CN101432499A - 气密管状接头或连接件 - Google Patents

Abstract

气密管状接头或连接件，尤其是涉及管形式或套管形式的单直径管状本体，与油和/或气的生产相关使用，其中，管或套管由管状区段制成，管状区段在各自端部互连之后，最终通过膨胀成型。管或套管由至少两个管状区段形成，一个为外管状区段，一个为内管状区段。每个所述相应区段的端部搭接在下一个、随后的管状区段上，由此，内管状区段、中间管状区段或外管状区段中的一个或多个具有不同的金属材料和/或不同的厚度，并在变形过程中，在搭接区塑化或塑性变形，形成金属密封，并从而在膨胀的管状管/套管的内部与外部之间提供气压完整性。

Description

气密管状接头或连接件

技术领域

本发明涉及一种气密管状接头或连接件，尤其是涉及与油和/或气的生产相关的单直径管或套管，其中，管或套管由管状区段制成，管状区段在各自端部互连之后，最终通过膨胀成型。

背景技术

可膨胀管状套管已传统用于油气工业，以解决钻井和修井期间碰到的操作挑战。这种技术覆盖很多应用，例如：

钻井衬管—可膨胀管用于隔离井中的钻探区段。可膨胀管在径向膨胀该管之前或之后被放入原来的套管或衬管中。这样使井眼中的内径损失最小或没有损失。可膨胀钻井衬管设计成能承受管状套管在钻探期间可能受到的负载，即，轻微井喷情形期间的机械负载。

套管修复—可膨胀管用于修复机械损坏或冲蚀的套管的机械完整性。通过靠着损坏或冲蚀的已有套管的内径径向膨胀可膨胀管，可膨胀管将接任发生损坏或冲蚀之前的原有套管的机械完整性。可膨胀管与原有套管之间的交接面可能是金属对金属的，有或者没有用于流体压力完整目的的弹性体填料。

裸眼井中的覆层—可膨胀管用于形成抵抗不稳定地层即机械软弱地层或可能发生流体损失的地层的机械护罩。

通过对材料施加应力，迫使材料从弹性变形变成塑性变形，来执行管的膨胀。这使材料永久地变形成预先设计的形状，即通过增加内径和外径，使管径向变形。目前存在几种用于膨胀金属管的膨胀机构，包括固定锥、挠性锥和由穿过钻柱的轴向机械力驱动或通过运用注入的井眼流体即泥浆的液压动力驱动的旋转膨胀装置。

在油气工业，可膨胀管技术应用前景很广阔，旨在用在井中自上而下允许一个内径的结构替代传统嵌套套管结构。这种将来的应用通常被称为“单直径”或“单孔”，可以显著地减少油气田开发成本，降低环境影响和增加钻探工业内的安全。在实现可膨胀管连接性能时已经完全展现了这种潜能，这满足了生产套管需求，即保持了膨胀后气体压力完整性。

低气体压力额定值构成了应用可膨胀管状套管时的限制。设计钻井时，模拟不同的机械负载方案，以在整个寿命期间确保钻井的机械完整性。具有较低气体压力完整性的管状套管可用于钻探目的，而不是用作完全合格的生产套管，即承受在生产管道中存在泄漏时遇到的负载，允许靠着生产套管的气体压力充当辅助屏障。在使用传统连接件时，在可膨胀管状接头之间即膨胀过程中错位和变形的螺纹之间实现气体完整性方面以及减少或消除了界面残余应力遇到了挑战，导致气体压力完整性的缺少。

存在几种连接可膨胀管的方法，例如US专利号No.6409175和US专利申请号No.2003/0234538。

US 6409175B1涉及用于在两个伸缩管状本体的搭接区域中实现机械连接和气密密封的方法和设备，其中两个本体被径向膨胀，以及其中膨胀迫使搭接区域中的特氟隆环状密封形成本体之间的压力密封接合。但是，这种密封不是气密的，不能用于井眼套管。

US专利申请号2003/0234538涉及一种在可膨胀的片段管之间的传统螺纹连接，其沿着可承受高压的阳螺纹-阴螺纹(pin and box)提供了多个密封点。这种解决方案也不是气密的。

发明内容

本发明涉及一种可膨胀的气密管状接头或连接件，其克服了已知方案的缺点，其具有机械坚固的、潜在的金属密封，以及其是气密，符合井眼中套管的要求。可膨胀管的接头或连接处意味着这种管的最弱点，本发明尤其是实现了连接表面的纵向分布，覆盖了更大的面积，从而使接头或连接处获得了增加的局部强度。

本发明的特征在于附带的独立权利要求1中所限定的特征。

权利要求2-5限定了本发明的优选实施例。

附图说明

下面通过举例子的方式并参照附图，将更详细地描述本发明，其中：

图1显示了a)套管形式的管状本体的透视图，和b)沿上述a)中截面线A-A剖取的管状本体的一部分的横截面图；

图2显示了依照本发明在管状区段之间的交接面上相互内部获得残余压缩应力的一个原理的草图，从中实现了密封；

图3显示了依照本发明在管状区段之间的交接面上相互内部获得残余压缩应力的另一个原理的草图，从中实现了密封；

图4显示了依照本发明在管状区段之间的交接面上相互内部获得残余压缩应力的第三个原理的草图，从中实现了密封；

图5显示了依照本发明在管状区段之间的交接面上相互内部获得残余压缩应力的第四个原理的草图，从中实现了密封；

图6显示了基于本发明的原理的连接件的三个例子的横截面图。

具体实施方式

本发明基于这样的一般原理：管或套管由至少两个管状区段形成，一个为外管状区段，一个为内管状区段。每个所述相应区段的端部搭接在下一个、随后的管状区段上，由此，一个或多个内管状区段、中间管状区段或外管状区段具有不同的金属材料和/或不同的厚度，并在变形过程中，在搭接区塑化或塑性变形，在该区形成金属密封，并从而在膨胀的管状管/套管的内部与外部之间提供气压完整性。

图1显示了依照本发明的管状连接件的一个例子。更具体地说，图1a)显示了套管形式的管状本体的透视图，图1b)显示了沿图1a)中截面线A-A剖取的管状本体的一部分的横截面图。为了在膨胀后保持气体压力完整性，管状套管由2个或2个以上的管1、2、3构成，在连接处一个处于另一个内部，每个带有各自的连接件。不同的管相互轴向偏离，因此连接件4、5、6也相互轴向偏离。通过残余应力彼此压紧的连接件之间的金属对金属搭接处在膨胀后形成密封。只要连接区域根据壁厚度可划分为多个管，就可以适用相同的原理，而大部分套管仍然是同样的传统套管；在整个壁厚度上是一个刚性壁。

在进行膨胀处理之后，本发明对可膨胀管状连接件中的生产负载实现了满意的气体压力完整性，从而消除了目前的应用限制，即在可膨胀管技术中遇见的作为生产套管的应用。

每个管的连接件4、5、6基于锥形或直的滑动面(treads)。虽然传统套管连接中的大多数滑动面都是由在管的整个壁厚度上形成一个滑动面区域的一个连续滑动面构成，但是，这种技术能够使该滑动区域在套管的壁厚度上分割成两个或两个以上的滑动面。每个滑动区域设置成与相邻连接件离开一轴向距离δ。两个相邻滑动面之间的搭接区域δ部分或全部地表示膨胀后的密封。搭接区域δ的密封能力在任何时候都与两个搭接表面之间的残余应力加上运行期间施加于同样表面的操作应力有直接关系。外部过压力和内部过压力两者都增大了该密封应力。

在膨胀处理时通过例如锥形膨胀工具(例如锥或辊)产生残余应力。两个主要的变形模式相互作用：θ方向的张紧和r-z平面的弯曲。弯曲由锥激起。最初，当锥遇到管时，直管向外弯曲，如图2A中虚体所示。由于管在周边是连续的圆形体，所以，这种弯曲遇到来自薄膜应力的抵抗，朝原有直线状态回拉，不过仍然是更大管径，如图2A实体所示。如果管壁再一次遇到锥，将重复这个过程。如果管壁遇不到锥，即达到最终的形状。

如果向外弯曲的管在其本身使壁重新定向成直线方向之前遇到屏障，将可以获得残余应力。在此情况下，屏障将对弯曲的管壁施力，该力将使管重新定向成直线方向，如图2B所示。由屏障施加的力引起的弹塑性变形将形成回弹力(弹性松弛应力/应变)，在此称为残余应力。这些应力形成初始的密封力。这种情况下的屏障是所讨论的变形管外面的较大直径管。

也可以通过相邻管状区段之间不同的相对刚度获得残余应力。可以通过两个本体之间的不同实现这种刚度变化，例如不同的壁厚度或机械强度。通过两个本体的不同刚度，由例如锥导致弯曲而形成的半径将不同于图3A和3B中所示的。如果带有最小弯曲半径的本体是外管状区段，则两个本体之间在薄膜应力拉直管之前存在相互作用。结果在两个管状区段之间形成残余应力。

在膨胀之后，在两个相邻管状区段之间一个处于另一个内部的交接面上的残余应力也可以利用管状区段上不同的基体材料性能(流变能力)而产生。为了以这种方式实现残余界面应力，外管状区段在松弛状态下必须具有比内管更高的屈服应力。这样，外管状区段的弹性回弹比内管状区段长。在一点处，内管状区段松弛，而外管继续回缩，如图4所示。由此，系统将通过回缩至压缩状态并通过外管上的某些残存张力相对平衡的内管而进入平衡状态。这导致管状区段之间形成密封应力。

残余应力可以通过在由锥形装置膨胀的管两端出现的特殊形状产生。在端部出现的效应是端顶朝中心线弯曲，如图5B所示。这种效应的原因是管离开锥时弯曲的刚度与离开锥后拉直管的作用力之间的相互作用。拉直管的作用力是相邻的管材料。就端部来说，没有材料留下在任一方向拉直端部。这就导致在管离开锥后形成残余弯曲。如果管的弯曲片段遇到其本身内的直管片段，从而迫使向内弯曲成更直的形状，如图5C所示，可以产生残余应力。

附带的权利要求中所限定的发明不局限于如上所述的例子。因而，管状连接件如图6所示，该例子标记为A)，其由管状区段8、9构成，管状区段8、9通过锥形的阴滑动部分和阳滑动部分连接，其中外、内“管区段”采用设置在所连接的滑动部分7周围的外、内环或套筒10、11的形式。套筒10、11沿螺纹部分伸展并纵向超过螺纹部分，套筒10、11一端优选通过焊接部12连接到内管状本体上，以使套筒在膨胀操作时保持在适当位置。外套筒具有比内管区段减少的厚度，以获得如上所述的残余应力。在图6A)所示的例子中，环或套筒10、11设置在管区段8、9的凹部中。但是，这不是必需的，它们可以完全设置在管区段的内部或外部，不需要这样的凹部。

进一步，如图6所示，该例子标记为B)，该连接件可以由带有径向突出的圆形部分14的内管状区段13构成，该圆形部分14具有较大直径，并延伸入外管状区段15，外管状区段15带有相应的向内延伸的圆形部分16，圆形部分16具有较大直径。与例子A)一样，在该例子中，残余应力是通过相邻管状区段13、15之间由于外管状区段和内管状区段的不同壁厚度引起的不同相对刚度而获得的。作为选择，也可以通过在两个相邻管状区段17、18之间引入更易成形的金属19实施残余应力，如图6所示，该例子标记为C)，从而增强连接件的金属对金属密封能力。易成形的金属19可以设置在滑动部分20、21之间，如图所示，并可以充当：

i)两个管状区段之间的分离器，以增强如上所述的效果，

ii)膨胀处理期间由金属流动激起的化学界面键合，导致氧化膜破裂和实现初期金属对金属接触，

iii)填充所有可能空间的金属“垫圈”部件。

气密连接件中金属对金属密封的API需要将“垫圈”材料限制为金属。纯铝是这样的金属，其更易成形，并在压力和变形导致氧化膜破裂以及钢和铝形成紧密接触时与钢建立良好的化学键合。

另一种材料是银，其在与钢紧密接触时具有极好的耐腐蚀性。

另一种选择也是化学键合，例如，具有低屈服强度的金属，其在不同元件(反应物)之间产生紧密接触(可能在升高的温度/压力下)之后或管金属膨胀而产生紧密接触之后与管金属形成内部金属键或化学反应。

钢是迄今为止用于套管用途的最常用的材料。对这种技术来说，基体套管和连接件可以是广泛用于传统套管的标准API 5CT L80或X80。作为选择，也可以使用具有较高伸长性的材料，以通过膨胀处理中的断裂实现更高余量的失效。

如上所述，可以通过不同的机械性能激起密封。

结合标准L80套管，在L80外面应当需要具有更高屈服应力的材料，或者在L80内部具有更低屈服应力的材料。

Claims (5)

1.一种气密管状接头或连接件，尤其是涉及管形式或套管形式的单直径管状本体，例如与油和/或气的开采或生产相关而使用，其中，管或套管由管状区段制成，管状区段在各自端部互连之后，最终通过膨胀成型，其特征在于，管或套管由至少两个管状区段形成，一个为外管状区段，一个为内管状区段，每个相应区段的端部搭接在下一个、随后的管状区段上，由此，内管状区段、中间管状区段或外管状区段中的一个或多个具有不同的金属材料和/或不同的厚度，并在变形过程中，在搭接区塑化或塑性变形，形成金属密封，并从而在膨胀的管状管/套管的内部与外部之间提供气压完整性。

2.如权利要求1所述的气密管状连接件，其特征在于：该连接件包括一个内管状本体(8)，其中管状区段(9、10)通过锥形的阴滑动部分和阳滑动部分相互连接在一起，以及其中外环或套筒(11)设置成外管状区段，套筒(11)沿螺纹部分伸展并纵向超过螺纹部分，套筒(11)一端优选通过焊接部(12)连接到内管状本体上，以使套筒在膨胀操作时保持在适当位置。

3.如权利要求1所述的气密管状连接件，其特征在于：该连接件可以由带有径向突出的、优选圆形的部分(14)的内管状区段(13)构成，所述部分(14)具有比内管状区段外径更大的直径，并延伸入外管状区段(15)，外管状区段(15)带有相应的向外延伸的圆形部分(16)，所述圆形部分(16)具有比管状区段内径更大的直径。

4.如权利要求1所述的气密管状连接件，其特征在于：基于化学反应键合的金属和/或易成形材料、优选为金属(19)设置在两个相邻管状区段(17、18)之间，由此在每个相邻区段(17、18)之间的每个连接处的滑动部分(20、21)之间提供易成形材料。

5.如权利要求1所述的气密管状连接件，其特征在于：管状套管由三个或三个以上的管(1、2、3)构成，在连接处一个处于另一个内部，每个带有各自的连接件，由此不同管和连接件(4、5、6)相互轴向偏离，并间隔距离δ。

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