡，且在输出端子对O₁、O₂、O₃两端的电压AV为零。然而，应变计的电阻随应变成比例地变化，使得钻铤的形成应变计附着到其上的凹穴壁的部分的变形将导致在输出端子两端的电压降AV。

重要地，作为根据本发明的应变计的布置的结果，由于施加到钻头8的侧向力导致的钻铤6上的弯曲载荷的变化将对于WOB或TOB电桥中的任一个电桥的输出电压V无影响。例如，作为根据本发明的应变计的布置的结果，由于施加到钻头8的侧向力导致的钻铤6上的重量载荷或扭转载荷的变化将对于WOB、BOB或TOB电桥的输出电压V无影响。这是因为由于弯曲所导致的应变的净效应在电桥的桥臂中的每个桥臂内被抵消。类似地，重量或扭矩电压抵消，使得重量和扭矩的净效应在BOB电桥的桥臂中的每个桥臂内被抵消。在WOB惠斯通电桥内的桥臂布置和BOB惠斯通电桥内的桥臂布置之间的差异是明显的（另在图6中示出）。电连接的变化抵消了钻压测量值，使得可评估仅钻铤上的弯曲。

参考WOB测量值，TOB和弯曲对于WOB电桥的输出电压无影响。对于惠斯通电桥的一般的公式为：

AE=V*r/(1+r)²*(AAR1/R-AR2/R+AR3/R3-AR4/R4)

假定在轴向方向上的1in/in应变为单位测量值，且在横向方向上的单位测量值为3in/in应变，则WOB电桥因数如下：

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

弯曲被抵消，这是由于电桥的每个臂具有值为“0”的电阻的净改变。假定钻铤定向为在凹穴1的法向上使得凹穴1具有全弯曲应变，则相对于凹穴1具有120度布置的其他两个凹穴的应变为凹穴1的应变的一半。该应变也与凹穴1的应变相反。因此，对于弯曲：

Ng=0-.5-.5)/34-1+15+15)/34(1-.5-5)/3-(-.3+15+15)/3)=0

对于扭矩，WOB应变计中的每个应变计内的应变为零，且因此不影响测量值。

例如，趋向于使钻铤6的顶部如在图2中所示向左弯曲的弯矩将使凹穴P2处于轴向压缩，如图9（a）中所示，使得例如应变计BOB-P2₀处于拉伸，因此增加其电阻。然而，凹穴P2和P3则处于轴向拉伸，如图9（b）所示，使得BOB-P1₀和BOB-P3₀每个处于压缩，因此降低了其电阻。因为应变计BOB-P1₀、BOB-P2₀和BOB-P3₀在BOB电桥的桥臂L₁内串联，所以不存在此桥臂的电阻的净改变。类似的抵消发生在BOB电桥的其他三个桥臂中，使得钻铤上的弯曲应变不导致在BOB电桥的输出端子两端的电压改变。因为TOB应变计沿与钻铤6的中心线成45度定向的线布置，所以TOB电桥布置设计为抵消此应变。扭矩载荷所建立的应变不同，且在扭矩应变计位置处在不同的方向D1和D2上发生。TOB电桥布置为测量这些应变。因为WOB应变计以不同的方式串联连接，所以BOB电桥不受弯曲应变的影响。

参考TOB测量值，TOB使用类似于WOB电桥的惠斯通电桥。差异在于TOB应变计定向为使得它们测量钻铤上的扭矩导致的应变（如上所述）。应变计安装为相对于WOB应变计成45度（图11），这是钻铤内的扭矩的最大主应变的轴线。扭矩在每个凹穴内的相互相对的两个应变计上建立拉伸应变，且在其他两个应变计内建立压缩应变。电桥电路布置为使得类似的应变计处在电桥的相对的臂内。电桥因数则变成：

Ng=(1+1+1)/3-(-1-1-1)/3+(1+1+1)/3-(-1-1-1)/3=4

在TOB应变计处的WOB应变对于所有应变计相同。因此，WOB在TOB电桥上的效应为：

Ng=(1+1+1)/3-(1+1+1)/3+(1+1+1)/3-(1+1+1)/3=0

因此，WOB应变计对于TOB电桥自抵消。

类似地，考虑趋向于使钻铤6的顶部弯曲的弯矩，如上参考BOB电桥所述，所述弯矩使凹穴P2处于轴向压缩，如在图7（a）中所示，使得例如应变计WOB-P2₀处于拉伸，因此增加其电阻。然而，凹穴P2和P3则处于轴向拉伸，如在图7（b）中所示，使得应变计WOB-P1₀和WOB-P3₀每个均处于压缩，因此降低其电阻。因为WOB-P1₀、WOB-P2₀和WOB-P3₀在WOB电桥的桥臂L₁中串联连接，所以不存在此桥臂的电阻的净改变。在WOB电桥的其他三个桥臂内发生类似的抵消，使得钻铤上的弯曲应变不导致在WOB电桥的输出端子两端的电压的改变。因为TOB应变计沿与钻铤6的中心线成45度定向的线布置，所以TOB电桥也不受弯曲应变的影响。

如在上文中所述，参考BOB测量值，WOB和TOB对于BOB电桥的输出电压无影响。

通过WOB电桥70、TOB电桥80和BOB电桥90所指示的应变可根据在其输出端子两端的电压AV通过下式确定：

其中：

V=在电桥的输入端子两端施加的电压

ΔV=在电桥的输出端子两端的电压降

K_g=对于应变计的应变计因数（来自应变计制造商）

钻压、钻头上扭矩和钻头上弯曲根据这些应变通过下式确定：

其中

WOB=钻头上的重量

TOB=钻头上的扭矩

BOB=钻头上的弯矩

E=钻铤材料的弹性模量

G=钻铤材料的剪切模量

A=钻铤的横截面积

J=钻铤的扭转模量

R=钻铤的半径

k_t=凹穴的应力集中因数

如在图10中所示，来自WOB电桥70、TOB电桥80和BOB电桥90的电压降ΔV分别通过放大器40、42和43放大，且然后通过整合在电路板30内的常规的电压测量装置感测。来自电压测量装置的表示了通过WOB、TOB和BOB应变计感测到的应变的输出信号S₁、S₂和S₃分别发送到微处理器32，在此处将所述输出信号数字化。使用这些数字化的值，微处理器32被程序化为执行以上所述的计算，以得到钻压和钻头上扭矩。此信息被用泥浆脉冲器5发送到泥浆脉冲遥测系统50以传输到地面，在地面处所述信息被数据采集系统12检测。

优选地，将环面和钻孔压力换能器以及温度传感器整合到钻铤6中，以允许温度和压力补偿。通过本领域中已熟知的技术，微处理器使用压力测量值来计算由于压力导致的应变，且以视在应变减去它或加上它，以得到真实的WOB应变和TOB应变。类似地，基于由应变计制造商提供的另外被程序化到微处理器内的曲线，还对应变计进行温度修正。

虽然在优选实施例中，每个惠斯通电桥使用四个应变计，但本发明也可实施为使用仅两个TOB应变计，假定所述应变计相互相对，例如TOB-P2₄₅和TOB-P2₂₂₅或TOB-P2₁₃₅和TOB-P2₃₁₅。在此情况中，精密电阻器可使用在其他两个桥臂中以使电桥平衡。

虽然在以上所述的实施例中利用了三个凹穴P，但也可利用任何更多数量的凹穴，只要凹穴周向等距地间隔开且凹穴中的每个凹穴内的应变计如上所述地定向，且只要在每个凹穴内的在相同的位置定向的应变计中的每个（例如，0度应变计中的每个）都连接到电桥的同一桥臂。此外，虽然在以上所述的实施例中，每个凹穴内的所有应变计位于与凹穴的轴线垂直地定向的相同的平面内，但应变计可沿与凹穴的轴向垂直地定向的但沿此轴线相互分离的不同平面布置，只要每对相对的应变计（例如，0度和180度的应变计的对）都位于大致相同的平面内。此外，虽然在以上所述的实施例中，WOB和TOB位于相同的凹穴内，但WOB应变计可位于一组至少三个等距间隔开的凹穴内，且TOB应变计位于独立地另一组至少三个等距间隔开的凹穴内。虽然在以上所述的实施例中凹穴形成在钻管的形成钻铤的部分内，但钻柱的其他部分也可利用。图11示出了替代实施例，其中BOB和TOB应变计39围绕每个凹穴P的底壁35周向间隔开，且WOB应变计布置在侧壁上。替代地，BOB应变计可布置在侧壁38上而WOB和TOB应变计布置在底壁35上，或TOB应变计可布置在侧壁上使得BOB或WOB应变计布置在底壁上。

虽然在以上所述的实施例中利用了三个凹穴P，但也可利用任何更多数量的凹穴，只要凹穴周向等间距地间隔开且凹穴中的每个凹穴内的应变计如上所述定向，且只要在每个凹穴内的在相同的位置定向的应变计中的每个（例如，0度应变计中的每个）都连接到电桥的同一桥臂。此外，虽然在以上所述的实施例中，每个凹穴内的所有应变计位于与凹穴的轴线垂直地定向的共同的平面内，但应变计可沿与凹穴的轴向垂直地定向的但沿此轴线相互分离的不同平面布置，只要每对相对的应变计（例如，0度和180度的应变计的对）位于大致相同的平面内。此外，虽然在以上所述的实施例中，WOB和TOB位于相同的凹穴内，但WOB应变计可位于一组至少三个等距间隔开的凹穴内，且TOB应变计位于独立地另一组至少三个等距间隔开的凹穴内。虽然在以上所述的实施例中凹穴形成在钻管的形成钻铤的部分内，但钻柱的其他部分也可利用。

如在图12中所示，形成在钻铤6内的通道83允许凹穴37以惰性气体吹扫，例如氦或氮，以防止应变计39的降级。盖36可通过扣合环80固定在凹穴37内，且凹穴通过O型圈（未示出）与钻探泥浆14密封隔离，如在前述美国专利No.6,457,016中所论述。替代地，例如C形金属密封件的金属密封件可用于防止钻探泥浆14进入凹穴。与例如O型圈的弹性体密封件不同，金属密封件不随时间和温度退化，且不可渗透，且当反复暴露于高压和低压时不受到爆发性减压的困扰。合适的金属密封件可由Inconel 718、A286、NP35N、17-7PH或其他具有良好的耐腐蚀性的金属制成。在图12中示出的实施例中，使用了金属轴孔密封件81以在凹穴37和盖36之间形成密封。在另一个实施例中，使用金属面密封件82，如在图13中示出。在此实施例中，使用带有螺纹的盖36’以增大施加到密封件82的预载荷。在另一示例性实施例中，惰性气体填充口可整合在盖本身中。例如金属密封件或弹性体O型圈的密封件可作为第一密封件以防止钻探泥浆进入凹穴。作为第一密封件的此密封件也可进一步保持金属密封件清洁，且至少在某一时间段内不暴露于钻探流体。

因此，应认识到的是本发明可通过其他具体的形式实施，而不偏离本发明的精神和基本属性，且应参考如指示了本发明的范围的附带的权利要求，而非前述说明书。

Claims (17)

1.一种用于感测施加到钻头上的弯曲的设备，所述钻头联接到进行井中向下钻孔工作的钻柱，所述设备包括：

a）钻管，所述钻管限定了其中心线且具有联接到钻柱内部的装置；

b）形成在所述钻管中的至少第一、第二和第三凹穴，所述各凹穴围绕所述钻管大致等距地周向间隔开，所述凹穴中的每个凹穴都形成至少一个壁；

c）用于所述凹穴中的每个凹穴的一组应变传感器，各组应变传感器中的每组都附着到其各凹穴的所述壁，所述各组应变传感器中的每组都包括围绕其各凹穴的所述壁大致等距地周向地间隔开的第一、第二、第三和第四应变传感器，所述各组应变传感器中的每组内的所述第一应变传感器中的每个都与其各组内的所述第三应变传感器相对地布置，所述各组应变传感器中的每组内的所述第二应变传感器中的每个都与其各组内的所述第四应变传感器相对地布置，所述第一和第三应变传感器沿与所述钻管的所述中心线平行的线布置，所述第二和第四应变传感器沿垂直于所述钻管的所述中心线的线布置；

e）电路，所述电路连接所述组内的所述应变传感器中的每个应变传感器，所述电路形成电桥，所述电桥包括第一、第二、第三和第四桥臂，（i）所述电桥的所述第一桥臂与所述电桥的所述第三桥臂相对，（ii）所述电桥的所述第二桥臂与所述电桥的所述第四桥臂相对，（iii）所述应变传感器的组中的每组内的所述第一应变传感器中的每个都沿所述电桥的所述第一桥臂串联连接，（iv）所述应变传感器的组中的每组内的所述第二应变传感器中的每个都沿所述电桥的所述第二桥臂串联连接，（v）所述应变传感器的组中的每组内的所述第三应变传感器中的每个都沿所述电桥的所述第三桥臂串联连接，且（vi）所述应变传感器的组中的每组内的所述第四应变传感器中的每个都沿所述电桥的所述第四桥臂串联连接。

2.根据权利要求1所述的设备，其中（i）第一接头形成在所述第一桥臂和所述第二桥臂之间，（ii）第二接头形成在所述第三桥臂和所述第四桥臂之间，由此所述第一接头和所述第二接头形成了第一对端子，（iii）第三接头形成在所述第一桥臂和所述第四桥臂之间，（iv）第四接头形成在所述第二桥臂和所述第三桥臂之间，由此所述第三接头和所述第四接头形成了第二对端子。

3.根据权利要求2所述的设备，进一步包括：

f）用于在所述各对端子中的一对端子两端施加电压的装置；

g）用于感测在所述各对端子中的另一对端子两端的电压的装置；

h）用于根据所述感测到的电压来确定所述钻头上的所述弯曲的装置。

4.根据权利要求1所述的设备，进一步包括盖，所述盖用于封闭所述凹穴中的至少一个凹穴；金属密封件，所述金属密封件与所述盖协作以将所述凹穴与围绕钻柱的流体密封隔离。

5.根据权利要求1所述的设备，其中所述应变传感器的组中的每组都附着到其各凹穴的侧壁上。

6.根据权利要求1所述的设备，其中所述应变传感器的组中的每组都附着到其各凹穴的底壁上。

7.一种用于感测施加到钻头上的弯曲、重量和扭矩的设备，所述钻头进行井下钻孔工作，所述设备包括：

a）钻头；

b）钻柱，所述钻柱运行地联接到所述钻头并且具有靠近所述钻头布置的部分，所述钻柱的所述部分限定了其中心线；

c）形成在所述钻柱的所述部分内的至少第一、第二和第三凹穴，所述凹穴围绕所述钻头的所述部分大致等距地周向间隔开，所述凹穴中的每个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个凹穴的第一组应变传感器，所述第一组应变传感器中的每组都附着到其各凹穴的所述壁中的一个壁上，所述第一组应变传感器中的每组都包括围绕其各凹穴的所述壁中的所述一个壁大致等距地周向间隔开的第一、第二、第三和第四应变传感器，所述第一组应变传感器中的每组内的所述第一应变传感器中的每个都与其各组内的所述第三应变传感器相对地布置，所述第一组应变传感器中的每组内的所述第二应变传感器中的每个都与其各组内的所述第四应变传感器相对地布置，所述第一组应变传感器中的每组内的所述第一和第三应变传感器中的每个都沿与所述钻柱的所述部分的所述中心线大致平行的第一线布置，所述第一组应变传感器中的每组内的所述第二和第四应变传感器中的每个都沿大致垂直于所述钻柱的所述部分的所述中心线的第二线布置；

e）第一电路，所述第一电路与所述第一组应变传感器内的所述应变传感器中的每个应变传感器连接，所述第一电路形成第一电桥，所述第一电桥包括第一、第二、第三和第四桥臂，（i）所述第一和第二桥臂之间形成第一接头，（ii）所述第三和第四桥臂之间形成第二接头，由此所述第一和第二接头形成第一对端子，（iii）所述第一和第四桥臂之间形成第三接头，（iv）所述第二和第三桥臂之间形成第四接头，由此所述第三和第四接头形成第二对端子，（v）所述第一组应变传感器的每组内的所述第一应变传感器中的每个都沿所述第一电桥的所述第一桥臂串联连接，（vi）所述第一组应变传感器中的每组内的所述第二应变传感器中的每个都沿所述第一电桥的所述第二桥臂串联连接，（vii）所述第一组应变传感器中的每组内的所述第三应变传感器的每个都沿所述第一电桥的所述第三桥臂串联连接，且（viii）所述第一组应变传感器中的每组内的所述第四应变传感器中的每个都沿所述第一电桥的所述第四桥臂串联连接；

f）用于在所述第一电桥的所述第一和第二对端子中的一对端子两端施加电压的装置；

g）用于感测在所述第一电桥的第一和第二端子中的另一对端子两端的电压的装置；

h）用于根据在所述第一电桥两端感测到的所述电压来确定所述钻头上的所述重量的装置；

i）用于所述凹穴中的每个凹穴的第二组应变传感器，各所述第二组应变传感器中的每组都附着到其各凹穴的所述壁的一个壁上，所述第二组应变传感器中的每组都包括围绕其各凹穴的各壁中的所述一个壁间隔开的至少第五和第六应变传感器，所述第二组应变传感器中的每组内的所述第五应变传感器中的每个都与其各组内的所述第六应变传感器相对地布置，所述第二组应变传感器中的每组内的第五和第六应变传感器中的每个沿都与所述第一线大致成45度定向的第三线布置；

j）第二电路，所述第二电路与所述第二组应变传感器内的各所述应变传感器中的每个应变传感器连接，所述第二电路形成第二电桥，所述第二电桥包括第一、第二、第三和第四桥臂，所述第一桥臂与所述第三桥臂相对，所述第二组应变传感器中的每组内的所述第五应变传感器中的每个都沿所述第二电桥的所述第一桥臂串联连接，所述第二组应变传感器中的每组内的所述第六应变传感器中的每个都沿所述第二电桥的所述第三桥臂串联连接，所述第二电桥具有一对输入端子和一对输出端子；

k）用于在所述第二电桥的所述输入端子两端施加电压的装置；

l）用于感测在所述第二电桥的所述输出端子两端上的电压的装置；

m）用于根据在所述第二电桥的所述输出端子两端感测到的所述电压来确定所述钻头上的所述扭矩的装置；

n）用于所述凹穴中的每个凹穴的第三组应变传感器，所述第三组应变传感器中的每组都附着到其各凹穴的所述壁中的一个壁上，所述第三组应变传感器中的每组都包括第九、第十、第十一和第十二应变传感器，所述第九、第十、第十一和第十二应变传感器围绕其各凹穴的各壁中的所述一个壁大致等距地周向间隔开且相对于附着到其各凹穴的各壁中的一个壁的所述第一组应变传感器的每个径向地定位，所述第三组应变传感器中的每组内的所述第九应变传感器中的每个都与其各组内的所述第十应变传感器相对地布置，所述第三组应变传感器中的每组内的所述第十一应变传感器中的每个都与其各组内的所述第十二应变传感器相对地布置，所述第三组应变传感器中的每组内的第九和第十应变传感器中的每个都沿与所述钻柱的所述部分的所述中心线大致平行的第一线布置，所述第三组应变传感器中的每组内的第十一和第十二应变传感器中的每个都沿大致垂直于所述钻柱的所述部分的所述中心线的第二线布置；

o）第三电路，所述第三电路与所述第三组应变传感器内的所述应变传感器中的每个应变传感器连接，所述第三电路形成第三电桥，所述第三电桥包括第一、第二、第三和第四桥臂，（i）所述第三电路内的所述第一和第二桥臂之间形成第一接头，（ii）所述第三电路内的所述第三和第四桥臂之间形成第二接头，由此所述第一和第二接头形成第一对端子，（iii）所述第三电路内的所述第一和第四桥臂之间形成第三接头，（iv）所述第三电路内的所述第二和第三桥臂之间形成第四接头，由此所述第三和第四接头形成第二对端子，（v）所述第三组应变传感器中的每组内的所述第九应变传感器中的每个都沿所述第三电桥的所述第一桥臂串联连接，（vi）所述第三组应变传感器中的每组内的所述第十一应变传感器中的每个都沿所述第三电桥的所述第二桥臂串联连接，（vii）所述第三组应变传感器中的每组内的所述第十应变传感器中的每个都沿所述第三电桥的所述第三桥臂串联连接，且（viii）所述第三组应变传感器中的每组内的所述第十二应变传感器中的每个都沿所述第三电桥的所述第四桥臂串联连接；

p）用于在所述第二电桥的所述输入端子两端施加电压的装置；

l）用于感测在所述第二电桥的所述输出端子两端上的电压的装置；

m）用于根据在所述第二电桥的所述输出端子两端上感测到的所述电压来确定所述钻头上的所述弯曲的装置。

8.根据权利要求7所述的设备，其中所述凹穴中的每个凹穴的所述第一壁是侧壁，且其中所述第一组应变传感器中的每组应变传感器都附着到其各凹穴的所述侧壁上。

9.根据权利要求8所述的设备，其中所述第二组应变传感器中的每组都附着到其各凹穴的所述侧壁上。

10.根据权利要求7所述的设备，其中所述凹穴中的每个凹穴的所述第二壁是底壁，其中所述第二组应变传感器中的每组都附着到其各凹穴的所述底壁上。

11.根据权利要求7所述的设备，其中所述凹穴中的每个凹穴的所述第一壁是底壁，其中所述第一组应变传感器中的每组都附着到其各凹穴的所述底壁上。

12.根据权利要求11所述的设备，其中所述第二组应变传感器中的每组都附着到其各凹穴的所述底壁上。

13.根据权利要求11所述的设备，其中所述第二组应变传感器中的每组都附着到其各凹穴的侧壁上。

14.根据权利要求7所述的设备，进一步包括：盖，所述盖用于封闭所述凹穴中的至少一个凹穴；金属密封件，所述金属密封件与所述盖协作以将所述凹穴与围绕钻柱的流体密封隔离。

15.根据权利要求7所述的设备，其中来自所述第一组应变传感器中的应变传感器中的每个应变传感器的读数的变化的界限指示出钻柱的旋转。

16.根据权利要求7所述的设备，其中如果钻柱正在旋转，则弯矩等于在比旋转周期长的时间上所确定的最大重量和最小重量之间的差的一半。

17.一种用于感测施加到钻头的弯曲的方法，所述钻头联接到进行井中向下钻孔工作的钻柱，所述钻柱内形成有凹穴，在所述凹穴中布置了通过电路连接以形成电桥的应变传感器的组，所述方法包括如下步骤：

a）旋转所述钻柱，以使所述电桥的输出随所述钻柱旋转而在最大值和最小值之间周期地变化；

b）当所述钻柱旋转时，在某一时间段上测量所述电桥的变化的输出，以确定所述最大值和最小值；和

c）确定在所述时间段上所述电桥的输出的所述最大值和最小值之间的差。

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