CN104929552A - 扭矩锚、用来泵送并防止旋转的系统、以及配备这种扭矩锚的泵送装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及扭矩锚(30)，其防止管柱相对于用来泵送流体的井的套管旋转，其特征在于包括：框架(36)，其用于安装在套管中；内部通道(50)，其形成在框架(36)中；至少一个腔(52、54、56)，其与内部通道流体连通，所述腔沿径向方向延伸；和至少一个锚固活塞(38、40、42)，当容纳在内部通道(50)中的泵送流体在所述锚固活塞上施加力时，锚固活塞(38、40、42)能够相对于框架(36)沿径向方向滑动和在套管(6)上施加扭矩。本发明还涉及用于泵送并防止旋转的系统，和配备这种扭矩锚的泵送设备。

Description

扭矩锚、用来泵送并防止旋转的系统、以及配备这种扭矩锚的泵送装置

技术领域

本发明涉及防止管柱相对于井的套管旋转的扭矩锚，和/或配备包括这种扭矩锚的螺杆泵的泵送系统。

背景技术

已知用于泵送系统的扭矩锚，尤其是通过文件US 6155346，其具有安装在固定到管柱的凸轮上的齿。所述齿通过所述凸轮在收缩位置与锁定位置之间移位，收缩位置在扭矩锚内侧，在锁定位置，齿从扭矩锚的框架向外径向延伸并抓牢套管。

这种扭矩锚具有很多缺点。

首先，它们基于支撑技术，从而可能由于由螺杆泵产生的强振动而在生产期间变成非锚固。这会使管柱变得松动并落入井下，使生产彻底停止并导致恢复运行的显著成本。

还有，在一些情况下，收缩机构会被沙土堵塞或受腐蚀影响。在这种情况下，扭矩锚被施加的力向上提升，损坏套管和井内设备。

此外，通过操作员使用扳手从表面旋转管柱将齿带到锁定位置。随着操作员使用扳手施加扭转应力，该旋转操作会危害操作员的安全。当扳手滑动时，操作员可能会受到伤害。

另外，在正常操作期间，支撑所要求的原理是齿与套管之间非常高的接触压力。因此，考虑到泵送期间较高水平的振动，非常值得怀疑，必须具有破坏形状以开始支撑的齿会“加工”套管。

此外，一些井在生产期间经受显著的温度变化。这些温度变化使管柱膨胀使其在长度上可增长多达6米，但是由于套管被加固到地层，所以套管仅有很少的膨胀或者没有膨胀。在这些温度变化期 间，扭矩锚被管柱的膨胀推动，相对于套管沿井的纵向轴线运动。由于扭矩锚的齿总是嵌入套管中，怀疑会对套管的内壁造成划伤，但是还没有量化。

最后，为确保扭矩锚的齿恰当地抓住套管，会在扭矩锚下降到井下之前在井表面处驱使所述齿进入锁定位置。在这种情况下，随着扭矩锚下降到井下，套管总成会被撕裂和损害。

文件EP 1371810描述钻井设备的抗旋转设备。所述抗旋转设备能够防止钻井设备在被钻的地层内旋转。它包括能够在收缩位置与伸展位置之间径向运动的活塞，活塞在伸展位置向框架外径向延伸并与被钻的地层接合。使用液压致动器实现活塞进入到伸展位置的运动。弹簧使活塞返回到收缩位置(图10，183段)。

然而，该抗旋转设备对于在转子旋转时由定子施加到生产管的扭转力来说设计不足。该文件中描述的抗旋转设备不能抵抗这种应力。此外，传输框架内的加压流体以致动活塞运动的通道的构造对于制造来说是复杂的。最后，如果发生失效，维修或替换液压泵将是非常昂贵的，因为这会要求清空生产管。对于钻机来说平均维修操作间隔时间是10天，然而对于流体泵送系统是约2年。

此外，钻孔中的温度经常是非常高的。

最后，该抗旋转设备不适于在配备套管的泵送装置中使用，因为为了锚固活塞，活塞必须匹配咬入被钻地层中的尖齿。这种抗旋转设备会割入泵送装置的套管并对套管造成损害。如果去掉销或齿，则所述抗旋转设备不能防止生产柱的旋转，因为由定子中转子的旋转而产生的振动是非常快速的、很多且振幅很大。对于被钻地层的损害并不是问题，因为接下来它将会被加固到所述地层的套管覆盖。

发明内容

本发明的目的是提供能够经受高扭转力矩的扭矩锚。

为此目的，本发明涉及一种扭矩锚，其用于防止管柱相对于井套管旋转，所述井套管用来通过螺杆泵泵送流体，所述锚包括：

-框架，其用于安装在套管中，

-内部通道，其形成在框架中，所述内部通道沿轴向方向延伸；

-至少一个腔，其与内部通道流体连通，所述腔沿径向方向延伸，和

-至少一个锚固活塞，其配合到所述径向腔，

其中，所述锚包括至少一个预加载弹簧，其能够在所述锚固活塞与框架之间作用以使所述锚固活塞以径向方向对着套管偏压；

并且其中，所述内部通道被泵送流体遍历，当容纳在内部通道中的泵送流体在所述锚固活塞上施加力时，所述锚固活塞能够相对于框架沿径向方向滑动并且能够在套管上施加扭矩；所述力是内部通道内的压力与框架外的压力之间的压力差的函数。

有利地，本扭矩锚使用内部通道与环的压力之间的压力差防止管柱相对于套管旋转，所述环限定在框架的外部面与套管之间。该压力差由螺杆泵产生。所述压力差可达到几十兆帕。从而扭矩锚可向套管的内壁施加非常大的扭矩。此外，因为扭矩是螺杆泵的入口与出口之间的压力差的函数，所以该扭矩适应于所要求的夹紧扭矩。螺杆泵的排出压力自动地控制由扭矩锚施加的扭矩。

有利地，当螺杆泵的入口与出口之间没有压力差时，扭矩锚变成非锚固而不需要任何动作。从而，有利地，扭矩锚不会由于沙土或结垢而被卡在井下。

有利地，该扭矩锚是紧凑的。特别地，具有在相同平面内的多个活塞的模块的量度在1英尺与2英尺之间。

有利地，在扭矩锚已经被下入套管内几米时，该扭矩锚是可测试的。

该扭矩锚设计简单。特别地，在维护操作期间可容易地从框架移除锚固活塞。

根据某些实施例，扭矩锚包括一个或多个下述特征：

-框架包括法兰，所述法兰面向锚固活塞的平的面的外围，所述法兰形成包含在垂直于径向方向的平面中的平的肩部，所述至少一 个预加载弹簧由所述肩部支撑。

有利地，当在内部通道与环之间没有压力差时，例如在转子插入定子中时或者在螺杆泵启动时，预加载弹簧允许向套管的内壁施加扭矩。

-法兰形成具有用于抑制泵送流体的流动的至少一个开口的壁；所述至少一个开口具有的表面面积在径向腔的横截面的表面面积的0.5％与5％之间；所述横截面垂直于径向方向。

框架经受由螺杆泵产生的很强的振动。

有利地，一个或多个节流器能够抑制泵送流体的流动并从而缓解框架振动。

–框架包括插在径向腔与锚固活塞之间的套筒；所述套筒包括所述法兰和延伸到内部通道中的所述法兰的至少部分。

有利地，该实施例允许使用较长的弹簧，所述较长的弹簧对温度波动和套管直径的变化较不敏感，使得扭矩锚的性能更加稳定。

-所述套筒由陶瓷制成。

有利地，该装备消除锚固活塞被卡在套筒内的任何风险。该装备还帮助控制微生物腐蚀的风险。该实施例对要求长使用寿命或者涉及高温度的应用是较理想的。

-所述锚固活塞包括头部和沿头部的外围延伸的裙部，所述头部和所述裙部形成通向内部通道的室；所述预加载弹簧被容纳在所述室中并由所述裙部引导。

有利地，在维护操作期间可容易地从框架移除预加载弹簧。

-锚固活塞和径向腔具有带有圆形基座的圆柱形状，锚固活塞被旋转防止设备防止相对于框架旋转。

-旋转防止设备包括凹槽和能够在所述凹槽中以径向方向滑动的齿；凹槽和齿中的一个与裙部的自由端成为整体，而另一个与框架成为整体。

-锚固活塞和径向腔的横向截面具有长圆形形状。

有利地，该形式防止径向腔内锚固活塞的旋转而不需要附加的 牙嵌式离合器。

该形式还允许增加活塞的表面面积并且从而增加施加到套管的力。最后，该形式允许增加与套管的接触长度，其减少接触压力并促进在载荷作用下套管接箍的通过。

-锚固活塞具有面向套管的外部面，所述外部面设置有优选为直线式的唇部。

-当锚固活塞布置在单个平面中时，所述唇部延伸套管内径的30％与70％之间，并且优选延伸套管内径的30％与48％之间，并且当锚固活塞布置在多个平面中时，端部锚固活塞的唇部的端部之间限定的距离为套管内径的30％与70％之间，并且优选为套管内径的30％与48％之间。

有利地，该长度允许套管接箍的通过而不对套管造成损害。

-扭矩锚包括垫圈，所述垫圈确保锚固活塞与套筒或框架之间的流体紧密密封。

-扭矩锚包括至少一个支架，当扭矩锚被下放到井下时，所述支架能够在收缩位置保持锚固活塞；所述支架一边附接至锚固活塞的面而另一边附接至框架。

本发明还涉及用于泵送并防止管柱相对于井套管旋转的系统，所述系统包括螺杆泵，所述螺杆泵能够通过入口引入泵送流体、压缩泵送的流体、并通过出口排出压缩流体。

其中，所述系统包括根据上面所描述特征限定的扭矩锚；所述扭矩锚相对于在内部腔内泵送的流体的流动方向固定在螺杆泵的下游；所述扭矩是由螺杆泵在其入口与出口之间产生的压力差的函数。

本发明还涉及配备套管的井的泵送装置；所述泵送装置包括：

-管柱，其布置在所述套管中；

-螺杆泵，其能够通过引入入口运动待泵送的流体，并通过排出出口排出流体，

其中，泵送装置包括根据上述特征限定的扭矩锚；所述扭矩锚相对于内部腔内泵送流体的流动方向固定在螺杆泵的下游；所述力 是由螺杆泵在其入口与出口之间产生的压力差的函数。

本发明还涉及一种方法，用于防止管柱相对于用于通过螺杆泵泵送流体的井套管旋转；所述方法通过扭矩锚进行实施，扭矩锚包括用来安装在套管中的框架、形成在框架中的内部通道，所述内部通道沿轴向方向延伸；与内部通道流体连通的至少一个腔，所述腔沿径向方向延伸，和配合到所述径向腔的至少一个锚固活塞，其中，所述方法包括以下步骤

-通过螺杆泵的入口引入待泵送流体，

-泵送流体遍历所述内部通道，

-通过所述螺杆泵的出口排出管柱中的所述加压流体；

-通过泵送流体在锚固活塞的面上施加压力；

锚固活塞相对于框架以径向方向滑动；所述施加引起由所述锚固活塞施加到套管的扭矩；所述扭矩是螺杆泵的入口与出口之间的压力差的函数。

附图说明

参考附图阅读仅作为示例给出的以下描述可更好地理解本发明，附图中：

-图1是根据本发明的泵送系统的示意图；

-图2是根据本发明第一实施例的扭矩锚的立体剖视图；

-图3是图1中示出的部分套管和部分扭矩锚的轴向截面视图；

-图4的图形示出由根据本发明的扭矩锚产生的扭矩是螺杆泵的入口与出口之间压力差的函数；

-图5是根据本发明第二实施例的扭矩锚的立体剖视图；

-图6是图5中示出的扭矩锚的部分的截面视图，所述截面垂直于轴向轴线并穿过扭矩锚的凹槽；

-图7是根据本发明第三实施例的扭矩锚的部分的立体剖视图；

-图8是代表本发明的第一、第二以及第三实施例的变型的锚固活塞和框架的部分的剖视图；

-图9是代表本发明的第一、第二以及第三实施例的另外变型的锚固活塞和框架的部分的剖视图；

-图10是根据本发明的扭矩锚的变型的框架和锚固活塞的部分的立体剖视图；

-图11是根据本发明第四实施例的扭矩锚的立体剖视图；以及

-图12表示根据本发明的方法的步骤。

具体实施方式

在以下描述中，术语“顶”、“底”、“下”、“上”、“右”和“左”是相对于根据如图1所示布置的本发明的扭矩锚进行限定的，并且绝不是限制性的。

本发明涉及扭矩锚和配备这种扭矩锚的井的泵送装置。

根据本发明的泵送装置2主要用于泵送烃、水或天然气。参照图1，其包括： 

-套管6，其加固至地层7并包括在其下部的穿孔8以允许待泵送流体通过；

-管柱10，其布置在套管6中；

-井口装置12，其安装在“防喷器”14上并包含旋转钻柱16的驱动装置，所述钻柱16(或一个连续钻管)定位在管柱10的内部并延伸管柱10的长度，

-螺杆泵18，其具有转子20和定子22，其中，转子20固定至钻柱16并由钻柱16旋转，定子22具有已知为定位在井下的入口的引入开口24，和已知为固定在管柱10的端部的出口的排出开口26，

-过滤元件28，通常称为穿孔管、缝筛或者砂筛，其附接至螺杆泵的入口24，以及

-根据本发明和以下描述的扭矩锚30。扭矩锚30相对于管柱10内泵送流体的流动方向固定在螺杆泵18的下游。在所示实施例中，扭矩锚30直接固定至定子22的上端。在一种未示出的变型中，被称为“防磨接头”的厚壁管附接在螺杆泵18与扭矩锚30之间，使 得该管面向套管的穿孔8布置。

在螺杆泵18的运行中，含在岩石中的流体运动穿过套管的穿孔8，并流入管柱10与套管6之间的环中。接着流体通过缝筛28并进入螺杆泵的入口24。

螺杆泵由转子与定子之间的配合限定的若干腔构成。该配合被称为“密封线”。该密封线在每对相邻腔之间产生水头损失并从而导致入口24与出口26之间的显著压力差。该压力差通常被称为压力等级。

流体通过管柱10中的排出口26排出。接着所述流体通过定子22中运动的流体的力前进至防喷器14，并在此通过分配线路32排出。在螺杆泵18的转子20的旋转期间，扭矩锚30使泵定子22和管柱10定在中心并防止泵定子22和管柱10旋转。如下面所描述的，根据本发明的扭矩锚30利用由螺杆泵18产生的压力差来将锚固活塞压在套管6的内壁34上。

参照图2和图3，根据本发明第一实施例的扭矩锚30包括框架36、由框架支撑的6个锚固活塞38、40、42以及适用于将锚固活塞38、40、42推压在套管6上的6个预加载弹簧44、46、48。要注意在图2的立体剖视图中，只有5个预加载弹簧和3个锚固活塞是可见的。

框架36(例如是大致圆柱形)设置有内部通道50和6个腔52、54、56，每个腔容纳一个锚固活塞38、40、42和一个预加载弹簧44、46、48。框架36和内部通道50形成管道的一部分。

内部通道50以轴向方向A-A端到端贯穿框架36。其在框架的平端壁58、60上打开。当扭矩锚30安装在井中时，轴向方向A-A平行于轴的纵向轴线，并且内部通道50被将井口装置连接到转子20的钻柱的钻管62横穿。

内部通道50具有大于钻管62的直径约三到四倍的直径，使得限定在钻管62与框架36的内部通道50之间的环64足够允许由转子/定子总成的偏心引起的钻柱运动和允许所有泵送流体通过，所述 泵送流体然后沿管柱10上升并且没有明显的水头损失。

径向腔52、54、56通向内部通道50和框架的外部面66。它们在垂直于轴向A-A的平面中互相等角地径向延伸。在所示实施例中，三个径向腔52布置在第一平面68中，而另外三个径向腔54、56布置在平行于第一平面68的第二平面70中。在图2中，只有5个腔是可见的。

替代地，框架36在每个平面中包括不同数量的径向腔和锚固活塞并且/或者包括较小或较大数量的平面。

径向腔52、54、56的形状与锚固活塞38、40、42的形状互补。在所示实施例中，径向腔52、54、56和锚固活塞38、40、42具有带有圆形基座的圆柱形状。

锚固活塞的外圆柱面72和腔的内圆柱面74是光滑且连续的。从而当锚固活塞38、40、42被预加载弹簧44、46、48偏置时，并且当锚固活塞38、40、42在容纳在内部通道50中的泵送流体压力与限定在套管6与框架36之间的环75中的压力之间的压力差作用下时，锚固活塞38、40、42可从框架36滑出。被对着径向滑动的锚固活塞38、40、42泵送的流体压力增加扭矩锚的锚固扭矩。该实施方式还有助于在维护操作期间移除预加载弹簧44、46、48和替换锚固活塞38、40、42。

锚固活塞38、40、42配合在径向腔52、54、56内以允许锚固活塞径向滑动同时保持框架36与锚固活塞38、40、42之间的最佳密封。例如，使用等于H7g6或H6g5的配合。

框架36包括法兰76，法兰76延伸进入每个径向腔52、54、56，与锚固活塞的平的面相对。法兰76与腔的内圆柱面74的外围成一整体。法兰76的平的面形成肩部78，肩部78包含在垂直于径向方向的平面中。预加载弹簧44、46、48由肩部78支撑。

优选地，法兰76定位在最靠近内部通道50的端部以允许使用尽可能最长的预加载弹簧44、46、48。

替代地，法兰76形成L形凹部，其下腿部延伸到内部通道50 中。

锚固活塞38、40、42包括盘状头部80和垂直于头部80的中平面延伸的与头部80的外围成一整体的裙部82。

头部80和裙部82形成通向内部通道的室83。每个预加载弹簧容纳在室83中。裙部82引导预加载弹簧44、46、48。

根据该实施例，肩部78的宽度近似等于裙部82的厚度加上由预加载弹簧44、46、48形成的圆环的直径。

每个活塞的头部80具有内部面84和与内部面相反的外部面86。布置内部面84使得当锚固活塞38、40、42安装在框架36中时，其面向内部通道50。布置外部面86使得当扭矩锚30安装在轴中时，其面向套管6。

锚固活塞的外部面86设置有形成隆凸的部分的唇部或脊部88，用于压在套管的内壁34上。唇部88的横截面优选是圆形的使得唇部88不会损坏套管6。

唇部88设置有涂层以增加其抗磨性。涂层的摩擦系数优化其到套管的附着性。该涂层基于例如碳化钨或人造金刚石。

定位唇部88以形成穿过头部的外部面86的中心的直线。唇部88的端部被圆整以防止在套管接箍通过期间卡住。为了便于将扭矩锚30下放到轴内和提供对绕轴线A-A的旋转的最大阻力，锚固活塞38、40被布置在径向腔52、54、56内使得唇部88平行于轴向轴线A-A定位。

替代地，唇部88具有不同的形状。例如，如果期望阻止扭矩锚30绕轴向轴线A-A的旋转和沿轴向轴线A-A的平移，可选择蛇形或t形。

定位在第一径向平面68中的锚固活塞38的唇部88的端部边缘与定位在径向平面(其定位在相对端且包含在相同轴向平面中，在这种情况下是第二径向平面70)中的锚固活塞40的唇部88的端部边缘之间的距离D大于套管接箍的长度，使得扭矩锚30可穿过套管接箍而不对套管接箍造成损坏。例如，该距离D介于套管6内径的 30％与70％之间，优选介于套管6内径的30％与48％之间。

替代地，当锚固活塞38、40、42布置在单个平面中时，每个锚固活塞的唇部88延伸等于该相同距离D的长度，即介于套管内径的30％与70％之间，优选介于30％与48％之间的距离D。

在本发明的第一实施例中，裙部82的自由端设置有齿90，并且定位在径向腔的底部的法兰76包括凹槽92，齿90能够在套管的内径发生变化和在泵送流体压力作用下时在凹槽92中滑动，如图3所示。该牙嵌式离合器90-92构成防止旋转设备用于防止锚固活塞38、40、42相对于框架36旋转，其保证唇部88保持平行于轴向轴线A-A，尤其是在将扭矩锚30下放到井下时或者在由于温度变化扭矩锚30在套管6内竖直移动时。

有利地，锚固活塞的头部80通过例如增加其横截面尺寸在唇部88处加固。例如，在所示实施例中，在垂直于唇部88的平面中的头部80的横截面具有三角形形状，如图6所示。

预加载弹簧44、46、48以套管6的方向将限定力施加在锚固活塞38、40、42上，使得当内部通道50内泵送流体的压力与环75中的压力之间的压力差较低时，也就是说在螺杆泵18的启动期间或者在泵送流体的量较低时，锚固活塞38、40、42防止扭矩锚30的旋转。由预加载弹簧44、46、48施加的力取决于螺杆泵18的内部摩擦扭矩。它还低于由泵送流体施加的压力，但是当转子20未在定子内旋转时，其足够提供充分的锁定，从而不会产生强的振动。

预加载弹簧44、46、48的弹性常数经过计算以确保足够大的力来防止在转子20的旋转期间管柱10的旋转，管柱10的最后的管与扭矩锚30之间的螺纹连接不会变松，并且所述力不会过大，避免在将扭矩锚30下放到井下时对套管6或唇部88造成损害。

预加载弹簧44、46、48是螺旋弹簧。每个弹簧在一端处由肩部78支撑并在另一端处由头部的内部面84支撑。

替代地，每个锚固活塞38、40、42包括波形弹簧、或者套在一起的同轴地安装的优选以相对方向盘绕的两个螺旋弹簧。

根据一种具有较少优点的变型，框架包括一个腔、容纳在所述腔中的锚固活塞以及一个止挡。腔、锚固活塞和止挡布置在相同的径向平面68内。止挡径向延伸并且沿直径与锚固活塞相对放置。当扭矩锚在轴中就位时，止挡和锚固活塞压向套管的内部面。

在另一变型中，框架包括在第一径向平面中的一个锚固活塞和一个腔、在第二径向平面中的一个锚固活塞和一个腔以及在第三径向平面中的一个锚固活塞和一个腔。此外，所述腔和锚固活塞绕轴向轴线A-A等角地分布。

替代地，包含在两个不同径向平面中的两个锚固活塞互相连接，使得它们以径向方向整体运动，以便于套管接箍在载荷作用下通过。该连接可以通过例如将销附接到每个活塞的齿90实现，或者通过将铬镍铁合金环或钛合金环附接到每个锚固活塞头部的支架上实现。

在将扭矩锚30安装到轴中的安装期间，随着扭矩锚插入到带有管柱10的套管6中，预加载弹簧44、46、48和锚固活塞38、40、42插入框架36中并由漏斗形工具保持。接着扭矩锚30下放到井下。在将扭矩锚30下放到井下期间和在转子20开始旋转时，预加载弹簧44、46、48使锚固活塞38、40、42以最小扭矩C1压向套管6，如图4所示。由于其结构，螺杆泵18推进流体并将流体推入扭矩锚的内腔50中。接着，在忽略摩擦力的情况下，由扭矩锚的锚固活塞38、40、42施加的抗扭矩根据螺杆泵18的入口与出口之间的压力差线性增加。该压力差近似相当于扭矩锚30与套管6之间的环中的压力与内腔50内的压力之间的压力差。因为由螺杆泵18产生的压力是显著的，所以由泵送流体施加到锚固活塞38、40、42的压力以及因此由锚固活塞38、40、42施加到套管6上的力也是显著的。所述压力可达到几百bar。

因此，有利地，根据本发明的扭矩锚30使用移位流体的压力来启动或解除扭矩锚30的锚固。

有利地，所述锚固被内部管道50中所容纳的流体(加压泵送流体或空气)的压力自动地控制并从而被管柱10的振动状态自动地控 制，因为该状态直接关系到定子22内转子20的旋转速度。从而不必安装设备来控制扭矩锚30的锚固启动或解除。这种设备难以实施，因为它们必须提供可经受高压力和达200℃高温的长使用寿命。

参照图5和图6，除了法兰76延伸到径向腔52、54、56中以形成设置有能够抑制来自内部通道50的泵送流体的流动的至少一个开口98的壁96之外，根据本发明第二实施例的扭矩锚94与第一实施例的扭矩锚30相同。开口98的表面面积为径向腔52、54、56的横截面表面面积的约0.5％到5％，所述横截面的平面垂直于径向方向。

壁96定位在内部通道50与径向腔52、54、56之间。其使内部通道与径向腔之间的通道变窄。该缩窄限流器和室83的存在抑制泵送流体的流动并从而吸收对扭矩锚94造成影响的冲击和振动。计算开口98的直径使其在抑制泵送流体流动的同时允许通过足够的泵送流体以获得锚固活塞38、40、42压向套管6的充足压力。

在该实施例中，扭矩锚执行相对于套管定管柱中心和抑制由螺杆泵产生的振动的额外功能。

本发明第二实施例的其它技术特征与第一实施例的技术特征相同或类似。它们通过相同的标记标示并且本文不再对其进行描述。

参照图7，除了框架36不包括法兰76和所述框架包括介于锚固活塞38、40、42与径向腔52、54、56之间的套筒102之外，本发明第三实施例的扭矩锚100与第一实施例的扭矩锚30相同。

套筒102的形状与径向腔52、54、56的形状互补。特别地，在本发明示出的实施例中，套筒102是套形式的，其在一端处设置有向内延伸到套筒中的法兰76。法兰76形成支撑预加载弹簧44、46、48的肩部78。

套筒102附接到限定径向腔52、54、56的框架的中空内部圆柱面74，使得设置有其法兰76的套筒102的至少部分布置在内部通道50内。

有利地，该附接是通过焊接或过盈配合实现的以确保流体紧密密封。

在示出的实施例中，法兰76的宽度近似等于裙部82的厚度和由预加载弹簧44、46、48形成的环的直径。

套筒102设置有凹槽，锚固活塞38、40、42的齿90能够在所述凹槽内滑动。

有利地，该实施例使得有可能使用较长的预加载弹簧。该实施例稍微减少用于内部通道50中泵送流体的通道横截面。

优选地，套筒由Y-TZP氧化锆陶瓷制成以消除任何活塞滑动时卡住的风险并降低开口98被过早腐蚀的风险。

在该实施例中，框架包括支撑表面103，套筒102的部分放置在支撑表面103上。替代地，定位在框架的外部面处的套筒的上边缘可以设置有由框架支撑的法兰。

本发明第三实施例的其它技术特征与第一实施例的技术特征相同或类似。它们通过相同的标记标示并且本文不再对其进行描述。

替代地，法兰76延伸更长的长度以便形成如图5中示出的本发明的实施例中所示的限流器。

根据本发明的变型，垫圈104设置在锚固活塞38、40、42与框架36或套筒102之间。

参照图8，该垫圈104布置在凹槽106中，凹槽106形成在框架36或套筒102中。在这种情况下，倒角108形成在锚固活塞的外部圆柱面72的外围上。 

替代地，参照图9，垫圈110布置在凹槽112中，凹槽112形成在锚固活塞中。在这种情况下，倒角114沿径向腔52、54、56的外围或者沿套筒102的内部面形成在框架36上。

根据图10所示的变型，锚固活塞116和径向腔118具有带有椭圆形底座或长圆形横截面的圆柱形状。

锚固活塞116形成为实心块。两个孔120、122穿入每个锚固活塞的内部面84中。孔120、122以径向方向延伸。预加载弹簧44、46布置在每个孔120、122中。

优选地，孔120、122布置在锚固活塞116的每端处。有利地， 当锚固活塞116与隔离的凸起或凹部接触时，一个预加载弹簧44能够收缩，同时另一个预加载弹簧46能够延伸。替代地，两个孔120、122彼此接近并朝锚固活塞116的中心布置。

锚固活塞的该替代形式可用在本发明的四个公开实施例中。

参照图11，除了扭矩锚124包括支架126之外，根据本发明第四实施例的扭矩锚124与根据第三实施例的扭矩锚100相同，所述支架126能够在下放扭矩锚124时将锚固活塞38、40、42保持在收缩位置。当扭矩锚124在井内就位时支架126能够断开。

扭矩锚124的框架36还包括横杆128，横杆128连接法兰的两个在直径方向上相对的部分。支架126通过配对螺纹130或通过销附接到锚固活塞的内部面84和所述横杆128。

支架126设计成具有充分小的直径，用于在由井口装置注入到管柱中的流体的压力下断开。

替代地，框架36包括能够剪切支架126的液压、电气或者声热、化学机构，以便致动锚固弹簧44、46、48并达到允许转子20插入定子22中而不会拧松定子22与扭矩锚18之间的连接或者扭矩锚与管柱之间的连接的必要的最小扭矩C1。

该实施例可用如本发明第一实施例所示的内部腔50与腔室83之间的大开口98实施，或者用如本发明第二实施例中的较小的抑制开口98实施。

本发明第四实施例的其它技术特征与第三实施例的技术特征相同或类似。它们通过相同的标记标示并且本文不再对其进行描述。

本发明还涉及用于泵送和防止管柱相对于井套管旋转的系统。所述系统包括螺杆泵，螺杆泵能够通过入口引入用于泵送的流体、压缩泵送流体、并通过出口排出压缩的流体。该泵送和防止系统包括如上所述的根据本发明的扭矩锚。扭矩锚相对于内部腔内流体泵送的流动方向固定在螺杆泵的下游。所述扭矩是由螺杆泵在引入与排出之间产生的压力差的函数。

参照图12，本发明涉及用于防止管相对于用来通过螺杆泵泵送 流体的轴的套管旋转的方法；所述方法通过扭矩锚实施，扭矩锚包括用来安装在套管中的框架、形成在框架中的内部通道、所述内部通道沿轴向方向延伸；与内部通道流体连通的至少一个腔，所述腔沿径向方向延伸，以及与所述径向腔配合的至少一个锚固活塞，其特征在于所述方法包括以下步骤：

-通过螺杆泵18的入口24引入151待泵送流体， 

-利用泵送流体遍历152所述内部通道50，

-通过所述螺杆泵18的出口26排出153管柱10中的所述加压流体；

-利用泵送流体向锚固活塞38、40、42、116的面上施加154压力；

-所述锚固活塞38、40、42、116相对于框架36以径向方向滑动155；所述施加引起由所述锚固活塞38、40、42、116施加到套管6的扭矩；所述扭矩是螺杆泵的入口24与出口26之间的压力差的函数。

本发明还涉及定中心设备和/或阻尼器，包括：

-框架36，其用于安装在套管6中，

-内部通道50，其形成在框架中，所述内部通道沿轴向方向(A-A)延伸，泵送流体在所述内部通道50中行进；

-至少一个腔52、54、56、118，其与内部通道50流体连通，所述腔52、54、56、118沿径向方向延伸，以及

-至少一个锚固活塞38、40、42、116，其配合到所述径向腔52、54、56、118，当容纳在内部通道50中的泵送流体向所述锚固活塞38、40、42、116上施加力时，所述锚固活塞38、40、42、116能够相对于框架36沿径向方向滑动并且能够向套管6上施加扭矩。

定中心设备和/或阻尼器包括图5和图6中描述的特征，并且可能包括图7到图11中所描述的特征。

有利地，定中心设备和/或阻尼器的唇部88没有用碳化钨涂覆并且优选具有圆形形状。

有利地，防止框架内活塞的旋转。

有利地，保证活塞对套管内部的接触。

有利地，当将扭矩锚下放到套管底部时，不损坏套管接箍。

Claims (16)

1.用于防止管柱(10)相对于用来通过螺杆泵(18)泵送流体的井的套管(6)旋转的扭矩锚(30、94、100、124)，所述锚包括：

-框架(36)，其用于安装在套管(6)中，

-内部通道(50)，其形成在框架(36)中，所述内部通道(50)沿轴向方向(A-A)延伸；

-至少一个腔(52、54、56、118)，其与内部通道(50)流体连通，所述腔(52、54、56、118)沿径向方向延伸，和

-至少一个锚固活塞(38、40、42、116)，其配合到所述径向腔(52、54、56、118)，

-其中，所述锚包括至少一个预加载弹簧(44、46、48)，其能够作用在所述锚固活塞(38、40、42、116)与框架(36)之间以径向方向对着套管(6)偏压所述锚固活塞(38、40、42、116)；

并且其中，所述内部通道(50)被泵送流体遍历，所述锚固活塞(38、40、42、116)能够相对于框架(36)沿径向方向滑动；当容纳在内部通道(50)中的泵送流体在所述锚固活塞(38、40、42、116)上施加力时，所述锚固活塞(38、40、42、116)能够在套管(6)上施加扭矩；所述力是内部通道(50)内部的压力与框架(36)外部的压力之间的压力差的函数。

2.根据权利要求1所述的扭矩锚(30、94、100、124)，其中，框架(36)包括面向锚固活塞(38、40、42、116)的平的面的外围的法兰(76)，所述法兰(76)形成容纳在垂直于径向方向的平面中的平的肩部(78)，所述至少一个预加载弹簧(44、46、48)由所述肩部(78)支撑。

3.根据权利要求2所述的扭矩锚(94、100、124)，其中，所述法兰(76)形成壁(96)，壁(96)设置有能够限制泵送流体流动的至少一个开口(98)；所述至少一个开口(98)的表面面积为径向腔(52、54、56、118)的横截面的表面面积的0.5％与5％之间；所述横截面垂直于径向方向。

4.根据权利要求2所述的扭矩锚(100、124)，其中，框架(36)包括插在径向腔(52、54、56、118)与锚固活塞(38、40、42、116)之间的套筒(102)；所述套筒(102)包括所述法兰(76)和延伸到内部通道(50)中的所述法兰(76)的至少部分。

5.根据权利要求4所述的扭矩锚(100、124)，其中，所述套筒(102)由陶瓷制成。

6.根据权利要求2所述的扭矩锚(30、94、100、124)，其中，所述锚固活塞(38、40、42、116)包括头部(80)和延伸头部(80)的外围的裙部(82)，所述头部(80)和所述裙部(82)形成通向内部通道(50)的室(83)；所述预加载弹簧(44、46、48)被容纳在所述室(83)中并由所述裙部(82)引导。

7.根据权利要求1所述的扭矩锚(30、94、100、124)，其中，锚固活塞(38、40、42、116)和径向腔(52、54、56、118)具有带有圆形基座的圆柱形形状，通过旋转防止设备(90、92)防止锚固活塞(38、40、42、116)相对于框架(36)旋转。

8.根据权利要求7所述的扭矩锚(30、94、100、124)，其中，旋转防止设备(90、92)包括凹槽(92)和能够以径向方向在所述凹槽(92)中滑动的齿(90)；凹槽(92)和齿(90)中的一个与裙部(82)的自由端成为整体，而另一个与框架(36)成为整体。

9.根据权利要求1所述的扭矩锚(30、94、100、124)，其中，锚固活塞(116)和径向腔(118)的横向横截面具有长圆形形状。

10.根据权利要求1所述的扭矩锚(30、94、100、124)，其中，锚固活塞(38、40、42、116)具有面向套管(6)的外部面(86)，所述外部面(86)设置有优选是直线的唇部(88)。

11.根据权利要求1所述的扭矩锚(30、94、100、124)，其中，当锚固活塞(38、40、42、116)布置在单个平面中时，所述唇部(88)延伸的距离(D)是套管(6)内径的30％与70％之间，并且优选是其30％与48％之间，并且当锚固活塞(38、40、42、116)布置在多个平面中时，限定在端部锚固活塞(38、40、42、116)的唇部(88)的端部之间的距离(D)是套管(6)内径的30％与70％之间，并且优选是其30％与48％之间。

12.根据权利要求5所述的扭矩锚(30、94、100、124)，其包括保证锚固活塞(38、40、42、116)与框架(36)或套筒(102)之间流体紧密密封的垫圈(104、110)。

13.根据权利要求1所述的扭矩锚(124)，其包括至少一个支架(126)，当将扭矩锚(124)下放到井内时，支架(126)能够将锚固活塞(38、40、42、116)保持在收缩位置；所述支架(126)一方面附接至锚固活塞(38、40、42、116)的面而另一方面附接至框架(36)。

14.用于泵送和防止管柱(10)相对于井套管旋转的系统(18、30、94、100、124)，所述系统(18、30、94、100、124)包括螺杆泵(18)，螺杆泵(18)能够通过入口(24)引入用于泵送的流体、压缩泵送的流体、并通过出口(26)排出压缩的流体，

其中，系统包括根据权利要求1至13所述的特征限定的扭矩锚(30、94、100、124)；所述扭矩锚(30、94、100、124)相对于内部腔(50)内的泵送流体的流动方向固定在螺杆泵(18)的下游；所述扭矩是由螺杆泵(18)在其入口(24)与其出口(26)之间产生的压力差的函数。

15.配备套管的井的泵送装置(2)；所述泵送装置(2)包括：

-管柱(10)，其布置在所述套管(6)中；

-螺杆泵(18)，其能够通过引入入口(24)运动待泵送流体，并通过排出出口(26)排出流体，

其中，所述装置(2)包括根据权利要求1至13所述的特征限定的扭矩锚(30、94、100、124)；所述扭矩锚(30、94、100、124)相对于内部腔(50)内的泵送流体的流动方向固定在螺杆泵(18)的下游；所述力是由螺杆泵(18)在其入口(24)与其出口(26)之间产生的压力差的函数。

16.用于防止管柱(10)相对于用来通过螺杆泵(18)泵送流体的轴的套管(6)旋转的方法；所述方法通过扭矩锚(30、94、100、124)实施，扭矩锚(30、94、100、124)包括用于安装在套管(6)中的框架(36)，形成在框架(36)中的内部通道(50)，所述内部通道(50)沿轴向方向(A-A)延伸；与内部通道(50)流体连通的至少一个腔(52、54、56、118)，所述腔(52、54、56、118)沿径向方向延伸，和配合到所述径向腔(52、54、56、118)的至少一个锚固活塞(38、40、42、116)，其中，所述方法包括以下步骤：

-通过螺杆泵(18)的入口(24)引入(151)待泵送流体，

-利用泵送流体遍历所述内部通道(50)，

-通过所述螺杆泵(18)的出口(26)排出(153)管柱(10)中的所述加压流体；

-利用泵送流体在锚固活塞(38、40、42、116)的面上施加(154)压力；

-使所述锚固活塞(38、40、42、116)相对于框架(36)以径向方向滑动(155)；所述施加引起由所述锚固活塞(38、40、42、116)施加到套管(6)的扭矩；所述扭矩是螺杆泵的入口(24)与出口(26)之间的压力差的函数。