CN101932789B - 具有增强的恢复力和自动密封性能的井眼管道扶正器 - Google Patents

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Abstract

一种扶正器,包括构造为固定至管道的外表面的第一限动环。第二限动环与所述第一限动环间隔开并构造为固定至所述管道的外表面。包括多个周向间隔开的纵向隔离装置,每个纵向隔离装置在每个纵向端联接至所述限动环中的一个。多个周向间隔开的第一弓形弹簧中的每一个在它的一个纵向端联接至所述第一限动环并且在它的相对的纵向端联接至设置在所述第一限动环和第二限动环之间的第一浮箍。多个周向间隔开的第二弓形弹簧中的每一个在它的一个纵向端联接至所述第二限动环并且在它的相对的纵向端联接至设置在所述第一限动环和第二限动环之间的第二浮箍。

Description

具有增强的恢复力和自动密封性能的井眼管道扶正器

技术领域

[0001] 本发明主要涉及用来定位钻进大地中的井眼内的管道的管道扶正器领域。更具体地,本发明涉及具有增强的恢复力、但并不存在运转力对应增加的管道扶正器的结构。本发明还涉及自动密封以移动通过井眼管道弦封装置的扶正器的结构。

背景技术

[0002] 扶正器用来侧向或径向定位钻进大地中的井眼内的管道或管道“支线(string)”。常用类型的扶正器是所谓的“弓形弹簧”扶正器。弓形弹簧扶正器包括多个沿圆周方向间隔开的单片簧,所述单片簧连接至配置为将所述弹簧固定到将要定位在井眼中的管道的外部的一个或多个装置。片簧提供熟知为“恢复力”的力,以将管道侧向推离井眼的壁。同时,弓形弹簧横向可压缩,使得尽管在井眼中存在小直径限制和妨碍管道沿着井眼纵向移动的其它障碍物,管道也可以沿着井眼内部移动。

[0003] 在授权给Herrera的美国专利N0.7, 159, 668和授权给Buytaert的美国专利N0.6,457,519中描述了弓形弹簧扶正器的例子。在‘519专利中描述的扶正器是要解决与弓形弹簧扶正器相关的特定问题,即如何最小化“启动力(starting force) ”(其为将扶正器插入井眼内部所要求的力)和“运转力(running force) ”(其为采用固定至管道外部的这种扶正器沿着井眼纵向移动管道所要求的力的量),同时最大化恢复力。在1994年由API SpecificationlOD第15版出版的哥伦比亚特区华盛顿市的美国石油学院(AmericanPetroleum Institute)的名称为“弓形弹簧扶正器的技术规范(Specificationsfor Bow-Spring Centralizers)的文献中描述了扶正器的恢复力的量和正确使用的技术规范。一般而言,套管扶正器制造为在特定标称直径的井眼或外管内使特定外径(OD)管道对中。由井眼操作人员选择管道0D,例如用于紧密配合井眼直径,其中井眼直径主要与用于钻通井眼的特定段的钻头的直径相关。

[0004] 最近,在钻井眼的同时在井眼壁和用来钻井眼的管道之间的环形空隙中保持选定的流体压力的技术在本领域中已经变得熟知了。例如参见授权给van Riet的美国专利N0.6,904, 981和授权给Best的美国专利N0.6,352,129。诸如在前述专利中披露的那些钻探技术的钻探技术要求在井眼的上端处使用“旋转控制头”,以控制环形空隙中的流体中的压力。旋转控制头是一种封闭环形空隙同时使得管道能够纵向和旋转移动通过那里的装置。采用具有固定至管道外部的扶正器的旋转控制头会在提供足够的恢复力的同时维持将管道密封地移动通过旋转控制头的能力方面造成特殊的困难。

发明内容

[0005] 根据本发明一个方面的扶正器包括构造为固定至管道的外表面的第一限动环。第二限动环与所述第一限动环间隔开并构造为固定至所述管道的外表面。包括多个周向间隔开的纵向隔离装置,每个纵向隔离装置在每个纵向端联接至所述限动环中的一个。多个周向间隔开的第一弓形弹簧中的每一个在其一个纵向端联接至所述第一限动环并且在其相对的纵向端联接至设置在所述第一限动环和第二限动环之间的第一浮箍。多个周向间隔开的第二弓形弹簧中的每一个在其一个纵向端联接至所述第二限动环并且在其相对的纵向端联接至设置在所述第一限动环和第二限动环之间的第二浮箍。

[0006] 根据接下来的描述和随附的权利要求,本发明的其它方面和优点将是明显的。

附图说明

[0007] 图1示出了典型的井眼操作,其中根据本发明的扶正器可以用在插入井眼的管道上。

[0008] 图2示出了扶正器的一个例子。

具体实施方式

[0009] 在图1中示意性地示出了其中可以使用根据本发明的扶正器的示例性井眼操作。井眼12可以钻入地表下地球岩层13中到一定深度,在该深度处想要设置保护管或套管14。管道或套管14可以包括在下文中将参照图2更详细地说明的一个或多个扶正器10。管道14可以通过诸如钻机16等之类的提升系统降低到井眼12中。钻机16可以包括伸缩钻井钢丝绳21的绞车20或者类似的绞盘。钻井钢丝绳21的移动与用于使用于向管道14提供旋转运动的顶部驱动22或类似的装置上下运动的槽轮或“滑轮” 18协作。

[0010] 通常在操作期间,井眼12用用来钻探和/或完成井眼12的诸如“钻探泥浆”或其它流体的流体11填充。流体11通常从设置在地表处的槽或箱体26上提升。箱体16可以包括净化或调节的流体的供应源28。流体28由泵24提升,泵24使流体流至顶部驱动22。顶部驱动22中内部旋转密封元件使得能够通过管道14的内部泵送流体。

[0011] 井眼12通常包括靠近地表设置到相对有限的深度处的套管33(“地表套管”)。地表套管33的上端连接至称为旋转控制头34的密封元件。旋转控制头34密封在管道14的外部上,以防止流体11从井眼12中漏出。旋转控制头34可以包括流体排放口 34A,其通过使流体11最终可以返回箱体26的可控节流口 32类似的可变限流控制装置控制。在一些例子中,流体排放口 34A可以包括在其排放侧连接到其上的泵30,使得管道14外面的井眼12中的流体压力可以维持为所选定的大小。在授权给van Riet的美国专利N0.6,904, 981和授权给Best的美国专利N0.6,352,129中充分地描述了用于为此控制这种压力和装置的方法。

[0012] 图1中示出的例子包括插入井眼12中的套管形式的管道。应当清楚地理解,本发明同样可适用于插入井眼中的任何类型的管道,包括作为非限制性例子的钻杆、曲管、生产油管和抽油杆柱。因此,本发明不限于与套管一起使用的范围。将参照图2说明的根据本发明的扶正器的目的是要在不增加启动力或运转力的前提下增强恢复力。当扶正器与图1中示出的示例性操作中的管道一起使用时,期望的是最小化特别是由旋转控制头34产生的启动力和运转力。通过最小化这种启动力和运转力,可以降低对旋转控制头34的磨损和可能的损坏。

[0013] 在图2中示出了根据本发明的示例性扶正器的侧视图。扶正器10可以包括第一“限动环”40和位于离第一限动环40选定纵向距离的第二限动环42。限动环40、42可以由钢或类似的高强度材料制成。限动环40、42通常可以为圆柱形形状,并且可以具有选择为围绕它们将要固定到其上的特定管道(如,图1中的14)的外部装配的内径。限动环40、42的结构可以类似于在本领域熟知的扶正器中使用的限动环,例如,例如在授权给Buytaert的美国专利N0.6,457,519中描述扶正器中使用的限动环。限动环40、42可以采用固定螺钉44或本领域熟知的用于固定目的的任何其它装置固定至管道(图1中的14)的外部。通过纵向延伸的、沿圆周间隔开的纵向隔离装置46,可以沿着管道(图1中的14)的外部将限动环40、42维持为彼此间隔固定的选定距离。纵向隔离装置46可以纵向定位在限动环40、42之间,并且可以在每个纵向隔离装置46的纵向端部固定至限动环40、42。选定数量的纵向隔离装置(通常为两个或更多)可以围绕限动环40、42轴向均匀间隔开。如可以参照图2推知的那样,纵向隔离装置46可以为条带形式,并且可以由用来制造限动环40、42的相同材料制成。纵向隔离装置46不需要横跨大的宽度(在此使用的“宽度”是横穿沿顺着扶正器圆周的方向的长度的方向),因为它们基本上不承重。限动环40、42可以固定至管道(图1中的14)的外部,使得任何纵向载荷转移至用来将限动环固定至管道(图1中的14)的外部的装置。因此,纵向隔离装置46可以由具有足够小的厚度和宽度的材料制成,以仅提供在装运和组装至管道(图1中的14)期间用于固定限动环40、42的相对位置所要求的强度。

[0014] 第一限动环40可以包括固定至其上的多个纵向延伸的轴向间隔开的叶片或弓形弹簧52。弓形弹簧52可以由弹簧钢制成,并且具有与传统扶正器,如在上文中提出的Buytaert的‘519专利中披露的扶正器基本相同的结构。弓形弹簧52可以在一个纵向端固定至第一限动环40,如图2所示。每个弓形弹簧52的相对的纵向端可以固定至第一浮箍50。第一浮箍50可以设置为相应于弓形弹簧52横向压缩和伸展而沿着管道(图1中的14)的外部纵向移动。因此,在两个限动环40、42彼此相互保持为纵向固定且位于沿着管道外部的固定位置时,第一浮箍50可以沿着管道的外部纵向移动。联接至第一限动环40的弓形弹簧52沿第二限动环42的方向纵向延伸,如图2所示,并且通常在两个限动环40、42之间的位置处终止。在一些例子中,浮箍48,50径向设置在联接至相对的限动环40,42的弓形弹簧的内部。

[0015] 因此,弓形弹簧52可以在它的一个纵向端处固定至第二限动环42。该弓形弹簧52的另一个纵向端可以固定至设置在两个限动环40、42之间的第二浮箍48。当所联接的弓形弹簧52以对应于第一浮箍50的移动的方式压缩和伸展时,第二浮箍48沿着管道的外部纵向移动。在对应的第一限动环40和第一浮箍50以及第二限动环52和第二浮箍48之间延伸的每个弓形弹簧52都具有长度,以便在联接至第一限动环40的弓形弹簧52和联接至第二限动环42的弓形弹簧52之间存在纵向重叠,并且如此重叠的弓形弹簧52可以轴向配置,以避免相互干扰。在一个例子中,四个弓形弹簧52联接至第一限动环40,四个弓形弹簧52联接至第二限动环42,提供了总共八个弓形弹簧52。

[0016] 本实施例中的弓形弹簧52可以具有锥形宽度(此处的宽度是横穿弓形弹簧的长度并沿如参照纵向隔离装置46说明的圆周方向的方向)。在图2中可以观察到这种锥形具有较宽的中间部56和较窄的纵向端54,弓形弹簧52在较窄的纵向端54联接至对应的限动环40,42。这种结构的弓形弹簧可以在弓形弹簧52横向压缩时减少弓形弹簧52和纵向隔离装置46之间的干扰。在一些例子中,中间部可以具有大体卵形。这种结构可以在基本上不增加扶正器的启动力和运转力的情况下提供增强的恢复力。以上描述的弓形弹簧52的结构提供了下述优点,即具有沿着每个弓形弹簧的产生弹簧弹力的三个位置。在现有的扶正器中,大部分弹簧弹力由弓形弹簧的联接至箍环的弯曲部分产生。在本实施例中,在弓形弹簧压缩时,弓形弹簧52的中间部56也提供弹簧弹力。

[0017] 在一些例子中,扶正器10可以包括八个弓形弹簧,用于连接至每个第一限动环40和第二限动环42。如图2中示出的那样构造,扶正器将具有基本固定的长度。在一些例子中,可以如图2中示出的那样形成弓形弹簧52的形状,以便当扶正器被完全径向压缩时,弓形弹簧52,箍40、50、48、42和纵向隔离装置相互协作接合,以形成金属-金属密封。构造为提供这种密封性能的扶正器可以移动通过诸如旋转控制头之类的井眼密封装置,同时基本上防止井眼流体压力在通过旋转控制头时沿着扶正器纵向移动。因此,根据本发明的一些方面制造的扶正器可以与受控压力井眼操作一起使用,如受控压力钻孔和受控压力套管胶接。例如参见用于描述这种设备和方法的授权给van Riet的美国专利N0.6,904, 981和授权给Best的美国专利N0.6,352,129。

[0018] 与扶正器的替换配置相反,如在此说明的那样制造的扶正器可以提供增强的恢复力,同时最小化启动力和运转力的增加。根据本发明的扶正器可以具有比本发明之前的本领域熟知的扶正器高的可靠性和耐用性。根据本发明制造的扶正器在所有的径向压缩条件下都可以具有基板上恒定的轴向长度。浮箍可以以在管道移动期间避免扶正器上的移动部件暴露于诸如井眼壁或井眼装置之类的外部物体。根据本发明的扶正器能够在压缩时提供流体密封,使得它能够与诸如旋转控制头之类的井眼压力控制装置一起使用。与在本发明之前本领域熟知的扶正器仅具有一个或两个用于产生弹簧弹力的位置进行对照,根据本发明制造的扶正器的弓形弹簧可以具有产生弹簧弹力的三个位置。

[0019] 虽然已经相对有限数量的实施方式描述了本发明,在得益于本公开的前提下,本领域技术人员将会认识到,可以想出不偏离如在此公开的本发明的保护范围的其它实施方式。因此,本发明的保护范围应当仅由随附的权利要求限定。

Claims (5)

1.一种扶正器,包括: 第一限动环,所述第一限动环被构造为固定至管道的外表面; 第二限动环,所述第二限动环与所述第一限动环间隔开并被构造为固定至所述管道的外表面; 多个周向间隔开的纵向隔离装置,每个纵向隔离装置在每个纵向端联接至所述限动环中的一个; 多个周向间隔开的第一弓形弹簧,每个第一弓形弹簧在其一个纵向端联接至所述第一限动环并且在其相对的纵向端联接至设置在所述第一限动环和第二限动环之间的第一浮箍;和 多个周向间隔开的第二弓形弹簧,每个第二弓形弹簧在其一个纵向端联接至所述第二限动环并且在其相对的纵向端联接至设置在所述第一限动环和第二限动环之间的第二浮箍, 其中所述多个周向间隔开的第一弓形弹簧和所述多个周向间隔开的第二弓形弹簧的形状选择为协作接合所述纵向隔离装置和所述浮箍,以便当被压缩时所述扶正器提供流体密封。
2.根据权利要求1所述的扶正器,其中每个弓形弹簧包括基本上在每个弓形弹簧的纵向中心为最大的锥形宽度。
3.根据权利要求1所述的扶正器,其中每个弓形弹簧的中间部基本上为卵形形状。
4.根据权利要求1所述的扶正器,其中所述弓形弹簧构造为在其纵向中心和纵向端产生弹黃弹力。
5.根据权利要求1所述的扶正器,其中所述第一浮箍和所述第二浮箍横向设置在下述弓形弹簧内:所述弓形弹簧联接至所述限动环中的一个,所述限动环中的所述一个与联接至对应的浮箍的所述弓形弹簧相对。
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