DE602004007482T2

DE602004007482T2 - Datenübertragungssystem für ein tiefbohrelement

Info

Publication number: DE602004007482T2
Application number: DE602004007482T
Authority: DE
Inventors: David R. Provo HALL; H. Tracy Provo HALL; David S. Lehi PIXTON; Scott Alpine DAHLGREN; Cameron Provo SNEDDON; Joe Spanish Fork FOX
Original assignee: Intelliserv Inc
Current assignee: Intelliserv Inc
Priority date: 2003-01-31
Filing date: 2004-01-21
Publication date: 2008-03-13
Anticipated expiration: 2024-01-22
Also published as: MXPA05007490A; US6844498B2; US20040150532A1; EP1588018A1; ATE366862T1; EP1588018B1; US7190280B2; CA2512164C; DE602004007482D1; US7041908B2; US20040149471A1; WO2004067901A1; US20050145406A1; CA2512164A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der elektrischen Steckverbinder, insbesondere Steckverbinder für Koaxialkabel. Die bevorzugten Steckverbinder sind besonders gut geeignet für die Verwendung in rauen Umgebungen, wo es wünschenswert ist, die Verbindung gegen die Bauelemente zu versiegeln. Eine solche Anwendung ist die in Datenübertragungssystemen, z.B. entlang eines Bohrstrangs, welches beim Suchen nach Öl und Gas benutzt wird, oder entlang der Futterrohre und anderen Gerate, die in der Öl- und Gaserzeugung benutzt werden.
Die Aufgabe, Daten aus einem Bohrstrang zu erhalten, stellt sich nun seit mehr als einem halben Jahrhundert. Da sich die Such- und Bohrtechnologie verbessert hat, ist diese Aufgabe in der Industrie für ein erfolgreiches Suchen nach Öl, Gas und geothermischen Quellen und für deren Erzeugung noch wichtiger geworden. Um zum Beispiel einen Nutzen aus den verschiedenen Fortschritten in der Konstruktion verschiedener Werkzeuge und in den Techniken zum Suchen nach Öl und Gas zu ziehen, wäre es von Vorteil, Echtzeitdaten, z.B. hinsichtlich der Temperatur, des Drucks, der Neigung, der Salzhaltigkeit usw. zu haben. Es sind verschiedene Versuche unternommen worden, um ein erfolgreiches System zum Erlangung solcher Bohrstrangdaten zu erfinden. Ein solches System ist in der ebenfalls anhängigen US-Patentanmeldung 09/909469 (auch als PCT-Anmeldung WO 02/06716 veröffentlicht) offenbart, welche auf denselben Inhaber wie denjenigen der vorliegenden Erfindung übertragen ist.
Kurz ausgedrückt handelt es sich bei der Erfindung um ein System zur Übertragung von Daten durch einen Strang von Tiefbohrelementen.
Gemäß einer Erscheinungsform der Erfindung weist das System mehrere Tiefbohrelemente auf, z.B. Rohrabschnitte in einem Bohrstrang. Jedes Element weist ein erstes und zweites Ende auf, wobei ein erstes Kommunikationselement am ersten Ende angeordnet ist und ein zweites Kommunikationselement am zweiten Ende angeordnet ist. Jedes Kommunikationselement weist einen ersten Kontakt und einen zweiten Kontakt auf. Das System weist auch ein Koaxialkabel auf, welches zwischen dem ersten und zweiten Kommunikationselement verläuft, wobei das Koaxialkabel eine leitfähigen Mantel und einen darin befindlichen leitfähigen Kern aufweist. Das System weist auch einen ersten und zweiten Steckverbinder zum Verbinden des ersten bzw. zweiten Kommunikationselementes mit dem Koaxialkabel auf. Jeder Steckverbinder weist eine leitfähige Buchse auf, welche konzentrisch innerhalb des leitfähigen Mantels liegt, um den leitfähigen Kern herum angepasst ist und in elektrischem Kontakt mit diesem steht. Die leitfähige Buchse ist von dem leitfähigen Mantel elektrisch isoliert. Die leitfähige Buchse des ersten Steckverbinders steht in elektrischem Kontakt mit dem ersten Kontakt des ersten Kommunikationselements, die leitfähige Buchse des zweiten Steckverbinders steht in elektrischem Kontakt mit dem ersten Kontakt des zweiten Kommunikationselements, und der leitfähige Mantel steht sowohl mit dem zweiten Kontakt des ersten Kommunikationselements als auch mit dem zweiten Kontakt des zweiten Kommunikationselements in elektrischem Kontakt.
Bei dem ersten und zweiten Kommunikationselement handelt es sich vorzugsweise um Induktionsspulen, und die Induktionsspulen werden vorzugsweise von einer einzigen Drahtschlaufe gebildet. Insbesondere weisen die Induktionsspulen mindestens eine Drahtschlaufe auf, welche in eine kreisförmige Wanne aus einem magnetisch leitenden, elektrisch isolierenden Material, vorzugsweise Ferrit, eingesetzt ist. Vorzugsweise ist die Wanne aus Segmenten eines magnetisch leitenden, elektrisch isolierenden Materials gebildet, wobei die elektrisch isolierenden Materialsegmente vorzugsweise innerhalb einer Nut gehalten werden, die in einem Metallring ausgebildet ist.
Gemäß einer anderen Erscheinungsform der Erfindung handelt es sich bei den Elementen um Bohrgestängeabschnitte, welche jeweils eine zentrale Bohrung aufweisen, und das erste bzw. zweite Kommunikationselement ist in einer ersten bzw. zweiten Ausnehmung an jedem Ende des Bohrgestänges angeordnet. Das System weist ferner einen ersten Durchgang auf, der zwischen der ersten Ausnehmung und der zentralen Bohrung hindurchläuft, und einen zweiten Durchgang, der zwischen der zweiten Ausnehmung und der zentralen Bohrung hindurchläuft. Der erste bzw. zweite Steckverbinder ist in dem ersten bzw. zweiten Durchgang angeordnet. Vorzugsweise weist jeder Bohrgestängeabschnitt einen Teil mit einer verstärkten Wanddicke sowohl am Gehäuse-Ende als auch am Stiftende auf, woraus sich ein kleinerer Durchmesser der zentralen Bohrung am Gehäuse-Ende und am Stiftende ergibt, und der erste und zweite Durchgang verläuft durch die Teile mit verstärkter Wanddicke und im Allgemeinen parallel zur Längsachse des Bohrgestänges.
Gemäß einer anderen Erscheinungsform der Erfindung weist das System einen ersten und zweiten Dehnungsstopfen auf, von welchen jeder einen zentralen Durchgang aufweist und von welchen jeder derart in den leitfähigen Mantel eingepresst ist, dass der vergrößerte Außendurchmesser des leitfähigen Mantels innerhalb der Teile des ersten bzw. zweiten Durchgangs mit größerem Durchmesser gehalten wird. Das System weist auch einen ersten und zweiten Haltestopfen auf, von welchen jeder auf seiner Außenfläche Rippen aufweist, um die Dehnungsstopfen in ihrer Position zu halten.
Gemäß einer anderen Erscheinungsform der Erfindung weist das erste und zweite Kommunikationselement jeweils eine Induktionsspule auf, welche mindestens eine Drahtschlaufe aufweist. In jedem Kommunikationselement gibt es eine wasserdichte Versiegelung zwischen dem Draht und der Innenseite des leitfähigen Mantels. Die wasserdichte Versiegelung weist vorzugsweise mindestens eine Dichtung auf, durch welche das erste Ende des Drahtes hindurchführt, und welche eine Versiegelung mit der Innenfläche der leitfähigen Röhre bildet.
Die Erfindung umfasst auch ein Verfahren zum elektrischen Verbinden von Kommunikationselementen an gegenüberliegenden Enden eines Tiefbohrelements durch einen koaxialen Leiter. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen eines Koaxialkabels als Leiter zwischen dem ersten und zweiten Kommunikationselement. Das Koaxialkabel weist einen leitfähigen Mantel, einen leitfähigen Kern innerhalb des leitfähigen Mantels und ein dielektrisches Material zwischen dem leitfähigen Mantel und dem leitfähigen Kern auf. Das Verfahren umfasst auch das Bereitstellen eines ersten und zweiten Steckverbinders zum Verbinden des ersten bzw. zweiten Kommunikationselements mit dem Koaxialkabel. Der erste und zweite Steckverbinder weisen jeweils eine leitfähige Buchse auf, welche um den leitfähigen Kern herum angepasst ist und in elektrischem Kontakt zu diesem steht. Die leitfähige Buchse ist von dem leitfähigen Mantel elektrisch isoliert. Das Verfahren umfasst auch das Entfernen eines Teils des dielektrischen Materials an beiden Enden des Koaxialkabels, um einen lichten Raum für die leitfähige Buchse bereitzustellen, und das Schieben des ersten und zweiten Steckverbinders über beide Enden des Koaxialkabels.
Gemäß einer anderen Erscheinungsform der Erfindung umfasst das Verfahren das Vergrößern des Außendurchmessers des leitfähigen Mantels durch Einfügen eines Dehnungsstopfens in jedes Ende. Das erste und zweite Kommunikationselement weist jeweils eine Induktionsspule auf, welche mindestens eine Drahtschlaufe aufweist. In jedem Kommunikationselement befindet sich ein erstes Ende des Drahtes in elektrischem Kontakt mit dem leitfähigen Mantel, und ein zweites Ende des Drahtes befindet sich in elektrischem Kontakt mit der leitfähigen Buchse. Das Verfahren umfasst ferner das Einfügen einer wasserdichten Versiegelung zwischen dem zweiten Ende des Drahtes und der Innenseite des leitfähigen Mantels.
Die vorliegende Erfindung zusammen mit den damit verbundenen Aufgaben und Vorteilen ist am besten zu verstehen unter Bezugnahme auf die folgende ausführliche Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine perspektivische Ansicht eines Bohrgestängeabschnitts mit weggeschnittenen Abschnitten, welche das Datenübertragungssystem zeigt.
2 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie 2-2 der 1.
3 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie 3-3 der 1.
4 ist eine Querschnittsansicht, welche das Stiftende der 2 zeigt, das mit dem Gehäuse-Ende der 3 verbunden ist.
5A ist ein vergrößerter Querschnitt einer Verbindung zwischen Kommunikationselementen eines verbundenen Stift und eines Gehäuse-Endes.
5B ist ein vergrößerter Querschnitt einer Verbindung zwischen Kommunikationselementen eines verbundenen Stift und eines Gehäuse-Endes, welcher die Schutzbrücke am Stiftende zeigt.
5C ist ein vergrößerter Querschnitt einer Verbindung zwischen Kommunikationselementen eines verbundenen Stift und eines Gehäuse-Endes, welcher die Schutzbrücke am Gehäuse-Ende zeigt.
6 ist eine Querschnittsansicht des Stiftendes eines Bohrgestänges, welche den Steckverbinder zeigt.
7 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht der 6, welche die Anordnung des magnetisch verbindenden, elektrisch isolierenden (MCEI) Bauelements in der Ausnehmung des Stiftendes eines Bohrgestänges zeigt.
8 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht der 6, welche die Anordnung des Dehnungsstopfens, des Haltestopfens und der wasserdichten Versiegelung zeigt.
9 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht der 6, welche die Anordnung der Innenführung zeigt.
10 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht der 6, welche den Steckverbinder und das Ende des Koaxialkabels zeigt.
11 ist eine perspektivische Ansicht des Kommunikationselements und des Stahlrings.
11A ist eine perspektivische Ansicht, welche einen Querschnitt durch das Kommunikationselement zeigt.
12 ist eine perspektivische Ansicht des Drahtes und der Drahtschutzbrücke.
13 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht, welche die wasserdichte Versiegelung zeigt.
14 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht der 12, welche die Drahtschutzbrücke zeigt.
15 ist eine perspektivische Ansicht des leitfähigen Mantels und der Verbindungselemente.
16 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht der 15, welche die Innenführung und den Steckverbinder zeigt.
17 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht der 15, welche den Dehnungsstopfen und den Haltestopfen zeigt.
Es sollte angemerkt werden, dass der Begriff „Tiefbohr-", wie er hier verwendet wird, eine relativ breite Bedeutung haben soll und solche Umgebungen wie beim Bohren in Öl und Gas, beim Suchen nach Gas und geothermischen Quellen, bei den Systemen von Bohrfuttern und anderen Geräten, welche bei der Erzeugung von Öl, Gas und geothermischer Energie benutzt werden, umfasst.
Es sollte ebenfalls angemerkt werden, dass der Begriff „Übertragung", wie er in Verbindung mit dem Begriff „Datenübertragung" oder Ähnlichem verwendet wird, eine relativ breite Bedeutung haben soll und sich auf den Durchgang von Signalen in mindestens einer Richtung von einem Punkt zu einem anderen bezieht.
Es sollte ferner angemerkt werden, dass sich der Begriff „magnetisch leitfähig" auf ein Material bezieht, welches eine magnetische Durchlässigkeit aufweist, die größer ist als die von Luft.
Es sollte ferner angemerkt werden, dass der Begriff „elektrisch isolierend" bedeutet, einen hohen spezifischen elektrischen Widerstand aufzuweisen, vorzugsweise einen höheren als Stahl.
Im Folgenden wird auf die Zeichnungen Bezug genommen. 1 ist eine perspektivische Ansicht eines Bohrgestängeabschnitts mit weggeschnittenen Abschnitten, welche das Datenübertragungssystem der vorliegenden Erfindung zeigt. Die am meisten bevorzugte Anwendung des Steckverbinders ist die im Datenübertragungssystem in Bohrgestängeabschnitten, aus welchen ein Bohrstrang aufgebaut ist, der beim Suchen nach Öl, Gas oder geothermischen Quellen benutzt wird.
Der abgebildete Abschnitt 15 der 1 weist ein Stiftende 13 auf, welches ein konisches Außengewinde 19 (siehe 2) aufweist, und ein Gehäuse-Ende 11, welches ein konisches Innengewinde 21 (siehe 3) aufweist. Zwischen dem Stiftende 13 und dem Gehäuse-Ende 11 befindet sich der Grundkörper des Abschnitts. Die typische Länge des Grundkörpers beträgt zwischen 9,1 m und 27,4 m (30 und 90 Fuß). Die Bohrstränge bei der Öl- und Gaserzeugung können sich bis zu einer Länge von 6 km (20000 Fuß) erstrecken, was bedeutet, dass in dem Bohrstrang bis zu 700 Bohrgestängeabschnitte und Tiefbohrwerkzeuge benutzt werden können.
Es gibt verschiedene Konstruktionen für das Stift- und das Gehäuse-Ende des Bohrgestänges. Zur Zeit ist die meistbevorzugte Konstruktion zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung jene, welche in US-Patentschrift 5,908,212 für Grant Prideco, Inc., in Woodlands, Texas, beschrieben ist. Wie in 2 dargestellt, weist das Stiftende 13 eine äußere primäre Schulter 37 und eine innere sekundäre Schulter oder Stirnseite 35 auf. Wie in 3 dargestellt, weist das Gehäuse-Ende 11 eine äußere primäre Schulter 38 und eine innere sekundäre Schulter oder Stirnseite 36 auf. Wie in 4 dargestellt, wird, wenn zwei Bohrgestängeabschnitte verbunden werden, das Stiftende 13 mit ausreichender Kraft in das Gehäuse-Ende 11 geschraubt, so dass die primäre äußere Schulter 37 auf dem Stiftende in die primäre Schulter-Stirnseite 38 auf dem Gehäuse-Ende greift. Als Ergebnis dieser Verbindung, welche durch die primäre Schulter 37 und die primäre Schulter-Stirnseite 38 indiziert ist, wird die Stirnseite 35 auf dem Stiftende zuverlässig in enge Nachbarschaft oder Kontakt mit der Schulter 36 auf dem Gehäuse-Ende gebracht. Die Vorteile, welche dies für die vorliegende Erfindung bietet, werden unten erörtert.
Wie in 2 dargestellt, weist das Stiftende 13 vorzugsweise eine Ausnehmung 32 in der sekundären oder inneren Schulter oder Stirnseite 35 auf. Vorzugsweise ist die Ausnehmung so angeordnet, dass sie gleichweit entfernt zwischen dem inneren und äußeren Durchmesser der sekundären Schulter oder Stirnseite 35 liegt. Alternativ ist die Ausnehmung entweder am inneren oder äußeren Durchmesser der Stirnseite ausgebildet, wodurch eine Ausnehmung erzeugt wird, welche auf zwei Seiten offen ist.
Vorzugsweise wird die Ausnehmung durch herkömmliche Werkzeuge in die Stirnseite eingearbeitet, entweder bevor oder nachdem der Gestängeverbinder an dem Gestänge befestigt wird. Die Abmessungen der Ausnehmung können in Abhängigkeit von verschiedenen Faktoren variiert werden. Für eine Sache ist es wünschenswert, die Ausnehmung an einer Stelle und in einer Größe zu bilden, durch welche die mechanische Festigkeit des Stiftendes nicht beeinträchtigt wird. Ferner sind in dieser Ausrichtung die Ausnehmungen so angeordnet, dass sie im Wesentlichen in einer Linie angeordnet sind, wenn die Verbindung hergestellt wird. Andere Faktoren werden unten erörtert.
Wie man in diesen Figuren sehen kann, ist die Ausnehmung vorzugsweise so aufgebaut, dass sie sich axial öffnet, also in einer Richtung parallel zur Länge des Bohrstrangs. In alternativen Ausführungsformen können die Ausnehmungen jedoch so aufgebaut sein, dass sie sich radial öffnen, also in einer Richtung senkrecht zur Länge des Bohrstrangs. Dieser versetzte Aufbau beeinträchtigt die Leistungseigenschaften der induktiven Bauelemente der vorliegenden Erfindung nicht wesentlich, ob in axialem oder in radialem Aufbau.
Unter Bezugnahme auf 1, 2 und 3 liegt ein Kommunikationselement innerhalb der Ausnehmungen 32 und 34, welche in der inneren Stift-Stirnseite 35 bzw. der inneren Schulter-Stirnseite 36 ausgebildet sind. Wie unten noch erörtert wird, ist das bevorzugte Kommunikationselement eine Induktionsspule. Andere Kommunikationselemente, z.B. akustische Sender/Empfänger, Lichtwellenleiter-Koppler und elektrische Kontakte, ziehen jedoch auch ihren Nutzen daraus, wenn sie in einer Ausnehmung angeordnet werden, die in der inneren Stift-Stirnseite und der inneren Schulter-Stirnseite ausgebildet ist. Insbesondere sorgt es für einen besseren Schutz vor der rauen Bohrumgebung, wenn die Kommunikationselemente in Ausnehmungen innerhalb der inneren Stirnseiten angeordnet werden. Auch werden die inneren Stirnseiten 35 und 36 in zuverlässigerer Weise zusammengebracht, wenn eine Gestängeverbindung wie jene in 4 dargestellte benutzt wird, welche auch äußere aneinanderstoßende Stirnseiten 37 und 38 aufweist. Das heißt, die inneren Stirnseiten 35 und 36 werden mit einer beständigeren Kraft zusammengebracht, wenn die Primärlast von den äußeren Stirnseiten 37 und 38 aufgenommen wird. Vorzugsweise sind die inneren Stirnseiten weniger als etwa 0,76 mm (0,03'') voneinander entfernt, wenn die benachbarten Elemente vollständig zusammengeschraubt sind. Noch besser berühren sich die inneren Stirnseiten. Am besten befinden sich die inneren Stirnseiten in einem Kompressionszustand.
Zurückkehrend zu einer Erörterung der bevorzugten Ausführungsform mit Induktionsspulen als Kommunikationselemente ist anzumerken, dass eine typische Bohrgestängelegierung, die Stahllegierung 4140, welche eine Rockwell-C-Härte von 30 bis 35 aufweist, eine magnetische Permeabilität von etwa 42 aufweist. Die magnetische Permeabilität eines Materials ist definiert als das Verhältnis der magnetischen Flussdichte B innerhalb eines Materials dividiert durch die magnetische Feldstärke H des Magnetisierungsfeldes. Sie wird gewöhnlich als dimensionslose Größe relativ zu derjenigen von Luft (oder einem Vakuum) ausgedrückt. Es ist zu bevorzugen, den Magnetkreis zu schließen, welcher die benachbarten Spulen mit einem Material koppelt, das eine höhere magnetische Permeabilität als der Stahl aufweist. Wenn jedoch das magnetische Material selbst elektrisch leitfähig ist, dann stellt es einen alternativen elektrischen Leitweg zu jenem von den benachbarten Schlaufen angebotenen bereit. Die so erzeugten Ströme werden als Wirbelströme bezeichnet; es wird angenommen, dass diese die Hauptursache für die Verluste sind, die in Transformatoranordnungen des Standes der Technik beobachtet werden. Da das Magnetfeld in einer Richtung verläuft, die sich um die Leiter herum windet, besteht kein Bedarf für magnetische Kontinuität in der Richtung der Schlaufen.
In der bevorzugten Ausführungsform, die in 2, 3 und 11 dargestellt ist, ist innerhalb der Ausnehmung 32 ein Kommunikationselement 90 und innerhalb der Ausnehmung 34 ein identisches Kommunikationselement 92 angeordnet. In der bevorzugten Ausführungsform besteht das Kommunikationselement aus einem Stahlring 45, welcher ein magnetisch leitendes, elektrisch isolierendes (MCEI) Element 89 und eine leitfähigen Spule 87 enthält, welche innerhalb des MCEI liegt.
Eine Eigenschaft des MCEI-Elements ist es, dass es magnetisch leitend ist. Ein Maß für diese Eigenschaft wird als magnetische Permeabilität bezeichnet, die oben beschrieben ist. Im Allgemeinen sollte das magnetisch leitende Element eine größere magnetische Permeabilität als Luft aufweisen. Materialien, welche eine zu hohe magnetische Permeabilität aufweisen, weisen gewöhnlich Hystereseverluste auf, welche mit einer Umkehrung der Magnetisierungsbereiche selbst zusammenhängen. Dementsprechend ist ein Material wünschenswert, welches eine Permeabilität aufweist, die hoch genug ist, um das Feld aus dem Stahl heraus zu halten, und niedrig genug, um die Verluste aufgrund von magnetischer Hysterese auf ein Mindestmaß zu begrenzen. Vorzugsweise sollte die magnetische Permeabilität des MCEI-Elements größer sein als jene von Stahl, welche typischerweise das 40-fache derjenigen von Luft betragt, insbesondere größer als etwa das 100-fache derjenigen von Luft. Vorzugsweise sollte die magnetische Permeabilität geringer sein als etwa 2000. Insbesondere weist das MCEI-Element eine geringere magnetische Permeabilität als etwa 800 auf. Am besten weist das MCEI-Element eine magnetische Permeabilität von etwa 125 auf.
Um die oben beschriebenen Wirbelströme zu verhindern oder zu verringern, ist das MCEI vorzugsweise ebenso elektrisch isolierend wie magnetisch leitfähig. Vorzugsweise weist das MCEI-Element einen spezifischen elektrischen Widerstand auf, welcher größer ist als der von Stahl, der typischerweise etwa 12 Mikroohm·cm betragt. Am besten weist das MCEI-Element einen spezifischen elektrischen Widerstand auf, der größer ist als etwa eine Million Ohm·cm.
Das MCEI-Element 89 ist vorzugsweise aus einem Einzelmaterial hergestellt, welches selbst die Eigenschaften aufweist, magnetisch leitfähig und elektrisch isolierend zu sein. Ein besonders bevorzugtes Material ist Ferrit. Ferrit wird in der Online-Ausgabe der Encyclopedia Britannica beschrieben als „ein keramikartiges Material mit magnetischen Eigenschaften, welche in vielen Arten von elektronischen Vorrichtungen nützlich sind. Ferrite sind hart, spröde, eisenhaltig und im Allgemeinen grau oder schwarz und sind polykristallin, also aus einer großen Anzahl kleiner Kristalle aufgebaut. Sie sind aus Eisenoxid und einem oder mehreren anderen Metallen in chemischer Verbindung zusammengesetzt". In dem Artikel über Ferrit wird weiter ausgeführt, dass ein „Ferrit durch die Reaktion von Eisen(III)-oxid (Eisenoxid oder Rost) mit irgendeinem aus einer Anzahl anderer Metalle, z.B. Magnesium, Aluminium, Barium, Mangan, Kupfer, Nickel, Kobalt oder sogar Eisen selbst, gebildet wird". Schließlich wird in dem Artikel ausgeführt, dass „wichtigsten Eigenschaften der Ferrite u.a. die hohe magnetische Permeabilität und der hohe elektrische Widerstand sind". Demzufolge ist eine Form des Ferrits ideal für das MCEI-Element in der vorliegenden Erfindung. Am besten ist das Ferrit eines des Materials 61, welches von der Fair-Rite Products Corp., Wallkill, New York, kommerziell erhältlich ist und eine magnetische Permeabilität von etwa 125 aufweist. Ein anderer bevorzugter kommerzieller Lieferant von Ferrit ist Gascyl Ent., Coquitlan, B. C., Kanada. Es gibt eine Anzahl anderer Hersteller, welche kommerzielle Produkte anbieten, die eine entsprechende Güteklasse und Permeabilität aufweisen, allerdings unter verschiedenen Bezeichnungen.
Als Alternative zur Verwendung eines Einzelmaterials, welches sowohl magnetisch leitfähig als auch elektrisch isolierend ist, kann das MCEI-Element aus einer Kombination von Materialien hergestellt sein, welche so ausgewählt und aufgebaut sind, dass sie für das Element als Ganzes diese Eigenschaften ergeben. Zum Beispiel kann das Element aus einer Matrix aus Teilchen eines Materials, das magnetisch leitfähig ist, und Teilchen eines anderen Materials, das elektrisch isolierend ist, hergestellt sein, wobei die Matrix so konstruiert ist, dass die Leitung elektrischer Ströme verhindert wird, während die Leitung eines magnetischen Stroms unterstützt wird. Ein solches Material, welches aus ferromagnetischen Metallteilchen zusammengesetzt ist, die in eine Polymermatrix eingeformt sind, ist auf dem Fachgebiet als „Eisenpulver" bekannt. Auch kann das MCEI-Element statt aus einer Matrix aus Laminierungen eines Materials, wie z.B. eines Silicium-Transformatorenstahls, welcher durch ein elektrisch isolierendes Material, z.B. eine Keramik, ein Mineral (Glimmer) oder ein Polymer, getrennt ist, gebildet werden. Da das induzierte elektrische Feld immer senkrecht auf dem Magnetfeld steht, ist es das Haupterfordernis für das MCEI-Element, dass das Magnetfeld in einer Richtung angeordnet ist, die sich um die Spule herum windet, während die elektrische Leitung in der Umfangsrichtung, senkrecht zum Magnetfeld und parallel zur Spule, blockiert sein sollte.
In einer bevorzugteren Ausführungsform, welche in 11 und 11A dargestellt ist, enthält das Kommunikationselement 91 ein MCEI-Element. Das MCEI-Element ist aus verschiedenen Ferrit-Segmenten 83 gebildet, welche mittels eines elastischen Materials, z.B. eines Epoxids, eines Naturkautschuks, Polytetrafluorethylen (PTFE), Perfluoralkoxy (PFA), eines Glasfaser- oder Kohlefaser-Verbundstoffs oder eines Polyurethans, in der richtigen Anordnung zusammengehalten werden. Ein bevorzugtes Verfahren zur Bildung eines segmentierten MCEI-Elements beginnt mit dem Bereitstellen eines Stahlrings 45, welcher eine im Allgemeinen u-förmige Wanne aufweist, die den Endabmessungen des MCEI-Elements entspricht In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Stahlring 45 Rippen 99 um seinen Umfang herum auf, um die Verbindung des Stahlrings mit dem Bohrgestänge zu verstärken.
Das Element 99 wird vorzugsweise als komplette Einheit hergestellt und wird dann in das Bohrgestänge eingefügt, der fertige Aufbau ist in 8, 9 und 10 dargestellt. Um das Element 99 herzustellen, wird eine wärmehärtende Epoxidzubereitung aus zwei Komponenten in einem Zentrifugenbecher gemischt. Wenn die Ferritelemente eine gewisse Porosität aufweisen, können sie versiegelt werden, indem sie für bis zu 30 Minuten zentrifugiert werden, um zu bewirken, dass alle Blasen, welche durch das Mischen erzeugt werden, aus der viskosen Flüssigkeit hinaus aufsteigen, und um zu bewirken, dass die Flüssigkeit in alle Poren in dem Ferrit eindringt und diese versiegelt. Am besten wird eine Güteklasse des Ferrits verwendet, welche eine sehr geringe Porosität aufweist, die keine Versiegelung in dieser Weise erforderlich macht. Die einzelnen u-förmigen Ferritsegmente werden dann in dem Metallring angeordnet, bis auf eine Lücke, welche die Haltebrücke 43 umgibt, wie in 12 und 14 dargestellt. Etwaiges überschüssiges Epoxid wird aus der u-förmigen Nut herausgewischt. Die oberen Flächen der Teile können genau aneinander ausgerichtet werden, indem sie mit Magneten in Position gehalten werden, die um die u-förmige Wanne herum in der Form angeordnet sind. Das Epoxid wird dann gehärtet, entweder bei Raumtemperatur oder in einem Trockenofen.
Das vollständige Kommunikationselement 91, welches die Haltebrücke 43 und den Draht 41 aufweist, kann im Voraus zusammengebaut werden, bevor das Kommunikationselement 91 in das Bohrgestänge eingeführt wird, was gegebenenfalls am Einsatzort durchgeführt werden kann. Der Stahlring 45 hat den Vorteil, dass er einen haltbaren Rahmen bietet, auf welchem das relativ bruchempfindlliche MCEI untergebracht werden kann. Das Kommunikationselement 91 kann mittels eines polymeren Bindematerials, vorzugsweise Epoxid, Polyurethan, Polytetrafluorethylen oder Perfluoralkoxy, am besten Epoxid, in der Ausnehmung 32 der 2 gehalten werden. Am besten wird das Kommunikationselement 91 mittels einer Presspassung in der Ausnehmung 32 gehalten.
Wie in 11 und 11A zu sehen ist, weist das Kommunikationselement 91 vorzugsweise einen Stahlring 45, ein MCEI-Element und eine leitfähige Spule 87 auf. Innerhalb der Wanne des MCEI-Elements 89 liegt die elektrisch leitfähige Spule 87. Diese Spule ist vorzugsweise aus mindestens einer Schlaufe eines isolierten Drahtes aufgebaut, am besten aus nur einer einzigen Schlaufe. Der Draht ist vorzugsweise aus Kupfer, am besten aus versilbertem Kupfermantelstahl, und ist mit Lack, Emaille oder einem Polymer isoliert. Am besten ist der Draht mit einem zähen, flexiblen Polymer, z.B. mit Polyethylen hoher Dichte oder mit polymerisiertem Tetrafluorethylen (PTFE), isoliert. Der Durchmesser des Drahtes mit der Isolierung ist vorzugsweise so gewählt, dass er etwas geringer ist als die Breite der u-förmigen Wanne in dem MCEI-Element. Wie unten noch erörtert wird, sind die speziellen Eigenschaften des Drahtes und die Anzahl der Schlaufen wichtig, um für die richtige Impedanz für die Spule 87 zu sorgen.
Wie in 11 und 14 dargestellt, weist das Kommunikationselement 91 einen ersten und zweiten Kontakt zum Verbinden mit dem Koaxialkabel 51 auf. Der erste Kontakt ist vorzugsweise ein Ende der Spule 87. Der erste Kontakt wird vorzugsweise durch eine Haltebrücke 43 in dem Kommunikationselement gehalten. Die Haltebrücke 43 ist vorzugsweise in eine Ausnehmung in dem Stahlring 45 eingefügt, wobei sie den ersten Kontakt in Position hält und verhindert, dass der erste Kontakt mit dem zweiten Kontakt in elektrischen Kontakt gerät. Die Haltebrücke 43 ist aus einem elektrisch isolierenden Material, vorzugsweise PTFE, insbesondere PEEK^®, hergestellt. PEEK^® ist eine Marke für ein lineares aromatisches semikristallines thermoplastisches Polyetherketon-Polymer, welches von Victrex PLC hergestellt wird. Ein typischer Lieferant für ein solches Material ist Zeus Products, Orangeburg, South Carolina. Der zweite Kontakt des Kommunikationselements 91 steht in elektrischem Kontakt mit dem Stahlring 45, vorzugsweise mittels einer Schweißverbindung 85.
Für eine gegebene Anwendung ist der Durchmesser des Transformators durch den Durchmesser des Gestänges festgelegt. Die Impedanz des Transformators und dessen gewünschte Arbeitsfrequenz können durch zwei Faktoren angepasst werden: die Anzahl der Windungen in dem Leiter und das Verhältnis der Länge zur Fläche des Magnetkreises, welcher sich um die Leiter windet. Durch Vergrößern der Anzahl der Windungen wird die Arbeitsfrequenz verringert und die Impedanz erhöht. Durch Verlängern oder Verschmälern des Magnetkreises wird ebenfalls die Arbeitsfrequenz verringert und die Impedanz erhöht. Dies wird dadurch erreicht, dass die Tiefe der u-förmigen Wanne vergrößert oder die Dicke der Seitenwände verringert wird. Das Anpassen der Anzahl der Windungen führt zu einer großen Veränderung, während das Anpassen der Abmessungen der Wanne kleine Veränderungen ermöglicht. Dementsprechend ermöglicht die Erfindung, dass die Impedanz des Transformatorteils der Übertragungsleitung genau an die des Leiterteils angepasst wird, welche typischerweise im Bereich von 30 bis 120 Ohm liegt. Obwohl ein isolierter Kupferdraht bevorzugt wird, können auch andere elektrisch leitfähige Materialien verwendet werden, um die Spule 87 zu bilden, z.B. Silber oder kupferbeschichteter Stahl.
Wie in 11 zu sehen ist, ist die Spule 87 in einer bevorzugten Ausführungsform in ein Material eingebettet, welches den Raum innerhalb der Wanne des MCEI-Elements 89 füllt. Natürlich sollte dieses Material elektrisch isolierend sein. Es ist auch zu bevorzugen, dass dieses Material elastisch ist, um dem MCEI-Element weitere Zähigkeit hinzuzufügen. Das bevorzugte zu verwendende Material für diesen Zweck ist eine Epoxidzubereitung aus zwei Komponenten, vorzugsweise eine, die mit einem pulverförmigen Material, z.B. pyrogenem Siliciumdioxid oder feinem Aluminiumoxid, gefüllt ist, um für Abriebfestigkeit zu sorgen. Die Anmelder haben ein kommerzielles Standard-Epoxid verwendet, welches in Verhältnissen von etwa 50:50 Prozent mit einem keramischen Füllmaterial wie Aluminiumoxid kombiniert war. Es können auch andere Verhältnisse wünschenswert sein, aber das Füllmaterial sollte nicht weniger als 3 Prozent und nicht mehr als 90 Prozent einnehmen, um eine geeignete Abriebfestigkeit ebenso wie eine angemessene Haftfähigkeit zu erhalten. Alternativ werden andere Materialien verwendet, z.B. bei Raumtemperatur härtende Urethane. Es ist wichtig, dass das Material den extremen Bedingungen standhalten kann, die im Bohrloch angetroffen werden. Demzufolge ist es wichtig, das Material so zu behandeln, dass die Abwesenheit von Fehlstellen oder Lufttaschen sichergestellt ist.
Wie in 3 zu sehen ist, weist das Gehäuse-Ende 11 auch eine Ausnehmung 34 auf, welche der Ausnehmung 32 im Stiftende ähnelt, mit der Ausnahme, dass die Ausnehmung 34 in der inneren sekundären Schulter 36 des Gehäuse-Endes ausgebildet ist. Ein Kommunikationselement 92, welches in jeder Hinsicht dem Kommunikationselement 90 ähnelt, befindet sich innerhalb der Ausnehmung 34.
Wie in 4 zu sehen ist, werden das Kommunikationselement 90 des Stiftendes und das Kommunikationselement 92 des Gehäuse-Endes zumindest in enge Nachbarschaft gebracht, wenn das Stift- und das Gehäuse-Ende verbunden werden. Vorzugsweise sind die Elemente 90 und 92 höchstens etwa 0,5 mm, insbesondere höchstens etwa 0,25 mm, voneinander entfernt. Am besten stehen die Elemente 27 und 29 miteinander in Kontakt.
Weil die Stirnseiten 35 und 36 des Stift- und Gehäuse-Endes nach einer langen Verwendung möglicherweise am Einsatzort bearbeitet werden müssen, kann es bevorzugt werden, die Wannen im Stift- und Gehäuse-Ende in einer Form und Größe zu konstruieren, dass ermöglicht wird, dass die erste und zweite leitfähige Spule am Boden der entsprechenden Wannen liegen und immer noch um einen Abstand vom Oberteil der entsprechenden ersten und zweiten Seite getrennt sind. Als Ergebnis können die Stirnseiten 35 und 36 bearbeitet werden, ohne die Spulen zu beschädigen, die am Boden der Wannen liegen. In dieser Ausführungsform beträgt dieser Abstand vorzugsweise mindestens etwa 0,25 mm (0,01 Inch), insbesondere mindestens etwa 1,5 mm (0,06 Inch).
In 2 und 3 handelt es sich bei den Durchgängen 23 und 25 um Bohrungen, welche vorzugsweise von einem Punkt am Boden der Ausnehmung 32 bzw. 34 aus durch die verstärkte Wand des Stiftendes bzw. Gehäuse-Endes hindurch gebohrt sind, so dass sich die Bohrungen in die zentrale Bohrung des Gestängeabschnitts 15 öffnen. Der Durchmesser der Bohrung wird durch die Dicke bestimmt, die in der speziellen Verbindung möglich ist. Aus Gründen der strukturellen Integrität beträgt er vorzugsweise weniger als etwa die Hälfte der Wanddicke. Vorzugsweise weisen diese Bohrungen einen Durchmesser von etwa zwischen 3 und 7 mm auf. Wie aus 2, 3 und 8 zu sehen ist, vergrößert sich der Durchmesser der Durchgänge 23 und 25 vorzugsweise geringfügig in Richtung der Stiftausnehmung 32 und der Aufnahmeausnehmung 34. Diese Abschnitte größeren Durchmessers in Richtung der Stiftausnehmung 32 und der Aufnahmeausnehmung 34 werden als Stift-Steckverbinderkanal 31 und Aufnahme-Steckverbinderkanal 33 bezeichnet.
Diese beiden Bohrungen können mit herkömmlichen Mitteln gebohrt werden. Vorzugsweise werden sie mit einer Technik gebohrt, die als Langlochbohren bekannt ist. Vorzugsweise können diese Ausnehmungen bearbeitet werden und die Bohrungen können am Einsatzort gebohrt werden, um zu ermöglichen, dass vorhandene Bohrgestängeabschnitte am Einsatzort mit dem Datenübertragungssystem der vorliegenden Erfindung nachgerüstet werden.
Eine leitfähige Röhre 71 wird innerhalb der Durchgänge 23 und 25 angeordnet. Vorzugsweise verläuft die leitfähige Röhre 71 nahezu über die gesamte Länge des Bohrgestänges, wobei sie im Steckverbinderkanal 31 am Stiftende beginnt, weiter durch den Durchgang 23 am Stiftende verläuft, durch die Öffnung 93 hindurchführt, um in das Innere des Grundkörpers des Gestängeabschnitts einzutreten, in die Öffnung 95 eintritt, weiter durch den Durchgang 25 am Gehäuse-Ende verläuft und in der Nabe des Steckverbinderkanals 33 am Gehäuse-Ende endet. Die leitfähige Röhre 71 wird vorzugsweise unter Spannung gehalten, nachdem sie in das Bohrgestänge 15 eingefügt worden ist, und verbleibt während der Tiefbohranwendung unter Spannung. Hierdurch wird verhindert, dass sich die leitfähige Röhre 71 während der Tiefbohranwendung relativ zu den Durchgängen 23 und 25 bewegt. Die leitfähige Röhre ist vorzugsweise aus Metall, insbesondere aus einem starken Metall, am besten aus Stahl, hergestellt. Mit „einem starken Metall" ist gemeint, dass das Metall in seinem normalen Gebrauchszustand relativ verformungsbeständig ist. Bei dem Metall handelt es sich vorzugsweise um Edelstahl, am besten Edelstahl 316 oder 316L. Ein bevorzugter Lieferant für Edelstahl ist Plymouth Tube, Salisbury, MD.
Die Elemente einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, vom Kommunikationselement bis zum Koaxialkabel, sind in 6 bis 10 dargestellt. 7 bis 10 sind vergrößerte Querschnittsansichten der 6 von links nach rechts, wobei 7 eine vergrößerte Ansicht des rechten Endes der 6 zeigt, 8 und 9 vergrößerte Ansichten der Mitte zeigen und 10 eine vergrößerte Ansicht der linken Seite der 6 zeigt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die leitfähige Röhre an jedem Ende mittels eines Dehnungsstopfens 61 und eines Haltestopfens 63 in Position gehalten, wie in 6 und 8 dargestellt. Der Dehnungsstopfen 61 vergrößert sich vorzugsweise im Durchmesser vom vorderen Ende 62 zum hinteren Ende 64, derart, dass der Durchmesser des hinteren Endes 64 größer ist als der anfängliche innere Durchmesser der leitfähigen Röhre 71. Der Dehnungsstopfen 61 weist eine zentrale Öffnung auf, durch welche der Draht 41 führt, und ist vorzugsweise aus Metall, insbesondere Werkzeugstahl, am besten Viscount-44-Stahl, hergestellt. Somit wird, wenn der Dehnungsstopfen 61 in die leitfähige Röhre 71 eingefügt wird, der Durchmesser der leitfähigen Röhre 71 vergrößert. Der Dehnungsstopfen 61 wird bis zu einem Abstand relativ nahe dem Übergangspunkt 97 eingefügt, wo der Durchmesser des Durchgangs 31 oder 33 eine Veränderung durchläuft. Das Ergebnis dieses Einfügens des Dehnungsstopfens 61 ist es, dass der Durchmesser der leitfähigen Röhre 71 an jedem Ende größer ist, so dass die leitfähige Röhre 71 in den Durchgängen 31 und 33 in Position gehalten wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Dehnungsstopfen 61 durch einen Haltestopfen 63 in Position gehalten, wie in 8 dargestellt. Der Haltestopfen 63 wird nach dem Dehnungsstopfen 61 in der leitfähigen Röhre 71 angeordnet und weist eine zentrale Öffnung auf, durch welche der Draht 41 führt. Der Haltestopfen 63 ist aus Metall, insbesondere Werkzeugstahl, am besten Viscount-44-Stahl, hergestellt. In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Haltestopfen 63 Rippen entlang seinem äußeren Durchmesser auf, welche sich in den inneren Durchmesser der leitfähigen Röhre 71 schlagen, um den Dehnungsstopfen 61 in Position zu halten.
Nachdem sie die Öffnungen 93 und 94 verlässt, führt die leitfähige Röhre 71 durch das Innere des Grundkörpers des Gestängeabschnitts. In einer alternativen Ausführungsform kann die leitfähige Röhre von dem Gestänge isoliert sein, um eine mögliche galvanische Korrosion zu verhindern. Zur Zeit ist das bevorzugte Material, mit welchem die leitfähige Röhre 71 isoliert wird, PEEK^®.
Wie in 2 und 3 dargestellt, verläuft das Koaxialkabel 51 innerhalb der leitfähigen Röhre 71. Wie in 6 und 10 dargestellt, weist das Koaxialkabel 51 einen leitfähigen Kern 79 auf, welcher von einem dielektrischen Mantel 81 umgeben ist. In einer Ausführungsform der Erfindung weist das Koaxialkabel 51 auch einen leitfähigen Mantel auf, welcher den dielektrischen Mantel 81 umgibt und in elektrischem Kontakt mit der leitfähigen Röhre 71 steht. Der dielektrische Mantel 81 des Koaxialkabels verhindert einen elektrischen Kontakt zwischen dem Kern 79 des Koaxialkabels und der leitfähigen Röhre 71. Wie in 10 dargestellt, wird in einer bevorzugten Ausführungsform an jedem Ende eine innere Schicht des dielektrischen Mantels 81 um den leitfähigen Kern 79 herum entfernt, während die äußere Schicht des leitfähigen Mantels 81 in ihrer Position neben der leitfähigen Röhre 71 gelassen wird. Dies ermöglicht das Einfügen des Steckverbinders 53 um den leitfähigen Kern 79 herum und innerhalb des dielektrischen Mantels 81.
Derzeit weist das Koaxialkabel vorzugsweise eine charakteristische Impedanz im Bereich von etwa 30 bis etwa 120 Ohm auf, am besten eine charakteristische Impedanz im Bereich von 50 bis 75 Ohm. Weil die Dämpfung von Koaxialkabeln sich mit steigendem Durchmesser vergrößert, sollte der größte Durchmesser verwendet werden, der mit der Installation in dem für eine bestimmte Anwendung gewählten Bohrgestänge vereinbar ist. Am besten weist das Kabel einen Durchmesser von etwa 6,35 mm (0,25'') oder mehr auf. Vorzugsweise sollte der Schutzmantel eine Abdeckung von nahezu 100% bieten, und die Kernisolierung sollte aus einem völlig dichten Polymer hergestellt sein, welches einen geringen dielektrischen Verlust aufweist, am besten aus der Familie der Polytetrafluorethylen(PTFE)-Harze, für welche Teflon^® von DuPont ein Beispiel ist. Ein geschäumtes Polymer kann ebenfalls als Kernisolierung verwendet werden.
Es vorzuziehen, die elektrischen Eigenschaften des Leiters so zu wählen, dass sie auf die Impedanz der Spulen abgestimmt sind, an welchen dieser befestigt wird. Vorzugsweise liegt das Verhältnis der Impedanz des elektrischen Leiters zu der Impedanz der ersten und zweiten elektrisch leitfähigen Spule zwischen etwa 1:2 und 2:1. Am besten liegt es nahe 1:1.
Das bevorzugte Datenübertragungssystem bietet eine relativ weite Bandbreite. Ohne sich durch irgendeine bestimmte Theorie binden zu wollen, wird derzeit angenommen, dass dies durch die geringe Anzahl von Windungen des Leiters und die geringe Reluktanz des Magnetkreises erreicht wird, wodurch für eine Spule mit solch einem großen Durchmesser eine überraschend niedrige gegenseitige Induktivität erzeugt wird. Für eine Spule mit zwei Windungen und einem Durchmesser von 120 mm (4,75 Inch) beträgt die gegenseitige Induktivität des zusammengesetzten Toroids etwa 1 Mikrohenry. Bei einer Wirklast von 50 Ohm liegt die Spitzen-Signalübertragung bei etwa 4 MHz, und reicht bei Energieübertragung von etwa 1 MHz bis etwa 12 MHz. Der induktive Blindwiderstand beträgt etwa 65 Ohm, und die Dämpfung beträgt nur etwa 0,35 dB je Verbindung, was einer Energieübertragung von etwa 92 Prozent entspricht. In gewisser Hinsicht soll das Kommunikationselement als Übertragungsleitungs-Transformator fungieren, wobei die Verknüpfung zwischen den benachbarten Spulen verteilte Elemente sowohl der Kapazität als auch der Induktivität umfasst. Daher soll der Begriff „Induktionsspule" sowohl Spulen umfassen, welche Signale durch Induktion übertragen, als auch jene Spulen, welche als ein Übertragungsleitungs-Transformator fungieren. Wenn benachbarte Segmente zusammengesetzt werden, wird ein Serienfilter erzeugt, welcher die Wirkung hat, die Bandbreite zu verringern. Wenn jeder einzelne Transformator eine schmale Bandbreite hätte, würde sich der Bandpass des Filters verändern, wenn weitere Segmente hinzugefügt werden, was erforderlich machen würde, dass jedes einzelne Element getrennt gemäß seiner Position in dem System abgestimmt wird. Nichtsdestoweniger ist es ein überraschendes Merkmal der Erfindung, dass identische Segmente mit jeder beliebigen Anzahl von Verbindungen zusammengesetzt werden können und dabei immer noch eine wirksame Signalkopplung ermöglichen. Der unten beschriebene 30-Verbindungs-Test ergab eine Gesamtdämpfung von 37,5 dB (0,018% Energieübertragung), von welchen 70% im Koaxialkabel selbst auftraten, welches so ausgewählt wurde, dass es einen Schutzmantel-Durchmesser von 1,2 mm (0,047 Inch) aufwies. Die maximale Energieübertragung fand bei 4,2 MHz und der Bandbreite bei halber Energie von 2 MHz statt. Somit führte ein Signal von sechs Volt und 90 Milliwatt nach 30 Verbindungen zu einem erfassten Signal von 80 mV.
Wie in 6, 9 und 10 dargestellt, befindet sich sowohl im Stift-Steckverbinderkanal 31 als auch im Aufnahme-Steckverbinderkanal 33 ein Steckverbinder 53. Der Steckverbinder 53 ermöglicht, dass das Koaxialkabel 51 ein elektrisches Signal zu dem Kommunikationselement 91 überträgt. Der Steckverbinder 53 weist eine leitfähige Buchse 75 auf, welche um den leitfähigen Kern 79 herum angepasst ist. Der Steckverbinder 53 weist eine isolierende Beschichtung 77 auf, um einen elektrischen Kontakt zwischen der leitfähigen Buchse 75 und der leitfähigen Röhre 71 zu verhindern. Vorzugsweise handelt es sich bei der isolierenden Beschichtung um TEFLON^®. Während des Zusammensetzens wird der Steckverbinder 53 über den leitfähigen Kern 79 geschoben, wobei er mit diesem einen elektrischen Kontakt herstellt. Vorzugsweise stellt der Steckverbinder 53 einen Federkontakt mit dem leitfähigen Kern 79 her.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Steckverbinder 53 um einen Draht 41 herum angepasst, welcher in elektrischem Kontakt mit dem Kommunikationselement 91 steht. Am besten ist der Draht 41 ein Ende der leitfähigen Spule 87. Der Draht 41 ist vorzugsweise aus Kupfer oder versilbertem Kupfermantelstahl hergestellt. Der Draht 41 weist eine isolierende Beschichtung 59 auf welche aus Lack, Emaille oder einem Polymer hergestellt ist. Am besten handelt es sich bei der isolierenden Beschichtung 59 um ein zähes flexibles Polymer, z.B. ein Polyethylen hoher Dichte oder ein polymerisiertes Tetrafluorethan (PTFE). Vorzugsweise ist die isolierende Beschichtung 59 des Drahts 41 am Ende des Drahts 41 in nächster Nähe zu dem Steckverbinder 53 entfernt, um den elektrischen Kontakt zwischen der leitfähigen Buchse 75 und dem Draht 41 zu erleichtern. In einer bevorzugteren Ausführungsform wird der Steckverbinder 53 um den Draht 41 herum gequetscht, um einen guten elektrischen Kontakt zwischen der leitfähigen Buchse 75 und dem Draht 41 sicherzustellen.
In einer Ausführungsform der Erfindung, wird ein Zentrierungsisolator 73 verwendet, um dabei zu helfen, den Steckverbinder 53 in Position zu bringen, wie in 9 dargestellt. Der Zentrierungsisolator 73 ist an jedem Ende trichterförmig und ist aus einem dielektrischen Material, vorzugsweise PTFE, am besten PEEK^®, hergestellt. Der Zentrierungsisolator 73 ist in der Mitte hohl, was ihm ermöglicht, um den Steckverbinder 53 herum zu gleiten und den Steckverbinder 53 auf den Kern 79 zuzuführen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist sowohl im Steckverbinderkanal 31 am Stiftende als auch im Steckverbinderkanal 33 am Gehäuse-Ende eine wasserdichte Versiegelung 55 vorhanden, wie in 6 dargestellt, um die Verbindungen vor den Tiefbohrbedingungen der hohen Temperatur und des hohen Drucks zu schützen. Wie in 8 dargestellt, ist in einer bevorzugten Ausführungsform ein Abstandhalter 65 zwischen dem Haltestopfen 63 und der wasserdichten Versiegelung angeordnet. Am besten ist der Abstandhalter 65 aus Glasfaser hergestellt. In der am meisten bevorzugten Ausführungsform ist die Versiegelung 55 in der Nähe des Haltestopfens angeordnet, wie in 8 dargestellt, und bildet eine Versiegelung zwischen der Innenfläche der leitfähigen Röhre 71 und der Außenfläche des Drahts 41. In einer Ausführungsform umfasst die Versiegelung mindestens einen O-Ring 67 und mindestens eine Sicherungsstütze 69. Am besten liegen mindestens drei O-Ringe 67 und drei Sicherungsstützen 69 vor. Die O-Ringe sind vorzugsweise aus Gummi hergestellt, insbesondere aus einem Fluorelastomer, am besten am einem Fluorelastomer, welches unter der Marke AFLAS^® oder VITON^® vertrieben wird. Die Sicherungsstützen 69 sind vorzugsweise aus PEEK^® hergestellt und weisen um ein Ende herum eine v-förmige Einkerbung auf. Wenn ein O-Ring 67 zusammengedrückt wird, bewegt er sich in die Einkerbung in der Sicherungsstütze 69 hinein und bewirkt, dass der Außendurchmesser der Sicherungsstütze 69 gegen die leitfähige Röhre 71 drückt und der Innendurchmesser gegen den Draht 41 drückt, somit wird dazu beigetragen, die wasserdichte Versiegelung zu bewahren.
In einer alternativen Ausführungsform liegt eine wasserdichte Versiegelung zwischen dem Steckverbinder 53 und der Innenfläche der leitfähigen Röhre 71 vor. In dieser Ausführungsform wird die Versiegelung durch mindestens eine Umfangsnut an der Außenseite des Steckverbinders und mindestens eine Dichtung, welche dort hinein passt, bereitgestellt. In alternativen Ausführungsformen kann die Verbindung mit einer wasserdichten Versiegelung an anderen Stellen geschützt werden, z.B. zwischen dem Koaxialkern 79 und der leitfähigen Röhre 71, zwischen dem Steckverbinder 53 und der leitfähigen Röhre 71 und zwischen dem Draht 41 und den Verbindungskanälen 31 und 33.
Viele Arten von Datenquellen sind wichtig für die Leitung einer Bohroperation. Diese umfassen Parameter wie Bohrlochtemperatur und Bohrlochdruck, Salzhaltigkeit und pH-Wert des Bohrschlamms, magnetische Missweisung und horizontale Neigung der Bohrgarnitur, seismische Vorschaudaten über die umgebende Formation, spezifischer elektrischer Widerstand der Formation, Porendruck der Formation, Gammastrahlen-Charakterisierung der Formation und so weiter. Die hohe Datengeschwindigkeit, welche durch die vorliegende Erfindung bereitgestellt wird, bietet die Möglichkeit der besseren Verwendung dieser Art von Daten und der Entwicklung der Erfassung und der Verwendung anderer Arten von Daten, die derzeit nicht verfügbar sind.
Vorzugsweise werden in dem System Daten mit einer Geschwindigkeit von mindestens 100 Bit/Sekunde, insbesondere mindestens 20000 Bit/Sekunde, am besten mindestens etwa 2000000 Bit/Sekunde.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist es, dass sie relativ wenig Energie benötigt und eine relativ hohe Signalerhaltung aufweist. Somit werden in dem System vorzugsweise Daten durch mindestens 30 Elemente übertragen, welche nur durch den variierenden Strom mit Energie versorgt werden, der einer der ersten leitfähigen Spulen in einem der Elemente zugeführt wird. Insbesondere werden in dem System Daten durch mindestens 50 Elemente übertragen, welche nur durch den variierenden Strom mit Energie versorgt werden, der einer der ersten leitfähigen Spulen in einem der Elemente zugeführt wird.
Vorzugsweise steuert der variierende Strom, welcher der ersten leitfähigen Spule in dem einen Element zugeführt wird, ein variierendes Potential an, welches einen Spitze-Spitze-Wert zwischen etwa 10 mV und etwa 20 mV aufweist. Vorzugsweise beträgt der Energieverlust zwischen zwei verbundenen Elementen weniger als etwa 5 Prozent.
Es ist anzunehmen, dass die Übertragungsleitung der Erfindung das Datensignal typischerweise über eine Strecke von 0,3 bis 0,6 km (1000 bis 2000 Fuß) überträgt, bevor das Signal bis zu einem Punkt gedämpft ist, dass es eine Verstärkung benötigt. Diese Strecke kann vergrößert werden, indem ein stärkeres Signal mit einem damit verbundenen stärkeren Energieverbrauch gesendet wird. Viele Bohrlöcher werden jedoch bis zu 6 bis 9 km (20000 bis 30000 Fuß) tief gebohrt, was die Verwendung von Zwischenverstärkern erforderlich machen würde, um das Signal zu erneuern. Vorzugsweise sind die Verstärkungseinheiten in nicht mehr als 10 Prozent, insbesondere in nicht mehr als 3 Prozent, der Elemente des Strangs von Tiefbohrelementen bereitgestellt.
Solche Zwischenverstärker können einfache „dumme" Zwischenverstärker sein, welche nur die Amplitude des Signals erhöhen, ohne irgendeine andere Veränderung. Ein einfacher Verstärker verstärkt jedoch auch jedes Rauschen in dem Signal. Obwohl angenommen wird, dass die Tiefbohrumgebung relativ frei von elektrischem Rauschen im RF-Frequenzbereich ist, welcher in der Erfindung bevorzugt wird, stellt ein digitaler Zwischenverstärker ein frisches Signal bereit, ohne das Hintergrundrauschen zu verstärken. Am meisten wird ein „intelligenter" Zwischenverstärker bevorzugt, welcher irgendwelche Fehler in dem Datenstrom entdeckt und das Signal fehlerfrei wiederherstellt, während er das Grundlinienrauschen beseitigt. In einem Tiefbohr-Netzwerk, in welches ein „intelligenter" Zwischenverstärker eingebaut ist, kann jedes aus einer Anzahl von bekannten digitalen Fehlerberichtigungsschemen angewendet werden.
Am besten dient der Zwischenverstärker nicht nur dazu, den Datenstrom zu regenerieren, sondern dient auch als Datenquelle selbst. Vor der vorliegenden Erfindung waren Daten während des Bohren nur aus der Bohrgarnitur verfügbar, weil die Spülungsimpuls-Datengeschwindigkeiten keine Zwischenknoten zuließen. Mit der vorliegenden Erfindung sind Daten aus jedem Knoten entlang des Bohrstrangs verfügbar, wodurch ein aufgeteilter Zugriff auf Daten von oben nach unten ermöglicht wird. Zum Beispiel kann mm ein Druckprofil entlang des gesamten Bohrstrangs erzeugt werden, anstatt auf eine einzige Druckmessung an der Bohrlochsohle angewiesen zu sein. Dies könnte beim Unterdruck-Bohren, wo der durch den Schlamm erzeugte Druck geringer ist als der Porendruck in der umgebenden Formation, entscheidend sein, um den Bohrvorgang zu beschleunigen. Jeder plötzliche Druckimpuls oder „Kick" könnte viel schneller vorhergesehen werden. Andere Arten von Datenquellen für Tiefbohranwendungen sind Neigungsmessgeräte, Thermoelemente, Gammastrahlen-Detektoren, Schallwellen-Detektoren, Neutronensensoren, Druckmessumformer, Potentiometer, Dehnungsmesser, seismische Quellen und seismische Empfänger.

Claims

System zum Übertragen von Daten durch einen Strang von Tiefbohrelementen, welches mehrere Tiefbohrelemente umfasst, jedes mit einem Stiftende (13) und einem Gehäuse-Ende (11), wobei das Stiftende (13) eines Tiefbohrelements dafür geeignet ist, mit dem Gehäuse-Ende (11) eines anderen Tiefbohrelements verbunden zu werden, wobei jedes Stiftende (13) Außengewinde (19) und distal zu den Außengewinden eine innere Stift-Stirnseite (35) aufweist, wobei die innere Stift-Stirnseite (35) im Allgemeinen quer zu der Langsachse des Tiefbohrelements angeordnet ist, und wobei jedes Gehäuse-Ende (11) eine innere Schulter-Stirnseite (36) mit Innengewinden (21) distal zu der Schulter-Stirnseite (36) aufweist, wobei die innere Schulter-Stirnseite (36) im Allgemeinen quer zu der Langsachse des Tiefbohrelements angeordnet ist, und wobei die innere Stift-Stirnseite (35) und die innere Schulter-Stirnseite (36) aneinander ausgerichtet sind und nah beieinander liegen, wenn das Stiftende des einen Elements in ein Gehäuse-Ende des anderen Elements geschraubt wird; ein erstes Kommunikationselement (90), welches sich innerhalb einer ersten Ausnehmung (32) befindet, die in jeder inneren Stift-Stirnseite (35) ausgebildet ist, ein zweites Kommunikationselement (92), welches sich innerhalb einer zweiten Ausnehmung (34) befindet, die in jeder inneren Schulter-Stirnseite (36) ausgebildet ist, und einen Leiter, welcher mit jedem ersten und zweiten Kommunikationselement (90, 92) in jedem Element in Verbindung steht und zwischen diesen verläuft; dadurch gekennzeichnet, dass: das erste und zweite Kommunikationselement (90, 92) jeweils einen ersten Kontakt und einen zweiten Kontakt aufweist; der Leiter zwischen dem ersten und zweiten Kommunikationselement ein Koaxialkabel umfasst, wobei das Koaxialkabel (51) eine leitfähige Röhre (71) und innerhalb dieser einen leitfähigen Kern (79) aufweist; ein erster bzw. zweiter Steckverbinder (53) das erste bzw. zweite Kommunikationselement (90, 92) mit dem Koaxialkabel (51) verbindet, wobei jeder Steckverbinder (53) eine leitfähige Buchse (75) aufweist, welche konzentrisch innerhalb der leitfähigen Röhre liegt und um den leitfähigen Kern (79) herum angepasst ist und mit diesem in elektrischem Kontakt steht, wobei die leitfähige Buchse (75) von der leitfähigen Röhre (71) elektrisch isoliert ist; wobei die leitfähige Buchse (75) jedes Steckverbinders (53) in elektrischem Kontakt mit dem ersten Kontakt des entsprechenden ersten oder zweiten Kommunikationselements (90, 92) steht, wobei die leitfähige Röhre (71) in elektrischem Kontakt mit dem zweiten Kontakt sowohl des ersten als auch des zweiten Kommunikationselements (90, 92) steht.
System nach Anspruch 1, wobei es sich bei dem ersten und zweiten Kommunikationselement (90, 92) um Induktionsspulen handelt.
System nach Anspruch 2, wobei die Induktionsspulen mindestens eine Drahtschlaufe aufweisen, welche in eine kreisförmige Wanne aus einem magnetisch leitenden, elektrisch isolierenden Material eingesetzt ist, wobei der Draht ein erstes Ende und ein zweites Ende aufweist, wobei das erste Ende der erste Kontakt ist und das zweite Ende der zweite Kontakt ist.
System nach Anspruch 1, wobei jeder Bohrgestängeabschnitt einen Teil mit einer verstärkten Wanddicke sowohl am ersten als auch am zweiten Ende aufweist, woraus sich ein kleinerer Durchmesser der zentralen Bohrung am ersten und zweiten Ende ergibt, und wobei der erste und zweite Durchgang durch die Teile mit verstärkter Wanddicke und im Allgemeinen parallel zur Längsachse des Bohrgestänges verlauft.
System nach Anspruch 4, wobei der erste und zweite Durchgang jeweils einen Teil mit größerem Durchmesser und einen Teil mit kleinerem Durchmesser aufweist, wobei der Teil mit größerem Durchmesser näher an der ersten bzw. zweiten Ausnehmung liegt und der Teil mit kleinerem Durchmesser näher am Ende des Durchgangs liegt, welcher in die zentrale Bohrung einmündet, und wobei sich der erste bzw. zweite Steckverbinder innerhalb des Teils mit größerem Durchmesser des ersten bzw. zweiten Durchgangs befindet.
System nach Anspruch 5, wobei die leitfähige Rohre (71) zumindest über die Länge des Koaxialkabels (51) verläuft, und wobei die leitfähige Röhre (71) einen Außendurchmesser entlang dem größten Teil ihrer Länge aufweist, welcher in die Teile mit kleinerem Durchmesser des ersten und zweiten Durchgangs passt, und einen vergrößerten Außendurchmesser an beiden Enden, welcher in die Teile mit größerem Durchmesser des ersten und zweiten Durchgangs passt, wobei aber der vergrößerte Außendurchmesser nicht in die Teile mit kleinerem Durchmesser passt, wodurch das Koaxialkabel innerhalb des Bohrgestängeabschnitts in Position gehalten wird.
System nach Anspruch 6, welches ferner einen ersten und zweiten Dehnungsstopfen umfasst, von denen jeder einen zentralen Durchgang aufweist und jeder derart in die leitfähige Röhre eingepresst ist, dass der vergrößerte Außendurchmesser der leitfähigen Röhre innerhalb der Teile mit größerem Durchmesser des ersten bzw. zweiten Durchgangs gehalten wird.
System nach Anspruch 1, wobei die leitfähige Röhre (71) über die Länge des Koaxialkabels (51) verläuft.
System nach Anspruch 8, wobei die leitfähige Rohre (71) aus einem starken Metall hergestellt ist.
System nach Anspruch 9, wobei das Metall Stahl ist.
System nach Anspruch 10, wobei die leitfähige Röhre (71) relativ zu dem Tiefbohrelement unter Spannung gehalten wird.
System nach Anspruch 1, wobei es sich bei dem ersten und zweiten Kommunikationselement um Induktionsspulen handelt und die Induktionsspulen aus einer einzelnen Drahtschlaufe gebildet sind.
System nach Anspruch 3, wobei die Wanne aus Segmenten eines magnetisch leitenden, elektrisch isolierenden Materials gebildet ist.
System nach Anspruch 13, wobei die Wanne Ferrit umfasst.
System nach Anspruch 13, wobei die Segmente in einer Nut gehalten werden, die in einem Metallring ausgebildet ist.
System nach Anspruch 15, wobei die Segmente und der Draht von einem isolierenden Material umhüllt sind.
System nach Anspruch 16, wobei das isolierende Material ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Polyurethan, Polytetrafluorethylen, Perfluoralkoxy und Epoxid.
System nach Anspruch 15, wobei der Metallring eine Öffnung aufweist, durch welche zumindest das erste Ende des Drahts hindurchführt.
System nach Anspruch 18, wobei das zweite Ende des Drahts, der Metallring und die leitfähige Röhre in elektrischem Kontakt miteinander stehen und das erste Ende des Drahts in elektrischem Kontakt mit der leitfähigen Buchse steht.
System nach Anspruch 19, welches ferner eine Haltebrücke umfasst, durch welche das erste Ende des Drahts verläuft, und welche das erste Ende des Drahts vom Metallring isoliert.
System nach Anspruch 1, wobei es sich bei den Elementen um Bohrgestängeabschnitte handelt, welche jeweils eine durch sie führende zentrale Bohrung aufweisen, und wobei das erste bzw. zweite Kommunikationselement innerhalb einer ersten bzw. zweiten Ausnehmung am ersten bzw. zweiten Ende des Bohrgestänges angeordnet sind, und welches ferner einen ersten Durchgang umfasst, der zwischen der ersten Ausnehmung und der zentralen Bohrung hindurchführt, und einen zweiten Durchgang, der zwischen der ersten Ausnehmung und der zentralen Bohrung hindurchführt, und wobei der erste bzw. zweite Steckverbinder im ersten bzw. zweiten Durchgang angeordnet sind.
System nach Anspruch 21, wobei jeder Bohrgestängeabschnitt einen Teil mit einer verstärkten Wanddicke sowohl am ersten als auch am zweiten Ende aufweist, woraus sich ein kleinerer Durchmesser der zentralen Bohrung am ersten und zweiten Ende ergibt, und wobei der erste und zweite Durchgang durch die Teile mit verstärkter Wanddicke und im Allgemeinen parallel zur Langsachse des Bohrgestänges verläuft.
System nach Anspruch 22, wobei der erste und zweite Durchgang jeweils einen Teil mit größerem Durchmesser und einen Teil mit kleinerem Durchmesser aufweist, wobei der Teil mit größerem Durchmesser näher an der ersten bzw. zweiten Ausnehmung liegt und der Teil mit kleinerem Durchmesser näher am Ende des Durchgangs liegt, welcher in die zentrale Bohrung einmündet, und wobei sich der erste bzw. zweite Steckverbinder innerhalb des Teils mit größerem Durchmesser des ersten bzw. zweiten Durchgangs befindet.
System nach Anspruch 22, wobei die leitfähige Röhre zumindest über die Länge des Koaxialkabels verläuft, und wobei die leitfähige Röhre einen Außendurchmesser entlang dem größten Teil ihrer Länge aufweist, welcher in die Teile mit kleinerem Durchmesser des ersten und zweiten Durchgangs passt, und einen vergrößerten Außendurchmesser an beiden Enden, welcher in die Teile mit größerem Durchmesser des ersten und zweiten Durchgangs passt, wobei aber der vergrößerte Außendurchmesser nicht in die Teile mit kleinerem Durchmesser passt, wodurch das Koaxialkabel innerhalb des Bohrgestängeabschnitts in Position gehalten wird.
System nach Anspruch 24, welches ferner einen ersten und zweiten Dehnungsstopfen umfasst, von denen jeder einen zentralen Durchgang aufweist und jeder derart in die leitfähige Rohre eingepresst ist, dass der vergrößerte Außendurchmesser der leitfähigen Röhre innerhalb der Teile mit größerem Durchmesser des ersten bzw. zweiten Durchgangs gehalten wird.
System nach Anspruch 25, welches ferner einen ersten und zweiten Haltestopfen benachbart zu dem entsprechenden ersten und zweiten Dehnungsstopfen umfasst, wobei jeder der Haltestopfen Rippen auf seiner Außenfläche aufweist, um die Dehnungsstopfen in Position zu halten.
System nach Anspruch 26, wobei die Dehnungsstopfen und die Haltestopfen aus Stahl hergestellt sind.
System nach Anspruch 1, wobei das Koaxialkabel ferner ein dielektrisches Material zwischen der leitfähigen Röhre und dem leitfähigen Kern aufweist, welches über den größten Teil der Länge des Kabels verläuft, aber an beiden Enden des Kabels nicht vorhanden ist, um dadurch die Verbindung zu dem ersten und zweiten Steckverbinder zu erleichtern.
System nach Anspruch 28, wobei das Koaxialkabel ferner einen leitfähigen Mantel außerhalb des dielektrischen Materials und innerhalb der leitfähigen Röhre aufweist, und wobei der leitfähige Mantel über den größten Teil der Länge des Kabels verläuft, aber an beiden Enden des Kabels nicht vorhanden ist, um dadurch die Verbindung zu dem ersten und zweiten Steckverbinder zu erleichtern.
System nach Anspruch 1, wobei jeder Steckverbinder ferner eine Führung für die leitfähige Buchse aufweist, wobei die Führung aus einem dielektrischen Material hergestellt ist und einen Führungsdurchgang aufweist, durch welchen die leitfähige Buchse verläuft, wobei der Führungsdurchgang an einem oder beiden Enden trichterförmig ist.
System nach Anspruch 1, welches ferner eine wasserdichte Versiegelung zwischen der Außenfläche der leitfähigen Buchse und der Innenfläche der leitfähigen Röhre umfasst.
System nach Anspruch 31, wobei die Versiegelung dafür geeignet ist, Drücken von mindestens 172 MPa (25.000 Pfund je Quadratinch) und Temperaturen von mindestens 200 Grad Celsius standzuhalten.
System nach Anspruch 31, wobei die Versiegelung durch mindestens einen O-Ring bereitgestellt wird.
System nach Anspruch 1, wobei das erste und zweite Kommunikationselement jeweils eine Induktionsspule aufweist, welche mindestens eine Drahtschlaufe aufweist, wobei in jedem Kommunikationselement der erste Kontakt ein erstes Ende des Drahts umfasst und der zweite Kontakt ein zweites Ende des Drahts umfasst, und wobei der erste und zweite Steckverbinder jeweils ferner eine wasserdichte Versiegelung zwischen dem zweiten Ende des Drahts und der Innenseite der leitfähigen Röhre aufweist.
System nach Anspruch 34, wobei die wasserdichte Versiegelung mindestens eine Dichtung umfasst, durch welche das erste Ende des Drahts verlauft, und welche eine Versiegelung mit der Innenfläche der leitfähigen Röhre bildet.
System nach Anspruch 35, wobei die Versiegelung dafür geeignet ist, Drücken von mindestens 138 MPa (20.000 Pfund je Quadratinch) und Temperaturen von mindestens 200 Grad Celsius standzuhalten.
System nach Anspruch 35, wobei die Dichtung aus einem Material hergestellt ist, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Pyrophyllit, Kautschuk-Glasfaser und Fluorelastomer.
System nach Anspruch 37, wobei die Dichtung einen O-Ring umfasst.
System nach Anspruch 38, wobei jeder O-Ring einem Verschlussring benachbart ist, wobei der Verschlussring gewöhnlich den O-Ring unter Tiefbohrbedingungen in Position hält.
System nach Anspruch 34, wobei der erste und zweite Steckverbinder ferner eine zweite wasserdichte Versiegelung zwischen der Außenfläche der leitfähigen Buchse und der Innenfläche der leitfähigen Röhre aufweisen.
Verfahren zum elektrischen Verbinden von Kommunikationselementen an gegenüberliegenden Enden eines Tiefbohrelements durch einen Koaxialleiter, wobei das Verfahren das Folgende umfasst: Bereitstellen eines Koaxialkabels als Leiter zwischen dem ersten und zweiten Kommunikationselement, wobei das Koaxialkabel eine leitfähige Röhre, einen leitfähigen Kern innerhalb dieser und ein dielektrisches Material zwischen der leitfähigen Röhre und dem leitfähigen Kern aufweist; Bereitstellen eines ersten und zweiten Steckverbinders zum Verbinden des entsprechenden ersten und zweiten Kommunikationselements mit dem Koaxialkabel, wobei der erste und zweite Steckverbinder jeweils eine leitfähige Buchse aufweist, welche um den leitfähigen Kern herum angepasst ist und in elektrischem Kontakt zu diesem steht, wobei die leitfähige Buchse von dem leitfähigen Mantel elektrisch isoliert ist; Entfernen eines Teils des dielektrischen Materials an beiden Enden des Koaxialkabels, um dadurch einen lichten Raum für die leitfähige Buchse bereitzustellen; und Schieben des ersten und zweiten Steckverbinders über beide Enden des Koaxialkabels.
Verfahren nach Anspruch 41, wobei das Koaxialkabel ferner einen leitfähigen Mantel in elektrischem Kontakt mit der leitfähigen Röhre aufweist, und wobei an beiden Enden ein Teil des leitfähigen Mantels entfernt wird, um dadurch einen lichten Raum für die erste Buchse zu schaffen.
Verfahren nach Anspruch 41, wobei die leitfähige Röhre mindestens über die gesamte Länge des Koaxialkabels verläuft.
Verfahren nach Anspruch 41, wobei es sich bei den Elementen um Bohrgestängeabschnitte handelt, welche jeweils eine durch sie führende zentrale Bohrung aufweisen, und wobei das erste bzw. zweite Kommunikationselement innerhalb einer ersten bzw. zweiten Ausnehmung am ersten bzw. zweiten Ende des Bohrgestänges angeordnet sind, und welches ferner einen ersten Durchgang umfasst, der zwischen der ersten Ausnehmung und der zentralen Bohrung hindurchführt, und einen zweiten Durchgang, der zwischen der ersten Ausnehmung und der zentralen Bohrung hindurchfährt, und wobei der erste bzw. zweite Steckverbinder im ersten bzw. zweiten Durchgang angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 44, wobei jeder Bohrgestängeabschnitt einen Teil mit einer verstärkten Wanddicke an beiden Enden aufweist, woraus sich ein kleinerer Durchmesser der zentralen Bohrung an beiden Enden ergibt, und wobei der erste und zweite Durchgang durch die Teile mit verstärkter Wanddicke und im Allgemeinen parallel zur Längsachse des Bohrgestänges verlauft.
Verfahren nach Anspruch 45, wobei der erste und zweite Durchgang jeweils einen Teil mit größerem Durchmesser und einen Teil mit kleinerem Durchmesser aufweist, wobei der Teil mit größerem Durchmesser näher an der ersten bzw. zweiten Ausnehmung liegt und der Teil mit kleinerem Durchmesser näher am Ende des Durchgangs liegt, welcher in die zentrale Bohrung einmündet, und wobei der erste bzw. zweite Steckverbinder innerhalb des Teils mit größerem Durchmesser des ersten bzw. zweiten Durchgangs eingefügt ist.
Verfahren nach Anspruch 46, wobei die leitfähige Röhre zumindest über die Länge des Koaxialkabels verläuft, und wobei die leitfähige Röhre einen Außendurchmesser entlang dem größten Teil ihrer Länge aufweist, welcher in die Teile mit kleinerem Durchmesser des ersten und zweiten Durchgangs passt, und wobei der Außendurchmesser der leitfähigen Röhre an beiden Enden nach dem Einfügen in die Teile mit größerem Durchmesser des ersten und zweiten Durchgangs erweitert wird, um dadurch das Koaxialkabel innerhalb des Bohrgestängeabschnitts in Position zu halten.
Verfahren nach Anspruch 47, wobei die leitfähige Röhre relativ zum Bohrgestänge unter Spannung gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 47, wobei der Außendurchmesser der leitfähigen Röhre erweitert wird, indem in jedes Ende ein Dehnungsstopfen eingefügt wird.
Verfahren nach Anspruch 49, wobei jeder Dehnungsstopfen einen Durchgang aufweist, durch welchen ein Draht in elektrischem Kontakt mit dem leitfähigen Kern verlauft.
Verfahren nach Anspruch 50, wobei jeder Dehnungsstopfen durch einen Haltestopfen mit Rippen auf seiner Außenfläche in Position gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 41, welches ferner eine Führung für die leitfähige Buchse umfasst, wobei die Führung aus einem dielektrischen Material hergestellt ist und einen Führungsdurchgang aufweist, durch welchen die leitfähige Buchse verläuft, wobei der Führungsdurchgang an einem oder beiden Enden trichterförmig ist.
Verfahren nach Anspruch 41, welches ferner eine wasserdichte Versiegelung zwischen der Außenfläche der leitfähigen Buchse und der Innenfläche der leitfähigen Röhre umfasst.
Verfahren nach Anspruch 41, wobei das erste und zweite Kommunikationselement jeweils eine Induktionsspule aufweist, welche mindestens eine Drahtschlaufe aufweist, wobei in jedem Kommunikationselement ein erstes Ende des Drahts in elektrischem Kontakt mit der leitfähigen Röhre steht und ein zweites Ende des Drahts in elektrischem Kontakt mit der leitfähigen Buchse steht.
Verfahren nach Anspruch 54, wobei der erste und zweite Steckverbinder jeweils ferner eine wasserdichte Versiegelung zwischen dem zweiten Ende des Drahts und der Innenseite der leitfähigen Röhre aufweisen.