设置有压接金属元件的管道和相应的方法
【专利摘要】本发明涉及一种管道(1)，该管道(1)被设计成放置在用于生产相关流体的井(A)内，管道(1)在其外表面(10)上压接管状金属元件(6)，其特征在于：该管状元件(6)的内表面(62)具有环形凹槽(620)，在环形凹槽(620)中接合金属锚固环(8)或一对背靠背设置的锚固环；每个锚固环(8)由至少部分横向裂开的环组成，在其内表面(81)上设置有突出锚固构件(810)，并且在横截面中具有设置有该突出构件(810)的基部(81)和至少一个与该基部(81)成锐角(α)的侧翼(82)；环形凹槽(620)具有基本上与环(8)或一对环的轮廓互补的轮廓；凹槽(620)的深度(a)小于环(8)或一对环的厚度(b)；使得在将金属元件(6)压接在管道(1)上之后，该突出构件(810)至少部分地嵌入管道(1)。
【专利说明】设置有压接金属元件的管道和相应的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及钻井领域。
[0002]本发明更具体地涉及金属管，所述金属管被设计成放置在生产相关流体的井内。
[0003]本发明特别但是不唯一地应用于水平井的外壳。该外壳在本文献的剩余部分中被称为“管道”。
【背景技术】
[0004]由于新型提取技术，这种井构造在近几年内被广泛应用。
[0005]特别地，水平井显著增加了生产长度，因此显著增加了与源岩中存在瓦斯和/或石油的地质构造的接触面积。
[0006]在这种水平构造中，技术上难以包围和胶接处于水平位置下的管道和井的内壁之间的环形空间。主要在竖直或略微倾斜的井中使用的该胶接技术提供不同地质区域之间的密封。
[0007]水平井(无论是用于刺激或流动控制)的开采需要在岩石构造本身中隔离一些区域。
[0008]管道插入井中并且在其外围处具有隔离设备，所述隔离设备以预定模式隔开。
[0009]对于这些设备使用术语“区域隔离封隔器”。在这些隔离设备之间，管道通常具有根据需要打开或关闭的口，所述口允许管道和井的隔离区域之间相通。
[0010]在该水平完井环境下，水力压裂(也被称为“液压破裂”)是用于使管道水平地放置在其中的岩石破裂的技术。
[0011]通过加压液体的注入进行水力压裂。该技术能够提取高度密实和不渗透性岩石中包含的石油或瓦斯。
[0012]图1为放置在预先制备的井内的管道的简化截面图。
[0013]该图的描述仅用于解释目前为止如何使用设置有所述区域隔离封隔器的管道的目的。
[0014]预先在地面S中挖掘井A，所述井A的壁被标注为A1。
[0015]管道1已经放置在该井内，所述管道1在此部分显示。
[0016]该管道沿着其壁以预定间隔具有隔离设备2。仅为了简单起见，在此仅显示两个设备2(标注为N和N-1)
[0017]在实践中，沿着管道存在更多数目和极大数目的所述设备。以已知的方式，每个设备由管状金属套管20组成，所述金属套管20的相对端部通过增强环或增强裙部6直接或间接地稳固结合至管道的外表面。
[0018]井内压力为P0。
[0019]最初，当金属套管20不扩张时，金属套管20基本上与环6对齐。
[0020]管道的远端部优选具有口(未示出)，在将管道插入井的阶段的过程中所述口最初打开从而允许流体在压力P0下从上游循环至下游。该口优选通过球体塞住，所述球体在管道中下降并且塞住该口，这允许管道内的压力增加。
[0021]然后在大于P0的压力P1下将第一流体送入管道并且通过面对套管20的开口 10将第一流体引入整个管道从而造成金属套管扩张并且占据图1的位置，其中它们的中间部分挤压井的壁A1。
[0022]当然，选择套管的材料和压力使得金属变形超过其弹性极限。
[0023]当压力P1略微增加时，一个设备(未示出)有可能释放位于管道的远端部处的开口。开口处的压力从P1变化至P0然后有可能在管道内从井的上游循环至井的下游。
[0024]之后，将另一个球体5送入管道并且座落在滑座4中，所述滑座4基本上位于两个隔离设备N和N-1之间的中点。
[0025]最初，座4面对上述开口 3精确设置并且塞住上述开口 3。在球体运动的影响下，座4塞住和移动，因此释放开口 3。然后将极高压力下的水力压裂流体注入管道。
[0026]在压力P2下将该流体引入设备以及将设备分离的环形空间B。
[0027]然而，在设备N-1内的现行压力恢复至原始井压力，即压力P0。
[0028]上述套管(和更通常的任何装备)与井1的壁的附接是特别重要的。
[0029]例如，在有时进行的大于1000bar(15000psi)的水力压裂操作的过程中，施加至区域隔离封隔器的轴向力可以达到超过100吨。这些力简单地由于施加在环形空间B内的压力而造成，所述环形空间B通过管道1的外部和井A的内壁限定。
[0030]管道具有用于井条件的常见尺寸、资格和认证。操作人员根据内部压力和外部压力的值、流速、温度、腐蚀剂的存在等限定直径、每单位长度的质量和材料。
[0031]则优选在完井的整个长度上使用相同种类的管道，而不是插入不同产品的部段。
[0032]目前标准管道的使用存在一些限制，特别是如果附接必须被制成不透水或不透气的。
[0033]首先，管道通常通过滚轧制成，因此几何公差和表面品质不允许例如使用不透水或不透气的密封件。
[0034]可以考虑在管道的整个长度上对管道进行机械加工，从而校正形状和表面品质缺陷。然而，除了其成本之外，这种操作会使管道的资格无效。
[0035]使金属系统不透水或不透气地附接在管道外部的第二种选择包括使用焊接。
[0036]目前用于管道的材料可能具有非常不同的化学组成(L80、Pll(l...)。因此难以使用焊接，机械强度高度取决于材料的性质。
[0037]在管道中通过焊接产生的应力也可能造成管道的资格再评定，亦即进行冗长和繁冗的新测试。
[0038]在附接无需不透水或不透气的情况下，有可能在管道中钻出径向盲孔，然后在所述盲孔中插入螺栓(或等效物)。
[0039]该情况示于图2，其中该螺栓标注为7。
[0040]该方法需要对基础管道1进行机械加工，因此有可能需要对其进行资格再评定。此外，为了能够抵抗可观的轴向负载F，多个螺栓的使用不可或缺。所有螺栓必须同时支承在管道上从而最大化所携带的轴向负载，这需要精确和昂贵的机械加工操作。
[0041]在W0-97/48268、US-2011/095526 和 US-5 205 356 中描述了使用部分裂缝环的设备。所有这些系统也需要至少一个螺栓。
【发明内容】
[0042]本发明的目的是克服这些缺点。
[0043]所提出的系统使用标准管道，所述标准管道的表面可以进行清洗和/或抛光而不除去任何金属。这些仅表面性的操作不会使管道的原始资格失效。
[0044]因此，本发明涉及一种金属管道，所述管道被设计成放置在用于生产相关流体的井内，管道在其外表面上压接管状金属元件，其特征在于如下事实:
[0045]-所述管状元件的内表面具有环形凹槽，在所述环形凹槽中接合金属锚固环或背靠背设置的一对锚固环；
[0046]-每个锚固环由至少部分横向裂开的环组成，在其内表面上设置有突出锚固构件，并且在横截面中具有设置有所述突出构件的基部和至少一个与所述基部形成锐角的侧翼；
[0047]-环形凹槽具有基本上与所述环或所述一对环的轮廓互补的轮廓；
[0048]-凹槽的深度小于所述环或所述一对环的厚度；
[0049]使得在将金属元件压接在管道上之后，所述突出构件至少部分地接合在所述管道中。
[0050]通过文献US6 513 600已知可扩张的套管结构，所述可扩张的套管结构的外表面设置有至少一个环，当套管扩张时，所述环顺应成使得其本身锚固在井壁中。
[0051]本发明采取该锚固技术，但是在其它申请上下文中为其分配不同功能。
[0052]根据本发明的另一个非限制性和有利的特征:
[0053]-单个环接合在凹槽中并且具有横向裂缝；此外，该环包括第二侧翼，并且两个侧翼以使得环在横截面中呈现三角形的大致形状的方式汇合；
[0054]-单个环接合在凹槽中并且包括横向裂缝；此外，该环包括第二侧翼，并且两个侧翼以如下方式通过基本上平行于所述基部的表面彼此分离，该方式使得环在横截面中呈现梯形的大致形状；
[0055]-所述锐角相等，使得所述环在截面中呈现对称形状；
[0056]-两个环背靠背设置并且它们包括多个局部横向裂缝；
[0057]-所述环或所述一对环在其外围上具有使用金属对金属的接触构成密封装置的轮廓；
[0058]-所述轮廓具有字母“C”的形状；
[0059]-所述轮廓具有能够至少部分变形的唇状物的形状；
[0060]-所述突出构件由一系列通过互补形状的凹槽分离的平行的周向肋部构成，使得在横截面中观察时，整体呈现三角形截面的一连串锯齿状物的形式；
[0061]-所述环或所述一对环的所述内表面具有至少一个凹槽，所述凹槽的轴线平行于环的轴线，该凹槽将所述构件分离成不同的部段；
[0062]-所述管状元件的内表面具有至少一个另外的凹槽，在所述另外的凹槽中接合0形环密封件；
[0063]-所述突出构件由铺设的锥体形状的齿状物构成；
[0064]-至少一个抗挤压环也接合在所述另外的凹槽中；
[0065]-所述管状元件稳固结合至至少一个可扩张的管状金属套管的端部。
[0066]本发明的另一个方面涉及一种将管状元件紧固在管道的外表面上的方法，其中:
[0067]-所述管状元件的内表面具有环形凹槽，在所述环形凹槽中接合金属锚固环或背靠背设置的一对锚固环；
[0068]-每个锚固环由至少部分横向裂开的环组成，在其内表面上设置有突出锚固构件，并且在横截面中具有设置有所述突出构件的基部和至少一个与所述基部形成锐角的侧翼；
[0069]-环形凹槽具有基本上与所述环或所述一对环的轮廓互补的轮廓；
[0070]-凹槽的深度小于所述环或所述一对环的厚度；
[0071]其特征在于所述管状元件压接在所述管道上，使得所述元件和所述环的直径减小并且所述突出构件接合在所述管道中。
【专利附图】
【附图说明】
[0072]通过阅读如下优选实施方案的描述将得知本发明的其它特征和优点。
[0073]在这些图中:
[0074]-图1为(如上可见)装配有具有区域隔离封隔器的管道的井的一部分的示意图；
[0075]-图2为装配有管状元件的管道的一部分的截面图，所述管状元件通过螺栓附接至所述管道；
[0076]-图3为符合本发明的管道的部分截面图，上部显示压接之前的管状元件，而下部显示压接之后的管状元件；
[0077]-图4和5为作为根据本发明的设备的一部分的密封环的图，分别显示了压接之前和压接之后；
[0078]-图6和7分别为上述环在压接操作之前和压接操作之后的截面和极度特写图，所述环在待压接元件的凹槽中的适当位置；
[0079]-图8和9从相对方向显示了可用在本发明的范围内的环的另一个实施方案的立体图；
[0080]-图10和11为与图6和7相似的图，使用与图8和9中所示的相同的两个环；
[0081]-图12也显示了所述环的另一个实施方案的立体图；
[0082]-图13和14为与图10和11相似的图，使用与图12中所示的相同的环。
具体实施方案
[0083]当参考图3时，注意到管道1的存在，所述管道1为被设计成设置在井A内的生产管。
[0084]管道允许生产感兴趣的流体。
[0085]根据本发明，提出在管道1的外表面10上压接管状元件6，在该情况下，所述管状元件6构成用于将标注为q和C2的两个可扩张的管状套管固定和附接至管道1的元件。在一个未示出的实施方案中，管状元件6可以例如构成由弹性体制成的可膨胀封隔器的阻挡件或一个端部。
[0086]具有通常已知的形状和结构的该元件6包括主体60，跟在该主体60后方的是部分覆盖套管Ci和C2的端部的裙部61。
[0087]与本发明的一个特征相符，管状元件6的内表面62包括环形凹槽620 (特别在图3的上部中可见)，在所述环形凹槽620中接合金属锚固环8。
[0088]将注意到管道1的延展性可以比环8的延展性更大，或者并非如此。
[0089]如在图4和5中特别可见的，锚固环8由横向裂缝环构成。该裂缝标注为80。环在其内表面上设置有突出锚固构件810。
[0090]在本文所示的实施方案中，突出构件由一系列平行和周向的肋部组成，所述肋部通过互补形状的凹槽分离，使得在横截面中观察时，整体呈现三角形截面的一连串锯齿状物的形状。
[0091]当然，可以构想其它形式的突出构件。
[0092]如图4所示，轴线平行于环的平行轴线Y-Y’的一个或多个凹槽R可以将突出构件分离成不同的部段。
[0093]在另一个同样未示出的实施方案中，突出构件可以由铺设的例如具有锥体形状的齿状物构成。
[0094]更具体地参考图6，观察到根据其横截面，环8具有设置有所述突出构件810的基部或内表面81，所述基部或内表面81连接两个各自与所述基部形成锐角α的表面82。
[0095]作为参考，角度α的值为约10°。
[0096]在本文描述的实施方案中，侧翼82通过表面83彼此分离，所述表面83基本上平行于基部81，从而在横截面中呈现梯形的大致形状。
[0097]在此两个角度α相等，使得环在截面中呈现对称形状。如进一步可见的，该对称形状允许承受相对方向上的力。
[0098]然而，在一个变体形式中，这些角度可能不同。
[0099]在环的两个侧翼结合的特别情况下，所涉及的是在横截面中锚固环具有三角形形状。
[0100]如在图6和7中更具体地显示，接收环的环形凹槽620具有基本上与该环的轮廓互补的轮廓。
[0101]在该情况下，所涉及的是凹槽具有两个侧翼621和底部622。
[0102]本发明的另一个特征是:凹槽620的深度(在图6中标注为W略小于环的厚度h。
[0103]参考图3，观察到除了凹槽620之外，管子6还具有其它凹槽，在此标注为623、624和 625。
[0104]这三个凹槽是任选的。当存在这些凹槽时，它们的数目可以多于三个或少于三个，如此处所示。
[0105]在这些凹槽内容纳0形环9以及抗挤压环9'。
[0106]在将管状元件6压接在管道1上的操作的过程中，该元件6的内径减小。环8同样如此，由于裂缝80的边缘接近到一起使得环8的直径减小。与该现象同时地，由于基本上径向的压接力，环的齿状物810部分进入管道1，如图7所示。
[0107]这通过上述值&和h之间的差异和构件810的突出和尖锐的形状得以解释。
[0108]如通过图7中的箭头所示，通过楔效应避免了任何轴向位移或其它位移，环形凹槽的侧翼621和底部622构成环6的阻挡件。更具体地，侧翼621的斜坡将力传递至锚固环的齿状物。
[0109]环6因此使得有可能获得两个部件的有效附接并且对压力变化几乎不敏感。
[0110]占据其它凹槽的密封垫圈9允许进一步改进组件的不透水性或不透气性。因此，压接同时提供了压缩密封件的初始压缩，为了使其满足作为密封装置的作用，压缩密封件是不可或缺的。
[0111]密封垫圈9可以例如由弹性体(例如0形环、唇形密封件等)或金属(“C形环”类型)制成。
[0112]这种系统可以以可观的内部压力和外部压力进行操作，并且挤压间隙(亦即压接元件6和管道1之间的微小开口)有可能出现并且在操作过程中通过部件的弹性挠曲而变大。
[0113]为了弥补该缺点，使用抗挤压环9'，所述抗挤压环9'具有斜壁并且由基本上可变形材料制成。
[0114]当压力施加至密封件9的一侧时，密封件9挤压环9，的一者或另一者，所述环9'然后在轴向上略微移动并且塞住挤压间隙。
[0115]在图8和9中所示的实施方案中，与上述相同的通常类型的环8'包括一系列局部裂缝80'，所述裂缝80'横向延伸。在此，裂缝80'的数目为四个并且在直径上两两相对。
[0116]在一个未示出的实施方案中，局部裂缝的数目可以更大。
[0117]这些局部裂缝不连续通过环的相对侧，使得存在与这些裂缝80'对齐的连续材料(标注为800')。
[0118]它们的功能将进一步解释。
[0119]当横向考虑时，该环8'具有基部或内表面81'，所述基部或内表面81'设置有与上述相同类型的突出构件810'。
[0120]此外，其具有通常平行于基部或内表面81'的上表面83'。
[0121]不同于已经描述的实施方案，该环8'具有单个斜表面82'，所述斜表面82'与基部81'形成锐角。
[0122]另一个表面(标注为84)平直并且垂直于表面81'和83'取向。
[0123]此外，在表面82'的延续部分中延伸出凸缘85'，所述凸缘85'的自由端部具有“C”形轮廓850'。
[0124]换言之，该轮廓850'具有凹形形状。
[0125]如图10和11中更具体显示的，管状元件6装配的凹槽620接收两个(而不是一个)环8'。
[0126]在该实施方案中，涉及两个相同的环，所述环背靠背设置并且在其表面84'处接触。
[0127]通过局部裂缝80'的存在使得所述两个环的设置成为可能，所述局部裂缝80'允许环具有一定的变形能力。
[0128]在这些图10和11中，环在上述裂缝80'处以横截面显示。因此，在凹槽620的每一侧上观察到凸缘85'的存在。
[0129]在参考上述实施方案已经可见的压接操作的过程中，环的齿状物穿透进入管道的材料，而凸缘85'由于其弧形“C”形状而有助于在两个部件1和6之间形成金属对金属的密封。
[0130]图12的实施方案与上述实施方案的不同之处仅在于如下事实:倾斜表面82'通过极薄的唇状物86'延伸。
[0131]由于该事实，如通过对比图13和14所示，在压接操作的过程中，唇状物86'的区域以也在这里实现金属对金属的密封的方式弹性变形。
【权利要求】
1.一种管道(1),所述管道(1)被设计成放置在用于生产相关流体的井(八)内，管道(1)以及在其外表面(10)上压接管状金属元件￠)，其特征在于: -所述管状元件￠)的内表面￠2)展现环形凹槽￠20)，在所述环形凹槽￠20)中接合金属锚固环(8)或背靠背设置的一对锚固环⑶’)； -每个锚固环(830由至少部分横向裂开的环组成，在其内表面(81310上设置有突出锚固构件),并且在横截面中展现设置有所述突出构件(8103100的基部(81,81-)和与所述基部(81,81-)形成锐角⑷的至少一个侧翼(82,821)； -环形凹槽(620)展现基本上与所述环(8)或该对环(8,)的轮廓互补的轮廓； —凹槽(620)的深度⑷小于环(8)或环(8,)的厚度㈦； 使得在将金属元件(6)压接到管道(1)上之后，所述突出构件(8103100至少部分地接合在所述管道(1)中。
2.根据权利要求1所述的管道，其中单个环(8)接合在所述凹槽￠20)中并且所述单个环(8)包括构成材料中断的横向裂缝(80),其特征在于:该环(8)具有第二侧翼(82)并且两个侧翼(82)结合，使得环(8)在横截面中呈现三角形的大致形状。
3.根据权利要求1所述的管道，其中单个环(8)接合在所述凹槽￠20)中并且所述单个环(8)包括构成材料中断的横向裂缝(80),其特征在于:该环(8)具有第二侧翼(82)并且两个侧翼(82)通过基本上平行于所述基部(81)的表面(83)彼此分离，使得环(8)在横截面中呈现梯形的大致形状。
4.根据权利要求2或3任一项所述的管道，其特征在于:所述锐角(0)相等，使得所述环(8)在截面中呈现对称形状。
5.根据权利要求1所述的管道，所述管道包括一对背靠背设置的环〈8’)，其特征在于:所述环包括多个局部横向裂缝(80,).
6.根据权利要求1所述的管道，其特征在于:所述环(8)或该对环⑶’)在其外围(850上展现通过金属对金属的接触构成密封装置的轮廓〈850’、86’)。
7.根据权利要求6所述的管道，其特征在于:所述轮廓(850,)为“0”形状。
8.根据权利要求6所述的管道，其特征在于:所述轮廓具有至少能够部分变形的唇状物(86,)的形式。
9.根据前述权利要求任一项所述的管道，其特征在于:所述突出构件(8103100由一系列通过凹槽分离的平行的周向肋部构成，使得在横截面中观察时，整体呈现三角形截面的一连串锯齿状物的形式。
10.根据权利要求9所述的管道，其特征在于:所述环(8)或该对环(8,)的所述内表面展现至少一个凹槽(?，所述凹槽(?的轴线平行于环(83,)的轴线，该凹槽(?将所述构件(810)分离成不同的部段。
11.根据前述权利要求任一项所述的管道，其特征在于:所述管状元件的内表面(62)展现至少一个另外的凹槽(621422425),在所述另外的凹槽(621422425)中接合密封垫圈(9),通过将管状元件(6)压接在管道(1)上从而提供所述密封垫圈(9)的初始压缩。
12.根据权利要求由铺设的锥体形状的齿状物构成。
13.根据权利要求11所述的管道，其特征在于:至少一个抗挤压环(9,)也接合在所述另外的凹槽(621,622,625)中。
14.根据前述权利要求任一项所述的管道，其特征在于:所述管状元件(6)稳固地结合到至少一个可扩张的管状金属套管((^、(^)的端部。
15.一种将管状元件(6)紧固在管道(1)的外表面上的方法，其中: -所述管状元件￠)的内表面￠2)展现环形凹槽￠20)，在所述环形凹槽￠20)中接合金属锚固环(8)或背靠背设置的一对锚固环⑶’)； -每个锚固环(830由至少部分横向裂开的环组成，在其内表面(81310上设置有突出锚固构件),并且在横截面中展现设置有所述突出构件(8103100的基部(81310和与所述基部(81,81-)形成锐角⑷的至少一个侧翼(82,821)； -环形凹槽(620)展现基本上与所述环(8)或该对环(8,)的轮廓互补的轮廓； -凹槽(620)的深度⑷小于所述环⑶或该对环〈8’)的厚度㈦； 其特征在于所述管状元件(6)压接在所述管道(1)上，使得所述元件(6)和所述环(8)的直径减小并且所述突出构件(8103100接合在所述管道(1)中。
【文档编号】E21B33/129GK104321502SQ201380019445
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2013年3月22日 优先权日:2012年4月13日
【发明者】S·罗斯利耶, B·索泰尔, J-L·索泰尔, R·内沃 申请人:索泰尔实业公司