用于井下工具的配合連接器的制作方法

本申請要求2014年5月4日提交的美國臨時專利申請No.61/988,282的優先權，該美國臨時專利申請的全部公開內容在此通過引用的方式并入。

技術領域

本申請涉及與在地層中旋轉鉆井相關的井下工具領域，尤其涉及減少在組裝、拆卸和鉆井操作期間對電連接件的損害。

背景技術：

在地層中旋轉鉆井用于形成井孔，以獲得地層中的物質，例如碳氫化合物。旋轉鉆井涉及布置在從地面延伸的鉆柱的鉆進端上的鉆頭。鉆柱由一系列管件組成，它們被構造成允許流體在地面和地層之間流動。在鉆頭上方靠近鉆頭的可以是地層和/或用于隨鉆測量（measurement-while-drilling）的井孔測量工具。多個工具可以一起組合為底孔組件。

在鉆頭旋轉期間，底孔組件中的井下工具可能受到振動和機械沖擊，該振動和機械沖擊可能會損害所述測量工具、損害沿著鉆柱的連通、或者損害井下工具與其它井下部件之間的連接。井下工具的電連接通常涉及可能在鉆井操作期間受損的插腳（pin）。電連接故障可能使一個或多個井下工具不能運轉，從而需要放棄鉆井操作以診斷和更換或修復電連接。

此外，在鉆柱的組裝或拆卸期間，一些電連接可能受損。對于當前和將來的工具操作來說，設立期間和關停期間的工具損壞還會造成成本增加和時間的延遲。

對于在組裝、拆卸和鉆井操作期間保護電連接器的工具連接件，存在著需求。在本領域中，對于被構造成允許在無工具的情況下組裝和拆卸的工具連接器，存在著需求。對于在插腳不磨損或斷裂的情況下能夠耐受扭力的電連接件，存在著需求。此外，對于增大底孔組件的機械強度的工具連接件，也存在著需求。

技術實現要素：

在多個方面，本公開涉及與在地層中旋轉鉆井相關的井下工具。具體地，本公開涉及減少由于機械沖擊和振動而導致的損害和磨損。

根據本公開的一個實施例包括一種用于跨工具接頭連接件傳輸數據的設備，該工具接頭連接件被構造成布置在井孔中，該設備包括：第一數據傳輸元件，該第一數據傳輸元件連接至具有第一工具連接器的第一井下部件，該第一工具連接器具有布置在第一工具連接器的外表面上的卡口式插頭；第二數據傳輸元件，該第二數據傳輸元件連接至具有第二工具連接器的第二井下部件，該第二工具連接器具有被構造成接收第一工具連接器的卡口式插頭的狹槽；其中，第一數據傳輸元件包括公同軸連接器和母同軸連接器中的一個，并且第二數據傳輸元件包括公同軸連接器和母同軸連接器中的另一個，并且其中，母同軸連接器和公同軸連接器之間的電連接是在通過第一工具連接器和第二工具連接器的配合而形成工具接頭連接件期間形成的。在一些方面，所述狹槽可以是J形的。該設備可以包括壓縮彈簧，該壓縮彈簧與所述數據傳輸元件中的一個一起布置，并且構造成維持所述數據傳輸元件之間的電連接。在一些方面，該設備可以包括第二壓縮彈簧，該第二壓縮彈簧布置在所述數據傳輸元件中的另一個上，并且構造成維持所述數據傳輸元件之間的電連接。第一工具連接器和第二工具連接器可以構造成在處于配合位置時接收一個或多個蓋板。所述電連接可以包括具有三個或更多個同心的觸頭的同軸連接器。在一些方面，所述同軸連接器可以具有四個或更多個同心的觸頭。

根據本公開的另一實施例可以包括一種用于形成接頭工具連接件的方法，該接頭工具連接件被構造成布置在井孔中，其中，該接頭工具連接件包括：第一數據傳輸元件，該第一數據傳輸元件連接至具有第一工具連接器的第一井下部件，該第一工具連接器具有布置在第一工具連接器的外表面上的卡口式插頭；和第二數據傳輸元件，該第二數據傳輸元件連接至具有第二工具連接器的第二井下部件，該第二工具連接器具有被構造成接收第一工具連接器的卡口式插頭的狹槽；其中，第一數據傳輸元件包括公同軸連接器和母同軸連接器中的一個，而第二數據傳輸元件包括公同軸連接器和母同軸連接器中的另一個，并且其中，母同軸連接器和公同軸連接器之間的電連接是在通過第一工具連接器和第二工具連接器的配合而形成工具接頭連接件期間形成的；上述方法包括：在將兩個電連接器移動到配合位置的同時，使卡口式插頭沿著由上述狹槽形成的路徑從第一位置移動至第二位置。上述方法還可以包括使用第一壓縮彈簧將卡口式插頭從第二位置移動至鎖定位置的步驟。并且，將卡口式插頭移動至第二位置的步驟可以包括使第一工具連接器和第二工具連接器相對于彼此旋轉。

已相當寬泛地總結了本公開的更重要特征的示例，以便可以更好地理解下文的其詳細描述并且可以明白它們對本領域的貢獻。當然，本公開的其他特征將在下文中被描述并且將形成所附權利要求的主題。

附圖說明

通過以下對附圖中的各種公開的實施例的詳細描述，能夠獲得對本公開的更好理解，該詳細描述僅作為示例給出，因此并非限制本公開，其中：

圖1是根據本公開的一個實施例的鉆井系統的視圖，該鉆井系統具有被構造成在井孔中使用的包括連接件的底孔組件；

圖2A是根據本公開的一個實施例的、具有卡口式工具連接器的一個井下部件和具有用于與該卡口式工具連接器配合的相應狹槽的第二井下部件的3D視圖；

圖2B是圖2A中的部件開始形成連接時的3D視圖；

圖2C是圖2A中的部件的3D視圖，其中，所述卡口式插頭處于狹槽中的中間位置；

圖2D是圖2A中的部件的3D視圖，其中，在這些部件被完全壓在一起的同時，所述卡口式插頭處于狹槽的端部處；

圖2E是圖2A中的部件的3D視圖，其中，在所述部件上的壓力被釋放后，所述卡口式插頭處于狹槽的端部處；

圖3是根據本公開的一個實施例的用于圖2A的每個部件的電連接器的圖；

圖4A是根據本公開的一個實施例的在半殼（half-shell）被封閉之前的連接的3D視圖；

圖4B是圖4A的連接的3D視圖，其中施加了一個半殼；

圖4C是圖4A的連接的3D視圖，其中施加了兩個半殼；

圖4D是根據本公開的一個實施例的、沿著圖4C的連接部的長度的剖面圖；

圖5是根據本公開的一個實施例的、在兩個井下工具之間形成電連接的方法的流程圖。

具體實施方式

在各個方面，本公開涉及井下鉆井操作。具體地，本公開涉及在組裝和鉆井操作期間維持和保護井下部件之間的電連續性（electrical continuity）。本發明容許不同形式的實施例。在附圖中示出并將在本文中詳細描述具體實施例，應當理解，本發明被認為是原理的示例，并非旨在將本發明限制到本文所圖示和描述的內容。

圖1示出了包括鉆機110的鉆井系統100的視圖，該鉆機110布置在地面120上并處于地層140中的井孔130上方。布置在井孔130中的是鉆柱150，該鉆柱150具有處于井孔130的底部處的鉆頭160。在鉆頭160上方的是包括井下部件180、190的底孔組件170。該井下部件180、190可以構造成用于在鉆井期間的測量、通信和其它操作。井下部件180、190被構造成用于在井下部件之間實現電連接。所述電連接可適合傳輸數據、電力（power）或二者。

圖2A-2E示出了第一井下部件180和第二井下部件190的連接件200的3D視圖。圖2A示出了第一部件180和第二部件190，該第一部件180具有布置在一端上的第一工具連接器210，該第二部件190具有布置在一端上的第二工具連接器220。第一工具連接器210包括：在其外表面上具有卡口式插頭230的大致圓柱形外表面、以及直徑比所述外表面的相鄰部分更大的止擋環260。止擋環260是第一工具連接器210的凸出部分。第二工具連接器220也大致為圓柱形，并且包括被構造成與卡口式插頭230配合的狹槽240。第二工具連接器220的內徑大于第一工具連接器210的端部的外徑，但小于止擋環260的外徑。第一工具連接器210和第二工具連接器220被構造成容納母電連接器250和公電連接器255（圖3）。雖然示出了母電連接器250布置在第一工具連接器210上且公電連接器255布置在第二工具連接器220上，但可以想到的時，這兩個連接器250、255可以互換。

圖2B示出了正在形成的連接件200。當卡口式插頭230與狹槽240對齊時，第二連接器210的端部被構造成以可滑動方式接合第一連接器220的端部。狹槽240可以是L形或J形的。當使用J形狹槽時，狹槽240可以限定第一位置和第二位置，在該第一位置，卡口式插頭230進入狹槽240中，而在第二位置，卡口式插頭230必須改變其路徑以沿著狹槽240的長度進一步移動（通常是可以通過旋轉實現的最大位置）。狹槽240也將具有超過第二位置的鎖定位置，當達到該鎖定位置時，則防止工具連接器210、220的旋轉。可以通過偏壓元件470（圖4D）的作用來執行從狹槽240中的第二位置至鎖定位置的最終移動。如圖所示，狹槽240限定了要求所述連接器210、220在接合期間相對于彼此旋轉90度的路徑；然而，這僅是例示性和說明性的。如本領域普通技術人員應理解的，所限定的路徑可要求在接合期間的任何旋轉度數，包括0度（直路徑）、360度以及在這兩個值之間的其他值。通過所提供的卡口式插頭230及其相應的狹槽240，可以在現場接合這兩個連接器210、220而不需要工具。

圖2C示出了上述連接件200以及處于狹槽240中的中間位置的卡口式插頭230。為了繼續形成連接，工具連接器210、220中的一個或二者必須在相互更靠近地移動的同時按著狹槽240所引導的相對于彼此旋轉。

圖2D示出了處于狹槽240的中間段的端部處的卡口式插頭230。如果該狹槽是L形的，這將是卡口式插頭230的最終位置；然而，由于示出了J形狹槽，所以狹槽240被構造成允許工具連接器210、220通過向外移動而“鎖定”就位。

圖2E示出了工具連接器210、220已經向外移動到卡口式插頭230被狹槽240的縱向極限限制之后的連接件200。在一些實施例中，卡口式插頭230可以被來自偏壓元件(例如，但不限于彈簧470（圖4D）)的壓縮力維持在該位置。能夠通過克服壓縮力并然后旋轉以將卡口式插頭230沿著由狹槽240限定的路徑移出狹槽240來分離所述工具連接器210、220。通常，工具180、190將被封閉在管狀部件內，該管狀部件將針對由于機械沖擊和振動而導致的分離提供一定程度的保護；然而，當底孔組件170受到可能潛在地切斷或分開電連接器250、255的機械力時，使用卡口式插頭230和狹槽240能夠提供針對這種分離的額外抵抗。可以選擇工具連接器210、220的材料結構和成分，以確保用于井孔環境的穩固的工具連接。

圖3示出了電連接器250、255的朝向其觸頭的視圖。電連接器250、255被構造成在不對電連接施加應力的情況下相對于彼此旋轉。在組裝和操作期間，扭轉力可以使電連接器對相對于彼此旋轉，從而導致插腳受到應力、損壞或破損；然而，電連接器250、255在維持電連接的同時可以相對于彼此旋轉。電連接器250、255可以是同軸連接器。母電連接器250可以包括多個同心的觸頭310。對應地，公電連接器255可以包括被構造成與觸頭310配合的多個同心的觸頭320。連接器250、255可以構造成在包括約-55℃至約225℃的溫度范圍的井孔環境下工作。在其它方面，連接器250、255可以構造成在包括約-50℃至約205℃的溫度范圍內工作。在又一些方面，連接器250、255可以構造成在約0℃至約175℃的溫度范圍內工作。連接器250、255可以具有兩個或更多個同心的觸頭。在一些實施例中，連接器250、255可以具有三個或更多個同心的觸頭。此外，在一些實施例中，連接器250、255可以具有四個或更多個同心的觸頭。

圖4A示出了與井下部件180、190分離的連接件200的3D視圖。每個工具連接器210、220都具有被構造成接收O形環的圓形凹進區域410、420，該O形環被設計成保護連接器220的內部不受鉆液和碎屑的污染。工具連接器210、220還包括被構造成接收蓋板殼450（圖4B）的圓形凹進區域430、440。

圖4B示出了一個蓋板殼450被放置就位的連接件200的3D視圖。蓋板殼450可以是半殼。

圖4C示出了兩個蓋板殼450都放置就位的連接件200的3D視圖。一旦附接了蓋板殼450，相互配合的工具部件180、190就可以被套在管狀殼體（未示出）內。該管狀件的內部與凹進區域410、420中的O形環之間的接觸將在連接件200與井孔130的鉆液和碎屑之間形成保護性密封。

圖4D示出了沿著連接件200的長度的剖面圖。彈簧適配器460可以布置在母電連接器250和彈簧470之間。雖然示出的是彈簧470，但也可以想到其它適當的偏壓元件，包括但不限于具有允許電線穿過其內部的中空部的彈性元件。另一適配器465可以布置在公電連接器255和間隔器480之間。間隔器480可以構造成維持公電連接器255在第二連接器220中的位置，尤其是在彈簧470施力時。因而，在連接200期間，間隔器480可以預加載該彈簧470。間隔器480可以包括軸485，該軸485被構造成允許電線從公電連接器255穿過而到達第二工具連接器210中的出口端口490。類似地，第一工具連接器495中的出口端口可以對齊，使得電線可以從母電連接器250穿過彈簧適配器460以及彈簧470的中心。

在一些實施例中，可以用第二彈簧（未示出）代替間隔器480。獲得本公開的益處的本領域普通技術人員應理解，彈簧470/彈簧適配器460與間隔器480可以互換位置，使得彈簧470/彈簧適配器460被布置在第一連接器210中。因而，可以想到這些互補部件的所有8種組合，從而，只要維持這些部件的互補關系，就可以通過任何變型例來實施公/母電連接器250、255、卡口式插頭230/狹槽240、以及彈簧470/間隔器480的組合。

圖5示出了形成接頭工具連接件200的方法500。在步驟510中，第一井下工具連接器210與第二井下工具連接器220對齊，使得卡口式插頭230與狹槽240的開口處于相同的時鐘位置。在步驟520中，工具連接器210、220相對于彼此移動，使得該卡口式插頭沿著所述狹槽的路徑移動至第二位置。在可以在步驟520期間發生的步驟530中，電連接器250、255可以彼此移動得更靠近，直到它們形成電連接。在步驟540中，壓縮彈簧470使卡口式插頭230從所述狹槽的第二位置移動至其鎖定位置。在所述狹槽不具有第二位置的實施例中，可以在沒有步驟540的情況下形成工具連接200。步驟510-540可以倒過來，以安全地切斷連接200。

雖然已詳細描述了本公開的實施例，但根據上文所述的優選實施例，其并非旨在限制到例如對本領域技術人員而言很明顯的變型。

本公開的前述公開和說明是例示性和說明性的，并且，在不偏離本公開的精神的情況下，可以對所圖示的設備和系統的細節及操作的構造和方法進行各種修改。