CN100532779C - 智能钻杆补偿式电接头 - Google Patents

Abstract

智能钻杆补偿式电接头，用于智能钻井中既能建立有线实时双向闭环信息高速率数据传输通道，又能向井下输送电能。智能钻杆补偿式电接头主要由公母电接头两个部分组成。电流或信号从上部导线传输到公电接头的电导环上，再通过公母电接头的电导环的紧密接触传输到母电接头的电导环中，然后再流入到与电导环相接的导线里，依次循环，最后将电及信号传送到井底；同理，电流或信号的回路通过公母电接头的另外一对电导环实现。本发明专利具有自动补偿磨损、自洁、吸振、易于更换等特点，且结构简单、成本低，可用于任何类型的有线实时双向闭环信息高速率数据传输与电力传输的钻柱中，特别是在复杂结构井、特殊工艺井中。

Description

智能钻杆补偿式电接头

所属技术领域

本发明涉及一种用于智能钻井中既能建立有线实时双向闭环信息高速率数据传输通道，又能向井下输送电能的智能钻杆补偿式电接头。

背景技术

所谓智能钻井就是指既能建立有线实时双向闭环信息高速率数据传输通道，又能向井下输送电能的钻井方式。要实现智能钻井，必须解决钻杆接头间的电流流通问题。为此，必须设计一个电接头，要求电接头在有限的空间内，在高温高压且有导电作用的钻井液中工作，且实现电流的零泄漏。

早在20世纪30年代末，Crites et al.进行了电力钻井的结构设计，但没有得到应用。20世纪40年代，前苏联开始了智能钻杆的研究，并成功研制出了井下电钻，目前仍在使用，到1997年用电钻具钻井3200口，进尺达6，422，421km。但由于其电插头可靠性差，往往钻进1000m左右接头就因磨损而失效，且接头占用内径空间大，极大地增大了钻井液循环压耗。所以，该结构没有得到有效的推广。21世纪初，美国GrantPrideco公司与多家公司联合攻关，研制成功了57/8″的对接式接头的6芯智能钻杆等管体产品，拥有一些专利。不过，目前正在进行样机下井实验。国内相关石油高校与研究院所也开展了智能钻井技术方面的部分研究工作，但是，从公开发表的文章与申请的专利来看，还没有关于电接头结构设计方面的成果。

目前，国外设计的电接头主要分四类：本体(the main body)穿孔法、内径增厚法、湿接头法和端部(the nose section)加长法。

(1)本体(the main body)穿孔法

本体穿孔法的主要特点是在钻杆接头本体内钻细长孔。该法的优点是保证了钻井液循环的有效过流面积，缺点是在钻杆接头处钻孔严重影响了钻杆接头的强度和寿命，并且接触表面缺少自洁作用，若表面聚集有污垢，则容易造成接触不良。

(2)内径增厚法

内径增厚法的主要特点是电气连接件全部安装在钻杆接头内部。其缺陷是每个接头处的连接器占用了钻杆内径较大空间，使每个接头部位钻井液流通面积急剧变小，钻井液循环压耗远远大于普通钻柱的压耗。其典型结构就是前苏联的电钻具。

(3)湿接头法

其优点是电缆成整根通向井底，只要成功的对接上，就可以极大地减少失效的概率。其不足在于电缆悬空，若钻柱旋转则容易造成电缆缠绕，容易造成电缆断裂，所以通常只能用于滑动钻井中；在对接过程中，若触针上污垢不能得到有效的去除，也容易造成接触不良或短路。

(4)端部加长法

端部加长法是目前最为看好的一种方法(参考SPE79886)，是美国GRANT公司的专利产品结构。其特点是对公接头的端部加长，并在加长的端部安装导电环和绝缘材料。端部加长法主要以双台肩高抗扭钻杆接头为设计基础，在其端部具有气密的金属—金属密封，在其台肩上有一个常规的金属—金属密封。其公接头锻造加长端部，同时在金属—金属径向密封的后面切掉一部分金属材料以容纳导电环。三个孔由径向对准每个扁平导体钻入接头体内，并将导电环焊到扁平导体上，然后将整个组件用环氧树脂封装起来。当公接头和母接头旋合在一起时，整个电路相通。其优点是，没有在主体上钻孔，不会影响钻杆接头的强度，相反，采用双台肩钻杆还提高了接头的抗扭能力(其抗扭能力比标准API接头高70％)；并且，电气连接需要的所有组件几乎都安装在公、母接头的端部沟槽中，几乎不减少接头内径。但其缺点是该方法只能用在新结构——双台肩高抗扭钻杆接头上，而目前大量的已经生产出来的常规结构接头都不能采用，通用性不好；且接触面磨损后，没有自动补偿的功能，接触面间没有接触压力，自洁效果也不明显，因此寿命短。

根据以上分析，目前的设计都有一定的缺陷，不能得到广泛的应用，有必要设计一种新的结构来克服这些缺点，让智能钻井能够得到推广应用。

发明内容

为了克服现有电接头接触面磨损后，没有自动补偿，以及接触面间没有接触压力，影响钻杆电接头的寿命和密封性能等的不足，本发明提供一种智能钻杆补偿式电接头，可以实现接触面自洁，磨损后自动补偿磨损，且接触面有接触压力，从而增加钻杆电接头的使用寿命和密封性能。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：将公内绝缘密封圈、公内导电环、公外绝缘密封圈、公外导电环和导线密封块依次组装在公电接头金属挡环上，形成公电接头，然后将整个公电接头粘接在钻杆公接头端部，并与钻杆公接头内壁导线连接；将绝缘弹性体和导线密封块粘接在母电接头金属挡环上，然后依次将母内绝缘密封圈、母内导电环、母外绝缘密封圈、母外导电环粘接在绝缘弹性体上，形成母电接头，最后先将绝缘材料放入钻杆母接头退刀槽部位，再将整个母电接头粘接在钻杆母接头台阶上，并与钻杆母接头内壁导线连接，在钻杆公接头与钻杆母接头的螺纹旋紧状态下，绝缘弹性体压缩，公内导电环与母内导电环，公外导电环与母外导电环两两对应紧密接触。

所述绝缘弹性体为耐高温高压、耐腐蚀的橡塑共混材料，它既具有橡胶的高弹性，又包含有塑料的高模量，可以为导电环接触面提供足够的初始压缩力。距绝缘弹性体底部8mm处开有两个对称的环形沟槽，可以与钻井液相通。所述环形沟槽内径与绝缘弹性体内径相同，外径与母外导电环的外径相同，高度为2—10mm，周向角度为90°—115°。所述母电接头金属挡环与绝缘弹性体中环形沟槽接触部位开有两个对称的通孔，允许钻井液通过通孔进入绝缘弹性体的环形沟槽中。所述通孔距母电接头金属挡环底部15mm，高度为3—10mm，宽度为10—30mm。所述母电接头金属挡环端部开有密封沟槽，安装有密封圈和挡圈。所述公电接头和母电接头的接触表面成对应的倾斜面，倾斜角度为0°—25°。所述公电接头金属挡环比公内绝缘密封圈低8—15mm，母电接头金属挡环比母内绝缘密封圈低3—5mm，当钻杆公、母接头螺纹旋紧时，公电接头金属挡环和母电接头金属挡环相距0—3.5mm。公电接头金属挡环端部开有密封沟槽，安装有密封圈和挡圈。所述公内导电环和公外导电环分别开有凹槽，以容纳高耐磨低摩擦绝缘密封材料公外绝缘密封圈。公外绝缘密封圈在导电环凹槽部位有突出的两翼可以嵌入导电环凹槽内。母外导电环、母外绝缘密封圈、母内导电环和母内绝缘密封圈与绝缘弹性体粘接的部位局部开有一个长40mm的沟槽，可以容纳钻杆防转突出块，并且可以在防转突出块部位上下滑动。

其工作原理是：电流或信号从钻杆公接头内壁导线传输到公外导电环中，再通过上下电导环的紧密接触将电流或信号传输到母外导电环中，然后电流或信号再流入到与电导环相接的钻杆母接头内壁导线里，依次循环，最后将电流或信号传送到井底；同理，电流或信号的回路通过电接头的另一对紧密接触的母内导电环和公内导电环实现，从而将井下检测信号传输到地面。

本发明采用了弹性体并有效地利用了钻井液压力。绝缘弹性体在公母钻杆接头旋紧时，给公母电接头接触面提供一个初始压力；当通入钻井液后，钻井液进入绝缘弹性体，钻井液压力通过绝缘弹性体传递给公母电接头，这不仅保证了接触面的接触压力、降低接触电阻、提高密封性能，绝缘弹性体还可以对母电接头的电导环和密封圈的磨损进行单独补偿，从而实现电接头接触电阻低、密封性能好、寿命长的功能。

本发明在公电导环上开槽，并安装高耐磨低摩擦绝缘密封材料公外绝缘密封圈，使得在钻杆公母接头的旋紧过程中，公外绝缘密封圈可以对母电导环实现清洁作用，防止接触短路并极大地降低接触电阻。本发明的公电接头金属挡环端部开有密封沟槽，安装密封圈和挡圈，使钻井液不易进入电接头接触面，达到高效密封的目的。本发明在钻杆母接头上加工有防转突出块。整个母电接头可以在防转突出块上下滑动，但公母电接头安装过程中以及工作过程中的扭矩可以通过防转突出块承担，而母电接头不会发生扭转。本发明的电接头安装方便、更换容易。整个电接头由公、母电接头组成，公母电接头各自为整体粘接在钻杆接头上，如果电接头失效，很容易进行更换。本设计充分利用了钻杆公母接头连接处空间，且公母电接头的结构简单、体积小，从而占用钻杆内径空间小，极大地降低了钻井液循环能耗。

本发明的有益效果是：不仅可以实现地面与井底的信号双向闭环传输，还可以将地面的电力传输到井底；由于采用了弹性体并有效地利用了钻井液压力，不仅可以减少接触电阻、增大密封效果，而且还可以实现吸振、自动补偿磨损以及增加使用寿命等功能。本发明还设计了自洁结构，可以有效的清洁接触表面，防止接触短路或断路并极大地降低接触电阻。本发明对钻井液类型、钻杆接头类型和钻井工艺没有特殊要求。

附图说明

图1是本发明安装在钻杆接头上的整体结构的纵剖图。

图2是图1中A—A部位的断面图；

图3是图1中B—B部位的断面图；

图4是图1中C—C部位的断面图；

图5是图1中D—D部位的断面图；

图6是图1中E—E部位的断面图；。

图7是图1中主体部分的局部放大图。

图中：1.钻杆公接头内壁导线，2.钻杆公接头，3.钻杆母接头，4.公电接头金属挡环，5.公内导电环，6.公外导电环，7.母内导电环，8.母外导电环，9.绝缘弹性体，10.母电接头金属挡环，11.钻杆母接头内壁导线，12.绝缘材料，13.母外绝缘密封圈，14.母内绝缘密封圈，15.公外绝缘密封圈，16.公外绝缘密封圈，17.退刀槽，18.挡圈，19.防转突出块，20.钻杆母接头台阶，21.母导线密封块，22.密封圈，23.公导线密封块，24.钻杆公接头端部，25.凹槽，26.凹槽，27.公外绝缘密封圈两翼，28.通孔，29.环形沟槽，30.公电接头金属挡环端部密封沟槽，31.母电接头金属挡环端部密封沟槽。

具体实施方式

在图1中智能钻杆补偿式电接头主要由两个部件组成，即公电接头和母电接头。将公内绝缘密封圈16、公内导电环5、公外绝缘密封圈15、公外导电环6和公导线密封块23依次组装在公电接头金属挡环4上，形成公电接头，然后将整个公电接头粘接在钻杆公接头端部24，并与钻杆公接头2内壁导线1连接；将绝缘弹性体9和母导线密封块21粘接在母电接头金属挡环10上，然后依次将母内绝缘密封圈14、母内导电环7、母外绝缘密封圈13、母外导电环8粘接在绝缘弹性体9上，形成母电接头，最后先将绝缘材料12放入钻杆母接头3退刀槽17部位，再将整个母电接头粘接在钻杆母接头台阶20上，并与钻杆母接头3内壁导线11连接，在钻杆公接头2与钻杆公接头母3的螺纹旋紧状态下，绝缘弹性体9压缩，公内导电环5与母内导电环7，公外导电环6与母外导电环8两两对应紧密接触。

其工作原理是：电流或信号从钻杆公接头2内壁导线1传输到公外导电环6中，再通过上下电导环(母外导电环8和公外导电环6)的紧密接触将电流或信号传输到母外导电环8中，然后电流或信号再流入到与电导环相接的钻杆母接头3内壁导线11里，依次循环，最后将电流或信号传送到井底；同理，电流或信号的回路通过电接头的另一对紧密接触的电导环(母内导电环7和公内导电环5)实现，从而将井下检测信号传输到地面。

在图1中绝缘密封圈和相应的导电环在同一个表面上，公电接头和母电接头的接触表面成对应的倾斜面，倾斜角度为0°—25°。

在图1和图3中公内导电环5和公外导电环6分别开有凹槽25、26，以容纳高耐磨低摩擦绝缘密封材料公外绝缘密封圈15。

在图1和图3中公外绝缘密封圈15在导电环凹槽25、26部位有突出的两翼27可以嵌入导电环5、6的凹槽25、26内。

在图1和图5中母外导电环8、母外绝缘密封圈13、母内导电环7和母内绝缘密封圈14与绝缘弹性体9粘接的部位局部开有一个长40mm的沟槽，可以容纳钻杆防转突出块19，并且可以在防转突出块19部位上下滑动。

在图1和图6中绝缘弹性体9为耐高温高压、耐腐蚀的橡塑共混材料，它既具有橡胶的高弹性，又包含有塑料的高模量，可以为导电环接触面提供足够的初始压缩力。距绝缘弹性体9底部8mm处开有两个对称的环形沟槽29，可以与钻井液相通。环形沟槽29内径与绝缘弹性体9内径相同，外径与母外导电环8的外径相同，高度为2—10mm，周向角度为90°—115°。

在图1、图6和图7中母电接头金属挡环10与绝缘弹性体9中环形沟槽29接触部位开有两个对称的通孔28，允许钻井液通过通孔28进入绝缘弹性体9的环形沟槽29中。通孔28距母电接头金属挡环10底部15mm，高度为3—10mm，宽度为10—30mm。母电接头金属挡环10端部开有密封沟槽31，安装有密封圈22和挡圈18。

在图1和图7中导线1穿过导线密封块23与公外导电环6相接，将上部导线1的电流传输到公外导电环6中。公电接头金属挡环4比公内绝缘密封圈16低8—15mm，母电接头金属挡环10比母内绝缘密封圈14低3—5mm，当钻杆公母接头2、3螺纹旋紧时，公电接头金属挡环4和母电接头金属挡环10相距0—3.5mm。公电接头金属挡环4端部开有密封沟槽30，安装有密封圈22和挡圈18。

Claims (5)

1.智能钻杆补偿式电接头，包括公电接头、母电接头，其特征是：将公内绝缘密封圈(16)、公内导电环(5)、公外绝缘密封圈(15)、公外导电环(6)和公导线密封块(23)依次组装在公电接头金属挡环(4)上，形成公电接头，然后将整个公电接头粘接在钻杆公接头端部(24)，并与钻杆公接头(2)内壁导线(1)连接；将绝缘弹性体(9)和母导线密封块(21)粘接在母电接头金属挡环(10)上，然后依次将母内绝缘密封圈(14)、母内导电环(7)、母外绝缘密封圈(13)、母外导电环(8)粘接在绝缘弹性体(9)上，形成母电接头，最后先将绝缘材料(12)放入钻杆母接头(3)退刀槽(17)部位，再将整个母电接头粘接在钻杆母接头台阶(20)上，并与钻杆母接头(3)内壁导线(11)连接，在钻杆公接头(2)与钻杆母接头(3)的螺纹旋紧状态下，绝缘弹性体(9)压缩，公内导电环(5)与母内导电环(7)，公外导电环(6)与母外导电环(8)两两对应紧密接触；所述绝缘弹性体(9)在距绝缘弹性体(9)底部8mm处开有两个对称的环形沟槽(29)，所述环形沟槽(29)可与钻井液相通。

2.如权利要求1所述的智能钻杆补偿式电接头，其特征是：所述母电接头金属挡环(10)与绝缘弹性体(9)中环形沟槽(29)接触部位开有两个对称的通孔(28)，与绝缘弹性体(9)的环形沟槽(29)相通，通孔(28)距母电接头金属挡环(10)底部15mm。

3.如权利要求1所述的智能钻杆补偿式电接头，其特征是：所述公内导电环(5)开有凹槽(25)，同时公外导电环(6)开有凹槽(26)。

4.如权利要求1所述的智能钻杆补偿式电接头，其特征是：所述公外绝缘密封圈(15)在导电环凹槽部位有突出的两翼(27)分别嵌入公内导电环(5)的凹槽(25)和公外导电环(6)的凹槽(26)内。

5.如权利要求1所述的智能钻杆补偿式电接头，其特征是：所述母外导电环(8)、母外绝缘密封圈(13)、母内导电环(7)和母内绝缘密封圈(14)与绝缘弹性体(9)粘接的部位局部开有一个长40mm的沟槽，容纳钻杆母接头(3)的防转突出块(19)。

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