CN110418872B - 用于螺旋肩部连接的远程致动连接装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种新颖和改进的远程致动连接装置，用于将井口和/或位于井口上的采油树连接到压裂树，其可以包括夹头系统以用于选择性地接合和脱离螺纹和/或螺旋肩部，为此可以利用液压技术。

Description

用于螺旋肩部连接的远程致动连接装置

技术领域

总体上，本发明涉及用于远程连接到螺纹轮廓构件的装置、系统和方法。更特别地，本发明提供利用螺旋肩部(包括但不限于Acme螺纹)的到采油树(Christmas tree)的远程连接(例如但不限于维修工具包)。还设想提供一种用于水力压裂的远程促动连接器，其可以具有远程盲连接、睡帽(night cap)、球落(ball drop)和/或插头的特征。

背景技术

在两个构件之间进行机械连接的能力具有许多不同的方法，包括将它们用绳索、螺纹连接、焊接、胶合、摩擦和夹头类型连接而系连在一起。其中，夹头类型最适合远程连接。夹头类型通常意味着其中一个构件塌缩或膨胀，以与另一个构件接合。夹头类型连接器一般可分为直直径(straight diameter)和肩式两类。直直径夹头用于许多应用中，例如接合圆形工件的机床、用于铅笔芯的夹头、以及围绕管道的可塌缩压力配件。

肩式夹头通常用于两个连接构件之间需要高轴向载荷以及重复连接和断开的应用中。美国专利6,609,734中所示的环面型连接器是这种类型连接器的一个示例，其用于将海底防喷器堆叠体连接到海底井口。它必须远程重复进行，因为它们通常是18³/₄”孔×10,000P.S.I.工作压力单位，轴向载荷超过三百万磅。在这些单元上，夹头或锁定区段(61)被径向推到肩部或毂10、11和51上。诸如53的配合表面通常呈二十五度角并且是圆锥形的。圆锥形状在轮毂和夹头或锁定区段上，以提供大的接触面积来承受高轴向载荷。

美国专利3,096,999所展示的类似连接器具有由环28的圆锥形内表面28a向内驱动的卡爪34，使得当孔压力所引起的中心线张力在卡爪34上产生作用在圆锥形肩部36和38上的向外力时，环28被驱动到非预期的释放位置。美国专利4,516,795通过用环面驱动器脚R代替圆锥形内表面来补偿这一点，从而允许抵消潜在的释放力。该专利移动到力平衡位置并且进一步行进一点，使得力趋于将其更多地锁定抵靠肩部，或者在功能上将其锁定在中心上，就像典型的灯开关一样。

陆地井口存在另一种情况，其中井口或采油树顶部的阀的上部连接通常具有用于连接的Acme螺纹。Acme螺纹轮廓是相对坚固的螺纹构造，最常用的轮廓是每英寸四个螺纹。当将两个构件放在一起时，简单地将树帽的螺母构件手动拧到母螺纹树帽上。

当将维修设备(例如防喷器堆叠体和连续油管单元)的重设备载荷着陆到采油树的顶部以进行维修时，该过程长期需要人的直接干预。连续油管单元是拖拉机型机构，它将来自卷轴的一段连续油管降低到井中。该组件很容易重20,000磅。

通过在采油树的顶部添加称为压裂树(fracking tree)的着陆式大型阀组件，然后将其他维修设备着陆到压裂树的顶部，这一过程变得复杂。此时，远程连接的需要可以超过二十英尺到空中。使其进一步复杂化的是，由于相邻采油树上的压裂操作的性质，采油树周围的区域可以是限制区域。

因此，需要一种装置、过程和/或系统，其提供快速且可靠的手段，用于将诸如但不限于维修工具包的设备固定到先前附接到井口的采油树。上述现有技术中的限制并非是穷尽的。本发明提供一种相对于现有技术的廉价、省时、更可靠的装置、方法和系统。

发明内容

鉴于现有技术中现有的已知类型的传统连接所固有的上述缺点，本发明提供了一种新颖的和改进的装置、系统和使用方法，其提供了更快和更安全的性能。因此，本发明的一般目的(随后将更详细地描述)是提供一种新颖的和改进的液压连接器，其用于井口、压裂操作和/或先前附接到井口的采油树，其具有现有技术装置的所有优点并且没有缺点。

因此，设想了本发明是一种将连接构件连接到螺纹轮廓构件的装置、系统和方法，包括提供具有母螺纹轮廓的一个或多个区段，在将所述连接构件与所述螺纹轮廓构件接合时，将所述区段保持为脱离与所述螺纹轮廓构件的接合，释放所述一个或多个区段以允许与所述螺纹轮廓构件接合，轴向地移动所述螺纹轮廓构件的所述一个或多个区段以允许所述区段的螺纹接合所述螺纹轮廓构件的螺纹，使所述区段的所述螺纹接合所述螺纹轮廓构件的螺纹，将所述区段固定在接合位置，等等。

因此，已经相当广泛地概述了本发明的更重要的特征，以便可以更好地理解随后的详细描述，并且可以更好地理解对本领域的贡献。当然，本发明的附加特征将在下文中描述，并且将形成所附权利要求的主题。

在这方面，在详细解释本发明的至少一个实施例之前，应当理解，本发明在本申请中不限于以下描述中阐述的或附图中示出的构造的细节和部件的布置。本发明能够具有其他实施例并且能够以各种方式实践和实施。而且，应该理解，这里采用的措辞和术语是为了描述的目的，不应该被认为是限制性的。由此，本领域技术人员将理解，本公开所基于的构思可以容易地用作设计用于实现本发明的若干目的的其他结构、方法和系统的基础。因此，重要的是，权利要求被认为包括这样的等同结构，只要它们不脱离本发明的理念和范围即可。

此外，上述摘要的目的是使美国专利商标局和公众，尤其是不熟悉专利或法律术语或用语的本领域工程师和从业者能够通过粗略查看快速确定本申请的技术公开的性质和本质。该摘要既不旨在限定由权利要求度量的本申请的发明，也不旨在以任何方式限制本发明的范围。

因此，本发明的一个目的是提供一种新颖和改进的远程致动的连接器装置、系统和方法，其与井口和/或先前安装在井口上的采油树一起用于其他设备，例如但不限于压裂树。

此外，本发明的一个目的是提供一种新颖和改进的远程致动的连接器装置、系统和方法，其提供肩式夹头，所述夹头通过使用(但不限于)液压而塌缩以接合螺纹构件以及膨胀以脱离螺纹构件，以允许远程连接和脱离，从而免去了工人手动操作这些，并使这些操作更安全。

本发明的另一个目的是提供一种新颖和改进的远程致动的连接器，它可以提供免手动连接而不需要被连接的构件的定向。

本发明的另一个目的是提供一种新颖和改进的远程致动的连接器装置、系统和方法，其具有耐用和可靠的构造，并且可以用于多种类型的井口应用和/或采油树应用中。

本发明的另一个目的是提供一种新颖和改进的远程致动的连接器装置、系统和方法，其易于降低安装和劳动力的成本，因此易于降低向消费行业销售的价格。从而使这种系统在本领域中可经济地获得。

本发明的又一个目的是提供一种新颖和改进的远程致动的连接器，它提供了现有技术的所有优点，同时克服了通常与之相关的一些缺点。

这些与本发明的其他目的以及表征本发明的新颖性的各种特征一起，在所附权利要求中具体指出，并构成本公开的一部分。为了更好地理解本发明、其操作优点以及通过其使用获得的特定目的，应参考附图和描述性内容，其中示出了本发明的优选实施例。

附图说明

当考虑下面的详细描述时，将更好地理解本发明，并且除了上述目的之外的目的将变得显而易见。这些描述参考了附图插图、图表、图示和附录。

图1大致是根据本发明的优选实施例的采油树的侧视图。

图2大致是根据本发明的优选实施例的着陆在图1的采油树上的维修工具包的侧视图。

图3大致是根据本发明的优选实施例的处于解锁位置的连接器的半剖视图。

图3A大致是根据本发明的优选实施例的图3的放大部分，示出了螺纹轮廓接合。

图4大致是根据本发明的优选实施例的处于部分解锁位置的连接器的半剖视图。

图4A大致是根据本发明的优选实施例的图4的放大部分，示出了螺纹轮廓接合。

图5大致是根据本发明的优选实施例的处于锁定位置的连接器的半剖视图。

图5A大致是根据本发明的优选实施例的图5的放大部分，示出了螺纹轮廓接合。

图6大致是根据本发明的优选实施例的连接器的柄脚主体部分的透视图。

图7大致是根据本发明的优选实施例的一组区段卡爪的透视图。

图8大致是根据本发明的优选实施例的连接器的主要部件的分解图。

具体实施方式

参考图示、附图和图片，特别是图1和图2，附图标记1大致表示根据本发明的新颖和改进的液压促动连接器。发明1通常用于油气井操作，并且可以用于与石油和天然气操作无关的其他操作中。为方便起见，附图标记1通常可用于指示本发明、本发明的一部分、本发明的优选实施例等。还应该理解，发明1不应该被认为仅限于“用于螺旋肩部连接的远程致动的连接装置”，并且该术语不应被视为将本发明限制于此。

现在参考图1，采油树10示出为在表面12上方，表面12可以是地面或平台的甲板。井口14将套管(水泥管)悬挂在油井或气井内，油管线轴16将油管(可拆卸管道)悬挂在井内，还悬挂主阀18和20(其是主安全控制)、提供生产出口的TEE 22、用于打开井进行维修的抽汲阀24、顶部接头26、作为顶部的连接的树帽28、以及打开生产流入管道32的翼阀30。人34被示出，以用于说明部件的一般尺寸。

现在参考图2，示出了着陆在采油树10上的维修工具包50。树帽28已从树帽顶部接头26移除，留下公螺纹56暴露以便接合。连接器58位于维修工具包50的底部，并利用本发明的特征来接合顶部接头26的公螺纹56。示出了防喷器60、62和64、用于紧急停止盘管74的安全卡瓦66、盘管喷射器头68、多辊滑轮70、起重机提升线72和盘管74。多线控制母带(umbilical)76示出为具有连接到各种部件的线路。线路78用于锁定连接器58，线路80用于远程解锁连接器58。

采油树10之间的图1和2间距是采油树的实际间距的图示，使得当多个采油树被维修时，不同的操作将需要通过起重机提升线路72在采油树10之间重复移动维修工具包50。另外，通过与人34的大小的比较来理解维修部件的大小。出于说明的目的，示出了防喷器60、62和64，然而，也可能需要几倍于防喷器的大小的压裂树和通常小于防喷器的剥离器。还可能需要记录(logging)，其中可能需要将保持记录工具的高室着陆在防喷器的顶部以进行井下记录或地层分析。显然，需要在采油树10的顶部进行远程连接，而不是让人爬上来组装螺纹连接或重复di移除它以组装法兰连接。

现在参照图3，连接器58示出为具有卡爪区段100，其中螺纹102准备好接合顶部接头26的公螺纹56。卡爪区段100位于主体108的窗口106的倾斜肩部104上。倾斜肩部104的角度略大于公螺纹56的角度，这将在后面讨论。销110通过弹簧112延伸到主体108的窗口106中的表面114或表面114附近，以保持区段100与倾斜肩部104相邻，直到被推离位置。卡紧弹簧115和116迫使卡爪区段100上的推动螺纹102与顶部接头26上的公螺纹56接合，但是卡爪区段100的运动目前由柄脚118限定。主体108在其下端还具有漏斗120，以帮助引导连接器58与顶部接头26接合。

现在参考图3A，并且示出了此时的螺纹轮廓位置的放大视图。

现在参照图4，已经通过线路78引入流量和压力以开始向上移动活塞150并且它携载柄脚主体152及其柄脚118部分。当发生这种情况时，卡爪区段100可以通过卡紧弹簧115和116自由地向内移动，并且螺纹102接合公螺纹56。由于螺纹102和公螺纹56之间没有取向，螺纹可能完美接合的可能性很小，很可能它们不会。完美接合。由于Acme螺纹在顶部有大的平面区域，因此它们最有可能简单地平放在平面上。不希望发生的一件事是螺纹102径向移动并部分地接合公螺纹56。为了防止这种情况，倾斜肩部104的角度略大于Acme螺纹的侧面的角度，使得如果接合开始，则将完全接合。Acme螺纹的侧角为14¹/₂度，因此倾斜肩部的角度约为16度。

卡爪区段100提供双外锥形：浅锥形154和156以及更陡的锥形158和160。当活塞150移动到该位置时，浅锥形154和156不接合，而是更陡的锥形158和160被配合肩部162和164接合。这些角度大约为45度，因此可能向内推动卡爪区段100向上。当活塞150继续向上移动时，螺纹102将在公螺纹56的顶部上滑动，直到它们正确接合，然后卡紧弹簧115和116与更陡的锥形162和164的组合将使螺纹102移动以与公螺纹56完全接合。

现在参考图4A，示出了此时的螺纹轮廓位置的放大视图，展示了1.5度的差异。

现在参照图5，活塞150继续向上行进直到浅锥形154和156与浅锥形170和172接合，趋向于将活塞150摩擦锁定就位。在卡爪区段100向上移动的这种运动中，弹簧112已经被柱塞150的向上运动压缩。弹簧174和柱塞176以足够的弹簧载荷延伸抵靠活塞150的肩部178，以防止活塞150回落以使卡爪区段100与公螺纹56脱离接合。当压力被引入线路80时，肩部180的较大活塞区域与肩部178的活塞区域相比将确保弹簧174的解锁和超控以释放连接器58。

主体108和树盖顶部接头54之间的接口182由密封件184密封，使得当压力被引入孔186时，轴向分离力施加在主体108和树盖顶部接头54上，其由公螺纹56、螺纹102和倾斜肩部104抵抗。对于具有141/2角度的传统Acme螺纹应用，向活塞150产生向外的力，倾向于将其驱动到非预期的释放位置。在倾斜肩部104的角度大于Acme螺纹上的接合角度的情况下(如图4A所示)，净力方向朝向部件的中心线而不是向外或远离中心线。这实现了连接器58的期望的“锁定在中心”特性。

现在参考图5A，并且示出了此时的螺纹轮廓位置的放大视图。

现在参考图6，示出了示出柄脚118的柄脚主体152的透视图。

现在参考图7，卡爪区段190的环被示出为一组八个卡爪区段100。

现在参照图8，示出了连接器58的透视分解图，其具有外部主体200、柄脚主体152、主体108、卡爪区段100、活塞150、压盖202和顶部接头26。

因此，预期本发明1可以是将连接构件连接到螺纹轮廓构件的方法，包括：提供具有母螺纹轮廓的一个或多个区段；在将所述连接构件与所述螺纹轮廓构件接合时，将所述区段保持为脱离与所述螺纹轮廓构件的接合；释放所述一个或多个区段以允许与所述螺纹轮廓构件接合；轴向地移动所述螺纹轮廓构件的所述一个或多个区段以允许所述区段的螺纹接合所述螺纹轮廓构件的螺纹；使所述区段的所述螺纹接合所述螺纹轮廓构件的螺纹；将所述区段固定在接合位置，等等。

还应理解，在弹簧载荷下，所述一个或多个区段朝向接合位置移动；当接合开始时，反向角度可以允许完全接合；可包括锁定在中心特性；可以是液压、机械和/或气压；螺纹可以是Acme、V和/或泛用型；可以包括远程和/或手动致动。

以上公开的特定实施例仅是说明性的，因为本发明可以以对于受益于本文教导的本领域技术人员来说显而易见的不同但等同的方式进行修改和实践。在不脱离本发明的理念和范围的情况下，可以对本文描述的各种部件和元件的组合、操作和布置进行改变。此外，为方便起见，提供了上述的名称、标题、信头和一般划分，因此，不应视为限制。

Claims (1)

1.一种将连接构件连接到螺纹轮廓构件的方法，包括：

提供一个或多个具有母螺纹轮廓的区段，

在将所述连接构件与所述螺纹轮廓构件接合时，将所述区段保持为脱离与所述螺纹轮廓构件的接合，

释放所述一个或多个区段以允许与所述螺纹轮廓构件接合,

沿着所述螺纹轮廓构件轴向地移动所述一个或多个区段，以允许所述区段的螺纹接合所述螺纹轮廓构件的螺纹，

使所述区段的所述螺纹接合所述螺纹轮廓构件的螺纹，和

将所述区段固定在接合位置,

其中，每个区段位于倾斜肩部上，该倾斜肩部的角度略大于螺纹轮廓构件的螺纹的角度，设置在区段中的销通过弹簧延伸到连接构件的表面以保持区段与倾斜肩部相邻直到被推离位置，设置在区段上的卡紧弹簧能够迫使区段的母螺纹与螺纹轮廓构件上的公螺纹接合，区段的运动由设置在活塞上的柄脚限定；

通过一线路引入流量和压力到液压室，液压室中的流体推动活塞的肩部以使活塞带动倾斜肩部和柄脚轴向移动，从而轴向地移动每个区段，并在卡紧弹簧的作用下将区段固定在接合位置。

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