扭矩锚、用来泵送并防止旋转的系统、以及配备这种扭矩锚的泵送装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及防止管柱相对于井的套管旋转的扭矩锚，和/或配备包括这种扭矩锚的螺杆泵的泵送系统。
【背景技术】
[0002]已知用于泵送系统的扭矩锚，尤其是通过文件US 6155346，其具有安装在固定到管柱的凸轮上的齿。所述齿通过所述凸轮在收缩位置与锁定位置之间移位，收缩位置在扭矩锚内侧，在锁定位置，齿从扭矩锚的框架向外径向延伸并抓牢套管。
[0003]这种扭矩锚具有很多缺点。
[0004]首先，它们基于支撑技术，从而可能由于由螺杆泵产生的强振动而在生产期间变成非锚固。这会使管柱变得松动并落入井下，使生产彻底停止并导致恢复运行的显著成本。
[0005]还有，在一些情况下，收缩机构会被沙土堵塞或受腐蚀影响。在这种情况下，扭矩锚被施加的力向上提升，损坏套管和井内设备。
[0006]此外，通过操作员使用扳手从表面旋转管柱将齿带到锁定位置。随着操作员使用扳手施加扭转应力，该旋转操作会危害操作员的安全。当扳手滑动时，操作员可能会受到伤害。
[0007]另外，在正常操作期间，支撑所要求的原理是齿与套管之间非常高的接触压力。因此，考虑到泵送期间较高水平的振动，非常值得怀疑，必须具有破坏形状以开始支撑的齿会“加工”套管。
[0008]此外，一些井在生产期间经受显著的温度变化。这些温度变化使管柱膨胀使其在长度上可增长多达6米，但是由于套管被加固到地层，所以套管仅有很少的膨胀或者没有膨胀。在这些温度变化期间，扭矩锚被管柱的膨胀推动，相对于套管沿井的纵向轴线运动。由于扭矩锚的齿总是嵌入套管中，怀疑会对套管的内壁造成划伤，但是还没有量化。
[0009]最后，为确保扭矩锚的齿恰当地抓住套管，会在扭矩锚下降到井下之前在井表面处驱使所述齿进入锁定位置。在这种情况下，随着扭矩锚下降到井下，套管总成会被撕裂和损害。
[0010]文件EP 1371810描述钻井设备的抗旋转设备。所述抗旋转设备能够防止钻井设备在被钻的地层内旋转。它包括能够在收缩位置与伸展位置之间径向运动的活塞，活塞在伸展位置向框架外径向延伸并与被钻的地层接合。使用液压致动器实现活塞进入到伸展位置的运动。弹簧使活塞返回到收缩位置(图10，183段)。
[0011]然而，该抗旋转设备对于在转子旋转时由定子施加到生产管的扭转力来说设计不足。该文件中描述的抗旋转设备不能抵抗这种应力。此外，传输框架内的加压流体以致动活塞运动的通道的构造对于制造来说是复杂的。最后，如果发生失效，维修或替换液压泵将是非常昂贵的，因为这会要求清空生产管。对于钻机来说平均维修操作间隔时间是10天，然而对于流体泵送系统是约2年。
[0012]此外，钻孔中的温度经常是非常高的。
[0013]最后，该抗旋转设备不适于在配备套管的泵送装置中使用，因为为了锚固活塞，活塞必须匹配咬入被钻地层中的尖齿。这种抗旋转设备会割入泵送装置的套管并对套管造成损害。如果去掉销或齿，则所述抗旋转设备不能防止生产柱的旋转，因为由定子中转子的旋转而产生的振动是非常快速的、很多且振幅很大。对于被钻地层的损害并不是问题，因为接下来它将会被加固到所述地层的套管覆盖。
【发明内容】
[0014]本发明的目的是提供能够经受高扭转力矩的扭矩锚。
[0015]为此目的，本发明涉及一种扭矩锚，其用于防止管柱相对于井套管旋转，所述井套管用来通过螺杆泵泵送流体，所述锚包括:
[0016]-框架，其用于安装在套管中，
[0017]-内部通道，其形成在框架中，所述内部通道沿轴向方向延伸；
[0018]-至少一个腔，其与内部通道流体连通，所述腔沿径向方向延伸，和
[0019]-至少一个锚固活塞，其配合到所述径向腔，
[0020]其中，所述锚包括至少一个预加载弹簧，其能够在所述锚固活塞与框架之间作用以使所述锚固活塞以径向方向对着套管偏压；
[0021]并且其中，所述内部通道被泵送流体遍历，当容纳在内部通道中的泵送流体在所述锚固活塞上施加力时，所述锚固活塞能够相对于框架沿径向方向滑动并且能够在套管上施加扭矩；所述力是内部通道内的压力与框架外的压力之间的压力差的函数。
[0022]有利地，本扭矩锚使用内部通道与环的压力之间的压力差防止管柱相对于套管旋转，所述环限定在框架的外部面与套管之间。该压力差由螺杆泵产生。所述压力差可达到几十兆帕。从而扭矩锚可向套管的内壁施加非常大的扭矩。此外，因为扭矩是螺杆泵的入口与出口之间的压力差的函数，所以该扭矩适应于所要求的夹紧扭矩。螺杆泵的排出压力自动地控制由扭矩锚施加的扭矩。
[0023]有利地，当螺杆泵的入口与出口之间没有压力差时，扭矩锚变成非锚固而不需要任何动作。从而，有利地，扭矩锚不会由于沙土或结垢而被卡在井下。
[0024]有利地，该扭矩锚是紧凑的。特别地，具有在相同平面内的多个活塞的模块的量度在I英尺与2英尺之间。
[0025]有利地，在扭矩锚已经被下入套管内几米时，该扭矩锚是可测试的。
[0026]该扭矩锚设计简单。特别地，在维护操作期间可容易地从框架移除锚固活塞。
[0027]根据某些实施例，扭矩锚包括一个或多个下述特征:
[0028]-框架包括法兰，所述法兰面向锚固活塞的平的面的外围，所述法兰形成包含在垂直于径向方向的平面中的平的肩部，所述至少一个预加载弹簧由所述肩部支撑。
[0029]有利地，当在内部通道与环之间没有压力差时，例如在转子插入定子中时或者在螺杆泵启动时，预加载弹簧允许向套管的内壁施加扭矩。
[0030]-法兰形成具有用于抑制泵送流体的流动的至少一个开口的壁；所述至少一个开口具有的表面面积在径向腔的横截面的表面面积的0.5%与5%之间；所述横截面垂直于径向方向。
[0031]框架经受由螺杆泵产生的很强的振动。
[0032]有利地，一个或多个节流器能够抑制泵送流体的流动并从而缓解框架振动。
[0033]-框架包括插在径向腔与锚固活塞之间的套筒；所述套筒包括所述法兰和延伸到内部通道中的所述法兰的至少部分。
[0034]有利地，该实施例允许使用较长的弹簧，所述较长的弹簧对温度波动和套管直径的变化较不敏感，使得扭矩锚的性能更加稳定。
[0035]_所述套筒由陶瓷制成。
[0036]有利地，该装备消除锚固活塞被卡在套筒内的任何风险。该装备还帮助控制微生物腐蚀的风险。该实施例对要求长使用寿命或者涉及高温度的应用是较理想的。
[0037]-所述锚固活塞包括头部和沿头部的外围延伸的裙部，所述头部和所述裙部形成通向内部通道的室；所述预加载弹簧被容纳在所述室中并由所述裙部引导。
[0038]有利地，在维护操作期间可容易地从框架移除预加载弹簧。
[0039]-锚固活塞和径向腔具有带有圆形基座的圆柱形状，锚固活塞被旋转防止设备防止相对于框架旋转。
[0040]-旋转防止设备包括凹槽和能够在所述凹槽中以径向方向滑动的齿；凹槽和齿中的一个与裙部的自由端成为整体，而另一个与框架成为整体。
[0041]-锚固活塞和径向腔的横向截面具有长圆形形状。
[0042]有利地，该形式防止径向腔内锚固活塞的旋转而不需要附加的牙嵌式离合器。
[0043]该形式还允许增加活塞的表面面积并且从而增加施加到套管的力。最后，该形式允许增加与套管的接触长度，其减少接触压力并促进在载荷作用下套管接箍的通过。
[0044]-锚固活塞具有面向套管的外部面，所述外部面设置有优选为直线式的唇部。
[0045]-当锚固活塞布置在单个平面中时，所述唇部延伸套管内径的30%与70%之间，并且优选延伸套管内径的30%与48%之间，并且当锚固活塞布置在多个平面中时，端部锚固活塞的唇部的端部之间限定的距离为套管内径的30%与70%之间，并且优选为套管内径的30%与48%之间。
[0046]有利地，该长度允许套管接箍的通过而不对套管造成损害。
[0047]-扭矩锚包括垫圈，所述垫圈确保锚固活塞与套筒或框架之间的流体紧密密封。
[0048]-扭矩锚包括至少一个支架，当扭矩锚被下放到井下时，所述支架能够在收缩位置保持锚固活塞；所述支架一边附接至锚固活塞的面而另一边附接至框架。
[0049]本发明还涉及用于泵送并防止管柱相对于井套管旋转的系统，所述系统包括螺杆泵，所述螺杆泵能够通过入口引入泵送流体、压缩泵送的流体、并通过出口排出压缩流体。
[0050]其中，所述系统包括根据上面所描述特征限定的扭矩锚；所述扭矩锚相对于在内部腔内泵送的流体的流动方向固定在螺杆泵的下游；所述扭矩是由螺杆泵在其入口与出口之间产生的压力差的函数。
[0051]本发明还涉及配备套管的井的泵送装置；所述泵送装置包括:
[0052]-管柱，其布置在所述套管中；
[0053]-螺杆泵，其能够通过引入入口运动待泵送的流体，并通过排出出口排出流体，
[0054]其中，泵送装置包括根据上述特征限定的扭矩锚；所述扭矩锚相对于内部腔内泵送流体的流动方向固定在螺杆泵的下游；所述力是由螺杆泵在其入口与出口之间产生的压力差的函数。
[0055]本发明还涉及一种方法，用于防止管柱相对于用于通过螺杆泵泵送流体的井套管旋转；所述方法通过扭矩锚进行实施，扭矩锚包括用来安装在套管中的框架、形成在框架中的内部通道，所述内部通道沿轴向方向延伸；与内部通道流体连通的至少一个腔，所述腔沿径向方向延伸，和配合到所述径向腔的至少一个锚固活塞，其中，所述方法包括以下步骤
[0056]-通过螺杆泵的入口引入待泵送流体，
[0057]-泵送流体遍历所述内部通道，
[0058]-通过所述螺杆泵的出口排出管柱中的所述加压流体；
[0059]-通过泵送流体在锚固活塞