CN116547438A

CN116547438A - 具有角焊缝包层的油管件及生产油管件的方法

Info

Publication number: CN116547438A
Application number: CN202180063409.6A
Authority: CN
Inventors: G·鲁西耶
Original assignee: Valluric Steel Pipe Alloy Co ltd
Current assignee: Valluric Steel Pipe Alloy Co ltd
Priority date: 2020-09-18
Filing date: 2021-09-16
Publication date: 2023-08-04
Also published as: US20220090708A1; BR112023002972A2; US11739862B2; JP2023541481A; WO2022058917A1; EP4214397A1; MX2023003243A

Abstract

具有角焊缝包层的油管件及生产油管件的方法。公开了一种用于油气工业的油管件。油管件包括外管和在外管内的内管，外管和内管构造成在规定长度上在彼此之间产生空间。内管的每一端部通过截头圆锥形的角焊缝固定到外管的内表面，以便空间是密封的。内管具有沿从内管的每一端部开始的第一长度的第一内径ID、以及沿第一长度以外的第二长度的第二较小内径ID'。油管件还包括至少在角焊缝上延伸的金属保护层。还公开了一种生产这种油管件的方法。

Description

具有角焊缝包层的油管件及生产油管件的方法

技术领域

本公开涉及用于油气井中的真空隔热油管领域。本公开进一步涉及用于真空隔热油管的角焊缝包层以及制造这种角焊缝包层的方法。特别是，本公开涉及用于高压高温条件的真空隔热油管。

背景技术

在油气井领域中，环形压力积聚增加了井筒套管环空中的压力。它是由圈闭井筒流体在生产过程中在井筒中被加热时的热膨胀所产生的压力。也使用其他术语如“圈闭环空压力”和“环形流体膨胀”来描述这种情况的发生。因此，用于开采油气的套管要承受极端的压力和温度条件。套管可能在压力下塌陷并导致井损失。

真空隔热油管是一种已知的用于此类井的装置，用以减轻环形压力积聚。参照图1，其示出现有技术的真空隔热油管1。

真空隔热油管是放置在井中的油管件，并与生产油管相连，以使如油气的生产流体流经过油管件。真空隔热油管1在真空隔热油管1的内管3和外管4之间具有真空空间2，以改善内管内部和外管4外部之间的隔热性。真空空间2利用内管3和外管4的端部之间的角焊缝5形成。

然而，在一些高压高温井中，井的压力可能如此大以至于没有已知的真空隔热油管能满足有足够强度的设计要求。此外，现有的真空隔热油管的内管和外管之间的角焊缝非常容易被腐蚀，例如，油或H₂S就具有高度腐蚀性。这种损坏是非常成问题的，因为它可能导致在油管的内管和外管之间的空间中失去真空。曾尝试过在角焊缝上施加高速氧气燃料涂层以保护角焊缝不受腐蚀——尽管这种解决方案并不符合对于高压高温井的设计要求。也曾尝试过用激光熔覆。然而，激光熔覆要求待被熔覆的表面上有严格的加工公差，这与目前的真空隔热油管组装技术不兼容。

所需要的是一种能够抵御腐蚀、高压和高温而不塌陷、不失去真空的真空隔热油管。最后，所需要的是一种能够高精度地生产这种真空隔热油管的方式和方法。

发明内容

总的来说，在一方面，本公开涉及一种油管件，其包括外管和在外管内的内管，外管和内管如此构造成在规定长度上在彼此之间产生空间。内管的每一端部通过截头圆锥形的角焊缝固定到外管的内表面，以便所述空间是密封的。内管具有沿从内管的每一端部开始的第一长度的第一内径和沿第一长度以外的第二长度的第二较小内径。该油管件还包括至少在所述角焊缝上延伸的金属保护层。

在另一方面，本公开涉及一种生产上述油管件的方法。该方法包括在装配前提供内管，内管具有沿从内管的每一端部开始的第一长度的第一内径和沿第一长度以外的第二长度的第二较小内径。该方法还包括：将内管定位在外管内；将内管的各端部焊接到外管的内表面，以便产生截头圆锥形的角焊缝，角焊缝将内管和外管彼此固定在一起，使得所述空间是密封的；和形成至少在角焊缝上延伸的金属保护层。

附图说明

参照以下描述、所附权利要求和附图，本发明的这些和其他的目的、特征和优点将变得更好理解。附图不被视为是对所附权利要求范围的限制。附图标记表示类似或相应的、但不一定相同的元件。附图仅说明示例性实施方式。图中所示的元件和特征不一定是按比例的，而是强调清楚说明示例性实施方式的原理。此外，一些尺寸或定位可能被夸大以帮助直观地传达这些原理。

图1示出一现有技术例子的油管件的剖视图。

图2示出根据本发明的油管件例子的剖视图。

图3示出内管在外管内的剖视图。

图4示出油管件的剖视图，其在外管内的内管与外管通过角焊缝固定在一起。

图5示出图4中的油管件在对角焊缝进行倒角处理后的剖视图。

图6是用于制造油管件的示例性方法的流程图。

具体实施方式

在一实施方式中提供一种用于减轻油井或气井的井筒套管环空中的环形压力积聚的真空隔热油管，它具有承受高压和高温条件并能抵御油和H₂S腐蚀的能力。

参照图2，示出本公开的真空隔热油管10的一端部的示例性实施方式。真空隔热油管10，也被称为油管件10，具有内管11，内管具有限定真空空间14的最大外径12和最小外径13。

内管11具有沿从内管的每一端部开始的第一长度15的第一内径ID。内管11还具有沿第一长度15以外的第二长度16的第二较小内径ID'。例如，第一长度15的长度为12.7毫米，第一内径ID的直径为96.5毫米，第二内径ID'的直径为91毫米。内管11在第一长度15和第二长度16之间包括斜面17。斜面17例如与横向平面成60°的角。为使斜面17足够长，ID-ID'之差大于5毫米。斜面17是在制造内管11的过程中产生的。

油管件10还具有外管20，外管对于其内表面21具有恒定的内径，外管还具有外径22。外管20围绕内管11装配，以使外管20的端部延伸超过内管11。在一实施方式中，外管的外径为155毫米。内管的最大外径可以为127毫米。

外管20和内管11可以由用以提供所需强度的合适材料制成。在一实施方式中，外管20和内管11是由具有至少125ksi的屈服强度的合金制成。

在一实施方式中，外管20和内管11由可焊接的铬钢合金制成，该铬钢合金含有至少13％铬，也被称为13Cr钢。

真空空间14在外管20和内管11之间形成，在内外管之间具有真空。真空是使用在已知的真空隔热油管制造中所采用的任何合适技术来形成的。

在内管11的端部和外管20的内表面21之间的拐角处形成焊缝如截头圆锥形的角焊缝23。角焊缝允许连接内管11和外管20并密封真空空间14的真空。角焊缝23是用与15Cr油管可兼容的合适的焊接材料形成。

金属保护层24完全覆盖角焊缝23的表面。金属保护层24是通过钨极气体保护电弧焊或钨极惰性气体保护焊获得的堆焊层，也称为包层。角焊缝23和金属保护层24没有延伸、即没有突出超过内管11的第一内径ID；因此，油管件的第二内径ID'不会受到角焊缝23和金属保护层24的影响。在一实施方式中，金属保护层24的厚度为大约3毫米至大约3.5毫米。例如，厚度可以是3.2毫米。金属保护层24可以通过以两道次沉积材料来形成。以两道次沉积的金属保护层24材料可以大体具有相同的厚度。例如，两道次中的每道次的厚度可以是1.6毫米。在一实施方式中，在沉积金属保护层24之前，通过对角焊缝23进行倒角、改性或抛光来制备角焊缝23的表面，以帮助确保角焊缝23被堆焊层完全覆盖和粘合。金属保护层24可以在油管件10的轴向方向上延伸超出角焊缝的边缘例如12.7毫米，以还覆盖内管11和外管20的相邻内表面。例如，内管11的内表面的第一长度15可以被叠覆，即在例如12.7毫米的第一规定距离FD上被叠覆。在一实施方式中，金属保护层24的熔覆是相对于斜面17精确完成的。例如为12.7毫米的第二规定距离SD可以叠覆在外管20的内表面21上。为不突出超过内管11的第一内径ID，金属保护层24的厚度在第一长度15上等于或小于(ID-ID')/2，其中ID-ID'之差大于4毫米，优选大于5.5毫米。金属保护层24可以在外管20的内表面21上更厚。

金属保护层24由合适的堆焊材料制成，用于在油管件会在现场系统中经历的条件下保护角焊缝23。在一实施方式中，堆焊材料由耐腐蚀的镍基合金、如包含镍、铬和钼且其中镍含量超过50％的合金制成。在一实施方式中，金属保护层24材料是Inconel 625，其允许优良粘合。

出于堆焊层的耐腐蚀性，稀释铁可以不超过5％至10％。这是通过以两道次制成下层和在下层顶部上的至少上层沉积金属保护层24材料来实现的，以减少铁在该层自由表面附近的稀释。因此，金属保护层24的厚度大。为了不会因为这种包层而减少油管件10的漂移，如上所述已经设计了具有第一内径ID的第一长度15和内管11的斜面17。第一内径ID比第二内径ID'大，允许现有设计的油管在不减少漂移的情况下容纳包层。第一内径ID也足够小，以允许角焊缝与所需的油管强度相匹配并便于角焊缝23的焊接。

外管20可以沿靠近外管端部的长度部分具有外螺纹25，用以连接具有内螺纹形廓的接头(未示出)，以便连接两个外管从而连接两段真空隔热油管。

金属保护层24提供油管件焊接完整性，其防止角焊缝23的腐蚀或开裂，从而保护真空空间14免受真空损失。

该真空隔热油管能够承受比已知真空隔热油管能够承受的更高的压力而不会塌陷，也不会失去真空。

下面将介绍如参照图3至图6公开的生产油管件的方法。

图3如上所述示出内管11插入外管20内之后的油管件10。

图4示出将内管11的每一端部焊接到外管20的内表面21上以产生将内外管相互固定以使真空空间14密封不漏的截头圆锥形角焊缝23之后的油管件10。

图5示出在对角焊缝23进行倒角之后的油管件10。特别是，角焊缝23的拖尾(tow)26没有被倒角以避免减小外管20壁。

参照图6，在步骤31中，提供内管11和外管20。在步骤32中，外管20围绕内管11定位，以便在内管11和外管20之间的交汇处形成拐角27，如图3所示和上文所述的。在步骤33中，如图4所示和上文所述的，在拐角27处形成角焊缝23。在步骤34中，角焊缝23的焊缝表面被倒角以去除缺陷、表面氧化物，方便施加金属保护层24到焊缝表面上，如图5所示和上文所述的。进行倒角以在角焊缝23和横向平面之间获得50°至60°之间的角度。例如，该角度可以是56.1°。斜面17被用作倒角步骤34的深度控制的基准，因而确保焊缝保持足够牢固。斜面17作为油管件10生产的基准，它提供了机加工后的焊缝仍具有足够截面来提供所需强度的积极证据。在熔覆步骤35中，金属保护层24在角焊缝表面上形成，如图2所示和上文所述的。

在步骤36中，角焊缝23和金属保护层24可以在应力消除操作中同时在大于800°F的温度下进行热处理(回火)。在一实施方式中，焊后热处理是在以金属保护层24为中心、并在金属保护层24的每一侧上沿轴向延伸12.7毫米的区域上进行。应力消除设备使用低频感应来限制与非磁性材料界面响应导致的风险。

应该注意的是，图中只示出与本公开有关的部件，为简单起见，通常属于井筒或真空隔热油管的一部分的其他部件可以不显示。

就本说明书和所附权利要求书而言，除非另有说明，否则说明书和权利要求书中使用的所有表示数量、百分比或比例的数字以及其他数值都应理解为在所有情况下都由表述“约”来改变。因此，除非有相反说明，否则在以下说明书和所附权利要求书中列出的数字参数是近似值，其可以根据本发明寻求要获得的所需性能而变化。要注意的是，如在本说明书和所附权利要求书中使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”包括了复数个参考对象，除非明确无误地限定为单个参考对象。

除非另有规定，否则对一类元素、材料或其他成分(可从中选择单个成分或成分混合物)的描述旨在包括所列成分及其混合物的所有可能的子通用组合。另外，“包括”、“含有”及其变体旨在是非限制性的，使得在一列表中列举的项目并不排除在本发明的材料、组合物、方法和系统中也可能有用的其他类似项目。

Claims

1.一种油管件，包括外管和在外管内的内管，外管和内管构造成在规定长度上在彼此之间产生空间，其中，

a.内管的每一端部通过截头圆锥形的角焊缝固定到外管的内表面，以便所述空间是密封的，

b.内管具有：

i.沿从内管的每一端部开始的第一长度的第一内径ID，

ii.沿第一长度以外的第二长度的第二较小内径ID'，

c.所述油管件还包括至少在角焊缝上延伸的金属保护层。

2.根据权利要求1所述的油管件，其中，金属保护层是堆焊层。

3.根据权利要求2所述的油管件，其中，所述堆焊层是通过钨极气体保护电弧焊或钨极惰性气体保护焊获得的。

4.根据权利要求1所述的油管件，其中，金属保护层由耐腐蚀的镍基合金、如包括镍、铬和钼且其中镍含量超过50％的合金制成。

5.根据权利要求1所述的油管件，其中，金属保护层还朝内管内和朝外管内延伸超出角焊缝。

6.根据权利要求1所述的油管件，其中，金属保护层在优选小于12.7毫米的第一规定距离上叠覆内管的内表面。

7.根据权利要求1所述的油管件，其中，金属保护层在所述第一长度上叠覆内管的内表面。

8.根据权利要求1所述的油管件，其中，金属保护层在优选小于12.7毫米的第二规定距离上叠覆外管的内表面。

9.根据权利要求6所述的油管件，其中，金属保护层的厚度在第一规定距离上等于或小于(ID-ID')/2。

10.根据权利要求1所述的油管件，其中，ID-ID'之差大于4毫米，优选大于5.5毫米。

11.根据权利要求1所述的油管件，其中，内管在第一长度和第二长度之间包括斜面。

12.根据权利要求1所述的油管件，其中，外管由钢、优选不锈钢、优选含有至少13％铬的不锈钢制成。

13.根据权利要求1所述的油管件，其中，内管由钢、优选不锈钢、优选含有至少13％铬的不锈钢制成。

14.根据权利要求1所述的油管件，其中，外管至少在一端部包括外螺纹，以便能够连接到管状元件。

15.根据权利要求1所述的油管件，其中，所述油管件用于油气工业，特别是用于高压高温井况。

16.一种用于生产包括外管和在外管内的内管的油管件的方法，外管和内管构造成在规定长度上在彼此之间产生空间，所述方法包括：

a.在装配前提供内管，内管具有：

i.沿从内管的每一端部开始的第一长度的第一内径ID，

ii.沿第一长度以外的第二长度的第二较小内径ID'，

b.将内管定位在外管内，

c.将内管的各端部焊接到外管的内表面，以便产生截头圆锥形的角焊缝，角焊缝将内管和外管彼此固定在一起，使得所述空间是密封的，

d.形成至少在角焊缝上延伸的金属保护层。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，金属保护层是堆焊层。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述堆焊层是通过钨极气体保护电弧焊或钨极惰性气体保护焊TIG获得的。

19.根据权利要求16所述的方法，其中，金属保护层由耐腐蚀的镍基合金、如包括镍、铬和钼且其中镍含量超过50％的合金制成。

20.根据权利要求16所述的方法，其中，金属保护层还朝内管内和朝外管内延伸超出角焊缝。

21.根据权利要求16所述的方法，其中，金属保护层在优选小于12.7毫米的第一规定距离上叠覆内管的内表面。

22.根据权利要求16所述的方法，其中，金属保护层在所述第一长度上叠覆所述内管的内表面。

23.根据权利要求16所述的方法，其中，金属保护层在优选小于12.7毫米的第二规定距离上叠覆外管的内表面。

24.根据权利要求21所述的方法，其中，金属保护层的厚度在第一规定距离上等于或小于(ID-ID')/2。

25.根据权利要求16所述的方法，其中，ID-ID'之差大于4毫米，优选大于5.5毫米。

26.根据权利要求16所述的方法，其中，内管在第一长度和第二长度之间包括斜面。

27.根据权利要求16所述的方法，其中，所述金属保护层以两道次通过制成下层和在下层顶部上的至少上层来形成，以减少铁在层自由表面附近的稀释。

28.根据权利要求16所述的方法，其中，所述方法还包括在角焊缝上进行倒角操作以去除表面氧化物，所述倒角操作优选在焊接之后并在形成金属保护层之前进行。

29.根据权利要求16所述的方法，其中，所述方法还包括通过焊后热处理进行的应力消除操作。

30.根据权利要求16所述的方法，其中，外管由钢、优选不锈钢、优选含有至少13％铬的不锈钢制成。

31.根据权利要求16所述的方法，其中，内管由钢、优选不锈钢、优选含有至少13％铬的不锈钢制成。

32.根据权利要求16所述的方法，其中，外管至少在一端部包括外螺纹，以便能够连接到管状元件。

33.根据权利要求16所述的方法，其中，所述油管件用于油气工业，特别是用于高压高温井况。