СТЫКУЮЩИЙСЯ РАЗЪЕМ ДЛЯ СКВАЖИННОГО ИНСТРУМЕНТА
JOINING CONNECTOR FOR DOWNHOLE TOOL

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
[0001] Данная заявка испрашивает приоритет по предварительной патентной заявке США No. 61/988,282, поданной 4 мая 2014 г., которая полностью включена в данный документ посредством ссылки для всех целей.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Область техники
[0002] Данное изобретение относится к области скважинных инструментов, связанных с вращательным бурением в горной породе, в особенности, к уменьшению повреждений электрических соединений во время сборки, разборки и операций бурения.
2. Уровень техники
[0003] Вращательное бурение в горной породе применяется для создания стволов скважин для получения материалов в подземных пластах, например углеводородов. Во вращательном бурении применяют буровое долото, установленное на буровом конце бурильной колонны, которая проходит от поверхности. Бурильная колонна выполнена из последовательности трубных элементов, которые выполнены с возможностью обеспечивать проход текучей среды между поверхностью и подземным пластом. Над буровым долотом и вблизи него могут быть расположены инструменты измерения параметров пласта и/или ствола скважины для измерений во время бурения. Многочисленные инструменты могут быть сгруппированы вместе, как компоновка низа бурильной колонны.
[0004] Во время вращения бурового долота скважинные инструменты в компоновке низа бурильной колонны могут подвергаться вибрациям и механическим ударам, которые могут повреждать измерительные инструменты, линии связи, проходящие вдоль бурильной колонны, или соединения между скважинными инструментами и другими скважинными компонентами. Электрические соединения скважинных инструментов часто содержат штырьки, которые могут быть повреждены во время операций бурения. Отказ электрического соединения может выключить из работы один или более скважинных инструментов, требуя прекращения операции бурения для диагностики и замены или ремонта электрического соединения.
[0005] Дополнительно, некоторые электрические соединения могут быть повреждены во время сборки или разборки бурильной колонны. Поломка инструмента во время наладки и остановки оборудования также увеличивает затраты и потери времени для текущей или будущей работы инструмента.
[0006] Требуется создание соединения инструмента, которое защищает электрические разъемы во время сборки, разборки и операций бурения. Требуется создание разъема для инструмента, выполненного с возможностью обеспечивать сборку и разборку без специальных инструментов в полевых условиях. Требуется создание электрического соединения, которое может выдерживать крутящие усилия без износа или поломки штырьков. Дополнительно, требуется создание соединения инструмента, которое увеличивает механическую прочность компоновки низа бурильной колонны.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0007] Согласно аспектам, настоящее изобретение относится к скважинным инструментам, связанным с вращательным бурением в горных породах. Конкретно, настоящее изобретение относится к уменьшению повреждений и износа вследствие механических ударов и вибрации.
[0008] Один вариант осуществления согласно настоящему изобретению содержит устройство для передачи данных через соединение бурильного замка, выполненное с возможностью размещения в стволе скважины, содержащее: первый элемент передачи данных, соединенный с первым скважинным компонентом, имеющим первый соединительный элемент инструмента с штырем байонетного соединения, установленным на наружной поверхности первого соединительного элемента инструмента; второй элемент передачи данных, соединенный со вторым скважинным компонентом, имеющий второй соединительный элемент инструмента с пазом, выполненным с возможностью приема штыря байонетного соединения первого соединительного элемента инструмента; при этом первый элемент передачи данных содержит один из охватываемого элемента коаксиального разъема и охватывающего элемента коаксиального разъема, и второй элемент передачи данных содержит другой из охватываемого элемента коаксиального разъема и охватывающего элемента коаксиального разъема, и при этом электрическое соединение между охватывающим элементом коаксиального разъема и охватываемым элементом коаксиального разъема образовано во время образования соединения бурильного замка с помощью сопряжения первого соединительного элемента инструмента и второго соединительного элемента инструмента. В некоторых аспектах паз может иметь J-образную форму. Устройство может содержать работающую на сжатие пружину, установленную с одним из элементов передачи данных и выполненную с возможностью поддерживать электрическое соединение между элементами передачи данных. В некоторых аспектах устройство может содержать вторую работающую на сжатие пружину, установленную на другом из элементов передачи данных и выполненную с возможностью поддерживать электрическое соединение между элементами передачи данных. Первый соединительный элемент инструмента и второй соединительный элемент инструмента могут быть выполнены с возможностью приема одной или более накладных пластин в стыкуемом положении. Электрическое соединение может содержать элементы коаксиального разъема с тремя или более концентрическими контактами. В некоторых аспектах элементы коаксиального разъема могут иметь четыре или более концентрических контактов.
[0009] Другой вариант осуществления согласно настоящему изобретению может включать способ образования соединения бурильного замка, выполненного с возможностью размещения в стволе скважины, при этом соединение бурильного замка содержит: первый элемент передачи данных, соединенный с первым скважинным компонентом, имеющим первый соединительный элемент инструмента с штырем байонетного соединения, установленным на наружной поверхности первого соединительного элемента инструмента;
и второй элемент передачи данных, соединенный со вторым скважинным компонентом, имеющим второй соединительный элемент инструмента с пазом, выполненным с возможностью приема штыря байонетного соединения первого соединительного элемента инструмента;
при этом первый элемент передачи данных содержит один из охватываемого элемента коаксиального разъема и охватывающего элемента коаксиального разъема, и второй элемент передачи данных содержит другой из охватываемого элемента коаксиального разъема и охватывающего элемента коаксиального разъема, и при этом электрическое соединение между охватывающим элементом коаксиального разъема и охватываемым элементом коаксиального разъема образовано во время образования соединения бурильного замка с помощью сопряжения первого соединительного элемента инструмента и второго соединительного элемента инструмента; способ включает: перемещение штыря байонетного соединения по пути, образованному пазом, из первого положения во второе положение с одновременным перемещением двух элементов электрического разъема в сопряженное положение. Способ может также включать этап перемещения штыря байонетного соединения из второго положения в фиксированное положение с использованием первой работающей на сжатие пружины. А этап перемещения штыря байонетного соединения во второе положение может включать поворот первого соединительного элемента инструмента и второго соединительного элемента инструмента относительно друг друга.
[0010] Примеры более важных признаков раскрытия даны в виде весьма широкого обзора для лучшего понимания приведенного ниже подробного описания и для понимания его вклада в уровень техники. Имеются, естественно, дополнительные признаки раскрытия, которые описаны ниже в данном документе, и которые образуют предмет прилагаемой формулы изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0011] Настоящее изобретение можно лучше понять из приведенного ниже подробного описания различных раскрытых вариантов осуществления с чертежами, которые приведены только в качестве иллюстрации, и не ограничивают настоящее изобретение, и на которых показано следующее.
На фиг. 1 показана схема буровой системы с компоновкой низа бурильной колонны, выполненной для применения в стволе скважины, которая содержит соединение согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 2А показано трехмерное изображение скважинного компонента с байонетным соединительным элементом инструмента и второго скважинного компонента с соответствующим пазом для сопряжения с байонетным соединительным элементом инструмента согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 2В показано трехмерное изображение компонентов по фиг. 2А, в начале образования соединения.
На фиг. 2С показано трехмерное изображение компонентов по фиг. 2А с штырем байонетного соединения в промежуточном положении в пазу.
На фиг. 2D показано трехмерное изображение компонентов по фиг. 2А с штырем байонетного соединения в конце паза, когда компоненты полностью сжаты вместе.
На фиг. 2Е показано трехмерное изображение компонентов по фиг. 2А с штырем байонетного соединения в конце паза после сброса давления на компоненты.
На фиг. 3 показано изображение элементов электрического разъема для каждого из компонентов по фиг. 2А, согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 4А показано трехмерное изображение соединения до закрытия половинами продольно разрезанной трубы согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 4В показано трехмерное изображение соединения по фиг. 4А с приложенной одной половиной продольно разрезанной трубы.
На фиг. 4С показано трехмерное изображение соединения по фиг. 4А с приложенными обеими половинами продольно разрезанной трубы.
На фиг. 4D показан вид сечения вдоль длины соединения по фиг. 4С согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 5 показана блок-схема последовательности операций способа создания электрического соединения между двумя скважинными инструментами согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0012] В аспектах настоящее изобретение относится к скважинным операциям бурения. Конкретно, настоящее изобретение относится к поддержанию и защите неразрывности электроцепи между скважинными компонентами во время сборки и операций бурения. Настоящее изобретение допускает варианты осуществления отличающихся видов. Имеются, показанные на чертежах и описанные подробно ниже в данном документе, конкретные варианты осуществления с пониманием, что настоящее изобретение следует считать примером принципов, не ограничивающим настоящее изобретение иллюстрациями и описанием в данном документе.
[0013] На фиг. 1 показана схема буровой системы 100, которая содержит буровую установку 110, установленную на поверхности 120 и над стволом 130 скважины в горной породе 140. В стволе 130 скважины установлена бурильная колонна 150 с буровым долотом 160 на забое ствола 130 скважины. Над буровым долотом 160 расположена компоновка 170 низа бурильной колонны, которая содержит скважинные компоненты 180, 190. Скважинные компоненты 180,190 могут быть выполнены для измерения, связи и других операций во время бурения. Скважинные компоненты 180, 190 выполнены с возможностью создания электрического соединения между скважинными компонентами. Электрические соединения могут быть подходящими для передачи данных, электропитания или того и другого.
[0014] На фиг. 2А-2Е показаны трехмерные изображения соединения 200 первого скважинного компонента 180 и второго скважинного компонента 190. На фиг. 2А показан первый компонент 180 с первым соединительным элементом 210 инструмента, установленным на одном конце, и второй компонент 190 со вторым соединительным элементом 220 инструмента установленным на одном конце. Первый соединительный элемент 210 инструмента содержит в общем цилиндрическую наружную поверхность с штырем 230 байонетного соединения на своей наружной поверхности и стопорное кольцо 260 с диаметром больше, чем у смежных участков наружной поверхности. Стопорное кольцо 260 является поднятым участком первого соединительного элемента 210 инструмента. Второй соединительный элемент 220 инструмента является также в общем цилиндрическим и содержит паз 240, выполненный с возможностью сопряжения с штырем 230 байонетного соединения. Второй соединительный элемент 220 инструмента имеет внутренний диаметр, который больше наружного диаметра конца первого соединительного элемента 210 инструмента, но меньше наружного диаметра стопорного кольца 260. Первый соединительный элемент 210 инструмента и второй соединительный элемент 220 инструмента выполнены с возможностью размещения охватывающего элемента 250 электрического разъема и охватываемого элемента 255 электрического разъема (фиг. 3). Хотя показан охватывающий элемент 250 электрического разъема, установленный на первом соединительном элементе 210 инструмента, и охватываемый элемент 255 электрического разъема, установленный на втором соединительном элементе 220 инструмента, предполагается, что элементы 250, 255 разъема можно менять местами.
[0015] На фиг. 2В показано образование соединения 200. Конец второго соединительного элемента 210 выполнен с возможностью скользящего взаимодействия с концом первого соединительного элемента 220, когда штырь 230 байонетного соединения совмещен с пазом 240. Паз 240 может иметь L-образную форму или J-образную форму. Когда для паза применяют J-образную форму, паз 240 может создавать первое положение, где штырь 230 байонетного соединения входит в паз 240, и второе положение где штырь 230 байонетного соединения должен менять путь своего движения для перемещения дополнительно по длине паза 240 (обычно положение максимума, который может быть достигнут посредством вращения). Паз 240 должен также иметь фиксированное положение за вторым положением, которое, когда достигнуто, предотвращает вращение соединительных элементов 210, 220 инструмента. Завершающее перемещение из второго положения в фиксированное положение в пазу 240 может быть выполнено, благодаря действию смещающего элемента 470 (фиг. 4D). Как показано, паз 240 образует путь, который требует поворота соединительных элементов 210, 220 на 90 градусов относительно друг друга во время сцепления, вместе с тем, указанное является только примером и иллюстрацией. Образованный путь может требовать поворота любой величины во время сцепления, в том числе 0 градусов (прямой путь), 360 градусов, и промежуточных вариаций, что понятно специалисту в данной области техники. С созданием штыря 230 байонетного соединения и его соответствующего паза 240, два соединительных элемента 210, 220 могут быть сцеплены в полевых условиях без инструментов.
[0016] На фиг. 2С показано продолжение действия соединения 200, и штырь 230 байонетного соединения в промежуточном положении в пазу 240. Для продолжения выполнения соединения один или оба соединительных элемента 210, 220 инструмента должны вращаться относительно друг друга со сближением друг с другом, направляемые пазом 240.
[0017] На фиг. 2D показан штырь 230 байонетного соединения в конце промежуточной части паза 240. Если паз имеет L-образную форму, данное положение должно быть финальным положением штыря 230 байонетного соединения; вместе с тем, поскольку показан паз J-образной формы, паз 240 выполнен с возможностью обеспечения соединительным элементам 210, 220 инструмента "запирание" на месте перемещением наружу.
[0018] На фиг. 2Е показано соединение 200 после перемещения соединительных элементов 210, 220 инструмента наружу до удержания штыря 230 байонетного соединения продольным ограничителем паза 240. В некоторых вариантах осуществления штырь 230 байонетного соединения может удерживаться в данном положении сжимающей силой от смещающего элемента, например, но без ограничения этим, пружиной 470 (фиг. 4D). Соединительные элементы 210, 220 инструмента могут быть расцеплены посредством преодоления сжимающей силы и последующего поворота для перемещения штыря 230 байонетного соединения на выход из паза 240 вдоль пути, образованного пазом 240. Обычно, инструменты 180, 190 должны быть заключены в трубчатый компонент, который должен обеспечивать некоторую степень защиты от рассоединения вследствие механического удара и вибрации; вместе с тем, применение штыря 230 байонетного соединения и паза 240 может обеспечивать дополнительное сопротивление отсоединению, когда компоновка 170 низа бурильной колонны подвергается воздействию механических сил, которые могут потенциально разъединить или разделить элементы 250, 255 электрического разъема. Структура материала и состав соединительных элементов 210, 220 инструмента могут быть выбраны обеспечивающими прочное соединение инструмента для скважинной окружающей среды.
[0019] На фиг. 3 показан вид элементов 250, 255 электрического разъема, повернутых своими контактами. Элементы 250, 255 электрического разъема выполнены с возможностью поворота относительно друг друга без создания нагрузки на элементы электрического разъема. Во время сборки и эксплуатации крутящие усилия могут поворачивать пары элементов электрического разъема относительно друг друга, вызывая напряжения, повреждения или поломку штырьков, вместе с тем, элементы 250, 255 электрического разъема могут поворачиваться относительно друг друга, поддерживая электрическое соединение. Элементы 250, 255 электрического разъема могут представлять собой коаксиальные элементы разъема. Охватывающий элемент 250 электрического разъема может содержит множество концентрических контактов 310. Соответственно, охватываемый элемент 255 электрического разъема может содержать множество концентрических контактов 320, выполненных с возможностью сопряжения с контактами 310. Элементы 250, 255 разъема могут быть выполнены с возможностью работы в окружающей среде ствола скважины, в том числе в температурном диапазоне от около -55 градусов С до около 225 градусов С. В других аспектах элементы 250, 255 разъема могут быть выполнены с возможностью работы в температурном диапазоне от около -50 градусов С до около 205 градусов С. В других аспектах элементы 250, 255 разъема могут быть выполнены с возможностью работы в температурном диапазоне от около 0 градусов С до около 175 градусов С. Элементы 250, 255 разъема может иметь два или более концентрических контактов. В некоторых вариантах осуществления элементы 250, 255 разъема могут иметь три или более концентрических контактов. Дополнительно, в некоторых вариантах осуществления элементы 250, 255 разъема могут иметь четыре или более концентрических контактов.
[0020] На фиг. 4А показано трехмерное изображение соединения 200 отдельно от скважинных компонентов 180, 190. Каждый из соединительных элементов 210, 220 инструмента имеет кольцевую выемку 410, 420, выполненную с возможностью приема кольца круглого сечения, которое выполнено с возможностью защиты внутренней части соединения 220 от загрязнения текучими средами и отходами в стволе скважины. Соединительные элементы 210, 220 инструмента также содержат кольцевые выемки 430, 440, выполненные с возможностью приема защитного кожуха 450 (фиг. 4В).
[0021] фиг. 4В показано трехмерное изображение соединения 200 с одним из защитных кожухов 450, установленного на место. Защитный кожух 450 может состоять из половины продольно-разрезанной трубы.
[0022] На фиг. 4С показано трехмерное изображение соединения 200 с обоими защитными кожухами 450 на месте. Когда защитные кожухи 450 прикреплены, стыкуемые компоненты 180, 190 инструмента могут быть заключены в трубчатый кожух (не показано). Контакт между внутренней поверхностью трубного элемента и кольцами круглого сечения в выемках 410, 420 должен образовывать защитное уплотнение между соединением 200 и текучими средами и отходами ствола 130 скважины.
[0023] На фиг. 4D показано сечение по длине соединения 200. Пружинный адаптер 460 может быть установлен между охватывающим элементом 250 электрического разъема и пружиной 470. Хотя показана пружина 470, могут быть предложены другие подходящие смещающие элементы, в том числе, но без ограничения этим эластомерный элемент с полостью, обеспечивающей проход проводов через его внутреннее пространство. Другой адаптер 465 может быть установлен между охватываемым элементом 255 электрического разъема и дистанцирующим устройством 480. Дистанцирующее устройство 480 может быть выполнено с возможностью поддерживать положение охватываемого элемента 255 электрического разъема во втором соединительном элементе 220, в особенности, когда сила приложена пружиной 470. Таким образом, дистанцирующее устройство 480 может предварительно нагружать пружину 470 во время скрепления соединения 200. Дистанцирующее устройством 480 может содержать канал 485, выполненный с возможностью обеспечения прохода проводов из охватываемого элемента 255 электрического разъема в выходное отверстие 490 во второго соединительного элемента 210 инструмента. Аналогично, выходное отверстие в первом соединительном элементе 495 инструмента может быть выровнено, так что провода могут проходить из охватывающего элемента 250 электрического разъема через пружинный адаптер 460 и центр пружины 470.
[0024] В некоторых вариантах осуществления вторая пружина (не показано) может применяться на месте дистанцирующего устройства 480. Как понятно специалисту в данной области техники, воспользовавшемуся настоящим изобретением, пружина 470/ пружинный адаптер 460 и дистанцирующее устройство 480 могут быть реверсированы так, что пружину 470/ пружинный адаптер 460 устанавливают в первом соединительном элементе 210. Таким образом, предлагаются все 8 комбинаций дополняющих друг друга компонентов, так что комбинации охватываемого/охватывающего элементов 250, 255 электрического разъема, штыря 230 /паза 240 байонетного соединения, и пружины 470/ дистанцирующего устройства 480 могут быть реализованы в любых вариантах, при условии выдерживания взаимодополняющих отношений компонентов.
[0025] На фиг. 5 показан способ 500 образования соединения 200 инструмента в виде бурильного замка. На этапе 510 первый соединительный элемент 210 скважинного инструмента выравнивают со вторым соединительным элементом 220 скважинного инструмента так что штырь 230 байонетного соединения находится в одинаковом, синхронизированном положении с проемом паза 240. На этапе 520 соединительные элементы 210, 220 инструмента перемещают относительно друг друга так, что штырь байонетного соединения перемещен вдоль пути паза во второе положение. На этапе 530, который может проходить во время этапа 520, элементы 250, 255 электрического разъема сближают до образования электрического соединения. На этапе 540 работающая на сжатие пружина 470 перемещает штырь 230 байонетного соединения из второго положения в пазу в его фиксированное положение. В вариантах осуществления, где паз не имеет второго положения, соединение 200 инструмента может быть образовано без этапа 540. Этапы 510-540 могут быть реверсированы для безопасного раскрепления соединения 200.
[0026] Хотя варианты осуществления в настоящем раскрытии описаны с некоторыми подробностями согласно предпочтительному проиллюстрированному варианту осуществления, это не означает ограничений на модификации, которые очевидны для специалиста в данной области техники.
[0027] Приведенное выше раскрытие и описание изобретения являются иллюстративными и описательными, и различные изменения в деталях проиллюстрированного устройства и системы, а также конструкции и способа работы могут быть выполнены без отхода от сущность изобретения.