Удержание электрических пружинных контактов для мокрого соединения компонентов скважинного инструмента
HOLDING ELECTRIC SPRING CONNECTIONS FOR WET COMPONENTS JOINING OF DOWNHOLE TOOL

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
По данной заявке испрашивается приоритет согласно находящейся на рассмотрении предварительной заявке США №61/939623 от 13 февраля 2014 года, которая целиком включена в данную заявку посредством ссылки.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Область техники
Изобретение относится к установлению электрических соединений в скважинных условиях. Более конкретно, варианты осуществления изобретения касаются удержания кольцевых контактов электрического разъема, предназначенного для соединения компонентов скважинного инструмента во влажной окружающей среде.
Описание уровня техники
В стволе скважины часто устанавливают приборы и инструменты для определения скважинных условий и контроля работы скважины. Например, часто устанавливают датчики и буровые инструменты, получающие питание и поддерживающие связь с поверхностью посредством команд или сигналов данных. Монтаж электрических схем с этими датчиками и буровыми инструментами часто завершают в скважинных условиях, которые могут содержать буровые растворы или другие жидкости. Соединение сопрягающихся компонентов во влажной среде скважины часто называют мокрым соединением.
Одним типом электрического контакта, используемого в мокрых соединениях, является пружинный контакт, отходящий от одного сопрягающегося компонента и имеющий достаточную упругость и гибкость для поддержания контакта с соответствующим вторым сопрягающимся компонентом, когда эти два компонента входят в контакт друг с другом. Одна проблема, связанная с мокрыми соединениями, состоит в том, что при установке инструмента или при работе с ним выступающий электрический контакт может сдавливаться или смещаться с места, где он должен находиться, Это может привести к тому, что инструмент не сможет установить электрические схемы, необходимые для правильной работы, а также к повреждению инструмента в результате короткого замыкания. По мнению заявителя, существует потребность в средствах удерживания упругих электрических контактов сопрягающихся компонентов устройства мокрого соединения, используемого в скважинной среде.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Ниже описаны примеры выполнения устройства мокрого соединения, содержащего кольцевой электрический контакт, состоящий из цилиндрической пружины. Цилиндрическая пружина образует кольцо, например, посредством приваривания или присоединения друг к другу иным способом витков ее противоположных концов. Это кольцо расположено в канавке, выполненной на одном сопрягающемся компоненте, так, что цилиндрическая пружина выступает из канавки для создания электрического контакта с другим соответствующим сопрягающимся компонентом. Внутри цилиндрической пружины расположен радиальный удерживающий элемент, обеспечивающий смещение цилиндрической пружины в радиальном направлении для ее удержания в канавке.
В одном варианте выполнения устройство мокрого соединения, предназначенное для работы в скважинных условиях, содержит охватывающий компонент, определяющий внутреннюю кольцевую стенку, имеющую по меньшей мере один расположенный на ней электрод, электрически соединенный со скважинным инструментом, связанным с охватывающим элементом; охватываемый компонент, расположенный по меньшей мере частично в пространстве, ограниченном указанной внутренней кольцевой стенкой и электрически соединенный с оборудованием, расположенным выше устройства; и кольцевой электрический контакт, устанавливающий неразрывное электрическое соединение между охватываемым и охватывающим компонентами. Кольцевой электрический контакт содержит упругий наружный элемент, выполненный из цилиндрической пружины, концы которой сплавлены друг с другом, и внутренний удерживающий элемент, расположенный внутри упругого наружного элемента и обеспечивающий радиальное смещение упругого наружного элемента, при этом внутренний удерживающий элемент выполнен в виде кольца для брелоков, определяющего виток, который проходит в направлении, по существу перпендикулярном к направлению витка, определяющего цилиндрическую пружину.
В другом варианте выполнения кольцевой электрический контакт для устройства мокрого соединения, предназначенного для работы в скважинных условиях, содержит упругий наружный элемент, выполненный из цилиндрической пружины, концы которой сплавлены друг с другом, и внутренний удерживающий элемент, расположенный внутри упругого наружного элемента и обеспечивающий радиальное смещение упругого наружного элемента, при этом внутренний удерживающий элемент выполнен в виде кольца, определяющего виток, который проходит в направлении, приблизительно перпендикулярном к направлению витка цилиндрической пружины. Кольцевой электрический контакт устанавливает неразрывную электрическую связь между скважинным оборудованием и оборудованием, расположенным выше по стволу скважины.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Для того, чтобы указанные выше признаки, аспекты и преимущества изобретения, а также другие его признаки, аспекты и преимущества, которые будут очевидны, были понятны в деталях, в дополнение к изложенному выше краткому описанию изобретения, ниже представлено подробное описание вариантов его осуществления, сопровождаемое чертежами. Следует иметь в виде, что чертежи иллюстрируют только предпочтительные варианты осуществления изобретения и не ограничивают его объем, так что возможны другие в равной степени эффективные варианты осуществления изобретения.
Фиг. 1 схематично изображает разрез устройства мокрого соединения, содержащего охватываемый компонент, вставленный в охватывающий компонент, согласно варианту осуществления изобретения.
Фиг. 2 изображает в перспективе часть показанного на фиг. 1 охватываемого компонента, где видны множество кольцевых электрических контактов, расположенных в соответствующих канавках.
Фиг. 3 изображает в перспективе часть показанного на фиг. 1 охватываемого компонента, где один из кольцевых электрических контактов, сдавлен и частично смещен из канавки.
Фиг. 4 схематично изображает в перспективе кольцевой электрический контакт, показанный на фиг. 2.
Фиг. 5 схематично изображает разрез кольцевого электрического контакта, показанного на фиг. 2, установленного в канавке.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Согласно варианту осуществления изобретения, изображенному на фиг. 1, устройство 10 мокрого соединения содержит охватываемый компонент 12, установленный в охватывающем компоненте 14. Охватываемый компонент 12 имеет осевое расточное отверстие 16, проходящее вдоль продольной оси "А" и образующее канал для бурового раствора или других жидкостей, закачиваемых вниз в ствол скважины или извлекаемых из него. Эти флюиды могут способствовать созданию влажной среды в стволе скважины.
Охватываемый компонент 12 содержит кабелепровод 18, проходящий в осевом направлении, так что охватываемый компонент 12 может быть электрически соединен с оборудованием (не показано) на поверхности или с другим скважинным оборудованием, расположенным выше устройства 10 мокрого соединения. Кабелепровод 18 электрически соединен с пятью кольцевыми электрическими контактами 20, расположенными на расстоянии друг от друга в осевом направлении вдоль наружной периферической стенки 22 охватываемого компонента 12 для создания электрического соединения с охватывающим компонентом 14. В других вариантах количество кольцевых электрических контактов 20 может быть больше или меньше. Наружная периферическая стенка определяется проводящими кольцами 24 и электроизолирующими кольцами 26, которые отделены друг от друга промежутками в осевом направлении. Кольцевые электрические контакты 20 электрически соединены с кабелепроводом 18 посредством проводящих колец 24. В проводящих кольцах 24 имеются кольцевые канавки 28 образующие гнезда для размещения кольцевых электрических контактов 20. Кольцевые электрические контакты 20 упруго выступают в радиальном направлении из кольцевых канавок 28 за наружную периферическую стенку 22 для контакта с внутренней периферической стенкой 30 охватывающего компонента 14.
Внутренняя периферическая стенка 30 определяется периферическими электродами 34 и промежуточными электроизолирующими участками 36 охватывающего компонента 14. Электроды 34 могут быть выполнены из меди или других электропроводных материалов, а электроизолирующие участки 36 могут быть выполнены из ПЭЭК полимера (полиэфирэфиркетона), других термопластиков, керамических материалов или других непроводящих материалов, известных специалистам в данной области техники. Электроды 34 электрически соединены с кабелепроводом 38, проходящим в осевом направлении вдоль охватывающего компонента 14. Кабелепровод 38 может быть электрически соединен с множеством датчиков, двигателями или другими скважинными инструментами (не показаны), расположенным в скважине ниже относительно устройства 10 мокрого соединения. Таким образом, благодаря неразрывности электрического соединения между охватываемым компонентом 12 и охватывающим компонентом 14 устройство 10 мокрого соединения обеспечивает электросвязь между оборудованием на поверхности и присоединенным к нему скважинным оборудованием.
На охватываемом компоненте 12 выше и ниже кольцевых электрических контактов 20 установлены верхняя пара кольцевых уплотнений 42 и нижняя пара кольцевых уплотнений 44. Кольцевые уплотнения 42, 44 находятся в контакте с внутренней кольцевой стенкой 30 охватывающего компонента для гидравлического изолирования кольцевых электрических контактов 20 от наружных частей устройства 10 мокрого соединения. Кольцевые электрические контакты 20 гидравлически изолированы друг от друга посредством гидравлических уплотнений 46, расположенных выше и ниже каждого электрического контакта 20. Уплотнения 46 установлены между электроизолирующими кольцами 26 и электроизолирующими участками 36 охватывающего компонента 14 и контактируют с внутренней кольцевой стенкой 30. Гидравлические уплотнения могут быть выполнены из эластомера или другого диэлектрического материала, так что они позволяют каждому электрическому контакту 20 и электроду 34 передавать отдельно энергию и/или сигналы данных через устройство 10 мокрого соединения. В случае, если при установке охватываемого компонента 12 в охватывающий компонент 14 между уплотнениями 46 попадает какой-либо скважинный или другой флюид, то он остается в электрически изолированной полости 48 и не мешает передаче энергии и/или сигналов данных через соседние электрически изолированные полости 48.
На фиг. 2 изображен охватываемый компонент 12 с кольцевыми электрическими контактами 20, расположенными в кольцевых канавках 28. Кольцевые электрические контакты 20 содержат упругий наружный элемент 50, выступающий в радиальном направлении относительно наружной периферической стенки 22. В проиллюстрированном варианте упругий наружный элемент 50 выполнен из металлической цилиндрической пружины, концы которой сварены или соединены между собой иным образом, так что наружный упругий элемент 50 имеет форму кольца. Внутренний диаметр этого кольца несколько меньше наружного диаметра кольцевых канавок 28 и поэтому упругий наружный элемент 50 смещен в радиальном направлении внутрь, поддерживая физический и электрический контакт с проводящими кольцами 24. В других вариантах выполнения (не показаны) наружный упругий элемент 50 может быть выполнен из гибкой металлической сетки или других упругих и электропроводящих конструкций.
На фиг. 3 показано, что к одному упругому наружному элементу 50 приложена сила "F", которая сдавливает его и в результате частично выводит из кольцевой канавки 28. Как понятно специалисту в данной области, силы "F" могут быть приложены к упругому наружному элементу 50 выступами, заплечиками или другими выступающими препятствиями в стволе скважины при введении в него охватываемого компонента 12 до соединения охватываемого компонента с охватывающим компонентом 14 (фиг. 1). При ненадлежащем управлении процессом введения наружный упругий элемент 50 под действием этих сил "F" может выкатиться из канавки 28, вызвав короткое замыкание, ухудшающее неразрывность электрической цепи и/или приводящее устройство 10 мокрого соединения в по меньшей мере частично неработоспособное состояние.
Как видно на фиг. 4, в цилиндрический упругий элемент 50 вставлен внутренний удерживающий элемент 52, способствующий удержанию кольцевого электрического контакта 20 в канавке 28. Для упрощения чертежа показаны лишь несколько витков упругого наружного элемента 50, хотя он проходит по дуге 360° вокруг внутреннего удерживающего элемента 52. Внутренний удерживающий элемент 52 выполнен в виде «кольца для брелока», которое может быть названо «кольцом для ключей». Внутренний удерживающий элемент 52 имеет большую жесткость, чем упругий наружный элемент 50, и содержит металлический стержень или проволоку 54, образующую один полный виток с перекрывающейся частью 56. В перекрывающейся части 56, протяженность которой определяется радиальным углом "α", первый участок 60 проволоки 54 расположен рядом с ее вторым участком 62. В некоторых вариантах выполнения радиальный угол "α" лежит в диапазоне приблизительно 90°-150°. В некоторых вариантах выполнения угол "α" равен приблизительно 120°. В некоторых вариантах выполнения первый и второй участки 60, 62 проволоки 54 примыкают друг к другу в ненапряженном состоянии и их можно раздвинуть в осевом направлении, чтобы вокруг внутреннего удерживающего элемента 52 можно было установить упругий наружный элемент 50.
1
2
2
1
2
Как показано на фиг. 5, витки упругого наружного элемента 50 и внутреннего удерживающего элемента 52 проходят в по существу перпендикулярных направлениях. Виток наружного упругого элемента 50 расположен вдоль оси "А", а виток внутреннего удерживающего элемента 52 проходит по окружности вокруг продольной оси "А". В этом варианте выполнения канавка 28, образованная в проводящем кольце 24, имеет внутренний диаметр ID, а внутренний удерживающий элемент 52 имеет внутренний диаметр ID в ненапряженном состоянии. Толщина витка наружного упругого элемента 50 достаточно мала, чтобы внутренняя сторона удерживающего элемента 52, определяемая его внутренним диаметром ID, не прижимала упругий наружный элемент 50 к дну канавки 28, определяемому ее внутренним диаметром ID. Поэтому упругий наружный элемент 50 может в некоторой мере скользить, изгибаться и/или перемещаться в канавке 28, но будет удерживаться в ней внутренним удерживающим элементом 52. В других вариантах выполнения внутренний диаметр ID внутреннего удерживающего элемента 52 достаточно мал, так что он упирается в наружный упругий элемент 50 и обеспечивает его смещение в радиальном направлении с введением в контакт с канавкой 28.
2
1
1
2
1
В проиллюстрированных вариантах выполнения внутренний диаметр ID внутреннего удерживающего элемента 52 меньше наружного диаметра OD канавки 28. Поэтому для размещения кольцевого электрического контакта 20 в канавке 28 радиальное смещение внутреннего удерживающего элемента 52 нужно на некоторое время преодолеть настолько, чтобы он расширился и его диаметр превысил наружный диаметр OD канавки 28. Затем внутренний удерживающий элемент 52 можно возвратить в ненапряженное (или менее напряженное) состояние для введения кольцевого электрического контакта 20 в канавку 28. Наружный диаметр OD упругого наружного элемента 50 больше наружного диаметра OD канавки 28, что позволяет установить электрический контакт наружного элемента 50 с электродами 34 (фиг. 1) охватывающего компонента 14 (фиг. 1).
1
В альтернативных вариантах выполнения (не показаны) внутренний удерживающий элемент может образовывать неполный виток, так что перекрывающая часть в этом случае будет отсутствовать. Например, протяженность внутреннего удерживающего элемента может соответствовать радиальному углу 150°, что позволяет внутреннему удерживающему элементу обеспечивать радиальное смещение и установку упругого наружного элемента 50 в канавке 28. В других вариантах выполнения внутренний удерживающий элемент может быть гибкой медной проволокой, концы которой соединены или сплавлены друг с другом, образуя петлю, внутренний диаметр которой меньше наружного диаметра OD канавки 28. В других альтернативных вариантах выполнения внутренний удерживающий элемент может быть выполнен из эластичной или эластомерной полосы и может содержать электропроводные и электроизолирующие материалы.
В одном применяемом варианте выполнения упругий наружный элемент 50 образуют путем сваривания противоположных концов цилиндрической пружины между собой с получением петлеобразной конструкции. Затем устанавливают внутренний удерживающий элемент 52, раздвигая в осевом направлении первый и второй участки 60, 62 проволоки 54, чтобы между ними можно было вставить виток упругого наружного элемента 50. До или после полного введения внутреннего удерживающего элемента 52 в упругий наружный элемент 50 можно установить кольцевой электрический контакт 20 в канавку 28. Затем охватываемый компонент 12 можно опустить во влажную среду ствола скважины, где находится охватывающий компонент 14. Если при опускании охватываемого компонента к упругому наружному элементу 50 приложена сила "F", то внутренний удерживающий элемент 52 удерживает кольцевой электрический контакт 20 в канавке 28. Даже если приложенная сила "F" разорвет виток упругого наружного элемента 50 в месте сварки его концов или в другом месте, внутренний удерживающий элемент 52 будет удерживать кольцевой электрический контакт 20 в канавке 28. Таким образом, при установке охватываемого компонента 12 в пространство, ограниченное внутренней периферической стенкой 30 охватывающего компонента 14, может быть установлено электрическое соединение с соответствующим электродом 34, даже когда упругий наружный элемент 50 поврежден.
Таким образом, описанное изобретение обеспечивает достижение указанных выше и других целей и преимуществ. Хотя для раскрытия изобретения были описаны варианты его осуществления, возможны многочисленные изменения в деталях процессов для достижения требуемых результатов. Эти и другие модификации, очевидные для специалистов, должны соответствовать сущности изобретения, раскрытой в описании, и находиться в рамках объема изобретения, определяемого его формулой.