CN106062301A - 用于有线管道系统的反应性多层箔 - Google Patents

Abstract

用于设置在有线管道段上的密封腔室包括基座元件、支撑在基座元件内的腔室内的电子元件以及防止该腔室内部的电子元件受到有害气体和流体损伤的密封层，该密封层包括反应性多层箔材料(RMFM)。

Description

用于有线管道系统的反应性多层箔

相关申请的交叉参考

本申请要求2014年2月12日递交的美国申请号为No.14/178856的优先权，该申请在此被整体引入作为参考。

技术领域

在地下钻井和完井操作中，管道或其他导管在钻井操作期间或之后下降到在地层内的钻孔中。此种管道通常配置为多个管道段以形成“柱”，诸如钻柱或生产柱。当该柱下降到钻孔内，附加的管道段通过各种连接机构联接至该柱，例如螺纹联接件。

各种功率和/或通信信号可以通过“有线管道”配置经管道段传输。这种配置包括沿着所选择管道段或柱段长度延伸的电导体、光导体或其他导体。这些导体可操作地通过多种配置连接在管道段之间。

一种这样的配置包括通常称为销箱连接件的螺纹凸-凹配置。该销箱连接件包括凸件和凹件，该凸件即包括外螺纹部分的“销端”，该凹件即包括内螺纹部分并配置为在螺纹连接件内接收销的箱端。

一些有线管道配置包括安装在销端和箱端的末端上的传输装置。该传输装置，或者“耦合器”，可以传输功率，数据或两者到邻近的耦合器。在销端的耦合器通常通过同轴电缆或其他方法连接到箱端的耦合器。

钻井环境恶劣而一些或全部以上描述的电子元件的暴露可能会导致这些元件的损坏。

发明内容

在此公开的密封腔室设置在有线管道段上，该有线管道段包括一个基座元件、支撑在基座元件内的腔室内的电子元件和防止腔室内电子元件受到有害气体和流体损伤的密封层，该密封层包含反应性多层箔材料(RMFM)。

还公开了电子框架，其用于在分段有线管道系统的井下部件联接机构。该框架包括第一框架元件，该第一框架元件包括至少一个构造为保持电子元件的保持结构；以及与第一框架元件形成密封的密封层，该密封层防止井下元件接触到电子元件，该密封层通过反应性多层箔材料(RMFM)连接件密封到框架上。

附图说明

以下描述在任何情况下都不应视作限制性的。结合附图，相同的数字代表相同的元件；

图1描述了钻井和/或测井系统的有线管道段的示例性实施例；

图2描述了图1的段的箱连接器的示例性实施例；

图3描述了图1的段的销连接器的示例性实施例；

图4是密封腔室的透视图；

图5是图4的密封腔室的剖面侧视图；

图6是中继器元件的透视图；以及

图7A-7B示出了根据本发明实施例的密封舱口。

具体实施方式

在此，通过例子且不仅限于参照附图给出本发明的装置和方法的一种或多种实施例的详细描述。

参考图1，是钻井、测井和/或生产系统10的一部分的示例性的实施例，包括导管或钻井管道段14的柱(通常称为柱12)(例如钻柱或生产柱)，其构造为设置在钻孔内用于执行诸如钻孔、钻孔和/或井下周围地层特性的测量或者利于气体或流体生产的操作。

例如，钻井操作期间，钻井流体或钻井“泥浆”从诸如泥浆罐或者“池”的源头被引入柱12，并且在压力的作用流过柱，例如通过一种或多种泥浆泵。钻井流体流入柱，并且在钻孔底部通过位于柱的井下端的钻头的开口排放。钻井流体在柱和钻孔壁之间循环至井口，并且被排放到泥箱或其他位置。

有线管道段14具有井口端18和井下端16。如这里所述，当段14设置在钻孔内时，“井口”指的是靠近相对于参考位置启动钻井的点的位置，“井下”指的是远离沿着钻孔相对于参考位置启动钻井的点的位置。可以理解的是，井口端18可以在井下端16的下方而不脱离本发明范围在此的范围。同样地，当多个段连接成柱时，涉及井口端和井下端的方向也适用于该合成的柱。

至少内孔或者其他导管20沿每一段14的长度延伸以允许钻井泥浆或其他流体流过其中。传输线22位于段14的内孔20内。在一个实施例中，传输线经由如下所述的入口进入内孔20。在一个实施例中，传输线22是同轴电缆。在另一个实施例中，传输线22由任何输送功率或数据的方式形成，包括，例如，双绞线。在传输线22是同轴电缆的情况下，其可以包括被介电材料包围的内导体。同轴电缆还可以包括包围介电材料的屏蔽层。在一个实施例中，该屏蔽层被电气地耦合到外导体，该外导体可以由诸如刚性或半刚性导电材料管形成。

段14包括井下连接件24和井口连接件26。段14是最常见配置成使得井口连接件26位于相对于井下连接件24的井口位置。井下连接件24包括具有外螺纹部分的凸连接部分28，在此称之为“销端”24。井口连接件26包括具有内螺纹部分的凹连接部分30，在此称之为“箱端”26。

销端24和箱端26配置为使一个有线管道段14的销端24可以设置在另一有线管道段14的箱端26之内去影响它们之间的固定连接以将该段14与另一相邻段14或其他井下部件连接而形成钻柱。在一个实施例中，凸连接部分28的外部以及凹连接部分30的内部是锥形的。尽管销端24和箱端26被描述为具有螺纹部分，销端24和箱端26可配置为使用任何合适的机构联接，例如螺栓或螺钉或者过盈配合。

在一个实施例中，系统10可操作地连接至井下或地面处理单元，其用来控制系统的各种部件，例如钻井、测井和生产部件或子件。其他部件包括升起或下降段14和可操作地联接段14的机械以及传输装置。井下或地面处理单元还可以收集和处理由系统10在钻井、生产或其他操作过程中产生的数据。

这里描述的“钻柱”或“柱”指代任何适合用于通过钻孔下降工具或连接钻头到地面的结构或载体，并且不限于这里所描述的结构和配置。例如，柱可构造为钻柱、碳氢化合物生产柱或地层评估柱。此处所使用的术语“载体”意为任何可以用以运送、容纳、支撑或另外利于另一装置、装置部件、装置的组合、介质和/或构件使用的任何装置、装置部件、装置的组合、介质和/或构件。示例性的非限定性载体包括盘管型钻柱、节接的管型的钻柱及任意组合或其部分。其他载体例子包括套管、电缆、电缆探测器、滑线探测器、下落镜头、井下子件、BHA上的和钻柱。

参考图2和3，段14包括被设置在其中并且位于销端24和/或箱端26处的至少一个传输装置34(本文又称为“耦合器”)。传输装置34被配置成在销端24和箱端26接合时提供相邻段14之间的数据和功率的至少一个的通信。传输装置34可以是任何合适的类型，诸如电感线圈、直接电气(例如，电镀)接触件和光学连接环。耦合器可以被设置在内肩部或外肩部处。另外，传输装置34可以是谐振耦合器。应当理解的是，传输装置34还可包括在被设置于相邻段14之间(例如，箱端内)的中继器元件中。在此情况中，数据/功率是从一个段中的传输装置传输至中继器中。信号接着可以在中继器中“按原样”传递、放大和/或修改并且被提供至相邻段14。

无关于配置，应当理解的是，每个传输装置34均可连接至一种或多种传输线22。本文公开的实施例涉及传输器22可如何形成并且设置在段14中。在一个实施例中，传输线22能够承受拉力、压缩和扭曲应力以及在井下工具勘探油、气体和地热井时通常存在于井下工具中的叠加动态加速度。在一个实施例中，通道形成在段中介于传输装置34的一部分的位置与内孔20之间。传输线22部分包含在内孔20和通道中。在一个实施例中，通道被枪钻孔至管道段14中。

在一个实施例中，传输线22包括导线通道(例如，外保护层)和传输元件。传输元件可选自同轴电缆、双绞线和单股线。以下描述是关于同轴线而呈现，但是应当理解的是，本文教导可应用于任何类型的传输元件。在一个实施例中，关于导线通道以及段14的主体中的一个或两个，在传输元件中产生张力。此张力可以帮助减轻传输元件与导线通道之间的独立运动。

在某些情况中，可希望将电子部件附接接近传输装置34。归因于恶劣的钻井环境，电子部件需要与泥浆和其他元件密封隔绝。螺纹连接件的尺寸限制了可用于封装电子部件或连接器的设计的空间。在一个实施例中，反应性多层箔材料(RMFM)密封连接件可以用来密封其中密封这些电子元件的此隔室中。RMFM是由形成在薄层中以产生层叠箔的两种相互反应性金属(例如，铝和镍)形成。热脉冲的施加导致铝和镍进行自激放热反应，从而产生可将两个元件密封在一起的金属间化合物铝化镍(NiAl)。热脉冲可以由电桥标准导线、激光脉冲、电火花、火焰或通过其他手段提供。反应仅仅发生在固相和液相中，而不释放任何气体。多层组合的其他实例包括铝-钛和钛-非晶硅。

此密封件可以小于弹性密封件。另外，基于RMFM连接的密封件可以归因于其耐高温和压力条件的能力而改进可靠性。在某些实施例中，导电的密封件可能是期望的且RMFM在某些情况下可以导电。

在某些情况中，与焊接相比RMFM密封连接件需要应用的热量更少，并且可以允许连接件位于焊机无法到达的位置中。另外，与焊接相比处理时间可有所减少且可在不除气的情况下执行。

图4说明了可以通过使用RMFM密封件而形成的密封腔体100。腔体100包括主体102，其包括电子元件106所处的电子器件位置104。电子元件106可以用来调节或以其他方式修改在图4中被说明为导线的第一连接器108与第二连接器110之间传递的信号。电子元件应当被密封以与钻井泥浆隔绝。因此，在一个实施例中，提供覆盖电子元件106的套筒112。在一个实施例中，套筒112被一种或多种RMFM连接件密封至主体102。使用RMFM连接件可以允许密封电子元件106而不将它们暴露在可能造成损坏的焊接头之下，并且可以比弹性密封件更持久耐用。电子元件106可包括任何类型的电气部件并且可用于许多不同的目的。例如，电子元件106可在例如中继器元件中使用，所述中继器元件在信号跨过一种或多种有线管道段时增强信号。在另一个实施例中，电子元件106可用来匹配连接至第一连接器108和第二连接器110的不同电路的阻抗。例如，电子元件可将传输装置34的阻抗匹配至传输线22(图3)。

图5是图4的剖面侧视图，其说明了图4中所示的密封腔体100。腔体100形成主体102，该主体102具有其中设置有电子元件106的腔体或电子元件位置104。如上所述，电子元件106可以用来调节或以其他方式修改在第一连接器108与第二连接器110之间传递的信号。如所说明的，第一连接器108和第二连接器110分别通过绝缘材料122、124与主体电绝缘。为了在套筒112与主体102之间形成密封，形成两个RMFM连接件或密封件120、121。例如，RMFM密封件可通过将RMFM环设置在所示密封件120、121的位置处且接着将所述区域暴露于来自以下一种或多种的热脉冲而形成：电桥标准导线、激光脉冲、电火花、火焰或通过其他手段。

在前述实例中，已经描述了电子元件腔体100中的RMFM密封件。然而，应当理解的是，密封件可在井下环境中使用的任何部件中使用。

信号中继器已经用来增强遥测线或系统上的部件之间的功率和通信的传输。这些中继器被提供成减少从井下部件至地面的数据传输期间的信号损耗。

图6说明了被配置成设置在井下部件之间的联接组件内(例如，形成在销24和/或箱26内的空间内)的压力密封且机械稳定的电子框架40的实施例。在一个实施例中，电子框架包括被配置成利于有线管遥测或其他通信的电子元件。框架在机械方面是不同的并且与联接组件和井下部件分离，且被配置成基于框架的封装而由联接组件和/或井下部件至少部分轴向地固定。因此，框架不需要直接密封或粘附至连接件/部件，反而可依赖于部件之间已经现有的密封接合(例如，箱-销连接)。

如图6中所示，框架40被配置成支撑用于钻管、井下工具和其他井下部件的电子元件。示例性电子元件包括被配置成传输井下部件之间的功率和/或通信的信号传输系统的中继器电子元件。例如，框架40包括凹部、腔室或容纳用于传输部件之间的信号的中继器部件(例如，电子元件和密封部件)的其他保持结构。这些示例性中继器部件包括电池42、控制电子元件44(诸如多芯片模块(MCM))和传输装置34(诸如耦合器环、天线、电气接触件和电感耦合元件)。如上所述，传输装置可以是任何合适的类型，诸如电感线圈、直接电气接触件和光学连接环。其他示例性部件包括诸如连接器48、接口50和各种密封部件52(诸如玻璃密封件和天线密封件)的传输部件。

框架40包括允许流体从其中通过的流体导管204。在一个实施例中，传输元件32被设置大小和配置成使得流体(例如，钻井泥浆)可从其中通过。

根据一个实施例，框架40包括将元件密封在凹部、腔室或框架40的其他保持结构中的外密封层201。在一个实施例中，RMFM密封件201、202密封框架和外密封层201以保护凹部中的元件。应当理解的是，电池、控制电子元件44或由框架44支承的其他装置中的任一个本身均可处于如上所述般形成的密封腔室中。

在上述描述中，已经说明了完全的圆周密封件。应当理解的是，且现参考图7A-7B，RMFM的焊珠704可被用于密封腔室上方的由井下工具710的外表面708限定的舱口700。

尽管以参考实例性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将理解的是，在不脱离本发明的范围之内，可以进行各种变化且其构件可被等效替换。此外，可以在不脱离本发明的基本范围的情况下根据本发明的教示做出多种改型以适应具体的情况或者材料。因此，本发明并不旨在限制于以用于实施本发明的构想的最佳模式所公开的特定实施例，而是本发明应包括落入权利要求的保护范围内的所有实施例。

Claims (9)

1.一种设置在有线管道段(14)上的密封腔室，所述密封腔室包括：

基座元件(102)；

电子元件(106)，其支撑在所述基座元件内的腔室(100)内；以及

密封层(120，121)，其防止所述腔室内的所述电子元件受到有害气体和流体损伤，所述密封层包括反应性多层箔材料(RMFM)。

2.如权利要求1所述的密封腔室，其中所述反应性多层箔材料由铝和镍、铝和钛或钛和非晶硅形成。

3.如权利要求1所述的密封腔室，其中，所述反应性多层箔材料暴露于热脉冲。

4.如权利要求3所述的密封室，其中，所述热脉冲由以下一种或多种提供：电桥标准导线、激光脉冲、电火花和火焰。

5.一种用于分段有线管道系统中的井下部件联接机构的电子框架(40)，包括：

第一框架元件(102)，其包括至少一个配置成用于保持电子元件的保持结构(100)；以及

密封层(120，121)，其与所述第一框架元件形成密封，所述密封层防止井下元件接触到所述电子元件，所述密封层通过反应性多层箔材料(RMFM)连接件密封到所述框架(40)上。

6.如权利要求5所述的密封腔室，其中，所述反应性多层箔材料由铝和镍、铝和钛或钛和非晶硅形成。

7.如权利要求6所述的密封腔室，其中，所述反应性多层箔材料暴露于热脉冲。

8.如权利要求7所述的密封腔室，其中，所述热脉冲由以下一种或多种提供：电桥标准导线、激光脉冲、电火花和火焰。

9.如权利要求5所述的电子框架(40)，进一步包括由所述框架元件形成的流体导管，所述流体导管被配置成用于提供穿过其中的流体连通。