DE3590016T1

DE3590016T1 - Isolierende Kupplung für Schwerstangen und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE3590016T1
Application number: DE19853590016
Authority: DE
Inventors: Robert J. Cromwell Conn. Maron; Frederick A. Durham Conn. Stone
Original assignee: Teleco Oilfield Services Inc., Meriden, Conn.
Priority date: 1984-01-23
Filing date: 1985-01-23
Publication date: 1986-06-05
Also published as: US4589187A; EP0171416A1; EP0171416B1; GB2166828B; GB2166828A; CA1254247A; EP0171416A4; WO1985003249A1; GB8525002D0

Description

TELECO OILFIELD SERVICES INC., Med-Way Park, 106 Pondview Drive, Meriden, Connecticut 06450, Vereinigte Staaten von Amerika

Isolierende Kupplung für Schwerstangen und Verfahren zu ihrer Herstellung.

Die Erfindung betrifft isolierende Kupplungen für Schwerstangen. Sie bezieht sich insbesondere auf eine isolierende Schwerstangen-Kupplung und das Verfahren zu ihrer Herstellung, wobei die Gewinde der Kupplung zur elektrischen Isolation zwischen benachbarten Abschnitten einer Schwerstange zur Verhinderung eines elektrischen Stromflusses längs der Schwerstange mit einer Lage aus isolierendem Material beschichtet sind.

Beim Bohren von Erdbohrlöchern ist es aus verschiedenen Gründen wünschenswert, benachbarte Segmente einer Schwerstange elektrisch gegeneinander zu isolieren. Einer der Hauptgründe liegt darin, daß man das Bohrgestänge als elektrischen Leiter für die übertragung von am Boden des Bohrlochs während des Bohrens gesammelten Daten zur Erdoberfläche verwenden möchte. Ein solches Konzept zur elektrischen Telemetrie ist sei vielen Jahren bekannt, konnte jedoch bisher wegen einer Anzahl von Problemen nicht ernsthaft kommerziell ausgenutzt werden. Eines des Hauptprobleme bestand darin, daß man nicht in der Lage war, eine geeignete isolierende Kupplung herzustellen, die eine elektrische Isolation zwischen benachbarten Segmenten der Schwerstange gewährleistet, ohne die strukturelle Unversehrtheit der Schwerstange ernsthaft zu beeinträchtigen. Bis-

her bekannte einschlägige isolierende Kupplungen besitzen eine Reihe ernsthafter Mangel und Nachteile, unter denen besonders die mangelnde Widerstandsfähigkeit gegen die von Torsionsbeanspruchungen beim Zusammensetzen und beim Einsatz des Bohrgestänges auftretenden Belastungen zu nennen sind.

Isolierende Kupplungen unterschiedlicher Art sind in einer Reihe von US-Patentschriften offenbart. Ohne eine erschöpfende Aufzählung geben zu wollen, seien einige dieser Patentdokumente genannt. Es handelt sich um die US-Patente 3 150 321, 2 940 787,,. 2 917 704, 2 388 141, 2 313 384, 2 300 823 und 1 859 311.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die oben diskutierten und andere dem Stand der Technik anhaftende Nachteile und Mangel zu beseitigen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer isolierenden Kupplung für eine Schwerstange mit ersten und zweiten Schwerstangensegmenten* das durch folgende Verfährensschtitte gekennzeichnet ist: Der Gewindeäbsdhnitt eines der SchWerstangensegmente wird mit einer gegenüber dem für die Schraubverbindung mit dem korrespondierenden Gewindeab^jschnitt des anderen Schwerstangensegments gewünschten Endmaß um 0,05 bis 0,15 mm reduzierten Stärke ausgebildet; zur Erreichung des gewünschten Endmasses wird auf den Gewindeabschnitt des erstgenannten Schwerstangensegments eine 0,05 bis 0,15 mm starke elektrisch isolierende keramische Beschichtung aufgebracht; die keramische Beschichtung wird mit einer Versiege·^- lung versehen, die ihre Porosität verringert.

j Vor der Aufbringung der isolierenden keramitschen Beschich- ! tung werden die Gewinde so bearbeitet, daß eine der Dicke

der aufzubringenden keramischen Beschichtung entsprechende j Materialstärke abgetragen wird, so daß die Abmessungen der Kupplung beibehalten werden. Die isolierende keramische Be-

schichtung wird vorzugsweise durch ein Detonationsverfahren aufgebracht; sie wird in einem kritischen Dickenbereich aufgebracht, um die gewünschte Kombination des gewünschten elektrischen Widerstandswerts mit der Beibehaltung der strukturel- ! len "Unversehrtheit" der Kupplung zu erzielen.

Gegenstand der Erfindung ist ferner eine isolierende Schwerstangenkupplung mit einem ersten metallischen Schwerstangensegment, das einen ersten Gewindeabschnitt mit einer Beschichtung aus elektrisch isolierendem keramischem Material im Dikkenbereich. zwischen 0,05 bis 0,15 mm aufweist, sowie ein zweites metallisches Schwerstangensegment umfaßt, das einen zweiten Gewindeabschnitt aufweist, der mit dem isolierend beschichteten Gewindeabschnitt des ersten Schwerstangensegments zusammenschraubbar ist.

Im folgenden sei die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert:

Fig. 1 zeigt eine geschnittene Aufsicht eines Kupplungsabschnitts einer Schwerstange mit einer isolierenden Kupplung gemäß der Erfindung,

Fig. 2 zeigt eine vergrößerte Darstellung eines Teils der Kupplung nach Figur 1,

Fig. 3 zeigt ein Plusdiagramm für das Verfahren zur Herstellung der isolierenden Kupplung gemäß der Erfindung.

Obwohl die Erfindung auch in anderem Zusammenhang verwendbar ist, dient sie in erster Linie zur Anwendung bei einem Bohrgestänge zum Bohren von Erdöl- und Erdgasbohrlöchern. Zweck der Erfindung ist die Schaffung einer isolierenden Kupplung zwischen Segmenten von Schwerstangen in einem Bohrgestänge, so daß das Bohrgestänge als elektrischer Leiter zur elektrischen Telemetrie von in dem Bohrloch gesammelten Daten zur Erdoberfläche, wobei diese Daten beispielsweise Richtungsdaten der

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Bohrung; Logdaten über das Bohrloch usw. sein können. Da das , Bohrgestänge und die übrigen Einrichtungen sich vom bekannten ^! Stand der Technik nicht unterscheiden müssen, zeigen die Zeich- i ■ nungen nur das Schwerstangensegment, das die! isolierte Kupplung gemäß der Erfindung beinhaltet.

Nunmehr sei auf die einzelnen Zeichnungsfiguren Bezug genoni- ! men. Ein oberes Segment 10 einer Schwerstange ist mit einem : unteren Segment 12 über eine isolierte Schraubkupplung 14 verbunden. In der Nähe der Kupplung 14 besteht das Schwerstanj gensegment' 10 beispielsweise aus einer "pin"-Verbindung 16

nach API (American Petroleum Institute), während das Schwerstangensegment 12 aus einer API-"box"-Verbindung 18 besteht.

! Die pin- und box-Verbindungen 16 und 18 beinhalten miteinander korrespondierende Gewindeteile (die in Figur 2 in Einzel-⁴-

! heiten dargestellt sind) und bilden eine Schraubverbindung

zwischen den Schwerstangensegmenten 10 und 12. Das Gewinde I
erstreckt sich von dem Endabschnitt 20 des Schwerstangenseg-

ments 10 zu der Schulter 23 des Schwerstangensegments 12.

In Figur 2 ist die Schraubverbindung zwischen der box 18 und dem pin 16 in Einzelheiten dargestellt. Erfindungsgemäß ist eine elektrisch isolierende keramische Beschichtung 24, die beispielsweise aus Aluminiumoxid besteht, auf das Gewinde des jiin-Elements 16 aufgebracht. Die isolierende keramische Beschichtung wird über die gesamte axiale Länge des Gewindes aufgebracht und erstreckt sich über den Endbereich 20 und die Schulter 22 des Schwerstangensegments 10, so daß sie eine elektrische Isolierung zwischen den beiden Schwerstangensegmenten gewährleistet. Es ist auch möglich, die Beschichtung auf dem Gewinde des Elements 18 und der Schulter 23 des Schwerstangensegments 12 aufzubringen, d.h. sie kann entweder auf dem einen oder auf dem anderen der Verbindungssegmente vorgesehen sein, es ist jedoch nicht notwendig, eine Beschichtung auf beiden Verbindungselementen vorzusehen.

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Wie das Flußdiagramm von Figur 3 zeigt, wird die Kupplung 14 in einem Mehrschrittverfahren hergestellt. In dem Schritt A wird eine geringe Materialmenge von Gewinde- und Schulterabschnitt des Kupplungssegments abgetragen, das mit dem isolierenden Material beschichtet werden soll. Wenn man beispielsweise annimmt, daß die isolierende Keramikbeschichtung auf dem pin-Element 16 des Schwerstangensegments 18 aufgebracht werden soll, wird eine Materialmenge, deren"Stärke der Stärke der aufzubringenden Beschichtung entspricht, von dem Gewinde des pin-Segments 16 und dem Schulterbereich 22 z. B. durch Drehen oder Fräsen abgetragen. Sodann wird in dem Schritt B eine Beschichtung des isolierenden Keramikmaterials, vorzugsweise Aluminiumoxid, auf den reduzierten Gewinde- und Schulterbereich aufgetragen, so daß diese Teile des pin-Abschnitts 16 wieder ihre Originalabmessungen besitzen. Nach Wunsch kann auch der Endabschnitt 20 beschichtet werden, um eine Sicherheit gegen mögliche Kurzschlüsse zu erreichen. Die isolierende Keramikbeschichtung wird durch ein an sich bekanntes Detonationsverfahren aufgebracht und zwar über die gesamte axiale Länge und die gesamte Umfangserstreckung des Gewindes und längs des Schulterbereichs und gegebenenfalls des Endbereichs (wobei alle diese Bereiche als "Gewindeabschnitt" im Sinne der Beschreibung und der Ansprüche betrachtet werden können), um eine elektrische Isolation zwischen den Schwerstangensegmenten sicherzustellen. Nach dem Aufbringen der isolierenden Beschichtung 24 auf dem Gewindeabschnitt wird das Aluminiumoxid in dem Verfahrensschritt C mit einem Epoxyd oder einem ähnlichem Ver- j siegelungswerkstoff versiegelt, um die Porosität zu beseitigen j

ί oder zu verringern. . ί

Als Alternative zum Materialabtrag von dem Schwerstangen-Segment 10 ist es auch möglich, dieses mit einer Untergröße herzustellen, die der Dicke der aufzubringenden keramischen Beschichtung entspricht und anschließend die gewünschte Dicke der keramischen isolierenden Beschichtung aufzubringen.

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Es ist wesentlich, daß die Beschichtung 24 in einem kritischen Didkenbeteich auf das zu isolierende dewihde aufzubringen ist. Dieser kritische Dickenbereich liegt zwischen 0,05 und 0,15 mm für die Dicke der Beschichtung. Eine Beschichtung mit einer Dicke Von weniger als 0,05 mm hat möglicherweise nicht den erforderlichen elektrischen Widerstand, auch wenn sie ihre mechanische Unversehrtheit beibehält. Umgekehrt besteht bei einer Schichtdicke von mehr als 0,15 mm die Gefahr des Abblätterns an den Gewindespitzen, was zu einem elektrischen Isolationsverlust und auch zur Beeinträchtigung der strukturellen Unversehrtheit führen kann. Eine Beschichtung mit einer Dicke von mehr als 0,15 mm kann abblättern, weil die größere Dicke dazu führen kanh, daß das brüchige Keramikmaterial stärker beansprucht wird, wenn es den Deformationen der Gewindegänge der Kupplung zu folgen versucht, wenn beim Zusammenbau Torsionskräfte einwirken. Mit einer Beschichtung, deren Dicke in dem kritischen Bereich zwischen 0,05 mm und 0,15^ mm liegt, wirkt die Kupplung gemäß der Erfindung als¹ elektrische Isolation zwischen den Schwerstangensegmenten 10 und 12 und behält ihre Isolationseigensohaften bei, ohne daß die Strukturelle Unversehrtheit und die Fähigkeit der Kupplung, Torsionskräfte aufzunehmen, merklich beeinträchtigt wird. Es ist für die Pfaktizierung der Erfindung wesentlich, daß die isolierende Beschichtung 24 durch ein Detonationsverfahren z. B. dutch das bekannte Detonationsverfahren der Firma "Union Carbide" oder einen gleichwertigen Prozeß aufgebracht wird, der eirte Verbindung zwischen dem keramischen Isolationsmaterial und dem Metallgewinde erzeugt, die hinreichend gut ist, um den Beanspruchungen und Torsionskräften zu widerstehen, die beim Zusammenbau und bei der Verwendung der Schwerstange auftreten. Plasmasprühverfahren und ähnliche Prozesse sind nicht geeignet, da sie nicht zu einer Verbindung führen, die fest genug ist, um den Beanspruchungen zu widerstehen, denen das System ausgesetzt ist.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer isolierenden Kupplung für eine Schwerstange mit ersten und zweiten Schwerstangensegmenten und ineinandergreifenden Gewindeabschnitten, enthaltend folgende Verfahrensschritte:

der Gewindeabschnitt eines der Schwerstangensegmente wird mit einer gegenüber dem für die Schraubverbindung mit dem korrespondierenden Gewindeabschnitt des anderen Schwerstangensegmentes gewünschten Endmaß um 0,05 nun bis 0,15 mm reduzierter Stärke ausgebildet, zur Erreichung des gewünschten Endmasses wird auf den Gewindeabschnitt des erstgenannten Schwerstangensegmentes eine 0,05 mm bis 0,15 mm starke elektrisch isolierende keramische Beschichtung aufgebracht, die keramische Beschichtung wird mit einer Versiegelung versehen, die ihre Porosität herabsetzt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Verfahrensschritt des Aufbringens einer Beschichtung aus keramischem Material das Aufbringen des keramischen Materials durch ein Detonationsverfahren beinhaltet.

3· Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Verfahrens-

; schritt der Ausbildung des Gewindeabschnitts eines der

Schwerstangensegmente mit reduziertem Durchmesser darin besteht, daß der genannte Gewindeabschnitt ursprünglich mit

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einer der Dicke der aufzubringenden keramischen Beschichtung entsprechenden Untergröße hergestellt wird.

j k. Verfahren nach Anspruch 3i bei welchöm aer Verfahrensöchritt des Aufbringens einer Beschichtung ails keramischem

Material das Aufbringen des keramischen Materials durch ein Detdnationsverfahren beinhaltet.

j 5· Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Verfahrens-

schritt zur Ausbildung des Gewindeabschnittes eines der genannten Schwerstarigensegmeiite tnit verringertem Durchmesser darin besteht, daß der Gewindeabschnitt zunächst mit einer ersben vorbestimmten Abmessung hergestellt und von ihm eine vorbestimmte Materialmenge abgetragen wird, um die Dicke auf einen Wert zu verringern, der kleiner ist als die gewünschte Endabmessung:.

6i Verfahren nach Anspruch 5, bei welchem der Verfahrensschritt des Aufbringens exner Beschichtung aus keramischem Material das Aufbringen des keramischen Materials durch ein Detonationsverfahren beinhaltet.

7· Verfahren nach Anspruch 5» bei welchem der Verfahrens-Schritt der Aufbringung einer Beschichtung aus keramischem Material das Aufbringen einer Schicht aus keramischem isolierendem Werkstoff auf den Durchmesser reduzierten Gewindeabschnitt in einer Dicke beinhaltet, welche dazu ausreicht, die gewünschte Endabmessung des Gewindeabschnittes zu erreichen.

8. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Verfahrensschritt der Ausbildung des Gewindeabschnittes eines der Schwerstangensegmente mit reduziertem Durchmesser darin besteht, daß der genannte Gewindeabschnitt ursprünglich mit

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einer Abmessung hergestellt wird, die annähernd der gewünsch- j ten Endabmessung entspricht und sodann von dem Gewindeabschnitjt eine Materialmenge abgetragen wird, die der Dicke der Be- j schichtung des keramischen isolierenden Materials entspricht, ! die auf den durchmesserverringerten Gewindeabschnitt aufgebracht werden soll.

9· Verfahren nach Anspruch 8, bei welchem der Verfahrensschritt der Aufbringung einer Beschichtung aus keramischem Material das Aufbringen des keramischen Materials durch ein Detonationsverfahren beinhaltet.

10. Verfahren nach Anspruch 9i bei welchem der Verfahrensschritt der Aufbringung einer Beschichtung aus keramischem isolierendem Werkstoff das Aufbringen einer Schicht aus dem keramischem isolierenden Werkstoff auf den durchmesserreduzierten Gewindeabschnitt in einer Dicke beinhaltet, die der Dicke der von diesem Gewindeabschnitt abgetragenen Materialmenge entspricht.

11. Isolierende Schwerstangenkupplung enthaltend ein erstes metallisches Schwerstangensegment mit einem ersten Gewindeabschnitt, der eine Beschichtung aus elektrisch isolierendem keramischem Material besitzt, deren Dicke im Bereich zwischen 0,05 mm und 0,15 nun liegt, sowie ein zweites metallisches Schwerstangensegment, das mit dem ersten Schwerstangensegment verbunden ist und das einen zweiten Gewindeabschnitt besitzt, der mit dem mit isolierendem Material beschichteten Gewindeabschnitt des ersten SchwerStangensegmentes verschraubt ist.

12. Isolierende Schwerstangenkupplung nach Anspruch 11, bei welcher die Beschichtung aus keramischem Material durch ein Detonationsverfahren aufgebracht ist.

13· Isolierende Schwerstangenkupplung nach Anspruch 11, bei

welcher die Dicke des ersten Gewindeabschnitts gegenüber seinem Normalmaii um einen der Dicke der keramischen Beschichtung entsprechenden Wert verringert ist.

ΐΛ. Isolierende Schwerstangenkupplung nach Anspruch 11, bei
welcher die keramische Beschichtung aus Aluminiumoxid besteht,