CN1130511C - 在两金属构件之间提供电绝缘连接作用的装置 - Google Patents

在两金属构件之间提供电绝缘连接作用的装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用来连接两接触部件的装置，所述装置包括：一具有一雌锥形面的第一金属件(1)；一具有一雄锥形面的第二金属件(5)，所述两表面的至少其中之一涂敷有一由电绝缘材料制成的薄层(12)。两构件(1，5)是一个插设在另一个内部，从而可以将它们机械连接起来并电绝缘隔开。

Description

在两金属构件之间提供电绝缘连接作用的装置
技术领域
本发明涉及一种用来在两金属构件之间提供连接作用以将所述的两个大体上呈管形的构件电绝缘隔开的装置。
发明背景
在石油勘探和石油开采领域中，在钻制一深井时，经常需要采用电磁传输装置，所述电磁传输装置要求使用一包括两个机械相连但彼此电绝缘的管形部件的天线。因此，必需使用这样一种连接器，它能提供电绝缘作用，同时还能根据一钻具组、一列开采管道(a string of production tubes)或一试采钻具组(production test drill string)的各管形构件可能受到的应力而抗扭、抗弯、抗拉伸和抗压缩。
美国专利US-A-5163714描述了一种连接器，它可以起到这种作用，但其机械强度却受到限制，尤其是受到用来粘结的环氧树脂的强度以及因雄、雌构件的厚度减小的限制。而且，所选技术方案要求所述连接器具有较长的长度，而使它在钻井中使用不便，而且，对其所用生产制造方法也不利。与此同时，由于树脂必须能耐高温这一事实，即高于130℃的高温，因此，必需使用一种价格极为昂贵的树脂和一种极难加以处理的树脂。
发明内容
本发明提出了一种不同的技术方案，具体地说，提供了一种制造成本较低、所要求的连接器长度较小且其机械强度更易于优化的技术方案。
因此，本发明涉及一种用来在两金属部件之间提供连接的装置。所述装置包括：一具有一雌锥形面的第一金属件；一具有一雄锥形面的第二金属件。所述两表面的至少其中之一涂敷有一由电绝缘材料制成的薄层。两构件是一个插设在另一个内部，从而可以将它们机械地连接起来。
所述第二构件涂敷有所述薄层，所述薄层具有一受控的表面状态，并且可以被可选地修改。
所述薄层的厚度在0.1和0.5毫米之间的范围内，较佳的是在0.2和0.4毫米之间的范围内，并由一种陶瓷型材料制成。
密封装置基本上是设置在所述薄层的两端部，以防止流体流入所述两锥形面之间。
所述锥形面的锥度在1°和2°之间，并且最好在1.3°和1.5°之间。
一第三构件与所述第二构件相连，并借助至少一个电绝缘环与所述第一构件相接触。
所述环可以具有诸个密封件，以使所述第一构件和所述第三构件之间紧密接触。
所述环在与第一、第三构件的端部形成接触的那些表面的至少一部分上具有一电绝缘材料层。
本发明还涉及利用本发明装置来形成一用来传输和接收电磁波的天线的偶极子。
较佳的是，可将本发明用来形成一在钻具组、一试采钻具组或套管或管道中使用的偶极子。
从以下结合附图对—非限制性的实施例所作的具体描述中，可以更好地理解本发明，并且其优点将变得更为清楚。
附图说明
-图1是本发明连接器的局部剖视示意图。
-图1A是所述连接器各构件的具体结构示意图。
具体实施方式
标号1所示的接合件(称作雌部)具有一借助例如螺纹连接之类的传统连接方式(本文中未予示出)与其端部3相连的一列管道或钻具组。雌部1的内表面2在其一段长度上是圆锥形的。外表面4大体上是圆柱形的，旋于一管组件上的各构件大部分都被设计得能下放至一钻井内。
一位于接合件1内部的第二接合件5(称作雄部)，具有一外表面6，所述外表面具有一与雌部1的内表面2相匹配的圆锥形几何形状。雄部5的端部7基本上是圆柱形的，并且具有一螺纹部8，因此，雄部5可以与一连接部9装配在一起，所述连接部在其一端22具有可为所述管组件提供机械连接作用的另一装置。本文中未予图示的所述连接装置可以是任何一种用来在各管道之间提供机械连接作用的已知装置，例如一锥形螺纹。
插设在雌部1的端部10a(与端部3相对)和连接部9的端部10b(与端部22相对)之间的是一系列环11，所述环的至少三个面d、e和f(图1A)涂覆有一绝缘材料层，例如，具有给定电绝缘特征的、能耐高温的陶瓷。O形圈a、b和c(图1A)设置在由雌部1的端部10a和连接部9的端部10b之间所堆叠的环11所形成的每一接合面之间。各环11的各接合面在它们的位于密封件a、b和c的外表面上的表面处向内凹进几十分之一毫米，从而可以有足够的间隙21来防止各接合面的不同表面之间的电接触。事实上，位于外表面上的这些部分是不能与外部流体和磨蚀体隔绝的。因此，这些外表面不能由一敷层来电绝缘。各空间21可这样来确定：要使端部10a和10b之间、可能不是很良好的绝缘对于这种将用来制造一可接收和传输例如电磁波的天线的连接器来说仍然足够。
利用一种例如陶瓷之类的坚硬的、电绝缘材料，将一敷层12涂敷于所述锥形表面6和2中的至少其中之一。较佳的是，藉助等离子弧技术来喷涂陶基的氧化铝(近似97％)和二氧化钛(近似3％)。
为了避免接合件1和5之间发生大量泄漏或电短路现象，对接合件5的端部13进行加工，以相对于接合件1的内表面向内凹进，由一间隙14向后分开的两对向表面之一被涂敷了相同的绝缘材料12。显然，间隙14可以藉助在所述附图中示出但具有相同功能的另一种加工形式来形成。
可将一由非导电材料制成的环15用作密封件16和17的O形圈支座，而不在两接合件1、5之间建立一电连接。环15可以借助任何一种对于机械工程师来说已知的装置而固定在接合件5或1中的至少其中之一上，所述的已知装置可以例如是一旋在一阴螺纹上的螺丝圈，所述阴螺纹形成在接合件1的内孔内。
在接合件5的另一端部7，靠近连接部5的螺纹8处，有一O形圈18设置在一相匹配的凹槽内。
显然，如果将不同数量和/或类型的连接件用在每一水平面或密封面处，是不会背离本发明的保护范围的。
因此，由于存在敷层12、绝缘环11和间隙14，端部3和连接部9彼此电绝缘。
由于绝缘陶瓷的各片层的多孔性，并且为了防止陶瓷连接面发生侵蚀，则必须使它们与位于管形构件内部或外部的流体，即，在矿井勘探和开发领域中的钻井流体(如果采用的话)以及与循环在各管道内部空间20内、从而也位于本发明的绝缘连接器内部的流体相隔开。O形圈a、b和c(图1A)的作用是用来将所述连接器与外部流体密封隔开，而O形圈16、17和18的作用是用来将所述连接器与内部流体密封隔开。
除了需要保护陶瓷敷层之外，还必需防止钻井流体渗入各组件。
所述连接器是以下述方式来装配和制造的，例如：
●藉助机加工来制造连接部5，然后利用传统技术敷上一层陶瓷12，对敷层12的表面状态进行校正(任选地)，从而使所述接触面最理想，而不会有敷层被撕离的危险。
●在一些情况中，可以采用一辅助处理作业，以改进并从总体上增大两圆锥形连接件之间的摩擦系数。这可以增大由各锥形体所传输的扭矩，并可以降低所述锥形面上的承压应变。
●将连接部5插入到雌部1内部，从而在所述连接部和所述雌部之间施加一给定的张紧力。装配应力可为所述连接器的机械强度、所用材料的给定特性和所用金属的横截面的函数；
●为了能在检修过程中控制压缩力，例如，在试采(TDS)过程中作用在充填物(位于一钻井内的密封件)上的、或在钻井过程中作用在钻头上的重量所引起的载荷，对堆叠起来的绝缘环11进行定位，并旋紧连接部，从而使它紧锁住各环；
●对内环15进行定位，以提供内部密封作用。
显然，作用在这样一种连接器上的拉力将由雌锥形体内的雄锥形体的协同承受，而压缩应变将基本上由端部10a、10b和环11来承受，而扭转应变将基本上由锥形体2、6的摩擦来吸收。
较佳的是，连接件5的雄锥形体6用等离子喷涂技术涂敷一层厚度为0.2至0.4毫米的陶瓷。事实上，情况就是这样，较容易对锥形面6进行校正，因此，所述敷层的几何形状是十分良好的，从而可以有助于所述雄锥形体和雌锥形体之间的调整。较佳的是，锥形体2和6的倾斜角度在1°和2°之间，更好的是在1.3°和1.5°之间。所述锥度值将取决于所述连接器所需的机械性能，尤其是取决于拉力和扭矩。
在将本发明所提出的绝缘连接器用在对试采钻具组的情况中，本发明的连接器将具有下列技术规格，例如：
●外径：127毫米(5英寸)
●内径：66毫米
●绝缘区域的长度：近似175毫米
●最大拉力：至少160吨●最大压缩力：至少160吨
●最大扭矩：7200daN.m
●内检修压力：至少103兆帕(15000psi)
●外检修压力：至少103兆帕(15000psi)
本发明并不仅限于使用本文中作为举例说明的陶瓷。在实际情况中，可以将任何一种绝缘材料用作一涂敷于金属构件薄层上的敷层。但是，其摩擦系数必须足够大，以将机械应力从下部传到上部，并且其抗压强度必须能承受相互插接起来的两个锥形部件之间的接触力。显然，由所述薄层提供的电绝缘作用必须能够用在一用来传输或接收电磁波的天线中。
本发明可以用来制造一在US-5394141中所描述的那种用来传输电磁波的天线，该专利援引在本文中作为参考之用。这种天线可以插设在一钻杆组件或钻具组中、一正在钻井之中或在钻井之后所用的试采管道组件中或者一套管组件中，用对传输下向钻眼传感器所拾取的数据。

Claims (9)

1.一种用来在两金属部件之间提供连接作用以制造一可形成天线的偶极子的装置，所述天线是用在一钻具组内、一开采测试钻具组内、套管或管道内，其特征在于，它包括：一具有一雌锥形面(2)的第一金属件(1)；一具有一雄锥形面(6)的第二金属件(5)，所述两表面的至少其中之一涂敷有一由电绝缘材料制成的薄层(12)，两构件(1，5)是一个插设在另一个内部，以提供一被电绝缘的机械连接件。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，只有第二构件(5)涂敷有所述薄层，所述薄层具有一受控的表面状态，并且可以被可选地修改。
3.如前述权利要求中任一权利要求所述的装置，其特征在于，所述薄层的厚度在0.1和0.5毫米之间的范围内，较佳的是在0.2和0.4毫米之间的范围内，并由一种陶瓷型材料制成。
4.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述密封装置(a，b，c；18；15)基本上是设置在所述薄层的两端部，以防止流体流入所述两锥形面之间。
5.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述锥形面的锥度在1°和2°之间。
6.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，一第三构件(9)与所述第二构件(5)相连，并借助至少一个电绝缘环(11)与所述第一构件(1)相接触。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述环(11)具有诸个密封件(a，b，c)，从而可使所述第一构件(1)和所述第三构件(9)之间的接触较紧密。
8.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述环(11)在第一构件(1)和第三构件(9)的端部(10a)和(10b)形成接触的那些表面的至少一部分上具有一电绝缘材料层。
9.如权利要求l或2所述的装置应用于一用来传输和接收电磁波的天线。
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