专利名称：钻杆的制作方法
钻杆发明描述本发明涉及一种钻杆，具体地涉及这样一种钻杆，该钻杆包括用于关闭所述钻杆中的侧孔的阀组件。通常利用被称作钻杆或钻柱的钢管进行钻孔或钻井，该钻杆或钻柱在最下端具有钻头。钻柱包括多个首尾相连的管状部分。整个钻柱可以利用转盘或者利用安装于钻杆顶部的地上钻井马达(通常被称为 “顶驱”)来旋转，或者钻头可以利用安装于钻柱中的位于钻头正上方的流体动力马达或多个马达而独立于钻柱旋转。在进行钻孔时，泥浆流用于将由钻孔过程产生的岩屑携带到钻孔外。泥桨被沿钻柱向下泵送而穿过钻头，并且经由钻柱的外径与钻孔之间的环形空间 (通常被称为环空)返回到表面。泥浆流还用于冷却钻头，并且用于给钻孔增压，因此基本上阻止来自被钻柱穿透的地层的流体的流入物进入钻孔。泥浆是一个十分宽泛的钻探术语，并且在本文中其用于描述在钻孔期间使用的任何流体或流体混合物，并且涵盖从空气、 氮、空气或氮中的雾化流体、具有空气或氮的泡沫流体、充气流体或氮化流体至具有固体颗粒的油和/或水的很重的混合物的宽泛范围。需要相当大的压力以沿该流径驱动泥浆，因此为了实现该驱动，通常利用一个或多个容积泵将泥浆泵入钻柱中，该一个或多个容积泵经由管或歧管与钻柱的顶部相连。主要泥浆流入井孔是通过将泥浆在钻柱的最顶端处泵入主孔中来实现的，还已知使钻柱设有侧孔，该侧孔从设置于钻柱的侧部的口延伸到主孔中，从而泥浆可以在钻柱顶部的替代位置处被泵入主孔中。例如，随着钻孔行进，并且钻孔变得越来越深时，需要增加钻柱的长度，并且这通常通过以下步骤来实现使顶驱与钻柱的顶部分离；向钻柱增设新的管状部分；使顶驱与新的管状部分的自由端接合；然后重新开始钻孔。因此应当理解，在该过程期间沿钻柱向下泵送泥浆中止。由于种种原因，在钻孔过程中停止泥浆流是有问题的，并且已提出通过在钻柱的每个部分中设置侧孔而便于连续地通过钻柱泵送泥浆。这意味着在钻柱的顶部被关闭、顶驱断开并且钻柱的新的部分被连接时，可经由侧孔将泥浆泵入钻柱中。在US2158356中公开的一种这样的系统中，在钻柱的每部分的顶部设有侧孔，该侧孔用塞子关闭；以及阀构件，该阀构件可在第一位置与第二位置之间枢转，在第一位置， 钻柱的侧孔关闭而主孔打开，在第二位置，侧孔打开而主孔关闭。在钻孔期间，阀被保持在第一位置，但当需要增加钻柱的长度时，从侧孔移除塞子，并且将从泵伸出的软管连接至侧孔，并且打开软管中的阀，从而开始经由侧孔将泥浆泵入钻柱中。然后关闭位于从泵至钻柱的顶部的主软管中的阀，并且侧孔处的泥浆压力使阀构件从第一位置移动到第二位置，从而关闭钻柱的主孔。然后断开主软管，新的管状部分安装在钻柱上，并且主软管连接至新部分的顶部。 主软管中的阀打开，从而重新开始将泥浆泵入钻柱的顶部中，并且与侧孔连接的软管中的阀关闭。进入钻柱顶部的泥浆所造成的压力使阀构件返回到其第一位置，这允许从侧孔移除软管，而泥浆基本上不从钻柱泄漏。然后，在钻柱的该部分降到井中之前，例如通过在侧孔上焊接塞子可将侧孔永久地密封。钻柱还可设有侧孔，该侧孔被称作“泵入接头(pump in sub) ”，该泵入接头在发生紧急情况下使用，例如为了便于提供控制井孔压力的突然波动所需要的附加的泥浆压力， 其中井孔压力的突然波动是由于来自由井穿透的地层的流体流入物进入井中，这被称为 “井涌”。根据本发明的第一方面，提供一种钻杆，该钻杆具有管状主体，穿过该管状主体设有主孔；侧口，该侧口设置在所述主体的外表面中；侧孔，该侧孔从所述主孔通过所述主体延伸到所述侧口 ；以及阀构件，该阀构件可在关闭位置与打开位置之间移动，在所述关闭位置，基本阻止流体流过所述侧孔，在所述打开位置，允许流体流过所述侧孔，其中，所述阀构件在所述关闭位置与所述打开位置之间的运动包括平移运动，并且所述阀构件至少主要位于所述侧孔内。本发明可以是有利的，因为所述阀构件至少主要定位在所述钻杆的壁厚内意味着在正常的钻孔操作期间，所述阀构件不会妨碍流体沿所述钻杆的所述主孔流动。优选地，当处于所述关闭位置时，所述阀构件与阀座接合，以基本阻止流体沿所述侧孔流动，并且所述阀构件被相对于所述阀座布置成使得如果所述钻杆的所述主孔中的流体压力超过所述侧口处的压力，则推动所述阀构件与所述阀座接合。所述阀构件在所述关闭位置与所述打开位置之间的所述平移运动优选大致与所述侧孔的纵轴线平行。所述钻杆可包括弹性元件，所述阀构件通过该弹性元件被偏压至所述打开位置或所述关闭位置，并且在该情况下，所述弹性元件优选地用于将所述阀构件偏压至所述关闭位置，所述阀构件适于通过所述侧口处的流体压力而被打开。优选地，所述阀构件具有大体环形的支承面，当所述阀构件处于所述关闭位置时， 所述大体环形的支承面与围绕所述侧孔设置的对应环形阀座接合。所述阀构件可设有与引导部接合的定位部，所述引导部从所述钻杆延伸到所述侧孔中，并且帮助保持所述阀构件的所述环形支承面与所述阀座的对准。在设置弹性元件的情况下，所述弹性元件可包括螺旋弹簧，该螺旋弹簧围绕所述定位部在安装于所述定位部上的止动部与所述引导部之间延伸。所述钻杆还可以设有盖，该盖能够被可解除地固定在所述侧孔中，并且当被固定在所述侧孔中时所述盖给所述钻杆提供基本的流体紧密密封，因此阻止流体沿所述侧孔流动。在该情况下，所述盖可设有接合结构件，当所述盖被固定在所述侧孔中时，所述接合结构件与由所述钻杆设置的对应的接合结构件接合，需要所述盖在所述侧孔内旋转以使相应的所述接合结构件接合。所述接合结构件可包括对应的螺纹副，或者所述接合结构件可包括卡口接头结构件，所述卡口接头结构件围绕所述侧孔的周向间隔开，并且径向延伸到所述侧孔中。根据本发明的第二方面，提供一种钻杆头，该钻杆头具有管状主体，穿过该管状主体设有主孔；侧口，该侧口设置在所述主体的外表面中；侧孔，该侧孔从所述主孔通过所述主体延伸到所述侧口 ；以及阀构件，该阀构件可在关闭位置与打开位置之间移动，在所述关闭位置，基本阻止流体流过所述侧孔，在所述打开位置，允许流体流过所述侧孔，其中，所述阀构件在所述关闭位置与所述打开位置之间的运动包括平移运动，并且所述阀构件至少主要位于所述侧孔内。所述钻杆头可具有根据本发明的第一方面所述的钻杆的特征中的任何一个特征。根据本发明的第三方面，提供一种接头，该接头用于连接到钻杆，所述钻杆具有 管状主体，穿过该管状主体设有主孔；侧口，该侧口设置在所述主体的外表面中；侧孔，该侧孔从所述主孔通过所述主体延伸到所述侧口 ；以及阀构件，该阀构件可在关闭位置与打开位置之间移动，在所述关闭位置，基本阻止流体流过所述侧孔，在所述打开位置，允许流体流过所述侧孔，其中，所述阀构件在所述关闭位置与所述打开位置之间的运动包括平移运动，并且所述阀构件至少主要位于所述侧孔内。所述接头可以具有根据本发明的第一方面所述的钻杆的特征中的任何一个特征。还应当理解，所述钻杆、钻杆头或者接头还可以设有其它阀装置，例如标准方钻杆旋塞阀(Kelly阀)或者TIW阀，以例如在附接钻杆的新的长度期间用于封闭所述钻杆的所述主孔。现在将参照下列附图仅通过实施例描述本发明的实施方式。图Ia示出了不是根据本发明的钻杆的第一实施方式的局部截面图；图Ib示出了通过图Ia中所示的钻杆的一部分的纵向剖视图，其中阀构件处于打开位置；图Ic示出了通过图Ia中所示的钻杆的一部分的纵向剖视图，其中阀构件处于关闭位置；图加示出了不是根据本发明的钻杆的第二实施方式的局部截面图；图2b示出了通过图加中所示的钻杆的一部分的纵向剖视图，其中阀构件处于打开位置；图2c示出了通过图加中所示的钻杆的一部分的纵向剖视图，其中阀构件处于关闭位置；图3a示出了不是根据本发明的钻杆的第三实施方式的局部截面图；图北示出了通过图3a中所示的钻杆的一部分的纵向剖视图，其中阀构件处于打开位置；图3c示出了通过图3a中所示的钻杆的一部分的纵向剖视图，其中阀构件处于关闭位置；图如示出了通过根据本发明的第一方面的钻杆的第四实施方式的纵向剖视图， 其中在钻杆中安装一个阀构件；图4b示出了根据本发明的第一方面的钻杆的第四实施方式的立体图，其中在钻杆中安装三个阀构件；图如示出了通过图如或图4b中所示的阀构件中的任何一个的详细剖视图，该阀构件处于打开位置；图4d示出了通过图如或图4b中所示的阀构件中的任何一个的详细剖视图，阀构件处于关闭位置；图如示出了通过根据本发明的第一方面的钻杆的第五实施方式的纵向剖视图，其中在钻杆中安装两个阀；图恥示出了通过图fe中所示的其中一个阀的详细剖视图，阀处于打开位置；图5c示出了通过图fe中所示的其中一个阀的详细剖视图，阀处于关闭位置并且具有封闭盖；图5d示出了图恥中所示的阀的剖开立体图；图6a示出了通过在根据本发明的钻杆的第六实施方式中使用的阀组件的第一纵向剖视图；图6b示出了通过图6a中所示的阀组件的第一纵向剖视图，阀组件不具有封闭盖；图6c示出了通过图6a中所示的阀组件的第二纵向剖视图；图6d示出了通过图6a中所示的阀组件的第二纵向剖视图，阀组件不具有封闭盖。所有这些设计均示出了阀构件的与现有技术中公开的枢转运动或旋转运动相反的平移运动。
图1至3中所示的设计是有利的，因为它们提供一种用于保持密封部无岩屑的较好机构，但是缺点在于，因为阀构件位于钻杆的主孔内，所以阀构件会阻止沿钻杆的流体流动。对于图4、5以及图6a至6d中公开的设计，该设计使得钻杆在阀的水平面处的截面积较大，与图1至图3中的设计相比，其提供了较大强度的更大抗扭矩设计，并且还基本上不限制流体沿钻杆的主孔流动，特别是当阀处于关闭位置时。现在参看附图，在每个附图中均示出了钻杆10的截面，钻杆10具有管状主体12， 穿过该管状主体12设置主孔14。如对于钻杆典型的是，管状主体12的外表面的横剖面通常为圆形的，并且主孔14为圆筒状并且轴向延伸穿过管状主体12。在管状主体12的外表面中设有侧口 16，侧孔18从主孔14通过管状主体12延伸至侧口 16，在本实施例中，侧孔 18与主孔14大体垂直。钻杆10还设有阀构件20，阀构件20可在关闭位置与打开位置之间移动，在关闭位置中，阀构件20基本上阻止流体流过侧孔18，在打开位置中，允许流体流过侧孔18，阀构件 20在关闭位置与打开位置之间的运动包括平移运动。现在参看图1、2以及3，将会看出，在本发明的这些实施方式中，阀构件20包括筒状元件，该筒状元件位于主孔14内，并且在阀构件20在打开位置(图lb、2b以及北中所示)与关闭位置(图lc、2c以及3c所示)之间滑动期间，该筒状元件与钻杆10的管状主体12接合。阀构件20在关闭位置与打开位置之间的运动利用致动部22来实现，致动部22 安装成在主孔14内旋转，并且包括凸轮面M。凸轮面M与阀构件20接合，并且被构造成使得致动部22绕与钻杆10的纵轴线A —致的轴线的旋转致使阀构件20在主孔中与钻杆 10的纵轴线A大体平行地滑动。在每一情况下，致动部22均包括具有第一端22a的大体筒状的管状衬套，第一端 2 设有具有多个轮齿的锥齿轮沈，所述多个轮齿大体沿钻杆10纵向延伸。这些轮齿的一部分与设置在对应的较小锥齿轮观中的一个或多个对应的齿啮合，因此两个齿轮形成冠轮和小齿轮装置。较小的锥齿轮观被安装在销30的第一端上，销30通过设置于管状主体 12中的孔延伸至设置于管状主体12的外表面中的大体筒状的凹部32。在销30的第二端处设置头部34，该头部34具有可供装配标准的方钻杆旋塞阀(Kelly阀)门扳手的六角形凹部，并且用于使较小的锥齿轮观绕销30的纵轴线旋转。这引起致动部22绕钻杆10的纵轴线旋转，其继而引起阀构件沿主孔14滑动。在图1和图2中所示的本发明的第一和第二实施方式中，阀构件20还包括大体为筒状的管状衬套，并因此具有主孔36，该主孔36从衬套的第一端20a延伸到衬套的第二端 20b。阀构件20还设有侧孔38，该侧孔38从设置于外表面中的口 40延伸到衬套20的主孔36。在设置于衬套20的外表面中的两个周向槽中的每个周向槽中均安装0形环42， 各0形环之间的间距大于钻杆10的管状主体12中的侧孔18的直径。0形环42位于口 40 与衬套20的第二端20b之间。在衬套20与钻杆10之间均提供基本的流体紧密密封。当处于打开位置时，如图lb、2b或北所示，口 40与钻杆10的主体12中的侧孔18 对准，从而流体可经由侧孔18和38流入钻杆的主孔14中。当处于关闭位置时，如图lc、2c 以及3c所示，0形环42中的两个0形环定位于侧孔18的两侧，因此阻止流体经由侧孔18 流入钻杆10的主孔14中。在图la、lb以及Ic所示的第一实施方式中，在位于口 40与阀构件20的第一端 20a之间的周向槽中设置第三0形环42。凸轮面M包括螺旋螺纹，该螺旋螺纹绕致动部22 的在该致动部22的第二端22b处的内表面延伸。该螺旋螺纹与绕阀构件20的位于该阀构件20的第一端20a处的外表面设置的对应螺旋螺纹啮合。通过该螺纹啮合，应当理解，致动部22在第一方向上的旋转将使得阀构件20沿第一方向在钻杆10的主孔14内滑动，并且致动部22在相反方向上的旋转将使得阀构件20沿相反方向在主孔14内滑动。因此，通过利用Kelly扳手使固定至较小锥齿轮观的销30转动，阀构件20可以在打开位置与关闭位置之间移动。在第一实施方式中，相互啮合的螺纹确保致动部22在第一方向上的旋转使阀构件20从关闭位置移动到打开位置，并且致动部22在相反方向上的旋转使阀构件20从关闭位置移动到打开位置。然而，第二和第三实施方式的情况与此不同，并且在这些实施例中，必须提供弹性偏压装置，以使阀构件20从关闭位置返回到打开位置。在这些实施例中，弹性偏压装置包括螺旋压缩弹簧44，该弹簧44在设置于钻杆10的内表面中的肩部46和阀构件的第二端 20b之间延伸。当阀构件20从关闭位置移动到打开位置时弹簧44被压缩，因此当来自致动部22的驱动阀构件20的力被释放时所述弹簧44推动阀构件20返回关闭位置。在图h、2b以及2c所示的第二实施方式中，衬套的第一端20a和致动部的第二端 22b被相对于钻杆10的纵轴线A以大约45°的角切削。因此，当致动部22相对于衬套20 处于第一方位从而阀构件的第一端20a与致动部的第二端22b大体平行时，端20a与端22b 紧密配合，并且阀构件20如图2c所示处于关闭位置。如果致动部22绕钻杆10的纵轴线转过180°，则致动部的第二端22b推动阀构件20沿主孔14远离致动部22，直到阀构件的第一端20a与致动部22的第二端22b垂直。因此阀构件20如图2b所示移动到打开位置。在图3中所示的第三实施方式中，阀构件20的构造略有不同，阀构件20设有筒状部，该筒状部的直径略微小于钻杆10的主孔14的直径。再次地，在设置于筒状部的外表面中的两个周向槽中的每个周向槽中均安装0形环42，0形环42的间距比钻杆10的管状主体12中的侧孔18的直径大。0形环42在衬套20与钻杆10之间提供基本的流体紧密密封，因此当阀构件20被定位成使得0形环42位于钻杆10的管状主体12中的侧孔18的两侧时，基本阻止流体流入主孔14中，并且阀构件20处于关闭位置。致动杆48从筒状部朝向致动部的第二端22b延伸，并且压在设置于致动部的第二端22b处的大体上螺旋状的凸轮面上。设置与本发明的第二实施方式一样的螺旋压缩弹簧44。因此致动部22的旋转使得阀构件20沿钻杆10的主孔14滑动。这些部件被布置成使得当阀构件20尽可能靠近致动部22时，阀构件20处于关闭位置，并且致动部22转过 360°致使阀构件20抵抗弹簧44的偏压力而远离致动部22被推入打开位置。当致动部22 返回到其初始方位时，弹簧44推动阀构件20返回到关闭位置。除了将阀构件布置在钻杆的主孔中之外，优选地将阀构件至少主要定位于侧孔中。图4a、4b、4c、4d、5a、5b、5c、5d、6a、6b、6c以及6d中示出了本发明的实施方式，并且在这些实施方式中，阀构件20被设置在钻杆10的侧孔18中，并且与设置于侧孔18的壁中的圆形阀座50接合。图如中所示的第四实施方式包括贝勒维尔(Belleville)止回阀52，其中阀构件 20被安装在大体筒状的阀壳体52中，阀壳体52被保持在钻杆10的外表面中的侧口 16处的对应凹部中。在该实施例中，阀壳体通过两个螺栓保持，但是应当理解，阀壳体还可以通过一些其它方式被保持，例如通过设置用于与侧口 16中的对应螺纹啮合的螺纹来保持。在设置于阀壳体52的外表面中的周向槽中安装0形环54，0形环M在阀壳体52与钻杆10 的管状主体12之间提供流体紧密密封。阀壳体52还设有中央孔56，该中央孔56与侧孔18大体平行，并且阀构件20被定位在该中央孔56中。中央孔的直径在与钻杆10的外部相邻处比其位于阀壳体的最靠近钻杆10的主孔14的一端处大，并且形成在较大直径部和较小直径部之间的过渡部处的肩部形成阀座50，阀构件20与该阀座接合，以封闭侧孔18。阀构件20位于阀壳体52的较大直径部中，并且包括具有大体圆形槽的圆形支承部58，在该大体圆形槽中定位有另外的0形环53。如图4d所示，当阀构件20处于关闭位置时，0形环53与阀座50接合，并且0形环53提供阻止流体沿侧孔18流入钻杆10的主孔14中的基本的流体紧密密封。为了确保阀构件20被正确地定位在阀壳体52中，该阀壳体设有筒状壁60，筒状壁60大致垂直地朝向钻杆10的主孔14进行延伸。然而，在阀构件 20的较靠近钻杆孔的下端中设置的周向槽中定位有另外的0形环59，这提供了阀构件20 与阀壳体52之间的基本的流体紧密密封。在阀构件20中的两个0形环53和59之间的壁 60中设置孔62，从而如图如所示，当在支承部58和0形环53与阀座50间隔开的情况下阀构件20处于打开位置时，流体可流入侧口 16中，在0形环53与阀座50之间流动，流过孔62而流入被壁60包围的筒状空间中，并且流入钻杆10的主孔14中。贝氏弹簧64位于阀构件20与肩部66之间，肩部66被设置在侧孔18的壁中，该贝氏弹簧将阀构件20推入关闭位置。为了将阀构件20从关闭位置移到打开位置，必须向阀构件20施加足以克服贝氏弹簧64的偏压力的外力。在本发明的该实施方式中，未设置致动部来实现该点。相反地，阀构件被构造成使该阀构件20从关闭位置到打开位置的运动可以通过在钻杆10的外部向阀构件20施加流体压力来实现。在使用时，设置连接器以连接从泥浆泵到钻杆中的侧孔18的软管，并且当泵被致动时，软管中泥浆压力增大，直到该压力足以将阀构件20推入侧孔18中，从而0形环53移离阀座50，并且泥浆可流过侧孔18。在不包括钻杆的机械完整性的情况下，在侧孔18的直径不能够足够大以提供进入钻杆10的主孔14中的所希望的流体流量时，钻杆10可以设有多于一个的侧孔18，每个侧孔18均具有阀构件20。在图4b中示出了具有三个侧孔18的这种钻杆10的实施例。图fe中所示的第五实施方式包括提升止回阀，该提升止回阀与图4中所示的贝勒维尔阀装置类似之处在于阀构件20安装在大体筒状的阀壳体52中，阀壳体52被保持在钻杆10的外表面中的侧口 16处的对应凹部中。在该实施例中，在钻杆中设置两个侧孔18，并且每个阀壳体52均通过螺纹53保持，螺纹53与侧口 16中的对应螺纹啮合，但应当理解， 可以使用螺栓或者其它任何适当的紧固装置。可替代地，阀壳体可以与钻杆的管状主体12 形成为一体。安装有两个0形环54，每一个均被安装在设置于阀壳体52的外表面中的周向槽中，并且这些0形环提供阀壳体52与钻杆10的管状主体12之间的流体紧密密封。阀壳体52还设有中央孔56，该中央孔与钻杆中的侧孔18大体平行，阀构件20定位在该中央孔 56中。然而，阀构件20被构造成与贝勒维尔止回阀中的阀构件20不同，并且包括阀杆 68，阀杆68的一端对中地安装在盘70上，从而阀杆68与盘70大体正交地延伸至该阀杆的自由端68a。在阀壳体52的与钻杆10的主孔14相邻的内端处设置圆形阀座50。阀构件 20被定位成使得阀杆从阀壳体52的内端延伸到阀壳体52的中央孔56中，而盘70位于侧孔中但不突出到钻杆的所述主孔14中，位于阀壳体52的外部并且与该阀壳体的内端相邻。 盘70的直径大于中央孔56的直径和阀座50的阀座直径，并且当阀构件20处于关闭位置时，盘70与阀座50接合，从而提供基本阻止流体沿钻杆中的侧孔18流动的大致的流体紧密密封。为了将阀构件20径向地定位在阀壳体52的中央孔56中，设置了环形凸缘72，该环形凸缘72从阀壳体52延伸到中央孔56中。凸缘72包括中心孔，凸缘72的该中心孔的直径略大于阀构件20的阀杆68的直径，并且阀构件20的阀杆68延伸通过该孔。阀构件通过螺旋弹簧74被偏压至关闭位置，螺旋弹簧74在设置于凸缘72中的大体圆形槽76与固定于阀杆的自由端68a的轴环78之间延伸。因此必须使阀构件20抵抗弹簧74的偏压力移动，以便使其移出关闭位置而移动至打开位置，在打开位置流体可经由阀座50与盘70 之间的空间流过中央孔56。再次地，与本发明的第四实施方式相同，阀构件20被构造成使得这可以通过向连接至钻杆10的侧孔18的软管供应增压流体来实现。阀壳体52的中央孔56具有螺纹82，从而如图5c所示可设置盖80。盖80设有大体圆形的顶部80a，从该顶部80a伸出直径比该顶部80a小的大体圆形的壁80b。壁80b延伸入阀壳体52的中央孔56中，并且设有两个0形环84，每个0形环均定位在围绕壁80b的外表面的周向槽中。在壁80b的位于顶部80a与0形环84之间的外表面上设置螺纹，盖80 通过该螺纹被保持在阀壳体52中。0形环84与阀壳体52的中央孔56接合，以提供基本的流体紧密密封。这确保盖 80提供二次密封，以在由阀构件20提供的密封失效的情况下阻止流体流过钻杆10中的侧孔18。可以使用其它紧固装置将盖80保持在阀壳体52中。例如，可以使用卡口式锁定件或相似类型的快速连接方法来取代螺纹。
在钻杆的正常操作模式期间，钻杆孔14内存在压力，该压力迫使阀构件20抵靠阀座50。为了使用阀，要移除盖80。盖80还可以设有泄压缝(未示出)，以允许安全排放留存于中央孔56中的任何压力。一旦盖80被移除，则可以将适配器(未示出)旋于螺纹82 上，该适配器设有与盖80上的0形环84相似的0形环，以确保阀壳体52与适配器之间的基本的流体紧密密封。因此可以通过该适配器供应流体压力，一旦施加的压力足以克服弹簧74的偏压力并且超过钻杆的孔14中的内压，则流体压力将开始从阀座上举起盘70。这时，阀被打开(图5b)并且流体将穿过周向间隙86而进入钻杆10的孔14中。—旦流动停止，并且适配器中的压力降到钻杆中的压力以下，则阀20将关闭。当不从钻杆的内孔施加压力并且不从外部施加压力时，弹簧74将始终确保阀一直保持在关闭位置。图6a、6b、6c以及6d中示出了钻杆的第六实施方式的阀壳体52’和阀构件20’。 这些部件的构造与本发明的第五实施方式的阀壳体52和阀构件20非常相似，因此等同部件被标以相同的附图标记并附加以“’”，并且以下不再详细地描述。而是仅详细地描述具体差异。在该实施方式中，代替阀壳体通过螺纹被固定到钻杆上，阀壳体52’设有多个(在该实施例中为四个)锁闭杆82，每个锁闭杆82均穿过一螺纹孔，该螺纹孔从阀壳体52’的内部通过阀壳体52’而径向向外延伸至阀壳体52’的外部。每个锁闭杆82均具有螺纹，并且内端8 设有带六角形凹部的头部，该六角形凹部可以与艾伦内六角扳手接合。为了将阀壳体52’固定到钻杆，而在锁闭杆82收回的情况下将阀壳体52’插入侧口中，使得锁闭杆不会延伸超过阀壳体52’的外表面。然后使阀壳体52’在侧孔中旋转，以确保锁闭杆82 与设置在侧口的壁中的对应孔对准，并且艾伦内六角扳手依次与每个锁闭杆82的头部8 接合并且用于将锁闭杆82拧入钻杆的孔中。因此阻止从侧口移除阀壳体52’。然而应当理解，还可以设置除螺纹连接之外这样的锁闭杆82。在该情况下，阀壳体52’与钻杆之间的流体紧密密封通过单个的0形环54’来提{共。在该实施方式中，用于固定弹簧74’(在该实施例中为波形弹簧)的装置也与本发明的第五实施方式中使用的略有不同。具体而言，阀构件20’的阀杆68’的自由端68a’ 具有螺纹，并且螺母84被拧在该螺纹部分上。围绕阀构件20’的阀杆68’定位的弹簧74’ 被夹设在凸缘72’与螺母84之间。还设置止动件86来限制弹簧74’可被压缩的程度。在该实施例中，止动件86包括轴环，该轴环具有与阀杆68’上设置的螺纹啮合的螺纹环形部 86a ；以及管状部86b，该管状部从环形部86a朝向盘70’延伸，并且包围着阀构件20’的阀杆68’周围的大体筒状的空间，弹簧74’延伸到该大体筒状的空间中。管状部86b与凸缘 72’的接合提供了弹簧74’的最大压缩可能。该实施方式还设有盖80’，盖80’仅在图6a和6c中示出，但是在该情况下，代替利用螺纹将盖80’固定到阀壳体52’，在盖80’的壁80b’的外表面上设置卡口接头结构件 88 (仅在图6c中可见)。在该实施例中，设置四个这种卡口接头结构件88，并且这四个卡口接头结构件围绕盖80’的壁80b’大体均勻地间隔开，相邻的卡口接头结构件之间的空间总体上占据壁80b’的外周的大约一半。卡口接头结构件88均与对应的唇缘结构件90 (图 6b,6c以及6d所示)接合，唇缘结构件90延伸到阀壳体52’的中央孔56’中。同样地，在该实施例中，设置四个唇缘结构件90，并且这些唇缘结构件围绕阀壳体52’的内表面的圆周规则地间隔开，但总体上占据圆周的一半不到。阀壳体52’还设有四个锁定销94 (仅在图6c中可见)，该四个锁定销从阀壳体52’ 的外部延伸穿过设置于阀壳体52’中的孔，倾斜向上地延伸到阀壳体52’的内部。在盖80’ 的卡口接头结构件88的中央设置对应的凹部，该对应的凹部大到足以容纳锁定销94的内端。因此盖80’如下所述被固定到阀壳体52’。盖80’被定向成使得每个卡口接头结构件88均与相邻的唇缘结构件90之间的间隙中的一个间隙对准。盖80’被从钻杆的外部插入阀壳体52’的中央孔56’中，直到顶部80a’略位于阀壳体52’的外端之下，然后转过大约45°，直到每个卡口接头结构件88均与其中一个唇缘结构件90接合，并且每个锁定销94均位于设置在卡口接头结构件88中的对应凹部中。因此卡口接头结构件88与阀壳体52’的唇缘结构件90的接合防止盖80’从阀壳体52’退回，将锁定销94定位在卡口接头结构件88中的凹部中确保盖80’相对于阀壳体52’正确地对准，以实现卡口接头结构件 88与唇缘结构件90之间的最大接触，并且以阻止盖80’相对于阀壳体52’旋转而不再对准。为了帮助实现使卡口接头结构件88与唇缘结构件90接合所需要的旋转，盖80’ 的顶部80a’设有多个孔92，在多个孔92中可以插入专用工具。盖80’因此可以借助工具的旋转而旋转。在该实施例中，设置八个这种孔92，因此工具设有八个对应的销。为了帮助使用者确定盖80’何时相对于阀壳体52’正确地对准，而在阀壳体52’的唇缘结构件90 的外表面设有对应的孔96，当盖80’正确地对准时，孔96与盖80’中的孔92对齐。因此， 当盖80’相对于阀壳体52’正确地对准时，工具的销可以被放入唇缘结构件90的孔96中。 当工具朝向阀壳体52’突然向内移动时使用者将感知此对准，并且因此可以确信盖80’的对准是正确的并且不再需要旋转。在该实施例中，卡口接头结构件88与唇缘结构件的配合表面相对于阀壳体52’的纵轴线成大约45°的角，配合表面的径向向内部分最靠近于钻杆的外部。盖80’可以是整体结构，在该实施例中，盖80’被制成为两部分，S卩外部81a和内部 81b，外部81a提供顶部80a，的外周和壁80b，的包括卡口接头结构件88的部分，内部81b 提供顶部80a’的中央部和壁80b’的具有供定位0形环84’的周向槽的下部。外部81a和内部81b通过螺纹的啮合而紧固在一起，所述螺纹围绕着中央部81b的外部和外部81a的内部进行设置。由于壁80b’的设置有0形环84’的下部的外径大于外部81a的内径，因此当组装盖80’时，在将盖80’插入阀壳体52’之前必需将中央部81b拧入外部81a中。孔92设置在盖80’的外部81a中，孔92用于使盖80’旋转，以使卡口接头结构件 88与唇缘结构件90锁定接合。因此设置这样的两部分结构是有利的，因为在该外部81a旋转期间，外部81a和内部81b的螺纹啮合使外部81a略朝钻杆的外部移动，因此使卡口接头结构件88与唇缘结构件90紧密接合，并且防止盖80’在壳体52’中的任何实质运动。在该实施例中，由于盖80’的顶部80a’的直径小于阀壳体52’的在该阀壳体52’ 的外端处的内径，因此盖80’的顶部80a’可被插入阀壳体52’的中央孔56’中，从而顶部 80a'与钻杆的外表面齐平，而不是如图5c所示与阀壳体52’的外端接合。然而，这意味着需要防止盖80’在阀壳体52’的中央孔56’中被推入得太远的替代装置。在该实施例中，这通过在阀壳体52’的内端处提供阀壳体52’的内径缩小部来实现，阀座50’被设置在阀壳体52’的内径缩小部的端面上。当盖80，被正确地定位在阀壳体52，中时，卡口接头结构件88位于唇缘结构件90 和直径缩小部之间，0形环与阀壳体接合从而在阀壳体52’与盖80’之间提供基本的流体紧密密封(因此在通过阀构件20’与阀座50’的接合提供的密封失效的情况下，盖80’提供了备用密封)，并且盖80’的壁80b’的一端(在该实施例中由中央部81b提供)与由阀壳体52’的直径缩小部提供的肩部接合。盖壁80b’的该端与该肩部的接合防止盖80’在阀壳体52’的中央孔56’中的任何的进一步运动。与第五实施方式一样，一旦盖80’被移除并且设有对应的卡口接头结构件的适配器(未示出)能够与阀壳体52’的唇缘结构件90接合，并且如果适配器设有与盖80’上的 0形环84’相似的0形环，则这将确保阀壳体52’与适配器之间的基本的流体紧密密封。因此如以上相对于第五实施方式所述，可通过该适配器将流体压力供应至钻杆的主孔中。应当理解，虽然在上述的第四、第五和第六实施方式中，阀构件20被安装在阀壳体52中，但也可以不必如此，因此阀构件20可以被同等地直接安装在钻杆10的主体12中。如果适配器中的流体压力相对于主孔中的流体压力得到平衡，则应当理解，适配器中的流体压力可能不足以使阀构件移动到打开位置，在该情况下，适配器可以设有机械致动器，以使阀构件离开阀座50、50’而被推至打开位置。当适配器被固定到钻杆时，机械致动器可自动地如此操作或者可能需要手工操作该致动器。如本发明的第四、第五和第六实施方式，将阀构件20定位在钻杆10的侧孔16中特别有利，因为其确保阀构件可以被完全定位在钻杆的壁厚内，并且至少当处于关闭位置时，不延伸到主孔中，其在主孔中可能妨碍流体沿主孔的流动。当然这可以利用其它构造的阀构件20来实现，并且阀构件20不必完全与上述的相同。可以使用具有支承面的任何其它构造的阀构件，该支承面与大体圆形的阀座一起可提供基本的流体紧密密封。例如，阀构件20可以是球形的。然而，其中支承面设置在大体的圆盘上的阀构件20的第四、第五和第六实施方式特别有利，因为它们可用于密封相对较大直径的侧孔18，而不会沿侧孔18的轴线占据太多空间。如果使用球阀构件，则阀构件沿侧孔18的轴线的尺寸将比侧孔18的直径大很多，因此这可造成难以确保阀构件18被完全定位在钻杆10的壁厚内。应当理解，上述本发明的所有实施方式的一个优点在于用于关闭侧孔所需要的所有构件均被容纳在钻杆内。然而这不是必需的，例如阀构件可以包括管状衬套，该管状衬套围绕钻杆的外表面定位，阀构件20完全定位在钻杆10内是有利的，因为其不会阻碍钻杆10 插入井孔中，但如果其位于钻杆10之外则可能阻碍钻杆插入井孔中。尽管未在图中示出，但传统的钻杆在其自由端中的至少一个自由端处具有连接器部，该连接器部具有变大的外径。有利的是，钻杆10的设置侧孔18的部分是连接器部的一部分，因为该部分与钻杆的其余之处相比具有增大的壁厚。当然，与本发明的第四和第五实施方式相比这特别有利，因为将侧孔18定位在增大壁厚的区域中为阀构件20提供了最大空间。然而，侧孔18可以被设置在钻杆主体的其它地方，或者可以被设置在加重钻杆中或钻环中，其中钻杆10的整个长度具有变大的壁厚。本发明还可以应用于在本领域技术人员通常已知为套管钻井的过程中的钻探井孔中使用的套管。类似地，本发明可以应用于接头， 诸如泵入接头、钻探接头、保护接头或转换接头，这些接头中的每个的长度均小于适于被连接至钻杆的长度的一端的管道的长度。还应理解，钻杆或接头还可设有其它阀装置，诸如标准的方钻杆旋塞阀(Kelly 阀)或TIW阀，以例如在附加钻杆的新长度的期间封闭钻杆的主孔。这种阀通常被用作钻柱中的隔离阀，并且通常包括旋转球阀，该旋转球阀通常被手动致动，并且位于钻杆或接头的主孔内。在本发明上述的实施方式中，通常通过典型地由橡胶制成的0形环提供密封，但也可以采用包括金属-金属密封的其它任何传统的密封系统代替。当在本说明书和权利要求中使用时，术语“包括”和“包括了 “及其变型意味着包括指明的特征、步骤或整体。这些术语不应被解释为排斥其它特征、步骤或构件的存在。在前述说明书、或下列权利要求或者附图中公开的、以它们的特定形式表示的或者针对于用于执行公开的功能的装置或者针对用于达到公开的结果的方法或过程的特征在适当时可以单独地或者以这种特征的任意结合用于以其多种的形式来实现本发明。
权利要求
1.一种钻杆，该钻杆具有管状主体，穿过该管状主体设有主孔；侧口，该侧口设置在所述主体的外表面中；侧孔，该侧孔从所述主孔通过所述主体延伸到所述侧口 ；以及阀构件，该阀构件可在关闭位置与打开位置之间移动，在所述关闭位置，基本阻止流体流过所述侧孔，在所述打开位置，允许流体流过所述侧孔，其中，所述阀构件在所述关闭位置与所述打开位置之间的运动包括平移运动，并且所述阀构件至少主要位于所述侧孔内。
2.根据权利要求1所述的钻杆，其中，当处于所述关闭位置时，所述阀构件与阀座接合，以基本阻止流体沿所述侧孔流动，并且所述阀构件相对于所述阀座被布置成使得如果所述钻杆的所述主孔中的流体压力超过所述侧口处的压力，则推动所述阀构件与所述阀座接合。
3.根据权利要求1或2所述的钻杆，其中，所述阀构件在所述关闭位置与所述打开位置之间的所述平移运动大体与所述侧孔的纵轴线平行。
4.根据前述任一权利要求所述的钻杆，其中，所述钻杆包括弹性元件，所述阀构件通过该弹性元件被偏压至所述打开位置或所述关闭位置。
5.根据权利要求4所述的钻杆，其中，所述弹性元件用于将所述阀构件偏压至所述关闭位置。
6.根据前述任一权利要求所述的钻杆，其中，所述阀构件具有大体环形的支承面，当所述阀构件处于所述关闭位置时，所述大体环形的支承面与围绕所述侧孔设置的对应环形阀座接合。
7.根据前述任一权利要求所述的钻杆，其中，所述阀构件设有与引导部接合的定位部， 所述引导部从所述钻杆延伸到所述侧孔中，并且帮助保持所述阀构件的所述环形支承面与所述阀座对准。
8.根据权利要求4和7所述的钻杆，其中，所述弹性元件包括大体螺旋的弹簧，该大体螺旋的弹簧围绕所述定位部在安装于所述定位部上的止动部与所述引导部之间延伸。
9.根据前述任一权利要求所述的钻杆，其中，所述钻杆还设有盖，该盖能够被可解除地固定在所述侧孔中，并且当被固定在所述侧孔中时该盖与所述钻杆提供基本的流体紧密密封，因此阻止流体沿所述侧孔流动。
10.根据权利要求9所述的钻杆，其中，所述盖设有接合结构件，当所述盖被固定在所述侧孔中时，所述接合结构件与由所述钻杆设置的对应的接合结构件接合，需要所述盖在所述侧孔中旋转以使所述相应的接合结构件接合。
11.根据权利要求10所述的钻杆，其中，所述接合结构件包括对应的螺纹副。
12.根据权利要求10所述的钻杆，其中，所述接合结构件包括卡口接头结构件，所述卡口接头结构件围绕所述侧孔的周向间隔开，并且径向延伸到所述侧孔中。
13.一种钻杆头，该钻杆头具有管状主体，穿过该管状主体设有主孔；侧口，该侧口设置在所述主体的外表面中；侧孔，该侧孔从所述主孔通过所述主体延伸到所述侧口 ；以及阀构件，该阀构件可在关闭位置与打开位置之间移动，在所述关闭位置，基本阻止流体流过所述侧孔，在所述打开位置，允许流体流过所述侧孔，其中，所述阀构件在所述关闭位置与所述打开位置之间的运动包括平移运动，并且所述阀构件至少主要位于所述侧孔内。
14.根据权利要求13所述的钻杆头，其中，所述钻杆头具有权利要求1至13中任一项所述钻杆的特征中的任何一个特征。2
15.一种接头，该接头用于连接至钻杆，所述钻杆具有管状主体，穿过该管状主体设有主孔；侧口，该侧口设置在所述主体的外表面中；侧孔，该侧孔从所述主孔通过所述主体延伸到所述侧口 ；以及阀构件，该阀构件可在关闭位置与打开位置之间移动，在所述关闭位置，基本阻止流体流过所述侧孔，在所述打开位置，允许流体流过所述侧孔，其中，所述阀构件在所述关闭位置与所述打开位置之间的运动包括平移运动，并且所述阀构件至少主要位于所述侧孔内。
16.根据权利要求15所述的接头，其中，所述接头具有权利要求1至13中任一项所述的钻杆的特征中的任何一个特征。
全文摘要
一种钻杆，该钻杆具有管状主体，穿过该管状主体设有主孔；侧口，该侧口设置在所述主体的外表面中；侧孔，该侧孔从所述主孔通过所述主体延伸到所述侧口；以及阀构件，该阀构件可在关闭位置与打开位置之间移动，在所述关闭位置，基本阻止流体流过所述侧孔，在所述打开位置，允许流体流过所述侧孔，其中，所述阀构件在所述关闭位置与所述打开位置之间的运动包括平移运动，并且所述阀构件至少主要位于所述侧孔内。
文档编号E21B19/16GK102272411SQ200980147365
公开日2011年12月7日 申请日期2009年10月22日 优先权日2008年10月22日
发明者A·博伊莱特, A·麦基嘉, C·莱藤伯格, R·扬格尔 申请人:控制压力营运私人有限公司