CN105247164B - 井下电连接器 - Google Patents

Abstract

一种可定位在井筒中的电连接器组件包括：上部纵向构件，其中设置有电导体；下部纵向构件，其中设置有电导体；伸缩式导电组件；以及电接触构件，其设置在所述下部纵向构件的所述电导体周围且与所述下部纵向构件的所述电导体接触可移动地，且与所述上部纵向构件的内表面可移动地接触。所述组件进一步包括外壳，所述外壳包括伸缩部分。

Description

井下电连接器

技术领域

本申请要求享有于2013年7月9日提交的美国专利申请序列号61/844,058的优先权，所述美国专利申请的全部内容特此以引用的方式并入本文。

背景技术

本说明书涉及用于沿着底部钻孔组件传导电力和信号的井下工具和方法，底部钻孔组件在纵向长度上展开和收缩。

发明内容

在钻井操作期间，钻柱从钻杆的个别接头(或称作“立柱”的接头组)逐渐聚集在地面处且下降至井筒中。钻柱可包括在地面处耦接在一起的钻杆的这些接头，以及在钻井期间有用的其它设备，诸如位于接合的钻杆的远端的底部钻孔组件。底部钻孔组件(BHA)可包括诸如随钻测井(LWD)和随钻测量(MWD)遥测工具等工具，其中钻头耦接至下端。底部钻孔组件中在钻头上方还可包括用以消除钻柱和底部钻孔组件中的振荡的动态减振工具。此减振器的一种商业实施方案是可从Tomax公司购得的具有同心的外壳和内壳的防失速工具(“Tomax AST工具”)，其中内壳伸缩进出外壳以允许底部钻孔组件在纵向方向上展开和收缩。

附图说明

图1和图1A是实例钻机和实例底部钻孔组件的正视图，底部钻孔组件在钻探井筒时允许底部钻孔组件纵向地展开和收缩。

图2是用于提供纵向展开和收缩的实例井下电连接器组件的部件的侧视图。

图2A是说明图2的实例井下电连接器组件的部件的放大的部分截面侧视图。

图2B和图2C是说明图2的井下电连接器组件的放大的横向截面图。

图3是包括伸缩式外壳的图2的井下电连接器组件的截面侧视图。

图4是实例电接触弹簧的俯视图。

图5是在伸缩式外壳中设置有柔性导体的替代电连接器组件的截面侧视图。

具体实施方式

此文档描述用于沿着底部钻孔组件(“BHA”)70传导电信号的井下工具和方法，底部钻孔组件在长度上展开和收缩。

图1是位于地面12处或上方的实例钻机10的正视图。钻机10的地面设备14可使设置在井筒60中的钻柱20旋转以在地面12下方钻通一个或多个地质层25。钻柱20包括钻杆21的接头，且在所说明的实现方式中包括井下动力部分22(例如，井下容积式马达，诸如Moineau型马达)。在所说明的实现方式中，井下动力部分22包括定子24和转子26，转子26可旋转以将扭矩沿着钻孔向下传递至钻头50或其它井下设备。工具管柱40附接至井下容积式马达的纵向输出轴45。井筒60通过套管34和套管34与钻孔之间的环中的水泥护套32而加固。在正常钻井操作期间，地面设备14将钻井流体62(又称作钻井泥浆)沿着钻柱20向下泵抽且从钻头50中的端口泵出且接着沿着钻柱和钻孔壁之间的环64和套管34的内壁之间的环66向上泵抽。动力部分中的井下马达的转子26因为动力部分22的转子26上的相对于定子的被泵抽的钻井流体62压力差而旋转。应理解，在其它实现方式中，钻机10上的地面设备14使钻柱20旋转且井下动力部分22可能存在或可能不存在于井筒中。在此实现方式中，钻柱通过地面设备进行的旋转供应旋转扭矩以使钻头50旋转。

井下电子传感器/换能器的功能能力继续开发，且对实际井下状况以及钻井、完井和油井维修设备的操作参数的地面监测和评估继续进步(例如，经由来自井下的实时的和/或记录的数据的评估)。测量诸如动态机械负荷、压力差和温度差等参数的传感器现在能够在钻井、完井或油井维修操作中在井筒中的恶劣状况下操作。需要将此类传感器定位在井下钻井和/或钻井和完井以及油井维修设备下方和内部。然而，就几何结构和/或材料来说，此类井下设备的标准物理形式一般不易于准许传递电信号。此数据的提供和评估允许优化且在设备性能、可靠性和耐久性方面提供益处。

由于BHA钻井设备通常经受高级振动和冲击负荷，因此通常使用固态导体和耦接件。然而，直接撞击在导体和/或导体部件上的流体循环可消极地影响钻井管内的流动区域或影响钻井工具内部或外部部件的物理完整性。

另外，开发新设备以用于自动化地面和井下钻井系统，诸如封闭的循环钻井系统和电钻头(例如，功率脉冲)。对于这些系统和设备，需要在井下提供至钻头或BHA设备的电力供应。

在一些实例中，工具管柱40的操作可传输振动，振动可沿着钻柱20行进。举例来说，钻杆21可弯曲且与井筒60或井筒壁61接触，从而沿着钻柱20发送振动。在另一实例中，钻头50与正被钻的地层的交互可导致振动，振动可沿着钻柱20行进。在图1和图1A说明的实现方式中，减振器组件80包括在底部钻孔组件(“BHA”)70中以减少沿着工具管柱40传播的振动量。

图1A是图1的实例工具管柱40的放大正视图。工具管柱40可包括以下传感器/工具中的一者或多者：近钻头倾斜传感器(ABI)41；方位近钻头伽马传感器(ABG)42、远程导向工具(Geopilot RSS)43；双伽马射线传感器(DGR)44；定向传感器46、电阻率传感器(EWR)47；方位岩性密度传感器(ALD)48；和补偿热中子传感器(CTN)49。所说明的工具管柱40说明了智能有线钻杆系统(例如，哈利伯顿Intellipipe工具系统)的实现方式。然而，工具管柱40可包括在行业内是典型的多种工具和传感器。在所说明的实现方式中，BHA 70组件包括钻头50、工具管柱40、动力部分和电连接器组件。将在图2、图2A、图3和图5的描述中进一步论述电连接器组件。应理解，BHA 70可包括所示组件中的一些、全部或不包括所示部件。

在所说明的实现方式中，通过包括工具管柱40的底部钻孔组件70来提供电力和/或信号(例如，通信路径)。响应于钻压(WOB)和/或动态减振工具80(例如，Tomax AST工具)上的压力的改变，工具管柱旋转和/或可具有可变长度。在各种实现方式中，井下电连接器组件100可用作穿过井下工具、钻杆和/或钻铤的各种配置的通信路径和/或电力路径，且不限于仅与Tomax工具一起使用。举例来说，井下电连接器组件100可用于传送底部钻孔组件子总线数据和/或电力。在另一实例中，本公开的井下电连接器组件100也可用于有线管系统，诸如哈利伯顿IntelliPipe系统，和/或包括如结合图1A说明和论述的RSS、MWD和LWD工具。

现在参看图2、图2A、图2B、图2C和图3，其中侧视图和截面图说明井下电连接器组件的实施方案。井下电连接器组件100包括上部纵向构件102。上部纵向构件102是具有电导体103(例如，导电金属杆、金属线、光纤或复合材料)的管状构件(例如，导管)，电导体103位于导管内。吊环110位于上部纵向构件102的井上部分，吊环110被设计大小和配置以被收纳在上部内接式外壳构件520的置物架522中。井下电连接器组件100的井下部分包括下部纵向构件210。类似的吊环112被配置用来收纳在下部外接式外壳构件510的置物架512中。下部纵向构件210是具有电导体203的导管，电导体203位于导管内。吊环110和112各自包括多个安装孔540。安装螺栓542可通过且收纳至架子512和522中的带螺纹的孔(例如，带凹螺纹的螺栓孔)中。技术中已知的其它类型的机械连接器可用以将吊环紧固至置物架。吊环110和纵向构件102的导管与架设穿过导管的电导体103外部绝缘。同样地，吊环112和纵向构件210的导管与架设穿过导管的电导体203外部绝缘。伸缩式外壳500包括收纳下部外接式外壳构件510的上部内接式外壳构件520。密封组件530从外接式外壳构件510密封至内接式外壳构件520。下部外接式外壳构件510纵向可移动且可在内接式外壳构件520中旋转，从而允许外壳500的长度伸缩式地减小和增大。

井下电连接器组件100包括至少一个伸缩式导电组件200，伸缩式导电组件200包括位于电导体103的端部的纵向插孔104。纵向插孔104可与纵向导体103成一体，或可以是位于电导体103上且连接至电导体103的单独的管状构件。纵向插孔104被配置用来收纳电导体203的近端部分。导体203的端部纵向可移动且可在纵向插孔104中旋转，从而允许伸缩式导电组件200的长度伸缩式地减小或增大。

伸缩式导电组件200进一步包括上部纵向构件102的内接式纵向延伸部和过渡部分。下部纵向构件210纵向可移动且可在内接式纵向延伸部中旋转，从而允许伸缩式导电组件200的长度伸缩式地减小或增大。绝缘体226设置在电导体103的内接式部分104与纵向构件210之间。

密封组件224防止在井下电连接器组件100的外壳500内部且在电导体203周围流动的钻井流体62进入伸缩式导电组件200且使其中的电连接短路。在一些实现方式中，伸缩式导电组件200可借助如技术中已知的润滑脂和压力口而为压力平衡的。由聚合物材料形成的加肋(或用其它方式配置的)扶正器可在伸缩式导电组件200的外表面上。多个接触弹簧230设置在伸缩式组件内。图4说明示范性接触弹簧230的俯视图。接触弹簧230允许电导体203在导体103的纵向插孔104内的纵向和旋转移动，同时在此移动期间在构件之间进行电接触且提供电力和/或信号的传输。弹簧230还在电导体203和103相对于彼此不移动的情况下促进导电性和或信号传输。

插座和销式电连接器120位于井下电连接器组件100的井上部分上。插座和销式电连接器120附着至吊环110且电连接至位于纵向构件102内的电导体103。插座和销式电连接器120包括输入/输出导体104，其用于沿着底部钻孔组件70向上或向下携载电力或信号。插座和销式电连接器122用类似的方式位于井下电连接器组件100的井下部分上。插座和销式电连接器122附着至吊环112且电连接至位于纵向构件210内的电导体203。插座和销式电连接器122包括输入输出导体214，其用于沿着底部钻孔组件70向上或向下携载电力或信号。应理解，如技术中已知的其它类型的电连接器可用以影响井下电连接器组件100与井上和井下设备的电耦接。

电导体103和203可将电力和信号中的一者或两者传输至工具管柱40的部件或底部钻孔组件70，或从工具管柱40的部件或底部钻孔组件70传输电力和信号中的一者或两者。信号可包括传输至工具管柱40的部件和底部钻孔组件70，或从工具管柱40的部件和底部钻孔组件70传输的指令或数据。来自井下的电力和/或信号可从插座和销式电连接器122中的电导体214传递至井下电连接器组件100中，插座和销式电连接器122电连接至位于纵向构件210内的导体203。信号和/或电力接着经由接触弹簧230流动至导体103的纵向插孔104的内表面，导体103与纵向构件102绝缘。电力或信号沿着导体103流动至位于插座和销式电连接器120中的电导体104且接着从井下电连接器组件100和井上流出。

如图3所指示，可在插座和销式电连接器120处接收电力输入(PI)且使其通过井下电连接器组件100且在井下端的插座和销式电连接器122处电力输出(PO)。同样，信号输入(SI)可经由连接器112流入且可流动通过井下电连接器组件100和信号输出(SO)连接器，即插座和销式电连接器120。应理解，电力和信号可在与先前描述的方向相反的方向上流动，这取决于设置在底部钻孔组件中在井下电连接器组件100上方和下方的工具和传感器的需要。

井下电连接器组件100和外壳500可位于底部钻孔组件中在MWD和/或LWD工具和/或远程导向系统(RSS)上方或下方，或在钻头上方。外壳500大体上具有螺纹连接，其允许外壳500与上述工具耦接。井下电连接器组件100通过井下电连接器组件100的外壳的中心孔传递电力和传输数据的能力准许通过各种井下钻井工具管式工具可靠地传输相对大量的数据，数据由井下工具传感器捕获。此数据的接收、分析和应用直接促成实时的或作业后的评估过程，从而增大钻井操作的有效性和井下钻井工具性能和可靠性。井下电连接器组件100能够将电力从地面或从钻柱中的较高点传输至电钻头(例如，功率脉冲)。井下电连接器组件100适用于在钻井或油井维修过程期间使用的任何井下电或机电激活的BHA工具，其中预期相对旋转和/或长度改变。

图5是说明替代的电连接器组件800的侧视截面图，其中用柔性导体802取代图2至图3中说明的伸缩式导电组件200和井下电连接器组件100的纵向构件102和210。电导体802用非导电外部涂层包紧，与构件102和210进行区分，构件102和210被配置成内部具有电导体的导管。电力和/或信号可沿井上或井下传输通过柔性导体802到插座和销式电连接器120和122的导体104和214，和从插座和销式电连接器120和122的导体104和214传输通过柔性导体802。柔性导体802允许外壳500的纵向和扭转移动，柔性导体802位于外壳500中。电导体802可被配置为传输电力和信号两者的单个导体。应理解，电连接器组件800的实现方式可在井下震击器、扩孔器、动态减振工具80和钻杆21内使用，而不是和/或除了用于电连接器外壳500中。

贯穿本说明书和权利要求书的诸如“上部”、“下部”、“上方”和“下方”等术语的使用是用于描述本文中描述的系统的各种部件和其它元件的相对位置。除非另外明确地陈述，否则此类术语的使用不暗示系统或任何其它部件相对于地球引力方向的特定位置或定向，或系统的其它元件在操作、制造和运输期间可放置的其它特定位置或定向。

附图和权利要求书中阐述了本发明的一个或多个实施方案的细节。根据描述和附图，且根据权利要求书，本发明的其它特征、目标和优点将为显而易见的。

Claims (12)

1.一种能够定位在井筒中的电连接器组件，所述电连接器组件包括：

上部纵向构件，其包括被至少部分地设置在其中的电导体；

下部纵向构件，其包括被至少部分地设置在其中的电导体；

伸缩式导电组件，其包括位于所述上部纵向构件的电导体的端部的纵向插孔，所述纵向插孔被设置于所述下部纵向构件的电导体的端部周围；以及

电接触构件，其被设置在所述下部纵向构件的电导体的端部周围且与所述下部纵向构件的电导体的端部可移动地接触，且所述接触构件与所述上部纵向构件的所述纵向插孔的内表面可移动地接触。

2.如权利要求1所述的组件，其中所述伸缩式导电组件进一步包括所述上部纵向构件的内接式纵向延伸部，且所述下部纵向构件的端部被收纳在所述上部纵向构件的所述内接式纵向延伸部中。

3.如权利要求1或2所述的组件，其进一步包括：外壳，包括所述外壳的被设置在所述外壳的第一端与第二端中间的伸缩部分，所述伸缩部分包括外接式外壳构件，所述外接式外壳构件被可滑动地且可旋转地收纳在内接式外壳构件中。

4.如权利要求3所述的组件，其进一步包括：

第一吊环，其位于所述上部纵向构件的一端；

第一吊环置物架，其位于所述外壳中；

第二吊环，其位于所述下部纵向构件的一端；以及

第二吊环置物架，其位于所述外壳中。

5.如权利要求4所述的组件，其中所述内接式外壳构件包括被配置用来收纳所述第一吊环的所述第一吊环置物架，且所述外接式外壳构件包括被配置用来收纳所述第二吊环的所述第二吊环置物架。

6.如权利要求1或2所述的组件，其中所述上部纵向构件包括第一管状导管且所述电导体包括至少一部分被设置在所述第一管状导管内的杆，且所述下部纵向构件包括第二管状导管且所述电导体包括至少一部分被设置在所述第二管状导管内的杆。

7.如权利要求4所述的组件，其进一步包括：

第一销和插座式连接器，其被设置在所述第一吊环上且电耦接至所述上部纵向构件的所述电导体；以及

第二销和插座式连接器，其被设置在所述第二吊环上且电耦接至所述下部纵向构件的所述电导体。

8.如权利要求1或2所述的组件，其中所述电接触构件是接触弹簧。

9.一种在井筒中传输电力或信号的方法，其包括：

提供电连接器组件，所述电连接器组件包括：

上部纵向构件，其包括至少一部分设置在其中的电导体；

下部纵向构件，其包括至少一部分设置在其中的电导体；

伸缩式导电组件，其包括在所述上部纵向构件的所述电导体的端部的纵向插孔，所述纵向插孔位于所述下部纵向构件的所述电导体的一部分周围；以及

电接触构件，其设置在所述下部纵向构件的所述电导体的至少一部分周围且可移动地与所述下部纵向构件的所述电导体的至少所述部分接触，且所述接触构件可移动地与所述上部纵向构件的所述纵向插孔的内表面接触；

将所述电连接器组件定位在底部钻孔组件中，

将所述电连接器和底部钻孔组件定位在井筒中；

在所述井筒中进行钻井操作包括伸缩式地减小和增大所述电连接器组件的纵向长度；

将电力或信号供应至所述电连接器组件的输入端；以及

将所述电力或所述信号传输通过设置在所述上部纵向构件中的所述电导体，通过所述接触构件和通过设置在所述下部纵向构件中的所述电导体，且从所述电连接器组件传输出。

10.如权利要求9所述的方法，其进一步包括：

将所述上部纵向构件的内接式纵向延伸部定位在所述下部纵向构件的端部周围。

11.如权利要求9或10所述的方法，其进一步包括：

提供外壳，所述外壳包括设置在所述外壳的第一端与第二端中间的所述外壳的伸缩部分；以及

将下部外接式外壳构件可滑动地且可旋转地收纳在上部内接式外壳构件中。

12.如权利要求11所述的方法，其进一步包括：

将设置在所述上部纵向构件上的第一吊环定位在设置在所述上部内接式外壳构件内的第一吊环置物架中；以及

将设置在所述下部纵向构件上的第二吊环定位在设置在所述下部外接式外壳构件内的第二吊环置物架中。