CN102016221B - 用于在油气井的构建和维修中夹紧管状物的夹紧元件 - Google Patents

用于在油气井的构建和维修中夹紧管状物的夹紧元件 Download PDF

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Abstract

一种在油气井的构建和维修中用于夹紧管状物的方法，该方法包括以下步骤：将夹紧装置(150)施加至管状物(TL)的表面，夹紧装置(150)包括至少一个夹紧元件(152)，其特征在于，夹紧元件(152)包括可变形材料(154)，以使得在将夹紧装置(150)施加至管状物(TL)时，可变形材料(154)与管状物(TL)的表面相符。

Description

用于在油气井的构建和维修中夹紧管状物的夹紧元件
技术领域
本发明涉及一种用于在油气井的构建和维修中夹紧管状物的夹紧元件。这些压模特别地但不排它的用于：夹紧转动的钻杆和套管；保持管状物固定以防止转动；将管状物保持在适当位置(例如竖直位置)中；和牢固地夹紧油田管状物，而不会对管状物产生明显的压痕或损坏。
背景技术
利用各种油田装置和设备(例如吊卡、卡盘、夹钳、手动钳、动力大钳、背钳、内卡瓦和外卡瓦和“铬工具(chrome tools)”)来夹紧管状物构件。在一些情况下，在管状物构件在被夹紧期间向管状物构件施加转矩。这些装置和设备使用夹紧元件(有时被称为压模和夹紧构件)来夹紧管状物构件。管状物构件可以是套管；生产管；钻杆；工具管；以及任何包括管状物连接件的工具，比如井下泵、泥浆马达、井下钻具组合、稳定器、钻头、带孔管、井下清洗和研磨工具等等。
动力大钳用于连接管状物(比如钻杆和套管)的螺纹接头。动力大钳通常具有夹紧管状物构件的夹爪。在若干情况中，这些夹爪具有压模构件，该压模构件作为接触管状物构件的夹爪的子部件。这些压模可以具有脊部或牙，所述脊部或牙接触管状物并且可切入管状物中。在某些情况中，在压模的夹紧表面上形成有每厘米两到三个牙(每线性英寸五到八个牙)，所述牙可咬入到管状物中，在利用大钳向管状物施加转矩负载时阻止管状物和夹爪之间的滑动。主动背钳将保持下部。
其它这样的装置夹紧管状物并且将管状物保持在适当位置中，例如保持在防止竖直运动的固定位置中。管状物可以是与悬挂在井眼上方和/或在井眼中的一系列管状物一起形成的生产管、套管或钻柱的一部分。这些装置例如包括传统的卡瓦、吊卡、卡盘和安全夹。这些卡瓦和安全夹利用管状物和/或钻柱的重量并且在一些情况中利用外部预负载来迫使夹紧表面与管状物接触。在一些情况中，卡瓦的夹紧构件在一个面上具有夹紧表面或夹紧模，而在相对面上具有倾斜平面。卡瓦保持器、座或类似结构具有绕着管状物定位的第二互补倾斜表面，其中在管状物和卡瓦座之间具有足够的空间以用于夹紧要部分地插入卡瓦座和管状物之间的构件。夹紧构件的倾斜表面沿着卡瓦座的倾斜表面的运动使得夹紧表面运动以接合管状物。在某些情况中，已知的卡瓦的压模或夹紧表面类似于大钳夹爪压模的表面，并且夹紧表面具有一系列咬入管状物中的钢牙。
已知压模和夹紧表面的牙会在管状物表面中留下深的凹痕或沟槽，这会通过在金属中产生弱化位置而对管状物构件的结构整体性造成负面影响，从而会使管状物不适用于进一步使用或者导致管状物在将来过早失效。
由碳钢制成的压模牙会将铁引入到某些管状物(例如耐腐蚀合金(CRA)管状物)的表面上。在咬痕中，铁可用作催化剂，在CRA管状物中产生过早、快速的腐蚀。这对于某些CWOR、完井和修井立管系统的管状物也是如此。
由于许多CRA材料(比如不锈钢)为加工硬化材料，所以材料的延展性在材料受到机械应力之后会降低。不锈钢管状物中的咬痕或印痕会在管状物中产生局部“冷作加工”，以使得形成印痕的位置与其它部分相比延展性更差，从而形成弱化位置。呈均匀图案的牙会造成形成主要的管子应力集中凹槽(stress riser)的咬痕，这比具有类似深度的几个单独的、随机的印痕的危害性更大，从而在管状物中产生出比具有不均匀图案的咬痕更具破坏性的内应力。
在某些已知系统中，利用具有光滑金属(例如铝)表面的压模来接合管状物。这些压模依靠摩擦夹紧，并且通常使用比具有牙的压模明显更大的夹紧力，这会增大夹紧力破坏管状物的危险。再者，这些铝表面可能具有不够高的摩擦系数，从而在大转矩负载或大竖直负载的情况下不能阻止压模和管状物之间的滑动。为了处理该滑动，已经采用了具有与铝表面相结合的织物或网的压模。在使压模合拢管状物之前，将碳化物网放置在管状物和压模之间。通过该碳化物网，可以在压模和管状物之间形成明显更高的摩擦系数，但是在每次压模夹紧和然后释放管状物时该网在管状物和压模表面之间重新定位。在某些系统中，代替单独的网的是，使用表面带粗砂(例如碳化物或金刚石)的压模。
许多已知的压模具有固定的曲面，该曲面与所要夹紧的管状物的外曲面对应或者与该外曲面的一部分对应。根据所要夹紧的管状物的外曲面，这些压模可以具有不确定的夹紧位置或夹紧中心。其夹紧表面接触大部分较大管状物的压模可能仅接触较小管状物的最小部分。对于用更大的管状物实现最小接触而言也是可能的。
现有技术公开了各种管状物夹紧器，例如但不限于下面的美国专利申请和美国专利所提出的示例性系统及其组成部件：美国专利4,649,777；5,291,808；4,576,067；7,036,397；6,378,399；7,204,173；5,221,099；7,231,984；5,451,084和6,332,377，将这些申请和这些专利的全文结合于此以用于所有目的。
本发明人已经认识到需要一种提供某一夹紧区域或夹紧中心的无压痕的夹紧模及其使用方法。本发明人已经认识到需要一种不会损坏所夹紧的管状物的夹紧模。本发明人已经认识到需要一种在使用中夹紧区域可调节的夹紧模。本发明人已经认识到需要一种可在不用手动地将碳化物布料、网或织物邻近压模放置的情况下使用的夹紧模。
发明内容
根据本发明，提供了一种用于夹紧管状物尤其但不排它地便于油气井的构建和维修的方法，该方法包括以下步骤：将夹紧装置施加至管状物的表面，所述夹紧装置包括至少一个夹紧元件，其特征在于，夹紧元件包括可变形材料，以使得在将夹紧装置施加至管状物时，可变形材料与管状物的表面相符。因此，在某些方面，该夹紧元件或压模通过偏转和/或压缩装置与管状物的外曲面相匹配，而不是最初制造成具有与特定管状物的曲面相对应的固定的压模曲面。
优选地，可变形材料的至少一部分接触管状物的表面。优选地，夹紧元件与管状物的接触区域基本上是可变形材料。少量的接触区域可以为粗砂或类似物。
有利地，要施加至管状物的可变形材料最初具有一轮廓，并且管状物的表面具有可变形材料要施加至其上的轮廓，其中可变形材料的轮廓与管状物表面的轮廓不对应。在将夹紧装置施加至管状物时，可变形材料的轮廓与管状物表面的轮廓相符。优选地，可变形材料为弹性的，因为一旦从与管状物的接合释放，可变形材料基本上恢复到其初始轮廓或类似轮廓。优选地，可变形材料的轮廓为凹入形状和凸出形状中的至少一种。
有利地，可变形材料具有至少一个边缘，该方法包括使管状物与可变形材料接触以使得至少一个边缘不接触管状物的步骤。优选地，该边缘为斜面。例如但不限于，夹紧器的凸出部分的边缘。
有利地，夹紧装置为大钳装置、桥塞、提升爪、封隔器、管旋扣器、卡盘、扳手、下套管工具和吊卡中的一种。夹紧元件可以接触管状物的内表面或外表面。
优选地，可变形材料具有嵌入其中或其上的夹紧粗砂。有利地，夹紧元件还包括与可变形材料结合的刚性背衬，其中刚性背衬可以是板以及可以是金属。
有利地，该方法还包括向管状物施加转矩的步骤。优选地，转矩可比如通过转动地固定的卡盘引起管状物及其夹紧元件一起转动。有利地，该转矩可以由夹紧装置中的夹紧元件承受，比如，在与没有背钳单元的情况下用大钳或顶部驱动装置形成螺纹连接时，转矩由背钳中或者在主动的或转动地锁定的卡盘承受。优选地，夹紧装置比如利用动力大钳使夹紧元件及其管状物一起转动。
优选地，夹紧元件便于夹紧管状物，该夹紧元件包括具有表面和初始主体形状的可变形材料，该可变形材料能够在接触管状物时改变初始主体形状，以便与管状物的管状形状相符，从而便于夹紧管状物。
有利地，可变形材料具有带有一轮廓的表面，其中该轮廓为凹入、凸出和枕头形状中的至少一种。可变形材料可以具有凸出部分和凹入部分。优选地，初始主体形状具有大致矩形的基部和凸出或凹入的顶部。本发明提供了一种根据本发明的弹性夹紧器，该夹紧器为枕头形或“长条面包(loaf)”形的，具有向外凸起(凸出)的顶部；或者向内下陷(凹入)的顶部(接触管状物的顶部或具有接触管状物表面的部分的顶部)；或者在两个方向上凸起并且在两个方向上凹入的顶部。
优选地，可变形材料具有至少一个边缘，以使得在使用中该至少一个边缘不接触管状物。
有利地，可变形材料具有嵌入其中或其上的夹紧粗砂。优选地，夹紧粗砂分散在整个可变形材料中。优选地，夹紧粗砂在可变形材料表面的0.6cm(0.25英寸)内。有利地，夹紧粗砂的重量为可变形材料重量的大约50％。有利地，夹紧粗砂被涂覆在可变形材料的表面上。在某些方面，这样的压模在内部被部分或全部地加载有夹紧粗砂(例如，颗粒状碳化钨)，以提供多个微小的接触点，从而便于管状物夹紧，和/或在外部涂覆这种粗砂。
优选地，夹紧元件还包括与可变形材料(例如但不限于聚氨基甲酸乙酯结合剂)结合的刚性背衬。有利地，可变形材料具有多个间隔开的凸起。优选地，凸起由可变形材料制成。优选地，凸起包括分散在可变形材料中的夹紧粗砂。
有利地，可变形材料由至少40肖氏D级硬度的聚氨基甲酸乙酯制成。优选地，可变形材料具有重量百分比为大约50％的夹紧粗砂和重量百分比为大约50％的、70肖氏D级硬度的聚氨基甲酸乙酯。
本发明还提供了一种夹紧装置，该夹紧装置包括本发明的夹紧元件以及下面装置中的至少一个：大钳装置；桥塞；提升爪；封隔器；管旋扣器；卡盘；扳手；卡瓦；以及吊卡。
本发明公开了一种用于夹紧管状物以在一个方面用于夹紧管状物而在其它方面便于管状物旋转的方法，该方法包括：将夹紧装置施加至具有管状形状的管状物，该夹紧装置是可变形夹紧器；利用可变形夹紧器夹紧地接触管状物，可变形夹紧器具有夹紧器形状；以及在可变形夹紧器与管状物接触时，夹紧器形状与管状物形状相符。
本发明公开了一种用于夹紧管状物以在一个方面便于管状物转动的夹紧器，该夹紧器包括：主体；该主体具有带有初始主体形状的可变形材料；该可变形材料能够在管状物与主体接触时改变初始主体形状，管状物具有管状形状，该可变形材料能够与管状物的管状形状相符，从而便于利用该夹紧器夹紧管状物。
这些压模具有凸出顶部形状、“条面包”形状、“枕头”形状、在四个侧面上凹入的形状或者具有四个凹入部分的形状、在四个侧面上凸起的形状或具有四个凸出部分的形状、或者具有两个凹入侧面的形状、具有两个凹入部分并且在两个侧面上凸起或者具有两个凸出部分的形状；以及具有可变形夹紧器或可变形压模元件的动力大钳、大钳爪、卡瓦、卡盘、吊卡和楔形元件及它们的使用方法。
附图说明
为了更好地理解本发明，现在参照附图通过举例的方式进行说明，附图中：
图1为根据本发明的夹紧元件的透视图；
图1A为根据本发明的夹紧元件的透视图；
图1B为图1A所示的夹紧元件的侧视图；
图1C为图1A所示的夹紧元件的中心纵向剖视图；
图1D为图1A所示的夹紧元件的中心横向剖视图；
图2A为根据本发明的夹紧元件的透视图；
图2B为图2A所示的夹紧元件的分解视图；
图3为根据本发明的夹紧元件的透视图；
图3A为根据本发明的夹紧元件的端视图；
图3B为图3A所示的夹紧元件的侧视图；
图3C为图3A所示的夹紧元件的透视图；
图4A为根据本发明的夹紧元件的透视图；
图4B为图4A所示的夹紧元件的分解视图；
图4C为图4A所示的夹紧元件的侧视图；
图4D为图4C所示的夹紧元件部分的端视图；
图5A为根据本发明的夹紧元件的透视图；
图5B为图5A所示的夹紧元件的分解视图；
图5C为根据本发明的夹紧元件的透视图；
图5D为图5C所示的夹紧元件的俯视图；
图5E为图5C所示的夹紧元件的端视图；
图6A为根据本发明的夹紧元件的透视图；
图6B为图6A所示的夹紧元件的侧视图；
图6C为图6A所示的夹紧元件的俯视图；
图6D为图6A所示的夹紧元件的端视图；
图6E为根据本发明的夹紧元件的透视图；
图6F为图6E所示的夹紧元件的侧视图；
图6G为图6E所示的夹紧元件的端视图；
图6H为图6E所示的夹紧元件的俯视图；
图7A为根据本发明的动力大钳的顶部切掉后的俯视图；
图7B为图7A所示的动力大钳的夹爪的透视图；
图7C为图7B所示的夹爪的各个部分的俯视图；
图8A为根据本发明的桥塞装置的剖视图；
图8B为图8A所示的桥塞的卡瓦的透视图；
图9为根据本发明的旋扣器的顶部切掉后的俯视图；
图10为根据本发明的吊卡和根据本发明的钻井卡瓦系统的侧剖视图；
图11为根据本发明的楔形支承件的部分剖面的侧视图；
图12为根据本发明的卡瓦装置的剖面的侧视图；
图13A为根据本发明的卡瓦装置的俯视图；
图13B为图13A所示的装置的压模的俯视图；
图14为根据本发明的保持管状物的楔形支承件的剖面的侧视图；
图15为根据本发明的保持管状物的卡瓦装置的侧剖视图；
图16为根据本发明的卡盘的侧剖视图；
图17A为具有根据本发明的压模元件的根据本发明的提升爪装置的透视图；
图17B为图17A所示装置的透视图，其中一些部件被移除以显示出一些隐藏的部件；和
图17C为图17A所示的提升爪装置的一部分的放大图。
具体实施方式
图1显示出一种夹紧元件10，该夹紧元件具有由可变形材料(例如任何弹性材料(例如聚氨基甲酸乙酯或腈))制成的主体12(作为根据本发明的任何实施例的任何主体)。主体12具有两个斜切的顶边缘14和多个顶部凸起16，该多个顶部凸起在一个方面是大致锥形的。可选地，主体12与金属(例如钢、不锈钢、铝或青铜)背衬18结合。根据本发明的任何压模或夹紧器可以具有这样的背衬和/或一个或多个凸起16。可选地，去除斜切边缘14。
图1A至1D显示出夹紧元件10a(与夹紧元件10类似)，该夹紧元件10a具有与主体12a结合的可选的金属背衬18a，其中主体12a具有可选的边缘14a和三个顶部凸起16a。“顶部”通常是指夹紧器的最初接触管状物的部分；但是根据本发明的任何夹紧器和任何夹紧器的任何部分可以用作接触面。
可选地，根据本发明的任何夹紧元件也是如此，夹紧元件10a的主体12a可以具有分散在其中的一些量的粗砂(例如，碳化硅、碳化钨或金刚石)小颗粒19(例如最大直径为2mm)，例如但不限于36个粗砂碳化硅，该36个粗砂碳化硅的重量百分比为主体62重量的20％至70％，以及在一个方面为主体62重量的大约50％。可选地，如图1D所示，而且本文所示的任何夹紧元件也是如此，夹紧粗砂涂层19a可被施加至顶部表面。在某些方面中，主体12a(以及本文的任何夹紧元件)由肖氏D级硬度为70的聚氨基甲酸乙酯制成。在本发明的某些实施例的范围内的是，使用至少40肖氏D级硬度的聚氨基甲酸乙酯，以及在一些方面中使用不大于80肖氏D级硬度的聚氨基甲酸乙酯。
在本发明范围内的是，使夹紧元件的主体加载有总重量的至少30％的粗砂，以及在某些方面粗砂水平不超过重量的90％。在本发明范围内的是，仅给夹紧元件的近表面区域或者只是表面下某一深度(例如，在一个特定方面中，表面下63mm(0.25英寸))加载粗砂，而不是给整个体积加载粗砂。在一个方面，近表面区域没有粗砂。在一个方面，夹紧元件由70肖氏D级硬度的聚氨基甲酸乙酯制成，并且加载有重量百分比为50％的粗砂。
图2A和2B显示出根据本发明的压模元件20，该压模元件具有带有内凹槽24的主体22。可变形夹紧器26具有底座27和枕头形顶部28。底座27的尺寸和结构设置成容纳在凹槽24中并且保持在凹槽24中。可选地，夹紧器26的顶部是平坦的，在所有侧面上为凹入，或者具有两个凹入侧面和两个凸出侧面而不是枕头形的。
夹紧器26利用胶水或粘合剂或通过摩擦配合而被保持在凹槽24中，和/或将夹紧器与主体22一起铸造而成。枕头形顶部28包括下端边缘28a、28b和较高的顶部区域28c。如图2A所示，主体22的底部22a比顶部22b宽。
图3显示出根据本发明的由可变形材料制成的可变形压模元件30，该可变形压模元件具有主体32和斜切边缘34。锥形凸起36位于主体32的顶部38的中心处。如图3所示，主体32的底部32a比顶部32b宽。
图3A至3C显示出压模元件30a(与压模元件30类似)，该压模元件30a具有主体32a，该主体32a带有可选的斜切边缘34a和顶部凸起36。如图3A所示，主体32a具有梯形形状。
图4A和4B显示出根据本发明的可变形压模元件40，该可变形压模元件40具有带有凹槽44的主体42，该凹槽容纳并且保持可变形夹紧器46。如图4A所示，主体42的底部42a比顶部42b宽。
夹紧器46具有升起的上表面47，其中顶点以48表示。可变形夹紧器46通过摩擦配合和/或利用粘合剂而被容纳并且保持在凹槽44中。
图5A和5B显示出压模元件50，该压模元件50具有主体52，其中主体52在上部部分52b中带有燕尾形凹槽54。如图5A所示，上部部分52b比主体52的下部部分52a窄。可变形夹紧器56的相应形状的燕尾形凸起57被容纳并且保持在这些凹槽54中。根据本发明的任何实施例中的夹紧器可以以这种方式附接至主体。可使用粘合剂以便于将凸起57保持在凹槽54中，和/或它们可以与致动器一起铸造而成。可选地，主体52用作夹紧器本身。可选地，夹紧器56与带有凸起57的侧面一起用作接触管状物的接触区域。
夹紧器56具有凹入顶表面58(在两个端部处凹入)，但是可选地，夹紧器56可以具有与本文所公开的压模元件中的任一个类似的顶表面(例如但不限于图1、2A、3、4A和6A所示的那些顶表面)。
图5C和5E显示出夹紧器50a，该夹紧器50a具有主体52a、弯曲的顶表面53a和从主体52a伸出的多个凸起54a。可选地(如在下面更详细描述的)，主体52a可以涂覆有夹紧粗砂，和/或具有分散在其中的夹紧粗砂(并且这对于根据本发明的任何夹紧器而言也是如此)。可选地，根据本发明的夹紧器的凸起的任何部分可以涂覆有夹紧粗砂，或基本上由夹紧粗砂制成，或者具有分散在其中的夹紧粗砂，例如在图5E所示的夹紧粗砂57a(这对于根据本发明的任何夹紧器的任何部分或凸起而言也是如此)。
图6A至6D显示出根据本发明的可变形压模元件60，该可变形压模元件60具有由可变形材料制成的主体62。主体62具有凸出地弯曲形状的顶部66。在长度和宽度上，主体62的中部都高于端部(或者侧部)。可选地，根据本发明的压模元件(本文所公开的任何压模元件)只有在长度上或只有在宽度上是凸出的，而在两侧面上是平坦的或者在两侧面上是凹入的(例如，在长度上是凸出的而在宽度上是凹入的，或者反之亦然)。
可选地，主体62与背衬68结合。
图6E至6H显示出可变形压模元件60a，该可变形压模元件60a具有主体62a、侧面63a、端部64a、顶部凸出部分65a、顶部凹入部分66a和可选的背衬68a。可变形压模元件60a由可变形材料制成。
侧面63a和端部64b稍微向内倾斜(例如，对于根据本发明的任何压模元件的任一侧而言都是如此，倾角为10度至45度，在一个特定方面，为大约15度)。
由聚氨基甲酸乙酯或聚氨酯主体(例如本文的实施例的任何主体，例如主体12、22、42或52)制成的主体可以具有与夹紧器(例如夹紧器26、46、56)的硬度相同的硬度。
图7A和7B显示出根据本发明的动力大钳70(与在美国专利5,291,808中所公开的动力大钳类似，但是具有根据本发明的夹紧器)。该动力大钳70具有外壳71、由具有马达M(示意性示出)和辊子r的驱动机构驱动的旋转器72以及握紧和夹紧油田管状物构件T的夹爪74。每个夹爪74具有根据本发明的夹紧器元件76。每个夹紧器元件76具有由固定螺丝76a保持到位的大致凹入形状的可拆卸的可变形压模79。每个压模79具有可变形主体78，以及可选地具有一系列保持在凹槽76b中的凸起。每个压模主体78由可变形材料(例如弹性材料(本文所公开的用于根据本发明的任何压模元件或夹紧器的任何材料))制成。
在本发明范围内的是，任何大钳夹爪的任何压模具有根据本发明的可变形夹紧器。
图8A显示出根据本发明的与桥塞BP结合使用的夹紧器元件，桥塞BP被设计成插入到套管或生产管(例如管状物TB)中，然后被致动，以阻挡流体流过管状物。桥塞BP具有塞体81，该塞体具有上部段83a和下部段83b。上部段附接至工作柱W，这允许桥塞PB沿着井眼被下入并且放置在期望的放置深度处。下部段83b形成具有台肩83c的头部部分，橡胶密封元件84压靠在该台肩上。位于密封元件84上方的是下膨胀锥体86，而位于锥体86上方的是上膨胀锥体87。上膨胀锥体和下膨胀锥体分别具有倾斜表面86s和87s。应理解的是，两个膨胀锥体和密封元件都是环形的，并且绕着塞体作为单个元件连续地延伸。
位于膨胀锥体之间的是一系列卡瓦88。每个卡瓦88是绕着塞体81设置的弧形段。在卡瓦88中能看到一对相对的弧形段。在桥塞中，有六个卡瓦88，但是替代实施例可以采用更多或更少的卡瓦88。每个卡瓦88具有主体88b，在主体81的每个端处具有倾斜表面88i。主体81具有外表面81o和卡瓦环形通道81r。卡瓦保持环88r就位于环形通道81r中，并且包围多个卡瓦88。卡瓦弹簧81t设置在卡瓦保持环88r和每条环形通道81r之间，将卡瓦88偏压离开管状物TB的内表面。卡瓦88的倾斜表面对应于上锥体和下锥体的倾斜表面86s和87s，并且沿着上锥体和下锥体的倾斜表面86s和87s行进。每个卡瓦88具有可变形构件88m，该可变形构件88m覆盖着可与管状物TB的内表面IS接合的卡瓦的外表面。构件88m可以类似于本文所公开的根据本发明的任何压模或夹紧器。
调整活塞80p由绕着塞体81连续延伸的弧形元件形成，并且在一个方面，调整活塞80p一体地形成在上锥体段87上。变容流体腔室80c形成于调整活塞80和塞体81之间，该变容流体腔室与流体通道80d连通，该流体通道80d穿过塞体81的上部段并且允许流体从工作柱穿过塞体81传送至流体腔室80c。传统的密封件(比如O形环80v)在调整活塞和塞体81之间形成不透流体密封。
在操作中，桥塞80被设置在工作柱上，并且沿着井眼下放至期望塞住生产管或套管的深度处。在桥塞沿着井眼下放期间，它处于非致动位置中(图8A)。在桥塞被下放至期望的深度之后，通过将高压流体通过工作柱泵送至通向流体腔室80c的通道80d中来致动桥塞，这于是使调整活塞80p向下运动，从而迫使上膨胀锥体87向下运动，使上膨胀锥体和下膨胀锥体上的倾斜表面沿着卡瓦88的倾斜表面88i滑动。该运动迫使下膨胀锥体86靠在橡胶密封元件84上，从而使橡胶密封元件膨胀抵靠在管状物TB的内表面上，由此密封或堵住管状物。同时，下膨胀锥体86和上膨胀锥体87的倾斜表面沿着卡瓦88的倾斜表面88i的运动使得卡瓦88克服卡瓦弹簧88t中的张力并且朝着管状物TB的内表面运动，最终与管状物TB的内表面接合。
在本发明范围内的是，由可变形材料制成的卡瓦88与具有类似于桥塞(比如封隔器)的装置一起使用，例如用于生产、隔离、测试和模拟。封隔器在结构上类似于桥塞，只是柱塞包含有一个或多个内部通路以允许受调节流量的流体通过封隔器或者容纳必须穿过封隔器的仪器导线或控制线。本领域的技术人员将认识到，也设有通过除了上述液压机构之外的装置来致动的桥塞和封隔器。根据本发明的卡瓦等同地适于由机械装置、线路、电线或其它在钻井业中通常所看到的用于操作井下工具的传统方法来致动。在美国专利7,036,397的图4中公开了一种与本发明不同的桥塞。
在图9中显示出根据本发明的管旋扣器90，它类似于在美国专利7,036,397的图14中所示的管旋扣器(该旋扣器不具有本发明的优点)。管旋扣器90具有旋扣器主体91和形成喉部97的两个压紧辊臂93。压紧辊臂93通过枢轴93p而枢转地安装。后辊93r安装在臂93的后端部上，而压紧辊93t安装在前端部上。在后辊93r和压紧辊93t之间安装有在枢轴93p上转动的驱动辊95。旋扣器主体91包含有马达92，该马达用来向马达链轮92s提供转矩。驱动链条92d(只显示出一半)将驱动辊95、马达链轮92s和任何惰链轮95i相互连接，以使得转矩可以从马达92传递给驱动辊85。压紧辊(以及因此喉部97)通过操作还与液压缸91连接的辊楔形件90w而在管状物TL上打开和关闭。
管旋扣器90在每个驱动辊95上具有根据本发明的可变形夹紧器94。该夹紧器或者为纯可变形材料(例如弹性体)或者为其中具有粗砂(上述任何粗砂，具有任何体积并且处于如上所述的夹紧器中的任何位置处)的可变形材料(例如弹性体)。
根据本发明的任何旋扣器或者大钳的驱动辊具有根据本发明的夹紧器。
图10显示出根据本发明的卡瓦系统100和根据本发明的吊卡110，它们除了用于钻台RF之外还用于钻机结构(未示出)中，该钻台具有开口OP，管状物ST柱通过该开口延伸到钻机结构下方的井眼中。显示出管状物102被卡瓦系统100夹紧，而且钻杆ST包括多个管状物。在将管状物插入井眼中或从井眼中移出的正常操作期间，必要的是，夹紧管状物(如管状物102)以便提升或下降该管状物及其所附接的钻柱。卡瓦系统100包括卡瓦座117、卡瓦组件118、吊卡座112、吊卡卡瓦组件113和卡瓦压模插入件115。卡瓦座117具有包围着管状物102圆周的环形结构。卡瓦座117可以由绕着管状物102设置的两个半圆形环形成，而不是必须将一体的环放置在管状物的端部上。卡瓦座117被固定至钻台RF。如图10所示，管状物102可以在卡瓦座中自由地运动。
在将卡瓦组件118插入卡瓦座117和管状物102之间的空间中时，管状物102的向下运动停止。虽然仅显示出两个卡瓦组件118，但是应理解的是，另外的卡瓦组件可以绕着管状物102的整个周边间隔开地设置。在一个方面，卡瓦组件118为大致楔形的，具有第一倾斜表面122，该第一倾斜表面设计成具有与形成在卡瓦座117上的第二倾斜表面123的角度互补的角度。卡瓦组件118具有根据本发明的可变形压模115。
吊卡110的吊卡座112包括吊卡卡瓦组件113。吊卡座112卡瓦组件与卡瓦组件118相同，但是吊卡座12不被固定至钻台RF。吊卡座112具有托架114或类似装置，这允许提升吊卡座112。提环104接合托架114。提环104又附接至用在钻井钻机上的绞车或其它提升机构(未示出)。
卡瓦组件113和118分别包括各具有可变形夹紧器113e和118e的压模113d和118d，。这些夹紧器可以由任何可变形材料制成，并且可以是本文所公开的任何压模或夹紧器。
在提升和下放管状物102时，卡瓦组件118和吊卡卡瓦组件113以交替的夹紧和释放顺序使用。在期望升高管状物102时，卡瓦座117绕着管状物102设置，并且卡瓦组件118被设置成夹紧管状物102。松开悬挂着管状物102及其所附接的钻柱的钻井机械或类似设备。在允许管状物102向下运动时，卡瓦组件118牢固地夹紧管状物102。吊卡座112于是绕着管状物102定位，并且吊卡卡瓦组件113被定位在管状物102和吊卡座112之间。在提环104向吊卡座112施加提升力时，吊卡卡瓦组件113牢固地楔入到管状物102上并且夹紧该管状物102。在施加在吊卡座112上的提升力继续提升管状物102时，卡瓦组件118向上滑动并且停止夹紧管状物件102，从而释放卡瓦组件118并且允许工人手动地从卡瓦座117中拆除卡瓦组件118，或者在采用液压系统的情况下，允许液压缸组件将卡瓦组件118沿着倾斜表面123提升得足够高以阻止卡瓦组件118和上升的管状物102之间的干涉。通常，吊卡座112将管状物102提升至期望的高度，比如位于卡瓦座117上方的钻柱中的接下来的管状物连接接头。然后，卡瓦组件118被插入卡瓦座117中并且被固定。之后，缓慢释放施加在吊卡座112上的提升力，以使得允许管状物102开始向下运动。随着卡瓦组件再次将大的径向负载施加在管状物102上，管状物102的向下运动被快速抑制。此时，在准备在另一提升过程中将吊卡座112下放至正好在卡瓦组件118上方的位置之前，可以将管状物102取出并且留着备用。重复该过程，直到已经将期望长度的钻柱提升到钻台RF高度以上。
通常，上述的卡瓦和吊卡与具有联接件或加厚连接件105的管状物结合使用(图10)。如果由于任何原因卡瓦组件118或吊卡卡瓦组件113的卡瓦压模没有夹紧管状物102并且管状物102开始滑动穿过吊卡，则卡瓦组件100停止其下降。
图11显示出根据本发明的楔形支承件110，该楔形支承件具有主体112，该主体112带有用于支承管状物构件TM(例如管子、套管或生产管)的环形会聚支座112s。多个楔形段114(或者“卡瓦”装置)绕着支座112s间隔开。
每个楔形段114具有根据本发明的任选地具有背衬119的可变形夹紧器115。夹紧器115与主体118连接，并且如果有的话，背衬119与主体118连接。主体118具有与密封件112s的表面对应的会聚表面118c。由箭头AR表示的施加在管状物构件TM上的向下负载使表面118c楔入接合在支座112s上，从而将夹紧器115压紧抵靠在管状物构件TM上。
可选地，夹紧器115(本文的任何夹紧器也是如此)具有一个或多个(在图11中显示出多个)凹槽117，该凹槽可以便于夹紧器115与管状物构件TM的外表面相符。
图12显示出根据本发明的卡瓦装置120，该卡瓦装置120具有主体121、手柄122以及根据本发明的可插入-可拆卸的可变形夹紧器123。夹紧器123可以为根据本发明的具有或没有内部夹紧粗砂的任何可变形夹紧器。主体121具有用于与支承主体(例如图11的表面118c)楔入接合的倾斜表面125。
图13A显示出与图12的卡瓦装置类似的具有主体131的根据本发明的卡瓦装置130；但是具有多个间隔开的根据本发明的可变形夹紧器132。每个夹紧器132具有保持在主体131的相应凹槽134中的主体133。每个夹紧器132具有前部段135，该前部段135伸出超过主体133并且具有两个成角度的边缘136。
如所示的，前部段135彼此接触，而这些前部段135是间隔开的也在本发明范围内。
图14显示出用于支承件SP(与图11的楔形支承件类似)中的根据本发明的卡瓦装置140。该卡瓦装置140具有主体141，该主体141用于与支承件SP的相应支座143楔入接合的支座表面142。
根据本发明的用于夹紧管状物TL的可变形夹紧器146具有可选背衬147，并且该可变形夹紧器146被保持在主体141的相应凹槽148中。夹紧器146的后边缘144a、144b与主体141间隔开。夹紧器146具有多个沿着线145I彼此接触的段145。多个孔145h延伸穿过夹紧器145。这些孔145h用来限定每个段145的一部分。根据本发明的任何夹紧器可以具有一个或多个孔145h。
图15显示出具有主体151的卡瓦装置150(或者楔形元件)，该主体151具有用于保持根据本发明的可变形夹紧器154的凹槽152。由可变形材料制成的夹紧器154包括多个间隔开的凸起156以及可选的背衬158。每个凸起156具有弯曲的前表面159。
图16显示出根据本发明的卡盘160。管子PP由卡瓦162夹紧。每个卡瓦162具有主体163和与主体163连接(在一个方面中，贴附)的根据本发明的可变形夹紧器166。夹紧器166可以是本文所公开的任何夹紧器。卡盘160具有带有环形会聚支座167的主体161，并且每个卡瓦162具有与支座167对应的支座表面168。
图17A-17C显示出根据本发明的提升爪装置170，例如但不限于用于排管(racking)系统的提升爪装置。在一个方面，排管机对扣带螺纹的管，检测坐放，提升爪装置170(具有根据本发明的可变形压模180)打开。排管机在旋入(spin-in)期间通过由可变形材料(例如在本文所公开的任何压模元件的材料)制成的辊子172施加恒定的向上力，以便限制管子施加到螺纹上的重量。在管子旋转(例如通过旋扣器或旋转扳手)时，辊子172绕着管子旋转，同时继续竖直地支承管子的重量。
在旋出(spin-out)期间，涉及类似的操作，只是排管机用比管子重量稍大的恒定向上的力向上拉，由此允许管子随着螺纹前进而被升起，最后以小“立跳(stand jump)”结束，以退出螺纹并且保持它们免受碰撞。辊子172为从动辊，它们平行于辊销174的轴被加载，而不是如在某些动力辊中的切向加载。
每个压模180可拆卸地连接至压模保持器182，该压模保持器可拆卸地连接至侧板176。销174穿过在每个辊子主体172a中的孔172b，从而将辊子172可转动地安装到提升爪170的主体178上。
因此本发明的一些但不必是所有实施例中提供了一种用于夹紧管状物以在一个方面便于管状物转动的方法，该方法包括下述步骤：将夹紧装置施加至具有管状形状的管状物，该夹紧装置包括可变形夹紧器；利用可变形夹紧器夹紧地接触管状物，所述可变形夹紧器具有夹紧器形状；以及一旦可变形夹紧器与管状物接触，则夹紧器形状与管状物形状相符。这些方法可以按照任何可能的组合具有以下特征中的一个或一些：其中可变形夹紧器的顶部具有边缘，该方法还包括使管状物与可变形夹紧器接触，以使得顶部的边缘不接触管状物；其中夹紧装置为大钳装置、桥塞、提升爪、封隔器、管旋扣器和吊卡中的一种；其中可变形夹紧器具有顶部，顶部的形状初始为凸出形状和凹入形状中的一种；其中可变形夹紧器在其中具有夹紧粗砂；和/或其中可变形夹紧器具有由可变形材料制成的主体和与主体结合的金属背衬。
因此，本发明在一些但不必是所有实施例中提供了一种用于夹紧管状物以在一个方面便于管状物转动的夹紧器，该夹紧器包括：主体；所述主体具有带有初始主体形状的可变形材料；以及可变形材料能够在管状物与主体接触时改变初始主体形状，该管状物具有管状形状，可变形材料能够与管状物的管状形状相符以便于用夹紧器夹紧该管状物；其中可变形夹紧器的初始主体形状包括顶部，顶部的形状为凹入形状、凸出形状和枕头形状中的一种；初始形状主体包括具有凹入部分和凸出部分的顶部；其中初始主体形状具有大致矩形的底部和凸出的顶部；初始主体形状为大致矩形的，其中顶部具有两个间隔开的端部部分和两个间隔开的侧部部分，两个间隔开的端部部分中的每一个为凸出的，而两个间隔开的侧部部分中的每一个是凹入的；初始主体形状具有大致矩形的底部、顶部和至少一个从顶部伸出的凸起；该主体包括多个夹紧粗砂；夹紧粗砂分散在整个主体上；夹紧粗砂在主体顶部的0.25英寸内；夹紧粗砂的重量为主体重量的大约50％；夹紧粗砂被涂覆在主体的顶部上；主体具有多个从主体伸出以用于接触管状物的间隔开的凸起；其中该凸起由可变形材料制成；其中该凸起包括分散在可变形材料中的夹紧粗砂；其中主体由至少40肖氏D级硬度的聚氨基甲酸乙酯制成；和/或其中主体具有重量百分比大约50％的夹紧粗砂和重量百分比大约50％的70肖氏D级硬度的聚氨基甲酸乙酯。
因此，本发明在一些但不必是所有实施例中提供了一种用于夹紧管状物的夹紧器，该夹紧器包括：主体；所述主体具有带有初始主体形状的可变形材料；并且该可变形材料能够在管状物与主体接触时改变初始主体形状，该管状物具有管状形状，可变形材料能够在管状物与夹紧器接触时与管状物的管状形状相符。
因此，本发明在一些但不必是所有实施例中提供了一种用于夹紧管状物以便于管状物转动的装置，该装置包括：外壳；可动地连接至外壳的夹紧装置；该夹紧装置包括多个间隔开的可变形夹紧器；以及运动装置，该运动装置用于使多个间隔开的可变形夹紧器运动到与所要转动的管状物夹紧接触。这种装置在某些方面中是扳手、大钳和管旋扣器中的一种。

Claims (20)

1.一种用于夹紧管状物的方法，该方法包括以下步骤：将夹紧装置施加至管状物的表面，所述夹紧装置包括围绕用于接收所述管状物的开口设置的适形材料的多个夹紧元件，每一个所述多个夹紧元件具有轮廓，所述管状物的所述表面具有所述适形材料所要施加到其上的轮廓，其中所述适形材料的所述轮廓具有与所述管状物的所述表面的轮廓不对应的至少一个凸出部分，以使得在将所述适形材料施加至所述管状物时，所述适形材料与所述管状物的所述表面相符。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述适形材料的至少一部分接触所述管状物的所述表面。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中所述适形材料具有至少一个边缘，该方法包括下述步骤：使所述管状物与所述适形材料接触以使得所述至少一个边缘不接触所述管状物。
4.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其中所述夹紧装置为下述装置中的一种：大钳装置、桥塞、提升爪、封隔器、管旋扣器、卡盘、扳手和吊卡。
5.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其中所述适形材料具有嵌入其中或其上的夹紧粗砂。
6.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其中所述夹紧元件还包括与所述适形材料结合的刚性背衬。
7.如权利要求1-3中任一项所述的方法，还包括下述步骤：向所述管状物施加转矩。
8.一种用于夹紧管状物的装置，所述装置包括围绕用于接收所述管状物的开口设置的适形材料的多个夹紧元件，每一个所述多个夹紧元件具有轮廓，所述管状物的所述表面具有所述适形材料所要施加到其上的轮廓，所述适形材料的所述轮廓具有与所述管状物的所述表面的轮廓不对应的至少一个凸出部分，所述适形材料能够在接触管状物时改变初始主体形状，以与所述管状物的管状形状相符，从而便于夹紧所述管状物。
9.如权利要求8所述的装置，其中所述适形材料具有至少一个边缘，以使得在使用中所述至少一个边缘不接触所述管状物。
10.如权利要求8或9所述的装置，其中所述适形材料具有嵌入其中或其上的夹紧粗砂。
11.如权利要求10所述的装置，其中所述夹紧粗砂分散在整个所述适形材料中。
12.如权利要求10所述的装置，其中所述夹紧粗砂在所述适形材料的所述表面的0.6cm内，即，所述夹紧粗砂在所述适形材料的所述表面的0.25英寸内。
13.如权利要求11所述的装置，其中所述夹紧粗砂的重量为所述适形材料的重量的大约50％。
14.如权利要求10所述的装置，其中所述夹紧粗砂被涂覆在所述适形材料的所述表面上。
15.如权利要求8或9所述的装置，其中所述夹紧元件还包括与所述适形材料结合的刚性背衬。
16.如权利要求8或9所述的装置，其中所述适形材料具有多个间隔开的凸起。
17.如权利要求8或9所述的装置，其中所述凸起由适形材料制成。
18.如权利要求8或9所述的装置，其中所述适形材料由至少40肖氏D级硬度的聚氨基甲酸乙酯制成。
19.如权利要求8或9所述的装置，其中所述适形材料具有重量百分比大约50％的夹紧粗砂和重量百分比大约50％的、70肖氏D硬度的聚氨基甲酸乙酯。
20.如权利要求8或9所述的装置，所述装置为下述装置中的至少一个：大钳装置；桥塞；提升爪；封隔器；管旋扣器；卡盘；下套管工具；卡瓦；扳手；和吊卡。
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