CN101267074A - 用于深水环境中的电潜水部件的连接器组件 - Google Patents

Abstract

一种用于连接组件的连接器，用于在例如海底井的深水环境下向潜水电部件提供电功率，该连接器包括具有金属化的内通道的陶瓷体。导电接触部延伸通过该通道，并且具有接触端和电缆连接端。导电套围绕着陶瓷体的外表面布置。陶瓷体被保持在具有接口腔和电缆保持腔的连接器壳体内。连接器接触的接触端被布置在接口腔内，接触的电缆连接端被布置在电缆保持腔内。衬套连接到壳体，用于在接口腔和电缆保持腔之间提供密封。当连接器接合互补的连接器时，在接口腔内提供法拉第笼，从而控制在连接器之间的连接接口周围的电场。

Description

用于深水环境中的电潜水部件的连接器组件

[0001]本申请要求于2007年7月30日提交的美国专利申请No.11/830,286的优先权，其要求了于2007年3月15日提交的美国临时申请No.60/895,037的权益，这里合并其全部内容。

技术领域

[0002]本发明大体涉及一种用于深水应用的连接器，例如海底石油或者天然气井。

背景技术

[0003]海底石油或者天然气井包括能够承受严峻环境条件的各种设备件，严峻的环境条件包括大的温度变化，高的压力差，热冲击和高腐蚀及高磨损环境。传统的海底井10在图1中示出，井口12定位在海床14上。井10可以包括油管柱16，该油管柱在排列在井筒19内的套管18的内部延伸。油管柱16包括用于将井流体连通到井口12的通道。为了辅助产生油流体，油管柱16可以包括电潜水泵20。泵20典型地从井口12通过一个或多个电力电缆22提供动力。例如，对于三相泵，三根电缆22可以从井口12延伸到泵20。

[0004]由于电潜水泵操作的特殊特性，电潜水泵20被井流体包围。连接组件24用于将电力电缆22连接到泵20的电机头。由组件24所形成的密封的连接应该理想地保持他们的完整性，即使存在于海底井10的相对高温、高压和潮湿的环境下也能理想地保持他们的完整性。密封的连接还应该能长时间的保持他们的完整性，从而避免在井10的生产寿命期间去除和替换电缆22、泵20和/或连接组件24的昂贵的工作。

[0005]这种连接组件除了对必须承受高温和高压环境下的海底井的电连通有用之外，在深水中也很有用(即，一般超过1000米的深度)。因此，例如，这种连接组件可以用于电性连接为多种电潜水部件中的任何部件提供电连接，例如，变压器，多相泵，海底分离器等。

[0006]因此，对于能够在深水应用中的严峻环境条件下保持他们的完整性的电连接组件，存在着持续的需求。

发明内容

[0007]在本发明的实施例中，一种电连接器包括陶瓷体，该陶瓷体具有金属化的内表面，该内表面限定了延伸通过该陶瓷体的通道。该连接器进一步包括布置在该通道内的导电接触部。该接触部具有从通道的第一开口端延伸的电缆连接端和从通道的第二开口端延伸的接触端。该连接器还包括围绕陶瓷体的外表面布置的衬套，用于在陶瓷体上施加夹紧力。

[0008]在本发明的另一实施例中，一种向布置在井内的潜水部件提供电连接的方法，包括：提供具有通道延伸通过其的陶瓷体；金属化该通道的壁，和在通道内布置导电接触。该接触部具有从通道的第一端延伸的接触端和从通道的第二端延伸的电缆连接端。该方法进一步包括将电缆连接端连接到陶瓷体，围绕陶瓷体的外表面布置衬套，和将电缆连接端连接到适于将电功率通到潜水部件的导电体。

[0009]在本发明的另一实施例中，一种系统包括电潜水部件，具有用于为部件提供电功率的导电体的电缆，和适于将导电体连接到部件的连接组件。该连接组件包括第一连接器，该第一连接器具有在连接器壳体的第一腔和第二腔之间延伸的陶瓷体。该陶瓷体具有金属化的内表面，该内表面限定了延伸通过该陶瓷体的内表面。导电接触部延伸过该通道，衬套围绕陶瓷体的外表面被布置。该衬套被构造为使该第一腔从第二腔密封。连接组件还包括互补的连接器，该互补的连接器具有构造用于连接到导电体的互补的导电接触部。当互补的导电接触部接合导电接触部时，电功率被提供给电潜水部件。

[0010]从下面的说明、附图和随附的权利要求中，其他或者可选的特征将变得清楚。

附图说明

[0011]图1是配置有泵系统的海底井的图。

[0012]图2是示出了根据本发明的实施例的连接组件的横截面图。

[0013]图3是可以与图2中的连接器组件一起使用的销型连接器组件的示例性实施例。

[0014]图4是可以与图2中的连接器组件一起使用的插头型连接器组件的示例性实施例。

[0015]图5是图4中所示的插头型连接器的部分的分解图。

[0016]图6示出了可以包含在图3中的连接器组件中的销组件的示例性实施例。

[0017]图7是大体沿着线A-A剖开的图6的销组件的横截面图。

[0018]图8是区域B-B中截取的图6和7中所示的销组件的细节横截面图。

具体实施方式

[0019]在下面的说明中，陈述了多个细节以提供对本发明的理解。然而，本领域的普通技术人员应该理解的是，没有这些细节本发明也可以进行实施，并对可能对所述的实施例进行各种变更或修改。

[0020]参考图2，示出了根据本发明的连接组件24的实施例。连接组件24可以在井内(例如海底井10)用于在电机引导延伸部和潜水部件20(例如电潜水泵)的电机头之间提供密封连接。连接组件24包括互补的连接器100和102。在示出的实施例中，连接器100(例如，销型连接器)定位在组件24的内侧(inboard)上或者电机侧，并且可通过凸缘106和接纳在开口108和110内的紧固装置连接到部件20的壳体104。销连接器100的一端(图2中未示出)连接到电力电缆，该电力电缆将电力提供到潜水部件20的电机。互补的连接器102(例如，插头型连接器)定位在组件24的海岸侧，并且一端(图2中未示出)连接到电力电缆(例如，电缆22)，该电力电缆例如从井10的表面(例如从定位在海床14上的井口12)将电力提供给组件24。

[0021]销连接器100包括设置在壳体114内的销组件112。类似地，插头连接器102包括布置在壳体118内的插头组件116。壳体114和118分别包括互补的接口部120和122，该接口部构造为彼此接合，从而在销组件112和插头组件116之间的连接接口124周围提供密封。如下面详细所述的，接口部120和122被构造为在连接组件24可以被使用的高温、高压和高电压环境下保持连接的电完整性。例如，在海底井环境下，连接组件24可以暴露在高达200℃的温度和高到10,000psi的压差环境下，同时承受高达10,000Vac的操作电压和高达250A的操作电流。

[0022]参考图3、4和5，其中最佳示出了接口部120和122。首先参考图3，连接器壳体114的接口部120包括壁130，该壁130限定了销组件112的接触部134延伸进的腔132。参考图4和5，连接器壳体118的接口部122类似地包括壁136，该壁136限定了插头组件116的插头部140延伸进的腔138。腔138还构造用于接纳套管或者引出罩(boot)142，该套管或者引出罩有助于保持连接接口124的电完整性。在一个实施例中，引出罩142包括通道144，该通道被构造用于接纳销组件112和插头组件116的接触部134和插头部140。如图5中所提供的分解图中示出的，引出罩142可以通过棘爪(detent)或脊146保持在腔138内，该棘爪或脊146接合形成在连接器壳体118的壁136内的径向槽148。在其他的实施例中，引出罩142可以通过其他的装置保持在腔138内，例如通过粘结剂。

[0023]引出罩密封142可以由弹性体或者柔性材料制成，用于保证引出罩142紧密地夹在接触部134和插头部140周围并且大体利用最小的空间在接触部134和插头部140周围形成密封。在一些实施例中，引出罩142可以利用三步模制处理来形成。在这些实施例中，引出罩142的最内层150和最外层152是由半导体弹性体材料制成，例如填充碳的弹性体材料。中间层154是由绝缘材料制成，例如，硅树脂橡胶或者乙烯丙烯二烯单体橡胶(EPDM)等等。通过包括多层，引出罩142可以通过起到法拉第笼或者屏蔽的作用，而保持连接接口124的电完整性。在其他实施例中，引出罩142可以包括不同数目的层或者甚至仅仅是单层，一些层是由导电性材料构成，并且层可以是由实心材料或者具有开口(例如网孔)的材料制成。

[0024]图2示出了匹配状态下的销连接器100和插头连接器102。为了将插头连接器102与销连接器100匹配，销组件112的接触部134被插进引出罩142的通道144内。同时，插头连接器102的接口部122被接纳在销连接器100的腔132内，因此，连接器100和102被完全地接合。在一些实施例中，连接器100和102的接合可以利用紧固装置160辅助实现，该紧固装置通过开口166延伸穿过插头连接器壳体118的凸缘164，并且穿过销连接器壳体114的凸缘118接纳进螺纹孔166内。在示出的实施例中，连接器壳体118的接口部122的壁136包括台肩170。相应的凹口172形成在销连接器壳体114的接口部120的壁130内。当连接器100和102完全接合时，台肩170邻接相应的凹口172。该种布置还可以有助于保持在连接接口124周围的密封。

[0025]现在转向图6和7，示出了用于销连接器100的销组件112。销组件112包括绝缘体200、接触销202和套圈或者衬套204。为了承受可能存在在操作环境中的高温和高压差(例如，达到200℃和10,000psi)，绝缘体200是由陶瓷材料制作，例如氧化铝或者氧化锆。如图7和图8中的细节图所示，绝缘体200具有限定了通道208的内表面206，该通道延伸穿过绝缘体200。接触部202被接纳在通道208内。接触部202是由导电性材料制成，例如铜，并且具有从绝缘体200的开口端212延伸的接触端214。导电性接触部202还具有电缆连接部216，该电缆连接部从绝缘体200的另一个开口端210延伸。电缆连接部216包括凸缘218和接触插口或者凹槽220，用于将销组件112连接到绝缘电缆，例如潜水部件20的电机用的电机引线。

[0026]由于铜和陶瓷的热膨胀系数的实质差异，接触部202可以设置浮动穿过通道208的大部分长度。因此，在接触部202和绝缘体200的内表面206之间可以存在着气隙，由此形成了用于在通道208内形成电弧的可能。因此，在示出的实施例中，为了消除由于气隙的存在会以其它方式产生的电弧或者将其最小化，导电层222被布置在绝缘体200的内表面206上。例如，在一些实施例中，内表面206可以用金属处理，例如通过应用厚膜浆料(thick film ink)(例如，加银的玻璃液体)，该厚膜浆料然后被烧制以形成导电层222。设置导电层222以在接触202周围形成法拉第笼，由此从电的角度消除气隙。在一些实施例中，绝缘体200的外端表面224和226也被用金属处理。

[0027]为了将接触部202保持在绝缘体200内，接触部202的电缆连接部216连接到绝缘体200。在一些实施例中，不是将接触部202的部216直接连接到绝缘体200的金属化层222，而是可以在接触202和金属化层222之间设置接口部。例如，在图7中所示出的实施例中，接触部202可以被连接到接口部，例如凸缘228。在一些实施例中，凸缘228可以由热膨胀系数处于接触部202的材料和绝缘体200材料的热膨胀系数之间的导电材料制作，从而减少在接触部202和绝缘体200之间的连接处发生裂纹或者以其它方式分离的可能性。在一个实施例中，凸缘228是由镍铁材料(例如科瓦铁镍钴合金)制成，接触部202可以由铜制成，而绝缘体200可以由氧化铝制成。接触部202以与所使用的材料的类型相适合的方式(例如通过铜焊、软(锡)焊、定位焊接等)连接到凸缘228。凸缘228还可以以合适的方式(例如通过铜焊、软焊、定位焊接等)连接到金属化层222和/或绝缘体200的金属化的外端表面224。可选地，凸缘228可以省略，电缆连接部216可以直接地连接到金属化层222。

[0028]销组件112还包括导电端盖230，该导电端盖连接到绝缘体200的开口端212。如图7中所示，接触部202的接触端214延伸穿过端盖230并且浮动在该端盖内，端盖230有助于将接触部202定心在销组件112内。在一些实施例中，端盖230是由导电材料(例如镍铁)制成，并且连接到绝缘体200，例如通过将端盖230铜焊到绝缘体200的金属化内表面206和/或外端表面226。端盖230的外表面232可以切去圆角，以减少在销组件112的接触端214的周围的电场。

[0029]销组件112进一步包括衬套204，该套布置在绝缘体200的外表面234周围，并且夹住该外表面。衬套204包括凸缘236，该凸缘连接到销连接器100的壳体114，以将销组件112保持在壳体114内(见图2)。在一些实施例中，衬套204是由导电材料制作，例如不锈钢，尽管也可以使用其他类型的导电材料或者不导电材料。为了确保在腔132和壳体114的电缆接纳腔302之间形成大体的气密密封，衬套204的凸缘236固定地连接到壳体114，例如通过焊接或者软焊。另外，为了在绝缘体200的外表面234和衬套204之间提供大致气密的密封，绝缘体200的外表面234可以进行精研磨，从而提供具有在大约2至4微英寸Ra的范围内的高表面加工的大体圆柱形表面，和/或磨光(抛光)，衬套204可以冷缩配合到工作位置。通过在外表面234上应用釉还可以密封绝缘体200，由此防止绝缘体200自身的污染。

[0030]参考图3，示出的销组件112以组件112在接口腔132和电缆接纳腔302之间延伸的方式被保持在销连接器壳体114内。绝缘电缆300(例如，潜水部件20的电机用的动力引线)被接纳在电缆接纳部302，并且连接到接触部202的电缆连接部216。例如，电缆300上的绝缘可以被去除，从而露出在电缆300内所包含的导电体的合适长度。暴露出的导电体然后可以利用压接接触件(crimp contact)而配合，从而压接接触件可以与接触销202内的接触插口220接合。压接接触件然后可以卷曲进电缆导电体并且连接到接触销202的凸缘218，并且利用自锁的夹头304保持到销组件112。

[0031]电应力通过利用电缆引出罩306被控制在电缆接纳腔302内，该电缆引出罩牢固地配合在电缆/接触销接口周围。在一个实施例中，电缆引出罩306是由弹性体材料模制，并且可以包括多层，例如至少三层。在这样的实施例中，引出罩306的内层308和外层310可以由半导体材料(例如填充碳的弹性体材料)模制。中间层312可以由绝缘材料制作，例如硅树脂橡胶、EPDM橡胶等等。当围绕电缆/插头接口配合时，电缆引出罩306起到法拉第笼的作用，因此，将在电缆接纳腔302内的电应力最小化。在一些实施例中，在电缆引出罩306和壳体114之间的未占据的容积内可以填充凝胶体合成物(例如硅树脂凝胶体或者油脂)或者绝缘油，用于消除任何的空隙，并且保护电缆/插头接口免受机械应力。凝胶体合成物或者油可以通过漏斗管和注射器通过出气口或者螺孔316注入未占据的容积。

[0032]电缆300可以通过挠性或者弹簧加载的电缆密封件318被密封在壳体114的电缆接纳腔302内。电缆300可以进一步通过电缆夹紧夹头320固定在适当的位置。

[0033]在一些实施例中，柔性的压力补偿膜322可以固定在电缆接纳腔302内，用于补偿凝胶体合成物的压力和热的膨胀和收缩。

[0034]图4示出了可以与销连接器100配合的插头连接器102的一个实施例。插头连接器10包括绝缘体400，该绝缘体例如可以由高温热塑性材料(例如PEEK绝缘材料)制成，尽管也可以使用陶瓷材料。绝缘体400的一端包括插头部140，该插头部具有用于接纳配合的销连接器100的接触端214的插头座。绝缘体400的另一端构造为连接到绝缘电缆(例如电力电缆22)。电缆22连接到绝缘体400，并且通过压接接触连接404和自锁夹头406与插头部140的插头座进行电接触。绝缘体400以任何适合的方式(例如，通过在制造过程中利用不锈钢螺纹圈插入到PEEK模制体)保持在连接器壳体118。

[0035]与上述的销连接器壳体114相似，插头连接器壳体118包括电缆接纳腔408，电缆22和插头组件116的接口被保持在该电缆接纳腔内。电缆接纳腔408可以以与上述的电缆接纳腔302相似的方式实现。例如，电缆接纳腔408可以包含用于控制电应力的电缆引出罩306，凝胶体合成物可以填充在电缆接纳腔内的未占据区域410，以及压力补偿膜322可以固定在壳体118内，用于补偿凝胶体合成物的膨胀和收缩。另外，电缆22可以利用弹性电缆密封件318而密封在电缆接纳腔408内，并且利用夹紧夹头320保持在该腔内。

[0036]尽管在海底井内向潜水部件提供动力方面，对本发明进行了说明，应该理解的是，这里所述的连接组件和连接器构造可以用于提供任何电气部件的电连接，特别是面临诸如深水环境中的高压、高温条件的严峻条件下的电连接。

[0037]尽管公开了本发明的有限数量的实施例，但是应该理解的是，本领域的普通技术人员在本公开的基础上，可以进行各种修改和变形。因此，随附的权利要求覆盖了这些修改和变形，并且这些修改和变形落入本发明的真实精神和范畴。

Claims (23)

1.一种电连接器，包括：

陶瓷体，该陶瓷体具有金属化的内表面，该内表面限定了延伸穿过该陶瓷体的通道；

设置在所述通道内的导电接触部，该导电接触部具有从所述通道的第一开口端延伸的电缆连接端和从所述通道的第二开口端延伸的接触端；以及

衬套，该衬套围绕所述陶瓷体的外表面布置，以在所述陶瓷体上施加夹紧力。

2.如权利要求1所述的电连接器，包括连接器壳体，用于接纳所述陶瓷体，所述壳体具有第一腔和第二腔，其中，所述陶瓷体在所述第一和第二腔之间延伸，并且其中，所述衬套连接到所述连接器壳体，以将所述第一腔从所述第二腔密封。

3.如权利要求1所述的电连接器，其中，所述衬套围绕所述陶瓷体的所述外表面冷缩配合。

4.如权利要求1所述的电连接器，其中，所述陶瓷体的所述外表面被上釉。

5.如权利要求1所述的电连接器，其中，所述陶瓷体的所述外表面被精确研磨。

6.如权利要求1所述的电连接器，包括布置在所述陶瓷体的第二开口端的导电端盖，所述导电端盖具有贯通的开口，所述导电接触部的接触端延伸穿过该开口。

7.如权利要求6所述的电连接器，其中，所述导电端盖具有切成圆角的外表面，以减少在所述接触部周围的电场。

8.如权利要求1所述的电连接器，包括连接在所述导电接触部的电缆连接端和所述金属化的内表面之间的接口部。

9.如权利要求8所述的电连接器，其中，所述接口部是由镍铁材料制作。

10.一种将电连接提供给布置在井内的潜水部件的方法，包括以下步骤：

提供具有延伸通过其中的通道的陶瓷体；

金属化所述通道的壁；

在所述通道内布置导电接触部，所述导电接触部具有从所述通道的第一端延伸的接触端和从所述通道的第二端延伸的电缆连接端；

将所述电缆连接端连接到所述陶瓷体；

围绕所述陶瓷体的外表面布置衬套，以使所述衬套大体上围绕所述陶瓷体密封；以及

将所述电缆连接端连接到适于向所述潜水部件提供电功率的导电体。

11.如权利要求10所述的方法，其中，围绕所述陶瓷体的外表面布置衬套的步骤包括：精确研磨所述陶瓷体的所述外表面，并且使所述导电衬套围绕所述精确研磨的外表面冷缩配合。

12.如权利要求10所述的方法，包括以下步骤：

提供具有第一腔和第二腔的壳体；

在所述外壳内布置所述陶瓷体，以使所述陶瓷体在所述第一腔和所述第二腔之间延伸；以及

将所述衬套连接到所述壳体，以将所述第一腔从所述第二腔密封。

13.如权利要求12所述的方法，包括以下步骤：将所述接触端与在连接接口处的互补的连接器接合，其中，所述接触端被布置在所述第二腔内，而所述电缆连接端被布置在所述第一腔内。

14.如权利要求13所述的方法，包括提供法拉第笼，从而控制在所述连接接口处的电场。

15.如权利要求14所述的方法，其中，提供法拉第笼的步骤包括；将引出罩接纳在所述第一腔内，所述引出罩具有通道，用于接纳所述陶瓷体延伸进所述第一腔的部分和所述互补的连接器的互补部分。

16.如权利要求15所述的方法，其中，所述引出罩包括最内层的半导体层，最外层的半导体层，和布置在所述最内层和最外层半导体层之间的绝缘层。

17.一种系统，包括：

电潜水部件；

具有导电体的电缆，用于为所述电潜水部件提供电功率；以及

适于将所述导电体联接到所述电潜水部件的连接组件，该连接组件包括：

第一连接器，该第一连接器具有：具有第一腔和第二腔的第一壳体；在所述第一和第二腔之间延伸的陶瓷体，该陶瓷体具有金属化的内表面，该金属化的内表面限定了延伸通过所述陶瓷体的通道；延伸通过所述通道的导电接触部；和围绕所述陶瓷体的外表面布置的衬套，且该衬套被构造为使所述第一腔从所述第二腔密封；以及

互补的连接器，该互补的连接器具有构造用于连接到所述导电体的互补的导电接触部，

其中，所述互补的导电接触部接合所述导电接触部，以为所述电潜水部件提供电功率。

18.如权利要求17所述的系统，其中，所述电潜水部件位于在深水环境中。

19.如权利要求17所述的系统，其中，所述导电接触部包括布置在所述第一腔中的电缆连接端和布置在所述第二腔内的接触端，并且其中，该系统进一步包括柔性引出罩，当所述互补的导电接触部与所述导电接触部接合时，该引出罩被接纳在所述第二腔内，所述柔性引出罩被构造为提供围绕所述互补的导电接触部和所述导电接触部之间的连接接口的法拉第笼。

20.如权利要求19所述的系统，其中，所述柔性引出罩包括由半导体材料制成的最内层，由半导体材料制成的最外层，和布置在所述最外层和最内层之间的中间层，该中间层由绝缘材料制成。

21.如权利要求17所述的系统，其中，所述衬套包括凸缘，并且其中，所述凸缘焊接到所述第一连接器壳体，以将所述第一腔从所述第二腔密封。

22.如权利要求21所述的系统，其中，所述衬套围绕所述陶瓷体的外表面冷缩配合。

23.如权利要求22所述的系统，其中，所述陶瓷体的外表面被精确研磨。

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