CN102454367A - 动力及信号传输钻杆 - Google Patents

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梁政
吴仲华
肖仕红
马清明
王智锋
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本发明涉及一种用于石油地质勘探钻井的动力及信号传输钻杆。它能实现信号的实时双向传输，并能向井底传输强电。其技术方案是：该传输钻杆由专用钻杆接头、电接头和动力及信号传输钻杆本体组成；专用钻杆接头包含专用钻杆公接头和专用钻杆母接头两部分，专用钻杆公接头部位安装公电接头，专用钻杆母接头部位安装母电接头；公电接头和母电接头是由导电环、绝缘密封圈、金属挡环、连接导体、金属挡环密封材料、绝缘弹性体和定位销组成；在动力及信号传输钻杆本体中设置有内管、本体绝缘材料、本体传输导体及钻杆本体。本传输钻杆具有结构简单、成本低、效率高、寿命长等特点，用于有线实时双向信息高速率数据传输与电力传输的钻井中。

Description

动力及信号传输钻杆
技术领域
本发明涉及一种用于石油地质勘探钻井的钻井工具，是一种具有多种功能的动力及信号传输钻杆。
背景技术
就信号传输而言，当前已研发了多种信号传输技术，如泥浆脉冲技术、电磁波技术、声波技术等技术，这些技术可使信号从井底传输到地面，并通过测量参数以实现实时传输、分析和控制。然而，随着钻井深度、钻井难度和钻井复杂程度的不断增加，这些技术的信号传输速度及可靠性已不能满足现代飞速发展的钻井技术的需要。
更为重要的是，当前井下使用的检测仪器及电驱动装置或工具等用电硬件越来越多，需要提供的电力也越来越多，原有技术体系中仅依靠电池或泥浆涡轮发电机提供的电力已不能满足要求，有必要将地面电能通过钻柱高效地传输到井底。
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，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Grant Prideco公司与多家公司联合攻关，研制成功了5 7/8″的对接式接头。国内，目前部分石油高校与研究院所正在开展相关研究工作。
发明内容
本发明的目的是：为了实现信号的实时双向传输，且能向井底传输强电，以满足当前钻井工业发展的需要，特提供一种动力及信号传输钻杆。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种动力及信号传输钻杆，是由专用钻杆接头、电接头和动力及信号传输钻杆本体组成，其结构特征在于：该传输钻杆的专用钻杆接头包含专用钻杆公接头和专用钻杆母接头两部分，在专用钻杆公接头部位安装公电接头，在专用钻杆母接头部位安装母电接头，在专用钻杆公接头与专用钻杆母接头间连接动力及信号传输钻杆本体；专用钻杆公接头与专用钻杆母接头用螺纹连接，使公电接头与母电接头紧密接触，进行电流及信号的传输，同时用动力及信号传输钻杆本体将电流或信号向下一个电接头传输；电接头包含公电接头和母电接头，其公电接头由公电接头金属挡环、公内绝缘密封圈、公内导电环、公中绝缘密封圈、公中导电环、公外绝缘密封圈、公外导电环、连接导体、金属挡环密封材料组成，公电接头金属挡环、公内绝缘密封圈、公内导电环、公中绝缘密封圈、公中导电环、公外绝缘密封圈、公外导电环依次套在一起，并同轴，连接导体安装在公电接头金属挡环凹槽内，连接导体的上部与对应的导电环连接，下部与对应的本体传输导体连接，金属挡环密封材料安装在公电接头金属挡环凹槽部位，其母电接头由母电接头金属挡环、母内绝缘密封圈、母内导电环、母中绝缘密封圈、母中导电环、母外绝缘密封圈、母外导电环、绝缘弹性体、连接导体、绝缘弹性体传输导线、定位销、金属挡环密封材料、金属挡环o形密封圈组成，母电接头金属挡环、母内绝缘密封圈、母内导电环、母中绝缘密封圈、母中导电环、母外绝缘密封圈、母外导电环依次套在一起，并同轴，密封圈和导电环都位于母电接头金属挡环上部，并置于套在母电接头金属挡环部的绝缘弹性体上，绝缘弹性体传输导线安装在绝缘弹性体内，绝缘弹性体传输导线的上部与对应的导电环连接，下部与对应的连接导体连接，定位销安装在母电接头金属挡环和绝缘弹性体的销孔中，金属挡环O型密封圈安装在母电接头金属挡环的密封槽部位，金属挡环密封材料安装在母电接头金属挡环沟槽部位；动力及信号传输钻杆本体由内管、本体绝缘材料、本体传输导体和钻杆本体组成，内管安装在钻杆本体内部，并与钻杆本体同轴，在内管和钻杆本体之间填充本体绝缘材料，本体传输导体包裹于本体绝缘材料中间，内管开有密封沟槽，槽内安装挡环和O型密封圈。
专用钻杆接头为5 1/2″FH接头基础上改进的非标准接头；专用钻杆接头中螺纹接头台肩倒角直径为DF，DF为φ172.8mm，螺纹接头内径为φ101.6mm，专用钻杆接头螺纹的螺纹牙型为V-0.038R，基面中径C为φ146.71mm，外螺纹大端大径DL为φ151.99mm，外螺纹小端大径DS为φ130.83mm，内螺纹大端小径DC为φ145.8mm，扩锥孔大端直径QC为φ154.06mm，专用钻杆母接头(3)退刀槽附近的专用钻杆母接头退刀槽部位内径为φ118mm(3b)和专用钻杆母接头台阶处内径为φ116mm(3a)。
绝缘弹性体顶部有三个成120°分布的凸块，凸块内安装连接导体和绝缘弹性体传输导线；绝缘弹性体底部与凸块对应位置开有凹槽，以安装本体传输导体；绝缘弹性体周向均布3个定位销通孔。
母电接头金属挡环平台底部开有一环形凹槽，凹槽内安装挡环和O型密封圈；平台上均布3个定位销孔；平台外圆周部位开有一环形凹槽，安装金属档环O型密封圈；平台部位开有3个凹槽，凹槽内安装本体传输导体和金属挡环密封材料；公电接头金属挡环与母电接头金属挡环结构相似，但公电接头金属挡环没有钻定位销孔和在圆周部位开环形凹槽，平台部位的凹槽没有封闭。
其工作原理是：动力及信号传输钻杆工作时，专用钻杆公接头与专用钻杆母接头螺纹连接，从而压缩母电接头上的绝缘弹性体，利用绝缘弹性体的弹力使公电接头与母电接头紧密压紧，此时，电流从上部本体传输导体经过公电接头中连接导体传给公中导电环，公中导电环通过与母电接头中的母中导电环紧密接触，将电流传给母中导电环，母中导电环中的电流再流经绝缘弹性体中连接导体以及弹性体传输导线传给下部本体传输导体，依次传输下去，从而实现一相电流的传输。同理，其他两相的传输原理相同。
本发明的有益效果是：本发明除具有传统钻杆的功能外，还能实现信号的实时双向传输，且能向井底传输强电，以满足当前钻井工业发展的需要；本发明有效地利用了弹性体的弹力，可以增大电能的传输效率、延长钻杆的使用寿命和提高钻杆的可靠性；同时，本发明对钻井液类型和钻井工艺没有特殊要求；本传输钻杆具有结构简单、成本低、效率高、寿命长等特点，可用于有线实时双向信息高速率数据传输与电力传输的钻井中。
附图说明
图1是本发明动力及信号传输钻杆的结构图；图2是图1中A-A剖视图；
图3是图1中局部放大图；图4是图1中B-B部位的断面图；
图5是图1中C-C部位的断面图；图6是图1中D-D部位的断面图；
图7是图1中E-E部位的断面图；图8是图1中F-F部位的断面图；
图9是图1中G-G部位的断面图；图10是图1中H-H部位的断面图；
图11是绝缘弹性体(11)整体线框图；
图12是母电接头金属挡环(23)的整体线框图。
图中：1.钻杆本体，2.专用钻杆公接头，3.专用钻杆母接头，3a.专用钻杆母接头台阶，3b.专用钻杆母接头退刀槽部位，4.连接导体，5.公内导电环，5a.公内导电环顶部凹槽，5b.公内导电环底部凹槽，6.公中导电环，6a.公中导电环顶部凹槽，6b.公中导电环底部凹槽，7.公外导电环，7a.公外导电环顶部凹槽，7b.公外导电环底部凹槽，8.母内导电环，9.母中导电环，10.母外导电环，11.绝缘弹性体，12.绝缘弹性体传输导线，13.金属挡环密封材料，14.内管，15.定位销，16.母外绝缘密封圈，17.母中绝缘密封圈，18.母内绝缘密封圈，19.公外绝缘密封圈，19a.公外绝缘密封圈凹槽，20.公中绝缘密封圈，20a.公中绝缘密封圈翼块，21.公内绝缘密封圈，22.公电接头金属挡环，23.母电接头金属挡环，24.本体绝缘材料，25.本体传输导体，26.金属档环O型密封圈，27.挡环，28.O型密封圈。
具体实施方式
在图1和图2中动力及信号传输钻杆由专用钻杆接头、电接头和动力及信号传输钻杆本体三部分组成。其中，专用钻杆接头包含专用钻杆公接头2和专用钻杆母接头3两部分，在专用钻杆公接头2部位安装公电接头，在专用钻杆母接头3部位安装母电接头，在专用钻杆公接头2与专用钻杆母接头3间连接动力及信号传输钻杆本体；动力及信号传输钻杆在工作过程中专用钻杆公接头2与专用钻杆母接头3用螺纹连接，使公电接头与母电接头紧密接触，进行电流及信号的传输，同时用动力及信号传输钻杆本体将电流或信号向下一个电接头传输。
在图1中专用钻杆接头为5 1/2″FH接头基础上改进的非标准接头；专用钻杆接头中螺纹接头台肩倒角直径为DF，DF为φ172.8mm，螺纹接头内径为φ101.6mm，专用钻杆接头螺纹的螺纹牙型为V-0.038R，基面中径C为φ146.71mm，外螺纹大端大径DL为φ151.99mm，外螺纹小端大径DS为φ130.83mm，内螺纹大端小径DC为φ145.8mm，扩锥孔大端直径QC为φ154.06mm，专用钻杆母接头(3)退刀槽附近的专用钻杆母接头退刀槽部位内径为φ118mm(3b)和专用钻杆母接头台阶处内径为φ116mm(3a)。
在图1、图2、图3、图5、图6、图7和图8中公电接头由公电接头金属挡环22、公内绝缘密封圈21、公内导电环5、公中绝缘密封圈20、公中导电环6、公外绝缘密封圈19、公外导电环7、连接导体4、金属挡环密封材料13组成。公电接头金属挡环22、公内绝缘密封圈21、公内导电环5、公中绝缘密封圈20、公中导电环6、公外绝缘密封圈19、公外导电环7依次套在一起，并同轴；连接导体4安装在公电接头金属挡环22凹槽内，连接导体4的上部与对应的导电环连接，下部与对应的本体传输导体25连接；公内导电环5公中导电环6和公外导电环7的底部都开有两个凹槽5b、6b和7b，并相互错开，目的是保证在单相电流传输中连接导体4与一个导电环接触时，不会同时与另两个导电环接触；公内导电环5、公中导电环6和公外导电环7的顶部都开有两个对称的凹槽5a、6a和7a，公外绝缘密封圈19顶部也开有两个对称的凹槽19a，同时在公中绝缘密封圈20顶部有突出的翼块20a，使公中绝缘密封圈翼块20a嵌入公内导电环5、公中导电环6、公外导电环7和公外绝缘密封圈19的对应凹槽5a、6a、7a和19a中；金属挡环密封材料13安装在公电接头金属挡环22凹槽部位。
在图1、图2、图9和图10中母电接头由母电接头金属挡环23、母内绝缘密封圈18、母内导电环8、母中绝缘密封圈17、母中导电环9、母外绝缘密封圈16、母外导电环10、绝缘弹性体11、连接导体4、绝缘弹性体传输导线12、定位销15、金属挡环密封材料13、金属挡环O型密封圈26组成。母电接头金属挡环23、母内绝缘密封圈18、母内导电环8、母中绝缘密封圈17、母中导电环9、母外绝缘密封圈16、母外导电环10依次套在一起，并同轴，密封圈和导电环都位于母电接头金属挡环23上部，并置于套在母电接头金属挡环23下部的绝缘弹性体11上；绝缘弹性体传输导线12安装在绝缘弹性体11内，绝缘弹性体11的上部与对应的导电环连接，下部与对应的连接导体4连接；母内导电环8、母中导电环9、母外导电环10的底部都开有两个凹槽，并相互错开，目的是保证在单相电流传输中连接导体4与一个导电环接触时，不会同时与另两个导电环接触；定位销15安装在母电接头金属挡环23和绝缘弹性体11的销孔中；金属挡环O型密封圈26安装在金属挡环23的密封槽部位；金属挡环密封材料13安装在金属挡环23沟槽部位。
在图1和图11中绝缘弹性体11顶部有三个成120°分布的凸块，凸块内安装连接导体4和绝缘弹性体传输导线12；绝缘弹性体11底部与凸块对应位置开有凹槽，以安装本体传输导体25；绝缘弹性体11均布3个定位销通孔。
在图1和图12中母电接头金属挡环23平台底部开有一环形凹槽，凹槽内安装挡环27和O型密封圈28；平台上均布3个定位销孔；平台外圆周部位开有一环形凹槽，安装金属档环O型密封圈26；平台部位开有3个凹槽，凹槽内安装本体传输导体25和金属挡环密封材料13；公电接头金属挡环22与母电接头金属挡环23结构相似，但公电接头金属挡环22没有钻定位销孔和在圆周部位开环形凹槽，平台部位的凹槽没有封闭。
在图1、图2和图4动力及信号传输钻杆本体由内管14、本体绝缘材料24、本体传输导体25和钻杆本体1组成，内管14安装在钻杆本体1内部，并与钻杆本体1同轴，在内管14和钻杆本体1之间填充本体绝缘材料24，本体传输导体25包裹于本体绝缘材料24中间，内管14开有密封沟槽，槽内安装挡环27和O型密封圈28。
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°。

Claims (4)

1.一种动力及信号传输钻杆，是由专用钻杆接头、电接头和动力及信号传输钻杆本体组成，其特征在于：该传输钻杆的专用钻杆接头包含专用钻杆公接头(2)和专用钻杆母接头(3)两部分，在专用钻杆公接头(2)部位安装公电接头，在专用钻杆母接头(3)部位安装母电接头，在专用钻杆公接头(2)与专用钻杆母接头(3)间连接动力及信号传输钻杆本体；专用钻杆公接头(2)与专用钻杆母接头(3)用螺纹连接，使公电接头与母电接头紧密接触；电接头包含公电接头和母电接头，公电接头中公电接头金属挡环(22)、公内绝缘密封圈(21)、公内导电环(5)、公中绝缘密封圈(20)、公中导电环(6)、公外绝缘密封圈(19)、公外导电环(7)依次套在一起，并同轴，连接导体(4)安装在公电接头金属挡环(22)凹槽内，连接导体(4)的上部与对应的导电环连接，下部与对应的本体传输导体(25)连接，金属挡环密封材料(13)安装在公电接头金属挡环(22)凹槽部位，母电接头中母电接头金属挡环(23)、母内绝缘密封圈(18)、母内导电环(8)、母中绝缘密封圈(17)、母中导电环(9)、母外绝缘密封圈(16)、母外导电环(10)依次套在一起，并同轴，密封圈和导电环都位于母电接头金属挡环(23)上部，并置于套在母电接头金属挡环(23)下部的绝缘弹性体(11)上，绝缘弹性体传输导线(12)安装在绝缘弹性体(11)内，绝缘弹性体传输导线(12)的上部与对应的导电环连接，下部与对应的连接导体(4)连接，定位销(15)安装在母电接头金属挡环(23)和绝缘弹性体(11)的销孔中，金属挡环O型密封圈(26)安装在母电接头金属挡环(23)的密封槽部位，金属挡环密封材料(13)安装在母电接头金属挡环(23)沟槽部位；动力及信号传输钻杆本体包括内管(14)、本体绝缘材料(24)、本体传输导体(25)和钻杆本体(1)，内管(14)安装在钻杆本体(1)内部，并与钻杆本体(1)同轴，在内管(14)和钻杆本体(1)之间填充本体绝缘材料(24)，本体传输导体(25)包裹于本体绝缘材料(24)中间，内管(14)开有密封沟槽，槽内安装挡环(27)和O型密封圈(28)。
2.根据权利要求1所述的传输钻杆，其特征是：专用钻杆接头为5 1/2″FH接头基础上改进的非标准接头；专用钻杆接头中螺纹接头台肩倒角直径为DF，DF为φ172.8mm，螺纹接头内径为φ101.6mm，专用钻杆接头螺纹的螺纹牙型为V-0.038R，基面中径C为φ146.71mm，外螺纹大端大径DL为φ151.99mm，外螺纹小端大径DS为φ130.83mm，内螺纹大端小径DC为φ145.8mm，扩锥孔大端直径QC为φ154.06mm，专用钻杆母接头(3)退刀槽附近的专用钻杆母接头退刀槽部位内径为φ118mm(3b)和专用钻杆母接头台阶处内径为φ116mm(3a)
内径分别扩大为和。
3.根据权利要求1所述的传输钻杆，其特征是：绝缘弹性体(11)顶部有三个成120°分布的凸块，凸块内安装连接导体(4)和绝缘弹性体传输导线(12)；绝缘弹性体(11)底部与凸块对应位置开有凹槽，以安装本体传输导体(25)；绝缘弹性体(11)均布3个定位销通孔。
4.根据权利要求1所述的传输钻杆，其特征是：母电接头金属挡环(23)平台底部开有一环形凹槽，凹槽内安装挡环(27)和O型密封圈(28)；平台上均布3个定位销孔；平台外圆周部位开有一环形凹槽，安装金属档环O型密封圈(26)；平台部位开有3个凹槽，凹槽内安装本体传输导体(25)和金属挡环密封材料(13)；公电接头金属挡环(22)与母电接头金属挡环(23)结构相似，但公电接头金属挡环(22)没有钻定位销孔和在圆周部位开环形凹槽，平台部位的凹槽没有封闭。
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