用于确保钻井中连续循环的装置的制作方法

本发明涉及如权利要求1的前序部分所限定的、用于确保钻井过程中，尤其是在用于油气勘探和生产的井中插入或移除钻柱过程中的连续循环的装置。

为简单起见，本发明将在不受到具体涉及插入新的钻柱步骤限制的情况下进行，同样的考虑也可适用于必须从井中移除钻井头，例如进行更换时的钻柱移除步骤。

背景技术：

油气钻井时，需要插入钻柱的操作以提高钻井深度。

在插入新的钻柱过程中，必须确保钻井泥浆在整个过程中的连续循环，直至获得完整的管道，并恢复整个液压回路。事实上，已经发现泥浆循环过程中的压力下降或变化将在所钻的井中造成相当大的结构应力，这将导致所钻的井的未固化结构的崩塌。

为了确保钻井泥浆在整个钻井过程中以及在插入新的钻柱或移除现有的钻柱的步骤期间的连续循环，长久以来提供了一种装置，以确保即便是在钻柱的插入或是移除期间，所述钻井泥浆的稳定循环。

现有技术文献us3298385中公开了上述类型的装置。具体地，该现有技术文献中公开了使用具有单个截流构件的挡板阀，以用于选择性地调节钻井泥浆通过所述阀的中心轴向通道的流通，或者可选地，通过插入在所述阀的相对端部之间的侧向通道的可能性。

使用单个截流构件以提供上述选择性调节钻井泥浆通过阀的中心轴向通道，或是可选地通过侧向通道的技术方案优于例如，在现有技术文献us7845433中所公开的使用两个不同的截流构件，此外，还由于单个截流构件所假定的关闭位置没有不确定性的事实。

然而，应当注意的是，尽管使用单个截流构件交替地关闭阀的中心轴向通道或是插入在所述阀的相对端部之间的上述侧向通道在操作方面提供了优点，但是造成了关于所述截流构件的主体在所述阀的中心轴向通道内的适当定位和定中心的问题。这是因为单个截流构件必须能确保紧密的密封效果，无论是在第一角度位置还是在第二角度位置，其中，在第一角度位置，所述截流构件的座横向于所述阀的轴线定位，而在所述第二角度位置，所述截流构件的座沿着所述阀的轴线纵向延伸。因此，相对于所述阀主体，即使是较小的角度或是轴向定位误差也可能导致所述截流构件在所述截流构件的两个座中的至少一个中的不完全的密封作用，这与所述钻井泥浆的高压力不兼容。

具体地，所述截流构件的主体和其铰接到所述阀体的点的适当的轴向定位是有问题的。为了解决这个问题，形成所述移动截流组件的阀体和部件应该以非常严格的加工公差形成，但是有时这种情况实际上并不足够。在所述阀和移动截流部件的组装过程中，各部件的加工公差可累加，且有时会导致所述截流构件在所述截流构件的两个座中的不完全关闭。

由于上述原因，所述单个截流构件的这些阀在该领域尚未取得成功。

因此，不考虑由于已经形成的各种连接的公差的总和而导致在组装过程中可能遇到的任何特定的临界状况，确保所述截流构件在两个关闭位置中的适当关闭操作是无法实现的。

技术实现要素：

本发明是基于设想一种用于确保钻井，尤其是用于油气勘探和生产的井中插入或移除钻柱过程中的连续循环的装置的问题，其具有能满足上述需求的结构和功能特征，而不受上述现有技术问题的影响。

该问题通过如权利要求1所限定的用于确保钻井中的连续循环的装置来解决。

附图说明

结合附图，通过对以下几种以示例性而非限制性的优选实施方式的描述，本发明的用于确保钻井中的连续循环的装置的其它特征和优点将变得显而易见，其中：

图1示出了本发明的装置的简化的平面纵向剖视图，其中，侧向通道由所述截流构件在纵向位置关闭；

图2示出了图1的装置的纵向截面图，其中，所述轴向通道由所述截流构件在横向位置关闭；

图3和图4示出了沿两个不同的平面截取的图2的装置的两个相应的透视纵向剖视截面图；

图5示出了图4的放大细节图；

图6示出了图1的装置的分解透视图；

图7示出了图1的装置的分解平面图；

图8示出了图1的装置的管状体的纵向截面视图细节；

图9示出了图1的装置的纵向截面平面图，其中，锁定导向件及其西格(seeger)环被移除；

图10示出了沿图9的x-x线的剖视图。

具体实施方式

参考附图，附图标记1概况地表示本发明用于确保钻井中的连续循环的装置，即，用于确保钻井，尤其是在用于油气勘探和生产的井中插入或移除钻柱过程中的连续循环的装置。

所述装置1包括：

在预设的轴线方向x-x从上游端2a延伸到下游端2b的大致管状体2，所述管状体2被示出为具有圆柱形部分；

从上游端2a延伸到下游端2b的轴向通道，以供钻井泥浆从所述装置1中流过；

位于上游端2a处的第一螺纹连接装置，以用于将所述装置1的下游端2b连接到钻柱的一端；

位于下游端2b处的第二螺纹连接装置，以用于将所述装置1的下游端2b连接到钻柱的一端；

所述管状体2上、位于所述上游端2a和下游端2b之间的侧向开口3，其限定装置1中与上述轴向通道流体连通的侧向通道，所述轴向通道具有轴线y-y，其优选垂直于所述轴向通道的轴线x-x；

通过螺纹螺母螺钉接合以耐压密封的方式可拆卸地装配到所述侧向开口3中的塞子5；

阀装置6，其位于所述轴向通道中以阻挡钻井泥浆并阻止其从上游端2a流动到下游端2b；

其中：

上述阀装置包括截流构件6，其可移动地支撑在所述轴向通道中以在一横向于轴向通道的位置(图1，9)以及一相对于所述轴向通道的纵向位置(图2，4，5)之间移动，其中，在所述横向于轴向通道的位置，所述截流构件6横向于所述轴向通道的轴线延伸，以阻止在所述轴向通道中的上游端2a和下游端2b之间的流体连续性，在所述轴向通道的纵向位置，所述截流构件6沿着所述轴向通道的轴线大致延伸并且位于靠近所述管状体2内的侧壁部分的位置；

在该横向位置(见图1，9)，相对于所述钻井泥浆在所述轴向通道中从所述上游端2a和下游端2b的之间流动，所述截流构件6位于所述侧向通道和所述管状体2的上游端之间，位于上述侧向开口3的上游；以及

在该纵向位置(见图2，4，5)，所述截流构件6以耐压密封的方式关闭所述侧向开口3，以阻止所述侧向通道和所述管状体的轴向通道之间的流体连续性。

关于钻柱，应当注意的是，根据适用的工业标准，它们具有公螺纹下游端以及相对的螺母螺纹上游端，其被设计用于与另一钻柱的下游端螺母螺钉连接。根据该标准，在所述装置1中，所述上游端2a的第一螺纹连接装置由螺母构成，且所述下游端2b的第二螺纹连接装置由公螺钉构成，所述螺母和公螺钉分别等同于设置在每一钻柱的上游端和下游端的螺母以及公螺钉。

在所述侧向开口3处，所述装置1的管状体2具有用于截流构件的座，其被设计成用于通过所述截流构件6进行耐压密封接合，当该截流构件处于上述纵向位置(见图2，4，5)时，该用于所述截流构件的座允许所述侧向开口3以及由此限定的侧向通道以如上所述的耐压密封的方式被关闭。

优选地，用于所述截流构件的座是插入座7，且其与所述管状体2以整体和耐压密封的方式相关联。在所示的实施方式中，所述用于截流构件的插入座7由螺纹环螺母限定，其具有：

具有公螺钉螺纹的外部部分，以用于与设置在所述侧向开口3处的相应螺母螺纹进行紧密的螺母螺纹接合；以及

具有螺母螺纹的内部部分，以用于与塞子5的公螺钉螺纹进行紧密的螺纹接合。

或者，上述用于所述截流构件的插入座可以与所述管状体2形成为一体，并且，用于将所述截流构件的插入座焊接或是以除如上所述的螺纹连接外的其它方式固定到所述管状体。

类似地，应注意的是，尽管可以提供不同的可拆卸的耐压密封连接方式，所述塞子55和用于所述截流构件的插入座7之间的螺纹连接是一种优选的实施方式。

在任何情况下，所述插入座7和塞子5应当具有小的尺寸，并且与所述管状体2的外壁的占用空间相齐平，以防止所述装置的管状体2的任何径向突出部分对正在钻的井产生干扰。

优选地，所述截流构件6包括凸起部，优选一部分球形部/壁，其凸面面向所述侧向开口3。当所述截流构件6处于上述纵向位置(见图2，4，5)时，该球形部/壁与所述用于所述截流构件的插入座7以压力密封的方式接合。

优选地，上述阀装置包括具有隔膜截流构件6的挡板阀，其周边部分通过铰链连接装置连接至所述转动轴8上，通过所述转动轴8的转动，所述隔膜6从该纵向位置(见图2，4，5)移动到所述横向位置(见图1，9)，反之亦然。该转动轴8：

优选垂直于所述轴向通道的纵向轴线x-x横向延伸；

设置在所述管状体2的内壁附近；

被周向地设置在基本位于所述侧向开口3处；以及

位于所述管状体上的、所述侧向开口3和所述管状体2的上游端2a之间的基本靠近所述侧向开口3的位置。

其结果是，当所述管状体2以纵向轴线基本处于一垂直方向设置时，其上游端2a位于比所述下游端2b更高的高度；

上述铰链连接装置以及所述转动轴8设置在所述通孔3的上方；并且

由于其重量，所述截流构件6倾向于移动到上述纵向位置(参见图2，4，5)，在该位置，所述截流构件6密封所述侧向开口3。

根据附图中的实施方式，所述截流构件6和铰链连接装置由用于截流构件的管状支撑件9支撑，其以压力密封的方式被同轴地安装到管状通道中，被限定在所述管状体2中的上游端2a与由所述管状体2的内环形肩部34所限定的轴向限位停止位置之间。

所述装置1还配备有定位和定心装置11，其适用于通过抵靠上述内环形肩部34来确保所述管状支撑件9在所述管状体2内恰当地轴向和角度定位。

所述定位和定心装置可以不同的功能和/或结构等同的实施方式形成。因此，例如，根据所示的实施方式，上述定位和定心装置11包括：

设置在所述管状体2的壁上与轴线x-x垂直的通孔31；

设置在所述管状支撑件9的外壁上垂直于所述轴线x-x的盲孔32；以及

适合于装配到所述管状体2的通孔31中以与所述管状支撑件的盲孔32相接合的销33。

所述通孔31和所述盲孔32相对于所述管状体2和所述管状支撑件9设置在这样的位置：以便于当所述管状支撑件9围绕所述轴向通道的轴线x-x以适当的角度旋转时被精准地对准时，使得在上述纵向位置(见图2，4，5)，所述截流构件6位于所述侧向开口3的上方(即，与用于所述截流构件的座7以压力密封的方式接合)以使其被压力密封关闭。

因此，所述销33在所述通孔31和盲孔32中的接合确认了所述管状支撑件9在所述管状通道2中的适当定位。应当注意的是，通过所述管状支撑件9的头端部9b与所述管状体2的内环形肩部34的邻接来确保所述管状支撑件9在所述管状体2的轴向通道中的适当的插入深度。

上述销33由所述支撑板35承载，所述支撑板35通过紧固螺钉从外部安装到所述管状体2上。为此，所述管状体2的外壁中设置有座37，以用于接收所述支撑板35，将所述支撑板35插入到所述接收座37中，以确保所述销33也插入到所述管状支撑件9的盲孔32中，从而所述管状支撑件9被适当地定位(轴向和有角度地)在所述管状体2内。

优选地，上述支撑板35轴向延伸至与用于可拆卸塞子5的外座相接合，从而也可起到防止所述可拆卸塞子5的转动并由此松动的安全作用。

如图所示，所述管状支撑件9和所述管状体的内管壁之间设置有密封装置24，以提供压力密封性。为此，所述管状支撑件9的外部设置有环形座，所述密封装置24以向外突出的设置容纳在所述环形座中以与所述管状体2的内管壁过盈配合。

所述装置1还包括保持装置13，其用于将所述插入在所述轴向通道中管状支撑件9保持在上述轴向限位停止位置中。

所述保持装置13包括：

多个保持元件14，其设置在所述管状通道内的周向偏置位置中并靠近面向所述管状体2的上游端2a的所述管状支撑件9的头端部9a，所述保持元件14作为保持装置以防止所述管状支撑件9朝向所述管状体2的上游端2a轴向移动；

设置在所述管状体2的内管壁上的内底座15，其仅容纳所述保持元件14的第一部分14a，所述保持元件14的第二部分14b从所述管状体2的内管壁中伸出进入到所述轴向通道中；以及

锁定导向件16，其用于将所述保持元件的第一部分保持在所述内底座15内。

根据所示的实施方式，所述保持元件14包括具有大致l形横截面的圆周段，其中：

所述l形的第一分部限定了上述插入在所述槽15中的第一部分14a，而

所述l形的第二分部限定了所述第二部分14b，其限定了通过所述调节按压/推动部件50起作用的所述内肩部。

优选地，上述圆周段14被定向成：使得所述l形的上述第二分部14b将从所述l形的第一分部14a朝着所述管状体2的上游端2a延伸。

有利的是，所述装置1包括调节按压/推动部件50，其中：

所述调节按压/推动部件50以动态螺母螺钉与所述管状支撑件9接合同轴关联，从而使得所述调节按压/推动部件50相对于所述管状支撑件9在第一方向或相反方向上的相对转动对应于所述调节按压/推动部件50沿着所述轴线x-x相对于所述管状支撑件9在第一方向或相反方向上相对移动；

在所述调节按压/推动部件50相对于所述管状支撑件9相对转动后，所述调节按压/推动部件50可沿着所述轴线x-x从一相对于所述上游端2a更靠后的位置可逆地移动到一相对于所述管状体的上游端2a更靠前的位置，反之亦然；

当所述调节按压/推动部件50处于上述更靠后的位置时，其不与所述保持元件14过盈，因为其与管状体2的上游端2a间具有比所述保持元件14更远的距离；

由所述保持元件14限定在所述管状体2内的上述内肩部限定了一限位挡块，以防所述调节按压/推动部件50朝着上述更靠前的方向移动。

鉴于上述情况，当所述装置1正确安装时，所述调节按压/推动部件50相对于所述管状构件9转动以使得所述调节按压/推动部件50移动靠近所述管状体2的上游端2a。在所述调节按压/推动部件50到达上述更靠前的位置之前，该移动停止。也就是说，当所述调节按压/推动部件50抵接并压靠在上述限定在管状通道2内的内肩部时，该移动停止。由于该挡块：

所述保持元件14可被迫朝着所述管状体的上游端2a进入到内底座15中，同时，

所述管状支撑件9抵靠所述定位和定心装置11被迫进入到所述轴向限位停止位置。

这将有效地恢复在所述管状体2内部定位所述管状支撑件9和由其支撑的装置6时所产生的间隙。

根据优选实施方式：

上述调节按压/推动部件50是螺纹环形螺母；且

朝向所述管状体2的上游端2a的上述管状支撑件9的头端部9a具有螺纹，以用于通过螺母螺钉接合的方式与所述螺纹环形螺母相连接。

优选地，所述装置1包括停止装置，其作用在所述调节按压/推动部件50上以可逆地锁定所述调节按压/推动部件50相对于所述管状元件9的角位置，从而防止所述调节按压/推动部件50相对于所述管状体9的转动以及随之发生的轴向移动。

根据所示的实施方式，上述停止装置包括插入在通孔52中的锁定销51，所述通孔52形成在所述管状体2的管壁中，与所述调节按压/推动部件4相齐平且横向，优选垂直于所述管状元件2的轴线x-x。该锁定销41以一预设的预负荷抵靠所述调节按压/推动部件50的外圆周壁，以防止其绕所述轴线(x-x)转动。在所示的实施方式中，所述锁定销51被压装到所述通孔52中，尽管也可使用其它连接形式，例如螺纹螺母螺钉接合。

根据一优选实施方式，所述调节按压/推动部件50的外周壁具有多个平行于所述轴线延伸的槽(简便起见未图示)，因而，与所述调节按压/推动部件50相接触的锁定销51的自由端被设计成也具有相应的一系列槽(未图示)。所述调节按压/推动部件50的外周壁的上述槽与所述锁定销51的自由端之间的连接有助于防止所述调节/推动部件50绕所述轴线x-x的任何转动。

根据一未图示的实施方式，所述保持元件14可以是不同于如上所述的圆周段。因此，例如，可具有轴线平行于所述管状体2的纵轴x-x的球形元件、具有球形表面部分的元件或滚轴形式的多个(至少十个)保持元件。这些保持元件间具有适当的距离，即，在所述周向方向上彼此间隔开，并一起限定了内径小于侧向开口3的内径的上述环形保持元件。应当注意的是，在这种情况下，上述多个保持元件可以总体上实现对上述调节按压/推动部件50的有效且均匀的保持作用。

优选地，上述内底座15包括与插入到其中的保持元件的第一部分的轮廓相适配的轮廓。

优选地，上述内环形座15中设置有圆周槽，以用于容纳优选为环形段或开环形式的磁体，从而，在所述装置1的组装期间，即，在定位所述锁定导向件16之前，所述保持元件14可被保持在所述内环形座15的适当位置上。

替代或除了在所述内环形座15中设置上述磁体之外，所述保持元件14本身可以设置为磁性元件。这可通过所述保持元件14的磁化或是与之相关的磁体来实现。

关于上述用于锁定所述保持元件14的锁定导向件16，应当理解的是，可利用西格环19使其方便地保持在所述管状通道2内的适当位置，抵靠所述管状通道2的内壁，其中，所述西格环19与设置在所述管状体2的内管壁上的内周槽20部分接合。

所述锁定导向件16的外管壁包括周向槽(未图示)，所述o形环容纳在该周向槽中且一部分向外突出。该o形环提供了所述锁定导向件16的外环形壁与所述管状通道2的内壁之间的压力密封性。

优选地，所述装置1包括磁性装置22，其用于向处于纵向位置(见图2，4，5)或是其附近的位置的截流构件6施加一引力，和/或以一预设的力将其保持在所述纵向位置，从而使得只有当超过该磁引力的力被施加到所述截流构件6上时，该截流构件6才能朝上述横向位置(参见图1，9)移动。

优选地，所述磁性装置22具有环形，尽管也可以使用具有扇环形、盘或其它形式的磁体，并设置在所述塞子5上/内。

根据所示的实施方式，这些磁性装置由所述塞子5、优选所述塞子5的内侧，即，当所述塞子5被用于以压力密封的方式关闭所述侧向开口3时，所述塞子5面向上述轴向通道的一侧承载。

根据未在图中示出的实施方式，上述磁性装置可包括承载在所述截流构件6的侧面的一个或多个磁铁，当所述截流构件6处于上述纵向位置时，所述截流构件6的该侧面面向所述侧向开口3，从而这些磁体可与所述管状体2的内壁、与用于所述截流构件的座7和/或优选与所述塞子5的一部分相互作用。这些磁性装置还优选具有环形，并施加到所述截流构件6的侧面上，当所述截流构件6处于所述纵向位置时，所述截流构件6的该侧面面向所述侧向开口。当所述截流构件6具有大致圆形形状时，这是特别有利的，因为所述磁环可以同心地施加到所述截流构件6上。

可能地，上述磁性装置22可被设置成由所述塞子5和所述截流构件6承载，在后一种情况下，所述塞子和所述截流构件的磁体应当布置在大致相面对的位置，以便当所述截流构件6处于上述纵向位置(见图2，4，5)时相互磁吸引。

关于引起所述截流构件6朝向所述塞子的吸引力，可以理解的是，这种吸引力在所述截流构件6从上述横向位置到所述纵向位置的过渡步骤期间是有用的。事实上，当钻井泥浆沿着所述轴向通道从端部2a流动到端部2b时，泥浆流本身推动所述截流构件并将其保持在上述纵向位置。因此，在所述钻井泥浆的内部压力作用之前，所述磁体22有助于所述截流构件6附着在所述插入座7上。

一旦安装了适配器，且所述泥浆流已经从轴向偏转到径向，则流体将打开所述截流构件而无需克服任何磁引力，因为，磁体已经随着塞子被移除(因为它们与所述塞子相连)。

优选地，所述塞子5和截流构件6之间没有直接接触，确保二者间始终保持最小距离，以避免任何残留的泥浆可能会阻止所述截流构件到达上述纵向位置(参见图2，4，5)，并因此确保所述侧向开口的紧密密封性。

其结果是，当所述截流构件6处于上述纵向位置(见图2，4，5)时，在所述截流构件6和所述塞子5之间限定了一封闭腔室。为提供该腔室的减压，根据优选的实施方式，所述塞子5包括一小的轴向通孔29，闭合螺帽28位于该轴向通孔29上，所述闭合螺帽28适合于被致动成压力密封闭合状态和打开状态，以分别用于阻碍和允许流体通过上述通孔，在后一种情况下，允许钻井泥浆通过。因此，所述轴向通孔与所述螺帽28一起构成排放阀。

因此，通过打开上述排放阀，可排出在此保持的任何钻井泥浆，这将提高所述截流构件在所述纵向位置的稳定性(参见图2，4，5)，并将确保压力密封关闭所述横向通道。

优选地，上述磁性装置22以包围其上设有排放阀的上述通孔的方式被施加到所述塞子5上。

如以上说明中所清楚示出的，本发明的装置1满足上述需求，并且也避免了本发明的引言中所列出的现有技术的缺陷。作用于调节按压/推动部件上以压迫所述管状支撑件抵靠上述定位和定心装置进入到所述限位停止位置提供了恢复由于加工公差所造成的间隙的可能性，并允许所述管状支撑件占据所述装置的管状体中一给定的精确的轴向位置，由此，所述截流构件的轴向位置也被精确限定，且所述截流构件相对于其相应的截流构件座被最佳定位。

有利的是，容纳在所述管状体的内环形座中的磁性装置的设置允许在所述装置的组装期间，即，在定位所述锁定导向件之前，将所述保持元件保持在所述内环形座的适当位置上。

本领域技术人员应明白理解的是，可对如上所述的装置进行多种修改和变化，这些修改和变化将落入如下面的权利要求所限定的本发明的范围内。