具有绝缘套环的电磁遥测间隙接头组件的制作方法
【专利说明】具有绝缘套环的电磁遥测间隙接头组件
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2012年11月16日提交的美国申请N0.61/727，610和于2013年2月21日提交的美国申请N0.61/767，759的优先权。对于美国而言，本申请按照35U.S.C § 119 要求标题均为ELECTROMAGNETIC TELEMETRY GAP SUB ASSEMBLY WITH INSULATINGCOLLAR(具有绝缘套环的电磁遥测间隙接头组件)的于2012年11月16日提交的美国申请N0.61/727,610和于2013年2月21日提交的美国申请N0.61/767，759的权益，并且为各种目的将其内容通过参引并入本文。
技术领域
[0003]本发明总体上涉及间隙接头组件和用于间隙接头组件的电绝缘套环。实施方式提供了适合于在通过使用电磁遥测进行随钻测量中使用的间隙接头组件和用于制造间隙接头组件的方法。
【背景技术】
[0004]从地下区域开采碳氢化合物依靠钻探井眼的过程。该过程包括位于地表处的钻探设备和从地面设备延伸至关注的地层或地下区域的钻柱。钻柱可以延伸到地表下方数千英尺或数千米。钻柱的末端包括用于钻探或使井眼延伸的钻头。该过程也依赖一些种类的钻探流体系统、大多数情况下是钻探“泥浆”。泥浆是经由通过钻柱的内部泵送的，泥浆对钻头进行冷却和润滑并且然后离开钻头并且运送岩石钻肩回到地表。泥浆也帮助控制井底压力，并且防止碳氢化合物从地层流入井眼并且在地表处可能的喷出。
[0005]定向钻探是使井从垂直方向转向为与目标末端相交或转向为遵循预定路径的过程。在钻柱末端处为井底组件(BHA)，其可包括I)钻头；2)旋转的可转向系统的可转向的井下泥浆马达；3)用于随钻测井(LWD)和/或随钻测量(MWD)以在钻探进程时估计井下条件的测量设备的传感器；4)用于遥测至地表的数据的装置；以及5)其他控制设备，比如稳定装置或重型钻铤。BHA通常是通过一系列的称为钻柱的金属管被送进井眼中。MWD设备可以用于提供井下传感器和地表处的状态信息而以近似实时的模式进行钻探。该信息由钻机操作人员使用以基于多个因素一一包括矿场边界、现有的井、地层特性、油气规模和位置一一来做出关于控制和转向井的决定以优化钻井速度和轨迹。这些决定可包括基于在钻探进程期间从井下传感器收集的信息使计划的井眼路径必要时故意的偏移。在其能够获得实时数据中，MWD允许相对更经济和高效的钻探操作。
[0006]可以使用多种遥测方法将来自MWD或LWD的数据发送回地表。这样的遥测方法包括但不限于硬接线钻杆的使用、声学遥测、光纤线缆的使用、泥浆脉冲(MP)遥测和电磁(EM)遥测。
[0007]EM遥测涉及在井眼处产生电磁波，该电磁波行进穿过大地附近的地层并且在地表处被检测到。
[0008]EM遥测相对于MP遥测的优点大体上包括:更快的波特率，由于不移动井下部分而增加的可靠性，针对丢失循环原料(LCM)的高抗性，以及适合用于空气钻井/负压钻井。EM系统可以在没有连续流体柱的情况下传输数据；因此，当没有泥浆流动时其是有用的。这在钻井操作人员添加新的部分钻杆时是有利的，这是由于在钻井操作人员添加新的钻杆的同时EM信号可以传输定向的测量。
[0009]EM遥测的缺点包括:较低的深度潜力，与一些地层(例如，高盐地层和高电阻差异地层)的不兼容性，以及与由于对较老的建立方法的接受力而产生的一些市场阻力。同样地，当EM传输在穿过地球地层长距离上大大地衰减时，其要求相对较大量的功率，使得信号能够在地表处检测到。更高频的信号比低频信号衰减更快。
[0010]BHA的金属管通常是通过由本领域称为“间隙接头(gap sub) ”的绝缘接头或连接器将钻柱分成两个导电部分而用作用于EM遥测工具的偶极天线。间隙接头是EM遥测系统的一个重要的设计方面。间隙接头必须满足电绝缘要求并且承受在钻井期间引入的机械载荷和钻杆的中央与外部之间出现的高压差。这些机械载荷通常相当高并且大多数钻柱部件是由高强度、易延展的金属合金制成，以应付载荷而不会失效。由于通常在间隙接头组件中使用的大多数高电介质材料的强度明显地低于金属合金或者非常脆，因此间隙接头的机械强度成为重要的设计障碍。间隙接头趋于成为钻柱中的较弱的连接。
[0011]定向钻井通常是通过对井眼的垂直部分进行钻探来开始的。在某一时刻，进行钻井操作从而井眼从竖直方向偏离而形成曲线或“狗腿状”。随着曲线在井眼中形成，井眼的轨迹可以迅速地改变。比计划的或期望更迅速地发生方向变化会引起问题。例如，套管可能无法容易地配装通过井眼的过度紧密弯曲的部分(有时称为微狗腿状部分)。由钻柱在狗腿状处反复的磨损会导致BHA会被卡住的磨损位置。过度狗腿状还会增加钻柱的整体摩擦，从而导致增加BHA损害的可能性。通过紧的狗腿状部会导致间隙接头的具体问题，包括增加了电介质损坏和过度磨损的可能性。降低间隙接头的机械强度可使间隙充当弹性套环，弹性套环在经历弯曲时可引起间隙接头中过度的应力。这样的应力可使间隙中的电介质材料由于压缩载荷、钻孔中的磨损、或钻孔的冲击而碎裂、破裂或褶皱。
【发明内容】
[0012]本发明具有若干方面。一方面提供了用于间隙接头的构型。另一方面提供了用于制造间隙接头的方法。另一方面提供了具有延伸间隙的间隙接头。另一方面提供了用于间隙接头的部件。另一方面提供了具有电导体延伸横跨间隙的电绝缘间隙的间隙接头。另一方面提供了用于间隙接头的电隔离套环。这些方面中的不同的方面是协同的。然而，这些方面也具有独立的应用。
[0013]一方面提供了用于间隙接头组件的绝缘套环。套环具有彼此间隔开的一对纵向端部和穿过套环的孔。套环包括框架和绕框架间隔开的多个离散体。多个离散体中的每个离散体的一部分突出到框架的表面的上方。框架和多个离散体在套环的所述一对纵向端部之间延伸，并且框架或者多个离散体包括电绝缘体材料，以使套环的所述一对纵向端部中的一个纵向端部与套环的所述一对纵向端部中的另一纵向端部电隔离。
[0014]框架可包括金属或金属合金。多个离散体可以是球体。
[0015]框架可包括一个或多于一个的具有相反侧面的环。框架可包括一对端环，并且多个离散体中的一些或全部定位于端环之间。框架还可包括定位在所述一对端环之间的一个或多于一个的内部环。多个离散体中的至少一些离散体定位于端环中的每个端环与内部环之间。端环可以厚于内部环。
[0016]所述一对端环中的每个端环均可包括外侧面和相反的内侧面，其中，内侧面彼此面对，内侧面中的每个内侧面上均包括多个间隔开的内侧面端环表面凹部。每个内侧面端环表面凹部均构造成在其中接纳多个离散体中的一个离散体的一部分。所述一对端环的所述外侧面上包括多个间隔开的外侧面端环表面凹部。每个外侧面端环表面凹部均构造成在其中接纳所述多个离散体中的一个离散体的一部分。框架还可包括定位在所述一对端环之间的一个或多于一个的内部环。内部环可包括两个相反的侧面，其中，相反的侧面中的一个侧面面对所述一对端环中的一个端环的内侧面，并且相反的侧面中的另一个侧面面对所述一对端环中的另一个端环的内侧面，相反的侧面中的每个侧面上均包括多个间隔开的内部环表面凹部。每个内部环表面凹部均构造成在其中接纳多个离散体中的一个离散体的一部分。相反的侧面中的一个侧面的内部环表面凹部相对于相反的侧面中的另一个侧面的内部环表面凹部是偏置的。替代性地，相反的侧面中的一个侧面的内部环表面凹部与相反的侧面中的另一个侧面的内部环表面凹部对准。
[0017]框架可包括螺旋弹簧，并且多个离散体中的至少一些离散体定位于螺旋弹簧的内侦_之间。
[0018]框架还可包括位于多个离散体之间的电介质材料。
[0019]框架可包括套筒，该套筒具有穿过套筒的多个孔，并且多个孔中的每个孔接纳穿过每个孔的多个离散体中的一个离散体的至少一部分。
[0020]根据本公开的第二方面，提供了间隙接头组件。间隙接头组件包括:
[0021](a)凹形构件，该凹形构件具有凹形配合部分；
[0022](b)凸形构件，该凸形构件具有凸形配合部分和间隙部分，凸形配合部分被插入至凹形配合部分中，由此凸形配合部分和凹形配合部分重叠；
[0023](c)电隔离器部件，该电隔离器部件定位于重叠的凸形配合部分与凹形配合部分之间，使得凸形构件和凹形构件机械地联接一起但是在凸形构件的配合部分和凹形构件的配合部分处彼此电隔离；以及
[0024](d)根据本公开的第一方面的绝缘套环，该绝缘套环定位于间隙部分上，由此使凸形构件与凹形构件电隔离。
[0025]间隙部分可构造成与绝缘套环的多个离散体的突出部分的至少一部分相互作用，以阻止绝缘套环相对于间隙部分转动。间隙部分可包括位于其外表面上的多个纵向延伸凹槽，并且多个离散体的突出部分的至少一部分被接纳在多个纵向延伸凹槽中的一个纵向延伸凹槽中。
[0026]凸形构件还可包括肩部部分，该肩部部分包括凸形环状肩部。绝缘套环可定位于凸形环状肩部与凹形配合部分的限定凹形环状肩部的端部之间。凸形环状肩部或凹形环状肩部中的至少一者上可包括多个间隔开的肩部表面凹部。每个肩部表面凹部均构造成在其中接纳多个离散体中的一个离散体的一部分。
[0027]另一方面提供了间隙接头组件，包括:包括第一联接件的第一端部和包括第二联接件的第二端部。第一端部和第二端部附接至彼此并且与彼此电绝缘。直径减小部分在第一端部与第二端部之间延伸并且将第一端部与第二端部连接。套环围绕并且沿着直径减小部分周向地延伸。套环包括多个金属环，所述多个金属环彼此轴向地间隔开并且通过设置在多个环中的相邻的环之间的电绝缘体而与直径减小部分间隔开。电介质材料填充金属环之间的空隙。
[0028]另一方面提供了用于制造间隙接头的方法。该方法包括:围绕管状的间隙部分放置套环；将间隙部分联接至至少一个其他部分来产生组件，其中，套环位于第一肩部与第二肩部之间；轴向地压缩套环；以及用电介质材料填充套环中的空间。
[0029]另一方面提供了包括凸形部分和凹形部分的间隙接头，该凹形部分具有凹形配合部分，该凹形配合部分构造成接纳凸形部分的配合部分。凸形部分的配合部分包括沿配合部分的表面上的第一方向延伸的第一多个凹槽和沿与第一方向不平行的第二方向延伸的第二多个凹槽，凹形部分的配合部分包括沿配合部分的表面上的第一方向延伸的第一多个凹槽和沿与第一方向不平行的第二方向延伸的第二多个凹槽。
[0030]另一方面提供了包括凸形部分的间隙接头，该凸形部分包括具有第一内径的孔、具有第一外径的正常部分(normal sect1n)、具有比第一外径小的第二外径的间隙区域、以及联接至凹形部分的凸形配合部分，凹形部分包括凹形配合部分和孔。凹形配合部分构造成接纳凸形配合部分。电绝缘套环围绕凸形部分的间隙区域。间隙区域至少I米长。
[0031]在下文描述和/或在附图中示出了本发明的其他方面和本发明的多种多样的非限制性实施方式的特征。
【附图说明】
[0032]附图示出了本发明的非限制性实施方式。
[0033]图1是示出了钻探现场的示意性图示，其中，用于随钻测量的电磁(EM)遥测中可以采用本发明的实施方式。
[0034]图2是根据第一实施方式的间隙接头组件的侧视图。
[0035]图3是图2的间隙接头组件的局部截面图。
[0036]图4A是图2的间隙接头组件的凸形构件的立体图，图4B是图2的间隙接头组件的凸形构件的侧视图。
[0037]图5是图2的间隙接头组件的绝缘套环的立体图。
[0038]图6是图5的绝缘套环的内部环的立体图。
[0039]图7是图5的绝缘套环的端环的立体图。
[0040]图8A、图8B和图8C分别是图5的绝缘套环的端环、内部环和另一端环的侧视图。
[0041]图9是图5的绝缘套环的内部环的平面图，其示出了坐置在内部环的相反侧面上的表面凹部中的陶瓷球体。
[0042]图10A、图1OB和图1OC分别是根据绝缘套环的替代性实施方式的端环、内部环和另一端环的侧视图。
[0043]图11是根据绝缘套环的替代性实施方式的内部环的侧视图。
[0044]图12是根据替代性实施方式的绝缘套环的一部分的侧视图。
[0045]图13是根据替代性实施方式的绝缘套环的截面图。
[0046]图14是根据第二实施方式的间隙接头组件的截面图。
[0047]图15A、图15B和图15C分别是图14的间隙接头组件的绝缘套环的立体图、凹形构件的局部立体图和凸形构件的局部立体图。
[0048]图16是根据示例实施方式绝