CN105940186B - 有线管与制造有线管的方法 - Google Patents

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Abstract

有线管包括具有壁的管状管体。该壁包括内表面、由内表面形成的流动通道、外表面，以及整体地形成在壁的厚度内且在壁的内表面与外表面之间的至少一个通道。本发明还包括一种形成有线管的方法。

Description

有线管与制造有线管的方法
相关申请的交叉参考
本申请要求2013年11月22日提交的美国专利申请号14/087422的权益，该文献以全文引用的方式并入本文中。
背景技术
在钻井和完井工业中，为了流体生产或流体注入的目的而形成钻孔是常见的。钻孔用于天然资源(如烃类、油、气、水)的勘探或提取，并可选地用于二氧化碳(CO2)封存。在地下钻井和完井操作期间，管或其他导管在钻井操作期间或之后被下降到地层内的钻孔中。这样的管通常被配置为多个管段以形成管柱，如钻柱或生产管柱。当管柱被下降到钻孔中时，附加的管段通过各种联接机构(如螺纹联接器)联接至管柱。
各种电力和/或通信信号可经由“有线管”构造通过管段传送。这样的构造包括沿选定管段的长度延伸的电导体、光导体或其他导体。导体通过联接构造(如销钉套管连接)可操作地连接在各管段之间。有线管系统的一个特点是：其可以将数据从井下位置迅速地传送到地面，反之亦然。
一般来讲，在有线管构造中，一个或多个导体(如电线或电缆)沿着通常为钢制的管段内径穿行。已经提出各种构造来相对于管段的内径表面安装、固定并铠装电线。导体需要保护以免受到被泵送到井下或流经管段的钻井流体或生产流体和其他对象(如固井飞镖)的影响。保护导体的机构包括小直径的保护性钢管。虽然这种管材用于保护导体，但它们对有效的流体流动和组件(如设置在管段中的线缆测量工具和固井设备)构成了潜在的障碍。
由于井下系统的复杂性的增加，本领域将接受有线管和实现管中的电线的方法的替代设置。
发明内容
有线管包括具有壁的管状管体，所述壁包括内表面、由内表面形成的流动通道、外表面，以及整体地形成在壁的厚度内且在壁的内表面与外表面之间的至少一个通道。
一种形成有线管的方法，该方法包括：挤压出带有壁的管状管体，所述壁具有外表面和内表面，内表面形成内部流动通道；以及穿过管状管体的壁的厚度在内表面与外表面之间形成至少一个通道。
附图说明
现在参考附图，其中相同的元件在几个附图中用相同的数字标号：
图1示出了有线管管体的一个示例性实施例的一部分的侧透视图；
图2示出了有线管管体的另一个示例性实施例的一部分的侧透视图；
图3示出了有线管管体的又一个示例性实施例的一部分的侧透视图；
图4示出了用于形成有线管的制造工具的一个示例性实施例的剖面图；
图5示出了用于形成有线管的制造工具的另一个示例性实施例的侧透视图；
图6示出了另一个示例性制造工具的端部透视图；
图7示出了图5的制造工具的侧透视图；
图8示出了图5的制造工具的X射线侧透视图；
图9示出了附接到有线管的一个示例性实施例的钻具接头的一个示例性实施例的X射线侧透视图；以及
图10示出了用于有线管中的传输线的一个示例性实施例的剖面图。
具体实施方式
有线管10(图9)的示例性实施例利用了如图1至图3所示的带有用于传输线(如绝缘电导体、电线、电缆和/或光纤)的信号通信通道的管状管体。所述通道是在管体的制造过程中形成的。图1示出了具有纵向轴线 14和一个或多个螺旋形电线通道16的管体12的一个示例性实施例，所述螺旋形电线通道16形成于管体12的壁18内，从管体12的第一端20延伸到第二端(未示出)。当使用短语“电线通道”时，应当理解，任何线路都可被容纳在该电线通道内，例如但不限于绝缘电导体、电线、电缆和 /或光纤。螺旋形电线通道16是螺旋形状的，共享管体12的纵向轴线14 并根据有线管10的长度包括一个或多个螺旋形匝。螺旋形电线通道16的螺旋角可取决于有线管10的总体尺寸。壁18包括外表面22和内表面24，而螺旋形电线通道16形成在壁18的外表面22与内表面24之间、在壁18 的厚度26内。在图1示出的实施例中，壁18的厚度26在螺旋形电线通道16的位置处较大，使得管体12的内径不是恒定的，并且在设置了电线通道16的位置处较小，在未设置电线通道16的位置处较大。管体12的外径基本上恒定。在管体12的内部30内设置了流动通道28，该流动通道 28由壁18的内表面24包围。管体12的壁18将电线通道16与流动通道 28隔离开。
图2示出了具有形成于管体112的壁118内的一个或多个螺旋形电线通道116的管体112的另一个示例性实施例。壁118包括外表面122和内表面124，且螺旋形电线通道116形成于壁118的外表面122与内表面124 之间。壁118的厚度126在螺旋形电线通道116的位置处较大。管体112 的外径不是恒定的，并且在未设置电线通道116的位置处较小，在设置了电线通道116的位置处较大。管体112的内径基本上恒定。在管体112的内部130内设置了流动通道128，该流动通道128由壁118的内表面124 包围。
图3示出了具有形成于管体212的壁218内的一个或多个螺旋形电线通道216的管体212的另一个示例性实施例。壁218包括外表面222和内表面224，且螺旋形电线通道216形成于壁218的外表面222与内表面224 之间。厚度226基本上均匀，使得管体212的外径基本上恒定，且管体212 的内径基本上恒定。在管体212的内部230内设置了流动通道228，该流动通道228由壁218的内表面224包围。
在上述实施例中的每一个中，包围电线通道的壁以及管体的壁必须具有足够的厚度以提供扭转、拉伸、振动和磨损所需的强度，同时不超过(与循环系统中的损耗相关的)重量和尺寸的要求。例如，在4”传统钻管 (“CDP”)中，外径处尺寸为大约102mm，内径处尺寸为大约82mm，从而提供20mm的壁厚度。然而，已经确定，为了使这种管包括如图1至图 3中所示的电线通道16、116、216，管体12、112、212将分别需要大约 10mm的电线通道壁厚度。因此，不足以保持具有整体式电线通道的CDP 的尺寸。如果具有例如2.5mm外径的同轴电缆将被包括到管体中，则壁厚度将不得不增加到径向扩展到如图1所示的管体12的内部中，从如图2 所示的管体112径向向外扩展，或者增加如图3所示的管体212的壁218 的总体厚度。尽管未示出，但另一个示例性实施例将是图1所示的管体12 和图2所示的管体112的组合，其中电线通道包括从壁的外表面和内表面突出的电线通道壁，使得管体的内径和外径均不是恒定的。尽管图1至图 3各自示出了一对电线通道16、116、216，但可选地，管体12、112、212 可以被限制成单个通道，或者可以设置有两个以上通道。对于冗余系统，应当考虑包括一条以上线路，且因此应当在管体12、112、212内形成两个或多个电线通道16、116、216。
尽管可以通过可导向钻探方式将电线通道16、116、216钻通穿过具有足够厚度的壁的管体，但这将需要具有紧密公差的附加制造步骤。为了减少形成有线管所需的制造步骤的数量，制造管体的示例性方法包括挤压制成管体的金属材料，同时在挤压过程期间直接在其中形成螺旋形电线通道 16、116、216。根据用于管体12、112、212的材料，挤压温度可以为约 1200℃。为了在该制造步骤插入线路，需要能够在制造过程期间承受所述温度的线路。因此，如果线路直接与管体12、112、212一起形成，那么线路应当由能够承受挤压温度的材料制成，或者可选地，由能够通过承受挤压温度或者通过暴露在挤压温度下熔融来保护线路的材料制成的且在管体12、112、212的挤压材料与线路之间提供缓冲的外护套来覆盖。可选地，由具有大于挤压温度的熔融温度的材料制成的电线导管可以与管体12、 112、212以及随后插入其中的线路一起被挤压。虽然用于线路或导管的材料已经被描述为具有大于挤压温度的熔融温度，但如果线路或导管的材料的熔融温度比管体的材料的熔融温度低一点点(如基本上相同)，同样可以形成管体，只要线路或导管基本上能够承受挤压过程。
图10示出了可用作适合在有线管10的挤压过程期间使用的线路的电缆250的一个示例性实施例。示例性电缆250包括导体252，该导体252 可由铜(如无氧高导热性(“OFHC”)铜)制成。导体252 被绝缘体254 (如SiO2电介质材料)包围，从而将导体252 与护套256隔开，该护套 256同样可由OFHC铜制成。绝缘体254，特别是SiO2电介质，具有在有线管10的所需制造温度下大约稳定的电气性能。线路250由提供高范围的性能温度和优异的机械阻力的外管258保护，如不锈钢或钛。用于线路 250的材料可以被辐射硬化且是热稳定的，线路250的相位和插入损耗较低。同样，具有PTFE电缆的类似电气性能的SiO2电缆250可以比PTFE 电缆更小或更轻30-50％，并且具有比PTFE电缆更大的热阻。较小的尺寸使得电缆250更适合用于管体12、112、212的壁中。PTFE具有比不锈钢 (大约1500℃)和钛(大约1650℃)小的多的熔融温度(小于350℃)。因此，具有其较小尺寸和较大热阻的合成电缆250适合于在有线管10的壁18、118、218内挤压。
可选地，在挤压过程期间，代替与管体一起来挤压线路，螺旋形电线通道16、116、216可以通过穿刺杆和随后插入管体中的线路被挤压在管体 12、112、212的壁18、118、218内。出于示例性目的，将描述如图1所示的用于形成有线管体12的挤压过程，其中管体12包括朝着管体12的内部30径向向内突出的两个螺旋地设置的电线通道16。可以执行类似的过程以形成图2和图3所示的管体112、212，以及包括单个通道的管体，或者具有两个以上电线通道的管体。
图4示出了用于形成图1所示的管体12的挤压过程的制造工具50的第一示例性实施例。工具50包括壳体52，该壳体52具有尺寸被设计成容纳挤压过程之前的原始材料的内部空间54。工具50还包括内表面成形元件(如第一穿刺杆56)，和58处所示的第一和第二线路或导管，或者第二和第三穿刺杆。可以使用工具50通过将实体坯件牵引至穿刺杆56与壳体 52之间产生管体12的空心管坯来形成图1所示的无缝有线管体12。穿刺杆56形成管体12的流动通道28。代替与管体12整体地形成的电缆或导管58，可以使用用于形成电线通道16的第二和第三穿刺杆58，在这种情况下线路可随后被插入。对于拉伸和扭转负荷，螺旋形结构是有益的，使得合成负荷力沿通道28的方向。因此，用于电线通道16的穿刺杆58同样可以螺旋地设置。第一穿刺杆56的第一端60具有外表面62，该外表面 62与待形成的管体12的内表面24的大小和形状大致相同。第一端60的外表面62进一步设置有凹口64，该凹口64对应于电线通道16处将由内表面24形成的向内径向突起。穿刺杆56的第一端60的外表面62和壳体 52的内表面66形成工具50的模具。第一穿刺杆56可具有从第一端60延伸的锥形段68。该锥形段68允许壳体52内的原始材料被挤压成部分由模具限定的管体12的最终形状。第一穿刺杆56进一步包括延伸通过壳体52 的内部空间54的延伸部分70。第一穿刺杆56被配置为(如经由延伸部分 70的旋转)在挤压过程期间旋转以形成壁18从而容纳螺旋地设置的电线通道16。为了将放置在壳体52的内部空间54中的坯件或原始材料挤压成如图1所示的管体12的最终形状，穿刺杆56可以沿朝着设置在壳体52 的内部空间54内的原始材料的方向A拉回，和/或冲杆72可以沿朝着壳体52的相对端的方向B推压坯件或原始材料。在任一情况下，旋转穿刺杆56以便形成合适的螺旋角的电线通道16，且坯件或原始材料被挤压通过穿刺杆56的第一端60与壳体52的内表面66之间的挤压间隙74。当新管体的材料凝结时，取出穿刺杆58的端部。因此，该管体不得不相对于工具翻转。
如果在管体12的制造期间将线路嵌入管体内，则线路将比图4中58 处所示的要长以确保用于连接到其他管体12和互连联接器的充足长度。具有低熔融温度的不结实材料(例如但不限于蜡)可以用于挤压过程期间在管材料包围线路58之前将其保持在位。在随后的过程中，制造工具50 如经由壳体52和/或穿刺杆56内的冷却通道或者经由冷却浴或空气供给而被冷却，以防止中空挤压管体12塌缩以及防止制造工具熔融磨损和变形。
图5至图8示出了用于形成整体式有线管体12的制造工具150的另一个示例性实施例。工具150可在其中原始材料在挤压之前处于熔融状态的实施例中使用。工具150包括壳体152。到壳体152的内部154的入口 176(图6)被设置为经由原始材料引入管178(图7和图8)接收熔融的原始材料。入口176包括尺寸被设计成允许原始材料进入的孔180以及延伸到壳体152的内部154中并且支撑内表面形成元件(如其中的芯轴156) 的孔支撑腹板182。对于低于熔融温度的挤压温度，这些孔180在挤压的路径内通常没有连接到壳体152，而是延伸所制造的管体的整个长度。芯轴156包括具有类似于图4中所示的穿刺杆的外表面62的外表面162的第一端160。芯轴156的第一端160的外表面162可以具有凹口164以在图1中所示的管体12的电线通道16附近形成径向向内突出的壁18。芯轴 156朝着芯轴156的第二端184(图8)渐缩，其结束于入口176处，以允许壳体152的内部154内的空间用于原始材料。在壳体152与原始材料引入管178之间引入线路158，如图7和图8中所示。线路158设置有延伸超出挤压管体12连接部分186，用于随后与接头或联接器的连接，如下文将关于图9进一步描述的。在壳体152的内表面166与芯轴156的第一端 160的外表面162之间形成了挤压间隙174，使得挤压管体12具有在挤压间隙174处匹配壳体152的内表面166的外表面22和匹配芯轴156的第一端160的外表面162的内表面24。具有芯轴156的壳体152可以相对于原始材料引入管178旋转以将线路158螺旋地设置在管体12的壁18内。应当理解的是，该旋转是将材料按压通过工具的螺旋结构的结果。即，不存在原始材料的主动旋转。挤压管体12在挤压之后被冷却以保持离开工具150的挤压管体12的形状和结构。
一旦挤压出的管体12被冷却并且包括所需线路158(电缆、电线、光纤等)，有线管10准备用于连接到其他有线管10。这可以通过使用联接器 (如图9中描绘的钻具接头80的示例性实施例)来实现。钻具接头80可以例如通过焊接、摩擦焊接或其他附接方法附接到带螺旋形通道的有线管 10的端部。接头80可以设置有钻孔82以使线路158的连接部分186从其穿过。钻孔82可以是枪钻而成的。有线管10和接头80被对准，使得在焊接过程的最终位置处，到钻具接头80中的钻孔82的开口84和用于管体12中的线路158的通道16的开口32(图1)对准。如果需要的话，随后可对钻孔82的端部进行再次钻孔。还可在完成通道16之后将线路158 布线通过通道16或者在再次钻孔之后将管体12中的电线与布线通过钻具接头80的另一根电线连接。另一种选择是在将钻具接头80附接到管体12 之后通过钻具接头80钻探钻孔82。在此情况中，钻具接头80在附接之后相对于管体12的最终定向将是无关紧要的。在管接头80被焊接到管体12 之后，接头80的联接器将来自相邻有线管10或其他装置(例如但不限于中继器电子器件、传感器、致动器)的附加线路连接部分186连接到从有线管10延伸的线路连接部分186。钻具接头80可以包括螺纹端部部分86。螺纹端部部分86可以包括阳螺纹或阴螺纹，并且具有阳螺纹或阴螺纹中的另一种的钻具接头(未示出)可连接到有线管10的相对端。钻具接头 80还包括在连接到有线管10之后与流动通道28对准的流动通道88。
虽然已经参考一个示例性实施例或多个示例性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行各种改变且可以用等价物代替其元件。另外，在不脱离本发明的基本范围的情况下，可以做出许多修改以使具体情况或材料适应本发明的教导。因此，这意味着本发明不限于作为实现本发明的最佳模式而公开的具体实施例，但是本发明将包括落于权利要求书的范围内的所有实施例。另外，在附图和说明书中，已公开了本发明的示例性实施例，并且虽然可能已采用了具体术语，但是除非另有说明，否则它们仅在一般性和描述性的意义上使用且不是为了限制目的，本发明的范围因此不限于此。此外，术语第一、第二等的使用并不表示任何次序或重要性，而是这些术语第一、第二等被用来区分一个元件和另一元件。而且，术语一、一个等的使用并不表示对数量的限制，而是表示存在至少一个所引用的项目。

Claims (13)

1.一种井下有线管，其包括：
具有壁的整体式管状管体，所述壁包括内表面、由所述内表面形成的流动通道、外表面、以及整体地形成在所述壁的厚度内且在所述壁的所述内表面与所述外表面之间的至少一个通道，其中，所述至少一个通道具有螺旋形状，所述至少一个通道与所述管体一起被挤出形成，所述至少一个通道延伸所述管体的整个长度，所述至少一个通道与所述管体共享纵向轴线。
2.根据权利要求1所述的有线管，其中，所述至少一个通道包括至少一个螺旋匝。
3.根据权利要求1所述的有线管，其中，所述至少一个通道通过所述管状管体的所述壁与所述流动通道隔离开。
4.根据权利要求1所述的有线管，其中，所述壁的与所述至少一个通道相邻的内表面径向向内突出。
5.根据权利要求1所述的有线管，其中，在所述有线管的横截面内，所述外表面与所述至少一个通道之间的距离基本上等于所述内表面与所述至少一个通道之间的距离。
6.根据权利要求1所述的有线管，其进一步包括设置在所述至少一个通道内的至少一条传输线，所述至少一条传输线包括电导体和光纤中的至少一个。
7.根据权利要求6所述的有线管，其进一步包括与所述管体一起被挤出形成并且被配置为形成所述至少一个通道的至少一个管状导管，所述至少一条传输线被设置在所述至少一个管状导管内。
8.根据权利要求1所述的有线管，其中，所述有线管是井下钻管，并且其进一步包括附接到所述钻管的工具接头，所述工具接头具有与所述至少一个通道对准的至少一个纵向钻孔。
9.一种形成井下有线管的方法，所述方法包括：
挤出形成带有壁以及整体地形成在所述壁的厚度内且在所述壁的内表面与外表面之间的至少一个螺旋形状的通道的整体式管状管体，所述壁的所述内表面形成内部流动通道；其中，所述至少一个通道延伸所述管体的整个长度，且所述至少一个通道与所述管体共享纵向轴线。
10.根据权利要求9所述的方法，其进一步包括穿过所述至少一个通道插入至少一条传输线。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，挤出形成所述管状管体包括在壳体与内表面形成元件之间挤出用于所述管状管体的材料，并且其进一步包括将至少一条导管插入在所述壳体与所述内表面形成元件之间以形成所述至少一个通道。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述内表面形成元件包括至少一个凹口，并且所述方法进一步包括在挤出形成所述管状管体期间相对于所述材料旋转所述内表面形成元件以形成用于所述至少一个通道的至少一个径向突起。
13.根据权利要求9所述的方法，其进一步包括将至少一条传输线设置在所述至少一个通道内，所述至少一条传输线的一部分延伸超出所述管体的端部、将工具接头连接到所述管体、以及使延伸超出所述管体的所述端部的所述传输线的所述一部分穿过所述工具接头。
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