专利名称：一种带有电流回路感应耦合器的带线管接头的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于油井钻探和油井操作的装置和方法，可从钻孔中的位置传递测量数据到表面工作站。
背景技术：
边钻边测(MWD)和边钻边记录(LWD)系统由于其可提供钻头附近条件的实时数据的性能而得到很高评价。石油公司在使用复杂的钻井技术，如Schlun-berger公司开发的Geosteering系统，钻井过程中根据这些井底测量结果来作出决定。这个系统严重依赖正在钻进的地层的即时信息。工业部门正在继续开发新的可实现MWD和LWD的测量技术，包括数据容量很大的图形类测量技术。
这些新的测量技术和控制系统要求遥测系统具有比现有系统高很多的数据传输速率。其结果是，已经进行了实验或提出了许多用于边钻边测的遥测技术。
工业标准技术是泥浆脉冲遥测，其使用钻杆来传导钻探泥浆中的声波。目前，使用泥浆脉冲遥感技术，数据以1-6比特/秒范围内的比特速率送到地上表面。这样慢的速率不能传输一系列LWD产生的大量数据。在某些情况下(如泡沫钻探泥浆)，泥浆脉冲遥测完全不能工作。一般将部分或全部的数据储存在井下的存储器中，在比特传输结束时进行下载。这种延迟极大地降低了数据的应用价值。另外还存在很大的数据丢失危险，例如，如果钻头在井孔中失落。
通过地球路径(earth path)进行电磁遥测已经取得有限的成功，即使非常低的数据传输速率，也只能在有限的深度工作，这取决于地球的电阻。
通过钻杆进行声遥测已经进行了广泛的研究，但至今尚未在商业上应用。理论上，对数十比特/秒的数据速率的声波应当可以用于钢中。
在钻杆中设置金属丝的想法在过去25年中已经提出许多次。壳牌和埃索各自在20世纪70年代报告建立了实验性的带丝钻杆组。有关这些实验的现有技术可见Denison的题为“钻杆组遥测系统(DrillString Telemeter system)”的美国专利4,126,848，Barry等人的题为“用于钻杆组的电缆系统和该系统的安装使用方法(Cable System foruse in a Pipe String and Method for Installing and Using the same)”的美国专利3,957,118，和Deilhecker等人的题为“在钻杆组安装电导体的方法(Method for Installing an Electric Conductor in a Drill String)”的美国专利3,807,502；及W.J.McDonald刊登在“石油天然气”杂志1978年4月3日，115-124页的文章“用于边钻边测的四种不同系统(Four Different System Used for MWD”。相信这些系统都存在可靠性低和成本高的问题，因为都设有大量的电连接器。
IFP开发了一种称作“Simphor”的系统，其使用钢丝绳电缆和大而坚固的湿式连接器。这个系统从未在边钻边测上实现商业化。这个系统相信具有与钻井工艺干涉的问题。
早已知道可以使用电流耦合的感应耦合器。Meador的题为“互感器型电缆连接器”的美国专利4,605,268介绍了固定在钻杆密封表面的电流耦合感应耦合器的使用和基本操作。1997年12月18日提交的题为“钻探倾斜和水平井孔的方法”的俄罗斯联邦公开专利申请2140527和较早时于1992年2月14日提交的题为“在接合管的柱体内传递电能和数据的系统”的俄罗斯联邦公开专利申请2040691中都介绍了钻杆遥测系统，该系统使用安装在钻杆密封表面附近的电流耦合感应耦合器。Eastman Christensen GMBH的国际专利申请WO 90/14497A2，题为“在管组中传输数据信号和/或控制信号的过程和方法”，介绍了用于数据传输的安装在钻杆接头的标识符(ID)的感应耦合器。
其他有关的美国专利如下，Hernandez-Marti等人的题为“井口设备的感应耦合连接器(Inductive coupling connector for a well headequipment)”的美国专利5,052,941，Veneruso的题为“在井孔装置和表面之间进行电磁耦合功率和数据信号的装置(Apparatus forelectro-magnetically coupling power and data signals between well boreapparatus and the surface)”的美国专利4,806,928，Veneruso的题为“在第一单元和第二单元之间，尤其是在井孔装置和表面之间，进行电磁耦合功率和数据信号的装置(Apparatus for electro-magneticallycoupling power and data signals between first unit and a second unit andin particular between well bore apparatus and the surface)”的美国专利4,901,069，Veneruso的题为“传输涉及井孔电气装置操作的信息的装置和方法(Method and Apparatus for transmitting information relatingto the operation of downhole electrical device)”的美国专利5,531,592，Rhein-Knudsen等人的题为“回收和/或连通井下设备的装置和方法(Apparatus and method for retrieving and/or communicating withdownhole equipment”的美国专利5,278,550，Huber等人的题为“感应耦合器激活的完成系统(Inductive coupler activated completionsystem”的美国专利5,971,072。
这些参考文献都未能提供从钻头附近位置向地面站可靠地高速率地传送测量数据的遥测系统。因此，很需要有一种遥测系统，其能够可靠地从钻孔中位置向地面站通过高数据传送速率传送测量数据。
发明内容
本发明提出了一种坚固低损耗的带线管接头，可用作带线管线的部件从油井钻探和油井操作中的钻孔中位置传递数据到表面站。传导层通过减少各感应耦合器的电阻损失和磁通损失减少了钻杆组长度上的信号功率损耗。带线管接头是坚固的，当传导层中存在间隙时其仍可工作。
根据本发明的带线管接头包括细长的管状轴，其具有轴向孔；螺纹箱形端，螺纹销形端。固定安装到箱形端的第一环形线圈部分被第一高传导率低渗透率层包围，固定安装到销形端的第二环形线圈部分被第二高传导率和低渗透率层包围，使得当第一带线管接头的箱形端耦合第二带线管接头的销形端与其工作时，第一和第二高传导率和低渗透率层形成至少一部分环形路径，围绕第一带线管接头的第一环形线圈和第二带线管接头的第二环形线圈。带线管接头的第一和第二线圈的绕组进行电耦合。
根据本发明的感应耦合器包括带螺纹的箱形端，其带有固定其上的第一环形线圈和部分围绕第一环形线圈的第一高传导率和低渗透率层。还包括带螺纹的销形端，其带有固定其上的第二环形线圈和部分围绕第二环形线圈的第二高传导率和低渗透率层。第一电端子耦合到第一环形线圈的第一绕组，第二电端子耦合到第二环形线圈的第二绕组。带螺纹的箱形端、带螺纹的销形端和两个层可使当带螺纹的箱形端耦合到带螺纹的销形端进行工作时，第一和第二层形成至少一部分包围第一和第二环形线圈的环形路径。
图1显示了第一优选实施例。图1显示出带线管接头，其包括细长的具有轴向孔的管状轴、在箱形端的第一感应耦合器件、和在销形端的第二感应耦合器件。感应耦合器显示出由第一感应耦合器件和相邻的带线管线的销形端的第二感应耦合器件组成。箱形端形成内螺纹和带有第一槽的环形内肩部。第一槽形成了带有同心表面部分的第一环形凹进表面。第一环形凹进表面具有第一环形凹进高传导率低渗透率层。箱形端包括位于第一环形凹进高传导率低渗透率层的同心表面部分之间的第一线圈。销形端形成外螺纹，和带有第二槽的环形内接触管端。第二槽形成带有同心表面部分的第二环形凹进表面。第二环形凹进表面具有第二环形凹进高传导率低渗透率层。销状端包括位于第二环形凹进高传导率低渗透率层的同心表面部分之间的第二线圈。
第一高传导率低渗透率层构成部分包围第一线圈的高传导率低渗透率成型带。其形状与相邻的具有第二线圈和第二高传导率、低渗透率成型带的第二管接头的第二高传导率低渗透率成型带相配合，形成封闭的高传导率低渗透率环形路径。当第一和第二管接头锁定到一起作为操作管线的一部分时，封闭的路径包围第一线圈和第二线圈。
第一优选实施例包括双接触的管接头，其带有分别位于内肩部和内管端的第一和第二感应耦合器件。管接头的尺寸应使外管端和内肩部之间的距离大于外肩部和内管端之间的距离一个不大数量。当两个管接头适当地压紧时(即，用使外管端相对相邻带线管的外肩部实现适当管密封所需的扭矩压到一起)，该不大的数量允许该同一扭矩自动相对相邻带线管接头的内管端压紧内肩部，形成可靠封闭的高传导率低渗透率环形路径。
图1是本发明的带线管接头的第一优选实施例的截面图，带线管接头带有两个电流回路感应耦合器件，所显示的两个相邻带线管接头的带线管接头和一部分说明了根据优选实施例的感应耦合器；图2是两个面对的图1所示电流回路感应耦合器件的部分剖开透视图；图3是两个面对的图2所示电流回路感应耦合器件的部分剖开透视图，其中两个耦合器锁定在一起成为操作管线的一部分，包括了包围两个心部的封闭的高传导率低渗透率环形路径的剖视图；图4是显示安装图3所示的电流回路感应耦合器件的电磁元件的细节的放大剖视图；图5是图4所示的箱形端电流回路感应耦合器件的放大的局部剖开透视图，显示出线圈和内部电缆的细节；图6A是图1所示的带线管接头的电磁模式；图6B是第一优选实施例的环形路径的截面图；图6C是第一优选实施例的环形路径的透视图；图6D显示了封闭的高传导率低渗透率路径分段；图7是显示具有不同电缆连接位置的第一实施例的第一变化的放大的部分剖视图；图8是显示具有电磁元件第一变化位置的第一实施例的第二变化的放大的部分剖视图；图9是根据本发明的带线管接头的第二实施例的感应耦合器的剖视图，各个感应耦合器件具有带螺纹的环形封盖和环形高传导率低渗透率间隔块；图10是根据本发明的带线管接头的第三实施例的感应耦合器的剖视图，一个感应耦合器件具有带螺纹的环形传导封盖，另一个感应耦合器件具有高传导率低渗透率层；图11是根据本发明的带线管接头的第四实施例的感应耦合器的剖视图，各个感应耦合器件固定在管状支撑件内，支撑件连接到井孔的内圆柱形表面；图12是带线管接头的销形端的透视图，其中包含了图11所示的第四实施例的第一电流回路感应耦合器件；图13是带线管接头的箱形端的透视图，其中包含了图11所示的第四实施例的第二电流回路感应耦合器件；图14是根据本发明的带线管接头的第五实施例的剖视图，其中设有两个电流回路感应耦合器；显示了带线管接头510和两个相邻的带线管接头的一部分，以说明根据第五实施例的感应耦合器；图15是两个互相面对的图14所示第五实施例的电流回路感应耦合器件的部分剖开的透视图；图16是锁定在一起成为操作管线一部分的图14所示第五实施例的电流回路感应耦合器件的剖视图，其包括包围两个心部的高传导率低渗透率路径的透视图；图17是具有电磁元件第一变化位置的第五实施例第一变化的放大的剖视图；图18是具有电磁元件第二变化位置的第五实施例第二变化的放大的剖视图。
具体实施例方式
本发明提出了一种坚固的低损耗带线管接头，可用作油井钻探和油井操作所用的带线管线的部件。这种带线管线用于从井孔中的位置传递测量信息到表面工作站。优选实施例的带线管接头包括两个电流回路感应耦合器件，带线管接头的每一端各有一个，每个耦合器件包括部分被环形凹进高传导率低渗透率传导层包围的电磁线圈。当两个带线管接头锁定到一起作为操作管线的感应耦合器的一部分时，两个面对的传导层互相配合使封闭环形路径的高传导率低渗透率的部分包围两个带线管接头的面对端的两个线圈。传导层通过减少各个感应耦合器的电阻损失和感应损失减少了钻杆组长度的上信号功率损耗。带线管接头是坚固的，当传导层中存在间隙仍可以工作。
在图1所示的第一优选实施例中，两个电流回路感应耦合器件固定在管路各端部的内肩部。在图9所示的第二实施例中，各个感应耦合器件包括铜铍合金触点和电绝缘的间隔块。在图10所示的第三实施例中，一个感应耦合器件包括带螺纹的环形传导封盖。在图11所示的第四实施例中，各个感应耦合器件的一部分位于轴向孔中。在图14所示的第五实施例中，第一电流回路感应偶合器件安装到钻杆的箱形端的斜面部分，斜面部分靠近外密封管端，第二电流回路感应耦合器件安装到钻杆的销形端的靠近外密封肩部的斜面部分。第一优选实施例第一优选实施例在图1到图5中具体显示，示意性地显示于图6A。
图1显示了带线管接头10，其具有第一电流回路感应偶合器件21，和第二电流回路感应耦合器件31，各偶合器件位于管路各端部。图1还显示了包括细长管状轴11的带有轴向孔12的带线管接头10，位于箱形端22的第一感应耦合器件21，和位于销形端32的第二感应耦合器件31。感应耦合器20显示出由第一感应耦合器件21和相邻的带线钻杆的销形端32`上的第二感应耦合器件31`构成。
图1和图2显示了箱形端22形成内螺纹23，带有第一槽25的环形内接触肩部24。图1和图2还显示出相邻的带线钻杆的销形端32`形成外螺纹33`，带有第二槽25`的环形内接触管端34`(下面、附图中、和标记上带有上标斜线“`”表示该标记属于相邻的带线管接头)。
图3是两个相对的图2所示电流回路感应耦合器件的剖视图，其中耦合器件锁定在一起成为操作管线的一部分。其提供了围绕两个心部的封闭的高传导率低渗透率环形路径40的剖视图，和通道13的截面图。通道13形成了内部电缆14的通道，电缆电连接带线管接头10的两个感应耦合器件。
图4是显示安装的第一线圈28、第一高渗透率心部47和第一线圈绕组48的放大的剖视图。图4还显示了带有内部电缆14的通道13。(图4和图5为清楚显示，与销的尺寸相比，显示的第一线圈28比优选实施例中的大，钻杆强度不会受到影响)。
图4还显示了第一槽25，其形成了带有同心表面部分26a和26b的第一环形凹进表面26。第一环形凹进表面26具有第一环形凹进高传导率低渗透率层27。层27形成了第一环形凹腔。箱形端22包括第一线圈28，其固定安装到第一层27的同心表面部分27a和27b之间的第一环形空腔中。
图4还显示了形成第二环形凹进表面36`的第二槽35`，凹进表面36`带有同心表面部分36a`和36b`。第二环形凹进表面36`具有第二环形凹进高传导率低渗透率层37`。层37`形成了第二环形凹腔。销形端32`包括第一线圈38`，其固定安装到第二层37`的同心表面部分37a`和37b`之间的第二环形空腔中。
图4还显示了第一电流回路感应耦合器件21，其包括第一高传导率低渗透率层27，和第二电流回路感应耦合器件31`，其包括第二高传导率低渗透率层37`。各层涂复到或连接到槽的内表面。第一线圈28位于第一层27的同心表面部分27a和27b之间。因此，第一高传导率低渗透率成型层(或带)27部分围绕第一线圈28。同样地，第二高传导率低渗透率层(或带)37`部分围绕第二线圈38`。
第一线圈28通过填充材料42固定在槽中的适当位置。第一线圈28还受到保护填充材料43的保护，最好是RTV。类似地，第二线圈38`通过填充材料52`固定在槽中的适当位置。还受到保护填充材料53`的保护。
图5是图4的箱形端电流回路感应耦合器件的放大的剖视图，显示了包括第一高传导率低渗透率心部47和第一线圈绕组48的第一线圈28的细节。心部47具有轴向延伸的截面。图4中的第二线圈38`、第二心部57`和第二线圈绕组58`具有类似的结构。
线圈绕组48最好有许多圈。在第一优选实施例中，数目为大约200圈。图5的箱形端带可与相邻的第二管接头的第二高传导率低渗透率销形端带结合，形成封闭的高传导率低渗透率环形路径40，如图3所示。当第一和第二管接头锁定在一起成为操作的管线的一部分时，层27和37`形成路径40。封闭的路径围绕第一线圈和第二线圈，如图6A示意性显示。从图6A可以看到，根据本发明的低损耗电流回路感应耦合器可以看作两个通过路径40背对背连接的变压器。
各个线圈主要沿复合到槽内表面上的高传导率低渗透率层来感应管接头中的电流。各个传导材料层连接到或涂复到围绕心部的槽的表面。
高传导率低渗透率层可以用任何高传导率低渗透率材料制成，只要其具有比钢高的多的传导率，适合的高传导率低渗透率材料包括铜、铜合金(如黄铜、青铜、铜铍合金)、银、铝、金、钨和锌(及这些金属的合金)。
高传导率低渗透率层通过减少环形路径40的电阻减少了管线长度上的电阻损失，这是与假设路径40只是经过钢制管接头相比。高传导率低渗透率层还通过减少穿过各个带线管接头的钢的磁通减少了管线长度上的磁通损失。尽管理想的环形路径40是封闭的路径，但路径40形成完全封闭的传导层也是不必要的，因为路径40传导层中的间隙能被管端局部的钢桥接。环形路径传导层中的间隙可因位于管端的硬度较高钢的接触点附近较软的传导层出现磨损而产生。在管线长度上环形路径的传导层中出现一些间隙不会带来很大的功率损失，不会产生很大的影响。
环形路径40显示于图6B的剖视图。电流在截面图的平面上绕路径40流动，即在与管孔轴线平齐的平面上。电流在图6B和6C中用箭头表示。传导层27和37`之间在环形内接触肩部24与环形内接触管端34`对接的地方最好是没有间隙。由于电流在与轴向孔平齐的平面上的封闭回路中流动，构成路径40的高传导率低渗透率材料层可以由一个或多个分段组成，如图6D所示。图6D显示了封闭的高传导率低渗透率分段路径，其包括第一和第二分段层77和87`。尽管最简单形式的“环形路径”要求不间断的连续表面，因为电流不需要绕环形路径的主周边流动，高传导率低渗透率层可用一个或多个成型分段组成。
各个电流回路感应耦合器包括线圈绕组，最好大约有200圈。在优选实施例中，绕组置于保护材料中以免受到环境的影响。
各线圈在10KHz到2MKz的优选频率范围内工作，最好是在300kHz的频率下。在这个频率范围外的频率也可采用，但不能超过特定系统的通频带限度。
高传导率低渗透率材料层连接到或电镀到围绕两个线圈的槽的表面。这样可减少两个心部的电流的电阻。还可以防止磁场进入管材料，因此增加了耦合器的效率。在发明人进行测试的实施例中，每个耦合器的衰减已经减少到低于0.2dB。在最低的操作频率下高传导率低渗透率层只要很小的集肤深度(某个实施例为大约1毫米)。高传导率低渗透率层最好通过电镀形成。或者，也可以通过电成形、爆炸成形，或其他现有技术已知的方法。放置线圈的空腔最好设计成可使沿通过孔轴线的平面表面的路径长度最小。
对磁性心部材料进行选择以使滞后损失和涡流损失最小，并能耐受井下的环境。已经发现商品名为Supermalloy和Metglas的磁带材料是非常适合的，尽管也可使用其他材料。Supermalloy可以从位于美国宾夕法尼亚州East Butler的Spang and Company的分公司Magmetics获得。Metglas可从位于美国新泽西州Morristown的Honeywell Amorphous Metals公司获得。
心部最好通过在心轴上缠绕磁带材料、退火、浸渍环氧树脂来形成。然后将心轴抽出使心部截面最大化。为了减小漏磁通，线圈绕组最好围绕心部密集地缠绕，使各圈之间的间隔最小。这样的线圈是通过使用紧密缠绕的圆线或扁线实现的。然而，也可使用其他的技术，包括通过电镀或溅射沉积绕组(通过掩模或蚀刻得到绝缘的螺旋线)，或通过柔性印制电路板。额外的电容可以并联安装和连接到原始绕组以降低共振频率。
图1到4显示的内部电缆14至少在一部分孔中轴向延伸。图1所示的电缆14位于第一感应耦合器件21区域内的通道13中，然后途中在管孔中穿过，固定到管的内壁，到达第二感应耦合器件31。还可以使电缆14位于管接头的外表面上开出的槽中。管接头壁长度内的电缆14还可以位于深钻孔中。或者以固定电缆、铠装电缆或不希望的自由电缆的形式位于管接头的管孔中。
电流回路感应耦合器系统的可靠性可以通过引入多余电缆来提高。两对(或更多)的电缆可以从各接头的一端设置到另一端，两个独立的线圈绕组可缠绕在各耦合器上，使得一个电缆断开系统不会出现故障。如果电缆是独立绝缘的，一个短路不会使系统停机。
第一优选实施例包括双接触管接头，其带有分别位于内肩部和内管端的第一和第二感应耦合器件。管接头的尺寸应使外管端和内肩部之间距离大于外肩部和内管端之间距离的差值很小。图3显示了外管端41和环形内接触肩部24之间的距离D1，外肩部51`和环形内接触管端34`之间的距离D2。距离D1大于距离D2很小的量。当两个管接头适当地压紧时(即，用端部41相对临近带线管路的肩部51`实现适当管密封所需的扭矩压到一起)，所述距离的小差值允许同一扭矩自动相对临近带线管接头的内管端34`压紧内肩部24，可靠地形成封闭的高传导率低渗透率环形路径40。第一实施例的第一变化图7显示了第一实施例的第一变化，其中内电缆44和54`分别通过环形槽46和56`位于线圈28和38`的区域。应当注意到箱形端的填充材料42和保护填充材料43和45的位置和结构，销形端的填充材料52`和保护填充材料53`和55`的位置和材料不同于图4所示的第一实施例中的相同构件的位置和结构。第一实施例的第二变化图8显示了第一实施例的第二变化，其设置了径向偏置的线圈28和38`。箱形端的层65、27和66、67和销形端的层63`、68`提供的高传导率低渗透率材料可更好地封闭环形路径40。第一实施例的第三变化第一实施例的第三变化类似于图8的实施例，其中省略了一部分高传导率低渗透率环形层，如图8中的层67和68`。因此，构成封闭的高传导率低渗透率环形路径40的传导层有间隙。环形路径40包括至少一部分的钢管端以桥接间隙。第二实施例图9是根据本发明的带线钻杆的第二实施例的感应耦合器210的剖视图。在这个实施例中，感应耦合器件221和感应耦合器件231`各包括环形带螺纹的高传导率低渗透率传导封盖，环形电绝缘间隔块。各传导封盖最好用铜铍合金制成，各间隔块最好用陶瓷制成。
箱形端222形成了环形密封外管端(未显示)、第一环形最内内肩部241、第一环形中间内肩部242、第一环形最外内肩部243、和外管端和第一环形最外内肩部243之间的第一内螺纹223。第一线圈228安装在第一中间肩部242。
箱形端222包括第一环形带螺纹传导封盖224、第一环形高强度电绝缘间隔块226、和第一环形高传导率低渗透率层227。箱形端222形成外管端和第一中间肩部242之间的第一内螺纹223，和第三内螺纹229。第一环形螺纹传导封盖224通过第三内螺纹229连接到箱形端222。
第一传导封盖224包括第一环形主体部分245和第一环形边缘部分246，第一边缘部分的直径大于第一主体部分，第一主体部分在第一最内肩部142连接到箱形端。第一传导封盖224部分围绕第一线圈228，可相对第一环形中间内肩部242锁定线圈228，并相对第一环形最外内肩部243锁定第一环形高强度电绝缘间隔块226。
第一环形高传导率低渗透率层227最好覆盖第一内螺纹223和第三内螺纹229之间的箱形端内壁的环形部分。
销形端232`形成了环形密封外管端(未显示)、第二环形最内内肩部251`、第二环形中间内肩部252`、第二管端部253`、和外肩部和第二管端部253`之间的第二外螺纹233`。第一线圈238`安装在第二环形中间内肩部252`。
销形端232`包括第二环形螺纹传导封盖234`，第二环形高强度、电绝缘间隔块236`，和第二环形高传导率、低渗透率层237`。销形端232`形成外管端和内肩部之间的第二内螺纹233`和第四内螺纹239`。第二环形螺纹传导封盖234`通过第四内螺纹239`连接到销形端232`。
第二环形螺纹传导封盖234`包括第二环形主体部分255`和第二环形边缘部分256`，第二边缘部分的直径大于第二主体部分，第二主体部分在第二最内肩部251`连接到销形端。第二传导封盖234`部分围绕第二线圈238`，可相对中间肩部253`锁定线圈238`，并相对第二管端部253`锁定第二环形高强度电绝缘间隔块236。
第二环形高传导率低渗透率层237`最好覆盖第二内螺纹233`和第四内螺纹239`之间的销形端内壁的环形部分。
电缆214电耦合单个带线钻杆的第一和第二线圈上的绕组。电缆214通过通道213进入箱形端222。电缆214通过第二通道以相同的方式进入销形端232`。第三实施例图10是根据本发明的带线钻杆的第三实施例的感应耦合器310剖视图。在这个实施例中，位于箱形端327的第一感应耦合器件321包括环形高传导率低渗透率层327。
箱形端322形成位于外管端(未显示)和环形内接触肩部325之间的第一内螺纹323。第一线圈328固定地安装在第一环形槽326中。位于箱形端322的第一感应耦合器件321包括第一环形高传导率低渗透率层327。第一层327覆盖第一内螺纹323和环形内接触肩部325之间的箱形端内壁的环形部分，部分围绕第一线圈328。销形端332`形成外肩部(未显示)和环形内接触肩部335`之间的第一外螺纹333`。第二线圈338`固定安装到第二环形槽336`中。通过第四内螺纹339`螺纹连接到环形内接触肩部335`的带螺纹环形传导封盖334`使第二线圈338`位于第二环形槽336`。
电缆314电耦合单个带线钻杆的第一和第二线圈上的线圈绕组。电缆314通过第一通道313穿过箱形端332。电缆314通过第二通道以相同的方式穿过销形端333。第四实施例图11是根据本发明的带线钻杆的第四实施例的低损耗感应耦合器410的剖视图。带线钻杆具有位于管接头孔内的第一和第二电流回路感应耦合器件。
在第一感应耦合器410中，第一线圈固定到第一高传导率低渗透率管状支撑件415。支撑件415在第一管接头孔内局部连接到第一管接头。同样地，第二线圈412固定到第二高传导率低渗透率管状支撑件416。支撑件416在第二管接头孔中局部连接到第二管接头。当耦合器件互相配合时，第一高传导率低渗透率成型带413、第二高传导率低渗透率成型带414和两个高传导率低渗透率管状支撑件415和416形成封闭的高传导率低渗透率环形路径。这个路径围绕两个线圈，其功能相应于图6A的路径40。支撑件415和416可以用任何适当的高传导率低渗透率材料制成，如铜铍合金，或用磁性材料，如带有高传导率低渗透率材料涂层的钢。
图12是含有图11实施例的第一耦合器件的带线管接头的销形端的透视图。图13是含有图11实施例的第二耦合器件的带线管接头的箱形端的透视图。第五实施例图14到16具体地显示了第五实施例，并示意性显示于图6A。(示意性地非常类似于第一优选实施例)。
图14显示了带线管接头510，其包括细长的管状轴511。轴511具有箱形端522和销形端532。箱形端522包括第一电流回路感应耦合器件521和内锥形管螺纹523。箱形端523形成环形内表面锥形区514，其带有第一中空糟。销形端532包括第二电流回路感应耦合器件531和外锥形管螺纹533。销形端532形成环形外表面锥形区534，其带有第二中空槽535。如图14的上部所示，箱形端522与相邻的带线管接头的销形端耦合，形成感应耦合器520。第一电流回路感应耦合器件521和第二电流回路感应耦合器件531通过内部的电缆514互相电连接。图14还显示出外管端541和形成密封面的外肩部551。
图15和16详细地显示了图14的带线管接头的感应耦合器520。图15显示了箱形端522，其包括第一电流回路感应耦合器件521和内锥形管螺纹523。第一中空槽525形成了第一环形凹进表面526。同样地，销形端532显示出包括第二电流回路感应耦合器件531和外锥形管螺纹533。第二中空槽535形成了第二环形凹进表面536。
图16显示了图14和图15的耦合的电流回路感应耦合器件521和531的电磁元件的放大的剖视图。
图16显示出第一环形凹进表面526具有第一高传导率低渗透率层527。箱形端522包括第一线圈528，第一线圈包括第一高渗透性心部547，心部具有缠绕其上的第一线圈绕组548。第一线圈528位于第一中空槽525，并部分被层527包围。第二环形凹进表面536`具有第二高传导率低渗透率层537`。销形端532`包括第二线圈538`，其包括第二高渗透性心部557`，心部具有缠绕其上的第二线圈绕组558`。第二线圈538`位于第二中空槽535`，并部分被层537`围绕。
层527形成了第一高传导率低渗透率成型带，并部分包围第一线圈528。该带的形状可与第二高传导率低渗透率成型带配合，部分包围相邻的第二管接头的第二线圈538`，形成封闭的环形高传导率低渗透率路径540。当第一和第二管接头锁定到一起成为操作管线的一部分时，封闭的路径54包围第一线圈和第二线圈。
内部电缆514至少在管接头的孔的一部分上轴向延伸。图14和图16显示出电缆514通过第一通道544未受支撑地穿过孔的中心部分和箱形端522。电缆514还可以位于管接头的外表面上开出的槽中。或者管接头壁长度上的电缆514可以位于深钻孔中。电缆还可以固定电缆或铠装电缆的方式在管接头的孔中穿过。
根据本发明的的第五实施例的低损耗电流回路感应耦合器可以看作两个背对背通过类似图6A所示路径40的高传导率低渗透率环形路径连接到一起的变压器。
再参考图15，第一电流回路感应耦合器件521包括围绕轴向孔512的第一线圈528。第二电流回路感应耦合器件531`包括也与轴向孔512同心的第二线圈538`。第一耦合器件521包括第一管接头连接部分，其靠近第一连接螺纹，并具有部分围绕第一线圈的第一高传导率低渗透率层527。第二耦合器件531`包括第二管接头连接部分，其靠近第二连接螺纹，并具有部分围绕第二线圈的第二高传导率低渗透率层537`。第一高传导率低渗透率成型带的形状可与相邻的带线管接头的第二高传导率低渗透率成型带配合。当第一带线管接头和相邻的第二带线管接头螺纹连接到一起用于管线时，第一和第二高传导率低渗透率成型带形成封闭的高传导率低渗透率环形路径，包围带线管接头的第一线圈和相邻的带线管接头的第二线圈。
如图16所示，第一线圈528位于环形空腔560。环形空腔560由覆盖第一环形凹进表面526的第一高传导率低渗透率层527的凹进表面和被覆盖第二环形凹进表面536`的第二高传导率低渗透率层537`的凹进表面形成。第一中空槽525(见图15)在螺纹和密封表面附近形成，并围绕孔。在第一中空槽525中，线圈受到很好的保护免受钻探环境的影响。各线圈最好与橡胶保护涂层密封模制而成，但是也可以采用其他类型聚合物的双重模制。
再参考图15，感应耦合器520包括第一电流回路感应耦合器件521，其形成第一轴y-y、轴向孔512、和第一外管端541。还包括第一线圈528。第一线圈528位于横向于轴y-y的平面，围绕心部512，并位于第一耦合器件521中。第一耦合器件521具有外锥形管螺纹533`，和部分包围第一线圈528的第一高传导率低渗透率层527。第一高传导率低渗透率层527的形状与相邻的带线管接头的第二端件互补的第二高传导率低渗透率层537`配合，第二端件具有相应的围绕第二心部的第二电传导线圈绕组。两层配合可形成封闭的高传导率低渗透率环形路径540，其类似于图6A的路径40。当电流回路感应耦合器件521和531`耦合时路径540包围两个线圈。保护充填材料553和543`分别包围第一和第二线圈。路径540、环形空腔560、密封区接触边561`、和螺纹区接触边562在图16中显示。
图16显示出第一电流回路感应耦合器件521，其形成含有内电缆514的第一通道544。同样地，第二电流回路感应耦合器件531形成含有内电缆514`的第二通道544`。第五实施例的第一变化图17是第五实施例的第一变化的剖视图。在这个变化中，第一和第二心部及第一和第二高传导率，低渗透率层位于最近带线管接头的密封表面的位置。第五实施例的第二变化图18是第五实施例的第二变化的剖视图，其类似于第一变化。第五实施例的第三变化在第五实施例的第三变化(未显示)中，带线管接头包括细长的高传导率低渗透率材料制成的管状轴。该轴在第一端形成第一高传导率低渗透率成型带，在第二端形成第二高传导率低渗透率成型带。第五实施例的第四变化第五实施例的第四变化提供了一种具有用铜铍合金制成的轴的带线管接头。第五实施例的第五变化第五实施例的第五变化提供了两个短替代感应耦合器。各替代耦合器有金属制的短轴和部分被环形凹进高传导率低渗透率传导层包围的单个感应耦合器件。如果轴是用高传导率低渗透率材料制成，比如铜铍合金，传导层就不是必需的。第五变化未显示出但使用的元件作为第五实施例的一部分在上面进行介绍。感应耦合器类似于第五实施例的两个端部的耦合器。第一替代耦合器可螺纹连接到常规(无螺纹)管接头的第一端，第二替代耦合器可螺纹连接到管接头的第二端，形成带线管接头组件(未显示)。该带线管接头组件的两个感应耦合器件可通过在管接头的孔中穿过的电缆在现场互相电耦合。使用替代感应耦合器增加了两倍的螺纹接头，但不增加给定钻杆所需的感应耦合器件的数量，所用方法要求安装替代感应耦合器后进行至少一个电缆连接。第六实施例带线管接头的第六实施例如图17的剖视图所示，如图6A示意性地显示。(第六实施例非常类似于第一优选实施例)。
图17显示出感应耦合器620包括第一电流回路感应耦合器件62和相邻带线管接头的第二电流回路感应耦合器件631`。箱形端622形成内锥形管螺纹623、密封管端624和在密封管端624的第一环形槽625。销形端632`形成外锥形管螺纹633`、密封肩部634`和在密封肩部634`的第二环形槽635`。箱形端622与相邻带线管接头的销形端632`耦合形成感应耦合器620。
第一环形槽625容纳形成第一环形空腔的第一环形凹进高传导率低渗透率层627。第一线圈628固定在第一环形空腔的填充化合物中。第二环形槽635`容纳形成了第二环形空腔的第二环形凹进高传导率低渗透率层637`。第二线圈638固定在第二环形空腔的填充化合物中。
第一电流回路感应耦合器件621的第一线圈628的绕组和带线钻杆的第二电流回路感应耦合器件(未显示)通过内部电缆614电连接。
在第六实施例中，如图17所示，密封管端624包括被第一槽625分开的内和外环形部分，肩部634`包括被第二槽635`分开的内和外环形部分。
在第六实施例的变化中，图18显示了一种带线管接头，其具有更坚固(无开口)的密封管端644和更坚固的肩部654`。该变化还包括了最接近内螺纹643的内环形表面上的第三高传导率低渗透率层647，和在最接近外螺纹653`的外环形表面上的第四高传导率低渗透率层657`。
权利要求
1.一种具有轴向孔的带线管接头，包括细长的管状轴；箱形端，位于所述轴的第一端，所述箱形端形成接触环形外管端，接触环形内肩部，和在所述外管端和所述内肩部之间的内螺纹，所述内肩部具有第一环形槽，所述第一槽具有第一环形凹进高传导率低渗透层，形成了第一环形凹腔，和固定安装到所述第一环形凹腔中的第一线圈；销形端，位于所述轴的第二端，所述销形端形成接触环形外肩部、接触环形内管端、和所述外肩部和所述内管端之间的外螺纹，所述内管端具有第二环形槽，所述第二槽具有第二环形凹进高传导率低渗透率层，其形成第二环形凹腔；和固定安装到所述第二环形凹腔的第二线圈；和电耦合所述第一和第二线圈的线圈绕组的机构。
2.根据权利要求1所述的带线管接头，其特征在于，所述凹进层具有同心的表面部分。
3.根据权利要求1所述的带线管接头，其特征在于，所述外管端和所述内肩部之间的轴向距离近似等于所述外肩部和所述内管端之间的轴向距离。
4.根据权利要求3所述的带线管接头，其特征在于，所述外管端和所述内肩部之间的轴向距离大于所述外肩部和所述内管端之间的轴向距离，其差值足以保证，相对所述内管端压紧所述内肩部以形成严密的高传导率低渗透率环形路径所需的扭矩等于相对所述外肩部压紧所述外管端以实现适当管密封的扭矩。
5.根据权利要求1所述的带线管接头，其特征在于，所述箱形端包括供穿过所述箱形端部分的所述电缆通过的通道。
6.根据权利要求1所述的带线管接头，其特征在于，所述各线圈具有沿细长轴向的截面。
7.根据权利要求1所述的带线管接头，其特征在于，所述各层材料包括从由铜、黄铜、青铜、铜铍合金、银、铝、金、钨、和锌组成的一组材料选出的材料。
8.根据权利要求1所述的带线管接头，其特征在于，所述各层是涂层，所述涂层材料从由铜、黄铜、青铜、铜铍合金、银、铝、金、钨、和锌组成的一组材料选出。
9.根据权利要求1所述的带线管接头，其特征在于，所述第一层是材料插件，所述材料从由铜、黄铜、青铜、铜铍合金、银、铝、金、钨、和锌组成的一组材料中选出。
10.根据权利要求1所述的带线管接头，其特征在于，所述各线圈用填充材料进行密封。
11.根据权利要求1所述的带线管接头，其特征在于，至少一个所述高传导率和低渗透率层包括至少一个分段。
12.根据权利要求1所述的带线管接头，其特征在于，所述内肩部包括供所述电缆通过进入所述轴向孔的槽。
13.根据权利要求1所述的带线管接头，其特征在于，所述内管端包括供所述电缆通过进入所述轴向孔的槽。
14.根据权利要求1所述的带线管接头，其特征在于，所述第一线圈和所述第二线圈是径向偏置的。
15.根据权利要求1所述的带线管接头，其特征在于，形成所述环形路径的所述高传导率和低渗透率层的间隙被一部分管端桥接。
16.一种具有轴向孔的带线管接头的感应耦合器，所述感应耦合器包括第一带线管接头的箱形端，所述箱形端形成接触环形外管端，接触环形内肩部，和在所述外管端和所述内肩部之间的内螺纹，所述内肩部具有第一环形槽，所述第一槽具有第一环形凹进高传导率低渗透率层，形成第一环形凹腔，和固定安装到所述第一环形凹腔中的第一线圈；第二带线管接头的销形端，所述销形端形成接触环形外肩部、接触环形内管端、和所述外肩部和所述内管端之间的外螺纹，所述内管端具有第二环形槽，所述第二槽含有第二环形凹进高传导率低渗透率层，其形成第二环形凹腔；和固定安装到所述第二环形凹腔的第二线圈；和相对所述内管端向所述内肩部加压的螺纹机构，使所述第一层和所述第二层受压到一起，形成包围两个线圈的封闭高传导率低渗透率环形路径。
17.根据权利要求16所述的感应耦合器，其特征在于，所述第一和第二层形成了环形路径，所述环形路径包括至少一部分管端。
18.一种具有轴向孔的带线管接头，其包括细长的管状轴；箱形端，位于所述轴的第一端，所述箱形端形成环形外管端，第一环形最内内肩部，第一环形中间内肩部，第一环形最外内肩部，和在所述外管端和所述最外环形内肩部之间的第一内螺纹；位于所述第一中间肩部的第一线圈；第一环形电绝缘间隔块；第一环形高传导率低渗透率封盖，具有第一环形主体部分和第一环形边缘部分，所述第一边缘部分的直径大于所述第一主体部分，所述第一主体部分连接到位于所述第一最内肩部的箱形端，所述第一边缘部分锁定所述第一线圈和所述第一间隔块到所述箱形端；销形端，位于所述轴的第二端，所述销形端形成环形外肩部、第二环形最内内肩部、第二环形中间内肩部、第二内管端、和所述外管端和所述第二内管端之间的第二内螺纹；位于所述第二中间肩部的第二线圈；第二环形电绝缘间隔块；第二环形高传导率低渗透率封盖，具有第二圆柱形主体部分和第二圆柱形边缘部分，所述第二边缘部分的直径大于所述第二主体部分，所述第二主体部分连接到位于所述第二最外肩部的所述箱形端，所述第二边缘部分锁定所述第二线圈和所述第二间隔块到所述销形端；和电耦合所述第一和第二线圈的线圈绕组的机构。
19.根据权利要求18所述的带线管接头，其特征在于，所述第一最内环形内肩部形成第三内螺纹，所述第一主体带有螺纹并可通过所述第三内螺纹连接到所述箱形端。
20.根据权利要求18所述的带线管接头，其特征在于，所述箱形端形成第一内螺纹和最外内肩部之间的第一环形内壁，还包括位于所述第一环形内壁上的第一环形高传导率低渗透率层。
21.根据权利要求18所述的带线管接头，其特征在于，所述箱形端包括位于所述第一中间肩部的环形高传导率低渗透率层。
22.根据权利要求18所述的带线管接头，其特征在于，所述销形端包括位于所述第二中间肩部的环形高传导率低渗透率层。
23.根据权利要求18所述的带线管接头，其特征在于，所述第二最内环形内肩部形成第四内螺纹，所述第二带螺纹的主体部分通过所述第四内螺纹连接到所述销形端。
24.一种具有轴向孔的带线管接头，包括细长的管状轴；箱形端，形成围绕所述轴向孔的第一成型表面，所述箱形端包括位于形成第一成型带的所述第一成型表面上的第一层高传导率低渗透率材料；第一管状支撑件，连接到所述轴向孔内的所述箱形端；第一线圈，受到同轴的所述第一管状支撑件的包围和支持，所述线圈围绕所述第一成型带，但又与其分离；销形端，形成围绕所述轴向孔的第二成型表面，所述销形端包括位于形成第二成型带的所述第二成型表面上的第二层高传导率和低渗透率材料；第二管状支撑件，连接到所述轴向孔内的所述销形端；第二线圈，受到同轴的所述第二管状支撑件的包围和支持，所述线圈围绕所述第二成型带，但又与其分离；和电耦合所述第一和第二线圈的线圈绕组的机构。
全文摘要
提出一种用于带线管线的坚固低损耗的带线管接头，所述管线可从油井钻探和油井操作的钻孔中的位置传递测量信息到表面工作站。传导层通过减少各电感耦合器的电阻损失和磁通损失减少了钻井杆长度上的信号功率损失。带线管接头是坚固的，在传导层存在空隙时仍能工作。带线管接头包括细长管状轴，带有轴向孔、螺纹箱形端、螺纹销形端。固定安装到箱形端的第一环形线圈一部分被第一高传导率低渗透率层包围，固定安装到销形端的第二环形线圈一部分被第二高传导率低渗透率层包围，当箱形端与销形端耦合进行工作时，第一和第二高传导率低渗透率层至少形成环形路径的一部分，可包围绕组电耦合的第一环形线圈和第二环形线圈。
文档编号E21B17/00GK1461871SQ03140700
公开日2003年12月17日 申请日期2003年6月2日 优先权日2002年5月31日
发明者J·琼德特, B·W·博伊尔, R·马达范 申请人:施卢默格海外有限公司