МНОГОКАНАЛЬНЫЙ ВРАЩАЮЩИЙСЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СОЕДИНИТЕЛЬ
MULTICHANNEL ROTARY ELECTRIC CONNECTOR

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Данное изобретение относится в общем к применяемому оборудованию и выполняемым работам, связанным с подземной скважиной, и в одном примере, описанном ниже, более конкретно создает многоканальный вращающийся электрический соединитель.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В некоторых случаях возникает необходимость передачи электрических сигналов, электропитания и т.д., между вращающейся секцией и невращающейся секцией скважинного инструмента, или между двумя вращающимися секциями, или между двумя скважинными инструментами и т.д. Например, при проведении бурения датчики и/или исполнительные механизмы могут располагаться под буровым двигателем или в нем и может требоваться передача измерений датчика на невращающийся инструмент измерений во время бурения (MWD), передающий данные телеметрии на поверхность, или может требоваться передача команд и/или электропитания на исполнительный механизм через буровой двигатель (например, для коррекции инструмента управления ориентацией).
Поэтому понятно, что постоянно требуется улучшение техники приема и передачи электрических сигналов, электропитания и т.д. между секциями скважинного инструмента, вращающимися одна относительно другой.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На Фиг. 1 показана часть сечения скважинной системы и представлен связанный способ, в которых можно реализовать принципы данного изобретения.
На Фиг. 2 показано с увеличением сечение скважинного инструмента, в котором можно реализовать принципы данного изобретения.
На Фиг. 3 и 4 показаны вид с торца и сбоку многоканального вращающегося электрического соединителя, в котором можно реализовать принципы данного изобретения.
На Фиг. 5 показано сечение многоканального вращающегося электрического соединителя по линии 5-5 Фиг. 3.
На Фиг. 6 показано сечение многоканального вращающегося электрического соединителя по линии 6-6 Фиг. 3.
На Фиг. 7 дополнительно показано с увеличением сечение многоканального вращающегося электрического соединителя по линии 7-7 Фиг. 3.
На Фиг. 8 и 9 показаны сечения конфигураций контактов, которые можно применять в многоканальном вращающемся электрическом соединителе.
На Фиг. 10 показано сечение другой конфигурации многоканального вращающегося электрического соединителя.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На Фиг. 1 показана система 10 и представлен связанный способ, в которых можно реализовать принципы данного изобретения. Вместе с тем, очевидно, что система 10 и способ являются только одним примером применения принципов изобретения на практике и возможны многочисленные другие варианты. Поэтому объем данного изобретения не ограничивается деталями системы 10 и способа, описанных в данном документе и/или показанных на чертежах.
В примере на Фиг. 1 бурильная колонна 12 применяется для бурения ствола 14 скважины в геологическую среду. Для этого бурильная колонна 12 включает в себя буровое долото 16. Буровое долото 16 вращается буровым двигателем 18 (например, винтовым забойным двигателем, являющимся объемным "гидравлическим забойным" двигателем, буровым турбодвигателем и т.д.).
Скважинный инструмент 20 применяется для управления ориентацией бурового долота 16, при котором ствол 14 скважины бурится в требуемом направлении (например, с требуемым азимутом, вертикальным углом и т.д.). Вал (не показан на Фиг. 1, см. Фиг. 2) соединяется с буровым долотом 16, вращается буровым двигателем 18 и отклоняется инструментом 20, при этом буровое долото бурит ствол скважины в требуемом направлении.
В данном примере инструмент 20 включает в себя как вращающиеся секции, так и невращающиеся секции (например, вращающийся вал и невращающийся наружный корпус). Требуется передавать электрические сигналы (такие, как данные, команды, электропитание и т.д.) между вращающимися и невращающимися секциями инструмента 20. Например, данные датчика могут передаваться на инструмент 22 измерений во время бурения и телеметрии для обработки и передачи данных телеметрическим путем на удаленную площадку (например, в наземную систему сбора и обработки данных, на площадку на морском дне, плавучую буровую установку и т.д.) и/или электропитание может подаваться на исполнительный механизм (механизмы) инструмента 20 для отклонения в нем вала.
Для данной цели инструмент 20 включает в себя многоканальный вращающийся электрический соединитель 24. Вместе с тем понятно, что не требуется применять соединитель 24 в скважинном инструменте 20, управляющем ориентацией бурового долота 16, или для передачи электрических сигналов любых частных типов, подлежащих передаче между любыми частными вращающимися или невращающимися секциями одного или нескольких скважинных инструментов.
Многоканальные устройства могут требоваться, например, для разделения каналов электропитания, передачи данных и команд. Другим назначением многоканальных устройств может являться создание резервирования.
Объем данного изобретения не ограничивается частным устройством бурильных инструментов в бурильной колонне и не ограничивается применением в буровых работах. Система 10, бурильная колонна 12 и инструмент 20 являются только одним примером разнообразных вариантов реализации принципов, описанных в данном документе.
Относительное вращение между секциями скважинного инструмента может являться прерывистым, периодическим, непрерывным и т.д. Многоканальный вращающийся соединитель 24 можно также применять для передачи электрических сигналов (электропитания, данных, команд и т.д.) между секциями скважинного инструмента, когда отсутствует относительное вращение между секциями скважинного инструмента.
Дополнительно, на Фиг. 2 в качестве примера показано с увеличением продольное сечение инструмента 20. Инструмент 20 в данном примере является аналогичным во многих аспектах инструменту роторного управляемого бурения GEO-PILOT(TM), продаваемому компанией Halliburton Energy Services, Inc., Houston, Texas USA, хотя скважинные инструменты других типов (такие, как, буровой двигатель 18 или опорный комплект 26, показанные на Фиг. 1, ориентирующий инструмент и т.д.) могут строиться на принципах данного изобретения.
В показанном на Фиг. 2 примере вал 28 приводится во вращение буровым двигателем 18. Наружный корпус 30 удерживается от вращения относительно ствола 14 скважины выдвигающимся наружу зажимающим опорным узлом 32.
Хотя на Фиг. 2 показаны только один вал 28, наружный корпус 30 и опорный узел 32, любое нужное число данных элементов можно создавать и данные элементы можно выполнять как комбинацию нескольких компонентов. Таким образом, объем данного изобретения не ограничивается конкретным числом, расположением или конфигурацией элементов скважинного инструмента 20, показанных на чертежах или описанных в данном документе.
Канал 46 проходит вдоль вала 28. В обычных буровых работах буровой раствор подается вниз по каналу 46 в инструменте 20. Вал 28 включает в себя кабелепровод или проход 34 для прокладки линий (например, электрических проводов или других проводников) сверху от вращающегося электрического соединителя 24. Соединитель 24 создает путь электрического соединения электрическими линиями 64 в проходе 34 на вращающемся валу 28 к электрическим линиям 66 в невращающемся внешнем корпусе 30.
Вместе с тем необязательно наружный корпус 30 является невращающимся или вал 28 является вращающимся. В других примерах наружный элемент может вращаться относительно внутреннего элемента или один элемент может не являться "внутренним" или "наружным" относительно другого элемента (например, элементы могут иметь одинаковый размер и являться коаксиальными и т.д.). Таким образом, объем данного изобретения не ограничивается какими-либо частными деталями соединителя 24, показанными на чертежах или описанными в данном документе.
Соединитель 24 в примере на Фиг. 2 соединяется с компенсатором 36 давления. Детально соединитель 24 и компенсатор 36 показаны на Фиг. 3 и 4. В других примерах соединитель 24 может соединяться с устройствами других типов или соединитель можно применять отдельно от других устройств.
На Фиг. 3 и 4 можно видеть фиксатор 38. Фиксатор 38 применяется для крепления секции 40 соединителя 24 к валу 28 так, что секция вращается с валом. Другая секция 42 соединителя 24 крепится относительно наружного корпуса 30 и не вращается. Секция 42 включает в себя кабелепровод или проход 44 для прокладки линий 66 (таких, как электрические провода или другие проводники), проходящих вниз от соединителя 24.
Секции 40, 42 могут крепиться соответственно к валу 28 и корпусу 30 любым подходящим средством, в том числе без ограничения этим, клеем, высаженными деталями, крепежными деталями и т.д.
Сечения соединителя 24 и компенсатора 36 показаны на Фиг. 5 и 6. Компенсатор 36 давления компенсирует изменения давления в ванне смазочного масла, в которой содержится соединитель 24. Данная масляная ванна обеспечивает смазку контактных поверхностей соединителя 24 и способствует относительному вращению между секциями 40, 42.
Сечение соединителя 24 показано с увеличением на Фиг. 7. На Фиг. 7 можно ясно видеть, что ряд электрических контактов 48 кольцевой формы и отнесенных радиально друг от друга имеют электрический контакт с другим рядом электрических контактов 50 кольцевой формы и отнесенных радиально друг от друга. Контакты 48 закреплены (например, в изоляторе 52) относительно невращающейся секции 42, и контакты 50 закреплены (например, в изоляторе 54) относительно вращающейся секции 40. Таким образом, контакты 50 вращаются относительно контактов 48.
Контакты 48, 50 в данном примере являются предпочтительно науглероженными для обеспечения продолжительного срока службы. Изоляторы 52, 54 предпочтительно содержат материал из полиэфирэфиркетона (ПЭЭК).
Вместе с тем объем данного изобретения не ограничивается конкретными материалами, применяемыми для контактов 48, 50 или изоляторов 52, 54.
Контакты 48 подпираются в контакт с контактами 50 с помощью волнистых пружин 56. От волнистых пружин 56 требуется противодействие аксиальному смещению контактов 48 и выходу из контакта с контактами 50, а также передача электрических сигналов между контактами 48 и электрическими линиями в проходе 44. Пружины 56 должны противодействовать потере электрического контакта вследствие, например, вибрации или удара, испытываемых скважинным инструментом 20 во время бурения. Вместе с тем объем данного изобретения не ограничивается применением подпирающего устройства конкретного типа или подпирающими устройствами конкретного типа, которые также передают электрические сигналы.
В показанном на Фиг. 7 примере контакты 48, 50 имеют наклонные поверхности 58, 60 комплементарной формы, которые входят в электрический контакт друг с другом. Наклонные поверхности 58, 60 имеют форму поверхностей усеченного конуса.
Одним предпочтительным качеством наклонных поверхностей является их работа по центрированию контактов 48, 50 по отношению друг к другу, так что соответствующие группы контактов поддерживаются коаксиальными друг с другом. Предпочтительным качеством наклонных поверхностей 58, 60 является то, что они стремятся поддерживать контакт друг с другом, даже если соединитель 24 деформируется (например, вследствие изгиба наружного корпуса 30, изгиба вала 28 и т.д.).
Кольца 68 передают электропитание, данные, команды и т.д. между пружинами 56 и линиями 66. Завинчивающиеся и/или обжатые соединители 70 (см. Фиг. 5) могут применяться для соединения линий 66 с кольцами 68. Аналогичные соединители 70 могут применяться для соединения контактов 50 с линиями 64.
На Фиг. 8 и 9 показаны дополнительные примеры устройства контактов 48, 50. Данные примеры показывают, что возможны различные конфигурации соединителей 24 и поэтому объем данного изобретения не ограничивается конкретным числом, расположением или конфигурацией контактов 48, 50.
На Фиг. 8 поверхности 58, 60 контактов 48, 50 не являются наклонными. Данное устройство можно применять, например, в центре вращающегося корпуса, например, для передачи электропитания, данных, команд и т.д. через канал корпуса.
На Фиг. 9 поверхности 58, 60 являются наклонными и выполнены в конической форме. В дополнение, контакты 48, 50 входят в контакт друг с другом в радиальном направлении вместо аксиального направления, как в примерах Фиг. 7 и 8.
Одно преимущество конического устройства примера Фиг. 9 состоит том, что при конической форме коаксиально совмещаются вместе все контакты 48, 50. Вместе с тем объем данного изобретения не ограничивается контактами, которые коаксиально совмещаются.
Конфигурация Фиг. 9 может применяться на контактной поверхности между двумя корпусами при относительном вращении между корпусами. В другом примере внутренние контакты 48 могут закрепляться на валу, и наружные контакты 50 могут закрепляться на корпусе при относительном вращении между валом и корпусом. В данном примере контакты 48, 50 должны применяться для передачи электропитания, данных, команд и т.д. в радиальном направлении через соединитель 24.
На Фиг. 10 дополнительно показан другой пример электрического соединителя 24. В данном примере соединитель 24 включает в себя несколько групп контактов 48, 50.
В данном примере группы контактов 48, 50 смещены как радиально, так и аксиально по отношению друг к другу. Данный пример показывает, что любое число или устройство групп контактов 48, 50 можно применять в объеме данного изобретения.
Теперь понятно, что техника, описанная выше, дает существенные преимущества в передаче электрических сигналов, электропитания и т.д. между секциями скважинного инструмента, которые вращаются одна относительно другой. В инструменте 20, описанном выше, соединитель 24 создает многочисленные каналы электрической связи между вращающейся секцией 40 и невращающейся секцией 42 способом, обеспечивающим сравнительно высокую стойкость к ударным или вибрационным нагрузкам (например, с волнистыми пружинами 56, плотно подпирающими контакты 48, 50 в контакт друг с другом) и способность выдерживать деформацию связанных элементов (например, наружного корпуса 30 и вала 28) инструмента.
Соединитель 24 может передавать электрические сигналы (электропитание, данные, команды и т.д.) между секциями скважинного инструмента с относительным вращением между секциями. Секции могут соответствовать валу и внешнему корпусу, двум корпусам, двум валам или любым другим секциям скважинного инструмента с относительным вращением либо в одном скважинном инструменте или в многочисленных скважинных инструментах.
Передача электрического сигнала предпочтительно проходит через поверхности контакта металла с металлом. Применяется набор металлических контактных колец, дисков или втулок, которые стыкуются с соответствующим набором колец, дисков или втулок.
Каждый набор соединителей включает в себя предварительную нагрузку действием пружины 56, обеспечивающую плотный контакт при вращении. Пружина 56 также обеспечивает сопротивление удару или вибрации. Металлические контакты могут выполняться из науглероженной стали, обеспечивающей высокую износостойкость и удовлетворительный электрический контакт.
В одном примере, описанном выше, одна сторона многоканального электрического соединителя 24 устанавливается в стационарный шпангоут и выполняется из комплекта науглероженных стальных конических контактов 48, соединенных с комплектом медных колец 68 с помощью пружин 56. Медные кольца 68 снабжены обжатыми соединителями 70 для обеспечения соединения с другими электрическими компонентами скважинного инструмента 20. Обжатые соединители 70 предпочтительно ввинчиваются в кольца 68.
С другой стороны соединителя 24 науглероженные стальные конические "чашеобразные" контакты 50 устанавливаются в изоляторе 54, который закреплен на вращающемся валу 28. "Чашеобразные" контакты 50 имеют обжатые соединители 70, ввинченные в них. Пружины 56 создают предварительную нагрузку между контактами 48, 50, обеспечивая удовлетворительный электрический контакт.
Вместо обжатых соединителей 70 можно создавать паяные соединения. Вместе с тем паяные соединения должны выдерживать расчетные рабочие температуры.
Предпочтительно, контакты 48, 50 снабжены каналами для обеспечения охлаждения в ванне смазочного масла металл-to-металл поверхностей контакта металла с металлом. Контакты 48, 50, пружины 56 и/или кольца 68 могут снабжаться высадками или вдавливаниями для обеспечения передачи крутящего момента, полученного в результате относительного вращения, и контакт поверхностей, металла с металлом, между контактами 48, 50.
Соединитель 24 может применяться для передачи электрических сигналов в продольном и/или радиальном направлении между любыми секциями скважинного инструмента. Соединитель 24 может применяться, например, в наружном корпусе, в канале инструмента, на поверхности между двумя корпусами или между валом и наружным корпусом. Соединитель 24 можно применять для электрического соединения различных инструментов друг с другом либо для варианта применения, где относительное вращение проходит только при свинчивании вместе двух корпусов или где корпусы периодически или непрерывно вращаются один относительно другого.
Форма конусов, дисков или втулок обеспечивает центрирование и приложение предварительной нагрузки, обеспечивая плотный контакт. Контакт поверхности с поверхностью является предпочтительно контактом науглероженной стали с науглероженной сталью, которая имеет высокую износоустойчивость.
С соединителем 24, состоящим в основном из стальных и ПЭЭК компонентов, и линиями 64, 66, обжатыми в соединителях 70, соединитель 24 в некоторых примерах должен выдерживать температуры в забойной зоне выше 200 градусов C. Предварительная нагрузка, создаваемая пружинами 56, может в некоторых примерах выдерживать перегрузки до 200 g вследствие удара и вибрации.
Предпочтительно, если одна сторона соединителя 24 является стационарной, такая сторона имеет конические контакты 50, которые центрируют и удерживают "чашеобразные" контакты 48, для обеспечения плотного контакта. Электрические сигналы могут надежно передаваться в некоторых примерах при скорости вращения до 300 оборотов в минуту и перегрузках до 200 g при вибрации, при этом электрический шум практически не генерируется.
С контактами 48, 50, выполненными из науглероженной стали, и поддерживаемой сравнительно небольшой силой предварительной нагрузки износ на поверхности контактов предпочтительно является минимальным даже после 200 часов работы. Контакты 48, 50 имеют предпочтительно сравнительно простую геометрическую форму, являются недорогими и не требуют значительных затрат времени на изготовление. В целом соединитель 24 требует незначительного техобслуживания и является компактным и долговечным.
Хотя примеры, описанные выше, относятся к применению в скважине, другие варианты применения принципов данного изобретения являются возможными. Например, соединитель 24 можно применять в отраслях электроэнергетики и связи.
Описанный выше скважинный инструмент 20 предлагается для применения в технике. В одном примере инструмент 20 может включать в себя первую секцию 40, которая вращается относительно второй секции 42 скважинного инструмента, и многоканальный вращающийся электрический соединитель 24, который включает в себя многочисленные первые контакты 50 кольцевой формы, которые вращаются относительно многочисленных вторых контактов кольцевой формы 48.
Скважинный инструмент 20 может также включать в себя канал 46, который проходит продольно через скважинный инструмент 20. Первые и вторые контакты 48, 50 могут проходить вокруг прохода 46.
Каждый из первых контактов 50 может включать в себя первую наклонную поверхность 60, которая входит в контакт со второй наклонной поверхностью 58 соответствующего одного из вторых контактов 48. Первые наклонные поверхности 60 могут выполняться в конической конфигурации.
Первые контакты 50 могут быть радиально и/или аксиально отнесены друг от друга.
Первые контакты 50 могут как радиально, так и аксиально смещаться друг от друга (например, как на Фиг. 9).
По меньшей мере один из первых контактов 50 может охватывать по окружности другой из первых контактов 50.
Первая секция 40 может быть закреплена на валу 28 приводимым во вращение буровым двигателем 18.
Первая и вторая секции 40, 42 могут входить в состав инструмента 20 роторной управляемой системы, который управляет ориентацией бурового долота 16.
Подпирающее устройство (такое, как пружины 56) может подпирать первый и второй контакты 48, 50 для поддержания контакта друг с другом. Электрический ток может проходить через подпирающее устройство (устройства) 56.
Многоканальный вращающийся электрический соединитель 24, описанный выше, также предложен для применения в технике. В одном примере электрический соединитель 24 может включать в себя многочисленные первые контакты 48, которые отнесены радиально друг от друга, и многочисленные вторые контакты 50, которые входят в электрический контакт с соответствующими первыми контактами 48 при относительном вращении между первыми и вторыми контактами 48, 50. Вторые контакты 50 могут выполняться отнесенными радиально друг от друга.
Способ эксплуатации скважинного инструмента 20 в подземной скважине также описан выше. В одном примере способ может содержать: производство относительного вращения между первой и второй секциями 40, 42 скважинного инструмента 20; и передачу по многочисленным каналам электрических сигналов между первой и второй секциями 40, 42, когда происходит относительное вращение между первой и второй секциями 40, 42. Этап осуществления связи может включать в себя поддержание электрического контакта многочисленных первых контактов 48 кольцевой формы с соответствующими многочисленными вторыми контактами 50 кольцевой формы.
Хотя различные примеры описаны выше, где каждый пример имеет конкретные признаки, понятно, что необязательно конкретный признак одного примера применяется исключительно в данном примере. Напротив, любой из признаков, описанных выше и/или показанных на чертежах, можно комбинировать с любым из примеров в дополнение или взамен любого из других признаков данных примеров. Признаки одного примера не исключают признаки других примеров. Напротив, объем данного изобретения охватывает любые комбинации любых признаков.
Хотя каждый описанный выше пример включает в себя конкретную комбинацию признаков, понятно, что все признаки примера необязательно должны применяться. Напротив, любой из признаков, описанных выше, можно использовать без любого другого конкретного признака или признаков, также применяемых.
Понятно, что различные варианты осуществления, описанные в данном документе, можно использовать с различной ориентацией, например наклонной, перевернутой, горизонтальной, вертикальной и т.д., и в различных конфигурациях без отхода от принципов данного изобретения. Варианты осуществления описаны только как примеры реализации принципов изобретения, которое не ограничено конкретными деталями данных вариантов осуществления.
В приведенном выше описании термины, указывающие направление (например, "над", "под", "верхний", "нижний" и т.д.), применяются для удобства описания прилагаемых чертежей. Вместе с тем понятно, что объем данного изобретения не ограничен конкретными направлениями, описанными в данном документе.
Термины "включающий в себя", "включает в себя", "содержащий", "содержит" и аналогичные применяются в неограничивающем смысле в данном описании. Например, если система, способ, устройство, средство и т.д. описываются, как "включающее в себя" конкретный признак или элемент, то система, способ, устройство, средство и т.д. могут включать в себя данный признак или элемент и могут также включать в себя другие признаки или элементы. Аналогично, термин "содержит" означает "содержит без ограничения этим".
Естественно, специалисту в данной области техники, изучившему приведенное выше описание вариантов осуществления изобретения, понятно, что многие модификации, дополнения, замены, исключения и другие изменения можно выполнять в конкретных вариантах осуществления и что такие изменения соответствуют принципам данного изобретения. Например, конструкции, раскрытые как отдельные, в других примерах могут являться интегральными и наоборот. Соответственно, приведенное выше подробное описание следует понимать только как иллюстрирующий пример, сущность и объем изобретения ограничиваются только прилагаемой формулой изобретения и его эквивалентами.