CN105874150A

CN105874150A - 用于连接管状构件的方法和连接器组件

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Publication number: CN105874150A
Application number: CN201380039160.0A
Authority: CN
Inventors: D·迪克雷森佐; M·舒斯特; D·罗伊
Original assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Current assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Priority date: 2012-06-15
Filing date: 2013-06-20
Publication date: 2016-08-17
Also published as: DK201470810A1; US9404315B2; CA2874384A1; WO2013186400A3; WO2013186400A2; BR112014030665A2; AU2013276415B2; AU2013276415A1; WO2013186400A8; US20150152691A1

Abstract

本发明提供了一种联接管状构件的方法。第一管状构件具有第一端部连接部，而第二管状构件具有第二端部连接部，所述第二端部连接部构造成与第一端部连接部连接在一起。一些量的填充材料布置在第一端部连接部和第二端部连接部中的至少一个端部连接部的配合表面的至少一部分上。第一端部连接部和第二端部连接部在施加第一转矩的同时形成连接装置，其中，填充材料被压缩。已联接的第一端部连接部和第二端部连接部被加热至低于填充材料的熔融温度的第一温度。施加超过第一转矩的第二转矩。然后，将温度升高至等于或高于填充材料的熔融温度的第二温度，以引起填充材料、第一端部连接部和第二端部连接部之间的扩散结合。此后，移除所施加的第二转矩并且冷却由第一端部连接部和第二端部连接部形成的连接装置。

Description

用于连接管状构件的方法和连接器组件

技术领域

本发明涉及用于连接管状构件的方法和使用所述方法连接的连接器组件。

背景技术

连接器典型地包括阳构件和阴构件。阳构件可以具有螺纹外表面而阴构件可以具有对应的螺纹内表面，从而允许阳构件和阴构件连接以形成螺纹连接。这种类型的连接器通常应用在油田应用中，例如，连接井眼套管或生产管的分段。经常，用于油田应用的连接器需要提供液-密密封和/或气-密密封并且需要具有的强度至少约等于由连接器联接的管段的管体强度。

近来，可膨胀管技术已经可以在商业上获得。在此，可膨胀管在井下径向膨胀。管的外径在大约10％至25％的范围内增大。已经使用可膨胀管为多种井加设套管或加设衬管。可膨胀管(诸如可膨胀套管或可膨胀衬管)典型地由使用螺纹连接互连的管段构成。每个管段典型地具有大约10米长度。

API(美国石油组织)螺纹连接器是一种常用类型连接器，其在相对低成本的条件下工作得较好。然而，API连接器一直没有提供可靠的气密密封。鉴于此，API螺纹连接器主要用于液体设施应用，而更为昂贵的所谓优质连接器典型地用于要求气密密封的应用，例如应用于气井的生产套管或生产管。最为常见的优质连接器具有专门设计的螺纹，并且依赖于金属-金属干涉以用于防漏密封。

为了提高API连接器的气密性，已经提出了将软金属镀层应用到螺纹表面。这种镀层材料的示例包括磷酸锌、锌和锡。美国专利no.5,212,885公开了一种螺纹连接器，其中，每个阳构件的螺纹分段用条带作标记，并且其中阴构件的螺纹表面镀有锡。螺纹润滑剂被施加到阴构件的螺纹，并且阳构件和阴构件旋拧在一起，直到阴构件的面覆盖条带为止。如果阴构件的面适当地定位在阳构件的条带上并且如果连接转矩处于预定限制内，则认为连接可接受。然而，如果覆盖层太厚，则US-5,212,885的连接器可能难以或不可能适当连接，并且阳构件和/或阴构件可能发生不允许的变形。连接转矩可变得过大并且可发生欠佳的螺纹啮合，这对连接器的性能造成负面影响。这种连接器不适于膨胀并且在膨胀之后将很可能发生泄露。

为了确保膨胀之后的防漏性，可膨胀管典型地包括优质连接器。再者，连接器常常是膨胀处理中的最薄弱环节，这主要是因为在膨胀期间沿着螺纹牙型的复杂应力分布。膨胀处理期间若干塑性变形可完全破坏连接器的密封机构，其包括优质连接器的金属-金属密封。因此，需要研发一种可替代的连接装置，所述可替代的连接装置可承受高膨胀比(在一些情况中，高达30％，乃至35％)并且在膨胀之后防漏(液密并且优选地气密)。

US-6417147公开了用于联接诸如管道的构件的机械和冶金连接的组合，其中，非晶扩散结合材料处于机械接合部的配合表面和抵接表面处。结合材料在压力作用下被压缩并且被施加热量，以使得结合材料扩散到机械连接装置中。

US-6860420公开了一种将一对金属油田管件互连的方法，所述金属油田管件具有互补的锥形边缘。管件中的至少一根的位于其公共接触表面处的锥形边缘设置有薄金属层，所述薄金属层的熔融温度低于管件的熔融温度。将管件互连，并且将热量施加到薄金属层，以使薄金属层熔融，随后，冷却锥形边缘，其中，在管件之间形成冶金结合。接着，使管件在井眼中径向膨胀。

随着资源变得越来越稀少，近年来也已经在极其具有挑战的环境中钻井。例如，已经在深水中和/或高压烃储层中钻出井眼。在此，深水可以表示超过1km的水深。高压可以例如表示处于大于100bar的压力下的储层。然而，高达400bar或更高的压力并不罕见，在特殊情况下乃至超过1200bar。储层中的烃中可能包括污染物，典型地包括腐蚀性和/或有毒的气体(诸如硫化氢或二氧化碳)，会使得情况变得更糟糕。预期包括已膨胀的连接装置的膨胀管道包含的气体处于高达在最坏情况中管道可以承受的最大压力。

基于富有挑战的钻井情境(例如在墨西哥湾)，其还通过对连接装置应当优选地能够承受钻井转矩进行计算机建模来设立。使管道旋转可能需要将管道引入到井中超过阈值深度。例如，可能要求外径(OD)为5.5英寸的管承受大约7000ft-1bs(大约9.5kNm)或更大的转矩。使管道旋转可能要求能够将管引入到井眼中超过大约3,000英尺的深度。

目前通过市售不能获得能够承受膨胀并且在外径膨胀大约20％或更大之后保持防漏的连接装置。然而，如上所述的富有挑战的钻井场景需要连接装置在膨胀之后可防漏并且优选地具有气密性。

发明内容

本发明的目的是提供一种连接管状构件的改进方法。

根据本发明，提供了一种联接管状构件的方法，所述方法包括以下步骤：

提供第一管状构件，所述第一管状构件具有第一端部连接部；

提供第二管状构件，所述第二管状构件具有第二端部连接部，所述第二端部连接部构造成与第一端部连接部形成连接装置；

将一些量的填充材料放置在第一端部连接部和第二端部连接部中的至少一个端部连接部的配合表面的至少一部分上；

在施加第一转矩时通过连接第一端部连接部和第二端部连接部来联接第一管状构件和第二管状构件，其中，填充材料被压缩在第一端部连接部和第二端部连接部之间；

将已联接的第一端部连接部和第二端部连接部加热至低于填充材料的熔融温度的第一温度；

施加超过第一转矩的第二转矩；

将温度升高至处于或高于填充材料的熔融温度的第二温度，以产生填充材料、第一端部连接部和第二端部连接部之间的扩散结合；

降低所施加的第二转矩；以及

冷却第一端部连接部和第二端部连接部。

本发明涉及一种当将管件互连时利用公共接触面互连一对具有互补锥形边缘的金属油田管件的方法。管件中的至少一根的位于其公共接触表面处的锥形边缘设置有薄填充材料层，所述薄填充材料层的熔融温度低于管件的熔融温度。加热填充材料层以熔融该薄层。在此，在管件端部连接部之间产生冶金结合。这种方法产生了端部连接部在它们的公共接触表面处的相对牢固的结合结以及可靠的金属-对金属密封。

可以从适于硬钎焊、软钎焊、非晶态结合或扩散焊接的材料中选择适当的填充材料，以便形成所述冶金结合。填充材料例如包括以下中的一种或多种：铁、镍、铜、银、钛、黄铜、青铜、锗、金、Zw、铬、硅、硼、碳、磷、钨、钼、Su或非晶态金属。

填充材料可以以喷涂、涂覆、箔、条带、环、膏或适当的凝胶中的悬浮物的形式沉积在端部连接部上。

可例如通过火焰、感应加热、化学反应、热对流或电阻方法来施加热量以熔融填充材料。在一个优选的实施例，使用感应加热来施加热量。使用热喷涂可将填充材料沉积在第一连接端部和/或第二连接端部上。

适当地，锥形端部连接部与管件的纵向轴线的相交的角度处于1°至10°的范围内，更加优选地处于3°至6°的范围内。

在一个实施例中，使已联接的管状构件径向膨胀，所述已联接的管状构件包括已联接的第一端部连接部和第二端部连接部。这种膨胀处理可发生在形成于地层中的井眼中，例如，以用于在井眼中产生膨胀的套管或衬管。

根据另一个方面，本发明提供了一种连接器组件，所述连接器组件包括：

第一管件，所述第一管件具有第一端部连接部；

第二管件，所述第二管件具有第二端部连接部，所述第二端部连接部连接到第一端部连接部；和

一些量的填充材料，所述填充材料位于第一端部连接部和第二端部连接部中的至少一个端部连接部的配合表面上的至少一部分上；

使用上述方法联接所述连接器组件。

根据另一个方面，本发明涉及一种烃井眼，所述烃井眼设置有使用本发明的方法已经互连的一系列管状构件。

附图说明

将参照附图更加详细地并且以举例的方式描述本发明，其中：

图1示出了在连接之前要在本发明的方法中使用的管状构件的第一端部连接部和第二端部连接部的一个实施例的纵向横截面；

图2示出了在连接之后图1的各端部连接部的纵向横截面；

图3示出了要在本发明的方法中使用的端部连接部的另一个实施例的透视图；

图4示出了图3的端部连接部在施加填充材料之后的透视图；

图5示出了已组装的端部连接部的横截面；

图6示出了用于无损质量控制的方法的一个实施例的横截面；

图7示出了图6的方法的测试结果的示例；

图8示出了表示根据本发明的方法在连接端部连接部期间施加转矩和热量的示例性曲线图；和

图9示出了表示根据本发明的方法在连接端部连接部期间施加转矩和热量的另一个示例性曲线图。

具体实施方式

图1和图2示出了设置有第一端部连接部2的第一管状构件1的实施例。第一端部连接部是具有第一锥形边缘3的阳连接部。第二管状构件4包括第二端部连接部，所述第二端部连接部设置有与第一锥形边缘3互补的第二锥形边缘6。锥形边缘形成阳阴插入式连接器，其中，第一锥形边缘3是连接器的阳构件，而第二锥形边缘6是连接器的阴构件。管状构件1、4对准并且具有公共纵向轴线7。

锥形边缘3、6在端部连接部2、5互连时具有公共接触表面8(图2)。在图1中，第一和第二锥形边缘3、6的形成公共接触表面8的各个表面分别由附图标记8a、8b表示。接触表面8a、8b可以设置有互补螺纹，所述互补螺纹包括凸肋10和凹槽12。

阳构件2可以具有唇沿16形式的端部部分。阴构件5可以具有唇沿18形式的端部部分。阴构件5可以具有肩部20。阳构件2可以具有肩部22。当连接时，阳构件的唇沿16优选地接合阴构件的肩部20和/或阴构件的唇沿18接合阳构件的肩部22。

在连接阳构件2和阴构件5之前，相对薄的填充材料层(未示出)沉积在锥形表面3和/或锥形表面6的至少一部分上，所述填充材料层的熔融温度低于管状构件1、4的熔融温度。所述填充材料可以例如沉积在凹槽12中的一个或多个中。

在一个优选实施例中，填充材料的熔融温度低于转变温度。转变温度可以为大约723摄氏度。基础材料(即，管的材料)优选是钢。

填充材料层可以包括基于铜的合金或基于镍的合金。可替代地，填充材料可以包括其他合金或非晶态金属。如果填充材料是硬钎焊组合物，则其还可以包含焊剂，例如，硼酸盐。在开始硬钎焊之前，焊剂可以嵌入到硬钎焊组合物中或者分布在硬钎焊组合物的表面上。

填充材料薄层可以以喷涂、涂覆、箔、条带、环、膏或适当的凝胶中的悬浮物的形式沉积在接触表面8a和/或接触表面8b上。

在已经将填充材料层施加到接触表面8a、8b中的一个或两个或者施加到凹槽12中之后，将阳构件2引入到阴构件5中并且旋拧在一起，其中，凸肋10装配到对应凹槽12中，如图2所示。当形成连接装置时，将热量施加到阳构件2和阴构件5，以便熔融填充材料。

如图3所示，在一个可替代实施例中，阳构件2的锥形表面3和阴构件5的锥形表面6分别(图5)可以是光滑的。在此光滑例如指的是相应的表面不带螺纹。示出了端部分段16和肩部22。

图4示出了阳构件2，其中，填充材料24被施加到锥形表面3。填充材料可以仅仅施加到锥形表面的一分段上。在图4的实施例中，整个表面3已经设有填充材料。例如已经通过喷涂、涂覆或热喷涂施加了填充材料。阳构件和阴构件中的一个或两个上的填充材料的厚度为大约0.1mm至0.2mm。在一个优选实施例中，填充材料沉积在阳构件和阴构件两者上。

尽管未示出，但是阴构件5可以具有类似的光滑的锥形表面6。所述锥形表面6可以类似地设有填充材料层，即，锥形表面3、6中的一个或两个可以设有填充材料层。

图5一方面示出了锥形表面3、6的横截面之间的角度α以及示出了公共纵向轴线7。角度α优选地在2度至10度的范围内。当锥形表面是光滑的时，已证实大约3度的角度α提供了最优的结合和强度。

优选地，通过火焰、感应加热、化学反应、热对流或电阻方法来实施加热。

对于针对烃井附近的钻井场所的应用而言，感应加热是优选地。在此，感应线圈可以围绕图2的连接装置布置。

在感应加热期间，通过所述线圈的电流可以在连接装置中产生涡电流，从而散热。尽管越靠近连接装置的外表面产生的热量越多，但是，由于管状构件1、4的金属的导热性，将加热整个填充材料。为了使火灾和爆炸危害最小化，例如在加热期间可以将惰性气体设置在连接装置的内表面处。

由于这种加热处理，填充材料层的温度例如升高到处于或高于材料的熔融温度。这个温度例如处于大约400℃至1100℃的范围内，优选地处于600℃至700℃的范围内。在一个优选实施例中，将连接装置加热到比填充材料的熔融温度高大约20℃的温度。

在施加热量并且升高温度的同时，可以将压力施加在管端部之间，以进行结合，例如在至少10秒的时间段期间有利地保持这种状态。

可将作为联接处理的硬钎焊限定为通过使用热量和填充材料来联接材料(相同成分或不同成分)的处理。填充材料例如是金属或金属合金，所述金属或金属合金的熔融温度高大约于450℃但是低于要联接的基础材料的熔融温度。成功的硬钎焊联接可导致冶金结合，所述冶金结合与被联接基础材料一样硬或比基础材料硬。如上所述，基础材料典型地是钢。

填充材料布置在要联接的两个部件之间的间隙中。将所述部件加热至填充材料的熔融温度，所述填充材料熔融并且流入到间隙中，从而典型地在凝固时在过渡位置处形成材料的合金。这产生了冶金结合。通过毛细管作用，熔融的金属典型地流入并且填充两个部件之间的间隙内的空隙。

与硬钎焊类似，软钎焊不涉及基础材料的熔融。然而，用于软钎焊的填充材料具有低熔点(小于450℃)。尽管这是软钎焊处理的优势，但是软钎焊联接缺乏冶金结合并且因此因软钎焊联接相对薄弱而不能应付高应力。

焊接以与硬钎焊类似的方式形成冶金结合。然而，所使用的填充材料具有更高的熔融温度，所述更高的熔融温度典型地与基础材料的熔融温度相等或只是恰好低于基础材料的熔融温度。由于相对高的温度，所以在基础材料中可能发生某种程度的畸变。尽管焊接能够产生强联接，但是其还可能因高温而改变基础材料的机械性能和冶金性能。

硬钎焊相对于软钎焊或焊接的主要优势在于：

i)填充材料熔融点相对低；

ii)联接不同材料；

ⅲ)保持基础材料的冶金性能；

iv)与传统质量控制技术兼容；

v)提供可重复的结果。

然而，针对石油工业采用硬钎焊面临其自身的挑战。它们中的一些是：

a)使得硬钎焊适于如用于油田管柱的管状连接装置的大型组装；

b)清洁影响联接质量，从而使得在周围设施可能不够清洁的油田钻机上很难实施硬钎焊技术；

c)在硬钎焊之后以及将管下放到井下之后进行质量控制检查可能是一个挑战。

油田管件的硬钎焊或非晶态结合具有以下潜在优势：

－能够应用于宽范围的材料，包括碳钢、不锈钢和钛；

－在结合或硬钎焊之后不会产生突出物，因此形成齐平的连接装置；

－其可自动实施，因此不需要熟练的操作者；

－与焊接相比，所需的热量输入较低，从而提高了安全性并且使得更易于限制风险；

－相对快速；

－管件自动轴向对准；

－产生了大结合表面并且因此产生了牢固的结合；和

－是一种成本有效的处理。

鉴于这些原因，用于接合毗邻油田管件的锥形边缘的硬钎焊或非晶态结合就联接碳钢和耐腐蚀合金井套筒、管道和衬管而言可具有显著的优势。

为了实现高质量的硬钎焊联接，硬钎焊处理非常重要。这种处理包括制备待被硬钎焊的端部连接部直到清洁最终产品为止。

要联接的面之间的良好配合和正确间隙是硬钎焊过程中的重要参数。作为所涉及的主要原理的毛细管作用在部件之间的间隙最优时工作得最为有效。对于油田连接器而言，典型地，这种间隙的范围可以为从10微米至100微米。这种优化的间隙特别针对于在给定一组条件下的特定基体金属。硬钎焊联接的抗张强度随着在其硬钎焊之前部件之间的间隙量而变化。

根据测试，当两个部件之间的间隙小于0.15mm时实现最牢固的联接。抗张强度可以大于80.000至100.000psi(大约550MPa至700MPa)。如果间隙较宽，则降低了毛细管作用，因此填充金属可能未能完全填充联接部，从而降低了联接强度。硬钎焊之前的两个部件之间的理想间隙介于大约0.001英寸至0.004英寸(大约20μm至80μm)之间。抗张强度可以为大约120,000psi(大约825MPa)或更大。

毛细管作用在基础材料的表面干净的情况下工作得最佳。受污染的表面，例如，被灰尘、油脂、锈或石油污染的表面阻碍熔融金属的流动并且导致产生较薄弱的联接。油阻止熔融金属在联接部中的适当分布。填充材料不能良好地结合到生锈的表面。可以利用水或有机溶剂来清洁表面。可替代地，机械去除可以包括磨粒清洁。尤其在修复硬钎焊的过程中，在部件非常脏或严重生锈的情况中，通过使用砂布、砂轮或喷砂合随后进行冲洗操作可加速清洁处理。一旦部件干净，则优选地尽快施加焊剂和硬钎焊材料。这防止例如在处理期间可能沉积的灰尘、油脂或油再次污染表面。

焊剂是施加到联接表面的化学化合物。焊剂的主要目的是通过硬钎焊填充材料促进基底金属的润湿。加热金属表面加速形成由热金属和空气中的氧气之间的化合作用所产生的氧化物。优选的是防止形成氧化物，这是因为氧化物可能阻止钎料金属润湿并且结合到表面。通过将焊剂涂覆在联接区域上将表面与空气隔离开，从而防止形成氧化物。焊剂将还分解并且吸收在加热期间形成的任何氧化物或者吸收在清洁处理期间没有被完全去除的氧化物。焊剂通常针对某些的填充材料制成。化学焊剂可以包括下述物质中的一种或多种：硼酸盐、硼元素、氟硼酸盐、氟化物、氯化物、润湿剂或水。

重要的是使得端部连接部在正确位置中对准，以获得最终联接部的正确几何形状。这确保钎料通过毛细管作用在整个联接部中正确分布。通常，可使用重力来将两个锥形表面保持在一起。其它方法可能涉及将工件一起保持在正确位置中的机械工具。

上文示出了使得硬钎焊技术适用于油气工业可能面临巨大挑战。本发明可使得这种技术在油田应用中的应用得以发展。

在硬钎焊焊螺纹连接装置中面临的主要挑战是：

a.在连接螺纹上施加硬钎焊合金；

b.螺纹对硬钎焊材料的分布有极大影响；

c.在施加热量(感应)的同时旋转(形成螺纹连接装置)还影响硬钎焊材料在连接区域上的扩散；

d.建立处理参数，以确保可重复的性能。

从当今工业中存在的多种硬钎焊材料中选择最佳的材料，通过小范围测试来实施这种选择。这节省时间和成本，原因在于：可在有限时间内测试大量材料和施加方法。然后将最适当的材料大规模地施加在油田管的连接装置上。

在硬钎焊合金的整个范围中，基于银-铜的合金提供了最高的屈服强度和/或剪切强度。剪切强度可以高于200MPa至240MPa(35ksi)。屈服强度可以超过180MPa。以下表格公开了硬钎焊材料的两个示例性实施例，其提供了硬钎焊的连接装置的处于最高范围内的屈服强度和剪切强度(即，分别高于180MPa和200MPa)。

可以获得用于施加硬钎焊材料的多种可行处理。硬钎焊材料可以呈膏、箔、涂层、浸液等形式。施加填充材料的最便捷且最可靠的方式之一是热喷涂。

预先硬钎焊的优选方法包括热喷涂熔融的填充材料。在此，热喷涂优选地包括等离子体喷涂。这种方法提供了最佳结果，从而消除了孔隙和不完全的填料形成，由此显著减小了制造期间硬钎焊的瑕疵量。例如，可以使用手动操作的等离子枪，可选地使用氩作为屏蔽气氛，使得通过使用等离子体喷涂硬钎焊材料BAg-24来施加预硬钎焊涂层沉积。可以通过机器人等离子喷涂系统来成批生产设有预硬钎焊涂层的钢管。

优选地，在等离子体喷涂之前例如使用喷砂来制备表面。制备表面将提高热喷涂的材料粘接到钢基底的粘合度和/或去除表面上的氧化物和污染物。钢管件的阳螺纹和阴构件可以例如承受手套箱中的细氧化铝砂喷砂处理。

优选地，喷涂在连接装置的阳构件和阴构件上的填充材料的组合层一起提供了填充材料体积，所述填充材料体积大约等于完全形成连接装置的阳螺纹和阴构件之间的间隙体积高达大约50％。这确保在硬钎焊期间足够的硬钎焊材料存在于连接装置中，以完全覆盖连接装置并且具有适当的联接。将通过在使连接装置旋转的机械作用期间产生的压力从连接装置中推出过量的填充材料。在一个优选实施例中，组合的填充材料体积比间隙体积大大约50％。

在连接装置中沉积不足量的填充材料的劣势可以包括：

·连接装置发生泄漏；

·联接强度降低；

在连接装置中沉积过多的材料的劣势可以包括：

·由于需要高的转矩而使得不能形成连接装置；

·破坏(永久塑性变形)连接端部(阳和/或阴)；

·在硬钎焊之后在连接装置内部或外部上产生实心填充材料突出部；

·增加了每个连接装置的成本。

根据本发明，将填充材料沉积到阳构件和/或阴构件上可以包括以下步骤中的一个或多个：

1)在硬钎焊之前，将硬钎焊材料沉积在连接表面上以使得处理效率和一致性最大化。在这个情况中，其可以是任一沉积方法，诸如，浸渍、镀层、刷涂、涂覆。由于易于实施、处理可预测以及厚度可重复，喷涂是优选的；

2)在喷涂之后，烧结填充材料以增加结合到基体金属的结合程度以及通过减小孔隙率和增加内聚力(即，硬钎焊材料的颗粒之间的结合)而增加最终硬钎焊的强度。

可在车间或工厂中施加填充材料，这将提高质量并且缩短在钻机上实施最终硬钎焊所需的时间。测试证实了在实际“硬钎焊”之前将填充材料沉积在连接装置上强化了最终硬钎焊的连接装置。这可以称作“预硬钎焊”。在此，在井眼处实施最终硬钎焊材料之前已经建立了硬钎焊材料和钢之间的结合。

预硬钎焊是一种技术，在该技术中，填充材料沉积在阳构件和/或阴构件上(为了产生基底金属和硬钎焊合金之间的扩散结合)。随后，通过硬钎焊联接两个已预硬钎焊的表面。这种处理大大缩短了最终硬钎焊时间，从而使得其更适于在钻机处应用。预硬钎焊处理还确保将硬钎焊层适当地结合到表面。

可在诸如车间或工厂的干净且可控的环境中实施预硬钎焊步骤。一旦已经在车间中将填充材料涂层施加到阳构件和阴构件中的一个或两个上，则可在有限时间内在钻机现场连接所述阳螺纹和阴螺纹。可以将保护罩施加到预硬钎焊的阳构件和/或阴构件上，以便保持部件清洁。

例如，无镉的硬钎焊材料BAg-18、BAg-24(上述提供的成分)和BAg-21提供了硬钎焊连接装置的增强强度。

通过直接浸渍到熔融填充材料池中来沉积填充材料可能面临以下技术问题中的一个或多个：

1)钢管应当被加热至高于预硬钎焊材料的熔融温度的温度。否则，预硬钎焊材料可能以非均匀层形式在管道上固化，所述非均匀层还可能过厚；

2)硬钎焊用焊剂可能具有有限的工作时间，并且因此，焊剂不能在同一池中处于熔融的预硬钎焊材料上方。结果，钢管必须被加热，以用于与焊剂接触和与焊剂发生反应，然后，再次加热钢管(或保持在更高温度条件下)，以将钢管浸渍到熔融钎料池中。在小尺寸钢管的情况下这种操作模式难以实施，而在直径为6英寸或更大的厚钢管的情况中其几乎不能实施；和

3)填充材料可以仅仅必须沉积在阳构件的一个表面(外表面3)和/或阴构件的一个表面(内表面6)上。然而，直接浸渍方法导致阳构件/阴构件的内表面和外表面都有涂层。从而消耗了双倍体积的相对昂贵的硬钎焊材料。在此，应当注意的是通常硬钎焊材料包括银。

在一个实施例中，可能根据需要在加热或硬钎焊之后将连接装置脱开连接。脱开连接包括：

a)将已组装的连接装置加热到处于或高于填充材料的熔融温度(填充材料熔融)的温度；

b)在组件处于或高于熔融温度的同时使第一端部连接部和第二端部连接部相对于彼此旋转，以使得第一端部连接部与第二端部连接部脱开连接。

预先施加涂层的厚度可以在0.1mm至0.2mm范围内。证实了等离子体喷涂预钎焊涂层良好粘接到钢表面。填充材料的热喷涂提高了对填充材料的量和分布的控制。

通过喷砂处理使得表面为等离子体喷涂做好准备，以便提高等离子体喷涂的硬钎焊材料粘接到钢表面的粘接程度。钢管和标准样品承受手套箱中的细氧化铝砂喷砂处理。

根据本发明，在施加预硬钎焊层之后或在硬钎焊之后，可测试连接装置的阳构件和阴构件。在此，可根据例如最终连接装置的规格、强度等来测试每个阳构件和阴构件或者可测试其某一百分比。例如，首先，可以测试所有预钎焊的部件，并且一旦已经实现令人满意的连接装置之后，可以仅仅测试连接器的设定百分比。

硬钎焊联接部的质量在确保结合的适当性能中至关重要。无损测试方法，尤其是超声技术，已经作为确定这种结合质量的主要研究领域。与其它无损方法相比，超声技术提供了用于评估冶金结合的最高灵敏性，原因在于：材料和接触面的声频特性与它们的弹性性能密切相关。

采用一种程序来控制和检查硬钎焊连接装置的质量。在此，硬钎焊连接装置承受超声扫描。图6示出了用于测试硬钎焊连接装置的测试设备50。测试设备包括容器52，所述容器52填充有流体54，诸如水。声换能器56安装在框架58上并且能够沿着样本的长度运动，所述样本诸如是包括表面3、6的硬钎焊连接的管状构件1、4。流体具有高度L1，所述高度至少超过连接装置的长度。设备的总高度可以为L2。

在测试期间，换能器56朝向管1、4发出声信号。由换能器56记录所述信号的回声，并且将回声供应到数据处理器(未示出)。图7示出了来自前壁61、接触面62和后壁63的回声60。示例7A示出了良好的结合，其仅仅包括来自前壁61和后壁63的回声。示例7B示出了来自前壁61、接触面62和后壁63的回声，其表示普通的结合质量。示例7C示出了来自前壁61和接触面62的回声，其表示结合不足。

硬钎焊的质量高度取决于多种参数。除了制备连接装置的部件之外，硬钎焊处理自身也很重要。强制对温度和时间进行谨慎控制，以获得最优结果。由于存在第三参数(即，转矩)，因此硬钎焊带螺纹的连接装置更加复杂。这是因为在形成连接装置的同时硬钎焊所述连接装置。根据本发明，转矩、时间和温度之间的联合使得硬钎焊连接装置的处理和质量可重复。

另外，本发明的处理可以包括以下步骤中的一个或多个：

-沿着(带螺纹的)连接装置的长度施加不同厚度的硬钎焊材料。这可以提高硬钎焊材料的分布，可以弥补在螺纹开始和结束处所需材料的公差和集中性。为了将更厚的层施加在某些区域中，用户花费额外的时间(例如，大约2至10秒，例如大约5秒)将硬钎焊材料喷涂在所述区域中；

-在连接装置的接触表面中设置用于额外硬钎焊材料的储器，以用于提高硬钎焊材料沿着螺纹连接装置的长度和周长的分布；

-针对硬钎焊带螺纹的连接装置的破坏性质量控制和无损质量控制的一些元件。

通过广泛实验和分析，已经发展了图8和图9中示出的处理限制尺度(envelopes)。在图8至图9的曲线图中，右侧的竖轴表示转矩τ(形成连接装置)，而左侧的竖轴表示温度T。横轴表示时间t。虚线表示施加到连接装置的转矩，而条纹斑点线(-·-)表示施加的温度。转矩和温度的施加都与时间因素有关。

产生具有最优强度和可靠性的处理整体包括以下步骤(参照图8，9)

i)在t0时，施加转矩，以便连接阳构件2和阴构件5，直到阳构件的端部16接合阴构件的肩部20和/或直到阴构件的端部18接合阳螺纹的肩部22为止。通过在A处转矩的突然增加或者变平来指示接合。施加转矩是指使得阳构件和阴构件相对彼此旋转。这可以既针对带螺纹的连接装置又针对不带螺纹的连接装置来实施。在一个实施例中，阳构件和阴构件没有完全连接，从而在两个部件之间存在小间隙。小间隙例如为大约4mm或大约2圈；

ii)在t1时，升高温度直到填充材料的熔融温度的大约75-90％，例如85％；

iii)在t2至t3的时间周期内保持温度处于ii)的水平，以使得连接装置中的热量分布均衡(E至F)(图8、9)。在一个实施例中，可利用以下公式计算使得步骤E-F中的温度相等至少所需的时间(t2至t3)：

t＝6.4·10^(－5)·h·[((D^2－d^2)·π)/4]

其中，t是时间，以秒为单位；h是连接装置的高度，以mm为单位；D是管的OD(外径)(mm)；d是管的ID(内径)(mm)。ID表示内径。在5.5”OD 9.5mmWT管上使用VAM FJL连接装置来证实以上公式。

iv)在t3时，升高温度至大约填充材料的熔融温度，直到高大约20摄氏度或高10％(F至G)；

v)施加增加的转矩以形成连接装置。优选地在温度为硬钎焊材料的熔融温度的大约90-95％时施加增加的转矩。如图8至图9所示，增加的转矩可以超过在i)时施加的转矩的水平，例如，大三倍或四倍。再者且，施加转矩表示阳构件和阴构件相对于彼此旋转。这可以针对带螺纹构件和不带螺纹构件来实施(C至D)。闭合曾留在步骤i)中的两个部件之间的可选的小间隙；

vi)在t5时，停止施加转矩；

vii)在预定时间(G至H)之后，停止施加热量，以使得连接装置能够冷却。优选地自然冷却，通过空气冷却(线70)。空气冷却提供了最牢固的硬钎焊连接装置。作为更快冷却的可替代方案包括通过添加冷却液(诸如水)来实施冷却。能够以适度的量(线72)或大量(线74)地施加冷却剂。后者将最快速地冷却连接装置，但是也将产生更脆的连接装置；和

viii)可选地，当已组装的连接器的温度处于或低于预定冷却温度I(在图8中的t6)时，可以通过施加诸如水的液体快速地将连接器冷却到低于50摄氏度。冷却温度例如为大约350摄氏度。

转矩、温度和时间参数的联合使得能够重复生产相同的成功的硬钎焊连接装置。

已经根据本发明联接在一起的套管和管柱提供了防漏、无缝、使用周期完整，并且有潜力实现要追求的更纤细、更成本有效的井。

在阳构件2和阴构件5之间产生冶金结合之后，可以使用适当的膨胀锥或其它膨胀装置使得套管1、4径向膨胀。在膨胀处理期间，阳构件3的唇沿16和阴构件的唇沿18因下述事实而存在径向向内弯曲的趋势，所述事实为阳构件和阴构件的径向内部分较之它们的相应径向外部分承受更大的圆周张力。通过在阳构件和阴构件之间的冶金结合来充分防止阴构件2的唇沿16的径向向内弯曲和随之而来的连接器的密封能力的(部分)损失。

在工厂中沉积填充材料的涂层加速了在钻机现场对硬钎焊连接装置的组装。在实践中，可在大约6分钟或更少的时间内，例如在大约4分钟内(在图8，9中时间t0-t5)，形成连接装置并且硬钎焊连接装置。可以在大约15分钟至20分钟(t5-t6)的时间内将空气从硬钎焊温度(例如，大约700摄氏度，或者在图8，9中的G-H)冷却至冷却温度(例如，大约350摄氏度，或者在图8中的I)。

因此，涂层地沉积(预先硬钎焊)允许将材料沉积在形成连接装置的关键路径外侧，这将使得较之需要在钻台上实施这种连接操作的可替代的硬钎焊方法(诸如，硬钎焊膏或箔)更加快速地形成硬钎焊连接装置。

在一个实施例中，一层预硬钎焊材料层沉积在阳构件上，而一层预硬钎焊材料层沉积在阴构件上，所述预硬钎焊涂层由同样的硬钎焊材料构成。尽管预钎焊涂层可以包括不同的材料。

在小于5分钟的时间内硬钎焊的带螺纹连接装置能够在逐点条件(fix-fix condition)(这是模拟实际场所中的压差卡钻的最糟糕的测试场景情况下)下膨胀22％之后密封大约500bars(7250psi)的液体和气体压力。还可以针对疲劳的连接装置实施类似的测试(1百万次)。这些连接装置还能够膨胀22％并且仍然保持防漏。

硬钎焊不带螺纹的连接装置并且使其膨胀。承受500bars液密性的硬钎焊材料包括例如电解施加的纯铜和银。

本发明的方法使得能够更加可靠地形成连接器，而同时即使在膨胀之后也能够实现针对连接器的液密密封乃至气密密封。本发明的方法目前是唯一可用的方法，其中，连接装置可被膨胀，在膨胀之后仍保持防漏，并且承受大约7000ft-1bs(大约9.5kNm)或更大的转矩。在此，可可靠地使得连接装置膨胀大约20％或更大。连接装置在膨胀之后保持防漏。在此，气密指的是连接装置在膨胀之后例如可承受500bars或更大的气体压力。

适于本发明的优质连接装置例如包括-FJL和Hydril513^TM。存在内部和外部平齐的一体连接装置，其针对衬管、套管和井径缩小(tight-hole)的管柱提供了最大间隙以及最优强度。本发明的方法使得能够提升连接装置的品质，以满足井的挑战性的功能要求。

优化硬钎焊处理，其包括例如将温度、转矩和时间相联合。确定处理参数使得能够可靠地产生相同的连接装置和相同的性能。

本发明的方法使得能够使用“无螺纹”连接装置。这消除了对昂贵优质的带螺纹连接装置的需求，从而节约了成本。相对于设置有优质连接装置的管而言，使用不带螺纹连接装置可以削减50％的成本。

本发明并不局限于其上述实施例，其中，在所附的权利要求的范围内可设想多种变型方案。可以例如组合相应实施例的特征。

Claims

1.一种联接管状构件的方法，所述方法包括以下步骤：

提供具有第一端部连接部的第一管状构件；

提供具有第二端部连接部的第二管状构件，所述第二端部连接部构造成与第一端部连接部形成连接装置；

将一些量的填充材料布置在第一端部连接部和第二端部连接部中的至少一个端部连接部的配合表面的至少一部分上；

通过在施加第一转矩的同时连接第一端部连接部和第二端部连接部来联接第一管状构件和第二管状构件，其中，所述填充材料被压缩在第一端部连接部和第二端部连接部之间；

将已联接的第一端部连接部和第二端部连接部加热到低于填充材料的熔融温度的第一温度；

施加超过第一转矩的第二转矩；

降低所施加的第二转矩；以及

冷却由第一端部连接部和第二端部连接部形成的连接装置。

2.根据权利要求1所述的方法，所述方法包括以下步骤：使得已联接的管状构件膨胀，所述已联接的管状构件包括第一端部连接部和第二端部连接部形成的连接装置。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，将已联接的第一端部连接部和第二端部连接部加热到第一温度的步骤包括：将温度保持在第一温度条件下一时间段(t2-t3)，以用于使得所述连接装置中的温度均衡。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述时间段(t2-t3)至少为：

t＝6.4·10^(－5)·h·[((D^2－d^2)·π)/4]

其中，t是时间，以秒为单位；h是连接装置的高度，以mm为单位；D是管的外径(OD)(以mm为单位)；和d是管的内径(ID)(以mm为单位)。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第二转矩至少超过所述第一转矩两倍。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一温度处于所述填充材料的熔融温度的大约75％至95％的范围内。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第二温度大致比所述填充材料的熔融温度高大约20摄氏度。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一端部连接部和所述第二端部连接部上的填充材料的组合量一起提供了一填充材料体积，所述填充材料体积大约等于已形成的连接装置的第一端部连接部和第二端部连接部之间的间隙体积的高达大约50％。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一端部连接部和所述第二端部连接部上的填充材料的量一起提供了一填充材料体积，所述填充材料体积大于已形成的连接装置的第一端部连接部和第二端部连接部之间的间隙体积的大约50％。

10.根据权利要求1所述的方法，其中，冷却已联接的第一端部连接部和第二端部连接部的步骤排除由液体进行冷却直到已联接的第一端部连接部和第二端部连接部的温度低于第三温度为止。

11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一端部连接部和所述第二端部连接部不带螺纹。

12.根据权利要求1所述的方法，其中，所述填充材料选自包括Ag50-Cu20-Zn28-Ni2(SilverBraz50Ni2^TM(BAg-24))和Ag49-Cu16-Zn23-Mn7.5-Ni4.5(Brazetec 4900^TM(BAg-21))的组。

13.根据权利要求1所述的方法，其中，布置一些量的填充材料的步骤包括：

加热填充材料到处于或高于所述填充材料的熔融温度的温度；和

使用热喷涂沉积所述填充材料。

14.根据权利要求1所述的方法，其中，以厚度处于大约0.1mm至0.2mm范围内的层的形式将所述填充材料施加到第一端部连接部和/或第二端部连接部。

15.根据权利要求1所述的方法，其中，所述填充材料包括硬钎焊材料，并且其中，将硬钎焊用焊剂施加到选自第一端部连接部和第二端部连接部的表面。

16.一种连接器组件，所述连接器组件包括：

第一管件，所述第一管件具有第一端部连接部；

第二管件，所述第二管件具有第二端部连接部，所述第二端部连接部与所述第一端部连接部形成连接装置；和

一些量的填充材料，所述填充材料处于所述第一端部连接部和所述第二端部连接部中的至少一个端部连接部的配合表面的至少一部分上；

使用根据权利要求1所述的方法连接所述连接器组件。