CN105189922B

CN105189922B - Mwd系统中的钻柱地埋隔离壳体和方法

Info

Publication number: CN105189922B
Application number: CN201480015049.2A
Authority: CN
Inventors: 艾伯特·W·周; 肯尼思·J·泰默
Original assignee: Merlin Technology Inc
Current assignee: Merlin Technology Inc
Priority date: 2013-03-14
Filing date: 2014-03-10
Publication date: 2023-05-12
Anticipated expiration: 2034-03-10
Also published as: RU2728165C2; EP2971499A1; US20210301645A1; US9422802B2; US20190309615A1; RU2666372C2; US20230212938A1; CN105189922A; CN116537767A; US12012844B2; US11035221B2; RU2018131395A; US20160348495A1; US20140262513A1; EP2971499A4; WO2014159293A1; US10329895B2; RU2018131395A3; US11603754B2; RU2015138903A

Abstract

壳体限定有沿着壳体的长度的贯穿通道并构造为支撑围绕贯穿通道的一组电绝缘体，以在钻柱中形成电隔离断开部，使得该组绝缘体中的每一个绝缘体响应于钻柱的延伸和收缩受到不超过压缩力的力。壳体限定有用于收纳具有信号端口的电子封装件的壳体空腔，并且壳体构造为跨越电隔离断开部电连接所述信号端口。为了增强定位信号的发射，壳体盖部可以与主壳体主体相互配合来限定细长的线槽。壳体装置可以支撑来自电子封装件中的电连接部，以便电子封装件跨越电隔离间隙。

Description

MWD系统中的钻柱地埋隔离壳体和方法

相关申请的交叉引用

本申请涉及并要求美国非临时申请No.13/827,945的优先权，该申请的全部内容以引用方式并入本文。

技术领域

本申请一般涉及地埋操作，并且更具体地涉及用于将电信号电耦合至导电钻柱上来传输信号的装置和方法。

背景技术

通常，诸如为了安装公用设施管线、钻孔勘测等而打钻以形成钻孔以及后续对钻孔进行扩孔等地埋操作使用从地上钻机延伸的导电钻柱。现有技术包括使用导电钻柱作为用于将数据信号从地埋工具电传输至钻机的电导体的实例。为了在钻机处检测信号，钻机周围的地面用作信号返回路径。这种类型的系统通常称为随钻测量(“MWD”)系统。

例如，在美国专利No.4,864,293(在下文中为’293专利)中可以看到在MWD系统中尝试使用钻柱作为电导体的实例。在一个实施例中，该专利教导了一种围绕钻柱装配的电隔离套环。本发明的申请人认识到，在极端恶劣的地埋环境下，这种电隔离套环(图2，项目32)的使用至少在耐用性方面是存在问题的。在图3和图4中所示的另一实施例中，示意性地示出了适当的介电分隔装置40，并声明该介电分隔装置40用于将钻柱的前部与钻柱的其余部分电隔离。没有提供适当地教导读者如何制造该分隔装置的细节，但能够合理地设想：其中绝缘体被简单地插入到钻柱的断开部，从而与钻柱共同旋转。不幸的是，在钻探操作期间，绝缘体将会受到与钻柱的钻管段同样严酷的机械应力，包括回拉操作期间的纯拉力以及因钻机施加在钻柱上的旋转扭矩而产生的高剪切力。虽然钻柱通常由能够很容易地承受这些力的高强度钢制成，但申请人不知道任何当前可用的能够以申请人认为可接受的可靠性来承受所有这些不同力的非导电材料。应认识到，在钻探操作期间，钻柱端部折断所造成的后果极其严重。因此，以所建议的方式使用绝缘体而带来的风险被认为是不可接受的。

在美国专利No.4,348,672中可以看到一种甚至更早的方法，在该专利中，试图使用夹设在由第一环形子部件和第二环形子部件组成的被该专利称为“绝缘间隙子组件”的部件之间的各种介电材料层来在钻柱中引入电隔离断开部。该专利的图5和图6示出了一个实施例，而该专利的图7和图8示出了另一实施例。不幸的是，将相对较薄的介电层夹设在限定于相邻高强度金属部件(其能够承受极端力以及恶劣的井下环境)之间的间隙中的做法不太可能提供可接受的性能水平。具体而言，这些介电层受到与第一环形子部件和第二环形子部件同样严酷的力，这样，在恶劣的井下环境中，耐用性很可能受到限制。也就是说，当相对较薄的介电层中的一个介电层被磨穿时，所需的电隔离受到损害。

例如，在美国专利申请No.13/035,774(在下文中为'774申请)、美国专利申请No.13/035,833(在下文中为'833申请)和美国专利申请No.13/593,439(在下文中为'439申请)中可以查看到在MWD系统的情况下关于将电信号耦合到钻柱上的实用方法，这三个美国专利申请和本申请属同一申请人，并且这三个美国专利申请的全部内容以引用方式并入本文。虽然'774申请、'833和'439申请提供了与当时存在的技术状态相比的显著优点，但申请人已发现其它更有利的方法，这将在下文中描述。

现有技术的前述实例及其相关限制旨在是说明性的，而非排他性的。在对本说明书的阅读和对附图的研究的基础上，本领域的技术人员将更加清楚现有技术的其它局限性。

发明内容

结合用于提供示例和进行说明而非用于限制范围的系统、工具和方法描述并示出了下述实施例及其各个方面。在各个实施例中，上述问题中的一个或多个问题已经被缓解或消除，而其它实施例涉及其它不同之处。

一般来说，公开了一种用于与钻柱组合使用的装置和相关的方法，钻柱是导电的且从包括地埋工具的地埋末端延伸至钻机。在本发明的一个方面中，壳体限定有沿着壳体的长度的贯穿通道，并且壳体构造为支撑围绕贯穿管道的电绝缘体，以在钻柱中形成电隔离断开部，使得响应于钻机对钻柱的推动和响应于钻机对钻柱拉动，一组电绝缘体中的每一个电绝缘体受到不超过压缩力的力。壳体限定有用于收纳具有信号端口的电子封装件的壳体空腔，并构造为跨越电隔离断开部电连接信号端口。

在本发明的另一个方面中，公开了一种用做地埋工具的一部分的壳体装置和相关的方法，壳体装置收纳用于发送来自地埋工具的定位信号的发射器。在发射器发射定位信号的同时，主壳体将发射器支撑在操作位置。盖部构造为可拆卸地安装在壳体上，使得主壳体的至少一部分和盖部的至少一部分被布置成处于相面对的关系，以共同限定从壳体装置的外部通向发射器的至少一个细长线槽。

在本发明的另一个方面中，公开了一种用作地埋工具的一部分的壳体和相关的方法，壳体支撑具有输出电缆的电子封装件，输出电缆用于承载输出信号。壳体主体是导电的并限定有用于收纳电子封装件的空腔，使得电子封装件形成与壳体主体电连接的第一电连接部。中间壳体是导电的并收纳在壳体主体的一个端部上，以便中间壳体在支撑电缆的同时以在中间壳体与壳体主体之间形成电隔离间隙的方式与壳体主体相互配合，从而电缆延伸跨越该间隙与中间壳体电连接，使得电子封装件电跨越间隙。

附图说明

在所参考的附图中示出了示例性实施例。本文所公开的实施例和附图旨在是示例性的，而非限制性的。

图1是利用本发明的地埋隔离壳体的实施例及相关方法的系统的示意性正视图。

图2是以组装形式示出本发明的地埋壳体的实施例的示意性透视图。

图3是图2的地埋壳体的实施例的示意性分解透视图。

图4是图2的地埋壳体的实施例的另一个示意性分解透视图。

图5是图2的地埋隔离壳体的实施例的示意性局部剖切组装正视图，以便示出壳体的处于组装关系的各个部件。

图6是图2的绝缘体的实施例的一部分的示意性且进一步放大的剖切正视图，以便进一步示出绝缘体的结构的细节。

图7是进一步示出图2的地埋壳体的实施例以及相关电子封装件的细节的示意性分解透视图。

图8是适于与本发明的地埋隔离壳体的实施例联用的井下电子封装件的实施例的框图。

图9是适于在钻机上使用以经由本发明的地埋隔离壳体与井下电子器件部分进行双向通信的井上电子器件部分的实施例的框图，并且图9还包括嵌入视图，该嵌入视图示出中继器实施例和能够将电子器件部分转换为用于井下中继器使用的相关电连接件。

图10是以组装形式示出本发明的地埋壳体的另一个实施例的示意性透视图。

图11是进一步示出图10的地埋壳体的实施例的细节的示意性局部剖切分解透视图。

图12是示出形成图11的实施例的一部分的盖部的细节的示意性仰视透视图。

具体实施方式

提供下面的描述是为了使本领域普通技术人员能够实现和使用本发明，并且在专利应用及其要求的背景下提供以下描述。所描述的实施例的各种变型对于本领域的技术人员来说是显而易见的，并且在说明书中所教导的一般原理可以应用到其它实施例中。因此，本发明并不希望被限制于所示出的实施例，而是与说明书中所教导的包括变型和等同内容在内的原理和特征相符的最宽的保护范围相对应，正如所附权利要求的范围所限定的那样。应注意的是，附图并非是按比例绘制的，而是以能最佳地示出所关注的特征的方式自然地图示出的。描述性术语可以相对于这些描述被使用，然而，采用该术语是为了促进读者的理解，而非意在进行限制。

现在转向附图，其中，在所有附图中相同的部件用相同的附图标记表示，紧接着将注意力转到图1，图1是示意性地示出整体用附图标记10表示且根据本发明制造的水平定向钻探系统的实施例的正视图。虽然所示系统示出了在用于进行地埋钻探操作的水平定向钻探系统及其部件的框架内的本发明，但本发明相对于其它操作程序享有同等适用性，这些操作程序包括但不限于竖直钻探操作、用于安装公用设施的回拉操作、勘测操作等。

图1示出了在区域12中操作的系统10。系统10包括钻机14，钻机14具有从钻机14延伸到地埋工具20的钻柱16。钻柱能够被推入到地面中，以至少大致沿箭头所示的前进方向22移动地埋工具20。虽然本实例构造为是就将钻具用作地埋工具而言的并且这样进行讨论，但应认识到，讨论也适用于任何合适形式的地埋工具，包括但不限于扩孔工具、在可以安装公用设施或壳体的回拉操作期间使用的张力监测工具、例如使用惯性引导单元和井下压力监测来用于勘测钻孔路径的勘测工具。此外，可以借助能够被插入到钻柱中的任意所需接头处的隔离分段或地埋壳体来使用本文的教导，该接头位置包括钻柱的地埋末端处的紧后方。在钻具的操作中，通常需要基于钻柱的前进进行监测，而在例如回拉操作等其他操作中，能够响应于钻柱的回缩而进行监测。

继续参考图1，钻柱16被部分地示出并被分段，钻柱16由多个可拆卸地附接的单独钻管段组成，一些钻管段由1、2、n-1和n表示，钻管段具有段长度或节长度及壁厚。钻管段可以被互换性地称为具有杆长度的钻杆。在钻机的操作期间，可以一次向钻柱添加一个钻管段，并且使用可移动的滑架30借助钻机将钻管段推入到地面中，以使地埋工具前进。钻机14可以包括用于测量钻柱进入地面中的移动的合适的监测装置32，这诸如在名称为“SYSTEMSARRANGEMENTS AND ASSOCIATED METHODS FOR TRACKING AND/OR GUIDING ANUNDERGROUND BORING TOOL(追踪和/或引导地埋钻具的系统、装置和相关方法)”的美国专利No.6,035,951(在下文中为'951专利)中进行了描述，该美国专利和本申请属同一申请人并且以引用的方式并入本文。

每个钻管段限定了在管段的相反端部之间延伸的贯穿开口34(示出其中一个)。钻管段可以配备有通常被称为阴阳螺纹配件的特征，使得给定的钻管段的每个端部均能够以已知的方式与钻柱中的另一个钻管段的相邻端部螺纹接合。在钻管段被接合以组成钻柱之后，相邻的各钻管段的贯穿开口对准以形成由箭头所示的整体通道36。通道36可以提供钻井液或泥浆的与箭头方向一致的加压流动，该加压流动从钻机流到钻头或其他地埋工具，这将进一步进行描述。

钻具在区域12中的位置以及钻具所遵循的地下路径可以在钻机14处设定并显示，例如，在控制台42上使用显示器44显示。控制台可以包括处理装置46和控制执行装置47。在一些实施例中，可以自动进行操作参数的控制和监测。

钻具20可以包括钻头50，钻头具有用于基于滚动取向而转向的倾斜面。也就是说，当钻头在不旋转的情况下被推动前进时，基于钻头的倾斜面的滚动取向，钻头通常将发生偏转。另一方面，通过在推动钻头的同时使钻柱按双箭头51所示那样旋转，通常可以使钻头沿直线行进。当然，可预见的转向是以合适的土壤条件为前提的。值得注意的是，为了切入钻头正前方的大地并对钻头提供冷却和润滑，前述钻井液可以在高压下射出喷射流52。钻具20包括收纳有电子封装件56的地埋壳体54。地埋壳体构造为使钻井液在电子封装件周围流动至钻头50。例如，电子封装件可以包括以中心定位的方式被支撑在壳体54中的圆柱形壳体构造。钻头50可以包括收纳在地埋壳体54的阴螺纹配件中的阳螺纹配件。地埋壳体的相反端部可以包括阴螺纹配件，该阴螺纹配件收纳钻柱16的地埋末端的阳螺纹配件。就本文的讨论和所附权利要求书而言，钻具可以被认为是钻柱的一部分，以便定义钻柱的地埋末端。值得注意的是，钻头和地埋壳体的阴螺纹配件和阳螺纹配件可以与设置在钻柱的钻管段上的阴螺纹配件和阳螺纹配件相同，以便于在形成钻柱时钻管段彼此可拆卸地连接。当然，地埋壳体的端部上的配件可以容易地更换以适应特殊需要。地埋电子封装件56可以包括钻柱收发器64和定位收发器65。将在下文的合适的位置提供关于钻柱收发器的进一步的细节。在一些实施例中，定位收发器65可以发送例如偶极定位信号等探地信号66，并且可以接收由其他地埋部件产生的电磁信号，这将在下文的合适位置进行描述。在其他实施例中，定位收发器66可以被发射器代替或不需要。在其他实施例中，收发器65可以构造为接收从地上发送的磁定位信号，以便使用磁力计感测磁场，这将进一步进行描述。为了方便描述，本实例假设电磁信号66为偶极信号形式的定位信号。因此，电磁信号66可以称为定位信号。应该理解的是，电磁定位信号可以像任意其他电磁信号一样被调制，并且可以在调制之后从信号中回收调制数据。信号的定位功能可以至少部分取决于磁通场的特征形状和信号强度而不取决于信号承载调制信号的能力。因此，调制不是必需的。可以使用位于钻具中的合适的传感器装置68来测量关于钻具的例如俯仰和滚动(取向参数)、温度、钻井液压力以及钻具周围的环空压力等某些参数的信息，传感器装置68可以包括例如俯仰传感器、滚动传感器、温度传感器、用于感测50/60Hz公用设施线路附近的AC场传感器、所需的例如用于感测偏转取向的DC磁场传感器等任意其他传感器(三轴磁力计和/或磁定位信号，具有三轴加速度计，以形成与磁力计相互配合使用来测量偏转取向的电子罗盘)以及一个或多个压力传感器。钻柱收发器64可以包括与传感器装置68和定位收发器65相连时所需的处理器。在一些实施例中，一个或多个加速度计可以用于测量例如俯仰和滚动取向等取向参数。壳体中可以设置有电池(未示出)，以提供电力。

可以使用便携式定位器80来检测电磁信号66。与本申请属同一申请人的名称为“FLUX PLANE LOCATING IN AN UNDERGROUND DRILLING SYSTEM(定位在地埋钻探系统中的通量面)”的美国专利No.6,496,008中描述了一种合适的且高度先进的便携式定位器，该申请的全部内容以引用的方式并入本文。虽然为了方便描述而采用了水平定向钻的框架，但如上所述，本描述适用于各种地埋工具且不意图进行限制。如以上讨论的那样，电磁信号66可以承载包括例如俯仰和滚动等取向参数在内的信息。电磁信号也可以承载其他信息。举例来说，这种信号可以包括在钻具附近或在钻具的内部所测量到的参数，该参数包括温度、压力以及例如电池电压或电源电压等电压。定位器80包括电子封装件82。值得注意的是，为了电气通信，电子封装件与定位计的各种部件连接，并且电子封装件82可以执行数据处理。可以以任意合适的方式在电磁信号66上调制关注的信息，并且将关注的信息传送到定位器80和/或钻机处的天线84，但这不是必需的。可以使用当前可用或尚待开发的任意合适形式的调制。当前可用的和合适类型的调制的实例包括振幅调制、频率调制、相位调制及其变型。在从定位信号中恢复例如俯仰等与钻探有关的任意关注参数的同时，可以在显示器44和/或定位器80的显示器86上显示这些关注参数。定位器80可以发送遥测信号92。钻机14可以发送能够被定位器80接收的遥测信号98。遥测部件在钻机和定位器80之间提供双向信号。作为这种发送信号的一个实例，基于由钻机监测单元32提供的状态，钻具可以发送如下指示：因为钻管段正在被添加到钻柱中或正在从钻柱中移除钻管段，所以钻柱处于静止状态。

仍然参考图1，电连接部100a和100b可以从地埋电子封装件56延伸，这将进一步进行描述。经由这些电连接部，可以从电子封装件中电传送与地埋工具的操作有关的任意感测值或参数。本领域的普通技术人员应该理解的是，通常称为“管中线”(wire-in-pipe)的装置可以用于在钻机和地埋工具之间双向地传递信号，其中，一个电连接部包括绝缘导体，该绝缘导体从钻柱的内部通道36向上延伸至钻机，而另一个电连接部直接连接至导电的钻柱。术语管中线指的是通常被收容在内部通道中的这样的导体。然而，根据本发明，电连接部100a和100b形成为跨越由壳体54形成的电隔离间隙104，这将进一步进行描述。值得注意的是，这些电连接部可以统称为与电子封装件相关的信号端口。在各种实施例中，信号端口可以构造为单向通信或双向通信。

现在结合图1将注意力转到图2。图2是示出壳体54在其组装形式下的实施例的示意性透视图。组件包括主壳体200，主壳体200可以具有收纳钻头50的阴螺纹配件210。中间壳体220可以限定阴螺纹配件222。如以上讨论的那样，这些配件可以匹配在组成钻柱16的钻管部上的相对配件，使得地埋壳体54可以被插入到钻柱中的任意所需接头中。地埋壳体在主壳体200与中间壳体220之间设置有电隔离断开部104。在一些实施例中，泥浆马达可以附接至壳体54。在该实施例中，泥浆马达的相反侧可以支撑弯曲分段，该弯曲分段本身支撑钻头。泥浆马达可以以已知的方式响应于钻井液的压力来旋转弯曲分段而不需要旋转钻柱。

现在结合图2将注意力转到图3和图4。图3是从阴螺纹配件210端部看到的地埋壳体54的示意性分解透视图，而图4是从阴螺纹配件222端部看到的示意性分解透视图。应该理解的是，各个附图中的阳螺纹配件和阴螺纹配件以及其他部件上的螺纹即使示出也仅是示意性地示出，但应理解的是，螺纹是存在的并且这种螺纹连接是已知的。主壳体200限定了用于收纳电子封装件56的空腔。通过首先插入耳片232然后使用销236固定盖部228，可以使盖部被主壳体收纳。首先，可以通过将销插入到盖部中并穿过固定夹240来将销固定至盖部。固定夹可以收纳在环形凹槽238中，使得当从主壳体200中移除盖部时，销可以与盖部保持在一起。销236限定有缩小了直径的环形沟道242，使得滚销244可以被插入到由主壳体限定的开口246中并收纳在环形沟道242中，以便将盖部228保持在安装位置，这将在后续的附图中看到。在安装完盖部之后，电子封装件56被锁卡在壳体与盖部之间。为了允许发射图1的定位信号66并允许电子封装件的压力传感器在钻孔周围的环形区域中受到压力，可以由盖部限定线槽248，并且由主壳体200限定附加线槽250。

仍然参考图3和图4，主壳体延伸部252从主壳体200中延伸并可以与主壳体200一体形成。如图4中所看到的，主壳体延伸部限定了进入开口256。主壳体延伸部的内螺纹构造为收纳主装配螺栓264的螺纹端部部分260。当组装时，可以使用多个预载荷螺栓268以下文将要描述的方式对电绝缘的电绝缘体272施加预载荷压力。在其他实施例中，可以使用轴替代主装配螺栓。该轴的自由端可以攻螺纹以收纳替代了预载荷螺栓268的螺母。可以调整螺母来施加预载荷力。这种轴可以与主壳体200一体形成或构造为与主壳体延伸部252螺纹接合。在本实施例中，电绝缘体是陶瓷部件。虽然陶瓷部件可以具有任意合适的形式，但是已经发现球形陶瓷绝缘体比较有用。在下文的合适位置将讨论其他合适的形状。主壳体、中间壳体、盖部、主装配螺栓及其他合适的部件通常可以由例如4340、4140、4142及15-15HS或Monel K500(其中，后两者均为非磁性高强度合金)等合适的高强度材料形成，这是因为在地埋操作期间这些部件均受到潜在恶劣的井下环境以及相对极端的力负载。材料的选择可以基于，至少部分地基于典型钻杆段的性能特点。在隔离盘282紧靠主壳体延伸部的端面的情况下，间隔圆柱体278收纳在主壳体延伸部252上。

现在结合图2至图4将注意力转到图5和图6。图5是支撑电子封装件56的地埋壳体54的示意性局部剖切组装正视图，而图6是地埋壳体的一个端部300的一部分的进一步放大的示意性局部剖切组装正视图。如图5和图6中所看到的，中间壳体220包括内部凸缘310。当中间壳体安装到延伸部252上时，在间隔圆柱体278布置在延伸部的侧壁与中间壳体的内部侧壁之间的同时，隔离盘282被锁卡在内部凸缘310的一个表面与延伸部的端面之间。同时，环形间隔盘314限定有构造为收纳绝缘体272的外径的开口，使得每个绝缘体均部分地收纳在由主壳体200的端面322限定的半球形(即，球形形状的一部分)凹槽318(图4)中，以及部分地收纳在由中间壳体220的端面330限定的半球形的凹槽326(图3)中。主装配螺栓264限定有收纳对开隔离套筒338的通道334(图3和图4)。在对开隔离套筒338就位后，主装配螺栓分别经由第一绝缘体和第二绝缘体或止推环340和342安装到螺纹接合的延伸部252。对开隔离套筒338的外表面面向凸缘310的内表面。外部隔离套筒350被收纳成包围主装配螺栓的头部并从隔离环340和342向外延伸到凸缘310。在已安装完主装配螺栓264的情况下，可以扭转预载荷螺栓268以对绝缘体272施加预压缩载荷。预紧力可以基于如下多个因素：该因素包括但不限于形成绝缘体的材料的类型、绝缘体的形状以及在地埋操作期间将要遇到的预期负载等。预紧力应当足够大，使得钻机的拉力、钻柱弯曲力或它们的任意组合将不会导致移除一个或多个绝缘体。在施加预紧力之后，可以将输入漏斗360插入到配件222中，以便贯穿开口364贯穿组件到达由主壳体200限定的贯穿通道368并通向至相反的阴螺纹配件210，使得钻井液可以穿过组件作为喷射流52(图1)从钻头50中射出或到达需要流体补给的一些其他地埋工具。输入漏斗可以例如借助收纳在输入漏斗的外周凹槽中的O型环370以及由中间壳体220限定的配合凹槽而保持在安装位置。包括对开绝缘套筒338、第一止推环340、第二隔离环342、间隔圆柱体278、隔离盘282、环形间隔盘314、外部绝缘套筒350及输入漏斗360在内的各种电隔离部件可以由包括但不限于下文所列出的任意合适的材料形成。第一止推环和第二止推环可以由例如TTZ(四边形增韧氧化锆)形成。间隔圆柱体278、隔离盘282、环形间隔盘314和外部隔离套筒350中的每一个均可以由例如PVC(聚氯乙烯)、PEEK(聚醚醚酮)或乙缩醛等形成。输入漏斗360可以由例如UHMW(超高分子量聚乙烯)或橡胶等形成。

参考图5至图7，现在将注意力转到关于电子封装件56的安装以及在电子封装件与壳体部件之间形成电连接部的方式的细节。图7是示出主壳体200、电子封装件56以及相关的电连接部的部件和特征的示意性分解透视图。如图7中清晰地看到的，电子封装件可以包括细长的圆柱形主体400，主体400具有分别布置在主体的第一端和第二端中的每一个端处的第一尾部缓冲器404和第二尾部缓冲器408。O型环310可以在中间位置支撑主体。主体400的第一端可以支撑例如与服务于封装件的内部电路的阴极电源接头引线/端子电气通信的导电端盖412。值得注意的是，该端盖可以用作图1的电连接部100b的一个终端。用于在电子封装件与钻机之间双向传送信息的电缆420从第一尾部缓冲器404延伸，并且电缆420包括围绕导体424的电绝缘护套。值得注意的是，导体424可以用于形成图1的电连接部100a。例如，指引销428可以被压入配合，以将尾部缓冲器404保持在端盖412上的适当位置。可以在由尾部缓冲器404限定的孔中收纳接触弹簧432，以便使接触弹簧432与端盖412电接合。接触弹簧的自由端形成与主外壳200的局部电连接，从而在最终安装完电子封装件之后，完成图1的电连接部100b。然而，在这种最终安装之前，电缆420延伸穿过与孔448(图3)相交的通道444(图6)，使得在电子封装件位于安装位置的情况下，电缆延伸穿过接触绝缘体452延伸。值得注意的是，通道444可以由能够被延伸部252螺纹接合地收纳的插塞454终止。贯穿销460、偏置弹簧464、盖470及O型环472通过由中间壳体220和间隔圆柱体278限定的已对准的开口进行安装，使得贯穿销在接触绝缘体452内与电缆420接触。盖470可以与中间壳体20螺纹接合，从而通过紧固盖来使导电的贯穿销刺穿电缆的护套并与导体424形成电连接。弹簧464与贯穿销电接触，贯穿销本身与盖470电接触。因为盖470与中间壳体220电接触，所以中间壳体与导体424之间的电连接部形成为完成图1的电连接部100a，使得由电缆承载的电信号可以联接至中间壳体，从而联接至导向钻机的导电的钻柱，或者相反地，在钻柱上来自钻机的信号可以联接至电缆，从而联接至电子封装件。

以上已经详细地描述了地埋壳体54的结构，现在将注意力转到与地埋壳体54的操作方面相关的细节。在安装期间，可以以例如2500英尺-磅等显著大的值扭转预载荷螺栓268，以对绝缘体272施加压力，从而对所有绝缘体施加预压缩载荷。也就是说，预压缩载荷响应于对主壳体200与中间壳体220之间的绝缘体的压缩来试图拉伸主装配螺栓264。电绝缘体中的单个电绝缘体上的压力的大小可以基于任意给定钻机所能够产生的收缩力和/或插入力(推力和/拉力)的大小。在由钻机施加12000磅-英尺的扭矩的情况下，本实施例能够承受100000磅-英尺的推力或收缩力。

参考图6，用箭头示出推力500。当中间壳体220接收来自钻柱的井上部分的这种推力/延伸力时，中间壳体直接通过绝缘体272将推力传递至主壳体200。绝缘体响应于推力而仅受到预载荷压缩力之外的压缩力增加量。与之相反，当中间壳体接收来自钻柱的拉力/收缩力时，内部凸缘310朝主装配螺栓264的头部移动，以经由隔离环340和342以及预载荷螺栓268来对主装配螺栓的头部施加收缩力。主装配螺栓又对主壳体200的延伸部252直接施加收缩力，使得主壳体响应于收缩力而被拉动。此外，绝缘体仅受到响应于收缩力的压缩力增加量。

应该理解的是，在地埋操作期间绝缘体272可以经受非常高的压缩负载，但绝缘体仅受到响应于钻机对钻柱的延伸和/或收缩而产生的压缩力。仅响应于钻柱的旋转而对绝缘体施加弯曲负载。然而，就这一点而言，申请人发现这种弯曲负载明显小于压缩负载。也就是说，为了承受这种压缩，需要合适的材料。合适的材料可以包括现在可用或尚待开发的陶瓷材料。作为非限制实例，合适的材料包括氮化硅和相变增韧氧化锆。申请人进行的实验测试证明：仅三个球形氮化硅电绝缘体的布置能够承受3倍的典型钻杆段的额定转矩。在其它实施例中，绝缘体272可以包括除球形以外的外周轮廓。在此类实施例中，锁卡电绝缘体的凹槽可以包括互补的形状。作为非限制性实例，其它合适的形状可以包括各种几何形状，该几何形状包括但不限于例如圆柱或正四棱柱等细长的形状。此外，可以以任何合适的方式改变电绝缘体的布局和/或整体数量。对于布局而言，例如，可以提供同心环的电绝缘体。

图8是进一步详细地示出电子封装件56的实施例的框图。电子封装件可以包括能够实现图1的收发器64的所有功能的地埋数字信号处理器510。传感器部分68经由模数转换器(ADC)与数字信号处理器510电连接。可以为给定的应用提供传感器的任意合适的组合，并且可以例如从加速度计520、磁力计522、温度传感器524及压力传感器526中选择传感器的任意合适的组合，其中，压力传感器526可以感测钻井液从钻柱射出之前的压力和/或可以感测围绕钻柱的井下部分的环形区域中的钻井液的压力。地埋壳体54被示意性地示出为形成电隔离断开部104，从而将钻柱的井上部分527a与钻柱的井下部分527b分开，以便用于发送模式和接收模式中的一种或两种，在发送模式中，数据被耦合在钻柱上，而在接收模式中，从钻柱中恢复数据。井下部分527b可以包括钻头或例如与张力监测装置或勘测工具等一起在拉回操作中使用的扩孔工具等任意其他合适类型的地埋工具。在一些情况下，井下部分在地埋壳体54与地埋工具之间可以包括一个或多个钻管段或其他地埋分段。电子部分隔着由绝缘体形成的电绝缘/隔离断开部借助第一引线528a和第二引线528b(可以共同用附图标记528表示)进行连接。对于发送模式而言，使用电连接在地埋数字信号处理器510与引线528之间的天线驱动器部分530来直接驱动钻柱。通常，能够耦合至钻柱中的数据可以使用与用于驱动可以发射上述信号66(图1)的偶极天线540的任意频率不同的频率来进行调制，以避免发生干扰。当天线驱动器530关闭时，开/关切换器(SW)550可以选择性地将引线528连接至带通滤波器(BPF)552，带通滤波器552具有与从钻柱接收到的数据信号的中心频率对应的中心频率。BPF 552又与模数转换器(ADC)554连接，模数转换器554本身与数字信号处理部分510连接。从采用的调制的特定形式的方面考虑，本领域的普通技术人员能够很容易地构造数字信号处理部分中的调制数据的恢复。

仍然参考图8，偶极天线540可以被连接以用于发送模式和接收模式中的一种或两种，在发送模式中，信号66被发送至周围大地中，而在接收模式中，可以接收例如来自地埋张力监测工具中的信号等电磁信号。对于发送模式而言，使用电连接在地埋数字信号处理器510与偶极天线540之间的天线驱动器部分560来驱动天线。此外，信号66的频率通常与钻柱信号的频率完全不同，以避免信号66与钻柱信号之间的干扰。当天线驱动器560关闭时，开/关切换器(SW)570可以选择性地将偶极天线540与带通滤波器(BPF)572连接，带通滤波器572具有与从偶极天线接收的数据信号的中心频率相对应的中心频率。BPF 572又与模数转换器(ADC)574连接，模数转换器574本身与数字信号处理部分510连接。从所采用的调制的一种或多种特定形式的方面考虑，并且从本发明的整个公开内容的方面考虑，在许多合适的实施例中，本领域的普通技术人员能够很容易地构造用于数字信号处理部分的收发器电子器件。从本文公开的教导方面考虑，可以以任何合适的方式修改图8所示的设计。

参考图1和图9，图9是可以构成与钻柱16耦合的地上收发器装置(整体用附图标记600表示)的一个实施例的部件的框图。地上电流互感器602定位在例如钻机14上，以耦合和/或接收来自钻柱16的信号。电流互感器602可以被电连接以用于发送模式和接收模式中的一种或两种，在发送模式中，数据被调制在钻柱上，而在接收模式中，从钻柱中恢复调制数据。收发器电子封装件606与电流互感器连接并可以由钻机供电。对于发送模式而言，使用电连接在地上数字信号处理器620与电流互感器602之间的天线驱动器部分610来驱动电流互感器。能够耦合至钻柱中的数据可以使用与用于驱动地埋壳体54(图1)中的偶极天线540的频率不同的频率来进行调制，以避免干扰，以及区别于地埋壳体54(图8)驱动钻柱的地埋端上的信号的频率。当天线驱动器610关闭时，开/关切换器(SW)620能够选择性地将电流互感器602与带通滤波器(BPF)622连接，带通滤波器622具有与从钻柱接收的数据信号的中心频率对应的中心频率。BPF 622又与模数转换器(ADC)630连接，模数转换器630本身与数字信号处理部分632连接。应该理解的是，数字信号处理部分632和相关部件可以形成钻机的处理装置46(使用虚线示出)的一部分或在合适的接口634上与处理装置46连接。收发器606可以将命令发送至地埋工具，以用于各种目的，例如，控制传输功率、选择调制频率、改变数据格式(例如，降低波特率来增大解码范围)等。从所采用的调制的一种或多种特定形式的方面考虑，并且从本发明的整个公开内容的方面考虑，在许多合适的实施例中，本领域的普通技术人员能够很容易地构造用于数字信号处理部分的收发器电子器件。

仍然参考图1和图9，在中继器实施例中，另一种地埋隔离器装置640(在一个虚线框中示出)可以和地埋壳体54的另一实例一起来代替电流互感器602。装置640可以包括地埋壳体的任意合适的实施例。在该装置中，地埋壳体54支撑收发器606并作为一个单元被插入到钻柱的一个接头中，以便以相距地埋工具1000英尺(举例来说)的中继器的方式进行服务。因此，钻柱的部分527a’可以将中继器与钻机连接，而钻柱的部分527b’用作钻柱的在地埋工具处通向地埋壳体54的中间部分。中继器单元可以例如被插入到形成在图1中的钻管段1与钻管段2之间的接头中。用于中继器应用的地埋壳体可以包括位于一端的阴螺纹配件和位于相反端的阳螺纹配件。当然，本领域的普通技术人员将认识到，阴阳螺纹配件式的适配器是已知的并且容易获得。为了避免信号干扰，并且作为非限制性实例，中继器可以在一个载波频率下获取源自地埋工具或另一中继器的信号，并且中继器电子器件可以在不同的载波频率下沿钻柱向上重新发送信号，以使信号彼此区分开。作为另一实例，可以使用合适的调制来使信号区分开。因此，可以以任何合适的方式收纳中继器电子封装件，并且使中继器电子封装件与绝缘体的信号耦合装置电通信，以基于所接收的数据信号产生可区别于所接收的数据信号的中继器信号。

现在将注意力转到图10至图12。图10是示出本发明的地埋壳体的整体用附图标记54’表示的另一个实施例的示意性组装透视图。图11是壳体54’的示意性局部分解图。应注意的是，壳体54’共享前述壳体54的特征，为了简洁起见，不重复相同特征和部件的描述。图12是从改型盖部228’的下方观察到的示意性透视图。盖部228’也限定有线槽244，然而，盖部至少基本上在线槽244的区域中向外扩展。这样，形成相反的延伸部700，每个延伸部均包括作为盖部的外周边缘构造的一部分的纵向边缘706。每个延伸部均限定有表面708。盖部限定有盖部空腔710，当安装好盖部时，盖部空腔710至少部分收纳电子封装件56。同时，改型主壳体200’限定有可以形成在底板714中的支撑凹槽712，以便支撑凹槽收纳电子封装件56。在底板714的外周与主壳体200’的圆柱形构造的交叉处形成有外边缘720。当盖部228’安装在主壳体200’上时，在处于相面对的关系的每个盖部表面708与底板714之间限定有相反两侧的线槽730(其中的一个是可见的)，使得每个纵向边缘706在每个线槽730的入口处与外边缘720中的一个处于相面对的关系。线槽730以与前述线槽250相同的方式起作用，以便通过限制可能以其他方式在盖部与主壳体之间流动的涡流来增强定位信号的发射。线槽730可以具有任何合适的宽度，包括刚好足以防止涡流流动的宽度。虽然线槽730被示出为处于线性或笔直的构造，但是应该理解的是，这并不是一项要求。在一些实施例中，线槽端部可以进一步延伸主壳体与盖部之间处于弯曲相面对关系的至少一部分。就这一点而言，申请人已经认识到，在较厚的高强度钢中切割线槽或凹槽是不容易的，并且这可能大幅增加生产地埋壳体的总成本。

参考图11和图12，改型销236’例如通过焊接可以固定地附接在盖部228’上。销236’可以以任意合适的方式形成，包括与盖部一体形成。在本实施例中，销236’限定有在将盖部安装在壳体上之后用于收纳滚销244的贯穿孔736。在安装完盖部之后，电子封装件56被锁卡在壳体与盖部之间。

对于为了在钻柱中形成电隔离断开部或电隔离间隙而使用的地埋壳体的具体形式和/或特征而言，前述描述并不意在进行限制。就此而言，只要实施了本文公开的教导，则用于形成电隔离钻柱间隙的任何合适的修改都被视为在本发明的范围之内。因此，本发明提供了这样的地埋壳体的实施例：其各种形式中任一种均有助于使用钻柱作为电导体进行通信，同时保持符合甚至超过组成钻柱的钻杆本身的力学特性的稳固的机械力学特性。本发明提出了迄今未曾见过的这种地埋壳体、相关部件和方法。本发明消除了下述现有技术的限制：试图通过引入由电绝缘体形成但仍然受到全工作载荷的实际上脆弱的环形连接件来提供钻柱中的电隔离断开部的现有技术；或试图使用会因被磨穿而受到损害且相对较薄的绝缘/介电材料层的现有技术。

出于解释和说明的目的提供了对本发明的上述说明。例如，在另一个实施例中，地埋电子封装件和地埋壳体可以构造为接收定位信号而不是发送定位信号。在该实施例中，定位信号可以是通过使永磁体围绕旋转轴线旋转而发射的磁偶极场，该旋转轴线与在磁体的北极与南极之间延伸的轴线垂直。可以利用磁力计来接收旋转磁场，磁力计用作形成电子封装件的一部分的传感器。为了接收磁信号，本发明的地埋壳体和相关的部件可以由非磁性材料形成。此外，对该实施例而言，无需在壳体和壳体盖部中形成线槽。例如在美国专利No.7,775,301中详细描述了这种系统，该美国专利和本申请属同一申请人并且以引用的方式并入本文。因此，本发明意图不在于穷举或将本发明限制为所公开的确切形式，并且鉴于上述教导可以做出其它的实施例、修改和变型，其中本领域技术人员可认识到这些教导的某些修改、替换、增加和子组合。

本文所述的所有元件、零件和步骤优选地被包括在内。应理解到，如对本领域的技术人员来说将显而易见的那样，任何这些元件、零件和步骤可由其它元件、零件和步骤代替或完全删除。

总体而言，本文至少公开了以下内容。壳体限定沿着壳体长度的贯穿通道并构造为支撑围绕该贯穿通道的一组电绝缘体，以便在钻柱中形成电隔离断开部，使得该组绝缘体中的每一个绝缘体均响应于钻柱的延伸和收缩而仅受到不超过压缩力的力。壳体限定有收纳具有信号端口的电子封装件的壳体空腔，并且壳体构造为跨越电隔离断开部电连接信号端口。为了增强定位信号的发射，壳体盖部可以与主壳体主体相互配合来限定细长的线槽。壳体装置可以支撑来自电子封装件中的电连接部，以便电连接部越过电隔离间隙。

构思

本文还至少公开了以下构思。

构思1.一种用于与钻柱组合使用的装置，所述钻柱是导电的且从包括地埋工具的地埋末端延伸至钻机，所述装置包括：

一组电绝缘体；以及

壳体，其限定有沿着所述壳体的长度的贯穿通道，并且所述壳体构造为支撑围绕所述贯穿管道的所述电绝缘体，以在所述钻柱中形成电隔离断开部，使得响应于所述钻机对所述钻柱的推动和响应于所述钻机对所述钻柱拉动，所述一组电绝缘体中的每一个电绝缘体受到不超过压缩力的力，并且所述壳体限定有用于收纳具有信号端口的电子封装件的壳体空腔，并构造为跨越所述电隔离断开部电连接所述信号端口。

构思2.根据构思1所述的装置，其中，所述装置构造为插入到所述钻柱中，以便然后形成所述钻柱的总长的一部分。

构思3.根据构思1或构思2所述的装置，其中，所述装置构造为形成所述地埋工具的一部分。

构思4.根据构思1至构思3中的任一构思所述的装置，其中，所述电绝缘体由陶瓷材料形成。

构思5.根据构思4所述的装置，其中，所述陶瓷材料选为增韧氧化锆和氮化硅陶瓷中的至少一种。

构思6.根据构思1至构思5中的任一构思所述的装置，其中，每个所述电绝缘体均是实心的。

构思7.根据构思1至构思5中的任一构思所述的装置，其中，每个所述电绝缘体均具有球形构造。

构思8.根据构思1至构思7中的任一构思所述的装置，其中，所述电绝缘体围绕所述壳体的中心线被所述壳体锁卡。

构思9.根据构思1至构思8中的任一构思所述的装置，其中，所述壳体支撑十二个所述电绝缘体。

构思10.根据构思1至构思9中的任一构思所述的装置，其中，所述压缩力施加在每个所述电绝缘体的球形外表面的相反两侧边缘。

构思11.根据构思1至构思9中的任一构思所述的装置，其中，所述壳体包括中间壳体，所述中间壳体构造为与主壳体接合，使得所述电绝缘体被锁卡在所述主壳体与所述中间壳体之间。

构思12.根据构思11所述的装置，其中，所述中间壳体包括相反的第一端和第二端，使得所述第二端限定外周端壁，并且所述主壳体包括相反的主壳体第一端和主壳体第二端，使得所述主壳体第一端限定外周侧边缘，所述外周侧边缘布置为与所述中间壳体的所述外周端壁处于相面对的关系，以共同限定多个凹部，使得每个凹部锁卡一个所述电绝缘体。

构思13.根据构思11或构思12所述的装置，其中，所述中间壳体限定有用于旋转地收纳所述主壳体的延伸部的内部通道，并且所述延伸部限定有孔，所述孔用于可拆卸地收纳与所述主壳体处于电接触的主装配螺栓，使得所述主装配螺栓对所述电绝缘体施加预载荷压缩力。

构思14.一种用做地埋工具的一部分的壳体装置，所述壳体装置收纳用于发送来自所述地埋工具的定位信号的发射器，所述壳体装置包括：

主壳体，其用于在所述发射器发射所述定位信号的同时将所述发射器支撑在操作位置；以及

盖部，其构造为可拆卸地安装在所述壳体上，使得所述主壳体的至少一部分和所述盖部的至少一部分被布置成处于相面对的关系，以共同限定从所述壳体装置的外部通向所述发射器的至少一个细长线槽。

构思15.根据构思14所述的壳体装置，其中，其中，所述主壳体和所述盖部相互配合来限定相对的一对细长线槽。

构思16.根据构思15所述的壳体装置，其中，所述盖部限定所述相对的一对细长线槽中的盖部线槽。

构思17.根据构思14至构思16中的任一构思所述的壳体装置，其中，所述主壳体包括伸长轴线，并且所述线槽与所述伸长轴线至少大致平行。

构思18.一种用作地埋工具的一部分的壳体，所述壳体用于支撑具有输出电缆的电子封装件，所述输出电缆用于承载输出信号，所述壳体包括：

壳体主体，其是导电的并限定有用于收纳所述电子封装件的空腔，使得所述电子封装件形成与所述壳体主体电连接的第一电连接部；以及

中间壳体，其是导电的并能被收纳在所述壳体主体的一个端部上，以便所述中间壳体在支撑所述电缆的同时以在所述中间壳体与所述壳体主体之间形成电隔离间隙的方式与所述壳体主体相互配合，从而所述电缆延伸跨越所述间隙而与所述中间壳体电连接，使得所述电子封装件电跨越所述间隙。

构思19.根据构思1所述的装置，还构造为：

所述装置作为所述地埋工具的一部分，在所述壳体中收纳所述电子封装件，所述电子封装件用作发射器以发送来自所述地埋工具的定位信号，并且所述装置包括盖部，所述盖部构造为可拆卸地安装在所述壳体上，使得所述主壳体的至少一部分和所述盖部的至少一部分布置成处于相面对的关系，以共同限定从所述壳体装置的外部通向所述发射器的至少一个细长线槽。

构思20.根据构思11所述的装置，其中，所述电子封装件包括用作信号端口的输出电缆，所述输出电缆用于承载输出信号，所述壳体还包括：

壳体主体，其是导电的并限定有用于收纳所述电子封装件的所述壳体空腔，使得所述电子封装件形成与所述壳体主体电连接的第一电连接部；以及

构思21.根据构思1所述的装置，其中，所述第二组电绝缘体中的每一个电绝缘体均包括相同的外周轮廓，并且所述壳体锁卡所述第二组电绝缘体中的处于围绕所述壳体的中心线均匀间隔分布的多个部件。

构思22.根据构思21所述的装置，其中，所述第二组电绝缘体中的每一个电绝缘体均具有球形构造。

构思23.根据构思22所述的装置，其中，每个球形部件形成为是实心的。

Claims

1.一种用于与钻柱组合使用的装置，所述钻柱是导电的且从包括地埋工具的地埋末端延伸至钻机，所述装置包括：

一组电绝缘体；以及

壳体，其限定有沿着所述壳体的长度的贯穿通道，并且所述壳体构造为支撑处于围绕所述贯穿通道的间隔开的位置处的所述电绝缘体，以在所述钻柱中形成电隔离断开部，使得响应于所述钻机对所述钻柱的推动和响应于所述钻机对所述钻柱拉动，所述一组电绝缘体中的每一个电绝缘体受到不超过压缩力的力且同时受到弯曲负载，所述弯曲负载响应于所述钻机对所述钻柱的旋转，并且所述壳体限定有用于收纳具有信号端口的电子封装件的壳体空腔，并构造为跨越所述电隔离断开部电连接所述信号端口。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述装置构造为插入到所述钻柱中，以便然后形成所述钻柱的总长的一部分。

3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述装置构造为形成所述地埋工具的一部分。

4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述电绝缘体由陶瓷材料形成。

5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述陶瓷材料选为增韧氧化锆和氮化硅陶瓷中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的装置，其中，每个所述电绝缘体均是实心的。

7.根据权利要求1所述的装置，其中，每个所述电绝缘体均具有球形构造。

8.根据权利要求1所述的装置，其中，所述电绝缘体围绕所述壳体的中心线被所述壳体锁卡。

9.根据权利要求8所述的装置，其中，所述壳体支撑十二个所述电绝缘体。

10.根据权利要求1所述的装置，其中，所述压缩力施加在每个所述电绝缘体的球形外表面的相反两侧边缘。

11.根据权利要求1所述的装置，其中，所述壳体包括中间壳体，所述中间壳体构造为与主壳体接合，使得所述电绝缘体被锁卡在所述主壳体与所述中间壳体之间。

12.根据权利要求11所述的装置，其中，所述中间壳体包括相反的第一端和第二端，使得所述第二端限定外周端壁，并且所述主壳体包括相反的主壳体第一端和主壳体第二端，使得所述主壳体第一端限定端面，所述端面布置为与所述中间壳体的所述外周端壁处于相面对的关系，以共同限定多个凹部，使得每个凹部锁卡一个所述电绝缘体。

13.根据权利要求12所述的装置，其中，所述中间壳体限定有用于旋转地收纳所述主壳体的延伸部的内部通道，并且所述延伸部限定有孔，所述孔用于可拆卸地收纳与所述主壳体处于电接触的主装配螺栓，使得所述主装配螺栓对所述电绝缘体施加预载荷压缩力。

14.根据权利要求1所述的装置，还构造为：

所述装置作为所述地埋工具的一部分，在所述壳体中收纳所述电子封装件，所述电子封装件用作发射器以发送来自所述地埋工具的定位信号，并且所述装置包括盖部，所述盖部构造为可拆卸地安装在所述壳体上，使得所述壳体的至少一部分和所述盖部的至少一部分布置成处于相面对的关系，以共同限定从所述壳体装置的外部通向所述发射器的至少一个细长线槽。

15.根据权利要求11所述的装置，其中，所述电子封装件包括用作信号端口的输出电缆，所述输出电缆用于承载输出信号，所述壳体还包括：

中间壳体，其是导电的并能被收纳在所述壳体主体的一个端部上，以在所述中间壳体与所述壳体主体之间形成电隔离断开部的方式与所述壳体主体相互配合，并且所述中间壳体形成与所述电缆连接的第二电连接部，使得所述电子封装件电跨越所述电隔离断开部。