CN1246084A - 连接油田管件的方法及装置 - Google Patents

Abstract

采用无定形焊接技术连接油井及其它油田管件的方法,包括下列步骤:将无定形物质(16)放置在要被连接在一起的两个油田管件(3,4)的相邻端面之间,然后用感应加热的方法使无定形物质熔化,并且当冷却时,在管件(3,4)之间产生金相焊接。经过加热及焊接过程,管件(3,4)通过使用夹紧装置彼此轴向调准后被固定。夹紧装置包括一个心轴(1),心轴(1)插入到管件(3,4)的内部,以便使焊接过程在充满惰性气体的密封室(17,18)中进行。

Description

连接油田管件的方法及装置

本发明涉及一种连接油田管件的方法及装置。用于油井和/或气井的油田管件包括修井柔管系统、挠性油井管件、可膨胀割缝管(EST)、可膨胀管、油井管件及钻杆附件。用于油井之外的油田管件包括输送原油和/或天然气的海上及陆地输送管、在油船水垫和平台甲板之间延伸的立管、以及系张力腿平台的系缆。

在油或气生产井、流体驱或热驱井的钻井及完井过程中，油井管件的细长套管及附件必须插入到井中，以便钻井及防止井壁坍塌，并促进油和气通过井时的安全生产。防止井壁坍塌的常规方法是旋拧以下到井下一个或多个套管，形成一串套管，并且就地注水泥。油和气的生产通过使用一个或多个细长的生产套管来实现，生产套管由采用螺纹连接方式连接的生产油井管件组成，并悬挂在套管之内。

按照这种常规方法，一口油井的钻井和完井过程中，需要进行数百次螺纹连接。在钻台上进行这些螺纹连接需要花很长时间，并且要求使用机加工良好的油井管件。

常规螺纹连接中一个值得注意的问题是，如果要求接头处的井壁强度与管件的其余部分一致，那么接头处的总壁厚就要明显大于管件的其余部分。在接头处，这种凸部的存在以及必须保证管件能下列井中，要求外管壁与套管或自流井井壁这样的周围管的内壁之间要有足够的空间。对采用外螺纹连接的、外径大于其它管件的常规生产油井管件，按正常操作要求应该使套管和管件公称尺寸之间的最小空间在管壁的每侧至少为2cm。这一要求导致在生产油井管件周围产生一些无用的环形空间，因而降低油井的生产能力或增加了油井的尺寸。

使用内部或外部插入式螺纹连接的油井管件在现有技术中已经被注意到。这种连接方式的缺点是形成一个低强度的点，该点的强度显著低于管件的其余部分。

安全要求及在油井或气井口的爆炸危险限制了焊接操作的可能性。从欧洲396204号专利说明书中知道，使用磨擦焊接技术能将油井管件安全地焊接在一起。磨擦焊接技术当管端被压到环上时，环高速转动。然而，磨擦焊接的缺点是难以精确控制温度，环和管端经常变形，导致在接头处有不规则的内表面和外表面。因此，接头不得不通过拉入扩口心轴和/或通过切削掉线材边缘和其余不规则部分来达到所要求的规则形状。

本发明的目的是提供一种安全、高效的连接油井和其它油田管件及其附件的方法和装置。

该装置应该易于移动，以便使其能够安装在钻井钻机、修井钻机或其它油田钻机，如铺管船上。本方法不需掌握很多专门焊接技术就能操作，使用时，可以用现有的提升及起重部件。

按照本发明，连接油井管件的方法由下面这些步骤构成：

-将第一个管件下到井中，直到管件上端接近井口并基本上保持垂直方向，

-将第二个管件提升至第一个管件的上方，并使其保持基本垂直的方向，

-在所说的第一个管件和第二个管件相邻的两端面之间放置无定形物质，

-用夹紧装置将两个管件轴向调准，固定夹紧装置包括一个插入到第一个管件和第二个管件内部的内心轴，

-在要被连接的两个端面附近放置感应线圈和密封机构，

-用惰性气体冲洗要被连接的表面，

-用夹紧装置将所说管件的端面压在无定形物质上，以确保所说管件端面和无定形物质紧密接触，

-起动感应线圈使其熔化无定形物质，并在两管件之间形成金相焊接，

-放松夹紧装置和密封机构，和

-将连接好的管件下到井中。

按照本发明，连接油井管件的装置包括：

-当第一个管件上端接近井口时，能够使其保持以基本垂直的方向悬挂在井中的部件，

-将第二个管件提升到第一个管件上方，并使其保持基本垂直状态的部件，

-将所说管件轴向调准固定的部件，

-将无定形物质放置在所说两个管件相邻端面的部件，

-在两个管件相邻端面附近安装的感应线圈和密封机构，

-用惰性气体吹洗被连接的表面的部件，以及起动感应线圈，熔化无定形物质，从而当冷却时，在两管件之间产生金相焊接的部件，和

-将连接好的管件下入井口的部件。

按照本发明，在无定形焊接过程中，管件保持基本垂直方向的优点是：悬挂在井中的第一个管件的上端可以在钻台附近被牢固固定，随后，第二个管件可以通过钻机的天车提升到第一个管件的上侧，以使无定形焊接过程在一个相对移动性较小的焊接装置中完成，这种焊接装置不需要很重的机座。

按照本发明，在无定形焊接过程中，在无定形物质环区域，最好用惰性气体冲洗。一般，最好是通过在要被连接的区域周围提供一个外部密封室，并在加热周期开始之前引入惰性气体来达到这种要求。在冲洗/密封过程中，管件内部最好通过在心轴上安装密封杯的方法进行密封，心轴在焊接过程中放在管件内部，管件内部密封还有另外的益处，就是避免了加热元件、加热影响的区域与任何从井内溢出的易燃气体接触。心轴上还进一步安装了与外部夹紧装置相对的一对夹紧装置，以便在焊接过程中，管件在内夹紧装置和外夹紧装置之间被夹紧，这样允许夹紧装置对管件施加高接触压力，而不会使管件变形或断裂。

本发明也涉及除碳氢流体生产井之外的油田管件的连接方法和装置。这种管件的例子是输送原油和/或气的输送管、海上立管和系张力腿平台的系缆。

按照本发明，用于碳氢流体生产井之外的油田管件的连接方法包括下列步骤：

-将无定形物质放在将被连在一起的一对油田管件的相邻端面之间；

-将无定形焊接装置安装在所说端面附近，该装置配备有感应线圈、夹紧装置、密封及惰性气体注入机构；

-引导带有一个插入到管件内部的心轴的夹紧装置，以管件端面压住无定形物质，以确保端面彼此保持在准确定义的轴向调准位置；

-起动密封机构，产生一个密封室，使端面和无定形物质密封；

-起动情性物质注入机构，使密封室充满惰性气体；

-起动感应线圈，加热无定形物质使其熔化，并当冷却时在管件端面之间形成金相焊接；

-让连在一起的管件冷却；

-放松夹紧及密封机构；和

-将连接好的管件从无定形焊接装置中移出。

按照本发明，连接除碳氢流体生产井之外的油田管件的装置包括：

-一个夹紧机构，其包括一个能插入到管件内部的心轴，夹紧机构能用两个管件的相邻端面压住位于两个管件之间的无定形物质，这样能使两个管件的端面彼此保持准确定义的轴向调准位置；

-一个能形成密封室的密封机构，密封室将管件端面和无定形物质密封起来；

-一个惰性气体注入机构，使密封室充满惰性气体；

-一个加热无定形物质的感应线圈，使无定形物质熔化，并当冷却时在两个管件相邻的端面间形成金相焊接；和

-将管件移入和移出的装置。

对垂直方向连接的油田管件，如系缆、立管和用J形管道铺设技术铺的管道，装卸和提升部件与油井管件使用的装卸部件相似。

对非垂直方向连接的油田管件，管件移入和移出装置时，最好使用送管滑道或滚动导轨系统。

本发明的方法和装置对所有尺寸的油井及其它油田管件均适用，并且适用于各种常规材质的油井和其它油田管件，包括碳钢，象13Cr、22Cr及25Cr这样的高铬合金，钛及不锈金属。

可以看到美国专利说明书第5,118,028号揭示了一种只用于防腐材质的扩散焊接方法，这些防腐材质在热电站、核电站及化工厂中使用。

如图1所示的现有技术中，保护气体(如氮气)注满了采用扩散焊接的管件内部。由于缺少内心轴和其它在垂直方向能够给管件准确定位的部件，使这种已知的扩散焊接方法不适合用于油井管件。

按照本发明的方法和装置中的内心轴能够减少焊接部件外部夹紧装置对已连接好的管件的损害。不用说，悬挂在井口的油井管件可能有几千米长，而且在浮式或其它海洋钻台上，井口可能振动，因此，需要夹紧装置，这种夹紧装置可以在管件上施加极大的夹紧力，以便能够在无定形焊接过程中，将相邻的管端正确地固定在一起。

本发明方法和装置的这些和其它方法、特点、目标及优点在所附的权利要求、摘要和附图中揭出。

现在将参照本发明无定形焊接装置所附示意图，以实例的方式，更详细地描述本发明。

图1是一个无定形焊接装置，其包括心轴1及其外部2，外部2分别安装在第一个管件3和第二个管件4周围；管件3和管件4将通过无定形焊接装置连在一起，成为一串油井管件。

装置的外部2包括：一套密封元件5和6，以保持在焊接区形成的外部环形室16内为惰性环境；使惰性气体7和8进入和离开外部环形室16的装置；感应加热测量及控制系统9和10；以及一套可调外部夹紧装置11和12，用于管件定形并将轴向压力作用于焊接区。本装置的内心轴1包括一个在水管13上插入到管件4顶端的心轴。这个心轴的每端都装有夹紧和密封部分14和15。密封和夹紧部分14和15通过水管13提供的液压进行水力开、关控制。

图1所示系统连接油井管件最好按如下步骤进行：

焊接装置的外部2垂直安装或悬挂在油井的井口20上，油井管件将被下入到该井中，如形成一个套管柱或一个及多个生产套管。

在套管柱中用的管件3、4贮存在井口附近一个斜面或垂直的管架上；焊接装置的外部放置在井(未示出)的上方。

然后，第一个管件3从管架上取得，并通过焊接装置外部2下入到井中，直到该管件上端在垂直方向上刚刚处于焊接装置外部2的底部夹紧装置12的上方，在那里，放着环形的无定形物质16，例如，环形的无定形物质16放置在第一个管件3的顶部。

接着，通过安装在井上的钻机天车悬挂在水管13上的装置的内心轴1穿过第二个管件4下降，直到轴心1从管件4底端伸出一半。

然后，通过水管13利用水力流体能驱动上内心轴部件1的夹紧/密封部件14，使心轴1夹紧到第二个管2的内壁，这样，心轴1及其与之相连的第二个管件4被提升到第一个管件3上面的垂直位置。下一步是，心轴1的底部穿过环形的无定形物质16进入第一个管件3的上部，直到第二个管件4的底部座落在第一个管件3上部的无定形物质16上。

然后，确认管件3和4的管端方向正确，如果必要的话，可用夹紧机构12、15和/或11、14移动管件的相对位置，进行调整。在管件3和4的相邻端与无定形物质16在轴向调准之后，驱动外部密封机构5、6，将焊接处周围的外部环形室17密封。然后，惰性气体通过管件13引入到室17和密封机构5和6之内，并同时通过管13进入内部环室18，室18是在心轴1两端的内部密封14和15之间形成的。在吹入气体之后，通过使用经水管13产生的水力压力驱动下部密封/夹紧件15，使密封15抵靠在管件3的内壁上。

然后，一个高夹紧力R作用到外部部件2的夹紧装置11和12上。当外部夹紧装置11和12及内部夹紧装置14、15之间的轴向距离相等时，一个高的径向夹紧力可能作用在夹紧装置和管件3和4的管壁之间，而管件没有变形和断裂的危险。

用心轴1和装置的外部2以如此方式夹紧管件3和4，即：在外室17和内部环形室18存在惰性气体过压，以防止来自井中的任何可燃气体接近焊接区域，并保证在焊接区域及其周围都是清洁惰性气体，在这样夹紧之后，轴向压力A施加在夹紧装置11、12上，迫使管件2和3与无定形物质16紧密接触。

随后，进行无定形焊接，方法是起动线圈9，在预定的时间内将管件2和3感应加热到预定的温度，同时，通过夹紧装置11、12施加预定的压力A。加热和冷却的时间以及所需施加压力的大小与所要焊接的材料有关，不同的材料有不同的要求。材料的精确温度分布用包含在控制系统10中的控制仪器进行监测和控制。

在焊接完成之后，焊接接头及管件3、4的互联端需要按照要求通过进一步感应加热和冷却来进行热处理。焊接接头的压力试验最好也利用注入惰性气体及由如前所述的环形室17和/或18提供的密封系统进行。无定形焊接接头的冷却最好是通过注入和/或循环惰性气体使其经过环形室17和18来进行。因此，环形室17、18有助于产生一个多功能、重量轻、可移动的无定形焊接部件，该部件能快速地进行无定形焊接及检查。在加热阶段，环形室17和18一般都被封闭并充满静止的惰性气体。在随后的冷却阶段，室17和18要泵送通过惰性气体，惰性气体的流速要使无定形焊接接头能按照所要求的冷却速度被冷却。在下一步的测试阶段，在环形室17或18两者之一中，惰性气体压力升高到可以测试到通过焊接面之间的任何缝隙泄漏的任何惰性气体。

然后，松开内部密封/夹紧部件14、15及外部密封/夹紧部件5、6和11、12，使本装置的心轴1及其外部2与管件3和4相脱开。随后，用起重部件将焊接好的管件下降，使所形成的焊接接头通过在井口20或在开口20附近的X-射线和/或超声探伤装置。焊接区域将最后用所说的探伤装置检查焊接接头中的任何裂痕。

下一个管件或附件可以用以上所述同样的方法连接在第二个管件4的顶部，这一过程可以反复进行，直到一串油井管件达到所要求的长度。

以上所描述的方法，在焊接过程中无定形物质被放到第一个管件3上。一种可替代的方法是，在将一个管件放在另一个管件的顶部之前，在第一个管件3和/或第二个管件4的一端事先附着上无定形元件。

在以上所描述的方法中，假定管端的公差已被准备到适合用于焊接系统。一种替代的方法是将管件3和管件4放在无定形焊接装置中，并用夹紧系统11、14和12、15将其在适当的位置牢固夹紧。在系统中，管件的端部通过磨铣掉一部分使管件的端部平整和准确，这采用了金属磨铣/修整系统。这种磨铣工艺可以用安装在悬臂(图中未示出)上的磨铣机器进行，该悬臂在安装焊接装置的心轴1和外部2之前旋转到位。

上述参照图的说明，主要是介绍了本发明的方法和装置的推荐实施例，在不脱离本发明的思想条件下，对装置的设计和操作步骤可以进行很多改变和修正。

因此，应该了解，不通过管线13将惰性气体注入到内部环形室18，可以选择的方法是，在进行焊接之前及在构成内部密封和夹紧系统14和15一部分的内部密封环被驱动之前，惰性气体也可以通过外部环形室17及无定形环16和管端之间的缝隙注入。

还应该理解，本发明的方法和装置非常适合于以快速、安全和可靠的方式对油井管件和其它油田管件的内部和外部进行插入式焊接。

因此，应该清楚地认识到，附图中所描述的装置和方法及上述说明书所涉及的内容只是说明性的，不是作为本发明的范围限定。

Claims (11)

1.一种连接油井管件的方法，该方法包括以下步骤：

-将第一个管件下到井中，直到管件上端接近井口，并基本上保持垂直方向，

-将第二个管件提升至第一个管件的上方，并使其保持基本垂直的方向，

-在第一个管件和第二个管件相邻的两端面之间放置无定形物质，

-用夹紧装置将两个管件轴向调准固定，夹紧装置包括一个插入到第一个管件和第二个管件内部的内心轴，

-在要被连接的两个端面附近放置感应线圈和密封机构，

-用惰性气体冲洗要被连接的表面，

-用夹紧装置将所说管件的端面压在无定形物质上，以确保所说管件端面和无定形物质紧密接触，

-起动感应线圈，使其熔化无定形物质，并在两管件之间形成无定形焊接，

-放松夹紧装置和密封机构，和

-将连接好的管件下到井中。

2.如权利要求1所述的方法，进一步包括在无定形物质区域，管件端部内外的密封步骤，密封是通过在感应加热阶段形成一个充满压缩惰性气体的内部和外部环形密封室来完成的。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中，用无损伤试验方法测试焊接，测试方法包括将高压惰性气体注入到在焊接位置附近形成的密封的环形密封室，并监测是否有任何惰性气体从密封室中泄漏出来。

4.如权利要求1、2或3所述的方法，其中，在感应加热无定形物质之前或过程中，心轴被放入管件内部，并通过一对内部夹紧装置夹紧管件内表面，这一对内部夹紧装置在与一对外部夹紧装置安装位置相对的位置处进行膨胀，以达到夹紧管件内表面的目的。

5.如权利要求1、2、3或4所述的方法，其中，第二个管件通过向下移动心轴的方式被提升到第一个管件上方，同时，心轴固定在水管上，直到有一半伸出管件底部，于是一对夹紧装置相对于内表面和心轴膨胀，心轴和第二个管件一起被用钢丝绳提高到第一个管件之上的垂直位置，心轴的突出端穿入第一个管件之内，并在一个气体冲洗周期之后，通过使心轴上另外一个夹紧装置膨胀，将心轴和第一个管件固定。

6.如上述权利要求其中之一所述的方法，其中，在感应加热的前一步，安装在心轴上端和下端附近的无定形环形密封杯相对于第一个管件和第二个管件的内表面膨胀，以便避免可燃流体通过这些管件内部进入无定形物质所在位置。

7.一种连接油井管件的装置，包括：

-使第一个管件基本垂直地悬挂在井中的部件，此时，该管件的上端位于井口附近，

-将第二个管件提升到悬挂在井中的第一个管件之上，并使其基本垂直的部件，

-将所说管件轴向对齐固定的部件，

-将无定形物质放在所说两个管件相邻端面之间的部件，

-感应线圈和密封机构，安装在管件的相邻端面附近，

-用惰性气体清洗焊接区域的部件，以及起动感应线圈并熔化无定形物质，因而当冷却时，在管件之间产生金相焊接的部件，

-将连接好的管件下到井中的部件。

8.如权利要求7所述的装置，进一步包括在无定形物质感应加热阶段，无定形物质区域管件内部和外部的密封部件。

9.如权利要求7或8所述的装置，其中，心轴上部可连接一个水力提升管，下部安装一个密封杯，用来密封第一个管件和心轴之间的环形空心间，此时驱动将心轴固定在第一个管件上的夹紧装置。

10.一种用于连接除碳氢流体生产井之外的油田管件的连接方法，该方法包括下列步骤：

-将无定形物质放在两个要被连接的管件的相邻端面之间；

-在所说的端面附近安装无定形焊接装置，该装置安装着感应线圈及夹紧、密封和惰性气体注入机构；

-诱导包含一个插入到管件内部的心轴的夹紧机构，以管件端面压紧无定形物质，并使端面彼此保持在准确定义的轴向调准位置；

-起动密封机构，产生一个将管件端面和无定形物质密封起来的密封室；

-起动惰性气体注入机构，使密封室充满惰性气体；

-起动感应线圈，加热无定形物质，使其熔化，并在冷却时在两个管件端面之间形成金相焊接；

-使连接好的管件冷却；

-松开夹紧装置和密封机构；和

-将连接好的管件移出无定形焊接装置。

11.一种连接碳氢化合物生产井之外的油田管件的装置，包括：

-一个夹紧机构，其中包括一个可插入到管件内部的心轴，用管件端面压紧无定形物质，并使端面彼此保持在准确定义的轴向调准位置；

-一个密封机构，它能形成一个将端面和无定形物质密封起来的密封室；

-一个惰性气体注入机构，使密封室充满惰性气体；

-一个感应加热线圈，加热无定形材料，使其熔化，并在冷却时在管件端面之间形成金相焊接；和

-将管件移入和移出装置的部件。

Images