CN106460473A - 具有载荷偏转区域的管接箍 - Google Patents

Abstract

一种接箍，用于连接两个管，例如套管接头，接箍包括具有用于接合各自管的螺纹端的螺纹的相对端和一般位于中心的波纹区段，其为接箍提供了响应侧向应力或载荷的挠曲度。

Description

具有载荷偏转区域的管接箍

相关申请的交叉引用

本申请要求根据巴黎公约在2014年2月12日提交的美国专利申请61/938722的优先权，上述专利申请的全部内容通过引用并入于此。

技术领域

本公开一般而言涉及用于管的连接区段的设备和方法，且尤其涉及但不限于连接以形成用于油气井的套管柱的管区段。在一个方面中，本公开涉及一种用于连接管区段的端部的接箍。

背景技术

用于如石油和天然气的碳氢化合物流体的生产的井典型地由以下方式钻出：将钻头连接至由借助螺纹连接端对端连接的钻管的区段(或“节”)组成的“钻柱”的下端，然后旋转钻头至地面中直至钻头穿透碳氢化合物生产地下地层。在钻出井后，典型地需要用管状套管使井眼排成一列以防止土壤物质坍陷至井眼内且从而部分地或完全地使井眼坍塌。因此，在钻柱从钻出的井眼中取出后，通常套管柱安装在井眼中。套管柱由直径大于钻管且稍小于井眼的管区段组成。

典型的传统套管连接包括母螺纹“套”端和公螺纹“销”端。套端螺纹可以直接机加工在套管体的内直径上。作为替代地(且更普遍地)，套端螺纹可以机加工在管状接箍内，然后其螺接至套管接头的销端上以形成套端。销端螺纹直接机加工至套管体的外直径上。当套端螺纹机加工至套管体内时，其有时能削弱连接，因为必然有材料通过攻丝被去除。在某些情况下，锻造套管体以允许因攻丝的材料去除，从而套管的螺纹区域的净截面不少于无螺纹部分的截面面积。在大多情况下，使用接箍的连接将足够坚固，因为接箍的壁厚经常超过套管的壁厚。

当使用接箍时，每个套管接头将在每个端具有销。接箍一般包括在每个端具有母螺纹套(本领域已知为“套对套”)的管状套。接箍的一个套端螺接至第一套管接头的销端上(“销对套”连接)，然后第二套管接头的销端螺接至接箍的另一个套中。用于连接管状区段的所描述的工序普遍称为“上扣”连接，断开管状区段的相反工序称为“卸扣”连接。

第三套管接头的销端同样地连接至第二套管接头的另一个套端，以此类推直至套管柱已经组成至期望的长度。在完整套管柱安装在井眼中后，通过引入胶凝浆液至套管柱的外表面与井眼之间的环状空间内，将其粘接到位。

井大多普遍地使用如上所描述的钻井和套管工序钻出。然而，对于待钻的井以下方式已经逐渐地变得普遍：使用作为钻柱的，有连接至套管柱下端的钻头的套管(工序普遍称为“套管钻井”或“用套管钻井”)。当井眼到达目标地层时，套管柱简单地粘接到位。该工序必然会在地下留下钻头，钻头的成本比通过不需用分离的钻柱并从井眼中将其取回，然后单独操作将套管下至井眼内来节约的时间和金钱要更有价值。

全世界的油气井经历过由于超出连接的拉伸、压缩、扭转和/或挠曲(如弯曲)能力造成的套管连接的失效。在使用定向钻井技术钻出的和需要相当地急剧弯曲地(“狗腿弯曲”)斜井(如非竖直)中，和在地下地层对运动敏感的情况下会有特别的问题。这种运动可由碳氢化合物生产过程引起蒸汽注入地层中而引发，结果在套管内引发张紧、压缩、扭转和/或挠曲应力。影响此套管连接失效的一个因素是：普遍地用于套管的在管区段上的攻丝趋于没有在典型钻管上的攻丝坚固。多年来，许多可替代连接设计和概念已经引入以处理这些问题，但在上述严峻条件下即使“优质”的螺纹设计也将失效。另外，值得注意的是：即使事实上套管已经粘接至井眼内，套管连接失效仍然可能发生。

在以下段落中，在不同的钻井情境的背景下进一步详细讨论前述问题。

定向钻井

当钻斜井或定向井时，不断地作出对钻头的方向的校正。当作出打断校正以使钻头重回正轨时，这可能在井中引起严重的狗腿弯曲。狗腿弯曲指的是在钻出的井眼中的有角度的变化(如，30°狗腿弯曲指的是观察或测量超过100英尺长的井眼，在井眼的方向或定向上的30°的总体角度变化或偏向)。当这种极端弯曲发生在井眼中时，当套管运行至井眼内时套管必须穿过这个狗腿弯曲。套管柱和单个套管接头之间的所有连接必须穿过这个弯曲而不在结构上过分的拉紧。一旦安装套管，一个或多个套管连接可常驻在这个狗腿弯曲内。这将在狗腿弯曲区域中的套管和连接中引发结构应力(主要是弯矩)，该应力趋于分离在每个连接中的配对螺纹。这可能导致在这些螺纹连接的密封能力方面的剧烈降低，且在许多情况下可发生整个连接失效。

蒸汽注入

许多新井设计，特别是那些开发的或计划用于重油的生产或从含油砂(或者它们有时被称为“焦油砂”)中提取沥青的设计，需要注入蒸汽至含烃底土地层内以降低石油或沥青的粘性从而它能流至表面。这样的一个著名的例子是蒸汽辅助重力泄油方法，或SAGD。这种蒸汽注入能引发在地层中的局部的移位运动，其可能引起作用在套管连接上的张紧、压缩和/或弯曲载荷。

与井的水平区段相比，底土地层的移位在井的偏移区段中最严重，但失效可能且确实发生在两种情况下。因为蒸汽进入和渗透底土物质(如在含油砂地层中)，它加压地层，从而引起类气球效应：对上方、下方和侧方邻近于蒸汽区域的邻近地层区域施加压力。若存在粘接通过遭受不同的压力的邻近地层区域的套管柱，则套管可能遭受导致套管连接失效的极端结构应力。

由于这种类型的套管失效的风险，许多井将端接在蒸汽区域上方的中间套管柱(定向或增斜井段)且用别一个装备有可移动套管挂的套管柱继续水平区段。然而，中间套管的底部将仍遭受蒸汽引发的运动。因为地层在体积上膨胀(由于蒸汽注入)或者在体积上收缩(由于蒸汽冷却)，这会引发侧向(即横向)作用于套管的载荷，因此在套管中引发局部弯曲应力。这种作用在套管连接上的侧向或者横向载荷会强迫一个套管接头的销端在接箍内弯曲，从而强迫公销螺纹与配对的接箍套上的母螺纹分离，因此降低了螺纹接触表面面积，且因此降低连接的有效密封面积。

在某些情况下，这种在套管连接上的侧向载荷的实际后果不会严重，如当套管在轴向压缩下，其会在连接中部分或全部抵消弯曲所引发的张紧应力。然而，当被在套管中的轴向张紧加重时，变弱的连接可能或者泄漏或者完全失效(如断开)。

当套管柱遭受地层运动(如蒸汽所引发的)和井眼增斜(如狗腿弯曲)的结合时，连接失效是更有可能的。当满足目标要求时，大部分严重的狗腿弯曲好像朝向井的增斜区段的底部发生。同时，大部分地层运动趋于在此相同的区域中发生。当侧向载荷施加至套管连接时，销端会弯曲且在接箍中使销螺纹与套螺纹分离。因为没有什么保持两个配对螺纹在一起，由于在螺纹接触面积的减少连接的强度变弱。

当螺纹高应力导致管接箍径向膨胀且允许螺纹彼此位移时，发生典型的连接失效。这导致了泄漏路径的形成和/或接箍连接的灾难性失效。当在张紧中高应力螺纹遭受另外的弯曲或扭转载荷时，这是典型地发生的。许多可商购的螺纹设计已经设计以克服这些应力，或至少提升可接受的应力极限。当接箍关于套管是本质上轴向地刚性的，且连接处同时遭受高幅值的轴向张紧和弯曲时，发生另一种典型的连接失效。此例中的连接的典型失效导致套管在切削至套管的外侧上以形成销螺纹的螺纹的起点处的局部屈服。该局部屈服是由在小面积中非常高的应力造成的，且若重要的应变增加至这个应力，最终会产生套管失效。

已知的已经提出的接箍的例子在以下美国专利中描述：4712815、6609735、7347459和8167340。

需要改进连接管状区段的方式，例如连接套管接头，尤其是当管状连接遭受侧向载荷时，以最小化密封能力和/或结构强度的损失。这种载荷可以起因于由蒸汽引发的地层运动和由于井眼构造(如在倾斜井眼中的狗腿弯曲)出现的其它类型的载荷或者其它操作因素。

发明内容

总之，本发明提供一种接箍和一种用于连接两个管的联接方法，两个管如套管接头。在一个方面中，本发明的接箍包括波纹区段，该波纹区段为接箍提供响应上述侧向应力或载荷的挠曲度。这种弯曲降低传输到将接箍连接至管的螺纹的侧向应力或载荷。

在一个方面中，本发明通过以下方式提供一种连接两个具有螺纹端的管状构件的方法：提供具有与设置在管状构件上的螺纹互补的相对的螺纹端的接箍，以及提供具有集中任何弯曲应力远离螺纹连接的几何结构的接箍。

这样，在一个方面中，本发明提供一种用于连接两个管段的管接箍，每个管段包括销端，该销端包括具有设置在其外表面上的螺纹部分的区段，接箍包括：

大体的管状体，该管状体具有延伸通过其的孔、外表面、内表面和相对的第一端和第二端；

每个第一端和第二端的内表面包括适于接合对应的管段的螺纹部分的螺纹部分；以及上述波纹的内表面；

接箍的外表面包括波纹区段的外表面，借此，接箍区段的厚度维持以提供扭转刚度和硬度，同时使有限的角度偏转一般中心地沿着接箍的长度。

在另一个方面中，本发明提供一种用于连接两个管段的接箍，每个管段包括销端，该销端包括具有设置在其外表面上的螺纹部分的区段，接箍包括：

大体的管状体，该管状体具有延伸通过其的孔、外表面、内表面和相对的第一端和第二端；以及，

波纹区段，该波纹区段位于第一端和第二端之间；

每个第一端和第二端的内表面包括适于接合对应的管段的销端的螺纹部分的螺纹部分；

波纹区段适于适应横向偏转同时维持基础管段的扭转、压缩/张紧和压力性能特性。

在另一个方面中，本发明的接箍包括波纹区段，波纹区段用于适应在销和套连接的螺纹区段上正常遭受的弯曲/横向应力。

在另一个方面中，设计本发明的接箍以使弯曲/横向载荷不会不利地影响公螺纹和母螺纹之间的螺纹接合。

在另一个方面中，本发明的接箍中，波纹区段的半径和区段的厚度能调整以适应最佳的弯曲/横向刚度，从而最小化在邻近的管和它们相关的螺纹上的应力。

在另一个方面中，本发明的接箍进一步地包括第一扶正器环和第二扶正器环，每个位于接箍的相对端。第一扶正器环和第二扶正器环优选地包括具有减小的内径的接箍区域且设置在接箍的螺纹部分的与销密封环相对的一侧。

在另一个方面中，本发明的接箍包括至少一个销密封环，销密封环用于倚靠于邻近管状构件的销端。销密封环引导弯曲/横向载荷至接箍的波纹区段内。

附图说明

本发明的特征从参考下面附图的详细描述中将变得明显，其中：

图1是根据本发明的一个方面的接箍的截面图。

图2是根据本发明的另一个方面的接箍的截面图。

图3是表示根据本发明一个方面的接箍的有限元分析(FEA)的图的局部截面图。

具体实施方式

如图1和图2中所示，本公开教导了一般圆柱形接箍2的实施例，接箍2具有形成在接箍体内的波纹的应力，或者应变消除段20。波纹段20优选地形成至接箍2的中心区域内。在图中所示的实施例中，波纹段20包括两个形成在接箍2的外表面上的“谷”4和6，每个“谷”在也形成在接箍2的外表面的上的“峰”5的相对侧部。在本发明的一个方面中，特别地，在接箍2的壁厚一般维持恒定的情况，峰5的形成导致谷7形成在接箍的内表面上。在此已经用前述的峰5及谷4、6和7描述了波纹段20。然而，可以理解的是：如在此处所用的术语“波纹”意在包含具有任意数量的这样的峰和谷的区段。因此，本说明书并不限于图中所示的具体实施例。

在图示的实施例中，接箍关于穿过波纹或者波纹区段20的横向平面对称。然而，尽管此对称便于接箍的制造和利用两者的目的，但它并不是必要的，且这样的对称可不存于可代替的实施例中。

图1示意地阐明了根据本发明一个方面的接箍。如图示，接箍2包括在接箍端部之间延伸的中心孔。中心孔邻近每个接箍端部具有波状的圆柱形孔区段，且典型地，每个圆柱形孔区段以锥形孔区段过渡，所述锥形孔区段在接箍2内向里前进时其直径减少，并具有锥形母螺纹。为了图示的方便，螺纹在图1中没有示出。

在本发明的一个优选实施例中，一个或多个的圆柱形或者销密封环8设置或形成在接箍2内，一般地在锥形孔区段之间的中心区域中。销密封环8，优选地将具有对应于连接至接箍的管状构件1的孔的内直径。即，环8的壁的尺寸形成为一旦这样的构件连接至接箍，便与管状构件1的端面接触。如图1和图2所示，选定圆柱形环8的轴向长度和位置以使当管状构件1的销端螺纹连接到接箍2内时，其将紧紧地肩顶至圆柱形环8的面，从而优选地形成如本领域已知的不漏流体的金属对金属密封。考虑到此功能，圆柱形环8可作为代替地称为销密封环。同样如图1和图2所示，接箍2优选地设有基本上两个销密封环8，每个适用于紧靠各自的管状构件1的销端。不过，由于它们作为具有两个相反面的单个元件起作用，所以销密封环在此处将以单数形式参考。如在回顾本说明书过程中所理解地，销密封环8在接箍上的存在是优选的但不是强制的。在一个优选的实施例中，销密封环8形成为接箍的内表面的一部分。在另一个实施例中，销密封环8可为设置或放置在接箍的孔内的单独元件。销密封环8也有助于引导任何朝向接箍2的中心体部分和远离接箍和管状构件1之间的螺纹连接的偏转应力。

一些现有技术连接设计依赖螺纹对螺纹的接触以在接箍内提供不漏流体的密封，但是这些连接已经被经常发现不能充分地将弯曲载荷传递至远离联接区。然而，采用如图1和图2所示的接箍的优选结构，即使会发生螺纹分离，也能维持有效载荷传递，因为在负载条件下每个管状构件1的销端将依然肩顶各自的销密封环8。

可选地，在本发明的一个方面中，如图2中所示，接箍2可设置有扶正器或者载荷偏转环9。扶正器环9用于增强和/或维持在销端和销密封环8之间的角度载荷传递的效力，以及除去来自螺纹3的横向载荷。在一个方面中，接箍2的孔优选地机加工以形成邻近接箍2的每个端部、在母螺纹3的外侧的扶正器环9。在本发明的一个方面中，每个扶正器环9的内直径优选地规定尺寸以提供至管状构件1的外直径的紧公差配合。这进一步确保了管状构件1的销端将保持与销密封环8的各自面适配，尽管外部载荷在管柱中引发了弯曲。另外，扶正器环9用于削弱套管柱遭受的被螺纹3吸收的侧向应力或载荷的传输，并转移这些载荷至接箍2的波纹区段20内，然后至附加的管状构件1的本体上。特别地，当管状构件1和销在接箍2内弯曲(或者尝试弯曲)，扶正器环9和销密封环8将反抗管状构件1的外表面和销面，从而防止在接箍2内的销端的任何变形，否则这会引发在接箍2内的销和母螺纹3的螺纹分离。

为了这个目的来提升扶正器环9的更大的效力，管状构件1的每个端部可机加工在邻近公螺纹10的外围区域中以确保在扶正器环9内精确配合，由此，允许一定程度的截面不圆度，其可由按惯例制造的管展现。

因为扶正器环9将保持公螺纹和母螺纹3在接箍2内共同同心，通过接箍的轴向的张紧和压缩能力不会降低，因为在接箍中的套管将遭受由引发在或者施加在管柱的弯矩和横向力引发的螺纹分离。进一步地，通过允许经如图3所示的接箍波纹管区段20的偏转，具有销密封8和扶正器环9的接箍2显著地降低在螺纹3上的弯曲/横向载荷。

当设置有扶正器环9时，额外的好处是它们可在连接上扣操作期间用作对扣引鞋。

如本领域技术人员所理解地，波纹区段20设计和构造为确保接箍2作为一个整体维持足够的结构强度以抵抗预期的工作中载荷。在某些情况中，当管状构件1被连接时，这可要求通过波纹区段20的截面具有相同的轴向压缩和张紧能力，但这将不必要如此(因为载荷条件可变化，且在某些情况中，所选管状构件的结构强度可显著地超过设计要求)。

接箍2兼容于或者能适用于使用任何已知的用于连接油田管件的螺纹设计。许多已有的接箍设计构造为，当管状构件拧入接箍时向被连接的管状构件的销端提供面对面密封。使用根据本公开的接箍将实现类似密封，但代替两个销头部密封于彼此，它们密封于销密封环8。因为在接箍2的制造期间销密封环9关于母螺纹的位置能被精确地控制，所以防止了起源于传统接箍的不精确对扣组成的密封问题。例如，若传统接箍拧至第一管状构件的销端上太远，在第二管状构件的锥形公螺纹完全啮合在接箍中的匹配的母螺纹之前，拧入至接箍的另一个套中的第二管状的销端可紧靠第一管件的销端。这样限制了将弯曲或者横向载荷通过接箍传递至邻近管状构件内的能力。使用根据本公开的接箍不会发生这个问题，因为销密封环8用于限制能容纳在接箍2内的管状构件1的长度。

在可替代的实施例中，接箍2可制造为没有销密封环8以适应不需要销头部密封的连接，然而横向/弯曲载荷抵抗可能会被限制。

总之，当侧向载荷施加至根据本公开的连接组成的套管柱时，在接箍的螺纹中和销端处管所引发的应力将少于使用传统接箍将引发的应力。接箍设计为将偏转应力传递至远离螺纹区段并到波纹区段20内，在波纹区段20处应力可以被接纳。不顾施加至套管柱的弯曲/侧向应力，扶正器环9和销密封环8的结合将维持销和母螺纹大体上的轴向关系。扶正器环也能在连接对扣期间用作对扣引鞋。

位于接箍中心处的波纹区段20将当作响应引发的弯曲应力的拐点，由此降低弯曲引发的可在连接内导致局部螺纹分离的偏转，而不会将连接的结构强度降低至低于设计要求。该柔性区段能调整几何形状和段厚以提供如所期望的宽范围的抗弯曲性能。

如上所讨论，本发明的接箍允许加在管柱上的任何应力转移至远离接箍的螺纹连接。这些应力相反地传递至波纹区段20和/或至邻近的管状构件的本体，它们一般设计或适于弯曲。同样地，本发明的接箍能“调整”为如上所述的使接箍按需要吸收同样多的应力。即，在某些情况中，对于接箍可以优选地设计为比邻近的管件的强度小或大。因此，这将使接箍吸收更少或更多的可能发展的弯曲应力。将以此方式适应的接箍的能力允许管柱将发生弯曲或者屈曲处的调整并也避免可能发生的管柱的任何的扭结。如本领域已知的，管柱的扭结导致在管柱的内腔中的障碍，此障碍可妨碍工具等通过其的运行。

本领域的技术人员可以轻松地领会：本公开实施例的各种变型在没有脱离本公开的范围和教导情况下可以被设计，包括可使用将来构思或开发的等同结构或材料的变型。尤其需要理解的是：本公开没有意在限于任何描述或图示的实施例，且公开的或权利要求的元件或特征的变化的替代，在没有在操作或功能上的任何实质的结果变化的情况下，将不构成对本公开的范围的背离。还应当领会：此处描述和讨论的实施例的不同教导可分别使用或者以任何合适的组合使用以产生期望的结果。

在本专利文档中，任何形式的词“包括”应当以非限制性意义理解以表示包括这样的词后面的任何项，但排除没有具体提及的项。由不定冠词“一(a)”引用的元件不排除存在多于一个此元件的可能性，除非上下文清楚地要求有一个和仅一个此元件。术语“连接”、“接合”、“联接”、“附接”，或者其它描述元件之间相互作用的术语的任何形式的任何使用并不表示限制此相互作用为主题元件之间的直接相互作用，且还可以包括元件之间如通过第二或者中间结构的间接相互作用。如“平行”、“垂直”、“同心”、“相交”和“等距”的关系术语不意在指示或要求绝对的数学或几何的精确。因此，这些术语应该理解为仅指示或要求大体精确(如“大体平行”)除非上下文清楚地另外要求。如本文档中所用，术语“典型”和“典型地”以有代表性的或者普通的使用或实践的意义使用，且不应该理解为暗示必要性或不变性。

尽管本发明已经参考某些特定的实施例进行了描述，其各种变形对于本领域技术人员将是显而易见的。任何此处提供的例子被列入唯一地用于阐明本发明的目的，且并不意在以任何方式限制本发明。任何此处提供的附图唯一地用于阐明本发明的不同方面，且并不意在等比例绘制或者以任何方式限制本发明。对此附加的权利要求的范围应该不限制于在上述描述中提出的优选实施例，但应该给予最宽广地与本说明书作为整体一致的解释。此处列举的所有现有技术的公开是通过它们的全文引用结合到此处。

Claims (7)

1.一种用于连接两个管段的接箍，每个所述管段包括销端，该销端包括具有设置在其外表面上的螺纹部分的区段，所述接箍包括：

大体的管状体，该管状体具有延伸通过其的孔、外表面，内表面、和相对的第一端和第二端；以及

波纹区段，该波纹区段位于所述第一端和所述第二端之间；

每个所述第一端和所述第二端的内表面包括适于接合对应的管段的销端的螺纹部分的螺纹部分；

所述波纹区段适于适应横向偏转同时维持基础管段的扭转、压缩/张紧和压力性能特性。

2.根据权利要求1所述的接箍，其中，所述波纹区段包括具有一个或多个峰的截面轮廓。

3.根据权利要求1或2所述的接箍，其中，所述波纹区段沿着管状体的长度一般位于中心。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的接箍，其中，波纹的尺寸和壁厚适于提供预定的弯曲/横向刚度，由此最小化在所述接箍和所述管段之间的螺纹连接上的应力。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的接箍，其中，所述第一端和所述第二端分别包括第一扶正器环和第二扶正器环，所述第一扶正器环和所述第二扶正器环包括具有适于接合各自管段的外表面的减小的内径的接箍的区域。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的接箍，进一步包括形成在所述接箍的内表面上的孔内的第一销密封环和第二销密封环，所述销密封环适于紧靠和密封接合在所述接箍内的所述管段的各自的端；其中，所述销密封环适于引导弯曲载荷至所述波纹联接区段内。

7.一种连接两个管端的方法，每个管端具有外螺纹，所述方法包括：提供具有与管状构件上的螺纹互补的相对的内螺纹端的接箍，以及提供根据权利要求1至6中任一项所述的接箍。