CN108825215A - 井下测量传输系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本文描述了一个遥测系统和操作方法。遥测系统包括一个位于泥浆马达下方并与钻头连接的近钻头组件以及一个位于泥浆马达上方的遥测组件。近钻头组件测量钻孔的倾角，地层的自然伽马射线，地层的电阻率以及一系列机械钻探性能参数等各项参数。测量结果以电磁信号从近钻头组件传送到与位于泥浆马达上方的遥测组件，然后通过泥浆脉冲信号传送到地面。该系统特别适用于定向钻井的精确控制。

Description

井下测量传输系统及方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2017年5月1日提交的，申请号为62/492,707的美国临时专利申请的优先权。该申请通过引用合并于此。
技术领域
本发明通常涉及一种井下测量传输系统及方法。
技术背景
在石油和天然气勘探、采矿勘探或河床穿越等钻井工作中经常需要利用井下传感器与地面通信。通常这些传感器位于钻头上方一定距离处，用于测量地质参数、位置信息及钻井环境参数。传感器获得的这些信息可以用于评估地层、控制钻井方向及监测钻井环境以获得最佳钻井性能。
例如，随钻测量(MWD)系统通常使用井下测量工具来测量各种参数和特性，例如钻孔的倾角和方位角、地层电阻率、地层的自然伽马射线等。这些测量数据通过泥浆脉冲遥测或电磁(EM)遥测实时发送到地面。本文中，泥浆指的是用于钻井的钻井液。
泥浆脉冲遥测装置控制液压阀将上述数据编码成钻柱内泥浆流的压力脉冲。脉冲通过泥浆柱传播到地面，并由地面上专用设备接收并解码以获得其中的数据。通过这种方式，泥浆脉冲遥测装置可以使地面设备实时精确地接收和处理井下传感器获得的测量数据。
电磁遥测使用钻柱(即钻杆和将钻头连接到钻机的钻铤的集合)作为天线，通过地层传输相对较低频率(例如约10Hz)的电磁信号。此信号由地面上的高灵敏度接收器检测到。为了形成天线，钻柱在一个合适的位置处通过高电阻装置(在本领域中称为间隙接头构件(gap sub))形成绝缘间隙将两侧的钻柱绝缘。
遥测探头通常位于井底钻具组合(BHA)内靠近间隙接头构件处。遥测探头包含一个电源，一个或多个传感器以及用于驱动遥测的必要电子器件。遥测探头与间隙接头构件的一端连接并施加电磁信号。此电磁信号通过低电阻的地层(而非高电阻间隙)传输至地面，并可由地面上的高灵敏度接收器检测接收。
为承受恶劣的钻井环境，遥测探头由本身具有导电性的高强度金属制成。为确保遥测探头本身不提供用于传输电流的导电路径，遥测探头还包含绝缘间隙，在本领域中通常称为间隙节(gap joints)。
在MWD系统中，首选的数据测量位置是钻头的位置。然而现有的井下测量工具通常位于钻井泥浆马达和钻头上方相当大的距离处(例如钻头上方40至200英尺)。因此，实际的数据测量位置偏离优选的数据测量位置相当大的距离，例如偏离钻头上方40至200英尺。
这种偏差的数据测量位置可能导致显著的测量误差和/或延迟，并且可能导致钻孔过程出错。因此，钻柱经常需要回撤以修正钻井轨迹，并且可能需要用水泥封塞关闭不正确的钻井点。
在水平井完井中经常需要将井眼的井下部分水平延伸到目标地层内(而非垂直穿过目标地层)并保证不会穿过其边界。因此，在水平井完井中，需要精确控制钻井过程以保持适当的钻孔轨迹，避免沿规划的水平路径的轨迹偏差和波动，以避免在后期可能发生的完井问题。这种轨迹偏差和波动可能是由在偏离最优位置处测量方向参数引起的过度校正造成的。
除了避免上述问题并精确控制井眼轨迹的钻孔的倾斜度，近钻头测量也有益于获得钻孔附近地层的某些特征或性质，特别是可用于轨迹控制的特征或性质。例如，具有已知特征(例如从以前的钻井记录已知)和已知位置(例如在目标地层之上的已知距离处)的一层页岩可以作为一个“标记”地层用于保持钻孔轨迹，例如决定在何处弯曲钻孔以确保钻孔在目标地层内延伸。“标记”页岩可以通过其相对高水平的天然放射性来检测。具有高盐水饱和度的“标记”砂岩地层可以通过其相对低的电阻率来检测。
一旦钻孔已经弯曲并在目标地层内水平延伸，对“标记”地层的测量可以用于确定钻孔在地层中是否太高或太低。例如，由高伽马射线测量可以看出钻孔正接近目标地层的顶部，有页岩位于其处。由低电阻率读数可以看出钻孔接近目标地层的底部，其处的孔隙通常有水饱和渗透。
因此，至少在某些类型的定向钻井中，更接近钻头处的数据测量有利于获得精确的测量结果并减少延迟以进行精确的钻井控制。
发明内容
本文中的实施例总体上涉及一种井下装置。该井下装置包括一个导电的销部件，其包括一个第一圆柱形本体，至少一个第一连接部分，所述第一连接部分从所述第一圆柱形本体延伸到所述销部件的第一远端，以及一个贯穿其中的纵向孔，所述第一连接部分包括在其外表面上的第一轮廓；一个导电的箱部件，其包括一个第二圆柱形本体，至少一个第二连接部分，所述第二连接部分从所述第二圆柱形本体延伸到所述箱部件的第二远端，以及一个贯穿其中的纵向孔，所述第二连接部分包括在其外表面上的第二轮廓并在其中容纳第一连接部分，相连接的第一连接部分和第二连接部分之间具有间隙。该井下装置还包括多个绝缘锁辊；其中所述第一轮廓包括沿周向(即环绕纵向轴的方向)分布在其上的多个第一凹穴，每个凹穴径向向内且纵向朝向所述销部件的中心延伸，由此形成径向向外且纵向朝向所述销纵向的中心的表面，每个第一凹穴可完全并可移动地容纳一个所述绝缘锁辊；其中所述第二轮廓包括在与所述第一凹穴的位置匹配的位置处沿周向分布在其上的多个第二凹穴，从而与相对应的第一凹穴共同形成多个组合的锁定室，每个第二凹穴可部分地并可移动地容纳一个所述绝缘锁辊；其中所述间隙填充有固体形式的绝缘填充材料，由此形成连接所述第一连接部分和所述第二连部分的绝缘层；以及其中所述绝缘填充材料将所述多个绝缘锁辊固定在所述组合锁定室中径向位于所述销部件与所述箱部件之间。
在一些实施例中，每个绝缘锁辊由具有高剪切强度的绝缘材料制成。
在一些实施例中，每个绝缘锁辊由陶瓷制成。
在一些实施例中，所述第一轮廓和第二轮廓中的每一个还包括周向分布在相应表面上的多个纵向延伸的凹槽，所述轮廓的每个相邻的一对纵向延伸凹槽形成纵向延伸的脊部；所述第一轮廓的纵向延伸脊部可容纳于所述第二轮廓的纵向延伸凹槽中，并且所述第二轮廓的纵向延伸脊部可容纳于所述第一轮廓的纵向延伸凹槽中；所述第一轮廓和所述第二轮廓中的每一个还包括纵向分布在相应表面上的多个周向延伸的凹口，所述凹口形成多个平行的圆，每个圆与所述井下装置的纵向轴线垂直。
在一些实施例中，第一轮廓包括朝向第一远端延伸的第一锥形部分；并且所述第二轮廓包括朝向所述第二轮廓的近端延伸的第二锥形部分，所述第二锥形部分大致匹配所述第一锥形部分。
在一些实施例中，所述第一轮廓还包括从第一圆柱形本体延伸到第一锥形部分的第一近端圆柱形部分和从第一锥形部分延伸到第一远端的第一远端圆柱形部分；所述第二轮廓包括从第二远端延伸到第二锥形部分的第二远端圆柱形部分和从第二锥形部分延伸到第二轮廓的近端的第二近端圆柱形部分；并且第二远端圆柱形部分和第二近端圆柱形部分分别基本匹配第一近端圆柱形部分和第一远端圆柱形部分。
在一些实施例中，多个第一凹穴位于第一轮廓的锥形部分上，并且多个第二凹穴位于第二轮廓的锥形部分上。
在一些实施例中，所述绝缘填充材料包括热固性树脂、耐高温塑料、含有陶瓷微粒的热固性树脂和玻璃纤维环氧树脂中的至少一种。
在一些实施例中，所述热固性树脂是一种双份混合环氧树脂。
在一些实施例中，所述井下装置还包括一个绝缘间隔组件纵向位于第一连接部分的远端和第二连接部分的近端之间，以避免销部件和箱部件之间的直接接触。
在一些实施例中，所述绝缘间隔组件包括至少一个第一绝缘环，其位于第一连接部分的远端和第二连接部分的近端之间，以避免销部件和箱部件之间的直接接触。
在一些实施例中，所述绝缘间隔组件包括至少一个第二绝缘环，所述第二绝缘环延伸入销部件的纵向孔中并抵靠在其中的第一肩部，所述第二绝缘环也延伸入箱部件的纵向孔中并抵靠其中的第二肩部，以使销部件和箱部件不直接接触并保持销部件与箱部件同心。
在一些实施例中，所述绝缘间隔组件是一个包括一个第一部分和一个第二部分的绝缘环，其第一部分位于第一连接部分的远端和第二连接部分的近端之间，以使销部件和箱部件不直接接触，其第二部分延伸入销部件的纵向孔中并抵靠在其中的第一肩部，其第二部分也延伸入箱部件的纵向孔中并抵靠其中的第二肩部，以使销部件和箱部件不直接接触并保持销部件与箱部件同心。
在一些实施例中，绝缘间隔组件由陶瓷制成。
在一些实施例中，所述井下装置还包括位于销部件的第一圆柱形本体和箱部件的第二连接部分之间的绝缘密封套。
在一些实施例中，绝缘密封套包括一个第一部分纵向位于所述销部件的第一圆柱形主体和所述箱部件的第二连接部分之间，以及一个第二部分径向夹在所述第一轮廓和第二轮廓之间。
在一些实施例中，第一和第二圆柱形主体中的至少一个包括一个或多个腔室以容纳一个或多个数据测量和传输组件，以及用于密封地关闭所述一个或多个腔室的一个或多个盖。
在一些实施例中，所述井下装置还包括一个或多个注入口与所述间隙连通以用于注入流体形式的间隙填充材料。
在一些实施例中，所述井下装置还包括一个弹性体套筒，该弹性体套筒容纳至少一部分销部件和至少一部分箱部件。
在一些实施例中，所述井下装置还包括在弹性体套筒外的一个保护套筒。
在一些实施例中，保护套筒由陶瓷制成。
在一些实施例中，每个纵向延伸的凹槽包括半圆形，半椭圆形，矩形或具有两个圆角的矩形的横截面。
在一些实施例中，销部件和箱部件中的任一个还包括多个用于接触地层的可转动的弹簧触垫。
在一些实施例中，每一个所述弹簧触垫均包括朝向所述销部件或所述箱部件的径向中心弯曲的轮廓，并与一个径向向外偏置的弹簧连接。
在一些实施例中，第一轮廓的纵向延伸的脊部被容纳在第二轮廓的纵向延伸的凹槽中并与第二轮廓的纵向延伸的凹槽无直接接触，并且第二轮廓的纵向延伸的脊部被容纳在第一轮廓的纵向延伸的凹槽中并与第一轮廓的纵向延伸的凹槽无直接接触。
在一些实施例中，在第一轮廓和第二轮廓上，其多个周向延伸的凹口形成多个周向延伸的齿，其每一个纵向延伸的脊部包括这些凹口和齿的一个子集；并且第一轮廓的每一个纵向延伸的脊部与第二轮廓中相应的一个纵向延伸脊部周向重叠，使得其周向延伸的齿无直接接触地容纳在相应的凹口。
在一些实施例中，所述井下装置还包括多个绝缘插件；其中所述第一轮廓的每一个纵向延伸的凹槽与所述第二轮廓的对应的一个纵向延伸的凹槽周向重叠，并且收入至少一个所述绝缘插件。
在一些实施例中，每一个所述绝缘插件的横截面形状与第一和第二轮廓中的相应一对重叠凹槽的横截面形状匹配；并且其中所述横截面形状是圆形，矩形，椭圆形或圆角矩形中的任何一种。
在一些实施例中，所述多个绝缘插件具有相同的横截面形状。
在一些实施例中，所述多个绝缘插件具有不同的横截面形状。
根据本文的一个方面，一种用于地下区域的井底钻具组合包括，自一个井底侧至一个井口侧，一个钻头；一个第一组件直接或间接连接到所述钻头，所述第一组件至少包括一个或多个传感器用于收集传感器数据和一个电磁信号发射器用于使用电磁信号传送所述传感器数据；一个泥浆马达直接或间接地连接至所述第一组件；和一个遥测组件直接或间接连接到泥浆马达；其中所述遥测组件至少包括一个电磁信号接收器用于接收从第一组件的电磁信号发射器发射的电磁信号，和一个泥浆脉冲发生器用于基于接收到的电磁信号生成泥浆脉冲，以将所述传感器数据传输到地面。
根据本文的一个方面，一种井下装置包括导电的销部件，所述销部件包括一个第一圆柱形本体，至少一个第一连接部分从第一圆柱形本体延伸到销部件的第一远端，以及一个穿过其中的纵向孔，所述第一连接部分包括在其外表面上的第一轮廓。所述销部件还包括一个导电的箱部件，所述箱部件包括一个第二圆柱形本体，至少一个第二连接部分从所述第二圆柱形本体延伸到所述箱部件的第二远端，以及穿过其中的纵向孔，所述第二连接部分包括位于其内表面的第二轮廓并在其中容纳销部件的第一连接部分，相连接的第一轮廓和第二轮廓间具有间隙；其中所述第一轮廓和所述第二轮廓中的每一个包括在相应表面上周向分布的多个纵向延伸的凹槽，所述轮廓的每个相邻的一对纵向延伸凹槽形成纵向延伸的脊部；其中所述第一轮廓的纵向延伸的脊部可容纳在所述第二轮廓的纵向延伸的凹槽中，并且所述第二轮廓的纵向延伸的脊部可容纳在所述第一轮廓的纵向延伸的凹槽中；其中所述第一轮廓和第二轮廓中的每一个还包括纵向分布在相应表面上的多个周向延伸的凹口，所述凹口形成平行且垂直于所述井下装置的纵向轴线的多个圆圈；并且其中所述间隙填充有固体形式的绝缘填充材料，从而形成连接所述第一连接部分和所述第二连接部分的绝缘层。
根据本文的一个方面，一个泥浆发电机包括一个壳体，所述壳体包括与其两个纵向相对端口流体连通的腔室，以及围绕所述腔室的壳体侧壁，所述壳体侧壁中包括一个或多个围绕所述腔室周向分布的第一凹穴，每个第一凹穴在其中容纳一个或多个线圈；和可旋转地容纳在壳体的腔室中的转子；其中所述转子包括与壳体的腔室流体连通的纵向孔；围绕所述纵向孔的转子侧壁，所述转子侧壁中具有一个或多个第二凹穴，每个第二凹穴在其中容纳一个或多个磁体；和一个或多个叶片，所述叶片从所述转子的内表面径向向内延伸并相对于所述转子的轴线成锐角纵向延伸。
在一些实施例中，壳体包括在侧壁的内表面上的面向井底侧的周向肩部，其限定了所述腔室的井口端。
在一些实施例中，壳体包括一个可拆卸地安装到所述腔室的侧壁内表面的环，其限定了所述腔室的井底端。
在一些实施例中，所述环通过螺纹可拆卸地安装到所述侧壁的内表面。
在一些实施例中，所述环由第一种硬质材料制成。
在一些实施例中，所述第一种硬质材料是碳化钨或陶瓷。
在一些实施例中，所述转子的长度比所述腔室的长度短。
在一些实施例中，所述转子和环包括在其接合端上的多个钮扣状突起，起到摩擦轴承的作用。
在一些实施例中，所述多个钮扣状突起由第二种硬质材料制成。
在一些实施例中，第二种硬质材料是碳化钨或陶瓷。
附图说明
图1是一些实施例中的一个与钻柱连接的井底钻具组合(bottom-hole assembly)的透视图；
图2是图1所示的井底钻具组合的放大的透视图；
图3是图1所示的井底钻具组合的功能图；
图4是图1所示的井底钻具组合中一个遥感勘测部件的透视图；
图5是一些实施例中的用于图1所示的井底钻具组合中的一个近钻头组件的透视图；
图6是图5所示的近钻头组件的沿剖面线A-A的剖面图；
图7和图8分别是一些实施例中图5所示的近钻头组件的销部件和箱部件的透视图；
图9示出了各种实施例中图7所示的销部件的纵向延伸凹槽的多个横截面形状。
图10A示出了在组装图5所示的近钻头组件过程中销部件和箱部件的剖面图，其中多个绝缘锁辊完全容纳在销部件的多个口袋中；
图10B是用于连接销部件和箱部件的绝缘密封套筒的示意性剖面图；
图11A是在组装图5所示的近钻头组件过程中销部件和箱部件的剖面图，其中多个绝缘锁辊位于销部件和箱部件径向连接处；
图11B是图11A中标识为B的部分的放大剖面图；
图12A是图11A所示的完全接合的销部件和箱部件的部分透视部分剖面图，其中一部分销部件以透视图示出，一部分箱部件以剖面图示出；
图12B是图11A所示的完全接合的销部件和箱部件的部分透视部分剖面图，其中一部分销部件以透视图示出，一部分箱部件以透视剖面图示出；
图12C是图12B的一部分的放大图，用于示出销部件和箱部件之间的间隙；
图13是一些实施例中用于连接销部件和箱部件的绝缘密封套筒的示意性剖面图；
图14是一些实施例中的图5所示的近钻头组件的剖面图。
图15A是一些实施例中的近钻头组件的透视图，此近钻头组件包括一个绝缘套管和多个弹簧触垫。
图15B是图15A所示的近钻头组件的前视图。
图15C是图15A所示的近钻头组件的一部分的放大透视图，示出了近钻头组件的弹簧触垫；
图15D是图15A中所示的近钻头组件的一部分沿剖面线C-C的透视剖面图；
图16A，16B和16C分别是泥浆发电机的一部分的透视剖面图、前视图和后视图；
图17是一些实施例中的间隙装置的分解图；
图18A和18B分别是图17所示的间隙装置的销部件和箱部件的透视图和剖面图；
图19是图18A和18B所示的完全接合的销部件和箱部件的部分透视部分剖面图，其中销部件以透视图示出，箱部件以剖面图示出；
图20是的图19所示的间隙装置沿剖面线D-D的透视剖面图。
图21是图19所示的间隙装置的正视图。
图22示出了图20中E部分的放大图；
图23是一些实施例中的间隙装置的分解图；
图24是图23所示的间隙装置沿剖面线F-F的剖面图；
图25是图23所示的间隙装置沿剖面线G-G的剖面图；
图26是图23中所示的间隙装置的销部件的透视图。
图27是图23所示的间隙装置的箱部件的透视图；以及
图28是一些实施例中的销部件的透视图。
具体实施方式
系统结构
图1和图2示出了一些实施例中的井下遥测系统100。在此实施例中，井下遥测系统100是一个连接到钻柱102的井底钻具组合(BHA)。从井底侧104到井口侧106，井底钻具组合100包括串联的钻头108，近钻头组件110，钻井马达112(例如泥浆马达)和遥测组件114。钻井马达112的外壳可制成为或可调节成为在其下部具有一个小的弯曲角度以用于定向钻井，即，可以在滑动模式下(钻柱102不旋转)钻探弯曲钻孔或在旋转模式下(钻柱102旋转)钻出基本直的钻孔。
在这些实施例中，近钻头组件110是一个随钻测量(MWD)工具。如稍后将更详细描述的那样，近钻头组件110包括一个具有纵向延伸的中心孔的主体，以允许泥浆马达112和钻头108之间的流体连通。主体中含有一个或多个传感器及其他适当的部件以用于数据测量和传输。
图3示出了井底钻具组合100的功能图。如图所示，近钻头组件110包括多个数据测量和传输组件132，如一个或多个传感器132A、控制器132B、电磁(EM)信号发射器132C以及根据需要而包括的其他组件。这些组件全部由一个或多个电池132D例如一个或多个锂电池或碱性电池供电。
传感器132A可以在钻探时测量各种井下参数。例如，一些传感器132A可以用于获得方位参数和井眼参数，例如井眼轨迹参数(例如钻孔的倾角)和地质地层特征。这些参数和特征可用于正确诊断钻井方向的变化并保持对井眼方向的准确控制以穿透目标地层并在其中延伸。
一些传感器132A可以测量地层参数，例如地层的自然伽马射线、地层的电阻率以及/或者类似参数。
一些传感器132A可以测量机械钻探性能参数，例如泥浆马达112的转速(以每分钟转数(RPM)表示)以用于连续监测钻井过程及其参数，例如钻头负载重量、马达扭矩以及/或者类似参数。
一些传感器132A可以测量震动参数。震动可能对其他参数例如倾斜度的测量造成不利影响，并且可能使井下工具部件产生谐振而减少使用寿命。对震动的测量还可以用于分析钻头穿透地层的速率变化的原因。
在具体实施中及在不同使用情况下，上述传感器132A可以根据需要进行组合以测量一个或多个上述参数和/或其他参数。
与通常位于钻头108上方较大距离(例如40至200英尺)处的传统井下测量工具相比，近钻头组件110处于钻孔上方的较短距离处(例如大约2英尺)。通过将近钻头组件110布置在钻头108附近，近钻头组件110中的传感器132A可以获得更高的测量精度和更小的测量延迟。所获得的测量数据可以用于精确控制定向钻井中井眼的走向。
参考图3及图1，控制器132B收集来自传感器132A的传感器数据，并将收集的传感器数据处理(例如编码和/或调制)为适合于电磁传输的形式，然后由电磁信号发射器132C通过电磁信号将处理过的传感器数据传输至遥测组件114。
在这些实施例中，遥测组件114包括一个常规的随钻测量(MWD)组件。同时，遥测组件114也用作一个中继器将近钻头组件110发送过来的传感器数据传输到地面。图4是一个遥测组件114的透视图。如图所示，从井口侧106到井底侧104，遥测组件114包括用于产生泥浆脉冲的脉冲发生器142，电磁信号接收器144，电池组件146和随钻测量组件148。电磁信号接收器144接收从近钻头组件110发送的电磁信号用于解码和获得传感器数据。
随钻测量组件148包括用于收集测量数据的一个或多个传感器，所述测量数据可以与从近钻头组件110接收的传感器数据组合或用于验证从近钻头组件110接收的传感器数据。然后，组合或验证后的数据被编码并用于控制脉冲发生器142调制泥浆脉冲以将数据传输到地面，由地面设备实时解码。地面上的钻井系统可以利用解码后的数据精确控制水平段钻井。
在一些实施例中，遥测组件114可以不包括脉冲发生器142。在这些实施例中，遥测组件114可以包括一个电磁信号发射器，以通过电磁信号将传感器数据转发到地面。
在一些实施例中，遥测组件114可以同时包括一个脉冲发生器142和一个电磁信号发射器，利用经调制的泥浆脉冲和电磁信号将传感器数据转发到地面以提高信号传输可靠性。
在上述实施例中，遥测组件114包括一个常规的随钻测量组件，同时也充当近钻头组件110的中继器将近钻头组件110收集发送的传感器数据传输到地面。在一些替代实施例中，遥测组件114不包括随钻测量组件而仅包括一个泥浆脉冲发生器142和/或一个电磁信号发射器以将传感器数据中继到地面。
尽管在上述实施例中，井底钻具组合100使用遥测组件114来中继由近钻头组件110收集的传感器数据，但是在一些替代实施例中，近钻头组件110可将传感器数据编码为电磁信号并直接将此电磁信号通地层传输至地面。由于近钻头组件110的空间有限，电池组件132D可能仅能提供有限的功率。所以在一些实施例中，一个利用泥浆发电的发电机可以与电池132D一起为近钻头组件110的电子组件供电。
在上述实施例中，近钻头组件110与钻头108和泥浆马达112直接连接。在一些替代实施例中，井底钻具组合100可以包括位于近钻头组件110和钻头108之间的以及/或者在近钻头组件110与钻井马达112之间的其他合适的接头构件。
近钻头组件与遥测组件之间的电磁信号传输
在各种实施例中，传感器数据可以通过任何合适的电磁信号传输方法利用超低频(SLF)信号和/或极低频(ELF)信号从近钻头组件110传输到遥测组件114。
在一些实施例中，包含传感器数据的电磁信号通过双电偶极天线从近钻头组件110传输到遥测组件114。在这些实施例中，近钻头组件110利用一个带有绝缘间隙的机械连接形成偶极子天线以发送包含传感器数据的电磁信号。相应地，遥测组件114与一个带有绝缘间隙的接头构件连接。此带有绝缘间隙的接头构件形成一个偶极子天线用于接收从近钻头组件110传输过来的电磁信号。
本领域技术人员将理解，在一些实施例中，遥测组件114本身可以包括一个绝缘间隙以形成偶极子天线用于用于接收从近钻头组件110传输过来的电磁信号。
在一些实施例中，具有绝缘环的偶极子天线可以用于近钻头组件110与遥测组件114之间的电磁信号传输。在这些实施例中，近钻头组件110包括一个绝缘环以形成用于电磁信号传输的偶极子天线。相应地，遥测组件114也可以包括一个带有绝缘环的间隙接头构件(见图15D，稍后描述)以形成用于电磁信号传输的偶极子天线接收从近钻头组件110传输过来的电磁信号。
在一些实施例中，近钻头组件110可以包括一个绝缘套管，其上包含多个(例如三个)弹簧触垫(稍后描述)用于钻柱和地层之间的导电接触以通过电磁信号进行数据传输。遥测组件114可以包括一个间隙接头构件形成偶极子天线以接收电磁信号。与其他实施例相比，通过使用绝缘套筒，近钻头组件110可以被构造为具有更高强度且更便宜的一体式结构的组件。
在一些实施例中，近钻头组件110可以包括一个或多个环形棒天线用于数据传输。遥测组件114也可以包括一个带有环形棒天线的间隙接头构件用于数据接收。与其他实施例相比，近钻头组件110可以被构造为具有更高强度且更便宜的一体式结构的组件。
在一些实施例中，近钻头组件110可以同时包括偶极子天线和一个或多个环形天线用于数据传输。遥测组件114也可以包括偶极子天线和一个或多个环形天线用于数据接收。利用这种构造，这些实施例中的井底钻具组合100可以提高倾斜度和地层电阻率水平测量的可靠性。
近钻头组件
近钻头组件110位于钻头108的上方靠近钻头108处。图5是在一些实施例中的近钻头组件110的透视图。图6是沿图5中所示的剖面线A-A的近钻头组件110的剖面图。如图所示，近钻头组件110包括具有纵向中心孔174的本体172。中心孔174沿纵向由近钻头组件110的井口端178延伸至近钻头组件110的井底端176，用于泥浆马达112和钻头108之间的流体连通。本体172中包括一个或多个围绕纵向中心孔174的腔室或凹穴180，其中容纳数据测量和传输部件132。每个腔室180由盖182密封封闭。
在一些实施例中，一个或多个传感器可以位于腔室180中靠近近钻头组件110井底端176的位置，以进一步提高测量精度并进一步减少测量延迟。
如上所述，数据测量和传输组件132包括一个或多个传感器132A，控制器132B，电磁信号发射器132C，一个或多个电池组件132D，以及其他合适的部件。例如，在一个实施例中，腔室180可以容纳一个或多个环形棒状天线。在一个替代实施例中，一个或多个环形棒状天线中的每一个都有一个环绕纵向中心孔174的结构。
在一些实施例中，近钻头组件110包括一个绝缘的间隙连接。如图7和图8所示，这些实施例中的近钻头组件110包括两个导电金属部件，包括一个销部件202和一个连接到销部件202之井底侧的箱部件204。销部件202和箱部件204之间绝缘，并在其间形成绝缘间隙。如本领域技术人员将认识到的那样，销部件202电耦合到遥测组件114而箱部件204电耦合到地层以充当天线。
如图7所示，销部件202包括一个圆柱形本体210。一个中心孔212A从圆柱形本体210纵向延伸穿过其中。销部件202还包括一个井口端连接部分214自圆柱形本体210延伸至销部件202的井口端216且在其外表面上具有螺纹(未示出)用于连接其它组件例如泥浆马达112。销部件202还包括一个井底端连接部分218自圆柱形本体210延伸至销部件202的井底端222(亦即井底端连接部分218的远端222)用于连接箱组件204。在本文中井口侧或井口端指的是一个组件在井眼中通向地面的一侧或一端。井底侧或井底端指的是一个组件在井眼中通向井眼底端的一侧或一端。
中心孔212A包括一个邻近井底端222的扩大部分(即，具有增大的内径)，形成一个腔室224A用于接收一个陶瓷环(稍后描述)。腔室224A包括一个位于其井口端的一个面向井底端222的圆周肩部223A(见图10A，11A和11B)。
井底端连接部分218的外径比圆柱形本体210的外径小，并由此形成一个面向井底端222的圆周肩部220。井底端连接部分218包括在其外表面上的轮廓。该轮廓包括自圆柱形本体210延伸出来的圆柱形第一部分226A、逐渐变细的锥形第二部分228A以及邻近井底端222的圆柱形第三部分230A。
圆柱形第三部分230A被加工成包括多个纵向延伸的凹槽232A沿纵向延伸到井底端222并围绕纵向中心孔212A周向分布在其外表面上。如图9所示，在各种实施例中，每个凹槽232A的横截面可以是任何适于防止销部件202在安装期间与箱部件204互相干扰的形状，例如半圆形、半椭圆形、矩形、具有两个圆角的矩形、或类似形状。
再次参照图7，每对相邻的凹槽232A形成一个纵向延伸的脊部234A。这些纵向延伸的脊部234A被加工成包括多个周向延伸的凹口236A纵向分布其上。每对相邻的凹口236A形成一个周向延伸的齿238A。这些周向延伸的凹口236A组成彼此平行的多个离散的圆圈(由凹槽232A中断)，并且用作注入间隙填充绝缘材料的通道(稍后描述)。
第三部分230A还包括多个凹口或通道240。这些凹口240自第二部分228A纵向延伸穿过脊部234A至井底端222，并且用作注入间隙填充绝缘材料的通道。凹槽232A也可以包括多个凹口237。
与使用相对于纵向轴线成倾斜角度的螺旋形螺纹的常规连接方法不同，由周向延伸的凹口236A形成的离散的圆圈垂直于销部件202的纵向轴线(其也是组装后的近钻头组件110的纵向轴线)。换句话说，每个离散的圆圈在与销部件202的纵向轴线垂直的平面内。
第二部分228A包括在其外表面上周向分布的多个凹穴242A，其与凹槽232A轴向对齐但距离一定距离。
参考图10A，每个凹穴242A沿径向向内及沿轴向向销部件202中心的方向延伸(即轴向朝井口端216，亦即轴向远离井底端222)，由此形成相对纵向轴线倾斜的径向延伸。在这些实施例中，每个凹穴242A具有一个适当的尺寸以便完全且可移动地容纳一个绝缘锁辊244(例如一个绝缘圆柱体或绝缘球)。绝缘锁辊244可由一种高剪切强度的绝缘材料如陶瓷制成。
如图8所示，箱部件204包括一个圆柱形本体252，其具有延伸穿过其中的纵向中心孔212B以及圆柱形本体252中的一个或多个腔室180，用于容纳一个或多个数据测量和传输组件132。
圆柱形主体252包括邻近井口端216的井口端连接部分254(井口端216亦为井口端连接部分254的远端)，邻近井底端222用于连接到箱部件202的井底端连接部分256。井底端连接部分256的内表面上包括螺纹(未示出)以用于连接到其它接头构件如钻头108。中心孔212B包括一个扩大部分(即，具有增大的内径)，形成一个邻近井口端连接部分254的近端225的腔室224B用于接收陶瓷环(稍后描述)。腔室224B因此形成面向井口端的圆周肩部223B(参见图10A，11A和11B)。
箱部件204的井口端连接部分254内表面上的轮廓与销部件202的井底端连接部分218的轮廓基本匹配，使得销部件202的井底端连接部分218可以被容纳于箱部件204的井口端连接部分254并保持间隙。具体而言，井口端连接部分254的内表面包括圆柱形第一部分226B，其从井口端216延伸并过渡到逐渐变细的锥形第二部分228B，该第二部分228B又过渡到与扩大的中心孔部分224B相邻的圆柱形第三部分230B。
第二部分228B包括在合适位置处的多个凹穴242B，用于在销部件202和箱部件204连接时匹配销部件202的凹穴242A。例如，凹穴242B与脊部234B轴向对齐，并且，凹穴242B与脊部234B之间的距离与凹穴242A和相应凹槽232A之间的距离相等。
参照图11，每个凹穴242B具有适当的长度和宽度以可移动地容纳绝缘锁辊244。然而，每个凹穴242B具有较浅的径向深度，仅能部分容纳绝缘锁辊244于其中。
第三部分230B被加工成包括在其内表面周向分布的多个纵向延伸的凹槽232B。每个凹槽232B从井口端216纵向延伸到距凹穴242B一定距离的位置。每对相邻的凹槽232B形成脊部234B。箱部件204的凹槽232B和脊部234B可以在不直接接触的状态下与销部件202上相应的脊部234A和凹槽232A结合。
纵向延伸的脊部234B被加工成包括纵向分布其上的多个周向延伸的凹口236B。每对相邻的凹口236B形成周向延伸的齿238B。周向延伸的凹口236B和齿238B形成彼此平行的多个离散的圆(由凹槽232B中断)。
在这些实施例中，销部件202和箱部件204中的每一个均包括六个凹槽232A/232B，其几何形状允许销部件202不受阻碍地插入箱部件204中。
利用上述轮廓/几何形状，销部件202和箱部件204可以通过铣削高效地制造而无需使用诸如拉削或电火花加工(EDM)等其他昂贵和耗时的制造工艺。
如图10A所示，为了组装近钻头组件110，可先将销部件202直立并使井口端216在下方。然后将多个绝缘锁辊244装配到销部件202的凹穴242A中。因凹穴244向井口端216延伸，绝缘锁辊244落入凹穴242A并且完全容纳于其中。
然后，将绝缘陶瓷环262放入销部件202的腔室224A中抵靠肩部223A，并且将绝缘垫圈或环264(例如陶瓷环)放置在销部件202的井底端222之上。绝缘陶瓷环262的纵向长度大于销部件202的腔室224A的纵向长度和箱部件204的腔室224B的纵向长度的总和。因此，绝缘陶瓷环262和264形成一个绝缘间隔组件，用于纵向分隔销部件202和箱部件204以免直接接触。
一个绝缘密封套筒266也放置在销部件202的井底端连接部分218上抵靠肩部220。
图10B是绝缘密封套筒266的剖面图。如图所示，绝缘密封套筒266包括井口端部分268及井底端部分270。井口端部分268用于绝缘分隔销部件202的圆柱形本体210和箱部件204的井口端216。井底端部分270有一个缩小了的外径，其纵向长度等于或短于销部件202的第一部分226A的纵向长度。井底端部分270用于在径向绝缘分隔销部件202的第一部分226A和箱部件204的第一部分226B，也用于保持销部件202和箱部件204同心。绝缘密封套筒266还提供平滑无孔的表面以便密封并防止钻井液进入间隙272(参见图11A和11B)。
再次参考图10A，将箱部件204与销部件202对准，以使箱部件204的凹槽232B和脊部234B分别与与销部件202的脊部234A和凹槽232A对齐。然后，将对齐的箱部件204放到到销部件202上，使箱部件204的井口端连接部分254将销部件202的井底端连接部分218纳入，并使腔室224B将陶瓷环262纳入。因此陶瓷环262被纳入于腔室224A和224B中并分别抵靠肩部223A和223B。陶瓷环262于是保持销部件202和箱部件204同心并起绝缘和密封作用。
由于陶瓷环262的纵向长度大于销部件202的腔室224A的纵向长度和箱部件204的腔室224B的纵向长度之和，并且由于箱部件204的井口端连接部分254的内表面轮廓略大于销部件202的井底端连接部分218的外表面轮廓，销部件202与箱部件204不直接接触。在销部件202和箱部件204完全接合之后，销部件202的凹穴242A与箱部件204的凹穴242B对齐并形成多个组合锁定室(用附图标记242表示)。
如图11A和11B所示，将完全接合的销部件202和箱部件204在竖直方向上“上下颠倒”以使销部件202位于上方。由于重力作用，绝缘锁辊244向下运动并部分落入箱部件204的凹穴242B中。由于每个绝缘锁辊244的一部分仍然容纳在销部件202的凹穴242A中，绝缘锁辊244因此楔入销部件202和箱体部件204的两个锥形表面之间并防止它们之间的相对运动。
如上所述，纵向延伸的脊部234A和234B以及凹槽232A和232B的几何形状被设计为使销部件202滑入箱部件204中并保持足够的间隙272以避免直接接触。例如，在一些实施例中，在销部件202与箱部件204完全接合之后，销部件202与箱部件204之间的间隙272约为0.040英寸至0.050英寸(大约1.02毫米至大约1.27毫米)。即使存在较小的加工缺陷，这样的间隙272也足以保持销部件202和箱部件204不直接接触。图12A至12C示出完全接合的销部件202和箱部件204以及它们之间的间隙272。
在接下来的组装步骤中，在间隙272中注入绝缘填充材料，例如耐高温塑料、玻璃纤维环氧树脂、热固性树脂，含有陶瓷微粒的热固性树脂，和/或类似物。例如，可将一种双份混合环氧树脂充分地混合然后注入间隙272。在一些实施例中，固化后的间隙填充绝缘材料在预期的井下操作温度下具有足够高的结构强度(例如足够高的抗压强度)。
完全接合的销部件202和箱部件204可临时固定到夹具上以防止销部件202和箱部件204之间的轴向相对移动。为完全且均匀地填充间隙272，可先用真空泵抽空间隙272中的空气。然后使用低压通过注入口(未示出)将绝缘填充材料例如充分混合的热固性绝缘树脂注入间隙272。例如，每英寸40至60磅(psi)的压力通常足以使具有相对低混合粘度的环氧树脂流体流过间隙272并进入通道240、由凹穴242A和242B组成的组合锁定室242中未被绝缘锁辊244占据的的空间、以及销部件202和箱部件204的周向凹口236A，236B和237。基于热固性树脂的配方，可能需要按一定的时间和温度程序使热固性树脂固化达到最佳强度。
在固化后，组合锁定室242中的间隙填充树脂将绝缘锁辊244固定在销部件202与箱部件204之间的径向结合处。销部件202的凹槽232A与箱部件204的脊部234B互锁并且箱部件204的凹槽232B与销部件202的脊部234A互锁。
注入间隙272、通道240、销部件202与箱部件204之间的周向凹口236A，236B和237中的绝缘填充树脂将互锁的凹槽/脊部232A/234B和232B/234A固定。此外，注入间隙272、通道240、销部件202与箱部件204之间的周向凹口236A，236B和237中的间隙填充树脂在固化后形成一个强化结构以增强近钻头组件110的强度。
例如，注入周向凹口236A，236B和237中的间隙填充树脂在固化后形成一个模制树脂锁定环以固定接合的销部件202与箱部件204。
销部件202的凹槽232A的几何形状增强了树脂的粘合和保持力并提供了在重要方向的最大化的表面积，以便当近钻头组件在井下使用期间防止树脂破碎。
本领域技术人员将认识到，销部件202与箱部件204可以包括多个密封槽在其中容纳多个O形密封环和/或类似物，用于密封近钻头组件110以对抗井下钻井泥浆的高压。
在一些实施例中，一个绝缘弹性体套筒(未示出)例如一个橡胶套筒可以被模制到组装好的近钻头组件110上，以进一步增强密封性能并且产生更长的绝缘外表面间隙。在一些实施例中，一个绝缘陶瓷套筒(未示出)可以进一步安装在弹性体套筒上以保护弹性体套筒免受由在近钻头组件110外面流动的高速钻井泥浆引起的侵蚀。陶瓷套筒可以分段以便于制造并且在钻柱在弯曲井眼中操作时缓解弯曲应力。
如上所述，销部件202与箱部件204包括多个几何特征，包括锥形表面228A和228B，凹口236A，236B和237以及凹穴242A的倾斜侧壁(稍后描述)。这些几何特征与绝缘填充树脂和绝缘锁辊244相结合防止销部件202与箱部件204的轴向位移，并在轴向拉伸和/或轴向压缩下保持间隙连接的完整性。
例如，再次参考图11B，销部件202中的凹穴242A具有朝向井口端216的倾斜的径向延伸。因此，销部件202中的凹穴242A包括一个倾斜侧壁243径向朝外并纵向朝向井口端216。当销部件202完全接合箱部件204并且当绝缘锁辊244已经定位在销部件202和箱部件204之间的界面处并已经由固化了的树脂固定在其中时，凹穴242A的倾斜侧壁243支撑绝缘锁辊244以抵抗任何可能使销部件202和箱部件204分开的轴向位移力，从而在轴向张力下保持间隙连接的完整性。
销部件202和箱部件204的锥形表面228A和228B以及它们之间的间隙272中的绝缘填充树脂支撑销部件202和箱部件204抵抗轴向压缩力，从而保持间隙连接的完整性。
由于间隙272填充的热固性绝缘树脂在固化或硬化后形成连接销部件202和箱部件204的刚性绝缘层，销部件202和箱部件204于是形成两个偶极子并且可以用作近近钻头组件110的偶极子天线。这样的近钻头组件110适合于承受严酷的钻井条件和参数，例如高轴向压缩和/或拉伸载荷、弯曲力矩、过度磨损等。
常规的绝缘间隙连接通常由接合的螺旋线形成，需要复杂精细的工艺来组装两个部件以便精确地和对称地形成绝缘间隙。这样的组装过程耗时且容易产生人为错误导致产品缺陷。与传统的绝缘间隙连接相比，本文所述的近钻头组件110的间隙连接提供了简单的安装过程并克服了常规绝缘间隙连接中遇到的困难。
在上述实施例中，销部件202和箱部件204中的每一个均包括六个凹槽232A/232B。在一些替代实施例中，销部件202和箱部件204中的每一个可以包括不同数量的凹槽232A/232B。
在一些替代实施例中，绝缘环262和264可以由任何合适的绝缘材料如陶瓷、橡胶、或塑料制成。
在一些替代实施例中，绝缘环262和264可以是一个单独的环的两个部分。
在一些实施例中，近钻头组件110不包括绝缘环264。销部件202的井底端222与箱部件204的井口端216之间的空间(原由环264占据，如图10A，11A和11B所示)由间隙填充材料填充。
在如图13所示的一些实施例中，密封套筒266是没有井底端部分270的绝缘环。
在如图14所示的一些实施例中，销部件202和箱部件204不包括任何用于容纳绝缘环262的腔室224A，224B。因此，近钻头组件110不包括任何绝缘环262。相反，这些实施例中的近钻头组件110仅包括一个位于近钻头组件110井底端的绝缘环282。
在上述实施例中，近钻头组件110使用上述销/箱结构形成间隙连接。在一些替代实施例中，此销/箱结构还可以用于需要在导电管道中使用的坚固、密封且绝缘的间隙连接的其他接头构件中，例如间隙接头构件、遥测探头中的间隙连接等。
具有绝缘套筒和弹簧触垫的一体式近钻头组件
在如图15A至图15D所示的一些实施例中，近钻头组件110是一个具有绝缘套筒和弹簧触垫的一体式近钻头组件。
如图所示，这些实施例中的近钻头组件110包括一个具有纵向中心孔304的导电金属主体302，所述纵向中心孔304从井底端306延伸到井口端308以允许泥浆马达112和钻头108之间的流体连通。主体302在其中包括围绕纵向中心孔174周向分布的一个或多个腔室用于在其中容纳数据测量和传输部件132。每个腔室180由盖182密封地封闭。
这些实施例中的近钻头组件110使用带间隙的环形结构来形成偶极子天线。如图所示，导电金属主体302包括一个导电套管312，其由一个绝缘层313与导电金属主体302绝缘。套管312包括安装在其上的多个(例如三个)可旋转的弹簧电触垫314(简称为弹簧触垫)。
每个弹簧触垫314具有朝向金属主体302的径向中心弯曲的轮廓，并且连接到一个弹簧(未示出)，将弹簧触垫314径向向外偏置，并可在外力的作用下径向向内旋转。导电金属主体302和弹簧触垫314因此形成天线。在钻井过程中，每个弹簧触垫314的弹簧迫使其导电接触地层以传输电磁信号。
本领域的技术人员将会理解，在一些替代实施例中，此具有绝缘套筒和弹簧触垫的一体式近钻头组件也可以用于需要坚固、密封且绝缘的间隙连接的其他组件，例如间隙接头构件(gap sub)，遥测探头的间隙节(gap joint)等。
泥浆发电机
在一些实施例中，泥浆发电机用于为井底钻具组合100的电气部件提供电力。如图16A至16C所示，泥浆发电机330包括一个壳体332，其侧壁334形成腔室336与两个纵向相对的端口338和340流体连通。侧壁334中包括围绕腔室336周向分布的一个或多个凹穴352。每个凹穴352在其中容纳一个或多个线圈(未示出)用于发电。
在这些实施例中，腔室是从肩部354到在肩部354的井底侧一定距离处通过螺纹358与侧壁334的内表面可拆卸地连接的环356之间。环356由诸如碳化钨(tungstencarbide)的硬质材料制成。
转子362可旋转地容纳在腔室336中。在这些实施例中，转子362的长度较腔室336的长度稍短，以利转子362的旋转。
转子362大致呈圆柱形，并包含一个贯穿其中的纵向孔364。转子362还包括在其侧壁366中的一个或多个凹穴368。每个凹穴368容纳一个或多个磁体(未示出)。转子362还包括在其井底端由诸如碳化钨之类的硬质材料制成的多个钮扣状突起370。环356也包括在其井口端由诸如碳化钨之类的硬质材料制成的、与转子362接触的多个钮扣状突起(未示出)。
一个或多个叶片372从转子362的内表面沿径向向内且相对于转子362的轴线成锐角地延伸。每个叶片372具有合适的形状以由流体F驱动旋转转子362。
在钻井过程中，泥浆流F被注入井下并进入腔室336以及转子362的纵向孔364中。泥浆流F将转子362压在环356上并驱动叶片372以转动转子362。转子362与环356通过它们的钮扣状突起互相接触并相对滑动，因而这些钮扣状突起充当了转子362和环356之间的摩擦轴承。由于转子362的长度略小于腔室336的长度，所以在肩部354与转子362之间存在一个小间隙374，以利于转子362的旋转。
转子362和其凹穴368中的磁体的旋转产生了一个覆盖凹穴352中的线圈的旋转磁场并导致线圈中产生电力以输出到与线圈连接的电子组件(未示出)。
如上所述，销部件/箱部件结构可以用在任何需要坚固、密封且绝缘的间隙的组件中，例如近钻头组件，间隙接头构件，遥测探头的间隙节等。在下文中，为了便于描述，具有销部件/箱部件结构的组件统称为间隙装置。
间隙装置的一些实施例
在一些实施例中，销部件202和箱部件204二者或之一在其外/内表面的轮廓上镀有一层绝缘材料如塑料、聚醚醚酮(PEEK)、陶瓷、或类似材料以进一步增强绝缘效果。
例如，在一些实施例中，销部件202和箱部件204二者或之一可以镀有一层陶瓷以进一步增强绝缘效果。但是由于通常较难在内表面做陶瓷镀层，在一个实施例中可以只在销部件202做陶瓷镀层。
在一些实施例中，销部件202或箱部件204包括多个弹簧触垫用于导电接触地层。
在如图17所示的一些实施例中，间隙装置440包括两个导电金属部件包括一个销部件442和一个箱部件444。销部件442与箱部件444绝缘连接并在其间形成电间隙(其他部件将在后面描述)。
如图18A所示，销部件442包括一个柱形主体470、一个井口端连接部分476和一个井底端连接部分480。柱形主体470包括一个纵向穿过其中的中心孔474A并在其外表面具有周向凹口472以便使用合适的粘合材料如塑料、热固性树脂、含有陶瓷微粒的热固性树脂等将销部件442连接到保护套筒448(参见图17)。井口端连接部分476由柱形主体470延伸到销部件442的井口端478并在其内表面上具有螺纹(未示出)用于连接到其它接头。井底端连接部分480从圆柱形主体470延伸到销部件442的井底端482用于连接箱部件444。
井底端连接部分480的外径比圆柱形主体470的外径小。井底端连接部分480在外表面上的轮廓包括从圆柱形主体470延伸出来的圆柱形第一部分486A，从圆柱形第一部分486A延伸出来并邻近井底端482的圆柱形第二部分490A。与图7所示的销部件202不同，这些实施例中的销部件442的井底端连接部分480不包括任何具有锥形轮廓的部分。
第一部分486A包括一个或多个周向延伸凹槽492用于容纳一个或多个密封圈452(参见图17)。第二部分490A被加工成包括多个纵向延伸的凹槽494A。这些凹槽494A纵向延伸到井底端482并且围绕中心孔474A周向分布在其外表面上。每个凹槽494A具有半圆形横截面。每对相邻的凹槽494A形成一个纵向延伸的脊部496A。
纵向延伸的脊部496A被加工成包括纵向分布其上的多个周向延伸的凹口498A。每对相邻的凹口498A因此形成周向延伸的齿500A。周向延伸的凹口498A和齿500A形成彼此平行的多个离散的圆(由凹槽494A中断)。
如图18B所示，箱部件444包括一个圆柱形主体512。圆柱形主体512包括一个纵向穿过其中的中心孔474B、邻近井口端478用于连接到销部件442的的井口端连接部分514，以及邻近井底端482的井底端连接部分516。井底端连接部分516在其内表面上包括螺纹(未示出)以便连接到其它组件。中心孔474B在井底端连接部分516的内径大于井口端连接段514中的中心孔474B的内径。此外，井口端连接部分514中的中心孔474B的内径大于井底端连接部分480的外径以使一个绝缘密封套筒446的一部分(参见图17，密封套筒446具有类似于图10中所示的密封套筒266的结构)可以作为绝缘隔离物被径向夹在销部件442和箱部件444之间。
在井口端连接部分514中，邻近井口端478的连接部分518具有减小的外径并且在其外表面上包括周向凹口519，用于使用合适的粘结材料如塑料、热固性树脂、含有陶瓷微粒的热固性树脂、和/或类似物将销部件442连接到保护套筒448(参见图17)。
在其内表面上，井口端连接部分514包括一个与销部件442的井底端连接部分480的轮廓基本匹配的轮廓，使得销部件442的井底端连接部分480可以被接收在箱部件444的井口端连接部分514中并具有间隙。具体地，井口端连接部分514的内表面包括从井口端478延伸到圆柱形第二部分490B的圆柱形第一部分486B。
圆柱形第一部分486B包括一个或多个圆周凹槽520，用于在其中容纳一个或多个密封圈454(见图17)。第二部分490B被加工成包括周向分布在其内表面上的多个纵向延伸的凹槽494B。每个纵向延伸凹槽494B具有半圆形横截面。每对相邻的凹槽494B形成纵向延伸的脊部496B。箱部件444的纵向延伸凹槽494B和纵向延伸的脊部496B适于在不直接接触的状态下接合销部件442的相应的脊部496A和凹槽494A。
纵向延伸的脊部496B被加工成包括纵向分布于其上的多个周向延伸的凹口498B。每对相邻的凹口498B因此形成周向延伸的齿500B。周向延伸的凹口498B和齿500B形成彼此平行的多个离散的圆(由凹槽494B中断)。而且，箱部件444的周向延伸凹口498B和齿500B的尺寸和位置被设定为，当销部件442和箱部件444相连接时，箱部件444的凹口498B和齿500B与销部件442的相应的齿500A和凹口498A接合而不直接接触。
在这些实施例中，销部件442和箱部件444中的每一个包括七个(7)凹槽494A/494B，其几何形状允许销部件442无阻碍地插入箱部件444中。
利用上述轮廓/几何形状，销部件442和箱部件444可以通过铣削来高效地制造而无需使用诸如拉削或EDM之类的其他昂贵且耗时的制造工艺。
再次参照图17，为了组装间隙装置440，将密封圈452装到销部件442的凹槽492中，并将密封圈454装到箱部件444的凹槽520中。然后，将箱部件444的连接部分518涂上液体形式的粘合材料并插入到一个保护套筒448中。
将绝缘密封套筒446放在销部件442的井底端连接部分480并靠在其圆柱形主体470上。销部件442的凹口472涂有液体形式的粘合材料。
销部件442与箱部件444对齐，以使销部件442的凹槽494A和脊部496A分别与箱部件444的脊部496B和凹槽494B对齐。然后将对齐的销部件442穿过保护套448插入箱部件444中，其中销部件442的齿496A被容纳到箱部件444的凹槽494B中，并且箱部件444的脊部496B被容纳到箱部件444的凹槽494A中。
在箱部件444的井口端478与密封套筒446接触之后，销部件442完全插入箱部件444中。然后，销部件442或箱部件444顺时针或逆时针旋转角度α使得销部件442与箱部件444的纵向延伸凹槽494A和494B周向重叠，从而形成多个圆柱形腔室(用附图标记494表示)。角度α为360°/(2N)，其中N是凹槽494A或494B的数量。例如，在这些实施例中，N＝7并且角度α约为26°。
销部件442和箱部件444的纵向延伸的脊部496A和496B也周向地重叠，使得周向延伸的齿500A被容纳在相应的凹口498B中，并且周向延伸的齿500B被容纳在相应的凹口498A中，全部不彼此直接接触。
参考图17和19至21，多个长插件450在用液体形式的粘合材料涂覆后从箱部件444的井底端482插入到腔室494中。长插件450由具有高剪切强度的绝缘材料例如填充玻璃的聚醚醚酮(PEEK)制成，用于提供足够的坚固性以将扭矩从销部件442传递到箱部件444。长插件450的形状通常匹配腔室494的形状.由于腔室494为圆柱形，所以长插件450具有匹配的圆柱形形状，从而易于制造。
如图20和22所示，在销部件442和箱部件444的重叠部分之间存在间隙552.在这些实施例中，间隙552在大约0.040英寸和大约0.050英寸(大约1.02毫米和大约1.27毫米)之间。间隙552用如上所述绝缘填充材料填充。图19至21示出了组装完成的间隙装置440。
在上述实施例中，长插件450是具有相同圆形横截面形状的圆柱体。在一些替代实施例中，长插件450可以具有其他合适的横截面形状，诸如矩形、椭圆形、圆角矩形等。
在如图23至27所示的一些实施例中，间隙装置600包括两个导电金属部件，包括接合在一起但互相绝缘的销部件602和箱部件604，从而在其间形成间隙。
如图26所示，销部件602包括圆柱形主体622和井底端连接部分623。井底端连接部分623类似于图17至21中所示的销部件442的井底端连接部分480。然而在这些实施例中，井底端连接部分623的第二部分490A具有锥形轮廓，并且井底端连接部分623还包括圆柱形的第三部分624A，其具有一个或多个周向凹口用于在其中容纳一个或多个密封圈。而且，第二部分490A上的纵向延伸凹槽494A(包括较宽的凹槽494A1和较窄的凹槽494A2)具有不同的横截面形状。例如，纵向延伸凹槽494A1可以具有半圆角矩形横截面形状，而纵向延伸凹槽494A2可以具有半圆形形状。
相应地，如图27所示，箱部件604还包括一个从第二部分490B向井底端延伸的圆柱形第三部分624B，以及从第三部分624B向井底端延伸的腔室626。第二部分490B上的纵向延伸凹槽494B(包括较宽的凹槽494B1和较窄的凹槽494B2)具有不同的横截面形状。例如，纵向延伸凹槽494B1可以具有半圆角矩形横截面形状，而纵向延伸凹槽494B2可以具有半圆形形状。
在这些实施例中，销部件602的圆柱形第一部分486A具有比箱部件604的圆柱形第一部分486B更长的长度。
参考图23和24，为组装间隙装置600，一个绝缘密封套筒610被放入腔室626。然后，销部件602的井底端连接部分623与箱部件604的井口端连接部分625对齐并插入其中。类似于装配间隙装置440，销部件602或箱部件604被转动或旋转，使得销部件602的凹槽494A和箱部件604的对应凹槽494B周向重叠。
间隙装置600使用多个绝缘插件612-1和612-2(统称为612)或间隔物来填充凹槽618A和618B。插件612具有与相应凹槽494A和494B相匹配的形状。由于凹槽494A和494B具有不同的横截面形状，所以插件612也具有不同的横截面形状。例如，插件612-1具有板形状以用于填充凹槽494A1和494B1，而插件612-2具有圆柱形形状以用于填充凹槽494A2和494B2。插件612-1和612-2可以由诸如玻璃纤维环氧树脂，陶瓷等的电绝缘材料制成。然而，插件612-2通常需要具有较高的强度，例如由陶瓷制成用于承受旋转负载并允许插件612-1由诸如玻璃纤维环氧树脂的较低成本材料制成。
图19和20中所示的间隙装置440中，长插件450从井底端482插入凹槽494中。与间隙装置440不同，这些实施例中的插件612被涂覆有粘合材料后由箱部件604的井口端606插入到凹槽494中。为了便于插入，每个插件612可以具有较短的长度，并且每个凹槽494可以在其中容纳多个插件612。
在将插件612插入凹槽494之后，一个预先安装在销部件602上的套筒614被移动到箱部件604旁以固定插件612。类似于以上的实施例，可以将间隙填充材料注入到销部件602和箱部件604的周向延伸的凹口498A中。
在一些替代实施例中，第二部分490A和290B也可以分别包括如上所述的一个或多个凹穴242A和242B。
在一些替代实施例中，第二部分490A和290B也可以分别包括如上所述的一个或多个凹穴242A和242B。然而，这些实施例中的间隙装置600不使用任何插件612来插入凹槽494.相反，凹槽494仅填充有间隙填充材料。
在上述实施例中，销部件和箱部件中的每一个都仅包括一排分布在其锥形轮廓部分上的凹穴242A和242B。每排凹穴242A或242B在同一平面上。在一些替代实施例中，销部件和箱部件中的每一个可以包括多于一排的分布在其锥形轮廓部分上的凹穴242A和242B。
图28示出了一些实施例中的销部件640。销部件640类似于图7中所示的销部件202。然而，在这些实施例中销部件640的井底端连接部分218仅包括多个凹穴242A，而不包括任何纵向延伸的脊部和凹槽。销部件640的井底端连接部分218也可以包括多个周向和/或纵向延伸的凹口236A作为注入间隙填充材料的通道。
相应地，这些实施例中的箱部件(未示出)的井口端连接部分也仅在相应的位置处包括多个凹穴242B，而不包括任何纵向延伸的脊部和凹槽。箱部件的井口端连接部分还可以包括多个周向和/或纵向延伸的凹口236B作为注入间隙填充材料的通道。
尽管在一些上述实施例中，箱部件204或404包括一个或多个腔室180用于容纳数据测量和传输组件132，但在一些替代实施例中，销部件202包括一个或多个腔室180用于容纳数据测量和传输组件。在一些替代实施例中，销部件202和箱部件204/404都包括一个或多个腔室180用于容纳数据测量和传输组件132。
本领域技术人员将会理解，上述实施例中的间隙装置可以有不同的抵抗轴向力和/或旋转力的强度。例如，图7和8所示的间隙装置可以具有最强的抵抗轴向和旋转力的强度。另一方面，具有一个或多个凹穴242A和242B但没有使用任何插件612插入凹槽494的间隙装置600可能对旋转力只有较弱的强度。本领域技术人员还将认识到，不同实施例中的间隙装置可以根据其对抗轴向和/或旋转力的强度在不同情况下使用。
尽管在一些上述实施例中，销部件在箱部件的井口侧，但是在一些替代实施例中，销部件可能在箱部件的井底侧。
尽管以上参照附图描述了实施例，但是本领域技术人员将认识到，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，这些实施例可以有各种变化和修改。

Claims (10)

1.一个井下装置包括：
一个导电的销部件，其包括一个第一圆柱形本体，至少一个第一连接部分，所述第一连接部分从所述第一圆柱形本体延伸到所述销部件的第一远端，以及一个贯穿其中的纵向孔，所述第一连接部分包括在其外表面上的第一轮廓；
一个导电的箱部件，其包括一个第二圆柱形本体，至少一个第二连接部分，所述第二连接部分从所述第二圆柱形本体延伸到所述箱部件的第二远端，以及一个贯穿其中纵向孔，所述第二连接部分包括在外表面上的第二轮廓并在其中容纳第一连接部分，相连接的第一连接部分和第二连接部分之间具有间隙；和
多个绝缘锁辊；
其中所述第一轮廓包括沿周向分布在其上的多个第一凹穴，每个凹穴径向向内且纵向朝向所述销部件的中心延伸，由此形成径向向外且纵向朝向所述销纵向的中心的表面，每个第一凹穴可完全并可移动地容纳多个绝缘锁辊中的一个于其中；
其中所述第二轮廓包括在与所述第一凹穴的位置匹配的位置处沿周向分布在其上的多个第二凹穴，从而与相对应的第一凹穴共同形成多个组合的锁定室，每个第二凹穴可部分地容纳所述多个绝缘锁辊中的一个于其中；
其中所述间隙填充有固体形式的绝缘填充材料，由此形成连接所述第一连接部分和所述第二连部分的绝缘层；以及
其中所述绝缘填充材料将所述多个绝缘锁辊固定在所述组合锁定室中径向位于所述销部件与所述箱部件之间。
2.根据权利要求1所述的井下装置，其中所述绝缘锁辊由陶瓷材料制成。
3.根据权利要求1所述的井下装置，其中所述第一轮廓和第二轮廓中的每一个还包括周向分布在相应表面上的多个纵向延伸的凹槽，所述轮廓的每个相邻的一对纵向延伸凹槽形成纵向延伸的脊部；
其中所述第一轮廓的纵向延伸的脊部可容纳于所述第二轮廓的纵向延伸的槽中，并且所述第二轮廓的纵向延伸的脊部可容纳于所述第一轮廓的纵向延伸的槽中；以及
其中所述第一轮廓和所述第二轮廓中的每一个还包括纵向分布在相应表面上的多个周向延伸的凹口，所述凹口形成多个平行的圆，每个圆与所述井下装置的纵向轴线垂直。
4.根据权利要求1所述的井下装置，其中所述第一轮廓包括朝向所述第一远端延伸的第一锥形部分；
其中所述第二轮廓包括朝向所述第二轮廓的近端延伸的第二锥形部分，所述第二锥形部分与所述第一锥形部分基本匹配；以及
其中所述多个第一凹穴位于所述第一轮廓的所述锥形部分上，并且所述多个第二凹穴位于所述第二轮廓的所述锥形部分上。
5.根据权利要求1所述的井下装置，其中所述绝缘填充材料包括热固性树脂、耐高温塑料、含有陶瓷微粒的热固性树脂和玻璃纤维环氧树脂中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的井下装置还包括：
一个绝缘陶瓷环，该陶瓷环延伸到销部件的纵向孔中并抵靠在其中的第一肩部，该陶瓷环也延伸到箱部件的纵向孔中并抵靠其中的第二肩部，以使销部件和箱部件不直接接触并保持销部件与箱部件同心。
7.根据权利要求1所述的井下装置还包括：
在销部件的第一圆柱形主体和箱部件的第二连接部分之间的绝缘密封套；
其中所述绝缘密封套包括一个第一部分纵向位于所述销部件的第一圆柱形主体和所述箱部件的第二连接部分之间，以及一个第二部分径向夹在所述第一轮廓和第二轮廓之间。
8.根据权利要求1所述的井下装置，其中销部件和箱部件中的一个还包括多个用于接触地层的可转动的弹簧触垫；以及
其中所述多个弹簧触垫中的每一个均包括朝向所述销部件或所述箱部件的径向中心弯曲的轮廓，并与一个径向向外偏置的弹簧连接。
9.一个用于地下区域的井底钻具组合，所述井底钻具组合包括，自一个井底侧至一个井口侧，
一个钻头；
一个第一组件直接或间接连接到所述钻头，所述第一组件至少包括一个或多个传感器用于收集传感器数据和一个电磁信号发射器用于使用电磁信号传送所述传感器数据；
一个泥浆马达其直接或间接地连接至所述第一组件；和
一个遥测组件直接或间接连接到泥浆马达；
其中所述遥测组件至少包括：
一个电磁信号接收器用于接收从第一组件的电磁信号发射器发射的电磁信号，和
一个泥浆脉冲发生器用于基于接收到的电磁信号生成泥浆脉冲，以将所述传感器数据传输到地面。
10.一个泥浆发电机包括：
一个壳体，所述壳体包括与其两个纵向相对端口流体连通的腔室，以及围绕所述腔室的壳体侧壁，所述壳体侧壁中包括一个或多个围绕所述腔室周向分布的第一凹穴，每个第一凹穴在其中容纳一个或多个线圈；和
可旋转地容纳在壳体的腔室中的转子；
其中所述转子包括：
与壳体的腔室流体连通的纵向孔；
围绕所述纵向孔的转子侧壁，所述转子侧壁中具有一个或多个第二凹穴，每个第二凹穴在其中容纳一个或多个磁体；和
一个或多个叶片，所述叶片从所述转子的内表面径向向内延伸并相对于所述转子的轴线成锐角纵向延伸。
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