CN106255799B - 设有内锁定环以及在辅助管线元件和主管元件之间的间隙调节装置的立管区段 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种设有内部锁定环(11)的立管区段(4)。根据本发明，辅助管线元件(7)固定到主管(6)的一端，并且辅助管线元件(7)通过滑动枢转连接的作用可相对于主管(6)的另一端移动，辅助管线元件(7)的相对平移运动由间隙调节装置(15)限制。本发明还涉及一种由多个区段(4)组成的立管，并且涉及立管用于执行海上钻井操作。
Description
技术领域
本发明涉及极深的海洋油层钻井和开发领域。它涉及一种立管区段。
背景技术
立管由长度范围在15和27m(50和90英尺)之间的管状元件的组件组成，这些管状元件通过连接器组装。管状元件通常由在每个端部处设置有连接器的主管组成。提供与主管平行的管状辅助管线，也称为周边管线，通常被称为“压井管线”、“节流管线”、“增压管线”和“液压管线”，其允许工业流体的循环。在钻井现场从浮筒组装管状元件。当管状元件组装时，立管下降到一定的水深度，直到其到达位于海底的井口。
在可达到3500m或更大的水深处钻井的角度来看，立管的重量变得尤为不利。该现象通过以下的事实增加，考虑到限制压降的必要性，对于相同的最大工作压力，立管的长度需要辅助管线的更大的内径。
此外，由于水深度以及因此立管长度大，因而减少立管的组装时间的必要性更加关键。
文献FR-2,925,105、FR-2,956,693和FR-2,956,694描述了各种解决方案，特别致力于使辅助管线与主管一起吸收施加到立管的纵向应力。然而，对于这些专利中描述的系统，辅助管线相对于主管的紧固导致辅助管线中的高拉伸应力。为了承受这些拉伸应力，辅助管线具有大的厚度值，这引起浮筒的质量和尺寸的增加，并且因此增加了立管的成本。
本发明描述了一种通过内部锁定环提供紧凑型连接器设计的解决方案。根据本发明，辅助管线可通过滑动枢转连接的作用移动，辅助管线的相对运动由间隙调节装置限制。根据本发明的连接器非常适合于深海立管，即位于大于2000米的深度处的立管。因此，可以减小辅助管线的厚度，这允许浮筒的质量、立管的总质量和立管的成本的增加。
发明内容
本发明涉及一种立管区段，该立管区段包括通过阳连接器元件和阴连接器元件延伸的主管元件，该阴连接器元件在其内面上包括第一系列立柱，其中锁定环安装在所述阳连接器元件上，所述锁定环的外表面包括至少第二系列立柱，所述立管区段另外包括至少一个辅助管线元件。所述辅助管线元件固定到所述主管元件的一端，并且其通过滑动枢转连接来连接到所述主管元件的另一端，所述滑动枢转连接允许在由布置在所述辅助管线元件上的间隙调节装置限制的距离上在所述主管元件和所述辅助管线元件之间的相对平移运动。
根据本发明，所述间隙调节装置由螺母或螺纹部件组成。
根据变型实施例，所述辅助管线元件一方面通过阴端部件延伸，并且另一方面通过设置有螺母的阳端部件延伸。
根据第二变型实施例，所述辅助管线元件一方面通过阴端部件延伸，并且另一方面通过插座延伸，设置有止动件的阳销插入该插座中。
另选地，所述辅助管线元件一方面通过其中插入有阴销的插座延伸，并且另一方面通过其中旋入有阳螺纹销的插座延伸，所述阳螺纹销包括肩部。
根据本发明的方面，由所述间隙调节装置限制的距离的范围在0mm和38.1mm之间，优选在2.54mm和25.4mm之间。
有利地，所述阳连接器元件包括套筒，所述锁定环安装在该套筒上。
优选地，所述阳连接器元件在其内面上包括第三系列立柱，并且所述锁定环的外表面包括适于与所述第三系列立柱配合的第四系列立柱。
有利地，每个系列的立柱由至少两排至少四个立柱构成。
此外，所述辅助管线元件是具有涂覆有聚合物基质的诸如玻璃、碳或芳族聚酰胺纤维之类的加强丝的箍钢管。
根据实施例，所述阳连接器元件和所述阴连接器元件通过增加所述主管元件的区段和厚度而延伸主管元件，以便形成凸缘以供所述辅助管线元件通过。
有利地，所述滑动枢转连接在所述阳连接器元件的凸缘中实现。
根据本发明的方面，所述立管区段包括与所述凸缘的周边表面配合以用于组装所述凸缘的锁定套环。
优选地，所述锁定套环的内面设置有第一系列立柱，并且所述阴连接器元件的凸缘的周边表面包括第二系列立柱。
有利地，所述锁定套环的内面设置有第三系列立柱，并且所述阳连接器元件的凸缘的周边表面包括适于与所述第三系列立柱配合的第四系列立柱。
此外，所述锁定套环可旋转地固定到所述锁定环。
另外，本发明涉及一种包括根据本发明的至少两个立管区段的立管，其中通过所述阳连接器元件和所述阴连接器元件以及所述锁定环实现两个连续区段之间的连接。
有利地，所述滑动枢转连接的相对平移运动的所述距离被调节，以便在所述立管的至少两个区段连接时为正，并且在使用所述立管时为零。
本发明涉及根据本发明的立管用于执行海上钻井操作。
附图说明
通过阅读以下参照附图以示例性示例的方式给出的实施例的描述，根据本发明的方法的其他特征和优点将更加清楚，其中：
-图1示意性地示出了根据本发明的立管，
-图2示出了根据本发明的实施例的立管区段，
-图3示出了根据本发明的第一实施例的两个立管区段的连接，
-图4示出了在根据图3所示实施例的锁定环和阴连接器元件的连接之前的分解图，
-图5示出了根据图3所示实施例的锁定环，
-图6示出了根据本发明的第二实施例的两个立管区段的连接，
-图7示出了本发明的第二实施例的锁定套环，
-图8至图10示出了辅助管线的根据本发明的三个变型实施例，
-图11是示出了针对根据本发明的实例的立管的质量作为间隙的函数的曲线图。
具体实施方式
图1示意性地示出了海上立管1。立管1延伸井P，并且该立管1从井口2伸展到例如浮筒3、平台或船舶。井口2设置有通常被称为B.O.P.或防喷器的防护设备。立管1由通过连接器5首尾相连进行组装的多个区段4的组件组成。每个区段由设置有至少一个辅助管线元件7(也称为周边管线)的主管元件6组成。称为压井管线或节流管线的辅助管线用于在控制过程期间相对于井中处于压力下的流体的流入提供井安全性。称为节流管线的管线是安全管线，其承载在流入的情况下来自井的流体(油、水、气体)并将这些流体朝向节流歧管和火炬驱动。称为压井管线的管线是能够将重质流体和水泥注入井中从而允许停止否则不可控的井喷的安全管线。称为增压管线的管线允许泥浆注入井中以增加其环空速度并防止钻屑沉淀；该管线也用于在断开之前用水替换立管中所包含的泥浆。称为液压管线的管线允许控制井口防喷设备。液压管线允许在压力下向BOP安全设备(阀和蓄能器)供应液压流体(含乙二醇的蒸馏水)。
图2示意性地示出了根据本发明的实施例的立管的区段4。区段4包括主管元件6，其轴线形成立管的轴线。辅助管7构成平行于主管的轴线布置的辅助管线或管道。辅助管线元件7具有基本上等于主管元件6的长度的长度，通常范围在10米和30米之间。在主管的周边上布置至少一个管线7。在图2中，示出了两个管线7。
图1所示的连接器5由两个元件组成，参照图2，这两个元件由阴连接器元件8和阳连接器元件9表示。连接器元件8和9安装在主管元件6的端部。阴连接器元件8例如通过焊接、通过螺纹连接、通过压接或通过夹紧结合固定到管6。阳连接器元件9例如通过焊接、通过螺纹连接、通过压接或通过夹紧结合固定到管6。阳连接器元件9与另一区段的阴连接器元件8的组件形成将应力从一个立管区段传递到下一个区段的连接器5，特别是由立管经受的纵向应力。
连接器5可以被设计成且其尺寸被设计成满足由美国石油协会编辑的API 16 R和API 2 RD标准所提及的规格。
图3示出了装配在阴连接器元件8中的阳连接器元件9。阳连接器元件9的一部分穿入阴连接器元件8内部。该装配受轴向止动件的限制：阳连接器元件9的端部抵靠设置在阴连接器元件8的内表面上的轴向肩部：设置在阳连接器元件9的外表面上的轴向肩部抵靠设置在阴连接器元件8的内表面上的轴向肩部。如图2和图3中所示，阳连接器元件9可包括紧固在该阳连接器元件中的套筒10。套筒10实现用于阳连接器元件9和阴连接器元件8的定心和密封功能。套筒10的紧固可以通过焊接、通过螺纹连接、通过胶合、通过加箍或通过任何其他类似方式实现。代替套筒10，可以考虑变型实施例(未示出)，诸如主管元件6的延伸部。
连接器5包括定位在阳连接器元件9和阴连接器元件8之间的锁定环11，然后锁定环是布置在阴连接器元件内的内环。当阳连接器元件9装配在阴连接器元件8中时，环11的一部分穿入阴元件8内部，使得设置在环11的外表面上的一系列立柱12与设置在阴元件8的内面上的一系列立柱配合。通过环11的旋转(卡口式锁定)实现连接器5的锁定和解锁。环11可以设置有操作装置，例如可拆卸的操作杆。操作杆允许环11在其设置在阴连接器元件8中的壳体中围绕主管的轴线旋转。纵向应力，即沿主管的轴线定向的应力，通过环11和阴连接器元件8之间的卡口式连接的作用从区段4传递到相邻区段4。更确切地说，纵向应力从环11的立柱12传递到阴连接器元件8的立柱。
锁定环11安装在阳连接器元件9上。根据图3所示的实施例，锁定环11在其外面上包括另一系列的立柱16，其与定位在阳连接器元件9的内面上的一系列立柱配合。因此，当立管区段连接时，锁定环11紧固到阳连接器元件。在解锁情况下，环通过销(图3中未示出)固定到阳元件。此外，锁定环11的该实施例允许具有可以完全拆卸的连接器，以便于其检查和维护。该实施例还允许具有几乎对称的环11与阳连接器元件9和阴连接器元件8，这便于其制造。
参照图3，环11安装在套筒10的外表面上。环11通过环以及阳连接器元件9和阴连接器元件8的一系列立柱固定。因此，轴向应力从阳连接器元件9经由立柱传递到阴连接器元件8而不经过套筒10。
作为卡口组件的替代，锁定环11在阳连接器9侧未设置有一系列立柱；锁定环11旋转可移动地安装在阳元件9上，而其平移受阻，特别是在主管轴线的方向上。然后将锁定环11固定在由肩部限定的壳体中。
参照图3和图4，阴连接器元件8和环11分别包括一系列立柱，其由提供连接器5的轴向锁定的两圈(或排)立柱或柱栓组成。立柱优选地在径向方向上延伸。根据优选实施例，每圈(排)立柱包括四个立柱。在图4中，阴连接器元件8包括四个立柱为一圈的第一圈8A和四个立柱为一圈的第二圈8B。环11也包括四个立柱为一圈的第一圈12A和四个立柱为一圈的第二圈12B。图4仅示出环11的下部，即仅示出与阴连接器元件8连接的部分。
立柱从一圈成角度地偏置到下一个圈，并且它们内接于不同半径的圆柱形表面。例如，阴连接器元件8的第一圈和第二圈分别内接于半径为r和R(其中r<R)的圆柱形表面。环11的第一圈和第二圈分别内接于半径为r'和R'(其中r'<R')的圆柱形表面。半径r略大于半径R'，使得环11的第二圈的立柱可以在由阴连接器元件的第一圈的立柱的内表面形成的圆筒内自由地滑动和旋转。
环11的第一圈的立柱12A与阴连接器元件8的第一圈的立柱8A配合，以形成卡口组件。环11的第二圈的立柱12B与阴连接器元件8的第二圈的立柱8B配合。
更确切地说，当环11接合在阴连接器元件8中时，环11根据以下连续阶段在主管轴线的方向上遵循平移运动：
-环11的第二圈12B移动到阴连接器元件8的第一圈8A中，然后
-环11的第二圈的立柱12B装配在阴连接器元件8的第二圈的立柱8B之间，并且同时，环11的第一圈的立柱12A装配在阴连接器元件8的第一圈的立柱8A之间，然后
-当环11到达止动件时，环11的第一圈的立柱12A自身安置在阴槽(在图3和图4中示意性地示出)中，该阴槽在阴连接器元件8中设置在阴连接器元件8的第一圈8A和第二圈8B之间，并且环11的第二圈的立柱12B自身安置在阴槽(在图3和图4中示意性地示出)中，该阴槽在阴连接器元件8中设置阴连接器元件8的第二圈8B下方。
然后，当环11紧靠阴连接器元件8时，环11以这样的方式枢转，即环的立柱定位成与阴连接器元件的立柱相对。环11的第一圈的立柱12A定位成与阴连接器元件8的第一圈的立柱相对，并且环11的第二圈的立柱12B定位成与阴连接器元件8的第二圈的立柱8B相对。因此，环11的立柱相对于阴连接器元件8的立柱轴向地邻接，并且它们阻止阴连接器元件8相对于阳连接器元件9的平移运动。
两个卡口组件系统中的每一个可以允许在阴元件8的立柱和环11的立柱之间确保在可以达到175°的总角度范围上的接触。优选地，两个组装系统围绕连接器的轴线成角度地偏置，根据本发明的连接器允许轴向应力围绕轴线分布在大约350°。
另选地，根据本发明，环11和阴连接器元件8可以各自仅包括一圈：环11的单圈的立柱与阴连接器元件8的单圈的立柱配合。
每圈的立柱数量可以变化，特别是根据内管直径和由连接器传递的应力而变化。
根据图3所示的实施例，阳连接器元件9中使用一系列立柱16的环11的卡口锁定系统类似于用于阴连接器元件8中的环11的卡口锁定系统：
-阳连接器元件9和环11分别包括两圈(排)立柱或柱栓，从而允许确保连接器5的轴向锁定，
-立柱优选地在径向方向上延伸，
-也验证半径r、r'、R和R'之间的关系，使得环11可以插入阳连接器元件9中，
-根据优选实施例，每圈(排)立柱包括四个立柱。
图5示出了根据该实施例的环11。锁定环11包括适于与阴连接器元件8配合以便形成卡口组件的一系列立柱12，以及适于与阳连接器元件9配合以形成卡口组件的一系列立柱16。每个系列的立柱可以由包括四个立柱的两圈构成。如参照图4所述，一系列立柱12包括与阴连接器元件的两圈配合的第一圈12A和第二圈12B。一系列立柱16包括立柱的第一圈16A和立柱的第二圈16B。有利地，一系列立柱16类似于一系列立柱12，并且一系列立柱16在阳连接器元件9内的连接与一系列立柱12在阴连接器元件8内的连接相同。因此，锁定环11基本上对称。通过该组件，轴向应力经由立柱从阳连接器元件9传递到阴连接器元件8而不经过套筒10。
将环11连接到阳连接器元件9的连杆可包括当连接解锁时支撑环的重量的销。
锁定系统允许阻止环11的旋转。
根据本发明，辅助管线元件7利用互锁连结(在部件之间没有相对运动)牢固地固定在主管6的单个端部处，并且通过滑动枢转连接来连接到主管的另一端。在本申请中，滑动枢转连接表示将第一固体连接到第二固体的连结，第一固体可以在轴线的方向上相对于第二固体平移，并且第一固体可以围绕该轴线相对于第二固体枢转。因此，辅助管线元件7可以相对于主管6在其轴向方向上滑动和枢转，辅助管线元件7不能在径向和切向方向上，即在图3中的垂直平面的方向上自由移动。
换句话说，立管区段4在其每个端部处包括在图3中示意性示出的连接装置，该连接装置一方面允许将辅助管线元件7轴向连结到主管6，并且另一方面形成辅助管线元件7和主管6之间的滑动枢转连接。
根据图3所示的本发明的实施例，辅助管线元件7和主管元件6之间的互锁连结在阴连接器元件8处实现，并且辅助管线元件7和主管元件6之间的滑动枢转连接在阳连接器元件9处实现。另选地，辅助管线元件7和主管元件6之间的互锁连结在阳连接器元件9处实现，并且辅助管线元件7和主管元件6之间的滑动枢转连接在阴连接器元件8处实现。在说明书的其余部分中仅描述该第一变型，并且可以通过对称性推导出第二变型。
在设置有阴连接器元件8的区段的端部处，主管6通过包括圆柱形通道的肩部或凸缘23延伸，辅助管线元件7可在该圆柱形通道中滑动。辅助管线元件7包括止动件，例如用于相对于凸缘23轴向地定位元件7的螺母或肩部。当辅助管线元件7安装在主管6上时，元件7的止动件抵靠凸缘23，例如抵靠设置在圆柱形通道中的轴向肩部，以便形成互锁连结，而在部件之间没有相对运动。
在设置有阳连接器元件9的区段的端部处，主管6通过包括圆柱形通道的肩部或凸缘24延伸，辅助管线元件7可在该圆柱形通道中滑动和枢转。辅助管线元件7包括允许限制辅助管线元件7和凸缘24之间的相对平移运动的距离的间隙调节装置15(或可调节止动件)。间隙调节装置15形成定位在距凸缘24可调距离J处的止动件。因此，在安装期间，使用间隙调节装置15调节间隙J。然后，当立管处于张力下时，辅助管线元件7或主管元件6的相对运动或变形由距离J限制，当超过一定张力时，间隙变为零，并且辅助管线元件7到达凸缘24中的止动件。
阴连接器元件8和阳连接器元件9具有围绕主管元件的轴线转动的形状。根据本发明的变型实施例，凸缘23和24可包括垂直于一些辅助管线(例如节流管线和压井管线)定位的加强件。根据本发明，连接器元件8和9通过增加管的厚度和外部区段来延伸主管元件6，以便分别形成肩部或凸缘23和24。优选地，连接器元件8和9的外部区段沿轴线8逐渐变化，以便防止管6与肩部23和24之间的突然的区段变化，该变化可削弱连接器5的机械强度。例如，参照图2，凸缘23和24形成圆角。
辅助管线7经受由产生施加到管端部上的“端部效应”的内部压力/外部压力差引起的轴向压缩应力(例如，辅助管线可经受大约1034巴的压力，即15,000psi)。在此类压力下，主管元件延长并且辅助管线元件缩短，直到间隙J为零。当间隙J变为零时，所有的管线都相同地延长。主管元件6可能延长，因为它们一方面必须完全或部分地吸收立管的重量和钻井泥浆的重量，并且另一方面吸收施加在立管上以将其保持基本上竖直的拉伸应力。一般来讲，在立管的顶部，即靠近海面的主管元件经受最大拉伸应力，因此经受最大伸长。辅助管线元件7由于它们包含的流体而在内部压力和外部压力之间的差的影响下可能缩短。实际上，流体通过在辅助管线元件7上施加压缩应力而将压力施加到辅助管线元件7的端部上。此外，由于内部压力/外部压力差引起的管的径向变形导致管的缩短。一般来讲，在立管的底部，即靠近海床的元件4经受最大内部压力/外部压力差，因此经受最大缩短。
只要间隙J为正，辅助管线元件7和定位在相同高度处的主管元件6的长度可以彼此独立地变化。另一方面，当间隙J变为零时，即当间隙调节装置15与凸缘24接触时，辅助管线元件7和对应的主管元件6形成超稳定组件：辅助管线元件7一方面在紧固装置处固定到主管元件6，并且另一方面在与凸缘24接触的止动件处固定到主管元件6。因此，主管元件6在辅助管线元件7中引起拉伸应力，并且反之亦然。
因此，这些连结允许将施加到每个立管区段上的拉伸应力分布在主管6和辅助管线元件7之间，同时防止辅助管线元件7的弯曲。根据本发明的经由间隙J的建立的整合允许增大主管的贡献，并因此减少周边管线中的轴向应力。通过这种整合减小周边管线中的轴向应力有利于端部件的尺寸设定和辅助管线的厚度。
有利地，根据区段的长度选择间隙J；实际上，各种管线的变形取决于其长度。对于常规的75或90英尺(22.86m和27.43m)的立管区段，间隙J设定在0和1.5英寸(0mm和约38.1mm)之间。优选地，间隙J选择在0.1和1英寸(2.54mm和25.4mm)之间以获得应力在管线中的最佳分布，从而允许产生立管的质量的减小。另选地，间隙J选择在0.1和0.25英寸(2.54mm和6.35mm)之间。根据一个替代方案，间隙J选择在0.25和1英寸(6.35mm和25.4mm)之间。提供良好折衷的优选选择是大约0.5英寸(12.7mm)或1英寸(25.4mm)的间隙。
根据本发明，间隙调节装置15由螺母或螺纹元件组成。根据施加在主管元件6和辅助管线元件7上的应力和压力调节间隙J(在连接区段之前)。间隙的存在有利于周边管线的端部件的尺寸设定和辅助管线的厚度。
图8至图10示出了配备有间隙调节装置的辅助管线元件7的三个变型实施例。
根据图2、图3、图6和图8所示的本发明的第一变型实施例，辅助管线元件7通过连接件端对端连接。连接件由布置在元件7的一端处的阳端部件14和布置在元件7的另一端处的阴端部件13组成。阳端部件14与另一元件7的阴端部件13紧密配合。例如，连接件的阳端部件14是装配到另一管状部件13中的管状部件。阴端部件13的内表面被调节到阳端部件14的外表面。接头安装在加工在阴端部件13的内表面上的凹槽中，以便提供密封连结。该连接件允许元件7中的一个相对于另一个轴向位移，同时保持两个元件之间的密封连结。阳端部件14和阴端部件13例如通过焊接或压接紧固到与主管元件6的长度基本上相同的中心管，辅助管线元件7固定到该主管元件6。对于本发明的该变型实施例，间隙调节装置由螺母15组成，该螺母15定位在阳端部件14上，即定位在并非旨在插入阴端部件13中的螺纹部分上。
根据图9所示的本发明的第二变型实施例，辅助管线元件7通过连接件端对端连接。连接件由在元件7的一端处插入插座17中的阳销18和布置在元件7的另一端处的阴端部件13组成。阳销18与另一元件7的阴端部件13紧密配合。例如，连接件的阳销18是装配到另一管状部件13中的管状部件。阴端部件13的内表面被调节到阳销18的外表面。接头安装在加工在阴端部件13的内表面上的凹槽中，以便提供密封连结。该连接件允许元件7中的一个相对于另一个轴向位移，同时保持两个元件之间的密封连结。阴端部件13例如通过焊接或压接紧固到与主管元件6的长度基本上相同的中心管，辅助管线元件7固定到该主管元件6。插座17例如通过焊接或压接紧固到中心管。阳销18特别地通过螺纹连接紧固到插座17。因此，阳销18是在立管维护期间可以改变的磨损部件。对于本发明的该变型实施例，间隙调节装置由螺母15组成，该螺母15定位在阳销18上，即定位在并非旨在插入阴端部件13中的螺纹部分上。
根据图10所示的本发明的第三变型实施例，辅助管线元件7通过连接件端对端连接。连接件由在元件7的一端处插入插座17中的阳销21和在元件7的另一端处插入插座20中的阴销19组成。阳销21与另一元件7的阴销19紧密配合。例如，连接件的阳销21是装配到另一管状部件19中的管状部件。阴销19的内表面被调节到阳销21的外表面。接头安装在加工在阴销19的内表面上的凹槽中，以便提供密封连结。该连接件允许元件7中的一个相对于另一个轴向位移，同时保持两个元件之间的密封连结。插座20例如通过焊接或压接紧固到与主管元件6的长度基本上相同的中心管，辅助管线元件7固定到该主管元件6。阴销19特别地通过螺纹连接紧固到插座20。插座17例如通过焊接或压接紧固到中心管。阳销21特别地通过螺纹连接紧固到插座17。因此，阳销21和阴销19是在立管维护期间可以改变的磨损部件。对于本发明的该变型实施例，间隙调节装置由阳销21组成，该阳销21螺纹穿过插座中并且具有提供止动件的肩部22。
根据本发明的实施例，辅助管线元件7是具有涂覆有聚合物基质的诸如玻璃、碳或芳族聚酰胺纤维之类的加强丝的箍管。因此，辅助管线的阻力和重量被优化。实际上，本发明特别适用于具有减小钢厚度并因此减小立管重量的优点的环箍辅助管线元件。涉及较低抗挠刚度的加箍的缺点通过允许限制辅助管线的弯曲的间隙来补偿。另选地，主管和辅助管线元件可以由铝合金或钛合金制成。
将环11定位在阳连接器元件9和阴连接器元件8之间使得连接器5的布局更紧凑。环11的位置允许减小连接器在径向方向上的空间需求。因此，可限制布置在连接器5的周边上的元件7与主管轴线的距离。元件7和轴线AA'之间的减小的空间因此允许由凸缘23和24经受的弯曲应力被最小化。实际上，凸缘23和24传递并且因此承受由元件7吸收的纵向应力。元件7与轴线的距离形成杠杆臂，该杠杆臂与元件7所吸收的纵向应力耦合，在凸缘23和24中引起弯曲应力。根据本发明的紧凑型连接器能够使凸缘中的弯曲应力最小化，从而减小凸缘23和24的尺寸以及连接器的重量。
此外，根据本发明的设备提供了一种令人感兴趣的解决方案，用于快速和简单地安装其拉伸应力分布在辅助管线元件和主管中的立管。实际上，尽管辅助管线元件7和主管元件6安装成以便共同承受由立管经受的拉伸应力，但是在一个操作中通过环11实现立管区段4到另一立管区段4的连接。该连接允许将区段的主管元件与另一区段的主管元件进行连通和密封，并且同时，允许将区段中的一个区段的辅助管线元件与另一区段的辅助管线元件进行连通和密封。
此外，环11定位在阳连接器元件9和阴连接器元件8之间的事实允许连接器的强度增加。实际上，环11通过设置在阴连接器元件8中的壳体机械地保持在内侧。此外，在锁定位置中，环11的立柱与定位在阴连接器元件8的块状部分上的阴连接器元件8的立柱接合。
因此，与内环的锁定和在辅助管线元件的连接中存在间隙的组合允许立管的重量被优化。
变型实施例
根据本发明的第二实施例，立管区段还包括用于连接两个连续区段的锁定套环。该锁定套环被称为外部或周边锁定套环，因为其与阳连接器元件和阴连接器元件的凸缘的周边配合以便组装它们。因此，两个连续区段由两个元件组装：内部锁定环和周边锁定套环，以便传递轴向应力。
图6示出了本发明的第二实施例。与第一实施例相同的元件由相同的附图标记表示。如由图3特别示出的第一实施例中，阳连接器元件9装配在阴连接器元件8中。阳连接器元件9的一部分穿入阴连接器元件8内部。该装配受轴向止动件的限制：阳连接器元件9的端部抵靠设置在阴连接器元件8的内表面上的轴向肩部。如图6所示，阳连接器元件9可包括紧固在该阳连接器元件中的套筒10。套筒10实现用于阳连接器元件9和阴连接器元件8的定心和密封功能。套筒10的紧固可以通过焊接、通过螺纹连接、通过胶合、通过加箍或通过任何其他类似方式实现。代替套筒10，可以考虑变型实施例(未示出)，诸如主管元件6的延伸部。
连接器5包括定位在阳连接器元件9和阴连接器元件8之间的锁定环11；然后锁定环是布置在阴连接器元件内的内环。当阳连接器元件9装配在阴连接器元件8中时，环11的一部分以这样的方式穿入阴元件8内部，即设置在环11的外表面上的一系列立柱12与设置在阴元件8的内面上的一系列立柱配合。锁定环11安装在阳连接器元件9上。如图6所示，锁定环11在其外面上包括另一系列的立柱16，其与定位在阳连接器元件9的内面上的一系列立柱配合。因此，当立管区段连接时，锁定环11紧固到阳连接器元件。在解锁情况下，环通过销(图6中未示出)固定到阳元件。此外，锁定环11的该实施例允许具有可以完全拆卸的连接器，以便于其检查和维护。该实施例还允许具有几乎对称的环11与阳连接器元件9和阴连接器元件8，这便于其制造。
参照图6，环11安装在套筒10的外表面上。环11通过环以及阳连接器元件9和阴连接器元件8的一系列立柱固定。作为卡口组件的替代，锁定环11在阳连接器9侧未设置有一系列立柱；锁定环11旋转可移动地安装在阳元件9上，而其平移受阻，特别是在主管轴线的方向上。因此将锁定环11保持在由肩部限定的壳体中。
对于本发明的该第二实施例，连接器5另外包括定位在凸缘23和24的外(周边)表面上的锁定套环25。套环25可以在管部分中加工。套环25在其每个端部处设置有止动件，止动件分别与凸缘23和24配合，以便阻止凸缘23和24沿主管的轴线的平移运动。锁定套环25旋转可移动地安装在凸缘24上，而其在主管轴线的方向上的平移受阻。参照图6，套环25包括半径为S的圆柱形内表面的至少一部分，并且凸缘23的外周表面是圆柱形，其中半径略小于S。通过将套环的内圆柱形表面在凸缘24的外圆柱形表面上置于中心，套环25安装在凸缘24上。此外，套环25包括形成套环25的圆柱形内表面的径向凹陷部的颈部。套环25的内表面包括立柱。阴连接器元件的凸缘23包括布置在其外周表面上的立柱。当阳连接器元件9装配在阴连接器元件8中时，套环25的一部分覆盖凸缘23，使得套环25的立柱可与阴连接器元件8的凸缘23的立柱配合。
通过周边套环25的组装提供了锁定系统的大的刚度，这允许限制凸缘的变形(特别是弯曲)。此外，双重锁定为连接器提供传递显著应力的能力。此外，具有双卡口连接(阳连接器元件侧和阴连接器元件侧)的这种设计允许连接器完全可拆卸以用于检查和维护，并且其还使得凸缘接近对称，这便于其制造。
如图6所示，锁定套环25另外在其内表面上包括第二系列立柱，并且阳连接器元件9的凸缘24的外周表面还包括适于与锁定套环25的立柱配合的立柱。
图7示出了周边锁定套环25。锁定套环25包括适于与阴连接器元件8的凸缘23的立柱配合的第一系列立柱27以及适于与阳连接器元件9的凸缘24的立柱配合的第二系列立柱。
连接器5的锁定和解锁通过套环25的旋转和锁定环11的旋转(卡口式锁定)实现。套环25和环11设置有操作装置，例如可拆卸的操作杆。操作装置允许套环25围绕凸缘23和24沿主管轴线枢转，并且独立地或同时地，允许环11沿主管轴线枢转。为了实现套环和环的同时旋转，套环25可以通过刚性连杆(例如通过棒杆或中空板，从而在锁定环/套环组件旋转时防止妨碍辅助管线)固定到环11。
可提供旋转止动装置和用于将环/套环系统保持在锁定和解锁位置中的装置，例如布置在凸缘24和套环25上的块、销、冲头或螺杆。
纵向应力，即沿主管的轴线定向的拉伸应力，一方面通过套环25与凸缘23和24之间的卡口式连接的作用从区段4传递到相邻区段4，并且另一方面，通过环11与阳连接器元件9和阴连接器元件8之间的卡口式连接的作用从区段4传递到相邻区段4。
根据本发明的连接器的布局允许通过内环11传递主管中的几乎所有应力，而辅助管线中的应力部分地经由内环11传递，并且部分地经由外套环25传递。实际上，对于该实施例，应力从阳连接器元件9的凸缘24经由环11和套环25的立柱传递到阴连接器元件8的凸缘23，而不经过套筒10。环11和套环25之间的应力分布取决于刚度和管线中的应力。
套环25的高度可以这样的方式确定，即圆形颈部的下面和立柱26、27的上面之间的距离等于增加了至少与内环11的间隙相等的间隙的凸缘23和24之间的距离。此外，在两个凸缘23和24之间需要用于容纳辅助管线7的连接件13、14和间隙调节装置15的空间。
可以在竖直和周向定位在立柱之间的套环25的部件中提供开口。这些开口一方面能够减小部件的重量，并且另外最重要的是在辅助管线元件7连接时看到该辅助管线元件7的端部，并且因此防止由于盲目方法而导致的损坏。
根据本发明，辅助管线元件7利用互锁连结(在部件之间没有相对运动)牢固地固定在主管6的单个端部处，并且通过滑动枢转连接来连接到主管的另一端。在本申请中，滑动枢转连接表示将第一固体连接到第二固体的连结，第一固体可以在轴线的方向上相对于第二固体平移，并且第一固体可以围绕该轴线相对于第二固体枢转。因此，辅助管线元件7可以相对于主管6在其轴向方向上滑动和枢转，并且辅助管线元件7不能在径向和切向方向上，即在垂直于图3的平面的方向上自由移动。
换句话说，立管区段4在其每个端部处包括在图6中示意性示出的连接装置，该连接装置一方面允许将辅助管线元件7轴向连结到主管6，并且另一方面形成辅助管线元件7和主管6之间的滑动枢转连接。
根据图6所示的本发明的实施例，辅助管线元件7和主管元件6之间的互锁连结在阴连接器元件8处实现，并且辅助管线元件7和主管元件6之间的滑动枢转连接在阳连接器元件9处实现。另选地，辅助管线元件7和主管元件6之间的互锁连结在阳连接器元件9处实现，并且辅助管线元件7和主管元件6之间的滑动枢转连接在阴连接器元件8处实现。在说明书的其余部分中仅描述该第一变型，并且可以通过对称性推导出第二变型。
在设置有阴连接器元件8的区段的端部处，主管6通过包括圆柱形通道的肩部或凸缘23延伸，辅助管线元件7可在该圆柱形通道中滑动。辅助管线元件7包括止动件，例如用于相对于凸缘23轴向地定位元件7的螺母或肩部。当辅助管线元件7安装在主管6上时，元件7的止动件抵靠凸缘23，例如抵靠设置在圆柱形通道中的轴向肩部，以便形成互锁连结，而在部件之间没有相对运动。
在设置有阳连接器元件9的区段的端部处，主管6通过包括圆柱形通道的肩部或凸缘24延伸，辅助管线元件7可在该圆柱形通道中滑动和枢转。辅助管线元件7包括允许限制辅助管线元件7和凸缘24之间的相对平移运动的间隙调节装置15(或可调节止动件)。间隙调节装置15形成定位在距凸缘24可调距离J处的止动件。因此，在安装期间，使用间隙调节装置15调节间隙J。然后，当立管处于张力下时，辅助管线元件7或主管元件6的相对运动或变形由距离J限制，当超过一定张力时，间隙变为零，并且辅助管线元件7到达凸缘24中的止动件。
根据本发明，间隙调节装置15由螺母或螺纹元件组成。根据施加在主管元件6和辅助管线元件7上的应力和压力调节间隙J(在连接区段之前)。间隙的存在有利于周边管线的端部件的尺寸设定和辅助管线的厚度。
根据图6所示的变型实施例(对应于图8的实施例)，辅助管线元件7通过连接件端对端连接。连接件由布置在元件7的一端处的阳端部件14和布置在元件7的另一端处的阴端部件13组成。阳端部件14与另一元件7的阴端部件13紧密配合。例如，连接件的阳端部件14是装配到另一管状部件13中的管状部件。阴端部件13的内表面被调节到阳端部件14的外表面。接头安装在加工在阴端部件13的内表面上的凹槽中，以便提供密封连结。该连接件允许元件7中的一个相对于另一个轴向位移，同时保持两个元件之间的密封连结。阳端部件14和阴端部件13例如通过焊接或压接紧固到与主管元件6的长度基本上相同的中心管，辅助管线元件7固定到该主管元件6。对于本发明的该变型实施例，间隙调节装置由螺母15组成，该螺母15定位在阳端部件14上，即定位在并非旨在插入阴端部件13中的螺纹部分上。
另选地，辅助管线元件的连接件与图9和图10的连接件相同。
应用实例
呈现根据本发明的应用实例，以便描述根据本发明的立管中的应力分布和质量增益。
对于该实例(根据图3)，条件如下：
·水深：12,500英尺(3810m)
·最大泥浆密度：14.5ppg(1.74)
·辅助管线操作压力：15,000psi(1034巴)
·连接器的最大工作负载：4,000kips(1814t)
·立管区段的长度：75英尺(22.86m)
·锥形立管架构：用于主管的可变厚度的7个区段。
表1给出了主管和辅助管线即压井管线、节流管线、增压管线、液压管线中的应力分布，作为以英寸为单位的间隙J的函数。
表1-立管中应力的分布
| 间隙J(英寸) | 0 | 0.25 | 0.5 | 1 | 1.5 | 2 | 2.5 |
| 主管 | 45％ | 50％ | 55％ | 67％ | 82％ | 97％ | 100％ |
| 压井管线 | 20％ | 18％ | 16％ | 12％ | 7％ | 1％ | 0％ |
| 节流管线 | 20％ | 18％ | 16％ | 12％ | 7％ | 1％ | 0％ |
| 增压管线 | 7％ | 6％ | 6％ | 4％ | 1％ | 0％ | 0％ |
| 液压管线 | 4％ | 4％ | 3％ | 2％ | 1％ | 0％ | 0％ |
可以看出，当间隙增大时，分布在主管的更大贡献的意义上变化。在零间隙和1英寸(25.4mm)间隙之间，主管和周边管线之间的应力分布分别从45％-55％变化到67％-33％。在2英寸(50.8mm)以上，人们认为在各种管线中没有更多的应力分布，只有主管参与吸收应力，这是不期望的。
图11示出对于该实例，立管的以吨为单位的质量M作为以英寸为单位的间隙J的函数。对于该曲线，主管和辅助管线的厚度已经被优化以便满足上述条件。可以观察到，质量在0和1英寸(25.4mm)之间最小，并且在0.5英寸(12.7mm)的间隙的情况下获得质量最佳值。在1.25英寸(31.75mm)以上，立管的质量显着增加，这导致立管的成本增加。
考虑到作为间隙的函数的应力分布和质量变化，对于根据本发明的该实例，间隙可以设定在0和1.25英寸(0mm和31.75mm)之间。优选地，间隙可以设定在0.1和1英寸(2.54mm和25.4mm)之间。最佳地，间隙可以是0.5英寸(12.7mm)。
Claims (21)
1.一种立管区段，所述立管区段包括通过阳连接器元件(9)和阴连接器元件(8)延伸的主管元件(6)，所述阴连接器元件(8)在其内面上包括第一系列立柱，其中锁定环(11)安装在所述阳连接器元件(9)上，所述锁定环(11)的外表面包括至少第二系列立柱(12)，所述立管区段另外包括至少一个辅助管线元件(7)，其特征在于，所述辅助管线元件(7)固定到所述主管元件(6)的一端，并且其通过滑动枢转连接来连接到所述主管元件(6)的另一端，所述滑动枢转连接允许在由布置在所述辅助管线元件(7)上的间隙调节装置(15、18)限制的距离上在所述主管元件(6)和所述辅助管线元件(7)之间的相对平移运动。
2.根据权利要求1所述的立管区段，其特征在于，所述间隙调节装置由螺母(15)或螺纹部件(18)组成。
3.根据权利要求2所述的立管区段，其特征在于，所述辅助管线元件(7)一方面通过阴端部件(13)延伸，并且另一方面通过设置有螺母(15)的阳端部件(14)延伸。
4.根据权利要求2所述的立管区段，其特征在于，所述辅助管线元件(7)一方面通过阴端部件(13)延伸，并且另一方面通过插座(17)延伸，设置有止动件(15)的阳销(18)插入所述插座(17)中。
5.根据权利要求2所述的立管区段，其特征在于，所述辅助管线元件(7)一方面通过其中插入有阴销(19)的插座(20)延伸，并且另一方面通过其中旋入有阳螺纹销(21)的插座(17)延伸，所述阳螺纹销包括肩部(22)。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的立管区段，其特征在于，由所述间隙调节装置(15、18)限制的所述距离的范围在0mm和38.1mm之间。
7.根据权利要求1-5中任一项所述的立管区段，其特征在于，所述阳连接器元件(9)包括套筒(10)，所述锁定环(11)安装在所述套筒(10)上。
8.根据权利要求1-5中任一项所述的立管区段，其特征在于，所述阳连接器元件(9)在其内面上包括第三系列立柱，并且所述锁定环(11)的外表面包括适于与所述第三系列立柱配合的第四系列立柱(16)。
9.根据权利要求1-5中任一项所述的立管区段，其特征在于，每个系列的立柱由至少两排至少四个立柱构成。
10.根据权利要求1-5中任一项所述的立管区段，其特征在于，所述辅助管线元件(7)是具有涂覆有聚合物基质的加强丝的箍钢管。
11.根据权利要求1所述的立管区段，其特征在于，所述阳连接器元件(9)和所述阴连接器元件(8)通过增加所述主管元件的所述立管区段和所述主管元件的厚度而延伸所述主管元件，以便形成凸缘(23、24)以供所述辅助管线元件(7)通过。
12.根据权利要求11所述的立管区段，其特征在于，所述滑动枢转连接在所述阳连接器元件(9)的凸缘(24)中实现。
13.根据权利要求11或12所述的立管区段，其特征在于，所述立管区段包括与所述凸缘(23、24)的周边表面配合以用于组装所述凸缘(23、24)的锁定套环(25)。
14.根据权利要求13所述的立管区段，其特征在于，所述锁定套环(25)的内面设置有第一系列立柱，并且所述阴连接器元件(8)的凸缘(23)的周边表面包括第二系列立柱。
15.根据权利要求14所述的立管区段，其特征在于，所述锁定套环(25)的所述内面设置有第三系列立柱，并且所述阳连接器元件(9)的凸缘(24)的周边表面包括适于与所述第三系列立柱配合的第四系列立柱。
16.根据权利要求13所述的立管区段，其特征在于，所述锁定套环(25)旋转地固定到所述锁定环(11)。
17.根据权利要求6所述的立管区段，其特征在于，由所述间隙调节装置(15、18)限制的所述距离的范围在2.54mm和25.4mm之间。
18.根据权利要求10所述的立管区段，其特征在于，所述加强丝是玻璃、碳或芳族聚酰胺纤维。
19.一种立管，所述立管包括根据前述权利要求中任一项所述的至少两个立管区段，其中通过所述阳连接器元件(9)和所述阴连接器元件(8)以及所述锁定环(11)实现两个连续区段(4)之间的连接。
20.根据权利要求19所述的立管，其特征在于，所述滑动枢转连接的所述相对平移运动的所述距离被调节，以便在所述立管的至少两个区段连接时为正，并且在使用所述立管时为零。
21.根据权利要求19或20所述的立管用于执行海上钻井操作。
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