CN104100211B - 用于连接钻井立管柱和它的组成部分的方法和装置 - Google Patents

用于连接钻井立管柱和它的组成部分的方法和装置 Download PDF

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Abstract

在一个实施例中，本发明涉及一种用于海上钻井的立管装置，该钻井用于油或其它化石燃料，该立管装置包括：多个立管部分，这些立管部分首尾连续连接，其中，每个立管部分都包括：管，该管具有第一端和第二端；第一凸缘件，该第一凸缘件与管的第一端部机械连接；以及第二凸缘件，该第二凸缘件与管的第二端部机械连接；其中，管由铝合金构成，凸缘件由铝合金构成；所述立管装置的长度为大约1500米或更长。

Description

用于连接钻井立管柱和它的组成部分的方法和装置
本申请是名称为“用于连接钻井立管柱和它的组成部分的方法和装置”、国际申请日为2008年04月28日、国际申请号为PCT/US2008/061801、国家申请号为200880019663.0的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及用于海上钻井的海上钻井立管装置，该钻井用于油或其他化石燃料。
背景技术
海上钻机(例如固定平台、自升式平台、浮动和/或半水下平台以及动态定位的钻井船)用于从较大水体的水底下面生产烃。立管柱通常布置在浮式钻机和海底的井口之间。普通的海上立管包括由铁金属制(例如钢)成的圆柱形管或柱，该圆柱形管或柱垂直定位在海底和海面的钻井平台之间。立管通常包括多个部分或接头，这些部分或接头在海面和井身之间首尾连接成管柱。日益增加的在更深的水中钻井的要求需要使用附加的立管，以便横跨从海底至浮式平台的距离。
在一个实例中，普通的钻井立管包括厚壁的主管，该主管的OD为21英寸，具有在各端处的焊接连接件(通常为凸缘)。压井和阻流管线、升压器管线和液压管线通过在凸缘中的连接件而环绕主管，并由夹子支承。现有的设备能够挤出36英尺(11m)的管，该管具有直到22.4英寸(570mm)的OD和1.2英寸(30mm)至1.4英寸(35mm)的壁厚。维护管线利用焊接夹带与主管连接。需要夹子来防止维护管线弯折，并阻止浮动模块移动和提供用于防腐蚀单元的支承。
发明内容
因此，本发明提供了一种用于海上钻井操作的改进立管。根据本发明的一个实施例，用于海上钻井中的立管装置包括多个立管部分，这些立管部分首尾连续连接，其中，每个立管部分都包括：管，该管具有第一端和第二端；第一凸缘件，该第一凸缘件与管的第一端部机械连接；以及第二凸缘件，该第二凸缘件与管的第二端部机械连接，其中，管包括沿长度的可变壁厚。
在又一实施例中，本发明涉及多个立管部分，这些立管部分首尾连续连接，其中，每个立管部分都包括：管，该管具有第一端和第二端；第一凸缘件，该第一凸缘件与管的第一端部机械连接；以及第二凸缘件，该第二凸缘件与管的第二端部机械连接，其中，管由铝合金构成，凸缘件由铝合金构成。
在另一实施例中，立管装置可以选择地包括一个或多个辅助管线，该辅助管线提供了与防喷器的液压连通。该辅助管线可以包括(但不局限于)阻流和压井管线、液压管线以及升压器管线。与提供辅助管线相关，还可以提供伸缩接头，以便能够随着由于例如洋流、波浪和风等因素产生的浮式钻机的运动而拉伸立管。
为了更完全地理解本发明，包括它的特征和优点，现在结合附图进行下面的详细说明。
附图说明
通过下面的参考附图的说明和权利要求，将清楚本发明的其它目的、优点、特点和特征结构、结构的相关元件的方法、操作和功能以及部件的组合和制造的经济性，全部附图形成本说明书的一部分，在各附图中，相同参考标号表示相应的部件，在附图中：
图1是本发明的一个实施例，显示了锥管/偏梯形/裂口螺纹的连接；
图2是本发明的一个实施例，显示了热缩套筒的连接；
图3是本发明的一个实施例，显示了开口环的连接；
图4是本发明的一个实施例，显示了锻造锁的连接；
图5是本发明的一个实施例，显示了自旋锁的连接；
图6是本发明的一个实施例，显示了磁形式(Magna-Form)锁的连接；
图7是本发明的一个实施例，显示了扩口&锁的连接；
图8是本发明的一个实施例，显示了开口键锁的连接；
图9是本发明的一个实施例，显示了水力形式锁的连接；
图10和10A－10C是本发明的实施例，显示了超级螺母类型连接件的连接；
图11是本发明的一个实施例，显示了型钢锁类型接头的连接；以及
图12和12A是本发明的一个实施例，显示了开口凸缘的连接。
在不同附图中的相应标号和标记表示相应部分，除非另外说明。
具体实施方式
海上钻机包括由平台承载的塔架。平台通过一个或多个浮筒的支承而浮在海底上面的水体中。塔架的功能主要是在部署时钻探井身，并从井中泵送油和其它化石燃料。
立管从平台延伸至钻探设备和防喷器(BOP)，该防喷器包括一系列的阀，这些阀能够关闭以便防止任何意外喷出。立管24的主要功能是引导钻探管和工具至井身，并提供钻井泥浆的返回通路，该钻井泥浆在该返回通路中循环。
立管包括连接在一起的多个细长立管接头或立管部分。在一个实施例中，各立管部分具有很高的强度-重量比，这样，各立管部分可以抵抗封闭于其内的材料的压力以及适应舱面负载和由于附加立管部分的悬浮而引起的负载。在另一实施例中，立管部分能够承受钻井泥浆和盐水的热和腐蚀作用。
立管还用于完井和修井处理。这些立管可以是单独的立管，或者所需功能可以组合在单个“完井/修井立管”中。完井立管通常用于使得油管悬挂器和油管延伸通过钻井立管和BOP。修井立管用于代替钻井立管，以便通过外海中的水下采油树而重新进入井中。该立管可以用于安装水下采油树。“完井/修井”立管将组合两者的所需功能。这些立管通常为更小直径(5.25英寸ID)并使用～45英尺接头长度来装配。
生产立管(或浮式生产系统立管)是在水下设备和海面平台之间的流体导管。立管是在海底的静止结构和动态浮式生产系统之间的界面。因此，除了它的流体和压力容纳的主目的，它还必须适应伴随的动态负载。生产立管的直径可以根据使用类型而明显变化，但是通常为12英寸的OD。生产立管根据类型而通过焊接或螺纹和连接接头连接来制造。
在生产的流体已经通过“生产立管”供给浮式生产系统(或顶侧)之后，油与井流(wellstream)的油、气和水分离，然后，油通过“输出立管”而从顶侧输送至水底管线。该输出立管通常为焊接钢管结构，并布置成简单的悬链线形状。
在一个实施例中，管以及第一和第二凸缘连接件由具有一个或多个以下特性的材料来制造：最小屈服强度在大约50和大约90Ksi之间，特别是在大约68和大约80Ksi之间，且极限拉伸强度(UTS)为至少大约58至750Ksi。在本发明的一个实施例中(但不必须)，材料的密度为钢密度的大约三分之一。
在另一实施例中，辅助管线可以包括(但不限于)阻流和压井管、液压管以及升压器管。辅助管线定位在管的外部，并用于提供与BOP和井口的液压连通。
在另一实施例中，一个管的一端和凸缘连接件之间是机械配合。机械配合也可以用于将两个大致圆柱形的管段连接在一起。机械配合代替将凸缘连接件焊接到管上的普通方法。机械配合代替焊接方法，该焊接方法由于焊接强度总是低于母体金属的强度而产生问题。而且，焊缝和/或焊接热影响区域的抗腐蚀性总是低于母体材料的抗腐蚀性。
在又一实施例中，使用机械接头来代替焊接接头。合适的机械接头包括但不局限于：螺纹接头、螺栓或其它类型的普通机械接头。机械接头的优点可以包括能够保持接头中的母体金属的特性(强度和抗腐蚀性)。在需要多个管部分来组成立管部分的另一实例中，这些管部分可以通过连接件来连接。在又一实施例中，在接头区域中设置密封剂。
在又一实施例中，立管部分还包括螺纹插入件、螺栓和鼻销，用于将管柱或一系列立管部分牢固连接在一起。立管部分还包括辅助管线插口、辅助管线锁定螺母、辅助管线盒、辅助管线管和辅助管线伸缩销，用于以本领域技术人员已知的方式来将各辅助管线固定。伸缩销有效地用于提供在立管部分的连接件之间的间隙，以便允许拉伸运动。
在又一实施例中，本发明的铝钻井立管系统包括立管部分，其中，管包括沿长度的可变壁厚。例如，管可以在机械接头所处的端部处较厚。
在一个实施例中，管部分为大约33英尺长，其中，两个管和两个凸缘组成立管部分(总共～75英尺)。本发明的方法和装置涉及在机械接头处增加壁厚，这减小了立管部分的负载承载能力的总损失。在一个实施例中，厚度增加直到母体管金属与机械接头区域强度的比例。例如，厚度可以在机械接头区域处增加至少30％。
在另一实施例中，管厚度沿管的长度连续变化，或者以单台阶或多台阶而变化。在另一实例中，具有更大壁厚的管长度是变化的(例如，更短导致最小重量的设计，但是该长度应当比焊接区域(包括热影响区域)长，以便有最大效率)。对于单台阶方法，厚度减小的速率是另一变量(例如更快、快速)。在使用单台阶的一个特殊实例中，1-3英尺长度为较厚部分，且在1-2英尺长度中的厚度减小。在又一实施例中，OD和/或ID是变化的。
在又一实施例中，使用多种方法来制造锥体。例如，该锥体可以通过机械加工和/或金属加工操作(该金属加工操作使材料运动，而不是除去材料)来制造。
对于立管应用，本发明可以采用任何材料、任何几何形状和任何制造方法。在又一实施例中，材料是铝合金。在又一实施例中，管是挤压管，其中，挤压处理用于产生几何形状。
合适材料包括但不限于：等级例如AA6063-T6、AA6061-T6、AA2219-T6或AA2219-T8、AA2519-T8、AA7039-T6和AA7005-T6，或者摩擦搅动可焊接等级例如AA7075-T6、AA7050-T76、AA7050-T74、AA7055-T77、AA7055-T76、AA7085-T6、AA7085-T76，或者具有混合可焊接性的合金例如AA2099-T8、AA2199-T8或AA2195-T8。
合适材料还包括但不限于：Aluminum Association的2XXX、5XXX、6XXX、7XXX以及该族合金的Russian等效物。在又一实施例中，合适材料还可以包括但不限于：用于抗腐蚀的Al-Li合金。
图1是本发明的一个实施例，显示了锥管/偏梯形/裂口螺纹的连接。裂口螺纹允许线性负载，同时锁定局部旋转。偏梯形螺纹设计成承载较高的轴向负载。因此，立管的管和凸缘螺纹连接，这样，立管的管插入到凸缘中，并旋转以便与螺纹啮合。
图2是本发明的一个实施例，显示了热缩套筒的连接。凸缘或螺纹被加热，以便膨胀套在立管的管上面，然后冷却以产生压缩接合。其它特征可以包含在部件交界面中，以提高机械互锁。
图3是本发明的一个实施例，显示了开口环的连接。开口环包括提高机械互锁的特征，该特征设计成凸缘或套筒或管。凸缘和套筒是开口的。通过将凸缘半部和套筒半部螺栓连接在一起并因此捕获立管的管而安装在立管的管上。
图4是本发明的一个实施例，显示了锻造锁的连接。工具将凸缘或套筒锻造到立管的管上。
图5是本发明的一个实施例，显示了自旋锁的连接。工具逐渐将凸缘或套筒形成于立管的管上。当工具使立管的管进给时，该工具或组件旋转。
图6是本发明的一个实施例，显示了磁形式锁的连接。磁脉冲负载将凸缘或套筒锻造到立管的管上。
图7是本发明的一个实施例，显示了扩口&锁的连接。立管的管中的墩锻处(upset)或扩口被捕获于多件式凸缘中，并螺栓连接就位。
图8是本发明的一个实施例，显示了开口键锁的连接。开口键环被楔入，并通过在立管中的拉伸而被锁定。当立管不处于拉伸时，保持环或销将环保持就位。在一个实施例中，凸缘环经过键啮合而被加载到立管的管上。开口键环安装在立管的管上。凸缘环朝着立管的管端往回运动，并楔入键环。保持环或销安装成将凸缘环保持就位。
图9是本发明的一个实施例，显示了水力形式锁的连接。立管的管的一部分膨胀且锁定至凸缘中。内部压力施加在立管的管的控制部分上。可以使用多种接头几何形状和交界面。
图10是本发明的一个实施例，显示了超级螺母类型连接件的连接。图10A－10C附加显示了该实施例。图12C显示了在管上的鼻销螺纹。螺栓的拧紧使得凸缘提高至锥形管部分上。
图11是本发明的一个实施例，显示了型钢锁类型接头的连接。楔形件在轴向负载的作用下产生压缩箍环应力。
图12是本发明的一个实施例，显示了开口凸缘的连接。图12A是附加的视图。
尽管已经参考所示实施例介绍了本发明，但是该说明并不能在限制意义上进行解释。本领域技术人员参考该说明将清楚本发明的所示实施例和其它实施例的各种变化和组合。因此，附属权利要求将包含任意这些变化或实施例。

Claims (19)

1.一种用于海上钻井的海上钻井立管装置，该钻井用于油或其它化石燃料，该海上钻井立管装置包括：
多个海上金属钻井立管部分，这些立管部分首尾连续连接，其中，每个海上金属钻井立管部分在联接至另一个海上金属钻井立管部分之前都包括：
海上金属钻井立管部分管，该管具有第一端部和第二端部；
第一金属立管凸缘件，该第一金属立管凸缘件与海上金属钻井立管部分管的第一端部机械连接，形成第一机械接合；
第二金属立管凸缘件，该第二金属立管凸缘件与海上金属钻井立管部分管的第二端部机械连接，形成第二机械接合；并且
其中，海上钻井立管装置基于以下而能够承受由海上钻机以及让海上钻井立管装置悬浮于其中的水体所施加的动态负载：
海上金属钻井立管部分管由至少一种铝合金构成，该至少一种铝合金从2XXX合金、5XXX合金、6XXX合金、7XXX合金和Al-Li合金所构成的组中选出，
第一和第二金属立管凸缘件适于将多个海上金属钻井立管部分首尾连续连接，
第一机械接合和第二机械接合无焊接，使得在每个相应的机械接合中，每个相应的金属立管凸缘件与海上金属钻井立管部分管的每个相应的端部从物理上区别开，从而维持该相应的金属立管凸缘件的预接合物理整合性，并且，
其中，第一机械接合的第一金属立管凸缘件和第二机械接合的第二金属立管凸缘件借助于海上金属钻井立管部分管上的螺纹件紧固，其中螺纹件从锥管螺纹件、偏梯形螺纹件和裂口螺纹件所构成的组中选出。
2.根据权利要求1所述的海上钻井立管装置，其中，海上金属钻井立管部分管还包括：第一海上金属钻井立管部分管段和第二海上金属钻井立管部分管段，其中第一海上金属钻井立管部分管段通过第三无焊接机械接合与第二海上金属钻井立管部分管段连接，从而产生海上金属钻井立管部分管。
3.多个海上金属钻井立管部分，这些海上金属钻井立管部分首尾连续连接，其中，每个海上金属钻井立管部分在联接至另一个海上金属钻井立管部分之前都包括：
海上金属钻井立管部分管，该管具有第一端部和第二端部；
第一金属立管凸缘件，该第一金属立管凸缘件与海上金属钻井立管部分管的第一端部机械连接，形成第一机械接合；
第二金属立管凸缘件，该第二金属立管凸缘件与海上金属钻井立管部分管的第二端部机械连接，形成第二机械接合；
其中，多个海上金属钻井立管部分基于以下而能够承受由海上钻机以及让多个海上金属钻井立管部分悬浮于其中的水体所施加的动态负载：
海上金属钻井立管部分管由至少一种铝合金构成，该至少一种铝合金从2XXX合金、5XXX合金、6XXX合金、7XXX合金和Al-Li合金所构成的组中选出，
第一和第二金属立管凸缘件适于将多个海上金属钻井立管部分首尾连续连接，
第一机械接合和第二机械接合无焊接，使得在每个相应的机械接合中，每个相应的金属立管凸缘件与海上金属钻井立管部分管的每个相应的端部从物理上区别开，从而维持该相应的金属立管凸缘件的预接合物理整合性，并且，
其中，第一机械接合的第一金属立管凸缘件和第二机械接合的第二金属立管凸缘件借助于海上金属钻井立管部分管上的螺纹件紧固，其中螺纹件从锥管螺纹件、偏梯形螺纹件和裂口螺纹件所构成的组中选出。
4.根据权利要求3所述的多个海上金属钻井立管部分，其中，海上金属钻井立管部分管还包括：第一海上金属钻井立管部分管段和第二海上金属钻井立管部分管段，其中第一海上金属钻井立管部分管段通过第三无焊接机械接合与第二海上金属钻井立管部分管段连接，从而产生海上金属钻井立管部分管。
5.根据权利要求3所述的多个海上金属钻井立管部分，其中，海上金属钻井立管部分管的第一端部通过热缩套筒与第一金属立管凸缘件机械连接。
6.根据权利要求3所述的多个海上金属钻井立管部分，其中，海上金属钻井立管部分管的第一端部通过开口环与第一金属立管凸缘件机械连接。
7.根据权利要求3所述的多个海上金属钻井立管部分，其中，海上金属钻井立管部分管的第一端部通过锻造锁与第一金属立管凸缘件机械连接。
8.根据权利要求3所述的多个海上金属钻井立管部分，其中，海上金属钻井立管部分管的第一端部通过自旋锁与第一金属立管凸缘件机械连接。
9.根据权利要求3所述的多个海上金属钻井立管部分，其中，海上金属钻井立管部分管的第一端部通过磁形式锁与第一金属立管凸缘件机械连接。
10.根据权利要求3所述的多个海上金属钻井立管部分，其中，海上金属钻井立管部分管的第一端部通过扩口与锁与第一金属立管凸缘件机械连接。
11.根据权利要求3所述的多个海上金属钻井立管部分，其中，海上金属钻井立管部分管的第一端部通过开口键锁与第一金属立管凸缘件机械连接。
12.根据权利要求3所述的多个海上金属钻井立管部分，其中，海上金属钻井立管部分管的第一端部通过水力形式锁与第一金属立管凸缘件机械连接。
13.根据权利要求3所述的多个海上金属钻井立管部分，其中，海上金属钻井立管部分管的第一端部通过超级螺母类型连接件与第一金属立管凸缘件机械连接。
14.根据权利要求3所述的多个海上金属钻井立管部分，其中，海上金属钻井立管部分管的第一端部通过型钢锁类型接头与第一金属立管凸缘件机械连接。
15.根据权利要求3所述的多个海上金属钻井立管部分，其中，海上金属钻井立管部分管的第一端部通过开口凸缘与第一金属立管凸缘件机械连接。
16.根据权利要求3所述的多个海上金属钻井立管部分，其中，海上金属钻井立管部分管包括沿长度的可变壁厚，这样，海上金属钻井立管部分管在机械接合所处的端部处较厚。
17.根据权利要求3所述的多个海上金属钻井立管部分，其中，在海上金属钻井立管部分管和金属立管凸缘件之间的机械接合被设计成使得联接的多个海上金属钻井立管部分延伸至少大约1500米或更长的长度。
18.一种海上金属钻井立管，包括：
海上金属钻井立管部分管，该海上金属钻井立管部分管具有第一端部和第二端部；
第一金属立管凸缘件，该第一金属立管凸缘件与海上金属钻井立管部分管的第一端部机械连接，形成第一机械接合；
第二金属立管凸缘件，该第二金属立管凸缘件与海上金属钻井立管部分管的第二端部机械连接，形成第二机械接合；
其中，海上钻井立管装置基于以下而能够承受由海上钻机以及让海上金属钻井立管悬浮于其中的水体所施加的动态负载：
海上金属钻井立管部分管由至少一种铝合金构成，该至少一种铝合金从2XXX合金、5XXX合金、6XXX合金、7XXX合金和Al-Li合金所构成的组中选出，
金属立管凸缘件适于将多个海上金属钻井立管部分首尾连续连接，
第一机械接合和第二机械接合无焊接，使得在每个相应的机械接合中，每个相应的金属立管凸缘件与海上金属钻井立管部分管的每个相应的端部从物理上区别开，从而维持该相应的金属立管凸缘件的预接合物理整合性，并且，
其中，第一机械接合的第一金属立管凸缘件和第二机械接合的第二金属立管凸缘件借助于海上金属钻井立管部分管上的螺纹件紧固，其中螺纹件从锥管螺纹件、偏梯形螺纹件和裂口螺纹件所构成的组中选出。
19.根据权利要求18所述的海上金属钻井立管，其中，海上金属钻井立管部分管还包括：第一海上金属钻井立管部分管段和第二海上金属钻井立管部分管段，其中第一海上金属钻井立管部分管段通过第三无焊接机械接合与第二海上金属钻井立管部分管段连接，从而产生海上金属钻井立管部分管。
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