МОНТАЖНОЕ СОЕДИНЕНИЕ ДЛЯ СКВАЖИННОГО ИНСТРУМЕНТА
ERECTION JOINT FOR DOWNHOLE TOOL

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Область техники, к которой относится изобретение
Данное изобретение относится, в целом, к бурению нефтяных и газовых скважин и последующему исследованию подземных пластов, окружающих скважину. Более точно, данное изобретение относится к «монтажным соединениям», которые представляют собой соединения для перемещения дополнительных текучих сред (флюидов) и передачи электронных сигналов/энергии между компонентами скважинного инструмента.
Описание уровня техники, имеющего отношение к изобретению
Скважины обычно бурят в земле или дне океана для извлечения природных залежей нефти и газа, а также других желательных материалов, которые удерживаются в геологических формациях в земной коре. Скважину бурят в земле и направляют к заданному месту в геологической формации от буровой установки, расположенной на поверхности земли. Скважина может быть образована посредством использования бурового долота, прикрепленного к нижнему концу «бурильной колонны». Промывочную жидкость, или «буровой раствор», как правило, закачивают вниз по бурильной колонне к буровому долоту. Буровой раствор смазывает и охлаждает буровое долото, и он уносит буровой шлам обратно к поверхности в кольцевом пространстве между бурильной колонной и стенкой ствола скважины.
Для успешных поисков нефти и газа предпочтительно иметь информацию о подземных пластах, через которые проходит ствол скважины. Например, один аспект стандартного опробования пластов относится к измерениям пластового давления и проницаемости пластов. Другой аспект стандартного опробования пластов относится к извлечению пластового флюида для определения характеристик флюида на месте или в наземных лабораториях. Данные изменения полезны для прогнозирования уровня добычи и продуктивного срока службы скважины в подземном пласте.
Один способ определения характеристик пласта и флюида включает в себя спуск инструмента, спускаемого в скважину на тросе, в скважину для определения характеристик пласта. Прибор, спускаемый в скважину на тросе, представляет собой измерительный прибор, который подвешен к тросу с обеспечением электрического соединения с системой управления, расположенной на поверхности. Прибор спускают в скважину так, чтобы он мог определить характеристики пласта на заданных глубинах. Типовой прибор, спускаемый в скважину на тросе, может включать в себя один или несколько зондов и/или один или несколько надувных пакеров, которые могут быть поджаты к стенке ствола скважины для обеспечения сообщения по текучей среде с пластом. Данный тип прибора, спускаемого в скважину на тросе, часто называют «инструментом для опробования пласта». Посредством использования зонда инструмент для опробования пласта измеряет давление пластовых флюидов и генерирует импульс давления, который используется для определения проницаемости пласта. Инструмент для опробования пласта также может осуществлять отбор пробы пластового флюида, которая или впоследствии перемещается к поверхности для анализа, или анализируется в скважине.
Для использования любого инструмента, спускаемого в скважину на тросе, независимо от того, является ли инструмент прибором каротажа сопротивления, прибором каротажа пористости или инструментом для опробования пласта, бурильная колонна должна быть извлечена из скважины с тем, чтобы инструмент можно было спустить в скважину. Это называют «подъемом» вверх по стволу скважины. Далее, инструменты, спускаемые в скважину на тросе, должны быть опущены в представляющую интерес зону, как правило, находящуюся у забоя или рядом с забоем скважины. Комбинация извлечения бурильной колонны и спуска инструмента, спускаемого в скважину на тросе, в скважину является трудоемкой и может потребовать времени до нескольких часов в зависимости от глубины ствола скважины. Вследствие больших затрат и времени работы буровой установки, требуемых для «подъема» бурильной трубы и спуска инструмента, спускаемого в скважину на тросе, вниз в ствол скважины, инструменты, спускаемые в скважину на тросе, как правило, используют, когда информация абсолютно необходима или когда бурильную колонну поднимают по другой причине, такой как замена бурового долота. Примеры опробователей пластов, спускаемых в скважину на тросе, описаны, например, в патентах США №№ 3934468; 4860581; 4893505; 4936139 и 5622223.
Для избежания или минимизации простоя, связанного с подъемом бурильной колонны, был разработан другой способ определения характеристик пласта, при котором приборы и устройства размещают рядом с буровым долотом в системе бурения. Таким образом, измерения параметров пласта выполняют в процессе бурения, и терминами, обычно используемыми в данной области техники, являются «измерения в процессе бурения» (“MWD”) и «каротаж в процессе бурения» (“LWD”). Множество разных скважинных приборов для измерений в процессе бурения и каротажа в процессе бурения промышленно изготавливаются и имеются на рынке.
Измерения в процессе бурения, как правило, относятся к определению траектории бурового долота, а также температуры и давления в стволе скважины, в то время как каротаж в процессе бурения относится к определению параметров или свойств пласта, таких как, среди прочих, электрическое удельное сопротивление, пористость, проницаемость и скорость по акустическому каротажу. Данные, поступающие в реальном времени, такие как пластовое давление, позволяют буровой компании принимать решения о массе и составе бурового раствора, а также решения о скорости бурения (механической скорости проходки) и нагрузке на долото в процессе бурения. Несмотря на то что каротаж в процессе бурения (LWD) и измерения в процессе бурения (MWD) имеют разные значения для специалистов в данной области техники, данное различие не имеет значения для данного изобретения, и, следовательно, в данном описании не проводится различий между двумя терминами. Кроме того, каротаж в процессе бурения и измерения в процессе бурения необязательно выполняются тогда, когда буровое долото реально осуществляет резание в пласте. Например, каротаж в процессе бурения и измерения в процессе бурения могут выполняться во время перерывов в процессе бурения, например, тогда, когда буровое долото останавливается на короткий промежуток времени для выполнения измерений, после чего бурение возобновляется. Измерения, выполняемые во время периодических перерывов в бурении, по-прежнему рассматриваются как выполняемые «в процессе бурения», поскольку они не требуют подъема бурильной колонны.
Оценка параметров продуктивного пласта независимо от того, выполняется ли она во время операции спуска на тросе или в процессе бурения, часто требует всасывания флюида из пласта в скважинный инструмент для опробования и/или отбора проб. Различные устройства для отбора проб, обычно называемые зондами, выдвигаются из скважинного инструмента для установления сообщения по текучей среде с пластом, окружающим ствол скважины, и для всасывания флюида в скважинный инструмент. Типовой зонд представляет собой круглый элемент, выдвигаемый из скважинного инструмента и размещаемый у боковой стенки ствола скважины. Резиновый пакер на конце зонда используется для создания уплотнения вместе с боковой стенкой ствола скважины. Другое устройство, которое может быть использовано для образования уплотнения вместе с боковой стенкой ствола скважины, представляет собой надувной пакер. Надувной пакер может быть использован в спаренной конфигурации, которая включает в себя два эластомерных кольца, которые расширяются в радиальном направлении вокруг инструмента для изоляции участка ствола скважины, находящегося между ними. Кольца образуют уплотнение вместе со стенкой ствола скважины и обеспечивают возможность всасывания флюида в изолированный участок ствола скважины и во впускной канал в скважинном инструменте.
Различные буровые инструменты и инструменты, спускаемые в скважину на тросе, а также другие инструменты для ствола скважины, транспортируемые на гибких трубах, бурильной трубе, обсадной трубе или других устройствах для перемещения, также названы здесь просто «скважинными инструментами». Подобные скважинные инструменты могут сами включать в себя множество объединенных в одно целое модулей, каждый из которых предназначен для выполнения отдельной функции или набора функций, и скважинный инструмент может быть использован сам по себе и в сочетании с другими скважинными инструментами в колонне скважинных инструментов.
Модульные скважинные инструменты, как правило, включают в себя несколько разных типов модулей. Каждый модуль может выполнять одну или несколько функций, таких как электропитание, подвод гидравлической энергии, отбор проб флюидов, анализ флюидов и сбор проб. Подобные модули показаны, например, в патентах США №№ 4860581 и 4936139. Соответственно, модуль анализа текучих сред может анализировать пластовый флюид, всасываемый в скважинный инструмент для опробования и/или отбора проб. Данный и другие типы скважинных флюидов (отличных от бурового раствора, закачиваемого по бурильной колонне) названы здесь «дополнительными текучими средами». Данная дополнительная текучая среда может быть перемещена между модулями интегрированного инструмента и/или между инструментами, соединенными друг с другом в буровом снаряде. Кроме того, электроэнергия и/или электронные сигналы (например, для передачи данных) также могут передаваться между модулями подобных инструментов. Примеры монтажных соединений, обеспечивающих соединение друг с другом инструментов в буровом снаряде, можно обнаружить в патенте США № 7191831 и в публикации заявки на патент США № 2006/0283606, при этом оба данных документа переуступлены правопреемнику по настоящему изобретению и включены в настоящую заявку путем ссылки. Другой пример соединителя можно обнаружить в патенте США № 6582251.
Общеизвестной проблемой, связанной с монтажными соединениями, используемыми между соседними модулями, является загрязнение электрического соединения флюидом. Загрязнение флюидом особенно распространено, когда монтажные соединения разъединяют для транспортировки или реконфигурирования после использования в скважине. Дополнительная текучая среда и буровой раствор могут по-прежнему оставаться во внутренних гидравлических линиях, которые при разъединении монтажного соединения могут иметь утечки на открытых для воздействия торцевых поверхностях модулей. Кроме того, дождь, морская вода (в случае морских работ) могут загрязнять соединение, когда монтажное соединение открывают на полу буровой вышки. Электрические штыревые контакты и гнезда могут стать загрязненными флюидом, в результате чего ухудшается способность данных компонентов проводить электрический ток. Износ, загрязнение электрических соединителей и т.д. могут быть настолько серьезными, что потребуется замена, которая, как правило, требует открытия инструмента или модуля, в результате чего внутренние компоненты инструмента будут открыты для воздействия окружающей среды. Кроме того, схема расположения гидравлических и электрических соединений в обычных монтажных соединениях обеспечивает возможность использования только ограниченного количества гидравлических и электрических соединений, в результате чего ограничиваются типы модулей, которые могут быть использованы в скважинном инструменте.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В соответствии с одним вариантом осуществления изобретения монтажное соединение, предназначенное для соединения модулей скважинного инструмента, включает в себя корпуса и электрические линии, расположенные в них. Монтажное соединение включает в себя перегородку, которая соединена с первым модулем инструмента и включает в себя первый соединительный торец, образующий часть наружной поверхности первого модуля инструмента. Кроме того, первый соединительный торец включает в себя первое проходное отверстие, которое выполнено с конфигурацией, обеспечивающей возможность приема электрического соединительного устройства. Первое электрическое соединительное устройство включает в себя первый соединитель, имеющий первый конец, приспособленный для электрического соединения с первыми электрическими линиями, и второй конец, который входит в первое проходное отверстие, при этом устройство соединено с наружной частью первого модуля инструмента с возможностью отсоединения. Соединительный блок присоединен ко второму модулю инструмента и имеет второй соединительный торец, в котором образовано второе проходное отверстие, расположенное так, чтобы оно находилось по существу напротив первого проходного отверстия, когда первый и второй модули инструмента соединены. Второй электрический соединитель расположен во втором проходном отверстии и электрически соединен со второй электрической линией и выполнен с конфигурацией, обеспечивающей возможность создания электрического контакта со вторым концом первого соединителя, когда первый и второй модули инструмента соединены.
В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения монтажное соединение, предназначенное для соединения модулей скважинного инструмента, включает в себя корпуса и электрические линии, расположенные в них. Монтажное соединение включает в себя перегородку, присоединенную к первому корпусу, которая имеет первый соединительный торец, в котором образованы центральная зона, имеющая множество первых гидравлических соединителей, и периферийная зона, окружающая центральную зону, которая включает в себя первое проходное отверстие. Первое электрическое соединительное устройство присоединено к первому проходному отверстию и включает в себя первый соединитель, имеющий первый конец, приспособленный для электрического соединения с первой электрической линией, и второй конец. Соединительный блок присоединен ко второму корпусу и включает в себя второй соединительный торец, в котором образованы, по меньшей мере, одно центральное отверстие, которое выполнено с размерами, обеспечивающими возможность размещения множества вторых гидравлических соединителей, расположенных с возможностью обеспечения гидравлического соединения с первыми гидравлическими соединителями первого соединительного торца, и периферийная зона, окружающая, по меньшей мере, одно центральное отверстие, которая включает в себя второе проходное отверстие, расположенное так, что оно будет находиться по существу напротив первого проходного отверстия, когда первый и второй модули инструмента соединены. Второй электрический соединитель расположен во втором проходном отверстии, и второй электрический соединитель электрически соединен со второй электрической линией и выполнен с возможностью электрического соединения со вторым концом первого электрического соединителя.
В соответствии с еще одним вариантом осуществления изобретения монтажное соединение, предназначенное для соединения модулей скважинного инструмента, включает в себя корпуса и электрические линии, расположенные в них. Монтажное соединение включает в себя перегородку, присоединенную к первому корпусу, и имеет первый соединительный торец, который включает в себя первое проходное отверстие, предназначенное для размещения электрического соединительного устройства. Первое электрическое соединительное устройство вставлено в первое проходное отверстие и включает в себя первый соединитель, имеющий первый конец, приспособленный для электрического соединения с первыми электрическими линиями, и имеющий второй конец. Первый соединительный блок присоединен ко второму корпусу с возможностью отсоединения и имеет второй соединительный торец, который включает в себя второе проходное отверстие, расположенное так, чтобы оно находилось по существу напротив первого проходного отверстия, когда первый и второй модули инструмента соединены. Второй электрический соединитель электрически соединен со вторым концом первого электрического соединителя, расположенным во втором проходном отверстии, и электрически соединен со второй электрической линией.
В соответствии с еще одним вариантом осуществления изобретения скважинный инструмент включает в себя множество модулей и выполнен с возможностью размещения его в стволе скважины, проходящем через подземный пласт. Инструмент включает в себя первый модуль, второй модуль, третий модуль и соединитель. Первый модуль включает в себя, по меньшей мере, один впускной канал, который предназначен для приема пластового флюида и который соединен с первой вспомогательной линией. Пластовый флюид всасывается в инструмент за счет системы вытеснения, соединенной в рабочем состоянии с первой вспомогательной линией. Второй модуль включает в себя гидравлический насос, который соединен по текучей среде с системой вытеснения посредством, по меньшей мере, двух гидравлических линий, и третий модуль включает в себя электрическое управляющее устройство, соединенное с возможностью коммуникации с множеством электрических линий, которые соединены с возможностью коммуникации с каждым из первого и второго модулей. Соединитель расположен между, по меньшей мере, двумя из модулей и включает в себя, по меньшей мере, два соединения гидравлических линий и два соединения вспомогательных линий.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Для более полного понимания раскрытых способов и устройств следует сделать ссылку на вариант осуществления, проиллюстрированный более подробно на сопровождающих чертежах, в которых:
фиг.1 представляет собой схематическое изображение узла, спускаемого в скважину на тросе, который включает в себя монтажные соединения в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.2 представляет собой увеличенное схематическое изображение инструмента, спускаемого в скважину на тросе, показанного на фиг.1;
фиг.3 представляет собой сечение двух модулей инструмента, соединенных посредством монтажного соединения;
фиг.4 представляет собой увеличенную деталь монтажного соединения по фиг.3;
фиг.5 представляет собой вид в перспективе перегородки, предусмотренной с модулем инструмента для образования соединительного торца монтажного соединения;
фиг.6 представляет собой боковое сечение перегородки, показанной на фиг.5;
фиг.7 представляет собой вид с торца перегородки, показанной на фиг.5;
фиг.8а и 8b представляют собой схематические изображения соединительного блока, используемого для образования второго соединительного торца монтажного соединения, соответственно, в нормальном и смещенном положениях; и
фиг.9а и 9b представляют собой схематические изображения устройства для центрирования гидравлических линий, соответственно, в разъединенном и соединенном положениях.
Следует понимать, что чертежи необязательно выполнены в масштабе и что раскрытые варианты осуществления иногда проиллюстрированы схематически и на частичных видах. В некоторых случаях детали, которые необязательны для понимания раскрываемых способов и устройств или которые затрудняют понимание других деталей, могут быть опущены. Само собой разумеется, следует понимать, что данное изобретение не ограничено конкретными вариантами осуществления, проиллюстрированными здесь.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
В данном описании описан соединитель и система, которая обеспечивает возможность как перемещения флюида, так и передачи электрических сигналов между соседними инструментами или модулями при одновременном поддержании выполнения стандартных бурильных операций или операций оценки. Данное устройство обеспечивает возможность соединения двух скважинных инструментов или модулей инструментов для обеспечения сообщения по текучей среде (гидравлической связи) и электросвязи между ними. Соединитель выполнен с возможностью размещения его в любом месте на колонне скважинных инструментов, где требуется подобная связь.
В используемом здесь смысле термин «дополнительная текучая среда» означает, среди прочего, скважинный флюид (отличный от бурового раствора, закачиваемого по бурильной колонне), такой как пластовый флюид, который, как правило, всасывается в скважинный инструмент для опробования и/или отбора проб, специальные текучие среды (например, жидкости для ремонта скважин), предназначенные для нагнетания в подземный пласт, скважинный флюид для наполнения пакеров. Как правило, но необязательно, дополнительная текучая среда используется при скважинной операции, отличной от приведения в движение движущихся компонентов скважинного инструмента или охлаждения компонента скважинного инструмента.
Термины «электрический» и «электрически» относятся к соединению(ям) и/или линии(ям), предназначенным для передачи электронных сигналов. «Электронные сигналы» означают сигналы, которые способны передавать электрическую энергию и/или данные (например, двоичные данные).
В данном описании термин «модуль» используется для описания любого из отдельных инструментов или отдельных модулей инструментов, которые могут быть соединены в скважинном инструменте. Термин «модуль» описывает любую часть скважинного инструмента независимо от того, является ли модуль частью инструмента большего размера или сам по себе отдельным инструментом.
«Модульный» означает приспособленный для соединения (друг с другом) модулей и/или инструментов и, возможно, созданный со стандартизированными узлами или размерами для обеспечения гибкости и разнообразия при использовании.
Фиг.1 показывает схематическое изображение устройства 101, спускаемого в скважину на тросе и устанавливаемого в рабочее положение с буровой установки 100 в стволе 105 скважины, пересекающем продуктивный пласт или геологический пласт F, в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения. Альтернативно, инструмент может быть установлен в рабочее положение непосредственно с грузового автомобиля без использования буровой установки. Устройство 101, спускаемое в скважину на тросе, может быть спущено в ствол 105 скважины посредством использования кабель-троса 102, как хорошо известно в данной области техники. Диаметр ствола скважины обычно варьируется от 6,0 дюйма до 8,5 дюйма (от 152,4 мм до 215,9 мм) в продуктивных пластах и иногда имеет большие значения в неглубоких слоях осадочных пород. Следовательно, диаметр устройства 101, спускаемого в скважину на тросе, обычно ограничен величиной, составляющей менее 5,25 дюйма (133,35 мм), и составляет, например, приблизительно 4,75 дюйма (120,65 мм). Существуют устройства большего диаметра, но их применение ограничено операциями в скважинах, имеющих большой диаметр ствола скважины. Устройство 101, спускаемое в скважину на тросе, включает в себя несколько модулей, соединенных монтажными соединениями 104, которые имеют ограничения по размерам, аналогичные инструменту, спускаемому в скважину на тросе. В проиллюстрированном варианте осуществления устройство 101, спускаемое в скважину на тросе, включает в себя электронный модуль 109, модуль 110 для хранения проб, первый откачивающий модуль 112, второй откачивающий модуль 114, гидравлический модуль 116 и модуль 118 для отбора проб. Устройство 101, спускаемое в скважину на тросе, может включать в себя любое число модулей, включая число модулей, составляющее менее и более шести модулей, показанных в проиллюстрированных вариантах осуществления, и может включать в себя модули разных типов, предназначенные для выполнения функций, отличных от тех, которые описаны выше. Монтажные соединения 104 предусмотрены между каждыми соседними двумя модулями для надежного соединения гидравлических и электрических линий, проходящих через устройство 101.
Как показано более подробно на фиг.2, электронный модуль 109 включает в себя электронное управляющее устройство 120, соединенное в рабочем состоянии с кабель-тросом 102. Электрическая линия 122 соединена с интерфейсом управляющего устройства 120 и включает в себя участки 122а-122е, которые проходят через каждый из модулей инструмента. Электрическая линия 122 передает электронные сигналы, которые могут включать в себя передачу электрической энергии и/или данных. Модуль 110 для проб включает в себя камеры 113 для проб, предназначенные для хранения проб флюида.
Первый и второй откачивающие модули 112, 114 предусмотрены для управления посредством, соответственно, первой и второй гидравлических линий 136, 144 для пластового флюида. Первый откачивающий модуль 112 включает в себя насос 126 и вытесняющее устройство 128. Двигатель 130 соединен в рабочем состоянии с насосом 126. Насос 126 и вытесняющее устройство 128 соединены по текучей среде с гидравлической питающей линией 132 и гидравлической возвратной линией 134. Вытесняющее устройство 128 также соединено по текучей среде с первой гидравлической линией 136 для пластового флюида. Второй откачивающий модуль 114 аналогичным образом включает в себя насос 138 и вытесняющее устройство 140 с двигателем 142, соединенным в рабочем состоянии с насосом 138. Насос 138 и вытесняющее устройство 140 соединены по текучей среде с гидравлической питающей линией 132 и гидравлической возвратной линией 134. Вытесняющее устройство 140 также соединено по текучей среде со второй гидравлической линией 144 для пластового флюида.
Гидравлический модуль 116 регулирует поток рабочей жидкости для гидравлических систем по гидравлическим линиям для рабочей жидкости. Модуль 116 включает в себя насос 146, соединенный по текучей среде с гидравлической питающей линией 132 и гидравлической возвратной линией 134. Двигатель 148 соединен в рабочем состоянии с насосом 146.
Модуль 118 для отбора проб образует конструкцию для получения проб флюида из пласта. Модуль 118 для отбора проб включает в себя устройство 150 для отбора проб 150, имеющее канал 152 для впуска проб, соединенный по текучей среде с линией 154 для проб, и защитный впускной канал 156, соединенный по текучей среде с защитной линией 158. Линия 154 для проб и защитная линия 158 соединены по текучей среде с системой 160 перепускных клапанов, которая, в свою очередь, соединена с первой и второй гидравлическими линиями 136, 144 для пластового флюида. Проиллюстрированный модуль 118 для отбора проб также включает в себя установочный поршень 162, который соединен в рабочем состоянии с гидравлической питающей линией 132 и гидравлической возвратной линией 134. Перепускная система 160 показана как часть модуля 118 для отбора проб, но перепускной модуль 160 может быть выполнен в виде модуля, который может быть размещен в любом месте в колонне инструментов и/или продублирован. Модуль с перепускной системой вместе с монтажным соединением по данному изобретению способствует новой приспособляемости (эксплуатационной гибкости) скважинного инструмента для опробования.
На фиг.2 не показан модуль с датчиками, имеющий один или несколько датчиков, предназначенных для определения свойств флюида (среди свойств, используемых в наибольшей степени, можно указать давление, скорость потока, удельное электрическое сопротивление, оптическую передачу или отражение, флуоресценцию, ядерный магнитный резонанс, плотность, вязкость). Один или несколько модулей с датчиками вместе с перепускным модулем, упомянутым выше, и соединителем по данному изобретению способствуют целому ряду новых применений скважинного инструмента для опробования.
Как проиллюстрировано на фиг.2, каждый модуль инструмента включает в себя гидравлические и электрические линии, которые соединены, когда модульный инструмент 101, спускаемый в скважину на тросе, находится в собранном состоянии. Проиллюстрированный вариант осуществления включает в себя четыре отдельные гидравлические линии, а именно первую гидравлическую линию 136 для пластового флюида, вторую гидравлическую линию 144 для пластового флюида, гидравлическую питающую линию 132 и гидравлическую возвратную линию 134. Кроме того, электрическая линия 122 проходит через каждый модуль. Несмотря на то что электрическая линия 122 проиллюстрирована на фиг.2 посредством одной линии, инструмент 101 может включать в себя множество отдельных электрических проводов или линий, каждый(ая) из которых может иметь отдельную функцию и может иметь разные значения напряжения или силы тока. Помимо этого или в качестве альтернативы, множество резервных линий могут быть предусмотрены для выполнения одной и той же функции. В том случае, когда предусмотрено множество электрических линий, имеется множество электрических соединений, которые должны быть образованы между модулями инструмента. Следовательно, соединительные устройства сопряжения или монтажные соединения 104 должны надежным образом соединять участки различных гидравлических и электрических линий. Кроме того, важно изолировать электрические соединения друг от друга и от гидравлических линий для предотвращения случайных коротких замыканий и для минимизации или предотвращения загрязнения электрических соединений флюидом.
Приведенное в качестве примера монтажное соединение 104, соединяющее соседние модули инструмента, такие как гидравлический модуль 116 и модуль 118 для отбора проб, проиллюстрировано более подробно на фиг.3. Модуль 118 для отбора проб включает в себя наружный корпус 170, имеющий охватываемый соединительный конец 172. Промежуточный (переходный) блок 174 соединен с корпусом 170 и включает в себя отверстия 176, 178 для гидравлических линий, выполненные с размерами, обеспечивающими возможность приема трубопроводов 180, 182, образующих гидравлические линии. Трубопроводы 180, 182, образующие гидравлические линии, образуют первую и вторую гидравлические линии 184, 184 для текучих сред, предназначенные для перемещения текучих сред, используемых в инструменте. В проиллюстрированном варианте осуществления первый и второй трубопроводы 180, 182 для текучих сред образованы из высокопрочного, обладающего высокой коррозионной стойкостью сплава, например, такого как сплав на никелевой основе (Inconel 718 (инконель) или Hastelloy С276 (хастелой)), сплав на титановой основе или MP35N. Кроме того, в трубопроводах 180, 182 для текучих сред образованы первое и второе гнезда 188, 190, расположенные рядом с соединительным торцом 192 модуля 118. Следует отметить, что в сечении, показанном на фиг.2, видны только две гидравлические линии. Тем не менее, остальные две гидравлические линии (непоказанные) расположены перед и за плоскостью сечения. Например, гидравлическая линия 186 может быть соединена по текучей среде с гидравлической линией 136, и гидравлическая линия 184 может быть соединена по текучей среде с гидравлической линией 144.
Промежуточный блок 174 дополнительно включает в себя наружное углубление 194, образованное рядом с соединительным торцом 192 для приема компонентов электрического соединительного устройства. Более точно и, как лучше всего показано со ссылкой на фиг.4, охватывающее электрическое соединительное устройство 196 включает в себя стационарный соединительный блок 198 и съемный соединительный блок 200, расположенный рядом со стационарным блоком 198. Оба блока образованы из непроводящего полимера. Стационарный блок 198 включает в себя, по меньшей мере, одно отверстие для приема электрического вывода (зажима), такого как зажим 202 для провода, предназначенный для надежного сцепления, по меньшей мере, с одним концом участка 122е электрической линии. Металлический цилиндр 204 электрически соединен с зажимом 202, и в нем образовано гнездо для приема одного конца охватывающего соединителя 206. В проиллюстрированном варианте осуществления охватывающий соединитель 206 образован из электропроводящего материала, такого как металл, в то время как съемный блок 200 образован из непроводящего полимера, который отформован поверх охватывающего соединителя 206. В результате охватывающий соединитель 206 прикреплен к блоку 200 и перемещается совместно с блоком 200. Следует понимать, что несмотря на то, что подробно рассмотрен один комплект, включающий в себя участок 122е электрической линии, зажим 202 для провода, металлический цилиндр 204 и охватывающий соединитель 206, соединитель 104 может содержать множество идентичных комплектов, например, расположенных в соответствии со схемой, показанной на фиг.5. Следовательно, соединитель 104 выполнен с возможностью соединения множества участков электрических линий. Кроме того, соединитель 104 не ограничен множеством идентичных или аналогичных средств, предназначенных для соединения участков электрических линий. Следует понимать, что различные конструкции средств, предназначенных для соединения участков электрических линий, могут быть использованы в одном соединителе, например, для восприятия разных значений силы тока или напряжения, передаваемых каждым из множества участков электрических линий. Упрочняющее кольцо 208, образованное из долговечного материала, такого как металл, расположено в кольцевом углублении, образованном на наружной поверхности блока 200. Упрочняющее кольцо 208 облегчает вставку инструмента, чтобы способствовать снятию блока 200 с корпуса 170 для замены, как будет рассмотрено ниже более подробно. Блок 200 может дополнительно включать в себя углубление 210, выполненное с размерами, обеспечивающими возможность приема скребкового уплотнения, такого как уплотнительное кольцо 212. Удерживающая пластина 214 присоединена к блоку 200 для удерживания уплотнительного кольца 212 в углублении 210.
Если снова обратиться к фиг.3, можно видеть, что гидравлический модуль 116 также включает в себя корпус 220, имеющий охватывающий соединительный конец 222, выполненный с размерами, обеспечивающими возможность приема охватываемого соединительного конца 172 модуля 118 для отбора проб с возможностью его смещения. Перегородка 224, выполненная из некорродирующего сплава, например, такого как сплав на никелевой основе или на титановой основе, присоединена к корпусу 220 и образует соединительный торец 226, приспособленный для сопряжения с соединительным торцом 192 модуля 118 для отбора проб. Гидравлические линии 228, 230 для потока проходят через перегородку 224 и выполнены с размерами, обеспечивающими возможность приема соответствующих гидравлических центраторов 232, 234. Например, гидравлические центраторы 232, 234 могут быть привинчены к перегородке 224. Дистальные концы центраторов 232, 234 выполнены с размерами, обеспечивающими возможность их вставки в соответствующие гнезда 188, 190, образованные в трубопроводах 180, 182 для текучих сред. Больше деталей центраторов 232, 234 будет рассмотрено со ссылкой на фиг.9А и 9В, и данные детали были опущены на фиг.2 для ясности. Как упомянуто ранее, только две гидравлические линии видны в сечении, показанном на фиг.2. Тем не менее, остальные две гидравлические линии (непоказанные) расположены перед и за плоскостью сечения. Продолжая рассматривать данный пример, можно отметить, что гидравлическая линия 230 может быть соединена по текучей среде с гидравлической линией 136, и гидравлическая линия 232 может быть соединена по текучей среде с гидравлической линией 144.
Перегородка 224 дополнительно включает в себя, по меньшей мере, одно проходное сквозное отверстие 238, которое может быть приспособлено для приема охватываемых электрических соединительных устройств 242. Как лучше всего показано на фиг.4, охватываемое электрическое соединительное устройство 242 может включать в себя охватываемый соединитель, выполненный с конфигурацией, обеспечивающей возможность взаимодействия с соответствующим охватывающим соединителем 206. В проиллюстрированном варианте осуществления охватываемый соединитель представляет собой ввод 244, имеющий проксимальный конец 246, расположенный в корпусе 220, и дистальный конец 248, выступающий наружу от соединительного торца 226 перегородки. Перегородка 224 включает в себя кольцевую стенку 278, выступающую наружу от соединительного торца 226 для защиты дистального конца 248 охватываемого соединителя от случайного повреждения во время манипулирования. Когда модули соединены, дистальный конец 248 охватываемого соединителя контактирует с охватывающим соединителем 206, в результате чего обеспечивается электрическое соединение двух модулей. Проксимальный конец 246 охватываемого соединителя вставлен в металлический цилиндр 250, электрически соединенный с зажимом 252. Участок 122d электрической линии имеет открытый для воздействия конец, который соединен с зажимом 252. Соответственно, когда модули собраны вместе, охватываемое и охватывающее электрические соединительные устройства электрически соединяют участки 122d, 122е электрической линии, в результате чего обеспечивается передача электронных сигналов между модулями. Также следует понимать, что несмотря на то, что подробно был рассмотрен один комплект, включающий в себя участок 122d электрической линии, зажим 252 для проводов, металлический цилиндр 250 и ввод 244, соединитель 104 может содержать множество идентичных комплектов, например, расположенных в соответствии со схемой расположения, показанной на фиг.5. Как упомянуто ранее, соединитель 104 не ограничен множеством идентичных или аналогичных средств для соединения участков электрических линий. Следует понимать, что различные конструкции средств, предназначенных для соединения участков электрических линий, могут быть использованы в одном соединителе, например, для восприятия разных значений силы тока или напряжения, передаваемых каждым из множества участков электрических линий.
В охватываемом и охватывающем электрических соединительных устройствах используется ряд мер для изоляции электрической линии 122 от окружающих, электропроводящих конструктивных элементов (то есть других электрических соединений, металлических тел и т.д.). Как отмечено выше, съемный соединительный блок 200 и стационарный блок 198 предпочтительно образованы из непроводящего полимера, который отформован непосредственно на охватывающем соединителе 206, в результате чего обеспечивается изоляция охватывающего соединителя 206 от корпуса 170 и промежуточного блока 174.
Кроме того, охватываемое электрическое соединительное устройство 242 может включать в себя изолирующую втулку 254, которая простирается над центральной частью охватываемого соединителя 244. Как лучше всего показано на фиг.4, изолирующая втулка 254 включает в себя центральную зону 256 с большим диаметром, проксимальную зону 258 с меньшим диаметром, простирающуюся в аксиальном направлении назад от центральной зоны 256, и дистальную зону 260 с меньшим диаметром, простирающуюся в аксиальном направлении вперед от центральной зоны 256. Дистальная зона 260 предпочтительно выступает на достаточно большое расстояние от соединительного торца 226 так, что она входит, по меньшей мере частично, в съемный соединительный блок 200, но не закрывает дистальный конец 248 охватываемого соединителя, так что конец 248 может контактировать с охватывающим соединителем 206. Проксимальная зона 258 изолирующей втулки 254 предпочтительно простирается через сквозное отверстие 238 и заканчивается рядом с цилиндром 250. Изолирующая втулка 254 предпочтительно образована из непроводящего полимерного материала для изоляции охватываемого соединителя 244 от перегородки 224 и других металлических, электропроводящих окружающих конструктивных элементов.
Проксимальный конец 246 охватываемого соединителя может быть защищен от повреждений защитной трубкой 262. Защитная трубка расположена в держателе 264 защитной трубки, который присоединен к перегородке 224. Изолирующий кожух 266 расположен между защитной трубкой 262 и дистальным концом 246 охватываемого соединителя, цилиндром 250 и зажимом 252, в результате чего обеспечивается электрическая изоляция электрической линии 122 от окружающих конструктивных элементов. Соответственно, изолирующий кожух 266 предпочтительно образован из непроводящего полимерного материала.
Уплотнительное кольцо 212 дополнительно гарантирует то, что электрический контакт будет образован между охватываемым соединителем 244 и охватывающим соединителем 206, за счет того, что оно служит в качестве скребкового уплотнения, которое удаляет загрязнение с охватываемого соединителя 244 при его вставке в охватывающий соединитель 206. Как лучше всего показано на фиг.4, уплотнительное кольцо 212 расположено в углублении 210, которое находится у входа в камеру, в которой размещен охватывающий соединитель 206. Уплотнительное кольцо 212 предпочтительно имеет такой внутренний диаметр, который обеспечивает возможность взаимодействия уплотнительного кольца 212 с охватываемым соединителем 244 с возможностью скольжения. Соответственно, при соединении соединительных торцов 192, 226 охватываемый соединитель 244 вдвигается через уплотнительное кольцо 212, которое удаляет загрязняющие вещества флюида с наружной поверхности дистального конца 248 охватываемого соединителя. Следовательно, охватываемый и охватывающий соединители 244, 206 будут более надежным образом установлены с обеспечением электропроводящего контакта. Электрический контакт может быть дополнительно улучшен посредством введения консистентной смазки в охватывающий соединитель 206 перед соединением соединительных торцов 192 и 266. Консистентная смазка может служить в качестве электроизоляционного материала и тем самым может предотвратить короткое замыкание между двумя штырями или между штырем и массой (например, корпусом инструмента).
Охватываемые электрические соединительные устройства могут быть прикреплены к перегородке 224 с возможностью съема со стороны наружной части соединительного торца 226, в результате чего облегчается ремонт и замена, например тогда, когда охватываемый соединитель 244 будет изношен или случайно согнут. В проиллюстрированном варианте осуществления сквозное отверстие 238 включает в себя опорный буртик 268, который выполнен с размерами, обеспечивающими возможность его взаимодействия с первым уступом 270, образованным на изолирующей втулке 254. Центральная зона 256 изолирующей втулки выполнена с размерами, обеспечивающими возможность ее вставки в сквозное отверстие 238 с обеспечением скользящего контакта до тех пор, пока первый уступ 270 не войдет в контакт с опорным буртиком 268, в результате чего предотвращается дальнейшее перемещение охватываемого электрического соединительного устройства 242 в перегородке 224. Промежуточная втулка 272, например выполненная из металла, выполнена с конфигурацией, обеспечивающей возможность взаимодействия промежуточной втулки 272 со вторым уступом 274 изолирующей втулки 254, и, кроме того, выполнена с конфигурацией, обеспечивающей возможность ее вставки в проходное отверстие 238 с возможностью извлечения, в результате чего обеспечивается удерживание изолирующей втулки 254 и прикрепленного охватываемого соединителя 244 внутри сквозного отверстия 238. Как показано на фиг.4, промежуточная втулка 272 включает в себя центральный канал, выполненный с размерами, обеспечивающими возможность приема дистальной зоны 260 изолирующей втулки. Проходное отверстие 238 может включать в себя резьбовую часть, и промежуточная втулка 272 может включать в себя комплементарную наружную резьбу для облегчения взаимодействия между ними с возможностью разъединения. Промежуточная втулка 272 дополнительно включает в себя конец 276 с уменьшенным диаметром, который создает по существу кольцевой зазор, в который может быть вставлен инструмент для облегчения присоединения и отсоединения промежуточной втулки 272. Соответственно, охватываемый соединитель 244 может быть заменен посредством вывинчивания промежуточной втулки 272 и захвата дистального конца 248 охватываемого соединителя для вытягивания охватываемого электрического соединительного устройства 242 из проходного отверстия 238. Во время данного процесса цилиндр 250, зажим 252 и участок 122d электрической линии остаются неподвижными в защитной трубке 262.
Охватывающий соединитель 206 также выполнен съемным для обеспечения возможности его замены в случае загрязнения флюидом или другого повреждения. Съемный блок 200 удерживается за счет трения в заданном положении между корпусом 170 и промежуточным блоком 174. Два паза 280 образованы на охватываемом конце 172 корпуса для обеспечения возможности вставки инструмента, действующего по принципу рычага, такого как отвертка для винтов с плоской головкой, в упрочняющее кольцо 208, прикрепленное к съемному блоку 200. Пазы 280 предпочтительно расположены в диаметрально расположенных частях корпуса 170, так что блок 200 кольцевой формы может быть медленно извлечен из корпуса посредством попеременного приложения силы, создаваемой за счет рычага, к поверхности пазов. Пазы 280 и упрочняющее кольцо 208 схематически проиллюстрированы на фиг.8а и 8b. Фиг.8а иллюстрирует съемный блок 200 в нормальном положении, в то время как фиг.8b показывает блок 200 в частично смещенном положении, со съемным блоком 200, смещенным от стационарного блока 198 и частично извлеченным из корпуса 170.
Фиг.5-7 показывают дополнительные виды перегородки 224. Перегородка 224 образует соединительный торец 226, который «несет» гидравлические и электрические соединения для модуля инструмента. Как лучше всего показано на фиг.7, соединительный торец 226 включает в себя центральную зону 290, в которой расположены проходные отверстия 292. В описанном примере проходные отверстия 292 сообщаются по текучей среде с соответствующими гидравлическими линиями 136, 144, 132 и 134 от гидравлического модуля 116 (фиг.2). Как упомянуто ранее, четыре проходных отверстия могут сообщаться по текучей среде с гидравлическими линиями, по которым проходит или дополнительная текучая среда, рабочая жидкость для приведения в действие или охлаждения компонента инструмента, или комбинация. Четыре проходных отверстия не ограничены примером, показанным на фиг.2. Как показано, четыре проходных отверстия 292 выполнены с конфигурацией, обеспечивающей возможность приема гидравлических центраторов 232, 234, показанных на фиг.3 и 4, а также, например, двух других аналогичных центраторов. Размер центральной зоны может варьироваться, но в данном приведенном в качестве примера варианте осуществления центральная зона образована с диаметром, величина которого составляет приблизительно 1,7 дюйма (43,18 мм). Периферийная зона 294 окружает центральную зону и включает в себя множество сквозных отверстий 238. Размер периферийной зоны также может варьироваться, и в данном приведенном в качестве примера варианте осуществления периферийная зона образована кольцом, ограниченным диаметром, превышающим диаметр центральной зоны, и наружным диаметром, величина которого составляет приблизительно 3,0 дюйма (76,2 мм). Конфигурация соединительного торца 226 обеспечивает наличие физического (реального) промежутка между проходными отверстиями 292 и электрическими соединителями 244 (не показанными на фиг.5, 6 или 7), собранными в сквозных отверстиях 238, а также способствует электрической изоляции между множеством самих электрических соединителей. За счет группирования проходных отверстий 292 в центральной зоне 290 соединительный торец 226 может включать в себя изоляционную полосу 240, в которой отсутствует какой-либо соединитель и которая отделяет проходные отверстия 292 от электрических соединителей 244, в результате чего уменьшается вероятность того, что текучая среда достигнет электрических соединителей 244. Кроме того, за счет размещения сквозных отверстий 238 по периферии соединительного торца 226 расстояние между соседними электрическими соединителями может быть максимизировано, в результате чего уменьшается риск короткого замыкания между ними. Кроме того, большая электрическая энергия может быть подана к разным электрическим соединителям 244 в результате дополнительной изоляции, обеспечиваемой большим расстояниям между ними. За счет размещения сквозных отверстий 238 данным образом расстояние между соседними соединителями 244 может составлять целых 0,25 дюйма (6,35 мм) в показанном варианте осуществления. Для специалистов в данной области техники будет понятно, что данное расстояние может быть увеличено посредством уменьшения числа электрических соединений (28 в показанном варианте осуществления).
Монтажные соединения 104 могут также включать в себя самоуплотняющиеся центраторы для дополнительного ограничения случайного выхода текучей среды, когда модули разбирают после использования. Следует понимать, что самоуплотняющиеся центраторы могут быть использованы на любой гидравлической линии, включая гидравлическую линию, по которой проходят дополнительные «грязные» текучие среды, такие как пластовый флюид или скважинный флюид. Действительно, данные текучие среды могут содержать взвешенные частицы, которые стремятся забивать соединение у самоуплотняющегося центратора. Как лучше всего показано на фиг.9а и 9b, центратор 234 может включать в себя, например, корпус 300, образующий канал 230 для прохода текучей среды. Наружная поверхность корпуса 300 образована с кольцевым пазом 304, выполненным с размерами, обеспечивающими возможность приема уплотнительных колец 306, выполненных с конфигурациями, обеспечивающими возможность создания уплотнения между корпусом 300 и гнездом 190, расположенным на дистальном конце гидравлической линии. Корпус 300 включает в себя соединительный конец 308, в котором образовано, по меньшей мере, одно проточное отверстие 310, и предпочтительно 3 проточных отверстия, равномерно распределенных по окружной периферии корпуса 300 (не видимые в сечениях по фиг.9а и 9b). Использование множества проточных отверстий может обеспечить предотвращение забивания соединения на уровне клапана в отличие от самоуплотняющихся центраторов по предшествующему уровню техники.
Клапанный элемент, такой как клапанная втулка 312, входит в скользящий контакт с наружной поверхностью соединительного конца 308 корпуса и может перемещаться между закрытым положением, в котором втулка 312 предотвращает поток текучей среды через отверстие 310, как показано на фиг.9а, и открытым положением, в котором втулка открывает для воздействия, по меньшей мере, часть проточного отверстия 310 для обеспечения возможности прохода потока текучей среды. Упругий элемент, такой как пружина 314, простирается между корпусом 300 и втулкой 312 для поджима втулки 312 по направлению к закрытому положению.
Труба 182 для прохода потока текучей среды, проходящая через промежуточный блок 174 другого модуля, имеет принимающий конец 316, образующий гнездо 190, выполненное с размерами, обеспечивающими возможность приема соединительного конца 308. Принимающий конец 316 дополнительно включает в себя выступающий внутрь буртик 320, который выполнен с размерами, обеспечивающими возможность его взаимодействия с клапанной втулкой 312 при одновременном обеспечении возможности прохода через него соединительного конца 308 корпуса. Соответственно, при вставке корпуса 300 в гнездо 318 буртик 320 в конце концов предотвращает дальнейшую вставку втулки 312 при одновременном обеспечении возможности перемещения корпуса 300 относительно него, в результате чего золотниковый клапан 312 перемещается в открытое положение, как показано на фиг.9b. Впоследствии, когда корпус 300 извлекают из гнезда 318, пружина 314 автоматически возвращает золотниковый клапан 312 в закрытое положение, в результате чего предотвращается случайный и неконтролируемый выход текучей среды из канала 230 для прохода текучей среды. Следует отметить, что буртик 320 простирается на ограниченной части окружной периферии клапанной втулки 312. Использование буртика, который контактирует (взаимодействует) с малой частью клапанной втулки, может обеспечить предотвращение забивания соединения на уровне клапана. Кроме того, следует отметить, что в открытом положении буртик 320 расположен так, чтобы он не служил существенным препятствием потоку текучей среды, выходящей из отверстия(ий) 310. Использование буртика, который при открытом положении клапана расположен за отверстиями, может также обеспечить предотвращение забивания соединения на уровне клапана. Следует отметить, что несмотря на то, что самоуплотняющийся центратор был описан в связи с центратором 234, гидравлический соединитель 104 может включать в себя до четырех самоуплотняющихся центраторов в показанной конфигурации.
Несмотря на то что были приведены только некоторые варианты осуществления, альтернативные варианты и модификации будут очевидными из вышеприведенного описания для специалистов в данной области техники. В частности, гидравлический соединитель 104 был описан в связи с инструментом для опробования, спускаемым в скважину на кабель-тросе. Тем не менее, аналогичный инструмент для опробования, включающий в себя соединитель по настоящему изобретению, может быть перемещен в скважину на спусковой колонне, выполненной с возможностью приведения ее во вращение посредством роторного стола, расположенного в установке 100 для бурения с поверхности (фиг.1). Кроме того, соединитель по настоящему изобретению может быть использован в условиях бурения. Соединитель 104 может быть выполнен с конфигурацией, обеспечивающей возможность соединения несущих модулей вместе. Данные несущие модули могут быть вставлены в отверстие одной или нескольких утяжеленных бурильных труб, при этом будет оставаться кольцевое пространство для циркуляции бурового раствора по направлении к долоту. По меньшей мере, один несущий модуль соединен с зондом, выполненным с возможностью выдвигания его наружу из утяжеленной бурильной трубы. Кроме того, местоположение одной или нескольких из охватываемых и охватывающих частей гидравлических или электрических соединений может быть изменено на противоположное на соединительных торцах. Кроме того, соединитель по настоящему изобретению может быть увеличен или уменьшен по размеру, и в нем может быть «размещено», соответственно, большее или меньшее число независимых гидравлических или электрических соединений. Кроме того, число соединений может быть уменьшено при одновременном сохранении по существу идентичного размера соединителя. Данные и другие альтернативы рассматриваются как эквивалентные и находятся в пределах сущности и объема данного описания и приложенной формулы изобретения.