CN101238617A - 用于密封高压连接器的设备和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种供井下环境使用的电连接器及其使用方法。在一个方面，一种电连接器，其包括大体上圆柱形的连接器主体(41)，所述连接器主体(41)具有第一端和第二端。一凹槽(43)形成在连接器主体(41)外表面周围，其中，所述凹槽(43)具有在邻近第二端的凹槽(43)一侧上的第一大体上圆锥形倾斜的表面(44)。一挡圈(49)具有第二大体上圆锥形倾斜的表面(51)，挡圈(49)适于与一弹性密封件协同作用以在弹性密封件从第一端到第二端暴露于正压差的时候封闭连接器主体(41)与周围表面之间的挤压空隙(53)。在另一个方面，连接器主体(41)上的圆锥形表面被强制接合隔壁(7)上的配合表面，从而形成金属对金属密封。
Description
技术领域
本发明涉及能量连接器，尤其是属于用于高压环境的连接器。
背景技术
在钻井、测井和产油井中使用的工具通常由各种各样的电子仪器和电路构成，电子仪器和电路容纳在井下工具的一个或多个压力外壳内部的大气压下。周围的井下环境可以呈现高至30,000psi的压力和高至500F的温度。压力外壳内部的电子设备需要封闭类型的电连接器，这些电连接器将各个外壳中的电路互连起来，和/或与钢丝绳(wireline)上的电导体互连，以保持与地表上的电子仪器的连通。连接器必须容易连接和断开，并起到在极端不利的液体环境、例如海水、油基钻井泥浆和包含硫化氢、二氧化碳、甲烷的流体中的电导体以及极端井下外界状态中的其它元件的功能。连接器可以载有大的带有几百伏信号的电量。
典型单销式连接器包括由绝缘材料环绕的导电销，绝缘材料又被包裹在金属体中。通常使用两种类型的构造。在一种类型中，中心销由熔合玻璃插入物隔离，并与外面的金属体粘合在在距离金属体各端一定距离的适当位置。然后将陶瓷绝缘件插入端部，并用环氧粘合剂粘合在适当位置上。熔合玻璃起到绝缘体和封闭式密封两种功能。在另一种类型的构造中，中心销通过单块陶瓷绝缘件与外面的金属体绝缘，单块陶瓷绝缘件用金属钎焊料粘合到销和金属体上。在这种情况下，陶瓷材料起绝缘件的功能，钎焊起封闭密封的功能。该装置大体上代表了当今使用的先有技术装置。这种连接器的例子包括在美国专利3,793,608和3,898,731中，各专利在此引入作为参考。在市场上，这种连接器可以从TX，Pearland，Kemlon Products得到。具有稍微类似构造的塑料体连接器披露在美国专利5,203,723中，该专利在此引入作为参考。
如上所述的典型连接器的概要显示在图1中，其中，连接器4具有贯穿连接器主体1延伸的导体销2，连接器4的内部构造和密封如上所述。连接器4通常螺钉连接到隔壁7(参见图2)中的严密尺寸设计的口中，以便使凹槽3中的弹性体O形环8被压缩在凹槽3与该口的内径表面11之间，防止高压流体10通过O形环密封8污染内部大气压力区域15。按照高压应用中的惯例，挡圈9插入到凹槽中，以防止弹性体O形环8挤压到外壳1与表面11之间的空隙中。挡圈在高压和高温下的有效性对这种类型的密封构造的正常运行至关重要。挡圈9通常带有螺旋形切口，也称为斜接切口，这样，在安装期间，可以皱缩到凹槽3的外径中。然后，作用于O形环8的高压流体10用于迫使挡圈9伸出穿过凹槽3接触表面11，并防止O形环8被挤出。在高压下，O形环8通常在挡圈9上施加较大的轴向力，使得挡圈9与凹槽3的壁之间的摩擦太大而不允许挡圈9充分运动，以封闭连接器与表面11之间的空隙。这导致挤出O形环8，结果引起密封失效。这使得井下流体10穿透常压区域15，带来灾难性后果。而且人工通常将挡圈安装在O形环的错误的一侧上，使得挡圈没有被适当致动的趋向。
因而，需要一种用于高温高压环境的非常可靠的连接器密封。本发明解决了(addresses)如上所述先有技术的一些及其他缺点。
发明内容
本发明提供了一种供井下环境使用的电连接器。在一个方面，本发明提供了一种电连接器，其包括大体上圆柱形的连接器主体，所述连接器主体具有第一端和第二端。一凹槽或/和开口形成在连接器主体外表面周围，其中，所述凹槽具有在凹槽一侧上的渐缩表面，该渐缩表面是大体上圆锥形表面。在密封件暴露于正压差的时候，具有渐缩表面的环和与凹槽相联的密封件一起协作，以封闭连接器主体与周围表面之间的挤压空隙。该密封件可以由任何适合的弹性体材料制成。
在另一个方面，一种电连接器系统，其包括大体上圆柱形的连接器主体，连接器主体具有在连接器主体的第一端上形成的第一大体上圆锥形表面。第二大体上圆锥形表面形成在隔壁的口中。一锁定螺母螺纹接合所述隔壁，这样，在锁定螺母接合隔壁时，锁定螺母迫使第一圆锥形表面接触第二圆锥形表面，以形成密封。
在另一个方面，本发明提供了一种通过提供大体上圆柱形的连接器主体密封井下环境中的电连接器的方法，所述连接器主体具有第一端和第二端。一凹槽形成在连接器主体外表面周围，该凹槽具有第一渐缩表面，该第一渐缩表面是位于邻近第二端的凹槽一侧上的大体上圆锥形倾斜的表面。设置有一挡圈，所述挡圈具有第二渐缩表面，所述第二渐缩表面是大体上圆锥形倾斜的表面，在弹性密封件从第一端到第二端暴露于正压差的时候，所述挡圈适于与弹性密封件协同作用，以封闭连接器主体与周围表面之间的挤压空隙。
在又一个方面，本发明提供了一种密封井下环境中的电连接器的方法，其包括提供大体上圆柱形的连接器主体。在连接器主体的第一端上形成第一大体上圆锥形表面。第二大体上圆锥形表面形成在隔壁的口中。一锁定螺母接合所述隔壁，其中锁定螺母接合迫使第一圆锥形表面接触第二圆锥形表面，以形成密封。本发明的这些及其他方面更加清楚地描述在接下来的附图和说明书中。
附图说明
为了详细地理解本发明，结合附图，参考下面对优选实施例的详细描述，在附图中同样的元件给出了同样的数字，其中：
图1是先有技术连接器的草图；
图2是带有传统挡圈的先有技术连接器的草图；
图3是通用的钢丝绳测井系统的草图；
图4是依照本发明的一个实施例具有倾斜挡圈的连接器的草图；
图5是图4中挡圈的细节的草图；
图6是依照本发明的一个实施例具有金属对金属密封的连接器的草图；和
图7和8是图6中连接器的分解视图。
具体实施方式
首先参见图3，显示了由来自地表16的钻机14的钢丝绳12支撑的索缆头10。可释放的索缆头10支撑邻近开采区22设置的工具管柱18，开采区22位于例如钻孔20(也称为井眼)的底部24附近。钢丝绳12从钢丝绳车辆28上的卷筒29绕一个或多个滑轮26向下展开进入钻孔20。钢丝绳车辆28具有用于联通和控制索缆头10与工具管柱18的仪器，这在本技术领域中是众所周知的。
钢丝绳12，有时被称作索缆，典型包括多个从钢丝绳车辆延伸到索缆头10的电导体，这在本技术领域中是众所周知的。一种多导体钢丝绳12包括由七个由绝缘卷覆盖的电导体构成的内芯。然后，内钢甲鞘和外钢甲鞘绕这些导体在相对的方向上卷绕成螺旋状。电导体用于在钢丝绳车辆28与工具管柱18之间通电和遥测数据。做为选择，钢丝绳索缆可以包含电导体和光纤维的组合。也可以使用单个电导体索缆。工具管柱18可以包括多个测井工具、射孔枪、封隔器和/或任何其它适于展开钢丝绳和执行井下操作的装置。井下工具可能会暴露在高至30,000psi的流体压力和高至500F的温度下。井下流体可能是海水、水基钻井液、油基钻井液和/或包含硫化氢、二氧化碳、甲烷及其它有害合成物的流体。
为了在钢丝绳12与工具管柱18之间传递电能和信号，使用连接器。依照一个实施例，见图4，连接器40插入到类似于图2所示的合适的口中。连接器40可以具有类似于先有技术中所述的任一连接器的内部构造。连接器主体41具有贯穿延伸的连接器销42，连接器主体41将能量从高流体压力区域10传导至低流体压力区域15，其中，高压力是井下流体压力，低压力可以是大气压力。另外，高压流体可以是液体，而低压流体可以是气体。这样，在连接器40上从高压端到低压端施加基本上正的压差。利用本领域中公知的技术将连接器销42密封到连接器主体41上。O形环凹槽43具有渐缩表面，该渐缩表面具有可以是圆锥形倾斜的壁表面44。挡圈49插入到圆锥形倾斜壁部分44与O形环48之间。挡圈49具有渐缩表面，该渐缩表面可以是圆锥形倾斜表面51，其中角度θ′大体上等于圆锥形倾斜表面44的角度θ，见图5。角度θ和θ′在大约40°到50°范围之内，优选为大约45°。在角度为45°时，挡圈的轴向位移等于在空隙53中的径向位移。角度θ以凹槽43的底部为基准，其中，凹槽43底部大体上平行于穿过连接器的中心线80。如图5所示，作用于O形环48的高压力将O形环48压靠在挡圈49上，随后挡圈49沿圆锥形倾斜表面44向上进入肩部50与隔壁7的表面11之间的空隙53中。挡圈49可被斜接切开，以在其沿圆锥形倾斜表面44向上移动时能够膨胀。O形环48继续迫使挡圈49进入空隙53，直到挡圈49接触表面11。当挡圈49被迫接触表面11时，本质上O形环48不会再移入任何挤压空隙，从而防止对O形环48造成挤压损坏和失效。挡圈49由在与不同井下流体接触时在井下温度下保持足够的机械强度的材料制成。挡圈49可以由诸如聚醚酮(PEK)、聚醚醚酮(PEEK)的热塑塑料或其它任意适合的热塑性材料制成。做为选择，挡圈49也可以由金属材料制成。O形环48可以由适用于井下温度、压力和流体化学情况的任何弹性材料制成。这样的材料包括，但不限于，本领域中公知的全氟弹性体和四氟乙烯-丙烯弹性体。虽然上文是针对单个导体连接器进行描述的，但是，多导体连接器主体也在本发明范围之内。虽然上文是针对弹性O形环进行描述的，但是，本发明包含适用于插入这样的凹槽中的其它形状的弹性密封件。这包括，但不限于，正方形、椭圆形和长方形的弹性密封件，其中形状指的是密封件的横截面形状。
在另一个实施例中，见图6和图7，密封组件75包括密封到绝缘件63上并由其环绕的导体66，绝缘件63设置在连接器主体72中。连接器主体72具有圆锥形渐缩的鼻形表面61，鼻形表面61接触隔壁64中的类似圆锥形渐缩的隔壁密封表面62。锁定螺母78通过螺纹76和77的接合，螺纹连接到隔壁64内，锁定螺母肩部71接触连接器主体肩部70，迫使鼻形表面61接触隔壁密封表面62。角度θ″在大约25°到35°的范围内，优选为大约30°。如图8所示，角度θ1″和θ2″可以相差大约1-2°，以确保表面61和62之间圆周线接触，从而能够更好地控制金属对金属密封。
锁定螺母78的端部65的形状设计成六角螺母形状或其它适宜的形状，以允许锁定螺母78在隔壁64上的紧固足以在圆锥形表面61和62之间实施周向的金属对金属密封。连接器主体72可以由金属材料制成，或者，由诸如前述的那些热塑性材料制成。锁定螺母78由适用于井下使用的金属材料制成。
虽然上文是针对钢丝绳类型的工具进行描述的，但是，意图是本发明的范围还包括边测量边钻探的工具以及完井和生产工具中的连接器。这样的连接器也可以在海底应用中使用。另外，在此所述的密封机构和方法可以用于液压连接器、光纤连接器以及任何需要在高压流体和低压流体之间可靠密封的合适的引线。注意，低压流体包括低于大气压力的压力。
虽然已经说明和描述了本发明的特定实施例，但是，应该明白，本领域技术人员可以想到许多的改变或改进，附带的权利要求书用于覆盖所有的那些改变和改进。
Claims (26)
1. 一种电连接器，其包括：
连接器主体；
形成在主体外表面周围的凹槽，所述凹槽在一侧具有渐缩表面；
具有渐缩表面的环，所述环和与凹槽相联的密封件一起协作以在密封件暴露于正压差的时候封闭主体与周围表面之间的空隙。
2. 如权利要求1所述的电连接器，还包括穿过主体密封地设置的导体销。
3. 如权利要求1或2所述的电连接器，其特征在于，所述环由热塑性材料制成。
4. 如权利要求1-3任一所述的电连接器，其特征在于，密封件选自(i)O形环、(ii)正方形环、(iii)椭圆形环和(iv)长方形环组成的组。
5. 如权利要求1-4任一所述的电连接器，其特征在于，密封件是弹性O形环。
6. 如权利要求1-5任一所述的电连接器，其特征在于，所述凹槽的渐缩表面具有在大约40°-50°范围之内的角度。
7. 一种电连接器系统，其包括：
连接器主体；
在连接器主体的第一端上形成的第一大体上圆锥形表面；
在一隔壁的口中形成的第二大体上圆锥形表面；
螺纹接合所述隔壁的锁定螺母，当锁定螺母螺纹接合所述隔壁时，所述锁定螺母迫使第一圆锥形表面接触第二圆锥形表面，以形成密封。
8. 如权利要求7所述的电连接器，还包括穿过连接器主体密封地设置的导体销。
9. 如权利要求7或8所述的电连接器，其特征在于，连接器主体由选自(i)金属和(ii)热塑塑料组成的组中的材料制成。
10. 如权利要求7-9任一所述的电连接器，其特征在于，第一圆锥形表面和第二圆锥形表面与连接器的中心线形成大约25°-35°的角度。
11. 如权利要求7-10任一所述的电连接器，其特征在于，第一圆锥形表面的第一角度与第二圆锥形表面的第二角度相差不到3°。
12. 一种密封井下环境中的电连接器的方法，其包括：
在连接器主体外表面周围形成凹槽，所述凹槽在一侧具有渐缩表面；
提供具有渐缩表面的环，所述环和与凹槽相联的密封件一起协作以在密封件暴露于正压差的时候封闭连接器主体与周围表面之间的空隙。
13. 如权利要求12所述的方法，还包括：穿过连接器主体设置导体销。
14. 如权利要求12或13所述的方法，其特征在于，所述环由热塑性材料制成。
15. 如权利要求12-14任一所述的方法，其特征在于，密封件选自(i)O形环、(ii)正方形环、(iii)椭圆形环和(iv)长方形环组成的组。
16. 如权利要求12-15任一所述的方法，其特征在于，密封件是弹性O形环。
17. 如权利要求12-16任一所述的方法，其特征在于，凹槽的渐缩表面是大体上圆锥形表面，该圆锥形表面与连接器主体的中心线形成大约40°-50°范围内的角度。
18. 一种密封井下环境中的电连接器的方法，其包括：
提供连接器主体；
在连接器主体的第一端上形成第一大体上圆锥形表面；
在一隔壁的口中形成第二大体上圆锥形表面；
使锁定螺母接合所述隔壁，锁定螺母的接合迫使第一圆锥形表面接触第二圆锥形表面，以形成密封。
19. 如权利要求18所述的方法，还包括穿过连接器主体密封地设置的导体销。
20. 如权利要求18或19所述的方法，其特征在于，连接器主体由选自(i)金属和(ii)热塑塑料组成的组中的材料制成。
21. 如权利要求18-20任一所述的方法，其特征在于，第一圆锥形表面和第二圆锥形表面与连接器的中心线形成大约25°-35°的角度。
22. 如权利要求18所述的方法，其特征在于，第一圆锥形表面的第一角度与第二圆锥形表面的第二角度相差不到3°。
23. 如权利要求1所述的电连接器，其特征在于，连接器主体包括大体上圆柱形部分。
24. 如权利要求7所述的电连接器系统，其特征在于，连接器主体包括大体上圆柱形部分。
25. 如权利要求12所述的方法，其特征在于，连接器主体包括大体上圆柱形部分。
26. 如权利要求18所述的方法，其特征在于，连接器主体包括大体上圆柱形部分。
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