CN102421986A - 可插入管状钻柱部件的中心腔的保持装置和管状钻柱部件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可插入在钻柱部件的中心腔内的保持装置(13)，所述中心腔具有沿钻柱部件的中心部分的至少一部分的第一直径和在钻柱部件的端部附近的第二直径。该第二直径小于第一直径。保持装置(13)包括至少部分地形成用于传输线的壳体的长形体(14)。所述长形体(14)具有小于第二直径的横向尺寸。多个弓形元件(15)可弹性弯曲以能够移动过第二直径，并且具有在自由状态下比第一直径大的最大弦长以能够一旦穿过第二直径则在第一直径内膨胀。

Description

可插入管状钻柱部件的中心腔的保持装置和管状钻柱部件

技术领域

本发明涉及油气钻探，并且更具体地涉及用于沿钻柱传输信息的装置和工具。

背景技术

管状钻柱部件包括但不限于钻管、重型钻管、井底组件、辅助件、主动钻杆。

在油气钻探行业中，使用各种传感器来测量井底地质构造、井底工具状态、运行情况等。

测量数据对于地面上的操作者和工程师是有用的。可在沿钻柱的各点处进行测量。测量数据可用以确定钻探参数，比如钻探方向、钻机穿进速度等，以精确地钻入油、气或其它矿物的储层。

测量数据应被传输到地表。传统的传输方法比如泥浆脉冲具有非常慢的数据率。已经研究沿直接整合在钻柱部件内比如整合在钻管的部分内的传输线比如例如电缆来传输数据。

电触点或者其它的传输元件比如电磁感应耦合器被用以跨过钻柱中的结合部或连接结合部传输数据。

将传输线收纳在形成在钻柱部件的壁内的通道在所述壁较薄时可使壁弱化，例如钻管的中心部分，或者当壁在流动部分较厚(重型钻管，钻环…)但局部较薄并且不能在其中耐受通道。穿过中心腔靠着壁安装传输线使传输线暴露于穿过中心腔的钻井流体和工具或其它物质或物体。这能够对传输线造成损坏。

钻柱部例如在水平钻探中可弯曲。如果传输线通过粘结剂涂层附接到壁，传输线可由于该弯曲而损伤，如果传输线未通过粘结剂涂层被保护，则传输线可破裂或可偏移离开中心腔的内表面。

已知使用可插入钻柱部件的腔内的衬套。但是，衬套不能容易地收纳在中心腔内，特别是当钻柱部件在其端部附近具有小的直径时。衬套减小了钻柱部件的流动部，由此增大钻柱中的水头损失。

发明内容

本发明提供了对于配备有信息传输部件的井底钻柱的显著改进。

着眼于前述内容，保持装置可插入钻柱部件的中心腔。该中心腔具有沿钻柱部件的中心部分的第一直径和在钻柱部件的端部附近的第二直径，该第二直径小于第一直径。保持装置包括至少部分地形成用于传输线的壳体的长形体，所述长形体具有小于第二直径的横向尺寸，并且多个弓形元件沿长形体布置并且与长形体不同且附接到长形体。弓形元件可弹性弯曲以能够移动过第二直径并且在自由状态下具有比第一直径大的最大弦长，以能够一旦穿过第二直径则在第一直径内膨胀。

管状钻柱部件包括管状构件和插入在其中的保持装置。管状构件包括中心腔，该中心腔具有沿管状构件的中心部分的第一直径和在管状构件的端部附近的第二直径，第二直径小于第一直径，并且保持装置可插入管状构件的中心腔。保持装置包括至少部分地形成用于传输线的壳体的长形体，所述长形体具有小于第二直径的横向尺寸，并且多个弓形元件沿长形体布置且与所述长形体不同并且附接到所述长形体。所述弓形元件可弹性弯曲以可移动过第二直径并且在自由状态下具有大于第一直径的最大弦长，从而一旦穿过第二直径能够在第一直径内膨胀。

在一个实施方式中，弓形元件具有大于管的中心部分的周长的、延展的长度，但它们的端部离开。

附图说明

根据下面的说明和附图，本发明将被更好地理解并且将变得完全清楚。这些附图仅示出了典型的、非限定性实施方式。

图1是示出钻柱部件的实施方式的截面图。

图2是示出插入钻柱部件内的保持装置的透视图。

图3是示出自由状态下的保持装置的透视图。

图4是示出安装于长形体上的弓形构件的透视图。

图5示出了弓形构件和直径减小元件的透视图。

图6示出了保持装置插入在钻柱部件内的透视图。

图7示出了长形体的实施方式的截面图。

图8示出了长形体的实施方式的截面图。

图9示出了长形体的实施方式的截面图。

具体实施方式

应该理解，这里总体上所述的和在附图中示出的部件能够以各种不同的构造布置和设计。如图中所示出的，下面对于本发明的装置的更为详细的说明并不意图限定所要求的本发明的范围，而仅是说明本发明的各种选择的实施方式并且可以可选地作用为对本发明的限定的帮助。

所述的本发明的实施方式通过参考附图将得以更好的理解，其中在全部附图中，相同的部件标示为相同的附图标记。

当然，本领域普通技术人员将理解，在不偏离本发明的基本特征的前提下，可容易地对这里所述的装置进行各种修改，如结合附图所述的。

由此，下面的附图说明意图仅作为示例，并且仅简单地说明与这里要求的本发明一致的一些选择的实施方式。

钻探机用以支撑钻柱部件以将腔孔钻入地壳内。若干钻柱部件形成钻柱的至少一部分。在操作中，钻探流体典型地在钻探机处的压力作用下穿过钻柱被供给。钻柱可通过钻探机被旋转以使安装于钻柱的下端处的钻头旋转。

加压钻探流体在钻柱的腔中朝向钻柱的下端循环并且朝向表面循环回到钻柱外部以提供冲刷作用，从而将地壳钻屑载运到地表。钻头的旋转可替代地由其它的钻柱部件供给，比如位于钻头附近的钻探马达或钻探轮机。在包括钻探工具和传感器封装的同时，其它的钻柱部件包括钻管和井底器械。其它的有用的、在钻探行业所熟知的钻柱部件包括：稳定器、孔开启机构、钻环、重型钻管、分段组件、井底铰刀、旋转可转向系统、钻井震击器和钻井冲击吸收器。

文献US 2005/0115017涉及可插入钻柱部件的中心腔内的衬套。该衬套包括起始为保持成大体上的圆筒状的矩形薄片形式的弹性材料。该衬套的外径是可变的，以允许衬套插入钻柱部件的在铰接端附近的更窄的腔。

一旦穿过更窄的腔，则衬套的外径在钻柱部件的中心腔内自动膨胀。衬套的外径可膨胀以接触中心腔的内表面。接着，衬套的端部叠加。本文献的内容通过引用合并于此。

还可以参考US 6 516 506，该文献了由矩形薄片卷成圆筒状的衬套，并且该衬套具有叠加的端部。

衬套插入到腔内由于圆筒状衬套的刚度而是相当困难的。

另外，由于衬套的叠加的端部一定程度上减小了流动部，由此增大了钻柱中的钻探流体的水头损失。

另一个缺点在于，在弯曲载荷施加到钻管的情况中，衬套可从供背线上的钻管内表面脱离，并且可以在拱背线上形成横向折叠，这增大了水头损失。

再一个缺点在于，在轴向振动或者震击载荷的情况中，衬套可轴向移动并且在钻管内表面上产生磨损。

本发明的目的在于使传输线在钻探过程中保持稳定。

本发明的另一个目的是实现用于传输线的、能够易于插入钻柱部件的腔内的保护和保持装置。

参考图1，钻管1可包括管，该管具有镦粗端和通过焊接附接到各镦粗端的工具接合部。工具接合部构成套筒端2。另一个工具接合部构成铰接端3。钻管的铰接端3可螺旋到另一个钻管的套筒端2内，由此连接多个钻管以形成钻柱。钻管1设有延伸穿过工具接合部2、管和工具接合部3的纵向腔4。腔4用以沿钻柱输送钻探流体、钢丝绳工具等。

腔4周围的壁厚一般根据承受施加于钻管1的主要转矩、腔4内的压力、钻管1中的挠曲等所需要的重量、强度和其它约束进行设计。

由于施加到钻管1上的大的力，在钻管1的壁中设计通道以收纳传输线比如例如电线或者电缆或者光纤可能显著地弱化壁。提议将传输线布置成至少部分地穿过钻管1的腔4。穿过腔4收纳传输线可使传输线暴露于穿过腔4的钻探流体、水泥、钢丝绳工具或者其它物质或物体。这能够对传输线造成损伤或者使传输线不利地干涉穿过腔4的物体或者物质。由此，传输线可被保持接近腔4的壁以最小化该干涉。

钻管1包括中心部分5、在套筒端2与中心部分5之间且包括镦粗端和工具接合部焊接端的第一中间部分6、和在铰接端3与中心部分5之间且包括另一个镦粗端和另一个工具接合部焊接端的第二中间部分6。中心部分5的内表面7限定了其中引入传输线8的中心腔。传输线8或者传输线8的至少某些部分、例如在孔9和保持装置之间的某些部分可包括保护管8a。内表面7是腔4的一部分。每个中间部分6的外径在端部2、3处可从中央部分5的外径增大到工具接合部的外径。

中间部分6的内径小于中央部分5的内表面7的直径。换句话说，中间部分6的壁厚显著地大于中央部分5的壁厚。与纵向腔4平行的孔9可设置在中间部分6的壁中并且另外设置在铰接端3的壁中，用以容纳传输线8，而不会过度地弱化中间部分6。孔9或者钻枪孔可以第一中间部分或第二中间部分6中加工。孔9能够通过车削或铣削加工。

在套筒端2的侧部，孔9可与在纵向腔4的中间部分与阴螺纹之间设置的肩11中设置的环状槽10连通。在孔9的与槽11反向的一侧，孔9与纵向腔4连通并且大体上与内表面7平齐。

邻近铰接端3的孔9在中间部分6中与纵向腔4连通。孔9可与内表面7平齐。更精确地，孔9的与中间部分6的外径邻近的表面可与内表面7平齐。

在与内表面7相对的一侧，孔9与设置在铰接端3的自由端处的环形槽12连通。槽11和12可容纳绕组装置和耦合装置，比如在文献US 6641434或者US 6 670 880中公开的装置，以实现在两个相邻传输线之间的电磁耦合，所述文献通过引用合并于此。

参考图2，钻管1包括布置在纵向腔4内的、在中央部分5的内表面7上的保持装置13。

保持装置13包括纵向主体14。主体14主要地是纵向的并且可具有相对于钻管1的几何轴线的角度。换句话说，主体14可为轻微的螺纹状，例如沿中央部分5带有小于1转/螺旋的螺旋角。主体14可实现为从一端到另一端的单一件。长形体14可由金属制成，例如未涂覆的或涂覆的AISI 304L型不锈钢，或者由塑料或复合物制成，例如纤维增强复合物。

长形体14可例如通过胶合剂结合到内表面7。胶合剂可以是能够通过固化而聚合的环氧型合成材料或者任意其它的合成材料。长形体14具有与内表面7接触的弓形表面，该弓形表面的半径大体上等于内表面7的半径。在变体中，弓形表面的曲率半径可大于内表面7的半径的曲率以更好地在保持装置13插入腔4内时限位传输线8。长形体具有形成用于传输线8的壳体的纵向槽20。长形体14可具有微短于中央部分5的最小实际长度的固定长度。例如包括一对电线8b的传输线在插入中间部分6中的孔9内的小管8a中延伸，从而小管8a至少在各孔9与纵向体14之间保护电线8b。

槽20可形成在弓形表面的中心部中。槽20将弓形表面划分为大体上对称的部分。槽20可具有比在距内表面7的第二距离处的截面大的在距内表面7的第一距离处的截面，所述第二距离小于第一距离以保持传输线8。换句话说，长形体14可包括构造成将传输线8保持在槽20中的限位唇。

长形体14可包括与内表面7相对的两个侧向廓道14a、14b。长形体14的截面可具有中心凸部、两个侧向凹部和两个凸形端。在安装之前或者在最终状态中，主体14的横向尺寸小于中间部分6的内径。主体14的角向尺寸小于120°，优选地小于60°。

保持装置13另外包括多个弓形元件15。在一个实施方式中，弓形元件15例如通过卡合配合、通过粘结比如焊接、点焊、铜焊或者胶粘，或者通过枢转连接或者栓接而固定到长形体14。弓形元件15彼此分开。弓形元件15可沿主体14均匀间隔。

弓形元件15可具有小的厚度，更特别地具有在0.1mm和2mm之间的厚度，例如是0.4mm。弓形元件15可由弹性材料比如例如弹簧钢、沉淀硬化不锈钢比如17.7PH、冷加工不锈钢、Cu-Be合金、合成材料比如PEEK或者复合物比如纤维增强复合物。优选方案能够是，17.7PH不锈钢弓形元件焊接到304L不锈钢长形体上。如果弓形元件由金属制成，则它们可被涂覆特别如果是它们的材料对于灰尘敏感，以提高其它的特性。

弓形元件可具有沿钻管轴线测量的在10mm至100mm之间的长度。在长形体的同一侧上的两个连续弓形元件之间的距离能够包括在500mm至3000mm之间的距离。

在自由状态下，弓形元件15可具有在180°至360°之间的角度。弓形元件的自由状态是指在保持装置13安装在钻管1中之前或者如图5中所示在由另一个元件对弓形元件15施加力之前。

在最终位置，例如图2所示的示例，弓形元件可占据210度到300度之间的角度。在一个实施方式中，弓形元件占据大于360度的角度。

弓形元件15的周长依赖于内表面7的待被安装到的内径。由于弹性变形的最终状态中，弓形元件15的内径由内表面7的直径决定，弓形元件15施加与几何中心相反地指向的径向力。所述径向力由内表面7并且由长形体14支承。接着，长形体14通过弓形元件15的弹性径向力与内表面7接触。高屈服强度的材料例如具有高于500MPa的屈服强度的材料的选择、和用于弓形元件的高于360°的大角度使得能够实现在长形体14与内表面7之间的高的径向力。

弓形元件15可具有在完全解卷或展开时的矩形形状(例如，见图4至图5)。

在图2和图3中，弓形元件15在一端的角部中具有切除部15c和在弓形元件另一端的反向角部中的相应的切除部。切除部15c具有允许大于360度的高角度值，用于使弓形元件在弓形元件的端部不叠加。换句话说，弓形元件的端部彼此远离。所述端部可以纵向隔开。这样的特征引起在长形体14与内表面7之间的大的接触力，而没有钻探泥浆的高的水头损失。每个弓形元件15通过弹性回弹力使长形体14保持于内表面7接触。由于弓形元件15在最终位置中在内表面7中占据的角度大于在自由状态中的相应角度，弓形元件15朝向内表面7施加径向力。每个弓形元件15可保持长形体14的一部分。以大体上等距的方式布置的一系列弓形元件15非常强力地保持长形体14。另外，多个弓形元件15的刚性小于衬套，由此使得保持装置的插入更容易。

这样的带有弓形元件的保持装置另外比衬套更耐受弯曲载荷。

参考图3，示出了保持装置13的中心部分，其中弓形元件15处于自由状态。弓形元件15的端部之间的角向距离在20°与40°之间。保持装置13示出为处于自由状态。弓形元件15均具有：沿弓形元件15的一个C翼的一侧的带有切口的部分15e、沿弓形元件15的另一C翼的另一侧的带有切口的相对端部15f、和与长形体14接触的中心部分15b。切口可例如在插入时防止端部15e与端部15f之间接触或避免叠加。

参考图4，弓形元件15在解卷时具有矩形。弓形元件15具有：主要部分15a，该主要部分15a具有适应于内表面7的直径；和端部15b，端部15b具有反向凸度且与长形体14的与内表面7相对的表面接触并固定。相反，在图2中的实施方式中，弓形元件15具有与长形体14接触的大体上的中心部分15b和与内表面7接触的两个侧向部分。

参考图5，弓形元件15与图4中的弓形元件15类似。限位元件16，例如以易于熔化的材料比如热塑性材料制成的绳或线带被容纳在主要部分15a的自由端上的位置17与和长形体14接触的端部15b上的位置18之间，以将弓形元件15保持在直径减小状态。孔可设置于位置17、18中的至少五个处，以便于容纳绳。绳可借助于胶合剂被固定到位。在图5中所示的直径减小状态中，弓形元件15可穿过钻管1的、具有小于中央部分5的直径的中间部分6的内径。当保持装置13位于中央部分5的内表面7内时，限位元件16例如通过在超过限位元件16的材料的软化点或熔化点以上的温度被加热而被拆卸。该拆卸可在使被设置以将保持装置13附接到内表面7的胶合剂固化以聚合时发生。聚合的胶合剂层由此可施加于内腔的表面7或者施加于保持装置13的部分朝向面或全部朝向面。这样的固化可通过使热空气循环穿过腔4而实现。绳16可用在其它实施方式中，例如用于图2、图3中的弓形元件以限制它们在最终状态之前的最大弦长或直径。

参考图6，示出了保持装置13通过铰接端3插入钻管1时的情形。弓形元件15可使它们的相对端部例如通过限位元件16接触。弓形元件15的外径被减小以能够插入纵向腔4中并且穿过中间部分6的内径。弓形元件的周长能够被选择以使弓形元件的相对端部在弓形元件插入中间部分6的内径时不叠加。在图2和图3中公开的相应的切除部15c可用以防止叠加同时为弓形元件提供足够的周长。

参考图7，长形体14通过成型材料或带材实现。长形体14具有形成用于传输线8的壳体的中心槽20和具有适于内表面7的半径的两个侧向表面21、22。该半径大体上等于内表面7的在钻管的中心部分处的直径并且由此依赖于钻管直径。在相反侧，长形体14具有微凹形的两个表面23和24并具有在凹面23和24之间的中心凸面25。端部反向表面26和27布置在侧向表面21与凹面23之间并且对称地圆化的表面27布置在弓形表面22与凹面24之间。廓道14a和14b分别由表面22、表面24和表面17，及表面21、表面23和表面26限定。

参考图8，长形体14另外通过廓线实现，该成形材料具有：构造成与内表面7接触的单个弓形表面28，具有小的曲率半径的两个反向圆化表面26和27，具有大的半径的两个凸面23和24，和在凸面23和24之间并且与钻管1的内表面7相对的中心槽20。槽20可被弓形元件15部分地封闭，由此降低了传输线8从槽20脱离的风险。

而且，槽20具有比图8中所示实施方式中的孔径小的孔径。更精确地，与长形体14整合的传输线被保持在槽20与内表面7之间。布置在图9中所示实施方式的长形体14的槽20中的传输线由槽20的唇20a、唇20b保持。唇20a、唇20b之间的距离小于槽20的直径的70％。

参考图9，长形体14由槽得出。长形体14具有管形结构，该管形结构带有其中可安装传输线8的纵向孔29。传输线8可由长形体14保护在至少长形体14的中心部分中。长形体14的壁厚可略微恒定。长形体14具有：构造成与钻管1的内表面7接触的单个表面28，两个圆化端面26、27，两个大体上直的表面30、31，两个凹面23、24，和在凹面23与24之间的中心凸面25。长形体14可关于纵向面大体上对称，例如与钻管1共轴。

即使上文中说明的附图示出了作为钻管并且具有沿钻管的整个中心部分即沿钻管的除其端部之外的整个长度的第一直径的钻柱部件，当具有第一直径的部分对应于该部件的中心部分的、位于接近钻柱部件的端部的一部分时，本发明同样适用。

Claims (17)

1.一种可插入钻柱部件的中心腔内的保持装置(13)，所述中心腔具有沿所述钻柱部件的中心部分的至少一部分的第一直径和在所述钻柱部件的端部附近的第二直径，所述第二直径小于所述第一直径，其特征在于，

所述保持装置(13)包括长形体(14)，该长形体(14)至少部分地形成为用于传输线的壳体，所述长形体(14)具有小于所述第二直径的横向尺寸，并且多个弓形元件(15)沿所述长形体(14)布置并且与所述长形体不同并且附接到所述长形体，所述弓形元件(15)可弹性弯曲以能够移动过所述第二直径并且具有在自由状态下比所述第一直径大的最大弦长，从而一旦穿过所述第二直径能够在所述第一直径内膨胀。

2.根据权利要求1所述的保持装置(13)，其特征在于，所述弓形元件(15)具有在自由状态下在180°和360°之间的角度。

3.根据权利要求1或2所述的保持装置(13)，其特征在于，所述弓形元件的端部均设有在所述弓形元件的相反端的纵向位置中的切除部。

4.根据前述权利要求中一项所述的保持装置(13)，其特征在于，所述长形体(14)包括两个凸面，所述壳体布置在所述两个凸面之间。

5.根据前述权利要求中一项所述的保持装置(13)，其特征在于，所述长形体(14)包括与所述壳体相对的两个侧向廓道。

6.根据前述权利要求中一项所述的保持装置(13)，其特征在于，所述长形体(14)由廓线实现并且所述壳体是纵向通道。

7.根据前述权利要求中一项所述的保持装置(13)，其特征在于，所述长形体(14)具有管形状，所述管形状的内侧形成所述壳体。

8.根据前述权利要求中一项所述的保持装置(13)，其特征在于，所述保持装置设有限制元件(16)，所述限制元件(16)被固定到所述弓形元件(15)的横向端部，以在所述保持装置插入所述钻柱部件之前和期间内的限制状态中将所述弓形元件的最大弦长保持为小于的所述第二直径。

9.根据权利要求8所述的保持装置，其特征在于，所述限制元件(16)是热塑性材料的绳。

10.一种管状钻柱部件，包括插入所述管状钻柱部件中的管状构件和保持装置(13)，所述管状构件包括中心腔，该中心腔具有沿所述管状构件的中心部分的第一直径和在所述管状构件的端部附近的第二直径，所述第二直径小于所述第一直径；和可插入所述管状构件的所述中心腔内的保持装置(13)，其特征在于，

所述保持装置(13)包括长形体(14)，该长形体(14)至少部分地形成为用于传输线的壳体，所述长形体(14)具有小于所述第二直径的横向尺寸，并且多个弓形元件(15)沿所述长形体(14)布置并且与所述长形体不同并且附接到所述长形体，所述弓形元件(15)可弹性弯曲以能够移动通过所述第二直径，并且具有在自由状态下比所述第一直径大的最大弦长，从而一旦穿过所述第二直径能够在所述第一直径内膨胀。

11.根据前述权利要求所述的管状钻柱部件，其特征在于，所述弓形元件(15)通过弹性回弹力将所述长形体(14)保持为抵靠所述中心腔的所述第一直径部分，所述弓形元件(15)施加径向力于所述第一直径部分的表面。

12.根据两个前述权利要求中的一项所述的管状钻柱部件，其特征在于，所述长形体(14)包括两个凸面(21、22)，所述凸面具有适于所述第一直径的曲率。

13.根据三个前述权利要求中的一项所述的保持装置(13)，其特征在于，所述长形体(14)包括与所述壳体相对的两个侧向廓道，所述廓道与所述第一直径部分的表面接触。

14.根据四个前述权利要求中的一项所述的保持装置(13)，其特征在于，所述弓形元件(15)具有在插入所述中心腔的第一直径部分内后的最终位置中彼此远离的端部。

15.根据权利要求弓形元件(15)所述的保持装置(13)，其特征在于，所述弓形元件(15)具有布置成在插入所述中心腔的具有第二直径的部分时恰好彼此接触或彼此远离的端部。

16.根据六个前述权利要求中的一项所述的保持装置(13)，其特征在于，所述弓形元件(15)在最终位置处具有大于360°的角度。

17.安装根据权利要求8或9所述的保持装置的方法，包括如下步骤：

-将所述保持装置(13)插入所述管状钻柱部件的所述中心部分，所述中心部分具有作为内径的第一直径，和

-使热空气通过所述管状钻柱部件的腔流动，以使所述绳(16)断开并使所述弓形元件(15)膨胀而抵靠所述第一直径部分。

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