用于井下工具的现场连接接头和井下工具的制作方法

专利名称：用于井下工具的现场连接接头和井下工具的制作方法
技术领域：
本发明涉及石油和气井的钻井，以及随后对井周围地层的勘测工作。更
具体地说，本发明涉及一种现场连接接头(field joint),用于建立井下工具 各模块之间的用于传输辅助液和电信号/电能的连接。
背景技术：
通常情况下，油井钻入地面或海底以获得天然沉积的石油、天然气或储 存于地壳地层中的其他有用物质。油井从位于地球表面的钻井架(drilling rig)钻入并直接钻向目标地层。油井可以通过装在"钻柱"末端的钻头形成。 典型地，钻井液(drilling fluid)或"泥浆"被从钻柱向下泵至钻头。该钻井 液能润滑和冷却钻头，并通过钻柱和井筒之间的环形区域将岩屑带回地面。
为了成功地开采石油和天然气，最好应该获得井筒穿过的地层的信息。 例如，标准地层测试一个方面涉及地下地层压力和地层渗透性的测量。标准 地层测试另一个方面涉及抽取地层液体，在原位或在地面实验室进行液体分 析。这些测试有助于预测地下地层的生产能力和生产寿命。
一种测量地层和液体性质的技术包括放入"线缆式"工具至油井中以测 量地层性质。该线缆式工具是一种从线缆上悬挂下来的测量工具，该线缆与 置于地面的控制系统具有电子通讯。该工具被放入油井中从而可以在合适的 深度测量地层性质。典型的线缆式工具包括一个或多个探头和/或一个或多个 膨胀式封隔器，它们压在井管壁上从而建立与地层间的流体联通。这种线缆 式工具通常称为"地层测试工具"。该地层测试工具通过使用探头来测量地 层流体压力，并且产生用于测定地层渗透性的压力脉冲。该地层测试工具也 可以提取地层液体样品，该样品或被转移至地面进行分析或进行井下分析。
任何线缆式工具，无论该工具是电阻率、孔隙率测试工具还是地层测试 工具，在使用时都必须将钻柱移出井外从而使工具能放入油井中。这个过程 叫做起钻。进一步地，应将线缆式工具下降至感兴趣的区域，通常是在井眼 底部或接近井眼底部。移出钻柱和将线缆式工具放入井中这两个过程十分耗
时，根据井筒的深度，该过程可消耗数个小时。由于成本昂贵并且钻杆起钻 与将线缆式工具放入井筒所需要的钻机时间漫长，线缆式工具通常只有在绝 对需要地层信息或因为其他原因钻柱需要起钻时才使用，例如更换钻头。例
如美国专利3,934,468; 4,860,581; 4,893,505; 4,936,139;和5,622,223描述了线 缆式地层测试工具的示例。
为了避免或缩短与起下钻柱相关的停工期，目前开发了另 一种测量地层 性质的技术，其中工具或装置定位于钻井系统中钻头的附近。因此地层测量 在钻井过程中进行，其专业术语为MWD (随钻测量)和LWD (随钻测井)。 各种井下随钻测量和随钻测井的井下工具已经商业化了。
典型的MWD是指测量钻头轨迹和井筒温度与压力，而LWD是测量诸 如电阻率、孔隙率、渗透性和声速之类的地层参数和性质。诸如地层压力之 类的实时数据有助于钻井公司选择钻井泥浆的重量和成分，以及钻井过程中 的钻速和钻压。虽然LWD和MWD在本技术领域内通常具有不同的意义， 但这些区别与本发明没有密切关系，因此本发明中并不区分这两种方式。此 外，在钻头实际穿过地层的过程中，LWD和MWD的实施也不是必须的。 例如，LWD和MWD可以发生在钻井过程的间歇中，例如在钻头简短地停 止以进行测量，测量结束后再继续钻井。这些在钻井间歇中实施的测量仍然 被认为是"随钻"测量，因为它们不需要将钻柱起出。
无论是线缆作业还是钻井过程中的，地层评估通常需要将地层中液体抽 入用于测试和/或取样的井下工具中。各种各样的取样器件，典型的是探头， 从井下工具伸出以建立与井筒周围地层的流体联通并将液体抽入井下工具 中。典型的探头是从井下工具伸出且定位为抵靠井筒侧壁的环形元件。探头 端部的橡胶封隔器用于与井筒侧壁一起建立密封。另一可以用来密封井筒侧 壁的器件是膨胀式封隔器。该膨胀式封隔器可以以成对的构造使用，其包括 两个在工具周围径向膨胀以隔离它们之间的井筒部分的弹性环。该环形成了 井筒壁的密封装置，并允许液体抽入井筒被隔离的部分和井下工具的入口。
各种井下工具和线缆式工具，包括其他连续油管(coiled tubing )、钻杆、 套筒或其他传送工具上传送的井筒工具，在这里都简单地称为"井下工具"。 这些井下工具自身可以包括多个集成模块，每个模块可以实施单独功能或一 組功能，且井下工具可以单独使用或在井下工具管柱中与其他井下工具结合 使用。
典型的模块化井下工具包括一些不同类型的模块。每个模块可以实施一 个或多个功能，如电能供应、液压系统电能供应、液体取样、液体分析和样
品收集。美国专利4,860,581和4,936,139详细说明了这些模块。相应地，液 体分析模块可以分析由用于测试和/或取样的井下工具取出的地层液体。这种
这些辅助液可以在集成工具的模块之间和/或工具管柱中的各个工具之间传 输。除此之外，电能和/或电信号(例如数据传递)也可以在此类工具的模块 之间传输。工具管柱中连接工具的现场连接接头的例子可以在美国专利 7,191,831和美国专利申请公开号2006/0283606中找到，且都属于本发明设 计者所设计，在此并入作为参考。另一个连接件的例子可以在美国专利 6,582,251中找到。
相邻模块之间所使用的现场连接接头的一个共同问题是电连接被地层 液污染。当现场连接接头在传输或井下使用后重新安装过程中损坏时，液体 污染的情形尤为多见。辅助液和泥浆可能仍然存在于内部流管中，当现场连 接接头损坏时，这些辅助液和泥浆可能从暴露在外的模块端面漏出。同样地， 雨水和海水(在近海作业时)也会污染在钻台露出的现场连接接头的连接。 电气插头和插座也会被液体污染，从而减弱这些部件的导电能力。电连接件 等的消耗与污染可能很严重以至于需要替换，这通常需要打开这些工具或模 块从而将内部工具元件暴露于周围环境。除此之外，常规现场连接接头的液 体和电连接的布置只允许有限数目的液体和电连接，因此就限制了可以在井 下工具中使用的模块的种类。

发明内容
根据本发明的 一个实施例， 一种用于连接井下工具模块的现场连接接 头，包括外壳和置于其中的电线。所述现场连接接头包括连接到第一工具模 块的隔板和限定第一工具模块外表的一部分的第一连接面。第一连接面进一 步包括构造为用于容纳电连接件组件的第一导管孔。第一电连接件组件包括 第一连接件，该第一连接件具有适于电连接至第一电线的第一端和容纳第一 导管孔的第二端 一一该组件可拆除地连接到第 一工具模块的外部。连接件插 头块连接到第二工具模块上且具有第二连接面，该第二连接面限定了当第一 和第二工具模块连接时定位为基本面向第一导管孔的第二导管孔。第二电连
接件置于第二导管孔中且与第二电线电连接，当第一与第二工具模块连接 时，该第二连接件将建立与第 一连接件的第二端的电连接。
根据本发明的另 一 实施例， 一种用于连接井下工具模块的现场连接接 头，包括外壳和置于其中的电线。该现场连接接头包括连接到第一外壳的隔 板，该第一外壳具有限定了中央区域和外周区域的第一连接面，所述中央区 域具有多个第一液体连接件，所述外周区域包围含第一导管孔的中央区域。
第 一 电连接件组件连接到第 一导管孔，且包括适于电连接至第 一 电线的第一 端，和具有第二端。连接件插头块连接到第二外壳且包括第二连接面，该第 二连接面限定了至少 一个尺寸适于容纳多个第二液体连接件的中央孔以及 围绕所述至少一个中央孔且包括第二导管孔的外周区域，当第一和第二工具 模块连接时，该第二液体连接件被定位为与第 一连接面的第 一液体连接件流 体连接和该第二导管孔定位为基本面向所述第一导管孔。第二电连接件置于 第二导管孔中且与第二电线电连接，该第二电连接件被构造为用于电连接到
第一连接件的第二端。
根据本发明的另 一实施例， 一种用于连接井下工具模块的现场连接接 头，包括外壳和置于其中的电线。所述现场连接接头包括连接到第一外壳的 隔板和第一连接面，该第一连接面包括用于容纳电连接件组件的第一导管 孔。第一电连接件组件容纳在第一导管孔中且包括具有适于电连接到第一导 线的第一端，和第二端。第一连接件插头块被可拆除地连接到第二外壳且具 有第二连接面，该第二连接面包括第二导管孔，该第二导管孔定位为当第一 和第二工具模块接合时基本面向第一导管孔。第二电连接件与第一电连接件
的第二端电连接，该第二电连接件置于第二导管孔中且与第二电线电连接。
根据本发明另 一实施例， 一种井下工具包括多个模块且可定位在穿入地 下地层的井筒中。所述工具包括第一模块、第二模块、第三模块和连接件。 所述第 一模块包括至少 一个用于接收地层液且连接到第 一辅助管线的入口 。 该地层液通过可操作地连接到第 一辅助管线的移位系统抽入工具中。所述第 二才莫块包括液压泵，该液压泵通过至少两根液压管线液体连接到移位系统， 所述第三模块包括连接到多根电线的电控制器，所述电线连接至第 一和第二 模块上。该连接件置于至少其中两个模块之间，且至少包括两个液压管线连 接和两个辅助管线连接。


为了更详细地理解本发明的方法和装置，参照附图对实施例进行详细说
明，在附图中
图1是包括依据本发明的现场连接接头的线缆组件的示意图； 图2是图1所示线缆工具的放大示意图； 图3是在现场连接接头处连接的两个工具模块的截面图； 图4是图3所示现场连接接头的放大细节图5是设置在工具模块中以限定现场连接接头连接面的隔板(bulkhead) 的立体图6是图5所示隔板的截面侧视图； 图7是图5所示隔板的仰视图8A和8B分别是用于形成现场连接接头的第二接触面的连接件插头 块在正常位置和移位位置的示意图9A和9B分别是液体管道对准件组件在未连接位置和连接位置的示 意图。
需要理解的是，这些附图不一定是成比例的，且本发明的实施例有时是 图示说明的或部分图示的。在有些例子中，并不需要通过细节来理解本发明 的方法和装置，或者这些细节使得其他细节难以理解时就会被忽略。同样应 该理解的是，本发明并不限于在此所述的实施例。
具体实施例方式
本发明公开了 一种在保持标准方式钻井或评价作业时允许液体和电信 号在相邻的工具或模块之间传递的连接件或系统。这种装置允许在两个井下 工具或工具模块之间建立液体(液压)连接和电连接。当需要此类连接时， 该连接件适于安装于井下工具的任意位置。
这里使用的"辅助液"是一种井下液体(除了泵浦通过钻柱的钻井泥浆 外)，诸如抽入井下工具中的用于测试和/或取样的地层液、用于注入地下地 层的特殊液体(例如修井液)、用于膨胀分隔器的井筒液体。典型地但不是 必须地，辅助液除了可以驱动井下工具部件移动或冷却井下工具部件外，在 井下作业时具有一定应用。
"电的"或"电力的"是指用于传递电信号的连接和或管线。"电信号"
是指能够传递电能和/或数据的信号(例如二进制数据)。
在本发明中，术语"模块"被用来表述任何连接到井下工具的独立工具 或单一工具模块。"模块"被用来表述井下工具的任何部分，无论该模块是
大型工具的一部分还是自身形成的单一工具。
"模块化的"意思是适于连接各模块和/或各工具，且可以由标准单元或 部分构建以便在使用中实现灵活性和多样性。
根据本公开的一个实施例，图1示出了线缆式装置101的示意图，线缆
式装置101布置为从钻井架100上到穿过储油区或地层F的井筒105中。该 工具也可以不使用钻井架而直接从卡车上布置。众所周知，线缆式装置101 可以通过线缆(wirelinecable)102放入井筒105中。储油区中井筒的直径通常 在6英寸至8.5英寸之间，有时在浅层沉积区中会更大。因此，线缆式装置 101的直径通常被限制为小于5.25英寸，例如大约是4.75英寸。也存在较大 直径的装置，但是仅限于在具有较大井筒直径的油井中作业。所述线缆式装 置101包括几个由现场连接接头104连接的模块，这些现场连接接头104具 有与线缆式工具一样的尺寸限制。在所述实施例中，线缆式装置IOI包括电 子模块109、样品储存模块IIO、第一泵出模块112、第二泵出模块114、液 压模块116和探头模块118。该线缆式装置101可以包括任意数目的模块， 比如少于或多于在本实施例中所示的6个模块，且可以包含不同类型的模块 用于执行与上述不同的功能。设置在相邻模块之间的现场连接接头104用于
可靠地连接延伸通过装置101的液体管线或电路管线。
如图2更详细所示，电子模块109包括可操作地连接到线缆102的电控 制器120。电线122连接到控制器120的接口且包括延伸通过每个工具模块 的122a-122e段。电线122传递的电信号，则包括电能和/或数据的传输。样 品模块110包括用于储存液体样品的样品腔113。
第一和第二泵出模块112、 114分别用于通过第一和第二地层液流动管 线136， 144控制。该第一泵出模块112包括泵126和位移单元128。马达 130可操作地连接至泵126。所述泵126和位移单元128液体连接至液压动 力管线132和液压返回管线134。位移单元128同样也液体连接到第一地层 液流动管线136。类似地，第二泵出模块114包括泵138和带马达142的位 移单位140，该马达可操作地连接至泵138。泵138和位移单元140被液体 连接至液压动力管线132和液压返回管线134。位移单元140也液体连接到
第二地层液流通管线144。
液压模块116控制液压液在液压管线中的流动。模块116包括液体连接 到液压动力管线132和液压返回管线134的泵146。马达148可操作地连接 到泵146。
探头模块118具有一种用于从地层获得液体样品的结构。该探头模块118 包括探头组件150，所述探头组件具有液体连接到样品管线154的样品入口 152和液体连接至保护管线158的保护入口 156。样品管线154和保护管线 158液体连接至旁通阀系统160，该旁通阀系统160液体连接至第一和第二 地层液流动管线136、 144。所示的探头模块118还包括可操作地连接到液压 动力管线132和液压返回管线134的调整活塞(setting piston) 162。旁通阀 系统160被示出为探头模块118的一部分，但其可以作为模块置于工具管柱 的任何位置和/或存在两个一样的。旁通系统模块与本发明的现场连接接头一 起对下井测试工具的新的适应性作出了贡献。
图2中没有示出的是具有一个或多个用于测试液体性质(最常使用的包 括压力、流量、电阻率、光学透射率或反射率、荧光性、核磁共振、密度、 黏度)传感器的传感器模块。本发明公开的一个或多个传感器模块，结合如
出了贡献。
如图2所示，每个工具模块包括当模块化线缆式工具101组装时被连接 起来的液体管线和电线。所示实施例包括四个独立的液体管线，分别为第一 地层液流动管线136、第二地层液流动管线144、液压动力管线132和液压 返回管线134。除此之外，电线122延伸通过每个模块。当如图2所示的电 线122是单股线时，工具101可以包括多根独立的电线或管线，且每根都具 有一种单独功能并承载了不同电压或电流。额外地或替代地，多根冗余电线
也可以实施相同功能。当具有多根电线时，就必须在不同工具模块之间建立 多个电连接。因此，连接接口或现场连接接头104必须可靠地连接到液体管 道和电线的各段。除此之外，重要的一点是将电连接相互之间隔离以及与液 体管道隔离，以防止意外短路，且尽可能少或者阻止电连接被液体污染。
图3详细说明了 一种连接诸如液压模块116和探头模块118之类的相邻 工具模块的示例性现场连接接头104。探头模块118包括具有公连接端172 的外壳170。转换插头块174连接至外壳170，并包括尺寸设计为可以容纳
流动管线导管180、 182的液体流动管线孔176、 178。该流动管线导管180、 182限定了用来传输工具中使用的液体的第 一和第二液体流动管线184、 186。 在本实施例中，第一和第二液体导管180、 182由高强度、高抗腐蚀性合金 制成，如镍基合金(Incond⑧718，或Hastelloy C276)、钬基合金或者 MP35N 。液体导管180， 182进一步地限定了位于模块118连接面192附 近的第一与第二接受器(receptacle) 188、 190。值得注意的是，图2所示的 截面图中只能看到两条流动管线。而其他两条流动管线(未示出)位于该截 面的前方和后方。例如，流动管线186可以液体连接至流动管线136,而流 动管线184可以液体连接到流动管线144。
转换插头块174进一步包括外侧凹部194,该外侧凹部194形成于靠近 连接面192用以容纳电连接件组件。更具体地，参考图4的最佳方式，母电 连接件组件196包括固定连接件插头块198和置于固定连接件插头块198附 近的可拆除连接件插头块200。这两个插头块都是用不导电聚合物制成的。 固定插头块198包括至少用于容纳电端子的孔，该电端子例如为用于可靠地 接合电线段122e至少一端的线卡件(wire crimp) 202。金属桶204电连接 至卡件202,并限定了用于容纳母连接件206 —端的插座。本实施例中，母 连接件206由诸如金属之类的导电材料制成，而可拆除插头块200是用根据 母连接件206的形状模制而成的不导电聚合物形成的。于是，母连接件206 固定到插头块200中且随其移动。需要理解的是，尽管详细讨论了包括电线 段122e、线卡件202、金属桶204和母连接件206的一个组合，连接件104 也可以包括多个同样的组合，例如根据图5所示的样式。因此连接件104可 以连接多个电线段。同样地，连接件104并不限于多个同样或相似的用于连 接电线段的装置。应该理解，在一个连接件中可以使用用于连接电线段的装 置的各种不同的设计，例如为了便于容纳多个电线段中的每一个能够承载的 不同电流或电压。加强圏208由诸如金属之类的耐用材料制成并置于形成于 插头块200外部的环形凹部中。该加强圈208使工具的插入更加方便从而协 助在替换时从外壳170中移除插头块200,对此下文将详细描述。插头块200 还可以包括尺寸适于容纳诸如O型圏212之类刮式密封件(scraper seal)的凹 部210。维持板214连接至插头块200用以将O型圈212保持在凹部210中。
回到图3，液压模块116同样也包括外壳220，该外壳具有母连接端222 且尺寸适于可滑动地容纳探头模块118的公连接端172。由诸如镍基或钛基
合金之类抗腐蚀合金制成的隔板224连接至外壳220,并限定了适于接合探 头模块118连接面192的连接面226。液体流动管线228、 230延伸通过隔板 224，且其尺寸分别适于容纳液压对准件232、 234 。例如，液压对准件232、 234可以螺紋啮合到隔板224。液压对准件232、 234的末端尺寸分别适于插 入由液体导管180、 182限定的接受器188、 190。更多细节将在图9A和9B 中讨论，而在图2中为了简洁起见已将其省略。如上所述，在图2所示的截 面图中只能看到两根流动管线，而其它两根流动管线(未示出)位于截面的 前方和后方。流动管线230可以液体连接至流动管线136,同时流动管线232 可以液体连接至流动管线144 。
进一步地，隔板224包括至少一个适于容纳公电连接件组件242的馈通 孑L (feedthrough hole) 238。如图4所示，公电连接件组件242可以包括构 造为接合相关联的母连接件206的公连接件。在所述实施例中，公连接件是 馈通件244，该馈通件具有置于外壳220内的近端246和从隔板连接面226 向外凸出的远端248。隔板224包括从连接面226向外侧凸的环形壁278, 用以保护工作过程中公连接件远端248不会被意外损坏。当该模块连接时， 公连接件远端248接触母连接件206,从而将两个模块电连接起来。公连接 件近端246被容纳在金属筒250中，金属筒250与卡件252电连接。电线段 122d具有连接至卡件252的暴露端。因此当安装此模块时，公与母电连接件 部件电连接电线段122d、 122e,从而在模块之间传递电信号。值得重申的是， 应该理解尽管详细讨论了包括电线段122d、线卡件252、金属桶250和馈入 件206的一个组合，连接件104也可以包括多个同样的组合，例如如图5所 示的样式。如上所述，用于连接电线段的连接件104并不限于相同或相似的 装置。应该理解的是，可以将用于连接电线段的装置的各种不同设计使用在 一个连接件上，例如为了便于容纳多个电线段中的每一个能够承载的不同电 流或电压。
公和母电连接件模块提供了多种将电线122与周围导电结构(例如其它 电连接、金属体等)绝缘的方法。如上所述，可拆除连接件插头块200和固 定插头块198最好使用不导电聚合物制造，并且直接与母连接件206形状吻 合，从而将母连接件206与外壳170和转换插头块174隔离开。
除此之外，公电连接件模块242可以包括在母连接件244中央部分上延 伸的绝缘套管254。如图4所示，绝缘套管254包括较大直径中央区域256，
从中央区域256沿轴线向后延伸的较小直径近端区域258,以及从中央区域 256延轴线向前延伸的较小直径远端区域260。远端区域260最好是从连接 面226凸出足够的距离，以至少部分地延伸进入可拆除连接件插头块200中， 但不覆盖公连接件远端248，从而远端248可以接触母连接件206。绝缘套 管254的近端区域258最好是延伸通过馈通孔238并在桶250附近终止。绝 缘套管254最好是使用不导电聚合物制造，由此将公连接件244与隔板224 和周围其它金属化导电结构隔离开。
公连接件近端246可以由保护罩262保护而避免损坏。该罩件置于连接 至隔板224的保护罩支撑体264上。绝缘护套266置于保护罩262和公连接 件近端246、桶250和卡件252之间，由此将电线122和周围结构电绝缘。 相应地，绝缘护套266最好是使用不导电绝缘材料制造。
进一步地，当公连接件244插入母连接件206时，作为刮式密封件的0 形圈212能确保公连接件244和母连接件206之间的电连接不被公连接件 244污染。如图4所示，O型圏212置于凹部210中，该凹部位于容纳母连 接件206的腔体的入口 。 0型圏212最好具有尺寸适于可滑动地接合公连接 件244的内径。因此，当连接面192 、 226连接时，公连接件244滑动穿过 可以将液体污染从公连接件远端248外表面移除的0型圈212。接着，公、 母连接件244和206以电接触的方式更可靠的放置。进一步地，可以通过在 接合连接面192和226之前，在母连接件206中引入润滑油来增加电接触。 该润滑油可以用作电绝缘体，从而可以防止两个插头(pin)之间或插头与块 (例如工具外壳)之间短路。
公电连接件组件可以用可拆除的方式连接到连接面226的隔板224，以 便于修复和更换，如当公连接件244被磨损或意外弯曲时。在所述实施例中， 馈通孔238包括底部凸缘(base flange ) 268，其尺寸适于与由绝缘套管254 形成的第一台肩270接合。该绝缘套管中央区域256的尺寸适于可滑动的接 合至馈通孔238直至第一台肩270与底部凸缘268接合，从而阻止公电连接 件部件242进一步地移入隔板224。由例如金属制成的接插件272被配置为 适于与绝缘套管254的第二台肩274接合，且进一步地以可拆卸方式与导管 孔238接合，从而将绝缘套管254和附接的公连接件244保持于馈通孔238 中。如图4所示，接插件272包括尺寸适于容纳绝缘套管远端区域260的中 央通道。导管孔238可以包括螺紋部分，且接插件272可以具有与之互补的外螺紋，从而便于它们之间可拆卸地接合。接插件272进一步地包括直径减
小的端部276,由此形成了环状间隙，可以将工具放入其中以使得接插件272 的连接和断开更加容易。因此，要更换公连接件244,可以在旋出接插件272 后握住公连接件远端248，将公连接件组件242从导管孔238中拔出。在这 个过程中，桶250、卡件252和电线段122d保留在保护罩262中。
母连接件206同样可以在液体污染或其他损坏后被移除更换。可拆除插 头块200通过摩擦保持于外壳170和转换插头块174之间的适当位置。外壳 公连接端172上形成了一对狭缝280,从而可以将诸如平头螺丝刀之类的撬 具插入到安装可拆除插头块200上的加强圈208中。狭缝280最好是置于外 壳170上径向相对的位置，从而通过对狭缝施加撬力可使环形插头块200緩 慢地从外壳中取出。图8A和8B为狭缝280和加强圏208的图示说明。图 8A示出了可拆除插头块200在正常位置的情形，而图8B示出了可拆除插头 块200脱离固定插头块198和部分脱离外壳170时在部分移位位置的情形。
图5-7是隔板224的附加视图。隔板224定义了承载工具模块间的液体 和电连接的连接面226。如图7所示，该连接面226包括设置有导管孔292 的中央区域290。在所述例子中，导管孔292分别与来自液压模块116的流 动管线136、 144、 132和134流体连通(图2)。如上所述，这个四导管孔可 以与传输用于运行或冷却工具元件或组合的辅助液或液压液的流动管线流
体连通。但它们并没有在图2中严格地示出。如图所示，这个四导管孔292 被构造为可以容纳如图3和4中所示的液压对准件232、 234,以及例如其他 两个相似的对准件。中央区域的尺寸可以变化，但在本示例的实施例中被限 定为直径大约是1.7英寸。包围中央区域的外周区域294包括有多个馈通孔 238。外周区域的尺寸同样可以改变，但在本示例实施例中被限定为环形体， 其直径大于中央区域且其外径尺寸大约为3.0英寸。连接面226的布局在导 管孔292和安装于馈通孔中的电连接件244 (未在图5、 6或7中示出)之间 提供了物理间距，且促使多个电连接件自身之间保持电绝缘。通过将导管孔 292集中在中央区域290以内，连接面226可以包括不带任何连接件的绝缘 带240,以将导管孔292与电连接件244分隔开，从而减少液体到达电连接 件244的可能。除此之外，通过将馈通口 238置于连接面226的外周，可以 使得相邻电连接件之间的间距最大，从而减少它们之间出现短路的风险。更 进一步地，由于具有更大间距而增加了绝缘，可以施加更高电能于不同的电
连接件244。通过按这种方式布置馈通孔238,本示例的实施例中的相邻连 接件244之间的间距大约为0.25英寸。本领域技术人员可以理解，通过减少 电连接件的数目(实施例中所示为28)能增加它们之间的间距。
现场连接接头104也可以包含自封对准件，从而可以限制当模块在使用 后被拆卸时液体意外的排出。应该理解的是该自封对准件可以使用于任何流 动管线，包括输送诸如地层液或井筒液之类辅助"脏"液的流动管线。确实， 这些液体可能含有一些悬浮的颗粒从而可能堵住自封对准件处的连接。如图 9A和9B所示，接插件234例如可以包括限定了液体流动通道230的外壳 300。外壳300的外部形成有环状沟道304,该环状沟道304的尺寸适于容纳 用于外壳300和位于流动管线远端的插座190之间的密封的O型圏306。外 壳300包括限定了至少一个流动孔310的连接端308,且最好是均匀地置于 外壳300的圆周上的3个流动孔(未在图9A和9B截面图中示出)。与之前 使用自封对准件比较，使用多个输出孔可以防止在阀平面处阻塞连接。
阀元件，例如阀套312，可滑动地与外壳连接端308外表面接合且可以 在关闭位置和打开位置之间移动，如图9A所示，在关闭位置套管312用于 阻止液体流出孔310，而在打开位置时套管至少暴露流动孔310的一部分以 允许液体流出。弹性部件，诸如弹簧314，在外壳300和套管312之间延伸 使得套管312向关闭位置偏置。
液体流动导管182延伸穿过其他模块的转换插头块174且具有接收端 316,该接收端限定了尺寸适于容纳连接端308的插座l卯。该接收端316 进一步包括向内凸出的台肩320,其尺寸适于与阀套312接合同时允许外壳 连接端308穿过。相应地，当外壳300插入插座318时，台肩320最终阻止 套管312进一步插入而允许外壳300相对移动，从而移动阀套312至如图9B 所示的打开位置。接着，当外壳300从插座318中拔出时，弹簧314自动地 使阀套312回到关闭位置，从而阻止液体从液体输出通道230中意外地和不 可控制地排出。应该指出的是台肩320跨越了套管阀门312外周的限定部分。 使用台肩接合套管阀门的 一小部分可以防止阻塞阀门平面处的连接。同样值 得指出的是，在打开位置时，台肩320被布置为不明显影响从孔310流出的 液流。使用在阀门打开位置时超出孔定位的台肩同样也可以防止阻塞在阀门 平面处的连接。应该指出的是尽管只描述了有关对准件234的自封对准件， 在说是的构造中液体连接件104可以包含最多四个自封对准件。
虽然以上只列举了几个特定的实施例，但本领域技术人员由如上描述可 以产生不同的变形或变式。特别地，液体连接件104被描述为由线缆送至井 下的测试工具。然而，类似的测试工具，包括本发明公开的连接件可以通过 能与位于地面钻井架100 (图1)的旋转部件一起旋转的工作管柱传送至井
下。进一步地，本发明公开的连接件可以在钻井环境中使用。连接件104可 以构造为将各个底座模块(chassis module )连接起来。这些底座模块可以插 入一个或多个钻铤(drill collar)的孔中，留下供钻井液循环流动至钻头的环 形空间。至少有一个底座模块连接至能凸出到钻铤外侧的探头。同样地，一 个或多个液体或电连接的公和母部件所在位置可以在连接面之间相互交换。 除此之外，本发明的连接件的尺寸可以整体放大或缩小，以分別容纳较大或 较小数目的独立的液体或电连接。进一步地，保持连接件尺寸完全相同同时 可以减少连接数目。这些以及其他可选方案都被认为是等同特征且都在本公 开和权利要求的精神和范围内。
权利要求
1、一种现场连接接头，用于连接第一井下工具模块和第二井下工具模块，所述第一井下工具模块具有第一外壳和置于其中的第一电线，所述第二井下工具模块具有第二外壳和置于其中的第二电线，所述现场连接接头包括隔板，所述隔板连接到所述第一工具模块且具有限定了所述第一工具模块外表的一部分的第一连接面，所述第一连接面包括第一导管孔，所述第一导管孔被构造为用于容纳电连接件组件；第一电连接件组件，所述第一电连接件组件被构造为至少部分地被容纳于所述第一导管孔中，所述第一电连接件组件被可拆除地连接到所述第一工具模块的外部，所述第一电连接件组件包括第一连接件，所述第一连接件具有适于电连接至所述第一电线的第一端，以及具有第二端；连接件插头块，所述连接件插头块连接到所述第二工具模块且具有第二连接面，所述第二连接面限定出了第二导管孔，所述第二导管孔定位为当所述第一和第二工具模块连接时基本面向所述第一导管孔；第二电连接件，所述第二电连接件布置于所述第二导管孔中且电连接至所述第二电线，所述第二电连接件被构造为当所述第一和第二模块连接时，用于建立与所述第一连接件的第二端的电接触。
2、 如权利要求1所述的现场连接接头，其中所述第一电连接件模块包 括尺寸适于被容纳于所述第一导管孔中的接插件，所述接插件适于可拆除地 连接到所述隔板。
3、 如权利要求2所述的现场连接接头，其中所述第一导管孔包括螺紋 部分，且所述接插件包括互补的外螺紋从而可以可拆除地将所述接插件连接 到所述隔板。
4、 如权利要求2所述的现场连接接头，其中所述接插件由金属材料制成。
5、 如权利要求2所述的现场连接接头，其中所述第一导管孔包括从所 述第一连接面内凹进的底部凸缘，其中所述第一电连接件组件包括增大的中 央部分，所述中央部分限定了第一和第二台肩，其中所述第一台肩的尺寸与 所述导管孔的底部凸缘接合，而所述第二台肩的尺寸与所述接插件接合，由此将所述电连接件组件保持在所述导管孔中。
6、 如权利要求1所述的现场连接接头，其中所述第一连接件包括馈通 装置和连接到所述馈通装置外部的绝缘套管。
7、 如权利要求6所述的现场连接接头，其中所述绝缘套管包括具有足 以延伸超过所述第一连接面的长度的远端部分。
8、 如权利要求6所述的现场连接接头，其中所述绝缘套管包括根据馈通装置的形状模制的塑料部分。
9、 如权利要求1所述的现场连接接头，其中线缆终端连接到所述第一电线且包括对准所述第一导管孔的插座，当所述第一连接件组件插入所述第 一导管孔时，所述第一连接件与所述插座可拆除地接合。
10、 一种现场连接接头，用于连接第一井下工具模块和第二井下工具模 块，所述第一井下工具^t块具有第一外壳和置于其中的第一电线，所述第二 井下工具模块具有第二外壳和置于其中的第二电线，所述现场连接接头包括隔板，所述隔板连接到所述第一外壳且具有第一连接面，所述第一连接 面限定了中央区域和围绕所述中央区域的外周区域的第一连接面，所述中央 区域具有多个第一液体连接件，所述外周区域包括第一导管孔；第 一 电连接件组件，所述第 一电连接件组件被构造为连接到所述第 一导 管孔，所述第一电连接件组件包括第一连接件，所述第一连接件具有适于连 接至所述第一电线的第一端，以及具有第二端；连接件插头块，所述连接件插头块连接到所述第二外壳且具有第二连接 面，所述第二连接面限定了至少 一个中央孔和围绕所述至少 一个中央孔的外 周区域，所述至少一个中央孔的尺寸大小适于容纳多个第二液体连接件，所 述多个第二液体连接件被定位为与所述第一连接面的第一液体连接件流体 连接，所述外周区域包括第二导管孔，所述第二导管孔定位为当所述第一和第二工具模块连接时基本面向所述第一导管孔；第二电连接件，布置在所述第二导管孔中，所述第二电连接件与所述第 二电线电连接，并被构造为适于与所述第一电连接件的第二端电连接。
11、 如权利要求IO所述的现场连接接头，其中由所述第一连接面限定的外周区域进一步包括多个第一导管孔，在所述第二面中限定的外周区域进 一步包括多个第二导管孔，所述多个第一和第二导管孔中每一个都具有布置于其中的电连接件。
12、 如权利要求10所述的现场连接接头，其中所述第一连接面的中央 区域包括四个第一液体连接件，所述在第二连接面中的所述至少一个中央孔 的尺寸大小适于容纳四个第二液体连接件。
13、 如权利要求10所述的现场连接接头，其中所述多个第一和第二液体连接件中至少 一个包括自封对准件组件。
14、 如权利要求10所述的现场连接接头，其中环状绝缘带在所述中央 区域中的第 一液体连接件和所述外周区域中的第 一 电连接件之间延伸。
15、 如权利要求11所述的现场连接接头，其中每个电连接件与相邻电 连接件之间间隔开至少0.2英寸。
16、 如权利要求10所述的现场连接接头，其中所述第一和第二电连接 件中的一个包括公连接件，而所述第 一和第二电连接件中的另 一个包括母连外表面滑动地接合。
17、 如权利要求16所述的现场连接接头，其中所述刮式密封件包括O型圈。
18、 如权利要求10所述的现场连接接头，其中绝缘套管连接到所述第 一和第二连接件中的一个，所述绝缘套管包括具有足以延伸超过所述连接面 的长度的远端部分。
19、 如权利要求10所述的现场连接接头，其中所述第二工具模块进一 步包括限定了中央毂的转换插头块，其中所述第一连接件插头块与所述中央 毂摩擦接合。
20、 一种现场连接接头，用于连接第一井下工具模块和第二井下工具模 块，所述第一井下工具模块具有第一外壳和置于其中的第一电线，所述第二 井下工具模块具有第二外壳和置于其中的第二电线，所述现场连接接头包括隔板，所述隔板连接到所述第一外壳且具有第一连接面，所述第一连接 面包括第一导管孔，所述第一导管孔被构造为用于容纳电连接件组件；第一电连接件组件，构造为可以至少部分地容纳于所述第一导管孔中， 且所述第一连接件组件包括第一连接件，所述第一连接件具有适于连接至第 一电线的第一端，以及具有第二端；第一连接件插头块，可拆卸地连接到所述第二外壳，且所述第一连接件 插头块具有第二连接面，所述第二连接面包括所述第二导管孔，所述第二导管孔定位为当所述第一和第二工具模块连接时基本面向所述第一导管；第二电连接件，布置在所述第二导管孔中，且所述第二电连接件与所述 第二电线电连接，并被构造为适于与所述第一电连接件的第二端电连接。
21、 如权利要求20所述的现场连接接头，其中所述第二井下工具模块 进一步包括第二连接件插头块，所述第二连接件插头块包括第三导管孔，且 其中线缆终端布置在所述第三导管孔中并与电连接到所述第二电线。
22、 如权利要求21所述的现场连接接头，其中所述线缆终端包括至少 部分地置于所述第三导管孔中的插座，其中当所述第一连接件插头块连接到 所述第二外壳时，所述第二连接件与所述插座滑动地接合。
23、 如权利要求20所述的现场连接接头，其中所述第一和第二电连接 件之一 包括公电连接件，而所述第 一和第二电连接件中另 一个包括母电连接 件，其中所述母电连接件限定了供所述公电连接件穿入的入口端，且刮式密 封件布置在所述母电连接件的入口端附近且尺寸适于与所述公连接件的外 表面滑动地接合。
24、 如权利要求20所述的现场连接接头，其中所述第一连接件插头块 包括限定了凹槽的加强部分。
25、 如权利要求24所述的现场连接接头，其中所述第二外壳限定了构 造为当所述第 一连接件插头块连接到所述第二外壳时面向所述凹槽的狭缝。
26、 一种井下工具，包括多个模块且置于穿入地下地层的井筒中，所述 井下工具包括第一模块，所述第一模块包括至少一个用于接收地层液的入口，所述入 口被液体连接到第一辅助管线，其中所述地层液通过可操作地连接到所述第 一辅助管线的移位系统抽入所述工具中；第二模块，所述第二模块包括液压泵，所述液压泵通过至少两条液压管 线液体连接到所述移位系统；第三模块，所述第三模块包括可通信地连接到多条电线的电控制器，所 述电线分别与第 一和第二模块可通信地连接；连接件，所述连接件布置在所述模块中的至少两个之间，其中所述连接件至少包括两个液压管线连接和两个辅助管线连接。
27、 如权利要求26所述的井下工具，其中所述第一辅助管线容纳未被污染的地层液，而所述第二辅助管线容纳^c污染的地层液。
28、 如权利要求26所述的井下工具，其中所述至少两条液压管线中的 第 一条从所述第二模块提供液压液，所述至少两条液压管线中的第二条提供 液压液至所述第二模块。
全文摘要
本发明公开了一种用于连接多个井下工具模块的现场连接接头和井下工具。所述模块包括外壳和电线。隔板连接到第一模块，该第一模块包括用于容纳电连接件组件的第一导管孔。该第一电连接件组件可拆除地连接到第一模块的外部，且包括具有适于电连接至电线第一端的第一连接件。连接件插头块连接到第二模块，该第二模块包括第二导管孔，该第二导管孔定位为当第一与第二模块连接时基本面向第一导管孔。第二电连接件置于第二导管孔中，且电连接至一电线，因此当第一和第二模块接合时将建立与第一连接件第二端的电连接。
文档编号H01R13/533GK101353950SQ20081014424
公开日2009年1月28日 申请日期2008年7月28日 优先权日2007年7月27日
发明者乔·纳哈斯, 克蒂夫·欧文, 克里斯·德尔坎波, 凯文·海斯, 斯蒂芬妮·布里奎特 申请人:普拉德研究及开发股份有限公司