CN101343984B - 一种用于海洋钻井平台的水泥管总成 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于海洋钻井平台的水泥管总成，包括管体、金属接头；管体端部的密封部分及抗拔脱连接部分分别与金属接头的密封部分及抗拔脱连接部分相配合，在二者密封部分、抗拔脱连接部分之间形成的配合间隙中分别充注有密封胶、连接树脂；该锥形孔的内表面呈沿圆周方向排列的环形凹槽形状；在管体端部的过渡连接部分设有造坡层，在造坡层及金属接头上设有外保护层。本发明适用于海洋和陆地钻井平台的高压、超高压工作环境，其耐磨损、耐天候老化及耐介质性能好，抗拉强度高，弯曲柔韧性能优良，综合性能系数高，工作效率高，使用寿命长；金属接头与管体端部之间结合牢固稳定，抗拔脱性能、密封性能好。

Description

一种用于海洋钻井平台的水泥管总成

一、技术领域：

本发明涉及水泥管总成，更详细地讲是用于海洋钻井平台的水泥管总成。

二、背景技术：

目前，水泥管总成是用于陆地石油钻探设备上，作为高压柔性连接件使用，主要用来输送介质。

用于陆地钻井平台上的水泥管总成都是小口径、低压力的胶管总成，上述低压力是指工作压力级别为D级，工作压力在35Mpa以下；上述小口径是指管体内径在Φ102mm以下。上述水泥管结构简单，只由内胶层、钢丝绳层和外胶层构成，其中：该内胶层采用天然橡胶，因而其耐磨损、耐介质性能差，使用寿命短。该钢丝绳层是由普通钢材45#、55#制成的钢丝或小直径的钢丝绳经过多层缠绕而成，为了达到要求的承压能力，就需要增加钢丝或小直径钢丝绳的缠绕层数；随着钢丝缠绕层数的增加，其综合性能系数减小，也使管体变得柔曲性差，这样不仅使管体的弯曲半径增大、重量增加、硬度过高，而且还存在强度低、使用寿命短等不足，不利于管体的正常使用。该胶管的外胶层采用天然橡胶，故其耐磨损、耐天候老化性能差，使用寿命短。由于上述水泥管不论从结构设计上、材料上还是制造工艺上都处于低的档次，因此只能用于钻探深度在1000m以下、小流量介质输送的小功率钻机。

以往的扣压式、捆扎式、缩压式、卡箍式等金属接头的结构和连接技术，全部采用压迫橡胶进行密封，在高压、超高压状态下橡胶易产生压缩变形，使密封压力减小；在超高压力的作用下，会泄漏输送介质，不能完成输送任务；由于金属接头与水泥管体之间在高压、超高压状态下无法形成牢固稳定的连接关系，密封性能也差，因此只能用于低压力、小流量介质输送的小口径水泥管。

随着石油工业的飞速发展，为了提高钻探效率，需用大功率的钻机来实现大深度的钻探任务；而大功率的钻机必需配备大口径、高压力的水泥管总成，来进行大流量介质输送。钻井深度增加了，使用的水泥管所承受的工作压力也增大了；流量增大，水泥管的管径要相应地增大。而现有的小口径、小流量、低压力的水泥管以及与水泥管体端部相连接的金属接头，已经远远不能满足高效率的钻探要求，已逐步进入被淘汰的行列。

三、发明内容：

本发明的目的就是要提供一种能够克服上述不足的用于海洋钻井平台的水泥管总成，本发明适用于陆地及海洋的高压、超高压钻探环境，能够实现大深度地钻探、大流量的介质输送，其综合性能系数高，承压能力高，弯曲柔韧性能优良，耐磨损、耐天候老化及耐介质性能好，工作效率高，使用寿命长，管体与金属接头之间结合牢固稳定、安全可靠，抗拔脱、密封性能好。

为了达到上述目的，本发明的技术解决方案是：一种用于海洋钻井平台的水泥管总成，包括管体、金属接头，其特征在于：管体端部包括密封部分、抗拔脱连接部分和过渡连接部分，上述密封部分、抗拔脱连接部分分别是设置在管体端部的外圆周面上的多层柱形台阶、多段连续的外径不同的锥形台阶；金属接头包括密封部分、抗拔脱连接部分和外连接部分，上述密封部分、抗拔脱连接部分分别是设置在金属接头的内圆周面上的多层柱形台阶孔、多段连续的内径不同的锥形孔；该金属接头的密封部分在与台阶孔相对应的部位设有小注胶孔；该金属接头的抗拔脱连接部分在与锥形孔相对应的部位设有大注胶孔；上述锥形孔的内圆周表面呈沿圆周方向排列的多个环形凹槽形状；管体端部设有的多层柱形台阶，可与金属接头设有的多层柱形台阶孔相配合，在二者之间形成的配合间隙中充注有密封胶；管体端部设有的多段连续的外径不同的锥形台阶，可与金属接头设有的多段连续的内径不同的锥形孔相配合；在二者之间形成的配合间隙中充注有高强力连接树脂；为了管体端部与金属接头之间形成过渡连接，在管体端部的过渡连接部分设有造坡层，在上述造坡层以及金属接头中部及尾部的外圆周面上设有外保护层；在金属接头的外连接部分设有外连接件。

所述的管体从内到外依次包括耐介质层、应力分散层、承压骨架层和外保护层；所述的耐介质层为内胶层，该内胶层为2-10mm的合成胶；所述的应力分散层为内胶布层，该内胶布层为1-5层的尼龙或者聚脂帆布；所述的承压骨架层包括钢丝绳层、设置在最内钢丝绳层的内表面和最外钢丝绳层的外表面以及相邻两层钢丝绳之间的中胶层，该中胶层为3-9层的粘合胶；该钢丝绳层为2-8层，钢丝绳直径为φ2-φ6mm，相邻的两层钢丝绳之间为交叉缠绕；所述的外保护层包括外胶布层、外胶层，该外胶布层是2-10层的尼龙或者聚脂帆布，该外胶层为2-10mm的合成胶；上述各层硫化交联为一体结构。

所述的管体端部的密封部分设有的多层柱形台阶是由扩张套、密封胶层、锥形螺旋套构成的，该扩张套的一端硫化交联在内胶层的端部内腔中，该密封胶层粘结在内胶层端部的外表面上；管体端部的抗拔脱连接部分的外圆周面带有锥度，在相邻的两段锥形台阶中，靠近管体端部的一段锥形台阶的外径比另一段锥形台阶的外径要小；而在同一段锥形台阶上，靠近管体端部的一端的外径要大于远离管体端部的另一端的外径；上述锥形台阶是由内胶层、内胶布层、锥形螺旋套和钢丝绳层构成的；外径较小的锥形台阶只是钢丝绳层减少了两层，其它结构相同；上述锥形螺旋套外径较大的一端靠近管体端部。

所述的金属接头的抗拔脱连接部分设有的多段锥形孔中，靠近尾端的锥形孔的内径大于远离尾端的锥形孔的内径；而在同一段锥形孔中，靠近尾端的一端孔径比另一端的孔径小；该锥形孔的锥角为1°-3°，其内圆周表面呈波纹形、沟槽形或三角槽形；所述的金属接头的尾端设有校正孔，其尾端的外圆周面为3°-10°锥角的坡度斜面。

所述的外连接件为直接设置在金属接头外连接部分的外连接螺纹。

所述的外连接件为公端由壬，其与金属接头的外连接部分为一体加工或者焊接为一体结构。

所述的外连接件为母端由壬，该母端由壬是由螺母和由壬构成的，该由壬与金属接头的外连接部分焊接成一体结构。

所述的外连接件为固定法兰盘，在固定法兰盘的外端面上设有密封环槽；该固定法兰盘可与金属接头的外连接部分直接加工或焊接为一体结构。

所述的造坡层包括造坡中胶层、造坡捆扎钢丝绳层、造坡胶布层。

所述的管体的内径为φ51mm-φ152mm。

本发明与已有技术相比，具有以下优点和积极效果：

1、管体内设有耐介质层，是为了应对水泥管长期接触水泥浆、岩浆、砂浆等介质的磨蚀和腐蚀情况，并对耐介质层进行了耐介质配方优化验证，选用了合成胶，代替了以前的天然胶，确保了胶管的耐磨损、耐介质性能，使胶管在高压、超高压工作情况下，也不会泄漏输送介质。

2、管体内设有承压骨架层：对承压骨架层的结构和制造工艺进行了改进，选用特种钢材制成的大直径的高强力钢丝绳为骨架材料，采用多层交叉缠绕的结构设计，既赋予胶管以良好的柔曲性，又提高了抗拉强度；保证了大口径水泥管在高压52Mpa-103.4Mpa的工作环境中的高承压能力，其综合性能系数高，弯曲柔韧性能优良。

3、管体设有外保护层：外保护层是由外胶布层和外胶层构成，对外保护层的耐磨损、耐天候老化配方进行了研究，外胶层选用了合成胶，外胶布层采用了尼龙或聚脂帆布，代替了以前的棉帆布，使其物理性能适应需求，赋予胶管在海洋和陆地环境中都具备优良的耐磨损、耐天候老化性能。

4、由于承压高、口径大的水泥管与金属接头之间需要极高的连接能力，采用的连接树脂也须高强力、低收缩耐热才能达到抗拔脱要求；因此在金属接头与管体之间的连接及密封部分，分别采用了浇灌式金属接头、以及密封胶和连接树脂浇灌的新工艺技术，从而使二者之间的连接具有抗拔脱性能好、强力高、配合牢固稳定、使用安全可靠、密封性能好等特点。

5、本发明是大口径、高压力的水泥管总成，可以应用于海洋和陆地钻探用的大功率钻机，能够实现大深度的钻探、大流量的介质输送，工作效率高，使用寿命长。在同等深度、同等工作压力的钻探条件下，大口径、高压力的水泥管总成将比现有的水泥管总成，大大地增加介质的输送量、提高工作效率、延长使用寿命。

6、上述水泥管总成的工作压力级别由以前的D级35Mpa以下，提高到E级52Mpa、F级79Mpa、G级103.4Mpa；其钻探深度也由1000m以下，提高到1000m-3000m；常用水泥管总成的管体内径分别为Φ51mm、Φ63mm、Φ76mm、Φ102mm、Φ127mm、Φ152mm。为了提高其安全性，在海洋钻井平台上使用的水泥管总成要比陆地钻井平台上使用的水泥管总成，在压力级别上高出1-2个等次。

四、附图说明：

图1为本发明水泥管总成的外形结构示意图

图2为图1中管体的B-B剖视图

图3为图1中管体端部的剖视图

图4为图1中的管体端部与金属接头相配合的A-A剖视图

图5为图4中金属接头一种结构的剖视图

图6为图4中金属接头另一种结构的剖视图

图7为图4中金属接头第三种结构的剖视图

图8为图4中金属接头第四种结构的剖视图

图中各部件的标号为：

1外螺纹，2金属接头的外连接部分，3金属接头，4管体，5内胶层，6内胶布层，7中胶层，8钢丝绳层，9外胶布层，10外胶层，11扩张套，12锥形螺旋套，13管体端部的密封部分，14、15管体端部的抗拔脱连接部分，16管体端部的过渡连接部分，17密封胶，18小注胶孔，19大注胶孔，20高强力连接树脂，21大注胶孔，22校正孔，23造坡中胶层，24造坡捆扎钢丝绳层，25造坡胶布层，26金属接头的密封部分，27、28金属接头的抗拔脱连接部分，3-1固定法兰盘，3-2密封环槽，3-3公端由壬，3-4螺母，3-5由壬

五、具体实施方式：

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细地说明。

由图1可知，本发明水泥管总成包括管体4和两个金属接头3；其中：

(1)管体的结构，参照图2。

管体4的结构从内到外依次包括耐介质层、应力分散层、承压骨架层和外保护层，上述各层之间通过硫化而相互交联成一体结构；其中：

管体的最里面为耐介质层，该耐介质层为内胶层5，该应力分散层为内胶布层6；在内胶层的外表面上硫化交联有内胶布层6。内胶布层为2-8层，采用尼龙或者聚脂帆布，内胶布层起应力分散和空载承拉的作用。内胶层5为2-10mm，内胶层选用优质合成橡胶为配方主体，在高压密闭情况下不会被介质溶胀、侵蚀和磨蚀，满足耐磨损、耐介质要求，延长了使用寿命。

在应力分散层的外表面上硫化交联有承压骨架层。该承压骨架层又包括钢丝绳层8、中胶层7；在最内钢丝绳层的内表面、最外的钢丝绳层的外表面及相邻的两层钢丝绳层之间均粘结有中胶层。该中胶层7为3-9层；该钢丝绳层8为2-8层，是由特种钢材制成的直径为Φ2mm-Φ6mm的高强力钢丝绳，按一定角度进行多层交叉缠绕而成，其为管体的骨架材料，赋予管体强度高、柔曲性好等优良性能。

在承压骨架层的外表面上硫化交联有外保护层。该外保护层包括外胶布层9、外胶层10。该外胶布层为2-10层，采用尼龙或者聚脂帆布，该外胶布层有保护管体的作用。该外胶层10为2-10mm，采用合成胶，该外胶层极大地提高了水泥管总成在使用环境中的耐磨、耐天候老化能力，延长了使用寿命。

对于压力不同的工作环境，水泥管中各层的厚度即层数也要随着调整和改变；当工作压力增大时，不仅钢丝绳的直径、层数要增加，而且内胶布层的层数也要增加。在上述胶布的表面上要附带有橡胶，便于管体的各层通过硫化而相互交联成一体结构。

(2)管体端部的结构，参照图3、图4。

两个管体端部的结构相同，根据管体4与金属接头3进行配合连接时各部分结构所起的不同作用，可以将管体端部沿轴向划分为三部分结构：密封部分13、抗拔脱连接部分14、15、过渡连接部分16；其中：

管体端部的密封部分的结构：包括扩张套11、内胶层5、粘结在内胶层端部外表面上的密封胶层17；该扩张套的一端插入内胶层的端部内腔中，并与其硫化交联在一起。管体端部密封部分的外形呈多层柱形台阶形状，是由扩张套11的端部、密封胶层17、锥形螺旋套12的端部构成的。

管体端部的抗拔脱连接部分的结构：呈多段连续的外径不同的锥形台阶形状，也就是说，在相邻的两段台阶14、15中，靠近管体端部的一段台阶14的外径总比远离管体端部的另一段台阶15的外径要小；而在同一段台阶上，靠近管体端部的一端的外径要大于远离管体端部的另一端的外径。本实施例中只分两段台阶15、14，内段台阶15是由内胶层5、内胶布层6、锥形螺旋套12、钢丝绳层8构成的；为了减小外径，外段台阶14比内段台阶15减少了两层钢丝绳，其它结构相同。锥形螺旋套12的作用：锥形螺旋套外径较大的一端靠近管体端部，其可使管体端部的外圆周面带有锥度，从而也使管体端部的抗拔脱连接部分呈多段连续的锥形台阶形状。

管体端部的过渡连接部分的结构：是在上述管体结构的基础上去掉了外保护层，其它结构相同。为了管体端部与金属接头之间形成更好地过渡连接，需要在管体端部的过渡连接部分增设造坡层，该造坡层包括造坡中胶层23、造坡胶布层25、造坡捆扎钢丝绳层24。

(3)金属接头的结构：参照图4-图8。

金属接头包括外连接部分2、密封部分26和抗拔脱连接部分27、28，这是根据其与管体端部进行配合连接时各部分所起的不同作用来划分的，其中：

该金属接头的外连接部分位于头部，其上可以设有外连接件。

该金属接头的密封部分位于中部，其内圆周面呈多层台阶孔形状，可与扩张套11的端部、锥形螺旋套12的端部形成紧密的止口连接，还可与管体端部的密封胶层17相配合。该密封部分在与上述台阶孔相对应的部位还设有2-8个在同一圆周上均匀分布的小注胶孔18，本实施例中为6个。

该金属接头的抗拔脱连接部分位于尾部，其内腔为多段连续的内径不同的锥形孔，可与管体端部的多段连续的外径不同的锥形台阶相配合。

本实施例中为2段，该锥形孔的锥角为1°-3°；上述两段锥形孔27、28中，靠近尾端的锥形孔28的内径大于远离尾端的锥形孔27的内径；而在同一段锥形孔中，靠近尾端的一端孔径比另一端的孔径小；上述锥形孔的内圆周表面呈沿圆周方向排列的多个环形凹槽形状，可以是波纹形、沟槽形、三角槽形等形状中的任意一种形状。

该抗拔脱连接部分在与每段锥形孔相对应的部位分别设有1-2个大注胶孔19、21。该金属接头尾端的外圆周面呈锥角为3°-10°的坡度斜面，成为与管体连接时的过渡部分，这种结构便于与管体进行更好的过渡连接；在其尾端还设有3-8个在同一圆周上均匀分布的校正孔22，本实施例中为4个，起调整偏心作用。

将金属接头的内腔形状设计成与管体端部的外形相似的结构，这样有利于二者之间形成适宜的配合连接，从而保证二者的结合更加牢固稳定。对于不同的压力要求，可以调整金属接头的内径、管体端部的外径及二者的连接长度。

在金属接头的外连接部分设有的外连接件可以是以下几种结构，参照图5-图8。

图5所表示的外连接件是固定法兰盘3-1，在固定法兰盘的外端面上设有密封环槽3-2。该固定法兰盘3-1与金属接头可一体加工为整体结构，或者是将固定法兰盘焊接在金属接头上。本实施例中金属接头的其它结构与图4中的金属接头的结构相同。

图6所表示的外连接件是公端由壬3-3，其与金属接头的外连接部分可一体加工或者是焊接在一起。本实施例中金属接头的其它结构与图4中的金属接头的结构相同。

图7所表示的外连接件是直接设置在金属接头外连接部分的外连接螺纹1，其可与钻探设备中的联接件形成螺纹连接。本实施例中金属接头的其它结构与图4中的金属接头的结构相同。

图8所表示的外连接件是母端由壬，该母端由壬是由螺母3-4和由壬3-5组成，该由壬3-5与金属接头的外连接部分焊接成一体结构。本实施例中金属接头的其它结构与图4中的金属接头的结构相同。

(4)管体端部与金属接头的连接结构，参照图4。

先将管体端部插入金属接头3中，并使管体端部的密封部分13及抗拔脱连接部分14、15，分别与金属接头的密封部分26及抗拔脱连接部分27、28形成配合连接，同时扩张套11的端部、密封胶层17、锥形螺旋套12的端部也与设在金属接头内圆周面上的台阶孔相配合。

然后浇灌式金属接头通过小注胶孔18向二者的密封部分之间形成的配合间隙中充注有密封胶，再通过大注胶孔19、21向二者的抗拔脱连接部分之间形成的配合间隙中充注有高强力连接树脂20，在通过耐温树脂的高温固化之后能够形成高强力连接。在完成上述注胶任务后，需用螺钉把大注胶孔、小注胶孔和校正孔22全部封住。

在管体端部的过渡连接部分增设造坡层，最后在完成了配合连接后的管体4与金属接头3中部及尾部的外圆周面上包覆粘结上外胶布层9、外胶层10。

水泥管总成可以应用于海洋和陆地钻井平台上，不仅可用于连接钻杆与立管，还可用于连接泥浆泵与管汇，并能在高压、超高压条件下进行大流量介质的输送。金属接头是钻井时用于连接水泥管和钻探设备的重要部件，其外连接件如公端由壬、母端由壬、固定法兰盘以及外连接螺纹等均可以连接钻探设备。

Claims (10)

1.一种用于海洋钻井平台的水泥管总成，包括管体(4)、金属接头(3)，其特征在于：

a、管体端部包括密封部分(13)、抗拔脱连接部分(14、15)和过渡连接部分(16)，上述密封部分、抗拔脱连接部分分别是设置在管体端部的外圆周面上的多层柱形台阶、多段连续的外径不同的锥形台阶；

b、金属接头包括密封部分(26)、抗拔脱连接部分(27、28)和外连接部分(2)，上述密封部分、抗拔脱连接部分分别是设置在金属接头的内圆周面上的多层柱形台阶孔、多段连续的内径不同的锥形孔；该金属接头的密封部分在与台阶孔相对应的部位设有小注胶孔(18)；该金属接头的抗拔脱连接部分在与锥形孔相对应的部位设有大注胶孔(19、21)；上述锥形孔的内圆周表面呈沿圆周方向排列的多个环形凹槽形状；

c、管体端部设有的多层柱形台阶，可与金属接头设有的多层柱形台阶孔相配合，在二者之间形成的配合间隙中充注有密封胶；

d、管体端部设有的多段连续的外径不同的锥形台阶，可与金属接头设有的多段连续的内径不同的锥形孔相配合；在二者之间形成的配合间隙中充注有高强力连接树脂(20)；

e、为了管体端部与金属接头之间形成过渡连接，在管体端部的过渡连接部分(16)设有造坡层，在上述造坡层以及金属接头中部及尾部的外圆周面上设有外保护层；在金属接头的外连接部分(2)设有外连接件。

2.根据权利要求1所述的用于海洋钻井平台的水泥管总成，其特征在于所述的管体(4)从内到外依次包括耐介质层、应力分散层、承压骨架层和外保护层，上述各层硫化交联为一体结构；所述的耐介质层为内胶层(5)，该内胶层为2-10mm的合成胶；所述的应力分散层为内胶布层(6)，该内胶布层为1-5层的尼龙或者聚脂帆布；所述的承压骨架层包括钢丝绳层(8)、设置在最内钢丝绳层的内表面和最外钢丝绳层的外表面以及相邻两层钢丝绳之间的中胶层(7)，该中胶层为3-9层的粘合胶；该钢丝绳层(8)为2-8层，钢丝绳直径为φ2-6mm，相邻的两层钢丝绳之间为交叉缠绕；所述的外保护层包括外胶布层(9)、外胶层(10)，该外胶布层是2-10层的尼龙或者聚脂帆布，该外胶层为2-10mm的合成胶。

3.根据权利要求2所述的用于海洋钻井平台的水泥管总成，其特征在于所述的管体端部的密封部分(13)设有的多层柱形台阶是由扩张套(11)、密封胶层(17)、锥形螺旋套(12)构成的，该扩张套(11)的一端硫化交联在内胶层的端部内腔中，该密封胶层(17)粘结在内胶层端部的外表面上；管体端部的抗拔脱连接部分的外圆周面带有锥度，在相邻的两段锥形台阶中，靠近管体端部的一段锥形台阶(14)的外径比另一段锥形台阶(15)的外径要小；而在同一段锥形台阶上，靠近管体端部的一端的外径要大于远离管体端部的另一端的外径；上述锥形台阶是由内胶层(5)、内胶布层(6)、锥形螺旋套(12)和钢丝绳层(8)构成的；外径较小的锥形台阶只是钢丝绳层减少了两层，其它结构相同；上述锥形螺旋套(12)外径较大的一端靠近管体端部。

4.根据权利要求3所述的用于海洋钻井平台的水泥管总成，其特征在于所述的金属接头的抗拔脱连接部分设有的多段锥形孔中，靠近尾端的锥形孔(28)的内径大于远离尾端的锥形孔(27)的内径；而同一段锥形孔中，靠近尾端的一端孔径比另一端孔径小；该锥形孔的锥角为1°-3°，其内圆周表面呈波纹形、沟槽形或三角槽形；所述的金属接头的尾端设有校正孔(22)，其尾端的外圆周面为3°-10°锥角的坡度斜面。

5.根据权利要求4所述的用于海洋钻井平台的水泥管总成，其特征在于所述的外连接件为直接设置在金属接头外连接部分的外连接螺纹(1)。

6.根据权利要求4所述的用于海洋钻井平台的水泥管总成，其特征在于所述的外连接件为公端由壬(3-3)，其与金属接头的外连接部分为一体加工或者焊接为一体结构。

7.根据权利要求4所述的用于海洋钻井平台的水泥管总成，其特征在于所述的外连接件为母端由壬，该母端由壬是由螺母(3-4)和由壬(3-5)构成的，该由壬与金属接头的外连接部分焊接成一体结构。

8.根据权利要求4所述的用于海洋钻井平台的水泥管总成，其特征在于所述的外连接件为固定法兰盘(3-1)，在固定法兰盘的外端面上设有密封环槽(3-2)；该固定法兰盘与金属接头的外连接部分直接加工或焊接为一体结构。

9.根据权利要求1所述的用于海洋钻井平台的水泥管总成，其特征在于所述的造坡层包括造坡中胶层(23)、造坡捆扎钢丝绳层(24)、造坡胶布层(25)。

10.根据权利要求1或2所述的用于海洋钻井平台的水泥管总成，其特征在于所述的管体(4)的内径为φ51mm-φ152mm。

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