Mwd系统中的钻柱地埋隔离壳体和方法
【专利说明】MWD系统中的钻柱地埋隔离壳体和方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请涉及并要求美国非临时申请N0.13/827，945的优先权，该申请的全部内容以引用方式并入本文。
技术领域
[0003]本申请一般涉及地埋操作，并且更具体地涉及用于将电信号电耦合至导电钻柱上来传输信号的装置和方法。
【背景技术】
[0004]通常，诸如为了安装公用设施管线、钻孔勘测等而打钻以形成钻孔以及后续对钻孔进行扩孔等地埋操作使用从地上钻机延伸的导电钻柱。现有技术包括使用导电钻柱作为用于将数据信号从地埋工具电传输至钻机的电导体的实例。为了在钻机处检测信号，钻机周围的地面用作信号返回路径。这种类型的系统通常称为随钻测量(“MWD”)系统。
[0005]例如，在美国专利N0.4，864,293(在下文中为’293专利)中可以看到在MffD系统中尝试使用钻柱作为电导体的实例。在一个实施例中，该专利教导了一种围绕钻柱装配的电隔离套环。本发明的申请人认识到，在极端恶劣的地埋环境下，这种电隔离套环(图2，项目32)的使用至少在耐用性方面是存在问题的。在图3和图4中所示的另一实施例中，示意性地示出了适当的介电分隔装置40，并声明该介电分隔装置40用于将钻柱的前部与钻柱的其余部分电隔离。没有提供适当地教导读者如何制造该分隔装置的细节，但能够合理地设想:其中绝缘体被简单地插入到钻柱的断开部，从而与钻柱共同旋转。不幸的是，在钻探操作期间，绝缘体将会受到与钻柱的钻管段同样严酷的机械应力，包括回拉操作期间的纯拉力以及因钻机施加在钻柱上的旋转扭矩而产生的高剪切力。虽然钻柱通常由能够很容易地承受这些力的高强度钢制成，但申请人不知道任何当前可用的能够以申请人认为可接受的可靠性来承受所有这些不同力的非导电材料。应认识到，在钻探操作期间，钻柱端部折断所造成的后果极其严重。因此，以所建议的方式使用绝缘体而带来的风险被认为是不可接受的。
[0006]在美国专利N0.4，348，672中可以看到一种甚至更早的方法，在该专利中，试图使用夹设在由第一环形子部件和第二环形子部件组成的被该专利称为“绝缘间隙子组件”的部件之间的各种介电材料层来在钻柱中引入电隔离断开部。该专利的图5和图6示出了一个实施例，而该专利的图7和图8示出了另一实施例。不幸的是，将相对较薄的介电层夹设在限定于相邻高强度金属部件(其能够承受极端力以及恶劣的井下环境)之间的间隙中的做法不太可能提供可接受的性能水平。具体而言，这些介电层受到与第一环形子部件和第二环形子部件同样严酷的力，这样，在恶劣的井下环境中，耐用性很可能受到限制。也就是说，当相对较薄的介电层中的一个介电层被磨穿时，所需的电隔离受到损害。
[0007]例如，在美国专利申请N0.13/035，774(在下文中为’774申请)、美国专利申请N0.13/035,833(在下文中为’833申请)和美国专利申请N0.13/593，439 (在下文中为’ 439申请)中可以查看到在MffD系统的情况下关于将电信号耦合到钻柱上的实用方法，这三个美国专利申请和本申请属同一申请人，并且这三个美国专利申请的全部内容以引用方式并入本文。虽然’774申请、’833和’439申请提供了与当时存在的技术状态相比的显著优点，但申请人已发现其它更有利的方法，这将在下文中描述。
[0008]现有技术的前述实例及其相关限制旨在是说明性的，而非排他性的。在对本说明书的阅读和对附图的研究的基础上，本领域的技术人员将更加清楚现有技术的其它局限性。
【发明内容】
[0009]结合用于提供示例和进行说明而非用于限制范围的系统、工具和方法描述并示出了下述实施例及其各个方面。在各个实施例中，上述问题中的一个或多个问题已经被缓解或消除，而其它实施例涉及其它不同之处。
[0010]一般来说，公开了一种用于与钻柱组合使用的装置和相关的方法，钻柱是导电的且从包括地埋工具的地埋末端延伸至钻机。在本发明的一个方面中，壳体限定有沿着壳体的长度的贯穿通道，并且壳体构造为支撑围绕贯穿管道的电绝缘体，以在钻柱中形成电隔离断开部，使得响应于钻机对钻柱的推动和响应于钻机对钻柱拉动，一组电绝缘体中的每一个电绝缘体受到不超过压缩力的力。壳体限定有用于收纳具有信号端口的电子封装件的壳体空腔，并构造为跨越电隔离断开部电连接信号端口。
[0011]在本发明的另一个方面中，公开了一种用做地埋工具的一部分的壳体装置和相关的方法，壳体装置收纳用于发送来自地埋工具的定位信号的发射器。在发射器发射定位信号的同时，主壳体将发射器支撑在操作位置。盖部构造为可拆卸地安装在壳体上，使得主壳体的至少一部分和盖部的至少一部分被布置成处于相面对的关系，以共同限定从壳体装置的外部通向发射器的至少一个细长线槽。
[0012]在本发明的另一个方面中，公开了一种用作地埋工具的一部分的壳体和相关的方法，壳体支撑具有输出电缆的电子封装件，输出电缆用于承载输出信号。壳体主体是导电的并限定有用于收纳电子封装件的空腔，使得电子封装件形成与壳体主体电连接的第一电连接部。中间壳体是导电的并收纳在壳体主体的一个端部上，以便中间壳体在支撑电缆的同时以在中间壳体与壳体主体之间形成电隔离间隙的方式与壳体主体相互配合，从而电缆延伸跨越该间隙与中间壳体电连接，使得电子封装件电跨越间隙。
【附图说明】
[0013]在所参考的附图中示出了示例性实施例。本文所公开的实施例和附图旨在是示例性的，而非限制性的。
[0014]图1是利用本发明的地埋隔离壳体的实施例及相关方法的系统的示意性正视图。
[0015]图2是以组装形式示出本发明的地埋壳体的实施例的示意性透视图。
[0016]图3是图2的地埋壳体的实施例的示意性分解透视图。
[0017]图4是图2的地埋壳体的实施例的另一个示意性分解透视图。
[0018]图5是图2的地埋隔离壳体的实施例的示意性局部剖切组装正视图，以便示出壳体的处于组装关系的各个部件。
[0019]图6是图2的绝缘体的实施例的一部分的示意性且进一步放大的剖切正视图，以便进一步示出绝缘体的结构的细节。
[0020]图7是进一步示出图2的地埋壳体的实施例以及相关电子封装件的细节的示意性分解透视图。
[0021]图8是适于与本发明的地埋隔离壳体的实施例联用的井下电子封装件的实施例的框图。
[0022]图9是适于在钻机上使用以经由本发明的地埋隔离壳体与井下电子器件部分进行双向通信的井上电子器件部分的实施例的框图，并且图9还包括嵌入视图，该嵌入视图示出中继器实施例和能够将电子器件部分转换为用于井下中继器使用的相关电连接件。
[0023]图10是以组装形式示出本发明的地埋壳体的另一个实施例的示意性透视图。
[0024]图11是进一步示出图10的地埋壳体的实施例的细节的示意性局部剖切分解透视图。
[0025]图12是示出形成图11的实施例的一部分的盖部的细节的示意性仰视透视图。
【具体实施方式】
[0026]提供下面的描述是为了使本领域普通技术人员能够实现和使用本发明，并且在专利应用及其要求的背景下提供以下描述。所描述的实施例的各种变型对于本领域的技术人员来说是显而易见的，并且在说明书中所教导的一般原理可以应用到其它实施例中。因此，本发明并不希望被限制于所示出的实施例，而是与说明书中所教导的包括变型和等同内容在内的原理和特征相符的最宽的保护范围相对应，正如所附权利要求的范围所限定的那样。应注意的是，附图并非是按比例绘制的，而是以能最佳地示出所关注的特征的方式自然地图示出的。描述性术语可以相对于这些描述被使用，然而，采用该术语是为了促进读者的理解，而非意在进行限制。
[0027]现在转向附图，其中，在所有附图中相同的部件用相同的附图标记表示，紧接着将注意力转到图1，图1是示意性地示出整体用附图标记10表示且根据本发明制造的水平定向钻探系统的实施例的正视图。虽然所示系统示出了在用于进行地埋钻探操作的水平定向钻探系统及其部件的框架内的本发明，但本发明相对于其它操作程序享有同等适用性，这些操作程序包括但不限于竖直钻探操作、用于安装公用设施的回拉操作、勘测操作等。
[0028]图1示出了在区域12中操作的系统10。系统10包括钻机14，钻机14具有从钻机14延伸到地埋工具20的钻柱16。钻柱能够被推入到地面中，以至少大致沿箭头所示的前进方向22移动地埋工具20。虽然本实例构造为是就将钻具用作地埋工具而言的并且这样进行讨论，但应认识到，讨论也适用于任何合适形式的地埋工具，包括但不限于扩孔工具、在可以安装公用设施或壳体的回拉操作期间使用的张力监测工具、例如使用惯性引导单元和井下压力监测来用于勘测钻孔路径的勘测工具。此外，可以借助能够被插入到钻柱中的任意所需接头处的隔离分段或地埋壳体来使用本文的教导，该接头位置包括钻柱的地埋末端处的紧后方。在钻具的操作中，通常需要基于钻柱的前进进行监测，而在例如回拉操作等其他操作中，能够响应于钻柱的回缩而进行监测。
[0029]继续参考图1，钻柱16被部分地示出并被分段，钻柱16由多个可拆卸地附接的单独钻管段组成，一些钻管段由l、2、n-l和η表示，钻管段具有段长度或节长度及壁厚。钻管段可以被互换性地称为具有杆长度的钻杆。在钻机的操作期间，可以一次向钻柱添加一个钻管段，并且使用可移动的滑架30借助钻机将钻管段推入到地面中，以使地埋工具前进。钻机14可以包括用于测量钻柱进入地面中的移动的合适的监测装置32，这诸如在名称为“SYSTEMS ARRANGEMENTS AND ASSOCIATED METHODS FOR TRACKING AND/OR ⑶IDING ANUNDERGROUND