CN103573259A - 一种电磁随钻测量系统的偶极天线短节 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电磁随钻测量系统的偶极天线短节，属于油气田、煤层气、矿山领域。本发明包括上接头(1)、绝缘接头和下接头(6)；所述上接头(1)的一端与上部钻柱连接，另一端与所述绝缘接头的一端连接，绝缘接头的另一端与下接头(6)的一端连接，下接头(6)的另一端与下部钻柱连接；所述绝缘接头包括绝缘接头本体(4)和内部绝缘管(5)；所述上接头(1)、绝缘接头本体(4)和下接头(6)均是采用金属材料制作而成的。利用本发明实现了电磁随钻测量系统的井下电磁信号传输，同时保证了偶极天线短节的机械结构强度，并且降低了加工难度、提高了成品率。

Description

一种电磁随钻测量系统的偶极天线短节

技术领域

本发明属于油气田、煤层气、矿山领域，具体涉及一种电磁随钻测量系统的偶极天线短节。

背景技术

现代钻井技术中，越来越多的传感器被安装在井下钻柱中，用来进行井眼环境和参数的随钻测量，比如对压力、空间姿态、温度、伽玛等的测量。来自传感器的数据送到一个随钻测量装置中，然后通过该装置传输到地面。随着全球油气资源的枯竭以及社会发展对能源需求的日益增长，低压油气藏以及煤层气的开发越来越受到重视，同时，为了更好地开发这类资源，更多采用的是特殊钻井技术，如定向井、水平井、欠平衡钻井、地质导向钻井、气体钻井等需要获取各种详细的钻井工艺参数和地质参数，这些参数需要在钻井过程中实时地发送到地面，为现场工程师提供决策依据。

目前，在油气钻井中，随钻测量按信息传输方式分类，主要有以下几种：

(1)有线方式，地面接收机和井下发射机通过电缆直接连接。

(2)泥浆脉冲方式，利用钻井泥浆产生的脉冲压力波，测量数据被调制到压力脉冲序列中，在地面通过检测泥浆的压力变化而恢复脉冲序列，再经过适当的解调处理得到井下测量数据。

(3)电磁随钻测量(EM-MWD)方式，利用极低频电磁波作为载波，测量数据被调制后，通过利用钻柱形成的发射天线及井眼邻近地层作为传播介质，以电磁波的方式发射出去，在地面通过接收此电磁波并进行相应的解调处理后得到井下测量数据。

(4)声波方式，传输原理与电磁随钻测量方式相近，只是传输载体换成了声波。

泥浆脉冲MWD技术在非液相钻井中不能有效使用，而电磁遥测是目前除泥浆脉冲MWD外能够成熟应用的随钻测量技术。在电磁随钻测量系统中，电磁信号的发射天线，主要使用的是利用钻柱构成的偶极天线，为了将钻柱作为偶极天线，需使用一个上下电气绝缘的偶极天线短节将钻柱分隔成上下非对称的两部分。作为钻柱组合的一部分，偶极天线短节的强度必须满足钻井工程的要求，以确保井下安全。

理想的偶极天线短节是采用非导体材料制作成的，然而采用非金属材料制成的偶极天线短节的强度远远低于金属材料制成的短节的强度，因此无法满足钻井要求。目前，国外电磁随钻测量系统的偶极天线短节主要分为两种，区别在于其绝缘接头的制作方法不同，一种是使用纯复合材料制作的绝缘接头，具有优秀的电气绝缘性能，但机械结构强度低，不能满足钻井施工的要求；另一种绝缘接头使用高强度钢材作为本体，在两端的连接接头上使用绝缘材料制作的垫子或喷涂绝缘材料进行电气绝缘，具体来说，使用绝缘材料制作的垫子一般是使用工程塑料作为绝缘材料制作的垫子，虽然加工容易，但制作出的偶极天线短节的机械结构强度偏低，特别是抗疲劳破坏的能力较差，不能满足钻井过程中处理井下复杂情况的需要；使用喷涂绝缘材料方式制作的偶极天线短节，机械结构强度没有问题，但其对制作工艺要求较高，主要是对双公绝缘接头金属本体两端的丝扣加工精度和表面处理技术要求高，另一方面国内现有的绝缘材料喷涂技术在涂层厚度及组成涂层的绝缘材料粒度大小的控制上精度较低，两方面因素导致成品率太低，不能满足大批量的加工及生产。

使用垫子作为电气绝缘的绝缘接头容易加工制作，结构强度基本能够满足正常的钻井施工，但在处理钻井复杂情况时强度的余量不足，喷涂绝缘材料(一般是陶瓷涂层)的绝缘接头，其机械结构强度及电气性能完全能够满足钻井施工的要求，但加工及装配工艺难度较大，成品率低，特别是在绝缘接头连接丝扣的电气绝缘上，国内的陶瓷喷涂技术还不能完全满足需要。

目前，偶极天线短节的制作主要采用绝缘涂层技术，即利用金属材料加工接头本体，通过在接头丝扣上喷涂电气绝缘材料，以达到电绝缘目的。这种方式对金属接头加工工艺和绝缘涂层制作工艺的要求非常高，产品成功率低，代价高，且由于绝缘涂层脆性大，在安装、拆卸过程中如果受到磕碰，绝缘涂层容易脱落，会造成绝缘失效。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种电磁随钻测量系统的偶极天线短节，在使用电磁遥测技术进行随钻测量时，利用它将管柱状钻柱分隔成上下电气绝缘的两段，构成非对称偶极天线，即将钻柱转换成电磁随钻测量系统使用的信号发射天线，实现电磁随钻测量系统的井下极低频电磁信号的发射，同时保证偶极天线短节的机械结构强度，并降低加工难度、提高成品率。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种电磁随钻测量系统的偶极天线短节，其包括上接头1、绝缘接头和下接头6；

所述上接头1的一端与上部钻柱连接，另一端与所述绝缘接头的一端连接，绝缘接头的另一端与下接头6的一端连接，下接头6的另一端与下部钻柱连接；

所述绝缘接头包括绝缘接头本体4和内部绝缘管5；所述上接头1、绝缘接头本体4和下接头6均是采用金属材料制作而成的。

所述绝缘接头本体4具有双公接头结构，其包括圆柱形段以及两个分别连接在所述圆柱形段两端的圆锥形段，所述圆锥形段的最大直径处的直径小于所述圆柱形段的直径，两个圆锥形段的最大直径处分别与所述圆柱形段的两端连接，在两个连接处均形成环形台肩；

在所述两个圆锥形段的外表面上均设计有公接头丝扣，形成所述绝缘接头本体4两端的公接头丝扣8；

在所述环形台肩端面上喷涂有绝缘涂层，在两个所述公接头丝扣8的外表面上分别安装有一个绝缘垫3，进一步强化电气绝缘性能。

在所述绝缘接头本体4的中心开有与其同轴线的通孔，所述内部绝缘管5镶嵌在该通孔中；所述内部绝缘管5的内孔的两端分别与上接头1的内孔和下接头6的内孔连通；

所述内部绝缘管5与绝缘接头本体4之间为过盈配合，在内部绝缘管5的外表面与绝缘接头本体4之间涂有密封胶，这样实现了绝缘接头的内部绝缘。

所述上接头1内孔的下部设计为锥形孔，该锥形孔的锥度与所述绝缘接头本体4的一个圆锥形段的锥度一致，在该锥形孔的孔壁上设计有母接头丝扣7，其与所述绝缘接头本体4一端的公接头丝扣8配合；

所述下接头6内孔的上部设计为锥形孔，该锥形孔的锥度与所述绝缘接头本体4的另一个圆锥形段的锥度一致，在该锥形孔的孔壁上设计有母接头丝扣7，其与所述绝缘接头本体4另一端的公接头丝扣8配合。

所述上接头1和下接头6的母接头丝扣7压住绝缘垫3后与绝缘接头本体4两端的公接头丝扣8旋紧，实现了上接头1和下接头6之间的电气绝缘效果。

在所述绝缘接头本体4的圆柱形段的外表面上铺设有外部绝缘层2，所述外部绝缘层2向两端分别延伸到上接头1和下接头6的外表面上；整个外部绝缘层2的长度大于所述绝缘接头本体4的长度且小于上接头1、绝缘接头本体4和下接头6这三者的总长度，确保外部绝缘层2能够盖住它们相互连接处的两道缝隙。

所述外部绝缘层2的厚度大于2毫米，这样实现了绝缘接头的外部绝缘。

所述外部绝缘层2和内部绝缘管5均是采用复合材料制成的。

所述外部绝缘层2采用的是高强度玻纤预浸布，为了提高绝缘接头外层绝缘的可靠性，所述外部绝缘层2是采取由内而外分层固化的方式将多层高强度玻纤预浸布固化在绝缘接头本体4、上接头1和下接头6的外表面上，具体实施时，是先装配好上接头1、绝缘接头本体4和下接头6后再进行外部绝缘层2的逐层固化，达到绝缘和耐磨、耐冲蚀的要求。固化次数及温度取决于预浸布的铺设厚度及预浸布中树脂材料的固化要求。

所述内部绝缘管5采用的是额定使用温度大于200℃以上的玻纤复合材料管。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：利用本发明能将钻柱转换成电磁随钻测量系统使用的信号发射天线，实现电磁随钻测量系统的井下极低频电磁信号的发射。同时，本发明在绝缘接头两端的连接接头上采用绝缘垫子和在台肩的端面采用喷涂绝缘材料这两者相结合的方式进行电气绝缘，既保证了偶极天线短节的机械结构强度，又达到了降低加工难度提高成品率的效果，并通过了钻井施工实钻检验。

附图说明

图1是本发明电磁随钻测量系统的偶极天线短节装配后的结构示意图。

图2是图1中绝缘接头本体与上接头或下接头的丝扣咬合处的局部放大图。

其中，1是上接头，2是外部绝缘层，3是绝缘垫，4是绝缘接头本体，5是内部绝缘管，6是下接头，7是母接头丝扣，8是公接头丝扣。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

如图1所示，一种电磁随钻测量系统的偶极天线短节，用于电磁遥测随钻测量系统(EM-MWD)中。

所述偶极天线短节包括上接头1、绝缘接头和下接头6；

所述上接头1的一端与上部钻柱连接，另一端与所述绝缘接头的一端连接，绝缘接头的另一端与下接头6的一端连接，下接头6的另一端与下部钻柱连接；

所述绝缘接头包括绝缘接头本体4和内部绝缘管5；

所述绝缘接头本体4是一个双公接头，其包括圆柱形段，在圆柱形段两端分别连接有一个圆锥形段，所述圆锥形段的最大直径小于所述圆柱形的直径，圆锥形段的最大直径处与所述圆柱形段连接，在连接处形成环形台肩；在所述两个圆锥形段的外表面上均设计有公接头丝扣8。所述上接头1内孔的下部为锥形孔，该锥形孔与所述绝缘接头本体4的圆锥形段的锥度一致(两个接头之间的连接丝扣需要配合，因此锥度必须一致)。

在该处的孔壁上设计有母接头丝扣7，其与所述绝缘接头本体4上一端的公接头丝扣8配合，所述下接头6内孔的上部为锥形孔，该锥形孔与所述绝缘接头本体4的圆锥形段的锥度一致(两个接头之间的连接丝扣需要配合，因此锥度必须一致)。

在该处的孔壁上设计有母接头丝扣7，其与所述绝缘接头本体4上另一端的公接头丝扣8配合。

在所述绝缘接头本体4的中心开有与其同轴线的通孔，所述内部绝缘管5镶嵌在该通孔中，所述内部绝缘管5与绝缘接头本体4之间为过盈配合，装配时使用密封胶填充，即在内部绝缘管5的外表面与绝缘接头本体4之间的涂有密封胶，这样实现了绝缘接头的内部绝缘。

在所述绝缘接头本体4的圆柱形段的外表面上铺设有外部绝缘层2，实现绝缘接头的外部绝缘；所述外部绝缘层2和内部绝缘管5均是采用复合材料制成的。所述外部绝缘层2采用的是高强度玻纤预浸布，铺设在偶极天线短节中部绝缘接头的外部，长度覆盖整个绝缘接头，并向上、下接头方向延伸约100毫米左右，外部绝缘层2的厚度大于2毫米，为了提高绝缘接头外层绝缘的可靠性，外部绝缘层2采取分次、由内而外的多层固化方法，固化次数及温度取决于预浸布的铺设厚度及预浸布中树脂材料的固化要求。

所述绝缘接头的内部绝缘管5采用的是额定使用温度大于200°以上的玻纤复合材料管。

绝缘接头本体4使用与上接头1和下接头6相同的金属材料制成，以保证绝缘接头的抗拉、抗压、抗扭强度。所述金属材料可以采用两类，一类是无磁材料，如钛合金TC4、铍青铜、无磁钻铤钢1Cr18Ni9Ti等，另一类如普通钻铤钢C17200、4145H/40CrMnMo等。在环形台肩的端面上喷涂有绝缘涂层(一般为陶瓷涂层，也可以选用其它的绝缘涂层)。

如图2所示，在与上、下接头连接的丝扣表面还装有绝缘垫3进一步强化电气绝缘性能，上接头1和下接头6的母接头丝扣7与绝缘接头本体4的公接头丝扣8配合，母接头丝扣7压住绝缘垫3后与公接头丝扣8旋紧，实现了上接头1和下接头6之间的电气绝缘效果。

所述上接头1和下接头6均用金属材料制作，上接头1和下接头6与绝缘接头本体4连接的母接头丝扣7的扣型使用专门设计的扣型，需要与绝缘垫3配做，也就是说绝缘接头本体4的扣型与API标准有所区别，此扣型是为绝缘接头专门设计的，为了安装绝缘垫3将标准API扣型按比例缩小一定尺寸，缩小的具体尺寸取决于加工能力(即绝缘垫3的最小加工厚度)。上接头1与上部钻柱、下接头6与下部钻柱连接的扣型使用API标准扣型，按照石油工具标准要求加工，其材料选择、扣型和强度均符合API标准的要求。使用本发明制作不同规格的偶极天线短节，可按API标准中相应的参数及要求进行加工即可。

本发明同时使用喷涂绝缘涂层和绝缘垫两种方式实现电气绝缘，依靠喷涂绝缘涂层进行电气绝缘的部分是环形台肩端面，因为环形台肩端面是一个圆环形的平面，绝缘涂层的制作较为容易；而丝扣部分是一个不规则的表面，在上面制作绝缘涂层对喷涂的均匀性和涂层厚度的精度要求极高，采用现有技术制作成本高且成品率低，本发明在丝扣部分的电气绝缘依靠的是绝缘垫，加工制作较为容易。采用喷涂绝缘涂层和绝缘垫两种方式相结合制作的偶极天线短节，既避免了在丝扣部分喷涂绝缘涂层对喷涂技术要求高的难题，又避免了绝缘垫在应力集中的台肩端面部分抗疲劳破坏能力不足导致的偶极天线短节强度偏低的缺点。

配合不同的钻柱尺寸，本发明的偶极天线短节具有多种内外径规格，所有规格的偶极天线短节的强度都能满足API标准要求，可以在满足电磁随钻测量系统井下发射机电磁波信号发射的同时，满足钻井工程的安全进行。目前，国内尚无与本发明的电磁随钻测量系统的偶极天线短相关或相似的技术或产品节。与国外偶极天线短节相比，在绝缘接头两端的连接接头上采用绝缘垫子和喷涂绝缘材料相结合的方式进行电气绝缘，既保证了偶极天线短节的机械结构强度，又达到了降低加工难度提高成品率的效果，并通过了钻井施工实钻检验。

上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。

Claims (10)

1.一种电磁随钻测量系统的偶极天线短节，其特征在于：所述偶极天线短节包括上接头(1)、绝缘接头和下接头(6)；

所述上接头(1)的一端与上部钻柱连接，另一端与所述绝缘接头的一端连接，绝缘接头的另一端与下接头(6)的一端连接，下接头(6)的另一端与下部钻柱连接；

所述绝缘接头包括绝缘接头本体(4)和内部绝缘管(5)；所述上接头(1)、绝缘接头本体(4)和下接头(6)均是采用金属材料制作而成的。

2.根据权利要求1所述的电磁随钻测量系统的偶极天线短节，其特征在于：所述绝缘接头本体(4)具有双公接头结构，其包括圆柱形段以及两个分别连接在所述圆柱形段两端的圆锥形段，所述圆锥形段的最大直径处的直径小于所述圆柱形的直径，两个圆锥形段的最大直径处分别与所述圆柱形段的两端连接，在两个连接处均形成环形台肩；

在所述两个圆锥形段的外表面上均设计有公接头丝扣，形成所述绝缘接头本体(4)两端的公接头丝扣(8)；

在所述环形台肩端面上喷涂有绝缘涂层，在两个所述公接头丝扣(8)的外表面上分别安装有一个绝缘垫(3)。

3.根据权利要求2所述的电磁随钻测量系统的偶极天线短节，其特征在于：在所述绝缘接头本体(4)的中心开有与其同轴线的通孔，所述内部绝缘管(5)镶嵌在该通孔中；所述内部绝缘管(5)的内孔的两端分别与上接头(1)的内孔和下接头(6)的内孔连通；

所述内部绝缘管(5)与绝缘接头本体(4)之间为过盈配合，在内部绝缘管(5)的外表面与绝缘接头本体(4)之间涂有密封胶。

4.根据权利要求3所述的电磁随钻测量系统的偶极天线短节，其特征在于：所述上接头(1)内孔的下部设计为锥形孔，该锥形孔的锥度与所述绝缘接头本体(4)的一个圆锥形段的锥度一致，在该锥形孔的孔壁上设计有母接头丝扣(7)，其与所述绝缘接头本体(4)一端的公接头丝扣(8)配合；

所述下接头(6)内孔的上部设计为锥形孔，该锥形孔的锥度与所述绝缘接头本体(4)的另一个圆锥形段的锥度一致，在该锥形孔的孔壁上设计有母接头丝扣(7)，其与所述绝缘接头本体(4)另一端的公接头丝扣(8)配合。

5.根据权利要求4所述的电磁随钻测量系统的偶极天线短节，其特征在于：所述上接头(1)和下接头(6)的母接头丝扣(7)压住绝缘垫(3)后与绝缘接头本体(4)两端的公接头丝扣(8)旋紧。

6.根据权利要求2至5任一所述的电磁随钻测量系统的偶极天线短节，其特征在于：在所述绝缘接头本体(4)的圆柱形段的外表面上铺设有外部绝缘层(2)，所述外部绝缘层(2)向两端分别延伸到上接头(1)和下接头(6)的外表面上；整个外部绝缘层(2)的长度大于所述绝缘接头本体(4)的长度且小于上接头(1)、绝缘接头本体(4)和下接头(6)这三者的总长度。

7.根据权利要求6所述的电磁随钻测量系统的偶极天线短节，其特征在于：所述外部绝缘层(2)的厚度大于2毫米。

8.根据权利要求7所述的电磁随钻测量系统的偶极天线短节，其特征在于：所述外部绝缘层(2)和内部绝缘管(5)均是采用复合材料制成的。

9.根据权利要求8所述的电磁随钻测量系统的偶极天线短节，其特征在于：所述外部绝缘层(2)采用的是高强度玻纤预浸布；所述外部绝缘层(2)是采取由内而外分层固化的方式将多层高强度玻纤预浸布固化在绝缘接头本体(4)、上接头(1)和下接头(6)的外表面上。

10.根据权利要求8所述的电磁随钻测量系统的偶极天线短节，其特征在于：所述内部绝缘管(5)采用的是额定使用温度大于200℃以上的玻纤复合材料管。

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