CN103025993A - 钻管 - Google Patents

Abstract

一种钻管（10），其具有长形的管状主体（12），该主体具有围封主孔（14）的内表面，该主孔大致平行于管状主体（12）的纵向轴线（A）从该管状主体的第一端延伸至第二端；设置在管状主体（12）的外表面中的侧口（16）；穿过主体（12）从主孔（14）延伸到侧口（16）的侧孔（18）；和阀组件（20，22），该阀组件能操作为基本上阻止流体沿着主孔（14）的流动并基本上阻止流体沿着侧孔（18）的流动，其中，阀组件（20，22）、侧口（16）和侧孔（18）设置在钻管（10）的在该钻管的第一端处的第一连接部（10a）中，第一连接部（10a）包括管状主体（12）的增厚部，在增厚部中，内表面和外表面的间隔显著大于管状主体（12）的相邻部分，连接部（10a）的平行于管状主体（12）的纵向轴线（A）的长度小于64cm。

Description

钻管

发明描述

本发明涉及钻管，具体地，但非排他地涉及用于钻探油井或天然气井的钻管。

钻孔或井的钻探通常利用钢管来进行，该钢管已知为在最低端上具有钻头的钻管或钻柱。钻柱包括一系列首尾相连的管状部分。

整个钻管可以利用转盘或利用安装在钻管的顶部上的地上钻井马达（通常称为“顶驱”）来旋转，或者钻头可以利用安装在该钻头的正上方的钻柱中的流体动力马达而独立于钻管旋转。当钻探进行时，泥浆流用来将由钻探过程产生的岩屑运送出钻孔。泥浆被沿钻管向下泵送以穿过钻头，并且经由钻管的外径和钻孔之间的环形空间（通常称为环面）返回到表面。泥浆流还用来冷却钻头，并且用来加压钻孔，因此基本上防止来自由钻管穿透的地层的流体的流入物进入钻孔。泥浆是非常广义的钻探术语并且在本文中它被用来描述在钻探期间所使用的任何流体或流体混合物，并且涵盖从空气、氮气、空气或氮气中的雾化流体、具有空气或氮气的泡沫流体、充气或硝化流体到油和/或具有固体颗粒的水的很重重量的混合物的广泛范围。

沿着该流径驱动泥浆需要相当大的压力，并且为了获得该相当大的压力，通常利用经由管和歧管连接至钻管的顶部的容积泵将泥浆泵入钻管中。

虽然通过在钻管的正顶端处将泥浆泵入主孔而实现主泥浆流进入井孔中，但是还已知提供具有侧孔的钻管，该侧孔从设置有钻管的侧面中的端口延伸到主孔中，使得泥浆能在钻管的顶部的替代位置处被泵入主孔中。

例如，当钻探进行时，并且当钻孔变得越来越深时，必需增加钻管的长度，并且这通常通过以下过程来实现：使顶驱从钻管的顶部脱离，将新的管道部分添加到钻管，使顶驱与新的管道部分的自由端接合，并且然后重新开始钻探。

为了有利于新长度的管道与钻管的顶部的连接，钻管的每个部分的每个端部均设置有所谓的“工具接合部”，该工具接合部包括钻管的一部分，该部分的壁厚大于钻管的中央部。增大的壁厚通过提供增大钻管的外径的锥形部来实现，而钻管的内径沿着包括工具接合部的钻管的整个长度基本上是恒定的。位于钻管的每个长度的一端处的工具接合部通常设置有阳螺纹连接器部，而位于另一端的工具接合部设置有阴螺纹连接器部。钻管的两个相邻部分因此可以通过将一个部分的阳连接器部旋拧到另一个部分的阴连接器部中而接合。这种工具接合部例如在US6,244,631中示出。

因此，将理解的是，沿钻管向下泵送泥浆在该过程期间停止。在钻探过程的中间停止泥浆流因多种原因是有问题的，并且已经提议出，通过在钻柱的每个部分中设置侧孔而有利于穿过钻柱连续地泵送泥浆。这意味着在钻柱的顶部被封闭、顶驱分离并且新的钻柱部分被连接时，泥浆能经由侧孔被泵入钻柱中。

在美国专利3,298,385中公开的一个这种系统中，在钻柱的每个部分的顶部处，设置有：侧孔，该侧孔利用塞子来封闭；和阀构件，该阀构件能在第一位置和第二位置之间枢转，在第一位置中，侧孔被封闭而钻柱的主孔打开，在第二位置中，侧孔打开而主孔被封闭。在钻探期间，阀被保持在第一位置中，但是当要增加钻柱的长度时，将塞子从侧孔移除，并且将从泵延伸的软管连接至侧孔，并且将软管中的阀打开，使得开始经由侧孔将泥浆泵入钻柱。从泵至钻柱的顶部的主软管中的阀随后被关闭，并且侧孔处泥浆的压力导致阀构件从第一位置移至第二位置，并且因此封闭钻柱的主孔。

然后主软管被分离，新的管道部分安装在钻柱上，并且主软管连接至新的部分的顶部。主软管中的阀被打开使得重新开始将泥浆泵入钻柱的顶部中，并且软管中至侧孔的阀关闭。进入钻柱的顶部的泥浆所引起的压力导致阀构件返回到其第一位置，从而允许软管从侧孔被移除，而基本上不从钻柱泄漏泥浆。然后在钻柱的该部分被降入井中之前例如通过将塞子焊接到侧孔上来永久地密封侧孔。

根据本发明的第一方面，提供一种钻管，该钻管具有：长形的管状主体，该管状主体具有围封主孔的内表面，该主孔大体上平行于所述管状主体的纵向轴线从该管状主体的第一端延伸到第二端；设置在所述管状主体的外表面中的侧口；穿过所述管状主体从所述主孔延伸到所述侧口的侧孔；以及阀组件，该阀组件能操作成基本上防止流体沿着所述主孔的流动并且基本上防止流体沿着所述侧孔的流动，其中，所述阀组件、所述侧口和所述侧孔设置在在所述钻管的位于该钻管的第一端处的第一连接部中，所述第一连接部包括所述管状主体的增厚部，在所述增厚部中，所述内表面和所述外表面的间隔显著大于所述管状主体的相邻部分，所述连接部的平行于所述管状主体的纵向轴线的长度小于64cm。

井孔不是始终是完全直的，并且在定向钻孔中，钻探井孔的弯曲部分是常见的。为了实现此钻井，对于钻管来说必需足够柔韧以允许其在钻井进行时绕井孔的弯曲部分弯曲。通过将用于连续的泥浆循环所需要的阀组件结合到工具接合部中，并且通过最小化工具接合部的长度，在钻管绕井孔的弯曲部分弯曲时由钻管经受的应力能沿着钻管的长度更均匀地分布，并且能降低所经受的最大应力。这可以有助于改善钻管的耐疲劳性。

优选地，阀组件包括第一阀构件和分离的第二阀构件，所述第一阀构件能在打开位置和关闭位置之间移动，在所述第一阀构件的所述打开位置中，允许流体沿着主孔的流动，在所述第一阀构件的所述关闭位置中，基本上阻止流体沿着所述主孔的流动，所述第二阀构件能在打开位置和关闭位置之间移动，在所述第二构件的所述打开位置中，允许流体沿着侧孔的流动，在所述第二构件的所述关闭位置中，基本上阻止流体沿着所述侧孔的流动。

所述第一阀构件能包括球，该球能在所述打开位置和所述关闭位置之间旋转。

所述第二阀构件能至少主要安装在所述侧孔内，并且能在所述侧孔中在所述打开位置和所述关闭位置之间滑动。

优选地，所述第一连接部设置有第一螺纹部。

优选地，在所述管状主体的所述第二端处具有第二连接部，所述第二连接部还包括所述管状主体的增厚部，在该增厚部中，所述内表面和所述外表面之间的间隔显著大于所述管状主体的相邻部分。在该情况下，优选地，所述第二连接部设置有第二螺纹部，该第二螺纹部是用于所述第一螺纹部的配对部。这意味着，通过使一个钻管的所述第一螺纹部与另一相同钻管的所述第二螺纹部配合能使所述一个钻管连接至所述另一钻管。所述第一螺纹部能设置在所述钻管的所述内表面中，即，所述第一连接部能是阴连接器，并且所述第二螺纹部能设置在所述钻管的所述外表面中，即，所述第二连接部是阳连接器。

现在将参照附图，仅通过示例来描述本发明的实施方式，附图中：

图1示出了贯穿根据本发明的两个互连钻管的端部的截面的示意图，

图2示出了贯穿根据本发明的钻管的端部的剖面图，为了清楚已从图中省除阀组件，

图3示出了贯穿图1所示的钻管的阀组件的一部分的截面的立体图，

图4示出了贯穿钻管的图1中标记X的部分的剖面图，

图5是贯穿图4所示的阀组件的一部分的详细剖面图，

图6是贯穿不具有罩的图5所示的阀组件的一部分的详细剖面图，以及

图7a和图7b是井孔的弯曲部分中钻管的两种不同构造的示意图。

现在参看图1，示出有钻管10的一部分，该钻管具有管状主体12，穿过该管状主体设置主孔14，该主孔大体上平行于管状主体12的纵向轴线A而从管状主体的第一端延伸至第二端。如对于钻管来说是典型的，在该示例中，管状主体12的外表面的横剖面大体上是圆形的，并且主孔14是柱状的并且穿过管状主体12从该管状主体12的第一端12a轴向延伸至第二端。在管状主体12的外表面中设置侧口16，并且侧孔18穿过管状主体12从主孔14延伸至侧口16，在该示例中，侧孔18大体上垂直于主孔14。

钻管10设置有阀组件，该阀组件能操作以基本上阻止流体沿着主孔14的流动并且基本上阻止流体沿着侧孔18的流动。在该示例中，阀组件包括两个分离的阀构件，即，第一阀构件20和第二阀构件22，该第一阀构件20能在打开位置和关闭位置之间移动，在打开位置中，允许流体沿着主孔14的流动，在关闭位置中，基本上阻止流体沿着主孔14的流动，该第二阀构件22能在打开位置和关闭位置之间移动，在打开位置中，允许流体沿着侧孔18的流动，在关闭位置中，基本上阻止流体沿着侧孔18的流动。

在该示例中，第一阀构件20是常规的方钻杆阀（Kelly valve），该阀包括球，该球能借助销24绕大体上垂直于纵向轴线A的轴线B旋转，该销24从主孔14穿过另一孔25延伸到管状主体12的外表面。销24具有头部26，该头部成形为能与诸如扳手或艾伦内六角扳手（allan key）之类的工具接合，并且工具用来在打开位置和关闭位置之间旋转球。球设置有中心孔20a，该中心孔在阀构件20处于打开位置时位于平行于管状主体12的纵向轴线，并且在阀构件20处于关闭位置时位于大体上垂直于纵向轴线A。将理解的是，阀构件20在图1中示出位于打开位置，并且当处于该位置时经由球20中的中心孔能发生流体沿着钻管10的主孔14的流动。相反，当球绕轴线B旋转时，球阻止流体沿着主孔14的流动。

在该示例中，第二阀构件22至少主要安装在侧孔内，并且能在侧孔18中在打开位置和关闭位置之间滑动。在该示例中，第二阀构件22包括提升止回阀，该提升止回阀安装在大体上筒状的阀壳体28中，该阀壳体保持在钻管10的外表面中的侧口16处的相应凹部中。在该示例中，在钻管10中设置一个侧孔18，但应该理解，可以包括一个以上的侧孔，以增加对于经由侧孔18钻管10的泥浆流可利用的横截面。阀壳体28借助螺纹（未示出）保持，该螺纹与侧孔18中的相应的螺纹接合，但是将理解的是，能使用螺栓或任何其他合适的紧固装置。另选地，阀壳体28能与钻管10的管状主体12形成为一体。

两个O形环30分别安装在设置于阀壳体28的外表面中的周向凹槽中并且提供阀壳体28和钻管10的管状主体12之间的液密密封。阀壳体28还设置有中心孔32，该中心孔大体上平行于钻管10中的侧孔18，并且阀构件22定位在中心孔32中。阀构件22包括杆34，该杆的一端对中地安装在盘36上，使得杆34大致正交于盘36向该杆的自由端延伸。圆形阀座38设置在阀壳体28的与钻管10的主孔14相邻的内端处。阀构件22定位成使得杆34从阀壳体28的内端延伸到阀壳体28的中心孔32中，而盘36位于侧孔18中而不突出到钻管10的主孔14中，在阀壳体28之外并且与阀壳体的内端相邻。盘36的直径大于中心孔32的直径和阀座38的阀座直径，使得当阀构件22处于关闭位置时，盘36与阀座38接合，从而提供大致液密密封，该液密密封基本上阻止流体沿着侧孔18流入钻管10中。

为了将阀构件22径向定位在阀壳体28的中心孔32内，而提供环状凸缘40，该环状凸缘从阀壳体28延伸到中心孔32中。凸缘40包括中心孔，该中心孔的直径仅略大于阀构件22的杆34的直径，并且阀构件22的杆34延伸穿过该孔。阀构件22借助螺旋弹簧42被偏压到关闭位置中，该螺旋弹簧在设置于凸缘40中的大致圆形凹槽和固定至杆34的自由端的轴环46之间延伸。因此必需抵抗弹簧42的偏压力移动阀构件22以便将其移出关闭位置而移到打开位置，在打开位置中流体能经由阀座38和盘36之间的空间流过中心孔32。阀构件22构造成使得这能通过将加压流体供应到连接至钻管10的侧孔18的软管来实现。

阀壳体28的中心孔32具有螺纹，使得罩48能如图4和图5所示设置。罩48设置有大致圆形的顶部48a，直径小于该顶部48a的大致筒状壁48b从该顶部48a延伸。壁48b延伸到阀壳体28的中心孔32中，并且设置有两个O形环50，每个O形环均位于绕壁48b的外表面的周向凹槽中。在顶部48a和O形环50之间的壁48a的外表面上设置螺纹，借助该螺纹罩48被保持在阀壳体28中。

O形环50与阀壳体28的中心孔32接合以提供大体上的液密密封。这确保了罩48提供二次密封，从而防止在由阀构件22提供的密封失效的情况下流体流过侧孔18而进入钻管10中。

可以使用其它紧固装置来将罩48保持在阀壳体28中。例如，可以使用卡销或类似类型的快速连接方法来代替螺纹。

在钻管的通常操作模式期间，主孔14内存在有压力，该压力迫使阀构件22抵靠阀座38。为了使用第二阀，在连接新长度的钻管期间，移除罩48。罩48也可以设置有卸放槽（未示出），以允许安全排出中心孔32中捕获的压力。一旦罩48被移除，适配器（未示出）就能被拧到螺纹中，该适配器设置有类似于罩48上的O形环50的O形环，以确保阀壳体28和适配器之间的大体上的液密密封。因此能通过该适配器供应流体压力，一旦所施加的压力足以克服弹簧42的偏压力并且超过钻管10的孔14中的压力，就将开始从座38抬起盘36。在该点处第二阀22被打开，并且流体流将穿过周向间隙进入钻管10的主孔14中。

一旦流动停止，并且适配器中的压力被降低到钻管10中的压力以下，第二阀就将关闭。弹簧42将始终确保，在不存在从钻管10的内孔施加的压力并且不存在从外面施加的压力时阀始终保持在关闭位置。

应该理解的是，本发明不限于阀组件的该构造，并且第二阀22可以有利地如申请人的共同待审专利申请WO2010/046653所述。

第一阀20和第二阀22、侧口16和侧孔18都设置在钻管10的位于其第一端处的第一连接部10a中，第一连接部10a包括管状主体12的增厚部，在该增厚部中，内表面和外表面的间隔显著大于管状主体12的相邻部分。

通过保持钻管10的内径沿着其整个长度恒定，外径在第一端10a处增大，如图1所示，可以实现增厚。另选地，除了外径增大外，通过减小连接部10a的至少一部分范围内的内径，如图2所示，可以提供进一步的增厚。在图2所示的本发明的实施方式中，钻管10的内径在从钻管10的末端部成段地减小。首先，设置有第一锥形部52，在该第一锥形部中内径线性减小，并且在该示例中该第一锥形部是具有螺纹的，然后具有恒定内径部分54，销接收孔25延伸通过该恒定内径部分54，紧接着是台阶部56，在该台阶部中内径呈两段进一步减小到恒定内径的第二部分58，侧孔18延伸通过该恒定内径的第二部分58。最后，存在第二锥形部60，在该第二锥形部中内径略微增大。第一恒定内径部分54设置有周向内凹槽62，该周向内凹槽在使用中接收保持环，该保持环将球阀20保持就位。

在管状主体12的第二端处存在第二连接部，该第二连接部10b也包括管状主体12的增厚部，在该增厚部中内表面和外表面的间隔显著大于管状主体12的相邻部分。在该示例中，第二连接部10b设置有第二螺纹部64，该第二螺纹部是用于第一螺纹部52的配合部。第一螺纹部52设置在钻管10的内表面中，即，第一连接部是阴连接器，并且第二连接部64设置在钻管10的外表面中，即，第二连接部10b是阳连接器。这意味着钻管10能通过使一个钻管10的第一螺纹部52与另一相同的钻管10’的第二螺纹部64’配合（如图1所示）而连接至另一钻管10’。

平行于管状主体的纵向轴线的第一连接部10a的长度在19英寸（48cm）至25英寸（64cm）之间。理想地该长度小于24英寸长，并且在该示例中是23.85英寸长。

通过将用于连续的泥浆循环所需要的阀组件结合到工具接合部中，并且通过使工具接合部的长度最小，在钻管10绕井孔的弯曲部分被弯曲时由该钻管经受的应力能沿着该钻管的长度更均匀地分布。这在图7a和图7b中示出，图7a和图7b示出了包含钻管10的两种不同的构造的井孔66的弯曲部。在图7a中，第一连接部10a和第二连接部10b相对长，而在图7b中，第一连接部10a和第二连接部10b相对短。能看到，在图7a中在较厚的并且因此较刚性的连接部与较薄的并且因此更柔韧的钻管的中央部之间的过渡区处存在比图7b中的更尖锐的弯曲。这样，能降低由钻管经受的最大应力，并且这可以有助于改善钻管10的抗疲劳性。

当在本说明书和权利要求中使用时，术语“包括”和“包括有”以及其变型意味着特定的特征、步骤或整体被包括。这些术语不被解释为排除其他特征、步骤或部件的存在。

前述说明书、随附的权利要求或附图中所公开的特征可以独立地或以这些特征的任何组合被利用，以用不同的形式为实现本发明，这些特征视情况而定以它们的特定形式或根据用于执行所公开的功能的装置或用于获得所公开的结果的方法或过程被表示。

Claims (9)

1.一种钻管，该钻管具有：长形的管状主体，该管状主体具有围封主孔的内表面，该主孔大致平行于所述管状主体的纵向轴线从该管状主体的第一端延伸至第二端；设置在所述管状主体的外表面中的侧口；穿过所述管状主体从所述主孔延伸到所述侧口的侧孔；以及阀组件，该阀组件能操作为基本上阻止流体沿着所述主孔的流动并且基本上阻止流体沿着所述侧孔的流动，其中，所述阀组件、所述侧口和所述侧孔设置在所述钻管的位于该第一钻管的第一端处的第一连接部中，所述第一连接部包括所述管状主体的增厚部，在该增厚部中，所述内表面和所述外表面的间隔显著大于所述管状主体的相邻部分，所述第一连接部的平行于所述管状主体的纵向轴线的长度小于64cm。

2.根据权利要求1所述的钻管，其中，所述阀组件包括第一阀构件和分离的第二阀构件，所述第一阀构件能在打开位置和关闭位置之间移动，在所述第一阀构件的所述打开位置中，允许流体沿着所述主孔的流动，在所述第一阀构件的所述关闭位置中，基本上阻止流体沿着所述主孔的流动，所述第二阀构件能在打开位置和关闭位置之间移动，在所述第二阀构件的所述打开位置中，允许流体沿着所述侧孔的流动，在所述第二阀构件的所述关闭位置中，基本上阻止流体沿着所述侧孔的流动。

3.根据权利要求2所述的钻管，其中，所述第一阀构件包括球，所述球能在所述打开位置和所述关闭位置之间旋转。

4.根据权利要求2所述的钻管，其中，所述第二阀构件至少主要安装在所述侧孔内，并且能在所述侧孔中在所述打开位置和所述关闭位置之间滑动。

5.根据任一前述权利要求所述的钻管，其中，所述第一连接部设置有第一螺纹部。

6.根据任一前述权利要求所述的钻管，其中，在所述管状主体的所述第二端处具有第二连接部，所述第二连接部也包括所述管状主体的增厚部，在该增厚部中，所述内表面和所述外表面的间隔显著大于所述管状主体的相邻部分。

7.根据权利要求6所述的钻管，其中，所述第二连接部设置有第二螺纹部，该第二螺纹部是用于所述第一螺纹部的配合部。

8.根据权利要求5和7所述的钻管，其中，所述第一螺纹部设置在所述钻管的所述内表面中，并且所述第二螺纹部设置在所述钻管的所述外表面中。

9.一种基本上如以上参照附图所述的和/或如附图中所示的钻管。

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