在兩金屬構件之間提供電絕緣連接作用的裝置的製作方法
2024-04-01 18:22:05
專利名稱：在兩金屬構件之間提供電絕緣連接作用的裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用來在兩金屬構件之間提供連接作用以將所述的兩個大體上呈管形的構件電絕緣隔開的裝置。
在石油勘探和石油開採領域中，在鑽制一深井時，經常需要採用電磁傳輸裝置，所述電磁傳輸裝置要求使用一包括兩個機械相連但彼此電絕緣的管形部件的天線。因此，必需使用這樣一種連接器，它能提供電絕緣作用，同時還能根據一鑽具組、一列開採管道(a string of production tubes)或一試採鑽具組(production testdrill string)的各管形構件可能受到的應力而抗扭、抗彎、抗拉伸和抗壓縮。
美國專利US-A-5163714描述了一種連接器，它可以起到這種作用，但其機械強度卻受到限制，尤其是受到用來粘結的環氧樹脂的強度以及因雄、雌構件的厚度減小的限制。而且，所選技術方案要求所述連接器具有較長的長度，而使它在鑽井中使用不便，而且，對其所用生產製造方法也不利。與此同時，由於樹脂必須能耐高溫這一事實，即高於130℃的高溫，因此，必需使用一種價格極為昂貴的樹脂和一種極難加以處理的樹脂。
本發明提出了一種不同的技術方案，具體地說，提供了一種製造成本較低、所要求的連接器長度較小且其機械強度更易於優化的技術方案。
因此，本發明涉及一種用來在兩金屬部件之間提供連接的裝置。所述裝置包括一具有一雌錐形面的第一金屬件；一具有一雄錐形面的第二金屬件。所述兩表面的至少其中之一塗敷有一由電絕緣材料製成的薄層。兩構件是一個插設在另一個內部，從而可以將它們機械地連接起來。
所述第二構件塗敷有所述薄層，所述薄層具有一受控的表面狀態，並且可以被可選地修改。
所述薄層的厚度在0.1和0.5毫米之間的範圍內，較佳的是在0.2和0.4毫米之間的範圍內，並由一種陶瓷型材料製成。
密封裝置基本上是設置在所述薄層的兩端部，以防止流體流入所述兩錐形面之間。
所述錐形面的錐度在1°和2°之間，並且最好在1.3°和1.5°之間。
一第三構件與所述第二構件相連，並藉助至少一個電絕緣環與所述第一構件相接觸。
所述環可以具有諸個密封件，以使所述第一構件和所述第三構件之間緊密接觸。
所述環在與第一、第三構件的端部形成接觸的那些表面的至少一部分上具有一電絕緣材料層。
本發明還涉及利用本發明裝置來形成一用來傳輸和接收電磁波的天線的偶極子。
較佳的是，可將本發明用來形成一在鑽具組、一試採鑽具組或套管或管道中使用的偶極子。
從以下結合附圖對一非限制性的實施例所作的具體描述中，可以更好地理解本發明，並且其優點將變得更為清楚，在各圖中-
圖1是本發明連接器的局部剖視示意圖。
-圖1A是所述連接器各構件的具體結構示意圖。
標號1所示的接合件(稱作雌部)具有一藉助例如螺紋連接之類的傳統連接方式(本文中未予示出)與其端部3相連的一列管道或鑽具組。雌部1的內表面2在其一段長度上是圓錐形的。外表面4大體上是圓柱形的，旋於一管組件上的各構件大部分都被設計得能下放至一鑽井內。
一位於接合件1內部的第二接合件5(稱作雄部)，具有一外表面6，所述外表面具有一與雌部1的內表面2相匹配的圓錐形幾何形狀。雄部5的端部7基本上是圓柱形的，並且具有一螺紋部8，因此，雄部5可以與一連接部9裝配在一起，所述連接部在其一端22具有可為所述管組件提供機械連接作用的另一裝置。本文中未予圖示的所述連接裝置可以是任何一種用來在各管道之間提供機械連接作用的已知裝置，例如一錐形螺紋。
插設在雌部1的端部10a(與端部3相對)和連接部9的端部10b(與端部22相對)之間的是一系列環11，所述環的至少三個面d、e和f(圖1A)塗覆有一絕緣材料層，例如，具有給定電絕緣特徵的、能耐高溫的陶瓷。O形圈a、b和c(圖1A)設置在由雌部1的端部10a和連接部9的端部10b之間所堆疊的環11所形成的每一接合面之間。各環11的各接合面在它們的位於密封件a、b和c的外表面上的表面處向內凹進幾十分之一毫米，從而可以有足夠的間隙21來防止各接合面的不同表面之間的電接觸。事實上，位於外表面上的這些部分是不能與外部流體和磨蝕體隔絕的。因此，這些外表面不能由一敷層來電絕緣。各空間21可這樣來確定要使端部10a和10b之間、可能不是很良好的絕緣對於這種將用來製造一可接收和傳輸例如電磁波的天線的連接器來說仍然足夠。
利用一種例如陶瓷之類的堅硬的、電絕緣材料，將一敷層12塗敷於所述錐形表面6和2中的至少其中之一。較佳的是，藉助等離子弧技術來噴塗陶基的氧化鋁(近似97％)和二氧化鈦(近似3％)。
為了避免接合件1和5之間發生大量洩漏或電短路現象，對接合件5的端部13進行加工，以相對於接合件1的內表面向內凹進，由一間隙14向後分開的兩對向表面之一被塗敷了相同的絕緣材料12。顯然，間隙14可以藉助在所述附圖中示出但具有相同功能的另一種加工形式來形成。
可將一由非導電材料製成的環15用作密封件16和17的O形圈支座，而不在兩接合件1、5之間建立一電連接。環15可以藉助任何一種對於機械工程師來說已知的裝置而固定在接合件5或1中的至少其中之一上，所述的已知裝置可以例如是一旋在一陰螺紋上的螺絲圈，所述陰螺紋形成在接合件1的內孔內。
在接合件5的另一端部7，靠近連接部5的螺紋8處，有一O形圈18設置在一相匹配的凹槽內。
顯然，如果將不同數量和/或類型的連接件用在每一水平面或密封面處，是不會背離本發明的保護範圍的。
因此，由於存在敷層12、絕緣環11和間隙14，端部3和連接部9彼此電絕緣。
由於絕緣陶瓷的各片層的多孔性，並且為了防止陶瓷連接面發生侵蝕，則必須使它們與位於管形構件內部或外部的流體，即，在礦井勘探和開發領域中的鑽井流體(如果採用的話)以及與循環在各管道內部空間20內、從而也位於本發明的絕緣連接器內部的流體相隔開。O形圈a、b和c(圖1A)的作用是用來將所述連接器與外部流體密封隔開，而O形圈16、17和18的作用是用來將所述連接器與內部流體密封隔開。
除了需要保護陶瓷敷層之外，還必需防止鑽井流體滲入各組件。
所述連接器是以下述方式來裝配和製造的，例如●藉助機加工來製造連接部5，然後利用傳統技術敷上一層陶瓷12，對敷層12的表面狀態進行校正(任選地)，從而使所述接觸面最理想，而不會有敷層被撕離的危險。
●在一些情況中，可以採用一輔助處理作業，以改進並從總體上增大兩圓錐形連接件之間的摩擦係數。這可以增大由各錐形體所傳輸的扭矩，並可以降低所述錐形面上的承壓應變。
●將連接部5插入到雌部1內部，從而在所述連接部和所述雌部之間施加一給定的張緊力。裝配應力可為所述連接器的機械強度、所用材料的給定特性和所用金屬的橫截面的函數；●為了能在檢修過程中控制壓縮力，例如，在試採(TDS)過程中作用在充填物(位於一鑽井內的密封件)上的、或在鑽井過程中作用在鑽頭上的重量所引起的載荷，對堆疊起來的絕緣環11進行定位，並旋緊連接部，從而使它緊鎖住各環；●對內環15進行定位，以提供內部密封作用。
顯然，作用在這樣一種連接器上的拉力將由雌錐形體內的雄錐形體的協同承受，而壓縮應變將基本上由端部10a、10b和環11來承受，而扭轉應變將基本上由錐形體2、6的摩擦來吸收。
較佳的是，連接件5的雄錐形體6用等離子噴塗技術塗敷一層厚度為0.2至0.4毫米的陶瓷。事實上，情況就是這樣，較容易對錐形面6進行校正，因此，所述敷層的幾何形狀是十分良好的，從而可以有助於所述雄錐形體和雌錐形體之間的調整。較佳的是，錐形體2和6的傾斜角度在1°和2°之間，更好的是在1.3°和1.5°之間。所述錐度值將取決於所述連接器所需的機械性能，尤其是取決於拉力和扭矩。
在將本發明所提出的絕緣連接器用在對試採鑽具組的情況中，本發明的連接器將具有下列技術規格，例如●外徑127毫米(5英寸)●內徑66毫米●絕緣區域的長度近似175毫米●最大拉力至少160噸●最大壓縮力至少160噸●最大扭矩7200 daN.m●內檢修壓力至少103兆帕(15000psi)●外檢修壓力至少103兆帕(15000psi)本發明並不僅限於使用本文中作為舉例說明的陶瓷。在實際情況中，可以將任何一種絕緣材料用作一塗敷於金屬構件薄層上的敷層。但是，其摩擦係數必須足夠大，以將機械應力從下部傳到上部，並且其抗壓強度必須能承受相互插接起來的兩個錐形部件之間的接觸力。顯然，由所述薄層提供的電絕緣作用必須能夠用在一用來傳輸或接收電磁波的天線中。
本發明可以用來製造一在US-5394141中所描述的那種用來傳輸電磁波的天線，該專利援引在本文中作為參考之用。這種天線可以插設在一鑽杆組件或鑽具組中、一正在鑽井之中或在鑽井之後所用的試採管道組件中或者一套管組件中，用對傳輸下向鑽眼傳感器所拾取的數據。
權利要求
1.一種用來在兩金屬部件之間提供連接作用以製造一可形成天線的偶極子的裝置，所述天線是用在一鑽具組內、一開採測試鑽具組內、套管或管道內，其特徵在於，它包括一具有一雌錐形面(2)的第一金屬件(1)；一具有一雄錐形面(6)的第二金屬件(5)，所述兩表面的至少其中之一塗敷有一由電絕緣材料製成的薄層(12)，兩構件(1，5)是一個插設在另一個內部，以提供一被電絕緣的機械連接件。
2.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，只有第二構件(5)塗敷有所述薄層，所述薄層具有一受控的表面狀態，並且可以被可選地修改。
3.如前述權利要求中任一權利要求所述的裝置，其特徵在於，所述薄層的厚度在0.1和0.5毫米之間的範圍內，較佳的是在0.2和0.4毫米之間的範圍內，並由一種陶瓷型材料製成。
4.如前述權利要求中任一權利要求所述的裝置，其特徵在於，所述密封裝置(a，b，c；18；15)基本上是設置在所述薄層的兩端部，以防止流體流入所述兩錐形面之間。
5.如前述權利要求中任一權利要求所述的裝置，其特徵在於，所述錐形面的錐度在1°和2°之間。
6.如前述權利要求中任一權利要求所述的裝置，其特徵在於，一第三構件(9)與所述第二構件(5)相連，並藉助至少一個電絕緣環(11)與所述第一構件(1)相接觸。
7.如權利要求6所述的裝置，其特徵在於，所述環(11)具有諸個密封件(a，b，c)，從而可使所述第一構件(1)和所述第三構件(9)之間的接觸較緊密。
8.如權利要求6或7之一所述的裝置，其特徵在於，所述環(11)在第一構件(1)和第三構件(9)的端部(10a)和(10b)形成接觸的那些表面的至少一部分上具有一電絕緣材料層。
9.如前述權利要求中任一權利要求所述的裝置應用於一用來傳輸和接收電磁波的天線。
全文摘要
本發明涉及一種用來連接兩接觸部件的裝置,所述裝置包括:一具有一雌錐形面的第一金屬件(1);一具有一雄錐形面的第二金屬件(5),所述兩表面的至少其中之一塗敷有一由電絕緣材料製成的薄層(12)。兩構件(1,5)是一個插設在另一個內部,從而可以將它們機械連接起來並電絕緣隔開。
文檔編號F16L25/02GK1236424SQ9880111
公開日1999年11月24日 申請日期1998年7月31日 優先權日1997年8月4日
發明者L·蘇利耶 申請人:地理服務公司