устройство для обеспечения электрически изолированного соединения между двумя металлическими элементами

Формула изобретения

1. Устройство для обеспечения соединения между двумя металлическими частями для получения диполя, образующего антенну в бурильной колонне, разведочной колонне, обсадных трубах или системе труб, отличающееся тем, что содержит первый металлический элемент (1), содержащий охватывающую коническую поверхность (2), второй металлический элемент (5), содержащий охватываемую коническую поверхность (6), при этом по меньшей мере одна из двух поверхностей покрыта тонким слоем из электроизоляционного материала и указанные два элемента (1, 5) вводятся один в другой с возможностью механического соединения и при этом электрически изолированы друг от друга, причем угол наклона указанной конической поверхности составляет от 1 до 2.

2. Устройство по п.1, в котором только второй элемент (5) покрыт указанным тонким слоем, причем состояние поверхности указанного слоя контролируется и может дополнительно подвергаться обработке.

3. Устройство по одному из предыдущих пунктов, в котором указанный слой имеет толщину от 0,1 до 0,5 мм, предпочтительно от 0,2 до 0,4 мм, и выполнен из материала типа керамики.

4. Устройство по одному из предыдущих пунктов, в котором герметизирующие средства (18, 15) расположены практически на двух краях указанного тонкого слоя, для предотвращения попадания текучей среды между двумя указанными коническими поверхностями.

5. Устройство по одному из предыдущих пунктов, в котором третий элемент (9) соединен с указанным вторым металлическим элементом (5) и контактирует с указанным первым металлическим элементом (1) по меньшей мере через одно электроизоляционное кольцо (11).

6. Устройство по п.5, в котором указанное кольцо (11) имеет уплотнения (а, b, с), так что контакт между указанным первым металлическим элементом (1) и третьим металлическим элементом (9) является герметичным.

7. Устройство по одному из п.5 или 6, в котором указанное кольцо (11) содержит слой электроизоляционного материала по меньшей мере на части поверхностей, которые контактируют с краями (10а) и (10b) первого (1) и третьего (9) элементов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройству для обеспечения соединения между двумя металлическими элементами и электрической изоляции этих двух элементов, которые в основном имеют трубчатую форму.

В области изыскательских работ и разработки месторождений в процессе нефтедобычи при бурении ствола часто используются передающие средства, требующие использования антенны, включающей две трубчатые части, которые механически соединены друг с другом, но электрически изолированы. Следовательно, необходимо использовать соединитель, который обеспечивает электрическую изоляцию, но обладает также сопротивлением к кручению, изгибу, растяжению и сжатию, в зависимости от нагрузок, которым могут подвергаться трубчатые элементы бурильной колонны, колонна из труб для добычи или колонна для испытательного бурения при добыче.

В документе US-A-5163714 описан соединитель, который может выполнять эту функцию, но его механическая прочность ограничена, в частности, прочностью эпоксидной смолы, используемой для соединения, и уменьшенной толщиной входящего и охватывающего элементов. Более того, выбранное техническое решение требует, чтобы соединитель имел значительную длину, что отнюдь не облегчает его использование в стволе, а также не упрощает способа, используемого при его изготовлении. В то же самое время в свете того, что данная смола должна быть способной выдерживать более высокую температуру, то есть, выше 130^oС, необходимо использовать очень дорогую смолу, причем требующую осторожности при работе с ней.

Настоящее изобретение предлагает другое решение, а именно менее дорогостоящее, требующее меньшей длины соединителя, и обеспечивает механическую прочность, которую легче оптимизировать.

Соответственно настоящее изобретение относится к устройству для создания соединения между двумя металлическими частями. Это изделие состоит из первого элемента с охватывающей конической поверхностью и второго элемента, имеющего входящую коническую поверхность. По крайней мере, одна из двух поверхностей покрыта тонким слоем электрически изоляционного материала. Эти два элемента введены один в другой так, что они могут быть механически соединены.

Второй элемент может быть покрыт тонким слоем, причем этот слой имеет контролируемое состояние поверхности и может быть различным.

Этот слой может иметь толщину от 0,1 до 0,5 мм, а предпочтительно от 0,2 до 0,4 мм, и может быть выполнен из материала керамического типа.

Герметизирующее средство может быть размещено в основном на двух краях тонкого слоя, чтобы предотвратить проникновение любой жидкости между двумя коническими поверхностями.

Коническая поверхность может быть наклонена под углом от 1 до 2^o, а предпочтительно от 1,3 до 1,5^o.

Третий элемент может быть соединен со вторым элементом и может контактировать с первым элементом через, по меньшей мере, одно электрически изолированнее кольцо.

Это кольцо может иметь уплотнения для обеспечения плотного контакта между вышеуказанным первым элементом и вышеуказанным третьим элементом.

Такой пакет может иметь тонкий слой электрически изолированного материала поверх, по меньшей мере, части поверхностей, которые находятся в контакте с краями первого и третьего элемента.

Настоящее изобретение также относится к применению устройства, предлагаемого в настоящем изобретении, в качестве диполя антенны для передачи или приема электромагнитных волн.

Предпочтительно оно будет применено как средство формирования диполя в бурильной колонне, колонне для испытательного бурения при добыче, в обсадных трубах или системе труб.

Настоящее изобретение станет понятнее, а его преимущества будут видны яснее из следующего описания одного из вариантов его выполнения, которое не ограничено ни в каком отношении, что иллюстрируется прилагаемыми чертежами, на которых:

- фиг.1 представляет собой схематичную иллюстрацию, частично в разрезе, соединителя, предлагаемого в настоящем изобретении,

- фиг. 1А представляет собой схематичную иллюстрацию, демонстрирующую детально элементы соединителя.

Соединительная деталь, обозначенная позицией 1 (называемая "охватывающей частью"), представляет собой колонну из труб или стержней, соединенную с одним из ее краев 3 с помощью традиционного соединения (здесь не показано), например резьбы. Внутренняя поверхность 2 части 1 является конической на определенной части ее длины. Внешняя поверхность 4 в основном имеет цилиндрическую форму, как и большинство элементов, привинченных к блоку из труб, предназначенному для погружения в ствол скважины.

Вторая соединительная деталь 5 (называемая "входящей частью"), расположенная внутри детали 1, имеет внешнюю поверхность 6 конической формы, соответствующей внутренней поверхности 2 части 1. Край 7 части 5 является в основном цилиндрическим и имеет резьбу 8, так что часть 5 может быть собрана с соединительной частью 9, имеющей на одном краю 22 другое средство, которое обеспечивает механическое соединение с блоком труб. Это соединительное средство, здесь не показанное, может представлять собой любое известное средство, используемое для обеспечения механического соединения, например коническую резьбу.

Между краем 10a (напротив края 3) детали 1 и краем 10b детали 9 (напротив края 22) введена последовательность колец 11, имеющая, по меньшей мере, три лицевые стороны d, e и f (фиг.1А), которые покрыты слоем изоляционного материала, например керамического, с такой характеристикой электрической изоляции, которая позволит выдерживать высокую температуру. О-образные кольца a, b и с (фиг.1А) размещены между каждой соединительной плоскостью, образуемой комплектом колец 11 между краем 10а детали 1 и краем 10b детали 9. Соединительные плоскости колец 11 утоплены на несколько десятых миллиметра от их поверхности, расположенной на внешней стороне уплотнений а, b, с таким образом, что имеется достаточный зазор 21 для предотвращения электрического контакта между различными поверхностями соединительных плоскостей. В результате эти части, расположенные на внешней стороне, не могут быть изолированы от внешней текучей среды и абразивного износа. Эти внешние поверхности могут, следовательно, не быть электрически изолированными слоем покрытия. Расстояния 21 определены таким образом, что изоляция, которая может быть недостаточна между краями 10а и 10b, тем не менее достаточна при использовании этого соединителя в качестве антенны, которая будет принимать и передавать, например, электромагнитные волны.

Покрытие 12 наносится, по меньшей мере, на одну из конических поверхностей 6 и 2 с использованием твердого электрически изолирующего материала, например керамики. Предпочтительно керамика на основе глинозема (приблизительно 97%) и оксида титана (приблизительно 3%) наносится с использованием технологии плазменного напыления.

Чтобы избежать любых значительных утечек или электрических коротких замыканий между соединительными деталями 1 и 5, край 13 соединительной детали 5 обработан таким образом, чтобы быть утопленным относительно внутренней поверхности детали 1, одна из двух лицевых поверхностей расположена сзади, причем зазор 14 покрыт тем же изоляционным материалом 12. Ясно, что зазор 14 может быть получен с помощью другой формы обработки, чем показанная на чертеже, но которая будет выполнять ту же функцию.

Кольцо 15, выполненное из непроводящего материала, используется как опора О-образного кольца для уплотнений 16 и 17 без установления электрического контакта между двумя соединительными деталями 1 и 5. Кольцо 15 может быть закреплено, по меньшей мере, на одной из частей 5 или 1 с помощью любых средств, известных инженеру-механику, например резьбового кольца, навинченного на резьбу, выполненную во внутреннем стволе детали 1.

На другом крае 7 детали 5, близко к резьбе 8, соединяющей часть 5 с соединяющей частью 9, в соответствующей канавке размещено О-образное кольцо 18.

Ясно, что не было бы отклонением от объема настоящего изобретения, если бы другое число и/или тип соединений были использованы на каждом уровне или плоскости герметизации.

Следовательно, части 3 и 9 электрически изолированы за счет покрытия 12, изолирующих колец 11 и зазора 14.

Благодаря пористости слоев изолирующего керамического материала и для того, чтобы предотвратить коррозию керамических соединяющих поверхностей, они должны быть изолированы от текучих сред, присутствующих внутри или снаружи трубчатых элементов, то есть текучих сред, притекающих к скважине, при их использовании для изыскательских работ или разработки залежей скважины, и текучей среды, циркулирующей во внутреннем пространстве 20 труб и, следовательно, также внутри изолирующего соединителя в соответствии с настоящим изобретением. Функция О-образных колец а, b и с (фиг.1А) состоит в герметизации соединителя от воздействия внешней текучей среды, а функция O-образных колец 16, 17 и 18 в том, чтобы герметизировать соединитель от внешней текучей среды.

В дополнение к защите, обеспечиваемой керамическим покрытием, необходимо предотвратить попадание текучих сред скважины в блоки.

Соединитель может быть собран и изготовлен, например, следующим образом:

- Часть 5 изготовлена путем обработки на станке, а затем покрыта с помощью традиционной технологии слоем керамического материала 12, дополнительно корректирующего состояние поверхности покрытия 12, чтобы контактная поверхность была оптимальной без риска разрыва покрытия.

- В некоторых случаях дополнительная обработка может быть использована для модификации и общего увеличения коэффициента трения между двумя коническими деталями. Это будет увеличивать вращающий момент, передаваемый конусами, и понижать сжатие, определяющее деформацию конической поверхности.

- Часть 5 вводится в часть 1 с приложением данного напряжения растяжения между двумя частями. Механическое напряжение блока определяется как функция механической прочности соединителя, если известен характер материалов используемого металла и поперечное сечение элементов.

- Комплект изолирующих колец 11 расположен, а часть 9 навинчена таким образом, что она запирается, прилегая к кольцам, чтобы сдерживать сжимающее усилие во время обслуживания, например нагрузку на трубный пакер (герметизирующий элемент в скважине) во время испытательного производства (TDS) или вес коронки бура во время бурения.

- Внутреннее кольцо 15 расположено таким образом, что создается внутреннее уплотнение.

Ясно, что растяжение на таком соединителе может выдерживаться с помощью силы взаимодействия входящего конуса и охватывающего конуса, пока деформация сжатия будет в основном удерживаться краями 10а, 10b и кольцами 11, пока деформация кручения будет в основном поглощаться трением конусов 2 и 6.

Предпочтительно, чтобы именно входящий конус 6 соединительной детали 5 был покрыт слоем керамического материала толщиной приблизительно от 0,2 до 0,4 мм путем плазменного напыления. В результате в таком случае проще откорректировать коническую поверхность 6 таким образом, что геометрия покрытия будет достаточно хорошей, чтобы обеспечить подгонку между входящим конусом и охватывающим конусом. Предпочтительно угол наклона конусов 2 и 6 находится в диапазоне от 1 до 2^o, а конкретно, в диапазоне от 1,3 до 1,5^o. Величина градиента угла конуса будет зависеть от механической характеристики, необходимой для соединителя, особенно в отношении растяжения и вращающего момента.

В случае, когда изоляционный соединитель, предлагаемый в настоящем изобретении, используется в испытательной бурильной колонне (TDS), он будет иметь, например, следующие показатели:

- внешний диаметр: 127 мм (5 дюймов);

- внутренний диаметр: 66 мм;

- длина изолированной области: приблизительно, 175 мм;

- макс. усилие растяжение: по меньшей мере, 160 t;

- макс. вращающий момент: 7200 даН/м;

- внутреннее рабочее давление: по меньшей мере, 103 МПа (15000 psi);

- внешнее рабочее давление: по меньшей мере, 103 МПа (15000 psi).

Настоящее изобретение не ограничено использованием керамического материала, приведенного в настоящем документе в качестве примера. В качестве покрытия может быть использован практически любой материал, нанесенный тонким слоем на металлическую деталь. Тем не менее, его коэффициент трения должен быть достаточно велик, чтобы передавать механическую нагрузку с нижней части на верхнюю часть, а его допустимое усилие сжатия должно быть таким, чтобы он мог выдержать контактные усилия между коническими частями, введенными одна в другую. Ясно, что электрическая изоляция, обеспечиваемая тонким слоем, должна быть такой, чтобы допускать использование устройства в качестве антенны для передачи или приема электромагнитных волн.

Настоящее изобретение может быть применено при изготовлении антенны для электромагнитной передачи такого типа, которая описана в документе US-5394141 и приведена в настоящем документе в качестве ссылки. Эта антенна может быть введена в блок из стержней или бурильную колонну для производственного тестирования во время или после бурения или в блоке обсадных труб, чтобы передавать данные, принятые внутрискважинными сенсорами.