专利名称：旋转式电连接装置及其使用方法
技术领域：
本发明涉及旋转式电连接装置。
背景技术：
发电在井底钻井环境中一直面临巨大挑战。从地面传输电能通常并不实际。因此， 泥浆马达经常用于产生井下电能。泥浆马达由旋转件(转子)和静止件(定子)构成。在这两个构件之间或在转子与另一装置之间传输电能面临巨大难题。通常，滑环或滑环组件用于保持静止件与旋转件之间的接触。滑环由加装到一个件(静止件或旋转件)上的连续环构成，其中，环的轴线与旋转轴线一致。刷或弹簧片位于另一件上，使得在转动过程中，刷或弹簧片在环表面上滑动。滑环的一个缺点是，摩擦会引起磨损，这会限制滑环的寿命。而且，滑环组件必须被设计成防止滑环与刷或弹簧片之间的分离。因此，需要一致更可靠的电连接装置。
发明内容
本发明提供了旋转式电连接装置及其使用方法。本发明的一个方面提供了一种旋转式电连接装置。旋转式电连接装置包括旋转件和销。所述旋转件包括接触表面，且被构造成能够绕着旋转轴线旋转。所述旋转轴线与接触表面相交。所述销被构造成在旋转轴线与接触表面的相交处接触旋转件。该方面可具有多个实施例。所述旋转式电连接装置可包括连接到旋转件的第一电线和连接到销的第二电线。所述旋转式电连接装置可包括弹簧，所述弹簧被构造成用于使销与旋转件的接触表面保持接触。所述旋转式电连接装置可包括套筒，其中，销和弹簧被接收在所述套筒内。套筒可包括内部槽，且销可包括被构造成与所述槽配合以防止销转动的凸台。可选地，销可被构造成能够转动。旋转件和销可由流体包围着。旋转件和销可被接收在钻柱中。所述旋转式电连接装置可包括环绕着旋转件的绝缘体。销的与旋转件接触的部分可为圆锥形。旋转件的接触表面可大致平坦。旋转件和销分别包括相应的同心布置的导体和绝缘体。旋转件与销之间的接触可以是低摩擦接触。旋转件和销是可以耐磨损的。本发明的另一方面提供了一种旋转式电连接装置。旋转式电连接装置包括旋转件和销。所述旋转件包括内导体、环绕着内导体的绝缘层、环绕着绝缘层的外导体以及接触表面。旋转件被构造成能够绕着旋转轴线旋转。所述旋转轴线与接触表面相交。所述销被构造成在旋转轴线与接触表面的相交处接触旋转件。所述销包括内导体、环绕着内导体的绝缘层以及环绕着绝缘层的外导体。该方面可具有多个实施例。所述旋转式电连接装置可包括弹簧，所述弹簧被构造成用于使销与旋转件的接触表面保持接触。所述旋转式电连接装置可包括套筒，其中，销和弹簧被接收在所述套筒内。套筒可包括内部槽，且销可包括被构造成与所述槽配合以防止销转动的凸台。
本发明的另一方面提供了一种旋转式电连接装置。所述旋转式电连接装置包括旋转件和销。所述旋转件包括多个导体、多个绝缘体以及接触表面。旋转件可被构造成能够绕着旋转轴线旋转。所述旋转轴线与接触表面相交。导体和绝缘体可以同心环形层设置。 多个绝缘体中的一个可隔开每个导体。所述销被构造成在旋转轴线与接触表面的相交处接触旋转件。所述销包括多个导体、多个绝缘体以及接触表面。旋转件可被构造成能够绕着旋转轴线旋转。所述旋转轴线可与接触表面相交。导体和绝缘体可以同心环形层设置。多个绝缘体中的一个可隔开每个导体。旋转件中的多个绝缘体和多个导体的布置和厚度可与销中的多个绝缘体和多个导体的布置和厚度大致对应。该方面可具有多个实施例。所述旋转式电连接装置可包括弹簧，所述弹簧被构造成用于使销与旋转件的接触表面保持接触。所述旋转式电连接装置可包括套筒，其中，销和弹簧被接收在所述套筒内。套筒包括可内部槽，且销可包括被构造成与所述槽配合以防止销转动的凸台。本发明的又一方面提供了一种传输电流的方法。所述方法包括提供旋转式电连接装置，所述旋转式电连接装置包括旋转件和销；转动所述旋转件；以及使电流传送经过旋转式电连接装置。所述旋转件包括接触表面。所述旋转件被构造成能够绕着旋转轴线旋转。所述旋转轴线与接触表面相交。所述销被构造成在旋转轴线与接触表面的相交处接触旋转件。
为了更全面地理解本发明的特征和期望目标，请参看下面结合附图所作的详细描述，其中，在所有的附图中，相同的附图标记均表示相应的部件，附图包括图1示出了可应用本发明的井场系统。图2示出了可应用本发明的井底组件。图3A和IBB示出了旋转式电连接装置。图4示出了使用旋转式电连接装置的方法。
具体实施例方式本发明提供了旋转式电连接装置和使用该旋转式电连接装置的方法。本发明的一些实施例可用于井场系统中。井场系统图1示出了可应用本发明的井场系统。井场可以是陆地上的或海底上的。在该示例性系统中，井眼11以众所周知的方式通过旋转钻井形成在地下的地层中。本发明的多个实施例也可使用定向钻探，这将在下面进行描述。钻柱12悬置在井眼11内，且具有井底组件100，所述井底组件100在其下端包括钻头105。地面系统包括定位在井眼11上方的平台和钻塔组件10，所述组件10包括转台 16、方钻杆(kelly)17、钩18和旋转接头19。钻柱12通过转台16转动，所述转台由未示出的装置驱动，且在钻柱的上端处接合方钻杆17。钻柱12通过方钻杆17和旋转接头19悬置于加装到游动滑车(也未示出)的钩18，所述旋转接头19允许钻柱相对于钩转动。众所周知，可替代性地使用顶驱系统。
在该实施方式的示例中，地面系统还包括储存在形成于井场处的坑27中的钻井流体或泥浆26。泵四经由旋转接头19中的端口将钻井流体沈给送到钻柱12的内部，从而，使得钻井流体如方向箭头8所示地向下流经钻柱12。钻井流体经由钻头105中的端口排出钻柱12，然后通过钻柱的外侧与井壁之间的环形区域向上循环，如方向箭头9所示。以该众所周知的方式，钻井流体润滑钻头105，并在它返回到坑27以再循环时将岩屑上送到地面。示出的实施例的井底组件100包括随钻测井(LWD)模块120、随钻测量(MWD)模块 130、旋转导向系统(roto-steerable system)和马达以及钻头105。LffD模块120如现有技术中所公知的那样容纳在一种特殊类型的钻铤中，且可包含一种或多种现有类型的测井工具。还可以理解，可采用一个以上的LWD和/或MWD模块， 例如如图中的附图标记120A所示(在整个申请中，对附图标记120的位置处的一个模块的描述同样适用于附图标记120A的位置处的一个模块)。LWD模块具有用于测量、处理和储存信息以及用于与地面仪器通信的能力。在本实施例中，LffD模块包括压力测量装置。MWD模块130也如现有技术中所公知的那样容纳在一种特殊类型的钻铤中，且可包含一个或多个用于测量钻柱和钻头的特性的装置。MWD工具还包括用于向井底系统产生电能的装置(未示出)。这通常可包括由钻井流体流驱动的泥浆涡轮发电机(也称作“泥浆马达”)，可以理解，也可采用其他电能和/或电池系统。在本实施例中，MWD模块包括以下类型的测量装置中的一种或多种钻压测量装置、扭矩测量装置、振动测量装置、冲击测量装置、粘滑测量装置、方向测量装置和倾斜测量装置。该系统的特别有利的应用是与受控导向或“定向钻探”相结合。在该实施例中，设有旋转导向子系统150(图1)。定向钻探有意地使井眼偏离自然所取的路径。换言之，定向钻探对钻柱进行导向，使得钻柱沿期望的方向行进。定向钻探例如在海底钻探中是有利的，这是因为它能够使许多井从单个平台钻探。定向钻探还使得能够进行通过储层的水平钻探。水平钻探能够使更长的井眼穿过储层， 这增大了井的产率。定向钻探系统还可用于垂直钻探操作中。通常，钻头会由于穿过的地层的不可预测的特性或钻头经受的力的变化而偏离计划的钻探轨迹。当出现这种偏离时，定向钻探系统可用于将钻头带回到计划轨迹上。现有的定向钻探方法包括使用旋转导向系统(“RSS”)。在RSS中，钻柱从地面转动，且井底装置使得钻头沿期望方向钻探。转动钻柱大大地降低了钻柱在钻探过程中搁浅或卡住的发生。用于在地中钻探偏斜井眼的旋转导向钻探系统通常可分为“指向式钻头”系统或“推靠式钻头”系统。在指向式钻头系统中，钻头的旋转轴线偏离新井孔的走向上的井底组件的局部轴线。井孔根据由上、下稳定器接触点和钻头限定的常规三点几何关系延伸。与钻头和下稳定器之间的有限距离关联的钻头轴线的偏斜角度导致要产生的曲线所需的非共线的条件。具有许多种可实现此点的方式，包括在井底组件中的与下稳定器接近的点处的固定弯曲部或分布在上、下稳定器之间的钻头驱动轴的挠曲。在其理想化的形式下，钻头不需要向侧旁切割，这是因为钻头轴线在弯曲井孔的方向上连续地转动。指向式钻头型旋转导向系统的多种示例以及它们如何操作描述于美国专利申请公开No. 2002/0011359 ；2001/0052428和美
7国专利 No. 6，394，193 ；6，364，034 ；6，244，361 ；6，158，529 ；6，092，610 ；以及 5，113，953 中。在推靠式钻头旋转导向系统中，通常不具有特别确定的机构来使钻头轴线偏离局部井底组件轴线；相反，必需的非线性条件通过使上、下稳定器中的任一个或两者沿一个方向施加偏心力或移位实现，所述方向优选相对于孔的延伸方向定向。此外，具有许多种可实现此点的方式，包括不转动的(相对于井眼)偏心稳定器(基于位移的方法)和沿期望的导向方向向钻头施加力的偏心致动器。而且，导向通过在钻头与至少两个其他接触点之间产生非共线性实现。在其理想化的形式下，钻头需要向旁侧切割，以产生弯曲的井孔。 推靠式钻头型旋转导向系统的多个示例和它们如何操作描述于美国专利No. 5，265, 682 ； 5，553，678 ；5，803，185 ；6，089，332 ；5，695，015 ；5，685，379 ；5，706，905 ；5，553，679 ； 5，673，763 ；5，520，255 ；5，603，385 ；5，582，259 ；5，778，992 ；5，971，085 中。参看图2，提供了一种井底组件100，所述井底组件100包括井底马达202、轴区段 204和旋转钻头区段206。井底马达202可以是众多种现在公知的或者后来开发的井底马达(也称作“泥浆马达”)中的任何一个。这种装置包括涡轮马达、容积式马达、单螺杆型(Moineau-type) 容积式马达等。单螺杆型容积式马达示于图2中。泥浆马达在多个公开物中被描述，例如，作者为 G. Robello Samuel 的 Downhole DrillinR Tools Theory & Practice for EnRineers & Students 288-333 (2007) Standard Handbook of Petroleum & Natural Gas EnRineerinR 4-276-4-299 (William C. Lyons & Gary J. Plisga eds. 2006)；以及作者为 1 Yakov A. Gelfgat 等人的 Advanced Drilling Solutions :Lessons from the FSU 154-72(2003)。通常，井底马达202包括转子208和定子210。在钻井过程中，高压流体通过钻柱 12泵送到井底马达202的顶端212中，以充注到第一组凹腔214A。跨越相邻凹腔214A和 214B的压力差促使转子208转动。当这发生时，相邻凹腔被打开，使得流体可行进通过井底马达202。转子208连接到轴216，以便传递由转子208的转动所产生的动力。转子208和旋转钻头轴218可挠性地通过万向接头220A和220B连接到轴216。旋转钻头轴218通过轴承222A-H支撑在井底组件100内。轴216使钻头轴218转动，所述钻头轴连接到钻头224。在钻井过程中，流体流过井底马达202、并绕着轴216流入钻头轴218中，然后邻近于钻头2M地从钻头轴218流出，以润滑钻头224。钻头2M包括一个或多个传感器226A、226B来测量钻探特性和/或钻头位置。传感器226A、226B可包括一个或多个装置、例如三轴线式加速计和/或磁力计传感器，以探测钻头224的倾度和方位角。传感器226A、226B也可提供地层特征或钻探动力学数据。地层特征可包括由超声装置或核成像装置、例如美国专利公开No. 2007/0154341中描述的装置收集的有关相邻地层的信息，该专利公开文献的内容通过引用包括在此。钻探动力学数据可包括井底组件100和/或钻头224的振动、加速度、速度和温度的测量结果。一个或多个电线2 被提供，以便从井上系统(未示出)传输电能和/或向井上系统传输数据。这些电线2 可连接到定位于井底马达202的顶端212附近的传感器。然而，这些传感器具有有限的效用，这是因为井底马达202的顶端212和钻头2M之间的距离可在大约40英尺与大约60英尺之间。CN 102265468 A
说明书
5/6页将电线穿过井底马达202、轴区段204和钻头区段206通常也并不实际可行，这是因为具有多个运动部件。而且，典型的转子208为大约20英尺长，且不能被加工出孔。最后，电线2 不能简单地连接到转子208，这是因为转子208与电线228以不同的速度转动， 且最终会缠绕和/或剪切电线228。因此，需要一种用于将一个或多个电线2 与旋转元件、例如转子208连接的装置 (被示为元件230)。旋转式电连接装置参看图3，提供了一种旋转式电连接装置300。该连接装置包括旋转件302和销 304。旋转件302绕着旋转轴线306 (通过虚线所示)转动，且具有接触表面308。销304被构造成在旋转轴线与接触表面的相交处接触旋转件302。旋转式电连接装置300A可用于传递电流和/或以电数据编码的数据。在一些实施例中，销304具有如图3所示的圆锥形或角形末端。这种实施方式有利地使与旋转件302的接触最小化，从而，降低摩擦和磨损。而且，角形末端将具有最低的旋转速度。然而，本发明并不局限于角形末端。相反，末端可也为圆的，或可与旋转轴线306 垂直。在一些实施例中，接触表面308大致为平的。在其他实施例中，接触表面308为弯曲的或角形的。接触表面308可被专门地设计成与销304配合。旋转件302和销304可连接到电线3IOA和310B。销304可被接收在套筒312中，以允许产生受控的运动量。弹簧314或压缩装置可被接收在套筒312内，以将销304保持成抵靠着接触表面308以及吸收施加给销304的力。这种压缩装置可包括液压室或气动室或液压或气动囊体。其他压缩装置可包括向着接触表面308推动销304的磁力。销304可包括被构造成与套筒312中的槽配合的凸台314，以防止销304转动。可选地，销304也可允许转动，使得动力通过销与套筒之间的接触和/或通过弹簧314传递到套筒312。在一些实施例中，旋转件302和销304可由导电材料、例如金属(例如，铜、金、银、 镍、铁和它们的合金)，石墨或导电树脂构成。导电树脂例如可从罗得岛州的公司总部设在 Warwick的冷聚合物公司获得。旋转件302和销304可被覆盖有耐磨损材料例如“高速钢”或碳钢或由该材料构成。高速钢是i^e-C-X多组分合金，其中，X表示铬、钨、钼、钒和/或钴。通常，X组分超过 7%，同时碳高于0. 60%。碳钢是主要合金成分是碳的钢。旋转件302和销304可由绝缘层318环绕。合适的绝缘体包括、但不限于聚四氟乙烯(PTFE)、热塑性聚合物、聚合物化合物、树脂、二氧化硅、玻璃、瓷料、陶瓷、聚乙烯、交联聚乙烯、乙烯-丙烯橡胶、硅橡胶、聚氯乙烯(PVC)、纸、油浸渍纸、乙烯四氟乙烯(ETFE)以及三元乙丙(EPDM)橡胶。旋转件302和销304可被包围在流体中。在一些实施例中，旋转件302和销304 可被包围在润滑剂中，以降低摩擦、传递热量和保护该连接装置免受腐蚀。合适的润滑剂包括油，例如矿物油、合成油和油脂，例如硅脂、氟醚基脂和锂基脂。可选地，旋转件和销也可被包围在气体中，例如惰性气体(例如，氮气、氦气、氖气、氩气、氪气、氙气和/或氡气)。
在一些实施例中，旋转件302和销304未被包围在流体或气体中，而是敞开于井下钻探环境。在这种实施例中，旋转件302和销304可与钻井流体例如泥浆接触。在许多实施例中，旋转式电连接装置300可被容纳。例如，连接装置300可被容纳在圆柱体316中。圆柱体316可为钻柱。可选地，圆柱体316可以为泥浆马达。在这种实施例中，旋转件302可以是转子，而圆柱体316是定子。旋转式电连接装置300可包括一个或多个电子装置，以去除引入电流和/或数据中的任何噪声。这种装置可以是本领域的技术人员知晓的快速傅里叶变换(FFT)装置。参看图:3B，提供了一种多通道旋转式电连接装置300B。旋转件302B和304B包含内导体320和外导体324，所述内导体由绝缘层322包围。这种布置形式使得两个或多个通道可同时传输电流和/或数据。另外的电线310C和310D被提供用于向连接装置输送电和从连接装置输送电。图;3B中示出的原理不限于两个通道的实施例。相反，多通道旋转式连接装置也可通过组合多个同心导体和绝缘层制作。在一些实施例中，旋转件302B和销304被构造成使内导体320、绝缘层322和外导体324的厚度和布置是相同的或大致相同的。在一些实施例中，接触表面308B被构造成防止销304偏离旋转轴线306。例如，接触表面可包括与销304的末端的角形几何形状相配的角形凹陷部。旋转式电连接装置300A、300B可被设计成用于载送多种电压和电流强度。例如， 旋转式电连接装置载送的电流可为大约4-8安培。本领域的技术人员可以理解，被选择用于旋转式电连接装置300A、300B、电线310A、310B、310C、310D和其他构件的材料和规格可被调节成应对增大的电负荷。合适的电线规格可通过计算、或通过参看标准例如美国电线规格(也称作布朗沙普线径规)和国家电气法规(NEC)确定。参看图4，提供一种利用旋转式电连接装置的方法。在步骤402中，提供旋转式电连接装置。在步骤404中，旋转件被转动。在步骤406中，电被传送通过旋转式电连接装置。通过引用加入所有专利、公开的专利申请以及其他在此公开的参考文献整体上通过引用包括在本说明书中。等同替换本领域的技术人员将认识到或能够在仅利用常规实验的情况下获得此处描述的本发明的特定的实施例的许多等同替换。这种等同替换意欲由权利要求涵盖。具体地讲，尽管在井底钻井环境的情况下进行描述，但在此提供的本发明同样适用于其他实施例。例如，本发明可被结合到传统的AC或DC电机中。同样，旋转式电连接装置可被结合到延长线卷筒中。
权利要求
1.一种旋转式电连接装置，包括具有接触表面的旋转件，所述旋转件被构造成能够绕着旋转轴线旋转，所述旋转轴线与接触表面相交；以及销，所述销被构造成在旋转轴线与接触表面的相交处接触旋转件。
2.如权利要求1所述的旋转式电连接装置，其特征在于，所述旋转式电连接装置还包括连接到旋转件的第一电线；以及连接到销的第二电线。
3.如权利要求1所述的旋转式电连接装置，其特征在于，所述旋转式电连接装置还包括弹簧，所述弹簧被构造成用于使销与旋转件的接触表面保持接触。
4.如权利要求3所述的旋转式电连接装置，其特征在于，所述旋转式电连接装置还包括套筒；其中，销和弹簧被接收在所述套筒内。
5.如权利要求3所述的旋转式电连接装置，其特征在于，套筒包括内部槽，且销包括被构造成与所述槽配合以防止销转动的凸台。
6.如权利要求1所述的旋转式电连接装置，其特征在于，销被构造成能够转动。
7.如权利要求1所述的旋转式电连接装置，其特征在于，旋转件和销由油包围着。
8.如权利要求1所述的旋转式电连接装置，其特征在于，旋转件和销被接收在钻柱中。
9.如权利要求1所述的旋转式电连接装置，其特征在于，所述旋转式电连接装置还包括环绕着旋转件的绝缘体。
10.如权利要求1所述的旋转式电连接装置，其特征在于，销的与旋转件接触的部分为圆锥形。
11.如权利要求1所述的旋转式电连接装置，其特征在于，旋转件的接触表面大致平坦。
12.如权利要求1所述的旋转式电连接装置，其特征在于，旋转件和销分别包括相应的同心布置的导体和绝缘体。
13.如权利要求1所述的旋转式电连接装置，其特征在于，旋转件与销之间的接触是低摩擦接触。
14.如权利要求1所述的旋转式电连接装置，其特征在于，旋转件和销是耐磨损的。
15.一种旋转式电连接装置，包括 旋转件，所述旋转件包括内导体；环绕着内导体的绝缘层； 环绕着绝缘层的外导体；以及接触表面；其中，旋转件被构造成能够绕着旋转轴线旋转，所述旋转轴线与接触表面相交；以及销，所述销被构造成在旋转轴线与接触表面的相交处接触旋转件，所述销包括 内导体；环绕着内导体的绝缘层；以及环绕着绝缘层的外导体。
16.如权利要求15所述的旋转式电连接装置，其特征在于，所述旋转式电连接装置还包括弹簧，所述弹簧被构造成用于使销与旋转件的接触表面保持接触。
17.如权利要求15所述的旋转式电连接装置，其特征在于，所述旋转式电连接装置还包括套筒；其中，销和弹簧被接收在所述套筒内。
18.如权利要求15所述的旋转式电连接装置，其特征在于，套筒包括内部槽，且销包括被构造成与所述槽配合以防止销转动的凸台。
19.一种旋转式电连接装置，包括 旋转件，所述旋转件包括多个导体； 多个绝缘体；以及接触表面；其中，旋转件被构造成能够绕着旋转轴线旋转，所述旋转轴线与接触表面相交； 其中，导体和绝缘体以同心环形层设置；以及其中，多个绝缘体中的一个隔开每个导体；以及销，所述销被构造成在旋转轴线与接触表面的相交处接触旋转件，所述销包括 多个导体； 多个绝缘体；以及接触表面；其中，旋转件被构造成能够绕着旋转轴线旋转，所述旋转轴线与接触表面相交； 其中，导体和绝缘体以同心环形层设置；以及其中，多个绝缘体中的一个隔开每个导体；其中，旋转件中的多个绝缘体和多个导体的布置和厚度与销中的多个绝缘体和多个导体的布置和厚度大致对应。
20.如权利要求19所述的旋转式电连接装置，其特征在于，所述旋转式电连接装置还包括弹簧，所述弹簧被构造成用于使销与旋转件的接触表面保持接触。
21.如权利要求19所述的旋转式电连接装置，其特征在于，所述旋转式电连接装置还包括套筒；其中，销和弹簧被接收在所述套筒内。
22.如权利要求21所述的旋转式电连接装置，其特征在于，套筒包括内部槽，且销包括被构造成与所述槽配合以防止销转动的凸台。
23. 一种传输电流的方法，所述方法包括 提供旋转式电连接装置，所述旋转式电连接装置包括具有接触表面的旋转件，所述旋转件被构造成能够绕着旋转轴线旋转，所述旋转轴线与接触表面相交；以及销，所述销被构造成在旋转轴线与接触表面的相交处接触旋转件；转动旋转件；以及使电流传送经过旋转式电连接装置。
全文摘要
本发明提供了旋转式电连接装置及其使用方法。本发明的一个方面提供了一种旋转式电连接装置。旋转式电连接装置包括旋转件和销。所述旋转件包括接触表面，且被构造成能够绕着旋转轴线旋转。所述旋转轴线与接触表面相交。所述销被构造成在旋转轴线与接触表面的相交处接触旋转件。
文档编号H01R13/533GK102265468SQ200980152672
公开日2011年11月30日 申请日期2009年11月16日 优先权日2008年11月26日
发明者H·S·黄, J·西勒尔 申请人:普拉德研究及开发股份有限公司