管连接的制作方法
【专利摘要】本发明提供了用于在井筒中连接管构件的设备和方法。主管构件具有安装在接收区段内的环形构件，以提供对径向载荷具有不同阻力的区域。当第二管构件的一部分在接收区段内径向向外地膨胀时，接合部形成在构件之间。说明了主管构件的多个实施例，所述主管构件包括用于所述部分以在其内形成突出物的凹槽、可塌陷环、从构件之间的界面排出流体的通道和阀以及改善接合部的夹紧元件和密封元件。
【专利说明】管连接
【技术领域】
[0001]本发明提供了用于在井筒中连接管构件的设备和方法，并且具体提供了用于在井筒中将第一(内)管密封和/或固定到第二(外)管并且由此提供第一与第二管构件之间的环形密封的设备和方法。
【背景技术】
[0002]在钻井和完井时，各种管元件(在行业中通常也被称为“管”)需要相互连接。例如，在完井时，许多根管必须端部到端部连接，以便形成诸如套管柱或衬管柱的管柱，从而将井筒按直线排列到所需深度。在一些情况下，一根管必须以如下方式放置在另一根管内部，即通过增加内管的直径直至它接触外管的内壁并与其产生过盈配合。管之间的连接通常必须能够抵抗轴向载荷(即固定)。连接还应当是液密的，以提供管之间的环形屏障(即密封)，从而防止外管的内孔与内管的外部之间的流体经过。
[0003]在W02011/048426A2中描述了一种用于在井筒中连接管构件的现有技术的装置，并且该装置包括套管井筒中的第一与第二管构件1、2之间金属到金属的密封，如在本申请的图1和2中示出的。第二(下)管构件2包括上端部分21，上端部分21具有比第一(上)管构件1的下端部分11的外径更大的内径。周向凹槽或沟槽22被形成在第二(下)管构件2的上端部分21的内表面或孔上。为了形成密封，首先，第一管构件1的下端部分11被放置在第二管构件2的上端部分21内。其次，液压膨胀工具3在第一管构件1内部从表面下降到预期的密封位置(参见本申请的图2)。工具3在一对轴向间隔开的密封件8之间密封腔7。液压膨胀工具3的致动引起腔7在高压下充满流体，并且该高压流体作用在第一管构件1的下端部分11的内表面或孔上，从而首先弹性地膨胀并且然后塑形地膨胀，以便下端部分11沿着由密封件8限制的长度径向向外地膨胀到第二管构件2的内孔上的凹槽22内，使得周向突出物12或脊形成在第一管构件1的下端部分11的外侧上。这些突出物12被接收在凹槽22中，直至密封形成在第一管构件1与第二管构件2之间。
[0004]类似的技术被用来以渔捞操作方式连接过冲装置与管下孔(例如套管或衬管)，以使过冲装置的内孔表面与管的外表面接合，从而允许管的震动和收回。
[0005]与上述装置相关的问题是，管构件之间的界面处存在的井中流体可能会被捕集在凹槽中，这会导致液压锁闭的形成，液压锁闭可能对管构件造成损伤和/或意味着没有形成有效的密封。为了排出流体，可压碎介质(例如，合成泡沫)有时被放入到凹槽内。为了将可压碎介质(诸如合成泡沫)放入到凹槽内，需要形成由可压碎材料形成的环，该环必须精确地符合凹槽的形状。此外，周向凹槽或沟槽(可压碎环插入其内)必须预先形成或加工，并且在进行任何连接之前在合适的深度处设置在井筒中。可压碎环的制造和沟槽的加工都是困难且成本高的，并且在具有小于7” (17.5cm)的内径的管道中实现是极其困难的，并且此外，如果因任何原因需要，去除可压碎环都是非常困难的。
[0006]解决流体排出问题的另一类型的连接在EP 2013445 B1中进行了描述，并且在本申请的图3中进行了图示说明。在EP 2013445 B1中，第一(内)管构件4使用与图1与2中相同的用轴向间隔开的密封件8密封腔7的膨胀工具3而膨胀到第二(外)管构件5内。第一管构件4具有可膨胀部分40，可膨胀部分40具有中心区段41和端部区域42。中心区段41的壁厚是相对均匀的，并且薄于端部区域42的壁厚。渐缩部分43提供中心区段41的较薄壁与较厚端区域42之间的过渡区域。当工具3被致动时，中心区段41在端部区域42之前膨胀(由于前者的更薄的侧壁厚度)，由此驱使第一管构件4的外表面与第二管构件5的内表面之间的环形界面处的任何流体沿相反方向轴向越过端部区域42进入环形空间9中。当可膨胀部分40已经被完全膨胀时，第一管构件4的外侧上的端部区域42处的密封件6提供管构件4、5之间的另外的流体屏障。由于密封件6仅在流体已经从管构件4、5之间的界面排出之后与第二管构件5接触，因此避免了液压锁闭的发生。
[0007]EP 2013445 B1的装置遭受与W02011/048426 A2的管连接相同的缺点，即其之间进行密封连接的管构件具有相对复杂的轮廓，特别是第一(内)管构件4，由于其变化的侧壁厚度，这会导致相对高的制造成本。此外，由于修改单片组件的有限手段，这类连接的性能是有限的。
[0008]因此，本发明的目的是提供这样的一种可膨胀管连接，该可膨胀管连接的制造相对便宜，同时能够提供可靠的密封，和/或能够产生可以通过其传递轴向力并且因此抵抗相对轴向移动发生的牢固连接。此外，本发明的目的是提供一种能够容易地适于适应不同应用的可膨胀管连接。
【发明内容】
[0009]根据本发明的第一方面，提供了一种用于在井筒中连接管构件的设备，该设备包含:
[0010]主管构件，其用于与第二管构件密封地连接，主管构件包含:
[0011]接收区段，其适于在其中接收第二管构件的至少一个部分，以便允许所述至少一个部分抵靠主管构件径向向外地膨胀，直至一个或更多个接合部形成在所述至少一个部分与主管构件之间；
[0012]其中主管构件包含围绕接收区段安装的一个或更多个环形构件；
[0013]所述环形构件或每个环形构件提供对径向载荷的阻力，并且在接收区段上限定对径向载荷具有不同阻力的环形区域，使得在所述至少一个部分膨胀之后，接合部形成在所述至少一个部分与接收区段的环形区域之间。
[0014]优选地，一个或更多个环形构件围绕主管构件的接收区段的轴向长度的至少一部分的内周安装。
[0015]优选地，一个或更多个产生的接合部是密封的或牢固的连接，或更优选地，是密封的且牢固的接合部。因此形成的主管构件与第二管构件之间的接合部具有抵抗轴向载荷和作用在主管构件与第二管构件之间的流体压力的能力。该接合部优选产生了两个管构件之间的机械固定以及主管构件与第二管构件之间的密封。在一种布置中，主管构件的接收区段和第二管构件的至少一个部分包含金属部分，当第二管构件的至少一个部分抵靠主管构件膨胀时，金属部分形成金属到金属的接合。优选地，由于至少所述至少一个部分以及优选地主管构件的接收区段的材料最初弹性变形以及然后塑形变形而形成该接合部。
[0016]例如，通过在所述至少一个部分的内孔内将径向向外的压力或力应用于第二管构件的所述至少一个部分的侧壁，可以实现向外的膨胀。
[0017]优选地，该设备包含流体排出装置，用于从第二管构件的所述至少一个部分与接收区段之间的界面排出流体，从而防止液压锁闭的发生。
[0018]因此，在使用中，当第二管构件的所述至少一个部分径向向外膨胀时，主管构件的具有更大阻力的所述环形区域或每个环形区域(即更强的区域)比具有更低阻力的所述区域或每个区域(即更弱的区域)更能抵抗径向膨胀。因此，第二管构件的所述至少一个部分在所述或每个更弱的区域处更多地膨胀，而在所述或每个更强的区域处更少地膨胀，并且因此提供所述至少一个部分与接收区段之间的密封和/或机械连接。
[0019]在一个实施例中，更弱的区域与更强的区域交替。
[0020]在一个实施例中，多个环形构件与可接收部分组装在一起，从而在环形构件之间以周向沟槽的形式限定一个或更多个凹槽，所述或每个凹槽提供更弱的区域，而环形构件提供更强的区域。因此，在使用中，第二管构件的所述至少一个部分膨胀到所述或每个凹槽内，从而与主管构件的接收区段形成接合部。在膨胀期间，相应的周向突出物被形成在所述至少一个部分的外部上，该周向突出物进入各自的凹槽，从而与接收区段形成接合部。因此，所述至少一个部分的膨胀导致具有褶皱的轮廓的所述至少一个部分。
[0021]在一个实施例中，流体排出装置包含位于一个或更多个凹槽中的流体排出装置。可以提供具有例如环形式的环形结构的流体排出装置。流体排出装置可以包含流体排出材料，流体排出材料可以包含可压碎介质(诸如闭孔泡沫，例如，金属泡沫或合成泡沫)，可压碎介质被放置在凹槽中，以便防止流体充满凹槽，但在所述至少一个部分的周向突出物的压力下可塌陷，以便允许突出物进入凹槽。流体排出装置还优选能够在塌陷的同时吸收一些流体，由此进一步最小化液压锁闭发生的风险。这样的流体可以在流体排出装置塌陷之前存在于流体排出装置周围，或可以在第二管构件的所述至少一个部分的膨胀期间朝向流体排出装置移动。可代替地或额外地，流体排出装置包含在所述或每个凹槽中的可塌陷环(例如中空环)，该环配置为当该环遭受一定压力时塌陷。可塌陷环以类似于流体排出泡沫的方式工作，即当该环完整时防止流体进入凹槽，而该环在第二管构件的所述至少一个部分的周向突出物的力下塌陷。可塌陷环能够在比可由泡沫经受的温度和压力更高的温度和压力下发挥作用。而且，适当选择的可塌陷环能够容纳比泡沫更大的流体体积。额外地或可替代地，流体排出装置可以包含布置在所述或每个凹槽中的阀，该阀被配置为当流体遭受来自所述至少一个部分上的膨胀到凹槽内的周向突出物的压力时允许流体排出凹槽。在一种布置中，阀是单向阀，当凹槽中的压力增加时，该单向阀允许流体逸出，并且在与接收区段的接合部已经形成之后，该单向阀被所述至少一个部分上的突出物密封关闭。在一种变体中，环形构件限定一个或更多个内腔，并且阀被布置在所述或每个凹槽与相邻腔之间，以便当凹槽中的压力增加时，允许流体转移到腔内。
[0022]主管构件优选进一步包含在接收区段的内周上的紧固装置，用于与第二管构件形成机械连接。在一种变体中，紧固装置包括在接收区段的内周中的一个或更多个周向锚固凹槽，其优选以沟槽的形式提供，用于当第二管构件的一个或更多个相应部分膨胀到锚固凹槽内时，与第二管构件形成机械连接。该机械连接不必是不漏流体的，因为它不需要与第二管构件产生压力密封。一个或更多个流体通道可以被提供在接收区段中，以从在第二管构件的部分的膨胀期间引导流体远离锚固凹槽，以便提供第二管构件的所述部分到锚固凹槽内的更大位移。在一种布置中，接收区段包含在邻近锚固凹槽的接收区段的内周上的环形突出物，并且一个或更多个通道被形成在环形突出物中(即环形突出物优选具有通道)。在一个实施例中，所述或每个通道沿大致轴向方向(即相对于接收区段大致沿长度地)延伸。优选地，多个通道在环形突出物内周向地间隔开。另外优选地，用于接收并容纳经由所述或每个通道从锚固凹槽移来的流体的另外的环形凹槽被限定在接收区段的内周中，另外的凹槽与锚固凹槽轴向地间隔开，并且通过环形突出物与锚固凹槽分隔。优选地，多个这样具有通道的环形突出物与对应的多个另外的凹槽交替提供。另外优选地，另外的凹槽容纳上述的流体排出装置(例如可压碎的流体排出环)，以便一方面通过从另外的凹槽排出流体，而另一方面通过在被压缩时吸收经由所述或每个通道从锚固沟槽迫入另外的凹槽的一定量的流体和/或被第二管构件的膨胀部分从另外的凹槽外面迫入另外的凹槽的流体，最小化在第二管构件的部分膨胀到所述或每个锚固沟槽内期间发生液压锁闭的风险。环形突出物可以上述的安装在接收区段的内周上的环形构件的形式提供。这样的装置允许第二管构件的所述或每个对应部分比在不存在通道的情况下更多地膨胀到锚固凹槽内。而且，可以维持与在不存在通道的情况下相同水平的突出，但可以提供对压力具有更高阻力的接收区段。
[0023]应认识到，类似的通道确实可以被提供在接收区段的环形构件中，以引导流体远离限定在环形构件之间的一个或更多个环形凹槽，并且由此便于第二管构件的所述至少一个部分膨胀到所述或每个凹槽内。在这种情况下，流体排出装置可以被提供在一些但非所有的凹槽中(例如，每隔一个凹槽提供一个)，用于吸收经由所述或每个通道从未提供流体排出装置的相邻凹槽迫入所述或每个凹槽的一定量的流体、和/或被第二管构件的膨胀部分从另外的凹槽外面迫入装有流体排出装置的凹槽的流体。如同锚固凹槽，这样的装置允许第二管构件的所述或每个对应部分比不存在通道的情况下更多地突出到锚固凹槽内，或可以维持相同水平的突出，其中提供对压力具有更高阻力的接收区段。
[0024]可代替地或额外地，紧固装置可以包含安装在接收区段的内周上的环形夹紧元件，用于通过夹紧第二管构件的外表面来抵抗主管构件的轴向和/或旋转运动。后面的装置是特别有利的，因为它使接收区段甚至更易于制造。
[0025]在一个实施例中，主管构件包含一个或更多个环形密封构件，环形密封构件可以例如由弹性体、金属、陶瓷或复合材料制成的密封环的形式提供在接收区段的内周表面上，以提供额外的流体和压力密封，从而提高设备的密封性能。密封构件可以在轴向方向上与环形构件交替。此外，密封构件可以具有相对锋利(即非圆形或倒角)的周向边缘，用于将高接触压力施加在第二管构件上。
[0026]该设备优选包括保持机构，该保持机构适于将组装在接收区段上的环形构件保持在适当位置，并随着第二管构件膨胀潜在地支撑第二管构件。保持机构可以包含例如一个或更多个保持环(例如，一对保持环)，在接收区段的每一端处具有一个保持环。保持环可以焊接、螺纹连接、收缩配合或否则固定在接收区段的内周上。可代替地或额外地，所述或每个环形构件可以合适的方式(例如但不限于经由过盈配合、焊接、螺纹连接、或一些其他方法)固定在主管构件上。
[0027]由于本发明的设备的环形构件以围绕主管构件的接收区段组装的单独装置的形式提供，因此主管构件本身会弱于(例如薄于或软于)环形构件。优选地，至少主管构件的接收区段整体上(即当与环构件组装时)比第二管构件更强，但同样这种情况不是必须的。
[0028]所述或每个环形构件以如下单独装置方式的提供使主管构件或至少其接收区段可以具有大致均匀的壁厚和/或均匀的直径(不论是内是外还是两者)，所述单独装置即在主管构件已经制造之后，所述单独装置被安装在或否则被固定到主管构件。因此，相比于现有技术的主管构件，所述主管构件可以更容易且以更低成本地制造。因此，在优选实施例中，主管构件或至少其接收区段具有均匀的壁厚和/或均匀的直径(不论是内是外还是两者)。然而，可想到的是，主管构件仍然可以是异形(profile)的。此外，环形构件可以完整环而非断裂环的方式制造，完整环更易于制造并且提供更可靠的密封。此外，在主管构件已经制造之后，环形构件可以根据需要被布置在主管构件上，由此使根据具体技术要求改变所述至少一个部分的配置成为可能。取决于第二管构件的强度和密封要求，保持装置的正确强度可以被选择为当第二管构件膨胀时支撑第二管构件，而主管构件的正确强度可以被选择为抵抗径向载荷。在现有设计中，两种载荷都必须由相同部件承载，并且因此必须在机械加工之前购买相对昂贵的大件管坯料。
[0029]在流体排出泡沫用作流体排出装置的情况下，可以安装泡沫的完整环，从而消除对在区段中安装泡沫的需要以及对使用粘合剂的需要。因此，可以更有效地使用空间，因为泡沫中没有切割，并且各分离区段之间没有间隙，并且相应地不需要允许容纳粘合剂。在现有的预先机械加工的轮廓中，将流体排出组件安装到具有小于7” (17.5cm)的内径的管组件中是非常困难的。此外，如果希望重复使用管构件，则泡沫难以从一体的沟槽去除(特别是由于泡沫在适当位置被弯曲)，因为泡沫必须被机器去除，并且存在主管构件可能被刮伤或损坏并且泡沫被完全破坏的风险。而且，在本发明的布置中，不存在对机械加工的需要，因为泡沫环可以被简单地去除和替换。
[0030]应认识到，主管构件可以包含预先机械加工的轮廓的一个或更多个区段和与环形构件组装的一个或更多个区段，以优化因而产生的连接的性能。而且，因为接收区段比现有的机械加工布置更易于制造，所以使所述接收区段长于机械加工布置的接收区段，并且由此建立更强的连接成为可能。组装的环形构件由于一体形成的环形构件的另一优点是，本发明的环形构件可以被制作得强于主管构件，由此使材料采购更容易且更便宜。环形构件可以从合适的坯料(诸如板、管或焊接的带状物)切割。
[0031]在一种布置中，所述或每个环形构件包含环或带。环优选为完整环，但可以是断裂环。
[0032]可以通过轴向地滑动在主管构件内部或通过围绕主管构件的内周表面径向地夹紧来安装所述或每个环形构件。
[0033]所述或每个环形构件可以例如由金属、陶瓷、弹性体或复合材料制成。所述或每个环形构件可以包含环形子构件的组装。
[0034]通过例如改变所述或每个环形构件的径向厚度或轴向长度或者整体尺寸和形状、改变每个环形构件之间的间距、改变环形构件的材料、为所述或每个环形构件提供影响所述或每个环形构件的强度的其他元件、或者上述的组合，可以调整对所述或每个更强的和更弱的区域的径向载荷的阻力。
[0035]可以通过适当的工具来膨胀第二管构件的所述至少一个部分，例如传统的现有技术的液压膨胀工具、锥形移位工具、辊或能够增加所述至少一个部分的内径的任何其他工具。
[0036]主管构件可以是用于井下孔的需要配合在另一更小直径管道的外表面之上的任意种类的管道，例如，用于渔捞操作的过冲装置或甚至是套管、衬管、回接衬管或生产管道等。类似地，第二管构件可以包含用于井下孔的任意种类的管道、管、管路或导管。
[0037]可以存在一种管组件，其包含:
[0038]主管构件，其用于与第二管构件连接，主管构件包含:
[0039]接收区段，其适于在其中接收第二管构件的至少一个部分，以便所述至少一个部分抵靠主管构件径向向外地膨胀，直至一个或更多个密封的接合部形成在所述至少一个部分与主管构件之间；
[0040]其中主管构件包含围绕接收区段安装的一个或更多个环形构件；
[0041]所述或每个环形构件提供对径向载荷的阻力，并且在接收区段上限定对径向载荷具有不同阻力的环形区域，使得在所述至少一个部分膨胀之后，接合部形成在所述至少一个部分与接收区段的环形区域之间；
[0042]其中所述至少一个部分已经抵靠接收区段径向向外膨胀，并且一个或更多个接合部已经形成在所述至少一个部分与接收区段之间。
[0043]可以存在包括用于在井筒中连接管构件的设备的成套部件，该设备包含:
[0044]主管构件，其用于与第二管构件连接，主管构件包含:
[0045]接收区段，其适于在其中接收第二管构件的至少一个部分，以便所述至少一个部分抵靠主管构件径向向外地膨胀，直至一个或更多个接合部形成在所述至少一个部分与主管构件之间；
[0046]其中主管构件包含围绕接收区段安装的一个或更多个环形构件；
[0047]所述或每个环形构件提供对径向载荷的阻力，并且在接收区段上限定对径向载荷具有不同阻力的环形区域，使得在所述至少一个部分膨胀之后，接合部形成在所述至少一个部分与接收区段的环形区域之间；以及
[0048]第二管构件，其与主管构件连接。
[0049]可以存在一种制造用于在井筒中连接管构件的设备的方法，该方法包含以下步骤:
[0050](a)提供用于与第二管构件连接的主管构件，主管构件包含:
[0051]接收区段，其适于在其中接收第二管构件的至少一个部分，以便所述至少一个部分抵靠主管构件径向向外地膨胀，直至一个或更多个接合部形成在所述至少一个部分与主管构件之间；
[0052](b)将一个或更多个环形构件安装在接收区段周围；
[0053]所述或每个环形构件提供对径向载荷的阻力，并且在接收区段上限定对径向载荷具有不同阻力的环形区域，使得在所述至少一个部分膨胀之后，接合部形成在所述至少一个部分与接收区段的环形区域之间。
[0054]优选地，该方法包括，通过将环形构件轴向地滑入接收区段并将环形构件保持在接收区段内的适当位置，将环形构件安装在接收区段的内周表面上。
[0055]根据本发明的第二方面，提供了一种在井筒中连接管构件的方法，该方法包括以下步骤:
[0056](a)提供用于与第二管构件连接的主管构件，主管构件包含:
[0057]接收区段，其适于在其中接收第二管构件的至少一个部分和围绕接收区段安装的一个或更多个环形构件；所述或每个环形构件提供对径向载荷的阻力，并且在接收区段上限定对径向载荷具有不同阻力的环形区域；
[0058](b)将所述至少一个部分放置在主管构件的接收区段内，使得在所述至少一个部分膨胀之后，在所述部分之间形成接合部；以及
[0059](c)抵靠接收区段径向向外地膨胀所述至少一个部分，直至一个或更多个接合部形成在所述至少一个部分与主管构件的接收区段的环形区域之间。
[0060]本发明的第一方面的所有必要、优选或可选特征都可以结合本发明的第二、第三、第四和第五方面中的一个或更多个提供，并且在适当的情况下反之亦然。
【专利附图】
【附图说明】
[0061]现在将参照附图仅以示例的方式描述本发明的实施例，其中:
[0062]图1和2是连接管构件的现有技术的方法的各阶段的剖面侧视图，因此并不构成本发明的一部分；
[0063]图3是连接管构件的另一现有技术的方法的剖面侧视图，因此并不构成本发明的一部分;
[0064]图4是根据本发明的用于连接管构件的设备的主管构件的示意性剖面侧视图；
[0065]图5是图4的主管构件在它已经与内部环形构件组装之后的示意性剖面侧视图；以及
[0066]图6是根据本发明的用于图4的设备的流体排出装置的示意性局部剖面侧视图；以及
[0067]图7是根据本发明的用于图4的设备的另一流体排出装置的示意性局部剖面侧视图。
【具体实施方式】
[0068]首先参照图5，根据本发明的各方面的用于在井筒中连接管构件的设备由参考标记200大致表示。设备200包含主管构件202，主管构件202用于与第二管构件连接(第二管构件未在图5中示出，但其类似于在图1和2中示出的内管构件1，并且在膨胀期间或之后其作为管271见于图6中)。主管构件202包含接收区段204，接收区段204适于在其中接收第二管构件271的部分273，通过将径向向外的压力或力应用于部分273的侧壁并且更具体地通过使用膨胀工具(例如在图2或图3中示出的现有技术的工具3)将高压流体应用于部分273的内孔，使部分273径向向外地膨胀。因此，可膨胀部分273抵靠主管构件202的内周表面205膨胀，并形成部分273与主管构件202之间的接合部(未示出)。在部分273与主管构件202之间形成的接合部提供了主管构件202与第二管构件之间的流体密封和机械连接。虽然仅在图6中示出了正抵靠主管构件202的内周表面205膨胀的一个部分273，但在目前描述的实施例中，多个这样的部分形成在第二管构件271上。原理上可以使用诸如锥形移位工具、辊等其他工具或能够增加部分273的内径的任何其他工具。
[0069]如在图4中示出的，主管构件202包含中空主体203，中空主体203具有均匀厚度的相对薄的壁。在组装设备200时，具有阻力环206形式的多个环形构件从最大内径端(在图4中示出的最上端199)滑入接收区段204的内孔并沿着接收区段204的内孔滑动，直至它们围绕接收区段204的内周表面205安装，并沿接收区段204间隔开，从而限定凹槽211。环206和凹槽211限定了对径向载荷具有不同阻力的环形区域，以便允许各个部分273的膨胀，从而在部分273与接收区段204的环形区域之间形成接合部。阻力环206优选是完整环，但也可以是断裂环。
[0070]由于阻力环206以与主管构件202的接收区段204组装的单独装置的方式提供，因此主管构件202的主体203会弱于(例如薄于或软于)阻力环206。然而，至少主管构件202的接收区段204整体上(即当与阻力环206组装时)强于第二管构件271。阻力环206可以例如由金属、陶瓷、弹性体或复合材料制成。阻力环206还可以包含环形子构件的组装。
[0071]设备200还包含流体排出装置，该流体排出装置用于从部分273与接收区段204之间的界面排出流体，从而防止液压锁闭的发生。在目前描述的实施例中，流体排出装置包含由流体排出材料(诸如，闭孔泡沫，例如，金属泡沫或合成泡沫)制成的流体排出环208。流体排出环208被放置在各个凹槽211中，以便防止流体进入凹槽211。流体排出环208在外部压力下是可压碎或可塌陷的。流体排出环优选能够在塌陷时吸收一些流体，由此进一步最小化液压锁闭发生的风险。这样的流体可以在流体排出环208塌陷之前存在于流体排出环208周围，或可以在第二管构件271的各个部分273的膨胀期间朝向流体排出环208移动。阻力环206和流体排出环208形成在对径向载荷具有交替的更强和更弱阻力的接收区段204区域的内周表面上。由于阻力环206根本不会变形，而流体排出环208会被第二管构件271的部分273压缩并压碎，因此阻力环206比流体排出环208更能抵抗可膨胀部分的径向向外膨胀。在膨胀期间，周向突出物274被形成在部分273的外部上，周向突出物274压缩并压碎流体排出环208，并且由此进入各个凹槽211，从而由此形成与接收区段204的接合部。因此，部分273的膨胀导致第二管构件271的长度需要褶皱的轮廓(如在图6中可以看见的)。以此方式，a)密封和b)机械连接产生在可膨胀部分273与接收区段204之间。
[0072]因此形成的主管构件202与第二管构件271之间的接合部具有抵抗轴向载荷和作用在主管构件202与第二管构件271之间的流体压力的能力。该接合部产生了两个管构件202,271之间的机械固定以及主管构件202与第二管构件271之间的密封。主管构件202和第二管构件271的接收区段204可以由金属制成或至少包含金属部分，当部分273抵靠主管构件202膨胀时，该金属部分形成金属到金属的密封的接合部。由于部分273和主管构件202的接收区段204的材料的最初弹性变形以及然后的塑形变形而形成接合部。
[0073]流体排出环208优选包含完整环，但可以是断裂环。
[0074]仍然参照图5，主管构件202包含以周向锚固凹槽的形式提供的紧固装置，周向锚固凹槽以锚固沟槽216的形式提供在接收区段204的内周表面205中，用于在第二管构件271的一个或更多个对应部分(未示出)膨胀到锚固沟槽216内时与第二管构件271形成机械连接。该机械连接不必是不漏流体的，因为它不需要与第二管构件271产生压力密封。可替代地或额外地，虽然未在附图中示出，但紧固装置可以包含安装在接收区段204的内周上的环形夹紧元件，用于通过夹紧第二管构件271的外表面来抵抗主管构件202的轴向和/或旋转运动。后面的装置是特别有利的，因为它使接收区段204更易于制造。
[0075]主管构件202进一步包含以密封环212的形式提供的多个环形密封构件，环形密封构件可以由具有利于与金属第二管构件271密封的性质的合适材料制成，诸如弹性体、金属或陶瓷复合材料。密封环212被安装在接收区段204的内周表面205上，以提供额外的流体和压力密封，从而提高设备200的密封性能。密封环212在轴向方向上与阻力环206和流体排出环208交替。虽然未在附图中示出，但密封环212可以具有相对锋利(即非圆形或倒角)的周向边缘，用于将高接触压力施加在第二管构件271上。
[0076]保持机构被提供在接收区段204中，用于将安装在接收区段204中的阻力环206、流体排出环208和密封环212保持在适当位置，并随着第二管构件271膨胀而支撑第二管构件271。在目前描述的实施例中，保持机构包含在接收区段204的一端(在图5中示出的最上端199)处的保持环214以及在接收区段204的另一端(在图5中示出的最下端195)处的内周上的凸缘218。保持环214可以被焊接、螺纹连接、收缩配合或否则固定在接收区段204的内周上。可代替地或额外地，阻力环206可以经由过盈配合、焊接、螺纹连接或一些其他合适的方法固定到接收区段204的内周。
[0077]图6示出了流体排出装置的可替代或另外的变体。在图6的变体中，接收区段204的环形构件以中空阻力环260的形式提供，中空阻力环260实质上以与图5的阻力环206相同的方式发挥作用，但额外地具有用于接收并容纳来自相邻凹槽211的流体的各个内腔262。各个阀220被布置在凹槽211与相邻阻力环260中的各个腔262之间，以便当流体遭受来自部分273上的膨胀到凹槽211内的周向突出物274的压力时，随着凹槽211中的压力增加，允许流体从凹槽211转移到腔262内。阀220可以是单向阀，当凹槽211中的压力增加时，该单向阀允许流体逸出，并且在与接收区段204的接合部形成之后，该单向阀被部分273上的突出物274密封关闭。
[0078]如在图7中示出的，在一个实施例钟，流体通道221被提供在接收区段204中，以便在第二管构件271的部分(在图7中未示出)膨胀到锚固沟槽216内期间引导流体远离锚固沟槽216，以便提供第二管构件271的所述部分到锚固沟槽216内的更大的位移。更具体地，接收区段204包括在接收区段204的邻近锚固凹槽216的内周205上的环形突出物219，并且通道221形成在环形突出物219中。通道221在大致轴向方向上(即相对于接收区段204大致沿长度方向地)延伸，并且在每个突出物219内周向地间隔开。以沟槽280的形式提供的另外的环形凹槽被限定在接收区段204的内周205中，用于经由所述或每个通道221接收并容纳从锚固沟槽216移来的流体。另外的沟槽280与锚固沟槽216轴向地间隔开，并通过环形突出物219与锚固沟槽216分离，并且环形突出物219与另外的沟槽280交替。另外的沟槽280容纳类似于在图5中示出的流体排出环208，以便一方面通过从另外的沟槽280排出流体、而另一方面通过在被压缩时吸收经由通道221从锚固沟槽216迫入另外的沟槽280的一定量的流体和/或被第二管构件271的膨胀部分从另外的沟槽外面(即从第二管构件271的外表面与主管构件202的内表面205之间的环形空间)迫入另外的沟槽280的流体，最小化在第二管构件271的部分膨胀到锚固沟槽216内期间发生液压锁闭的风险。虽然未在附图中示出，但环形突出物可以可移除环的形式提供，诸如安装在接收区段204的内周205上的上述阻力环206。该装置允许第二管构件271的部分比在不存在通道221和另外的沟槽280的情况下更多地突出到锚固沟槽216内。而且，可以维持与不存在通道221和另外的沟槽280的情况下相同水平的突出，但可以提供对压力具有更高阻力的接收区段204。
[0079]虽然未在附图中示出，但类似于通道221的通道可以被提供在接收区段204的阻力环206中，以便引导流体离开被限定在阻力环206之间的一个或更多个环形凹槽211，并且由此便于第二管构件271的部分273膨胀到环形凹槽211中。流体排出环208可以被提供在一些但非所有的环形凹槽211中(例如，每两个环形凹槽211中提供一个)，用于在压缩之后吸收经由通道从未提供流体排出环206的相邻凹槽211迫入环形凹槽211中的一定量的流体、和/或被第二管构件271的膨胀部分273从第二管构件271的外表面与主管构件202的内表面205之间的环形空间迫入装有流体排出环206的环形凹槽211中的流体。因此，第二管构件271的部分273可以比不存在通道的情况下更多地突出到环形凹槽211内，或可以在提供对压力具有更高阻力的接收区段204的情况下维持相同水平的突出。
[0080]在未在附图中示出的另一变体中，流体排出装置包括在所述或每个凹槽211中的可塌陷环(例如，中空环)。中空环被配置为当该环遭受一定压力时塌陷。可塌陷环以类似于流体排出泡沫的方式工作，即当中空环完整时防止流体进入凹槽211，而在部分273的周向突出物274的力下塌陷。可塌陷环能够在比可由流体排出泡沫抵抗的温度和压力更高的温度和压力下发挥作用。而且，适当选择的可塌陷环能够容纳比流体排出泡沫更大的流体体积。同样，适当选择的可塌陷环能够容纳比流体排出泡沫更大的流体体积。可塌陷环可以结合上述通道使用，从而代替泡沫环208。
[0081]通过从其一端199并且特别是从与具有肩部218的端部相对的一端199 (所述一端199是在图5中示出的最上端)在主管构件202内以最终期望的顺序一个接一个地轴向滑动，阻力环206、流体排出环208、密封环212和保持环214很容易与主管构件202组装，并且如果需要，可以经由所述端199以相反的顺序很容易地移除并被替换。
[0082]主管构件202可以是用于井下孔的需要配合在另一更小直径管道271的外表面之上的任意种类的管道，例如，用于渔捞操作的过冲装置或甚至是套管、衬管、回接衬管或生产管道等。类似地，第二管构件271可以包含用于井下孔的任意种类的管道或导管，或者甚至是到目前为止还未用于井下孔的任何管。
[0083]虽然已经在上文中描述了本发明的具体实施例，但应认识到各种修改可以落入本发明的范围内。
【权利要求】
1.一种用于在井筒中连接管构件的设备，所述设备包含: 主管构件，其用于与第二管构件密封地连接，所述主管构件包含: 接收区段，其适于在其中接收所述第二管构件的至少一个部分，以便允许所述至少一个部分抵靠所述主管构件径向向外地膨胀，直至一个或更多个接合部形成在所述至少一个部分与所述主管构件之间； 其中所述主管构件包含围绕所述接收区段安装的一个或更多个环形构件； 所述或每个环形构件提供对径向载荷的阻力，并且在所述接收区段上限定对所述径向载荷具有不同阻力的环形区域，使得在所述至少一个部分膨胀之后，接合部形成在所述至少一个部分与所述接收区段的所述环形区域之间。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述一个或更多个环形构件围绕所述主管构件的所述接收区段的轴向长度的至少一部分的内周安装。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其中产生的所述一个或更多个接合部是密封的连接。
4.根据前述任一权利要求所述的设备，其中产生的所述一个或更多个接合部是牢固的连接。
5.根据权利要求4所述的设备，其中所述主管构件的所述接收区段和所述第二管构件的所述至少一个部分包含金属部分，当所述第二管构件的所述至少一个部分抵靠所述主管构件膨胀时，所述金属部分形成金属到金属的接合部。
6.根据前述任一权利要求所述的设备，其中更弱的阻力区域与更强的阻力区域在所述接收区段上交替。
7.根据权利要求6所述的设备，其中多个环形构件与可接收部分组装在一起，从而在所述环形构件之间以周向沟槽的形式限定一个或更多个凹槽，所述或每个凹槽提供所述更弱的区域，而所述环形构件提供所述更强的区域。
8.根据前述任一权利要求所述的设备，其中所述设备包含流体排出装置，其用于从所述第二管构件的所述至少一个部分与所述接收区段之间的界面排出流体，以防止液压锁闭的发生。
9.根据权利要求8所述的设备，其中所述流体排出装置包含位于一个或更多个凹槽中的流体排出装置。
10.根据权利要求9所述的设备，其中所述流体排出装置具有环形式的环形配置。
11.根据权利要求8或9所述的设备，其中所述流体排出装置包括选自包含闭孔泡沫、金属泡沫和合成泡沫的组中的流体排出材料。
12.根据权利要求10所述的设备，其中所述流体排出装置包含中空可塌陷环。
13.根据权利要求9所述的设备，其中所述流体排出装置包含布置在所述或每个凹槽中的阀，所述阀被配置为当所述流体在膨胀期间遭受来自所述第二管构件的所述部分的压力时允许流体离开所述凹槽。
14.根据权利要求13所述的设备，所述阀是单向阀，当所述凹槽中的压力增加时，所述单向阀允许流体逸出，并且在与所述接收区段的接合部形成之后，所述单向阀被所述部分密封关闭。
15.根据权利要求13或14所述的设备，其中所述环形构件限定一个或更多个内腔，并且所述阀被布置在所述或每个凹槽与相邻腔之间，以便当所述凹槽中的压力增加时，允许所述流体转移到所述腔内。
16.根据权利要求2至15中任一项所述的设备，其中所述主管构件进一步包含在所述接收区段的所述内周上的紧固装置，用于与所述第二管构件形成机械连接。
17.根据权利要求16所述的设备，其中所述紧固装置包含一个或更多个周向锚固凹槽。
18.根据权利要求17所述的设备，其中所述一个或更多个周向锚固凹槽是所述接收区段的所述内周中的沟槽。
19.根据权利要求17或18所述的设备，其中一个或更多个流体通道被提供在所述接收区段中，以便在所述第二管构件的所述部分的膨胀期间引导流体远离所述锚固凹槽。
20.根据权利要求19所述的设备，其中所述接收区段包括在所述接收区段的邻近所述锚固凹槽的所述内周上的环形突出物，并且一个或更多个通道被形成在所述环形突出物中。
21.根据权利要求19或20所述的设备，其中所述或每个通道在大致轴向方向上延伸。
22.根据权利要求20或21所述的设备，其中多个通道在环形突出物内周向地间隔开。
23.根据权利要求20-22中任一项所述的设备，其中用于接收并容纳经由所述或每个通道从所述锚固凹槽移来的流体的另外的环形凹槽被限定在所述接收区段的所述内周中，所述另外的凹槽与所述锚固凹槽轴向地间隔开并且通过所述环形突出物与所述锚固凹槽分隔。
24.根据权利要求23所述的设备，其中所述另外的环形凹槽是沟槽。
25.根据权利要求23或24所述的设备，其中多个具有通道的环形突出物与相应的多个另外的环形凹槽交替提供。
26.根据权利要求23-25中任一项所述的设备，其中所述另外的环形凹槽容纳根据权利要求9-15中任一项所述的流体排出装置。
27.根据权利要求19-26中任一项所述的设备，其中所述通道在所述环形构件上。
28.根据权利要求16-26中任一项所述的设备，其中所述紧固装置包含安装在所述接收区段的所述内周上的环形夹紧元件。
29.根据前述任一权利要求所述的设备，其中所述主管构件包括在所述接收区段的内周表面上的一个或更多个环形密封构件。
30.根据权利要求29所述的设备，其中所述一个或更多个环形密封构件是由选自包含弹性体、金属、陶瓷和复合材料的组中的材料构成的密封环。
31.根据权利要求29或30所述的设备，其中所述密封构件在轴向方向上与所述环形构件交替。
32.根据权利要求29-31中任一项所述的设备，其中所述密封构件具有相对锋利的周向边缘，该周向边缘用于将高接触压力施加在所述第二管构件上。
33.根据前述任一权利要求所述的设备，其中所述设备包括适于将组装在所述接收区段上的所述环形构件保持在适当位置的保持机构。
34.根据权利要求33所述的设备，其中所述保持机构包含一个或更多个保持环。
35.根据权利要求34所述的设备，其中所述保持机构包含一对保持环，在所述接收区段的每一端处具有一个保持环。
36.根据权利要求34或35所述的设备，其中所述保持环被固定在所述接收区段的所述内周上。
37.根据前述任一权利要求所述的设备，其中所述或每个环形构件被固定在所述主管构件上。
38.根据权利要求37所述的设备，其中所述或每个环形构件通过选自包含经由过盈配合、焊接和螺纹连接的组中的固定装置固定在所述主管构件上。
39.根据前述任一权利要求所述的设备，其中所述主管构件的主体弱于所述环形构件。
40.根据前述任一权利要求所述的设备，其中所述主管构件的至少所述接收区段以及所述环形构件强于所述第二管构件。
41.根据前述任一权利要求所述的设备，其中所述主管构件的至少所述接收区段具有大致均匀的壁厚。
42.根据前述任一权利要求所述的设备，其中所述主管构件的至少所述接收区段具有大致均匀的直径。
43.根据前述任一权利要求所述的设备，其中所述或每个环形构件包含环。
44.根据权利要求43所述的设备，其中所述环是完整环。
45.根据权利要求44所述的设备，其中所述环是断裂环。
46.根据前述任一权利要求所述的设备，其中所述主管构件包含预先机械加工的轮廓的一个或更多个区段和与所述环形构件组装的一个或更多个区段。
47.根据前述任一权利要求所述的设备，其中所述或每个环形构件由选自包含金属、陶瓷、弹性体或复合材料的组中的材料制成。
48.根据前述任一权利要求所述的设备，其中所述或每个环形构件包含环形子构件的组件。
49.根据前述任一权利要求所述的设备，其中所述主管构件是用于井下孔的管道，所述管道选自包含用于渔捞操作的过冲装置、套管、衬管、回接衬管和生产管道的组。
50.一种在井筒中连接管构件的方法，所述方法包含以下步骤: (幻提供用于与第二管构件连接的主管构件，所述主管构件包含: 接收区段，其适于在其中接收所述第二管构件的至少一个部分和围绕所述接收区段安装的一个或更多个环形构件；所述或每个环形构件提供对径向载荷的阻力，并且在所述接收区段上限定对所述径向载荷具有不同阻力的环形区域； (^)将所述至少一个部分放置在所述主管构件的所述接收区段内；以及 (0)抵靠所述接收区段径向向外地膨胀所述至少一个部分，直至一个或更多个接合部形成在所述至少一个部分与所述主管构件的所述接收区段的所述环形区域之间。
51.根据权利要求50所述的方法，其中步骤化)包含抵靠所述接收区段径向向外地膨胀所述至少一个部分，以抵靠所述接收区段的内表面密封。
52.根据权利要求50或51所述的方法，其中步骤化)包含抵靠所述接收区段径向向外地膨胀所述至少一个部分，以便在所述至少一个部分上形成进入所述接收区段上的各个凹槽的周向突出物，从而形成接合部，其中所述至少一个部分具有因而产生的褶皱轮廓。
53.根据权利要求50-52中任一项所述的方法，其中所述方法进一步包含以下步骤:抵抗轴向载荷和作用在所述主管构件与所述第二管构件之间的流体压力。
54.根据权利要求50-53中任一项所述的方法，其中所述方法包括以下步骤:所述至少一个部分的材料最初弹性地变形并且然后塑性地变形。
55.根据权利要求54所述的方法，其中所述方法包括以下步骤:使所述第二管构件的材料弹性地变形。
56.根据权利要求50-55中任一项所述的方法，其中步骤化)包括:随着所述部分膨胀，引起流体从所述第二管构件的所述部分与所述接收区段之间的界面持续地排出。
57.根据权利要求56所述的方法，其中步骤仏)包括将可塌陷环布置在环形构件之间形成的凹槽内，并且步骤化)包括通过所述环的动作防止流体进入所述凹槽，以及基于来自突出物的压力使所述环塌陷。
58.根据权利要求56所述的方法，其中步骤仏)包括将阀定位在环形构件之间形成的凹槽处，并且步骤化)包括允许随着压力增加而通过所述阀排出流体，然后当形成所述接合部时，用突出物密封所述阀。
59.根据权利要求56-58中任一项所述的方法，其中步骤化)包括引导流体从所述界面通过所述接收区段上的一个或更多个通道。
60.根据权利要求57所述的方法，其中步骤化)包括吸收所述环中的流体。
61.根据权利要求50-60中任一项所述的方法，其中步骤(幻包括以下步骤:将所述一个或更多个环形构件固定到所述主管构件。
62.根据权利要求50-61中任一项所述的方法，其中步骤仏)包含使所述一个或更多个环形构件滑入所述主管构件中。
63.根据权利要求50-61中任一项所述的方法，其中步骤(幻包含围绕所述主管构件的内周表面径向地夹紧所述一个或更多个环形构件。
64.根据权利要求50-63中任一项所述的方法，其中步骤化)包括:将所述第二管构件的外表面夹紧在所述接收区段的所述内周上，以及抵抗所述主管构件的轴向和旋转运动。
65.根据权利要求50-64中任一项所述的方法，其中步骤⑷包括以下步骤:通过使用液压流体将径向力施加在所述部分上来膨胀所述部分。
66.根据权利要求50-64中任一项所述的方法，其中步骤化)包括以下步骤:通过使锥形移位工具行进通过所述第二管构件而膨胀所述部分。
【文档编号】E21B43/10GK104508238SQ201380035431
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2013年6月27日 优先权日:2012年7月6日
【发明者】D·奥布赖恩, A·J·J·格拉拉 申请人:梅塔井下公司