有线管耦合器连接器技术领域
本申请要求2013年03月26日提交的专利号No.13/850539的美
国专利申请的优先权，并且其全部内容通过引用并入本文中。
背景技术
在地下钻井和完井操作期间，管道或其它导管在钻井操作期间
或之后被下放进地层的钻孔中。这些管道通常被配置成为多个管段以形成
比如钻柱或生产管柱等的“柱”。当管柱被下放进钻孔时，附加的管段通过
如螺纹连接等各种连接机构与该管柱耦联。
各种功率和/或通信信号经由“有线管道”配置通过管段传输。这
些配置包括沿着所选的管段长度延伸的电气、光学或其他导体。该导体通
过各种连接配置可操作地连接在管段之间。
一种这样的连接配置包括通常被称为公母连接件的螺纹公-母
构造。公母连接件包括公构件和母构件，公构件即“公端”，包括外螺纹部，
母构件即“母端”，包括内螺纹部，并且被配置成在螺纹连接件中接收公端。
一些有线管配置包括安装在公端上或内部以及在母端内的耦合
器。该耦合器将功率、数据或二者传输到邻近的耦合器。公端内的耦合器
通常通过同轴电缆等传输线连接到母端内的耦合器。
发明内容
本文公开了一种有线管耦合器，其包括：耦合器托载件，其具
有第一侧面以及与第一侧面相对的第二侧面；由第一侧面承载的第一和第
二金属板；以及由第二侧面支撑的一个或多个天线。此外，耦合器还包括：
一个或多个电连接器，其将金属板电耦合到该一个或多个天线中的一个或
多个；由导电材料形成的接地板；以及设置在金属板和接地板之间的绝缘
材料层。第一金属板、接地板以及绝缘材料层形成第一电容器，并且第二
金属板、接地板以及绝缘材料层形成第二电容器。
本发明还公开了一种形成有线管耦合器的方法。该方法包括：
提供具有第一侧面以及与第一侧面相对的第二侧面的耦合器托载件；将第
一和第二金属板耦合到第一侧面；将一个或多个天线耦合到第二侧面；将
第一和第二金属板电连接到一个或多个天线中的一个或多个；提供由导电
材料形成的接地板；以及在金属板和接地板之间设置绝缘层。在本方法中，
第一金属板、接地板以及绝缘材料层形成第一电容器，而第二金属板、接
地板以及绝缘材料层形成第二电容器。
附图说明
下面的描述不应被视为以任何方式进行限制。参照附图，相同
的元件标号相同。
图1描绘了钻井和/或测井系统的有线管段的示例性实施例。
图2描绘了图1中管段的母连接器的示例性实施例；
图3描绘了图1中管段的公连接器的示例性实施例；
图4描绘了有线管段的公端以及嵌入公端的有线管耦合器；
图5是有线管耦合器的实施例的电路图。
图6描绘了附连在一个实施例的耦合器连接器的耦合器托载件；
图7描绘了金属板附连后的图6的耦合器托载件。
图8A-8B描绘了分别附连完毕绝缘层和接地板后的图7所示的
耦合器托载件；
图9描绘了附连完天线后的图8所示的耦合器托载件；以及
图10示出了完整的有线管耦合器的实施例。
具体实施方式
本文以举例而非限制的方式结合附图对公开的系统、装置及方
法的一个或多个实施例进行了详细描述。
参照图1，钻井、测井及/或生产系统10的部分的示例性实施例
包括如钻柱或生产管柱等导管或管柱12，其被配置成设置在钻孔内，以执
行如钻探钻孔、钻孔性质和/或井下周围地层的性质的测定以及促进碳氢化
合物生产等操作。
例如，在钻井作业期间，钻井液或钻井“泥浆”被从比如泥浆罐
或者“泥坑”引入管柱12并且在压力下通过管柱12(例如，经由一个或多
个泥浆泵)循环。钻井液通入管柱12并且通过位于管柱12的井下端处的
钻头中的开口在钻孔的底部处被排放。钻井液在管柱12和钻孔之间向井
上循环并且被排放进泥浆罐或其他位置。
管柱12包括具有井上端16和井下端18的至少一个管柱或有线
管段14。如本文所述，“井上”指的是当管段14被设置在钻孔中时相对于
参考位置靠近地面的位置，并且“井下”指的是相对于参考位置远离地面的
位置。
内孔或其他导管20沿每一管段14的长度延伸，以允许钻井泥
浆或其他液体从中流过。传输线22位于管段14内以对沿管段14设置的
电、光或其他导体提供保护。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由承载功率或数据的任意形式(包括，例
如双绞线)来形成。在传输线22是同轴电缆的情况下，传输线22可以包
括被介电材料包围的内部导体。同轴电缆还可以包括包围电介质的屏蔽
层。在一个实施例中，屏蔽层电耦合到可由例如导电材料的刚性或半刚性
的管形成的外部导体。
管段14包括井上连接26和井下连接24。管段14配置成使得
井上连接26位于相对于井下连接24的井上位置处。井下连接24包括具
有公部分的公连接部28，并且在本文中被称为“公端”24。井上连接26包
括具有内螺纹部分的母连接部30，并且在本文中被称为“母端”26。
公端24和母端26被配置成使得公端24可以设置在母端26内
以形成在其之间的固定连接以连接到相邻管段14或其他井下部件。在一
个实施例中，公连接部28的外部和母连接部30的内部沿管段14的长度
成锥形以便于连接。尽管公端24与母端26被描述为具有螺纹部分，但是
公端24和母端26可以被配置成使用任何合适的机构(例如，螺栓或螺钉
或干涉配合)耦合。
在一个实施例中，系统10可操作地连接到井下或地面处理单元，
其可用于控制系统10的各种部件，例如，钻井、测井和生产部件或子件。
其他部件包括升高或降低管段14且可操作地耦合管段14的机械装置、以
及耦合器。在井下或地面处理单元还可以在钻井、生产或其他操作期间收
集并处理由系统10生成的数据。
如本文所述，“钻柱”或“管柱”指的是适用于通过钻孔放下工具或
将钻头连接到地面的任何结构或载体，并且不限于本文中所述的结构和配
置。例如，管柱12被配置为钻柱、产烃管柱或地层评价管柱。本文中所
使用的术语“载体”是指可以用于输送、容纳、支撑或以其他方式便于使用
另一设备、设备部件、设备的组合、介质和/或构件的任何设备、设备部件、
设备的组合、介质和/或构件。示例性的非限制性载体包括盘管型的钻柱、
接合管型的钻柱和其任意组合或部分。其他载体的示例包括套管、电线、
电线探头、滑线探头、降落球(dropshots)、井下子件、BHA柱和钻柱。
参照图2和图3，管段14包括设置在其中的并且位于公端24
和/或母端26处的至少一个耦合器34。耦合器34被配置成当公端24与母
端26相接合时提供在相邻管段14之间的数据和功率中的至少之一的通
信。耦合器34可以是任何合适的类型，例如，电感线圈、电容连接、直
接电接触和光连接环。另外，耦合器34可以是谐振耦合器。
应该理解的是，在耦合器34还可被包括在设置于相邻管段14
(例如，位于母端内)之间的中继器元件中。在这种情况下，从位于管段
14的耦合器34中发送的数据/功率被传输到中继器。该信号随后可“原样”、
在中继器中放大和/或修改地传递并提供到相邻管段14中。不考虑其构造，
应当理解，每个耦合器34可连接到一个或多个传输线22。
图4示出适用于接收耦合器100的示例性实施例时、管段14的
公端24的分解图。本文的实施例针对耦合器100，当制备、排立或运送钻
孔部件时，其足够坚固以承受井下条件(静态/动态/冲击载荷、环境)及
在表面的粗糙处理。为此，如下描述，本公开内容的耦合器100在非常有
限的设计空间内提供若干电子部件(例如电容器和电感器)的集成，并且
可以设置在槽内，所述槽形成于管段14的公端24上或母端26。所述耦合
器100可以对电子部件提供保护和密封，以使其免受高钻井泥浆压力。
该公端24包括如前所述可用于将公24耦联到另一管段14的内
螺纹的螺纹109。公端24的远端130包括形成于其中的凹槽122。如图所
示，凹槽122作为槽而形成。当然，凹槽122的确切配置不仅限于此种配
置。耦合器100包括耦合器连接器103，其配置为电连接到设置在管段14
中的一个或多个传输线路(例如，传输线路)。凹槽122经定形使得其可
容纳耦合器100并且可包括用于容纳耦合器连接器103的孔132，以使得
耦合器100至少部分地或完全地设置在凹槽122内。应当理解，在管段14
的母端(未示出)内可以以类似的方式形成类似的凹部。
图5示出了根据本发明的示例电路，其描述了耦合器100的实
施例。该电路包括一个或多个天线107a和107b。当然，天线107的特定
数量不仅限于两个而可以包括多个。一般而言，每个天线107输送一个信
号，该信号在与其物理连接且电连接的耦合器连接器103上被接收。该信
号随后被位于邻接管段中的耦合器100接收。
在所示实施例中，第一天线107a被物理连接且电(例如电镀)
连接到第一耦合器连接器103a，并且第二天线107b被物理连接且电连接
到第二耦合器连接器103b。当然，在一些实施例中可以只包括单个天线。
如下文将更详细描述的那样，第一天线107a和第二天线107b
通过电子部件(图中示为电容器102和106)和接地平面彼此电连接。接
地平面接地到例如由管段14形成的本地电接地。在一个实施例中，第一
天线107a和第二天线107b的形状为半圆形，并且以略小于180度延伸。
在一个实施例中，通过电子部件102和106和管段14，第一天线107a和
第二天线107b的两端分别与另一天线连接。也就是说，在一个实施例中，
每个天线107的每一端被耦合到独立的电子器件。当然，应当理解的是，
根据环境可以改变连接到电子部件102的天线107上的确切位置。
如图5所示，耦合器连接器103被显示为通过电容器501电连
接到天线107上。应当理解，连接器103和天线107可以无需电容器501
直接连接，或附加电子元件(例如电感器)也可以被连接到天线107来调
谐它们。
已经发现，将电容器或其它电子元件放置在井下环境中可能会
损坏电容器。此外，在制造耦合器过程中，会在例如密封耦合器在保护罩
中的步骤中将其损坏。此处的指导为在耦合器中创建一个或多个电容器做
准备，所述耦合器可以用作图5所示的目的，并且无论在井下环境中使用
或在耦合器制备过程中时，在其所暴露的条件下保存下来。
根据一个实施例，通过将电容器102、106形成平板电容器而集
成到耦合器100，其中电容器板之间设置有薄介电层。在该实施例中，由
一侧的接地板和耦合器托载件携带的金属或其它导电板形成所述电容器
板。在一个实施例中，使耦合器托载件形成与接地板相同或类似的形状。
在一个实施例中，电介质由厚度为0.1mm的陶瓷箔形成。该陶瓷箔可由例
如介电常数约为30的二氧化锆形成，平板电容器容易地装配到设计空间。
下面有关图6-10的描述将说明可如何形成根据一个实施例的耦
合器100。应当理解的是，耦合器100形成的特定顺序可以变化。
如图6所示，耦合器100的一部分的一个实施例包括耦合器托
载件110。耦合器托载件110包括彼此相对的第一侧面和第二侧面602和
604。在一个实施例中，上述电容器501的部分(例如，两个板中的一个)
设置在如下面更充分描述的耦合器托载件110内。耦合器托载件110可至
少部分地由绝缘材料形成，绝缘材料例如，陶瓷或者如聚四氟乙烯或聚醚
醚酮(PEEK)的塑料。耦合器托载件110的确切形状可以变化，但是在下
面的描述中被示为圆形。
如图所示，将耦合器托载件110连接到两个耦合器连接器103a
和103b。这些连接器103(或其电延伸部分)穿过耦合器托载件110，并
分别与第二侧面604支撑的天线板606a和606b电接触。这些天线板606
将形成图5所示的电容器501的一侧。应当理解的是，有可能无需连接器
103穿过耦合器托载件110，就将连接器103电连接到天线板606。天线板
606可由金属或任何其它适于电容器板形成的材料形成。在一个实施例中，
天线板606位于耦合器托载件110的顶部。在另一实施例中，天线板606
设置在形成于耦合器托载件110第二侧面604的凹槽中。
图7示出了将板702a、702b、706a和706b连接到耦合器托载
件110第一侧面602后的耦合器100的部分。板702a和702b将分别形成
电容器102a和102b的电容器板之一，示于图5中。同样地，板706a和
706b将分别形成电容器106a和106b的电容器板之一，示于图5中。
板706可由金属或任何其它适于电容器板形成的材料形成。在一个实
施例中，板702、706位于耦合器托载件110的顶部。在另一个实施例中，
板702、706设置在形成于耦合器托载件110第一侧面602的凹槽中。
板702、706电连接到穿通销710，所述销710穿过耦合器托载
件110。销710将为天线107a和107b(图5)与板702、706之间的电连
接做准备。特别是，穿通销710可形成由图5中的标号511标明的电连接。
在将板702、706连接到第一侧面602或者以其它方式支撑在第
一侧面602之后，介电材料802层设置在第一侧面602，以使介电材料层
覆盖如图8a所示的板702、706。然后，将接地板804固定到如图8b所示
的第一侧面602。通过层介电材料802将该接地板804与板702、706分隔
开。因此，板702、706与接地板802组合形成图5所示的电容器102和
106。如图所示，接地板804为连续元件。当然，接地板804可由多个单
独的电连接的接地板形成，所述接地板布置为与形成电容器另一侧的板
702、706相互作用。在一个实施例中，耦合器托载件110和接地板804具
有相同或类似的形状。当然，这不是必需的。
接地板802可由金属(例如，导电钢)或适于电容器板形成的
任何其它材料形成。在一个实施例中，介电材料802层由厚度为0.1mm的
陶瓷箔形成。陶瓷箔可以由例如介电常数约为30的二氧化锆形成。
再次参照图4，由于耦合器100被插入凹槽122中，因此接地板
804与管段14电(电容或直接DC)接触。可以以此方式将耦合器100接
地到管段14。在这种情况下，图5中所示的地面与管段14在电气上处于
相同的电势。
现在参照图9，示出了包括由第二侧面604承载的天线107a、
107b的耦合器100。类似于如上所述的第一侧面602，第二侧面604包括
设置在其上的天线层902。天线层902覆盖天线板606a、606b(图6)。在
一个实施例中，天线层902由厚度为0.1mm的陶瓷箔形成。陶瓷箔例如可
以由介电常数为约30的二氧化锆来形成。
天线107a和107b包括覆盖天线板606a、606b的部分。在图9
中这些被示出为宽度增大区域910a和910b。应当理解，这些区域的尺寸
被增大显示，以示出它们以第一侧面为天线板606a、606b形成第二侧面电
容器501a和501b，但是这样的尺寸不是必需的。
天线107a、107b经由如上所述的穿通销710电连接到板702、
706。如图5所示，由于板702、706与接地面804形成电容器，因此每一
个天线107通过电容器501在每一端处连接到接地。
图10示出了具有假想示出的密封层1001的图9中的耦合器
100，其中密封层1001包围至少耦合器托载件110、天线107和至少部分
的接地面804。将会理解的是，以这种方式，在如所述的这些元件之间形
成的电容器被密封及保护。在一个实施例中，耦合器连接器103的至少一
些也被包含在密封层1001内。在一个实施例中，密封层1001由PEEK制
成。在一个实施例中，(最终组件的)侧面602以及内直径和外直径表面
区域使用诸如镀铜的导电材料来进行电镀。在接地板被密封层1001不完
全封装的情况下，当耦合器被安装时镀铜允许在耦合器与凹槽122之间的
大表面区域的电耦合。在另一实施例中，接地板被密封区域1001完全包
封。内部和外部直径表面以及侧面602被镀以导电材料。接地板的表面与
(薄的)密封层1001的介电材料一起形成作为整个耦合器结构的接地连
接的另一个(接地)电容器。
本领域技术人员将认识到，各种部件或技术可提供某些必要的
或有益的功能性或特征。相应地，如在支撑所附权利要求及其变体中可能
需要的这些功能和特征，被认为是被实质地包括作为本文中的教导的一部
分和所公开的本发明的一部分。
虽然已经参照示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的情况下，可以进行各种改变并且
可以用等同物替换其元件。另外，在不脱离本发明的范围的情况下，本领
域技术人员将领会许多修改以使特定的仪器、情况或材料适应本发明的教
导。因此，意图为本发明不限于公开为期望执行本发明的最优方式的特定
实施例，并且本发明将包括落入所附权利要求内的所有实施例。