专利名称：用于在井眼内轴向结合管端和心轴的系统,以及用于该系统的连接组件的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于在井眼(比如钻井)内轴向结合管端和心轴的系统。尤其，管端可以是第一管端，心轴为第二管端。
本发明还涉及用于该系统的连接组件。
背景技术：
在油井钻探和完井操作中，使用了钻杆柱(drill string)。这些钻杆柱通常包括各种类型和尺寸的管状元件，比如钻杆、钻铤、衬套、套管以及各种构造的管道。在结合这些管端时，有时需要功能性，比如一端相对于相邻端的可旋转性。
在美国专利5,074,681中，公开了一种止推轴承组件，其形式为具有进入套管端和驱动轴之间的环形间隙的弹簧组件。弹簧组件设有支撑装置，由此第一座圈元件(race member)紧固在套管端内。第二座圈元件将负载传递至轴向间隔的隔环，该隔环可随驱动轴旋转并且由多个套筒元件保持在间隔位置。负载被轴向地传递过这一系列的隔环和套筒元件。最后一个隔环由驱动轴借助于台肩所轴向支撑，因此一个轴向负载能从驱动轴被传递至这一系列的隔环和套筒元件。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于在井眼(比如钻井)中结合两个管端的改进系统。
根据本发明，提供了一种用于在诸如钻井之类的井眼中轴向结合管端和心轴的的系统，该系统包括管端、心轴，其用于轴向对准地插入管端从而在管端和心轴之间形成环形间隙、和连接组件，其至少部分地进入环形间隙并且包括两个或更多传递单元，每个传递单元被布置为轴向结合管端和心轴，其中每个传递单元包括第一固定元件、第二固定元件、和用于在第一固定元件和第二固定元件之间保持轴向位移的间隔装置，从而第一固定元件可轴向连接至管端的内表面而第二固定元件可与心轴轴向连接。
每个传递单元本身被布置为将管端和心轴轴向结合。这具有将全部负载分配在管端和心轴上的两个或更多结合点之上的优点。同时，这些传递单元可单独地作用或者与其它传递单元协同作用。因而能独立地优化和装配结合和其它功能性。
通过除了固定元件之外还提供间隔装置，结合功能性与可归因于连接组件的其它功能性相分开。
在管端之间提供分开的连接组件允许给系统增加另外的功能性。这个功能性能通过选择定制的连接组件而方便地提供，并且因此该系统可以容易地适应于客户需要。由于其至少部分地进入环形间隙，连接组件就通过本身由该连接组件所连接的管端防止了其被暴露到外面。
该两个或更多传递单元可相互连接以形成一串互连的传递单元。
例如，连接组件，并且尤其是间隔装置，可具有一个或更多的下述特征。
该间隔装置可包括用于调节轴向位移的调节装置。因此实现了固定元件能例如以轴向走向(course)的方式被结合至相应的管端，同时随后可以以更加受控的方式改变轴向位移而无需拆卸一个固定元件或两个都拆卸。在一个实施例中，该调节装置包括螺纹连接，其限定了与心轴基本上同轴的螺纹路径。
在本发明的一个实施例中，该间隔装置包括轴承元件，其与支撑该轴承元件的轴承座圈在垂直于对准轴线的平面上相配合，从而第一固定元件可相对于第二固定元件绕着对准轴线旋转。
从而提供了用于可旋转地结合管端的系统。
在一个实施例中，该间隔装置包括用于在结合时给管端提供轴向弹性的弹性装置。而且，该弹性装置有助于在每个可用的传递单元之上按比例地分配轴向负载。
优选地，至少一个传递单元中的弹性装置具有比另一个传递单元中的弹性装置低的刚度。通过改变各个传递单元中的刚度，可以影响负载在传递单元上的分布。较低的刚度使得负载的较低部分借助于该传递单元而被传递。
在一个实施例中，该系统还包括有用于在第一固定元件和管端的内表面之间形成可释放的轴向结合的第一锁闭装置。因此实现了管端能从连接组件方便地释放和滑动从而暴露出连接组件，例如为了维修。或者，在装配期间，其上已经装配了连接组件的心轴能被插入管端并且随后能在第一固定元件和管端的内表面之间形成可释放的轴向结合。
第一锁闭装置可以例如包括设置为穿过管端侧壁的开口、第一固定元件中的容纳开口、以及在轴向锁闭状态下延伸穿过该开口并且进入该容纳开口的可插入锁闭件。通过将第一固定元件中的容纳开口带入与管端侧壁中的开口相对准并且插入该可插入的锁闭件而进行锁闭。
在一个实施例中，该系统还包括有用于在心轴的外表面上轴向可释放地锁闭第二固定元件的第二锁闭装置。这个锁闭装置可以例如通过第二固定元件和心轴绕着对准轴线的相对旋转而可控地锁闭和释放。
优选地，第二固定元件被形成为基本上在其全部圆周上接收心轴的锁闭部。因此实现了轴向力在管端和心轴之间的均匀分布。而且，这种几何形状有利于将连接组件的其它绕着心轴的特征定中。
在一个实施例中，第二锁闭装置包括至少一对相配合的锁闭轮缘段，该对锁闭轮缘段中的一个设在心轴的锁闭部上而该对锁闭轮缘段中的另一个设在第二固定元件上。通过使配合的锁闭凸轮段轴向对准，第二固定元件被锁闭至心轴以便将轴向力从一个传递至另一个。通过绕着对准轴线的相对旋转，能将这些段带入第二固定元件不再锁闭的轴向偏移。因此第二固定元件可快速地装配至心轴和/或从心轴上拆卸。
还可以提供将第二固定元件和心轴固定为对准以防止它们不利地变得轴向偏移的装置。
除了相配合的锁闭凸缘段的结合之外，还可以在管状元件或心轴上提供另外的锁闭轮缘段以使得一个管端上的锁闭轮缘段被夹在相配合的锁闭轮缘段和另一管端上的这个另外的锁闭轮缘段之间。
以下将结合附图以举例的方式更详细地描述本发明，在附图中图1示意性地示出了沿着根据本发明的系统的一个实施例的A-A*线的纵向截面图；图2示意性地示出了图1所示系统沿着B-B线的横截面图；图3示意性地示出了图1所示系统沿着C-C线的横截面图；图4示意性地示出了图1所示系统沿着D-D线的横截面图；图5示意性地示出了图1所示系统沿着E-E线的横截面图；图6示意性地示出了根据本发明的系统的另一个实施例的纵向截面图。
在附图中，相同的附图标记涉及相同的部件。
具体实施例方式
参考图1，其中示意性地示出了用于结合管端4和心轴1的系统的一个实施例的纵向截面图，该管端4和心轴1轴向对准以用于钻井中。在这个例子中，管端4相当于第一管端，心轴1以第二管端的形式提供。
第一和第二管端被旋转地结合，从而第二管端1被插入第一管端4。第二管端1作为轴1，而第一管端4被示出为套管4的形式。管端1、4彼此轴向对准，绕着对准轴线20延伸。
环形间隙31形成于轴1和套管4之间。连接组件16进入环形间隙31。该连接组件被示出为三个传递单元17、18、19的形式，这三个传递单元相互连接以形成一串互连的传递单元。本发明不是必须具有三个传递单元，而是也可以选用不同数目的传递单元。每个传递单元本身被布置为轴向结合第一管端和第二管端。轴1具有给定直径的钻孔，不过其也可以是实心心轴元件。
仍然参考图1的实施例，连接组件16中的每个传递单元17、18、19包含有同样的部件。然而，在其它实施例中不同的传递单元可以由不同的部件组成。
传递单元设有形式为套管接头6的第一固定元件和形式为固定螺母2的第二固定元件。相邻的传递单元借助于相应的固定元件互连，例如，传递单元17与传递单元18借助于固定螺母2互连，传递单元19与传递单元18借助于套管接头互连。
套管4在其侧壁中具有多个孔，并且在圆周上具有容许直径。图1示出了形式为销5的可插入锁闭元件，其可置于孔内且进入设在套管接头6里的容纳开口并且由其所保持。销5可由优选地具有锥形头9的螺钉7等固定。
在套管4和销5之间以及销5和螺钉7之间具有密封件8。由此实现组件的环状通路31和套管4的外部之间密封的分隔。
图2中示意性地示出了沿着B-B线的横截面，其中示出了套管4、套管接头6和轴1，套管4在圆周上具有四个孔，销5通过这些孔延伸并且进入套管接头6里的容纳开口。具有锥形头9的螺钉7被示出为将销5固定至套管接头6。
图1还示出了轴1中的锁闭部L，该锁闭部具有圆形周边并且设有锁闭轮缘段21。其中示出了五个锁闭轮缘段21，但是根据强度考虑的任何适当数目都是可以的。固定螺母2被形成为包着锁闭部。固定螺母2还设有多个锁闭轮缘段22。该锁闭轮缘段的数目(在本实施例中为六个)根据轴1中的锁闭轮缘段21的数目而定。优选地，轴1上锁闭轮缘段21的轴向表面基本上处于垂直于中心线20的平面上以致于它们基本上不会起螺纹绕组的作用。
图3和图5中分别示意性地示出了沿着轴2的锁闭部中的C-C和E-E线的横截面，其中示出了套管4、固定螺母2和轴1。图3示出了在轴1外部的锁闭轮缘段21，而图5示出了向内地设在固定螺母2里的锁闭轮缘段22。从中能看出，三个锁闭轮缘段设置为在圆周上均匀地分布。不同数目的锁闭轮缘段也是可能的。圆周上锁闭轮缘段所占据的总百分比优选地应当最多为约50％。
例如，通过使锁闭轮缘段只是覆盖总圆周的大约一半或更少，固定螺母2还可以具有由其锁闭轮缘段22覆盖大约一半或更多的总圆周以便最佳地分布轴向负载。同时，固定螺母2以如下方式方便地安装首先轴向地移动穿过开口槽达到轴1上的锁闭部，并且随后，通过相对于轴1旋转固定螺母2，啮合轴1上的外轮缘段21和螺母中的内轮缘段22。优选地，应当应用紧固设备，例如螺栓，以防止轴1和固定螺母2之间的任何相对旋转并且使锁闭轮缘段21、22保持啮合以传递轴向负载。
可以理解的是，轴在其端部和锁闭部之间的剩余部分优选地应当具有足够小的外径或者足够大的段，其中外径足够小以使得固定螺母2能向锁闭部移动的。在图2中，例如，能看出花键段23，其具有比轴1主要部分大的外径，并且其在轴1上的朝向轴向地相应于锁闭轮缘段21的朝向。
套管接头6和固定螺母2彼此相结合并具有间隔件S，间隔件S在图1所示实施例中包括如下所述的以下部件。间隔件S用来将套管接头6结合至固定螺母2，以及保持套管接头6和固定螺母2之间的轴向位移。
再参考图1，传递单元19中的间隔件S设有轴承10，该间隔件基本上与传递单元17和18中的间隔件相同。轴承10在垂直于对准轴线20的平面内与支撑该支承元件的轴承座圈28相配合。因此，套管接头6可以相对于固定螺母2绕着对准轴线旋转。当该系统被结合时，管端因而就相对于彼此可旋转。
轴承10可以是任何适当的类型，包括滚柱轴承、球轴承、球面滚柱轴承、圆锥滚柱轴承。
轴承10装配在套管接头6和滑环11之间。在轴1上，前述花键构造23例如通过机械加工已经设在滑环11下面的位置处。相应的相对构造24例如通过机械加工已经设在滑环11的内部上。这在图4中沿着D-D线的横截面中最佳地示出。滑环11因此能沿着轴1自由地滑动，从而互锁的花键构造23、24防止了任何相对旋转。
还设有弹性装置，其形式为弹簧13，尤其是盘簧。弹簧13优选地装配在形式为弹簧支撑环12、14的两个支撑元件之间。优选地，弹簧支撑环12是硬化的，因为它们可能会承受由于弹簧13的应变运动而引起的磨损。
如图1中能看出，滑环11在一侧上在轴承10的下面延伸，并且在其另一侧上在弹簧支撑环12和弹簧13的下面延伸，以使得它们被定中在轴1上。
弹簧13和弹簧支撑环14由用于调节轴向位移的调节装置支撑在套管接头6和固定螺母2之间。通常，间隔装置优选地可借助于形式为螺纹连接的调节装置用螺纹进行调节。此处调节装置表现为调节螺母15的形式。调节螺母15用来减小游隙以及准确地定位轴承10。
调节螺母15具有内花键构造25，这使得其可以滑动，尽管前述各种花键和轮缘段在安装和/或装配过程中沿着轴出现。在调节螺母15下面的位置处，轴1是没有花键的。调节螺母15借助于基本上限定了一个与轴1同轴的螺纹路径的螺纹构造26连接至固定螺母2。
螺纹构造26可以是所要求的那么精密以获得足够的调节准确度。螺纹构造26被理解为包括用作间隔装置螺纹的螺旋在固定螺母2上的固定螺母和螺旋在调节螺母15上的配合调节螺母。
图3所示横截面还示出了可调节地借助于螺纹26与固定螺母2相啮合的调节螺母15。
因为上述设计，调节螺母15能绕着对准轴线20并相对于固定螺母2旋转，并且当固定螺母处于锁闭位置时，相对于轴1旋转。因为调节螺母15和固定螺母2之间螺纹连接的引导，这个旋转将通过调节螺母15相对于固定螺母2的轴向位置来完成。
图6示出了本发明的一个实施例，其中除了上述特征之外还示出了设在固定螺母2中的紧固设备3，和/或设在套管4中的调节开口27。
紧固设备3，适当地为螺栓，被设置为使得防止轴1和固定螺母2之间的任何相对旋转并且仍然保持锁闭轮缘段21、22啮合以传递轴向负载。调节开口27设在套管4中以允许调节螺母15与套管4的位置调整。如果需要，可以以此方式调节弹簧13的预张力。
值得注意的是，上述实施例中的各个部件被有利地设计为使得它们可以以工业上可应用的方式轻易地进行机械加工和装配。
为了无游隙地将连接组件16装配到轴1上，可以应用一种另外的装配工具，当套管4还没有处于其位置时暂时地将其置于连接组件之上。这在连接组件包括轴承时尤其有用。装配工具(未示出)可具有两个带销的条带，该销具有与设在套管4中的开口相同的直径。销在装配工具的条带上的位置已经被调整和固定至套管4中开口的位置。在校准装配工具的销的位置之后，连接组件的所有外部部件被装配到轴1上。由此，固定螺母2就已经被锁闭至轴1。所有的其它部件在轴向上仍然是松弛的。然后装配工具借助于压圈沿着轴1进行装配。另外，装配工具的条带上的销被暂时地固定至套管接头6。
套管接头6沿着连接组件的相对位置现在已经被固定了。通过对调节螺母15进行调节，轴承10能被固定在正确的轴向位置并且没有任何轴向游隙。
在移走装配工具之后，套管4能被安装在连接组件之上并且销5能被毫无问题地插入。
上述实施例允许轴向力从轴1至套管4的可靠传递。轴承可以是同心的，并且该实施例可供与套管4和轴1的对准轴线垂直的轴承吊架平面之用。而且，轴承可以无游隙地装配在轴1上或者每个都具有相同的轴向游隙。
当在一串每个都具有轴承装置的传递单元中设有弹性装置13时，轴向负载分布在各个传递单元上，因此各个轴承能同时承载负载。如果一个传递单元中的轴承承载了相对太大部分的轴向负载，那么那个传递单元中的弹性装置13应当被一个具有较小刚度的弹性装置代替以将一部分负载转移到其余的传递单元。在那种情况下，至少一个传递单元中的弹性装置具有比另一传递单元中的弹性装置低的刚度。未公开的欧洲专利申请03075523提供了刚度的定义并且详细描述了如何准确地选择传递单元的刚度以实现负载在传递单元上的大致均衡分布，其作为本申请的优先权申请并且结合作为本申请的参考。
在所述系统的这个实施例中的连接组件借助于可调节的间隔装置、轴承元件、弹性装置和其它提到的部件提供了复合的功能性。尽管这个实施例是优选的，但是本发明的范围并不限于其中功能性以所述方式组合的连接组件和系统。仅仅示出间隔装置，其可以是可调节的间隔装置、或弹性装置、或用于提供可旋转性的装置，尤其是轴承装置、或任何其它用于优选的功能性的装置，或这些特征的任何组合的实施例，可有利地应用于操作中。
以上已经将本发明作为用于井眼中结合两个管端的系统进行了公开。本发明还可以有利地应用于连接，尤其是可旋转地连接，其它用途的两个管端和/或将实心轴形式的心轴连接至管端。而且，管端和心轴可具有非圆形的横截面。
权利要求
1.一种用于在诸如钻井之类的井眼中轴向结合管端和心轴的系统，该系统包括管端、心轴，其用于轴向对准地插入管端从而在管端和心轴之间形成环形间隙、和连接组件，其至少部分地进入环形间隙并且包括两个或更多的每个都被布置为轴向结合管端和心轴的传递单元，其中每个传递单元包括第一固定元件、第二固定元件、和用于在第一固定元件和第二固定元件之间保持轴向位移的间隔装置，从而第一固定元件可轴向连接至管端的内表面而第二固定元件可与心轴轴向连接。
2.根据权利要求1的系统，其特征在于该两个或更多传递单元相互连接以形成一串互连的传递单元。
3.根据权利要求1或2的系统，其特征在于该间隔装置包括用于调节轴向位移的调节装置。
4.根据权利要求3的系统，其特征在于该调节装置包括螺纹连接，其限定了与心轴基本上同轴的螺纹路径。
5.根据权利要求1至4中任一的系统，其特征在于该间隔装置包括用于在结合时给管端提供轴向弹性的弹性装置。
6.根据权利要求5的系统，其特征在于至少一个传递单元中的弹性装置具有比另一个传递单元中的弹性装置低的刚度。
7.根据权利要求1至6中任一的系统，其特征在于还包括有用于在第一固定元件和管端的内表面之间形成可释放的轴向结合的第一锁闭装置。
8.根据权利要求1至7中任一的系统，其特征在于还包括有用于在心轴的外表面上轴向可释放地锁闭第二固定元件的第二锁闭装置。
9.根据权利要求8的系统，其中第二锁闭装置可以可控地锁闭和释放。
10.根据权利要求8的系统，其特征在于第二锁闭装置通过第二固定元件和心轴绕着对准轴线的相对旋转而可以可控地锁闭和释放。
11.根据权利要求9或10的系统，其特征在于第二锁闭装置包括至少一对相配合的锁闭轮缘段，该对锁闭轮缘段中的一个设在心轴的锁闭部上而该对锁闭轮缘段中的另一个设在第二固定元件上。
12.根据权利要求1至11中任一的系统，其特征在于该间隔装置包括轴承元件，其与支撑该轴承元件的轴承座圈在垂直于对准轴线的平面上相配合，从而第一固定元件可相对于第二固定元件绕着对准轴线旋转。
13.根据权利要求1至12中任一的系统，其中该管端是第一管端而心轴是第二管端。
14.用于在钻井中轴向对准地结合两个管端的连接组件，其与前述任一权利要求中所限定的连接组件一致。
全文摘要
一种用于在钻井中结合两个管端的系统，其包括第一管端(4)、第二管端(1)和连接组件(6)，第二管端用于轴向对准地插入第一管端从而在第一管端和第二管端之间形成环形间隙(31)，连接组件(6)用于将第一管端和第二管端轴向结合从而该连接组件至少部分地进入环形间隙。
文档编号E21B4/02GK1726334SQ200380105733
公开日2006年1月25日 申请日期2003年12月12日 优先权日2002年12月12日
发明者S·M·罗格邦德 申请人:国际壳牌研究有限公司