本发明涉及深水石油钻井和储层开发领域。它涉及一种立管连接件。
背景技术：
钻井立管(riser)由长度范围在15至27m(50至90英尺)之间的管状元件的组件组成，这些管状元件通过连接件组装。管状元件通常由在每个端部处设置有连接件的主管组成。管状辅助管线、也称作外周管线平行于主管设置，管状辅助管线通常被称为“压井管线”、“节流管线”、“增压管线”和“液压管线”，其允许工艺流体的循环。在钻井现场从漂浮件组装管状元件。随着管状元件被组装，立管下降到一定的水深，直到其到达位于海底的井口为止。
从可达到3500m或更多的水深处的钻井的角度来看，立管的重量变得尤为不利。该现象由于以下事实而加重，考虑到限制压降的必要性，对于相同的最大工作压力，立管的长度需要辅助管线的更大的内直径。
此外，由于水深度以及因此立管长度大，因而减少立管组装时间的需求总是更加关键。
用于其他应用、尤其是生产、完井(completion)或修井(work-over)的立管(riser)还包括由连接件组装的管状元件组件。
文献FR 2925105、FR 2956693和FR 2956694描述了各种方案，尤其用于使辅助管线与主管一起吸收施加到立管的纵向应力。然而，对于这些专利中描述的系统，辅助管线相对于主管的紧固导致辅助管线中的拉伸应力。为了承受这些拉伸应力，辅助管线具有大的厚度值，这引起漂浮件的质量和尺寸的增加，并且因此增加了立管的成本。这些连接件的另一问题涉及锁定环的检查和保养。实际上，前述专利中的锁定环不是完全可移除的。因而，不可能检查整个锁定环。
为了克服该问题，专利申请WO 2015/071411和WO 2015/169560涉及设置有可借助两个卡口连接而移除的锁定环的连接件。然而，这两个连接件需要特别的凸柱布置，以防止环与两个立管区段同时断开。
本发明描述了一种方案，提供了紧凑的连接件设计，其中，锁定环围绕主管元件。根据本发明的连接件包括锁定环，锁定环允许借由具有相同角度范围的凸柱在任一侧上与两个立管区段的卡口类型连接。此外，连接件包括至少一个可移除的销，用于尤其是在锁定和解锁时在平移上止动锁定环(止动锁定环的平移)。因而，根据本发明的连接件是可移除的，且防止了同时移除两个立管区段的环。此外，环的尺寸(内直径几乎等于主管元件的外直径)允许锁定环定位得尽可能靠近主管元件，从而提供连接件的紧凑性。
技术实现要素：
本发明涉及一种用于组装两个立管区段的连接件，包括通过公连接元件延伸的第一主管元件、由母连接元件延伸的第二主管元件，公连接元件装配入所述母连接元件中，从而连接所述两个主管元件，所述连接件包括用于锁定所述组件的锁定装置，该锁定装置包括围绕所述主管元件布置的锁定环，所述锁定环并置于所述公连接元件装配入所述母连接元件处的区域，所述锁定环在其内表面上包括第一凸柱系列和第二凸柱系列，且所述公连接元件和母连接元件分别在其外表面上包括分别与所述第一凸柱系列和第二凸柱系列协配的第三凸柱系列和第四凸柱系列。所述锁定装置还包括至少一个可移除的销，至少一个可移除的销布置在所述锁定环中且与所述第三凸柱系列或所述第四凸柱系列的凸柱(tenon，榫头)协配，从而在平移上相对于所述公连接元件或母连接元件止动所述锁定环，且第一凸柱系列和第二凸柱系列的凸柱以相同的角度范围突出。
根据本发明的一个实施例，每个凸柱系列包括至少一个凸柱排，优选地包括两个凸柱排。
有利地，所述可移除的销布置在所述第三凸柱系列或第四凸柱系列的凸柱排中的每个凸柱之间。
根据本发明的实施例，所述可移除的销布置在所述第一凸柱系列或第二凸柱系列的最接近所述锁定环的中心的所述凸柱排处。
根据设计，具有相同凸柱系列的两个相继的凸柱排的所述凸柱的周向分布是交替(交错)的。
根据变型例，凸柱系列的至少一个凸柱排与所述凸柱系列的另一排内接不同直径。
根据替代方式，至少一个凸柱系列的各凸柱排内接相同直径。
根据实施例，所述可移除的销具有螺纹且通过旋入布置在所述锁定环中。
优选地，所述凸柱系列包括至少三个凸柱，优选地至少四个凸柱。
根据实施例，所述公连接元件和母连接元件设置有分别用于第一辅助管元件和第二辅助管元件穿过的引导装置。
根据第一变型例，所述辅助管元件稳固地固定至所述引导装置。
根据第二变型例，一个辅助管元件固定至所述引导装置中的一个，另一辅助管元件通过滑动连接而连接至所述引导装置中的另一个，所述滑动连接允许所述主管元件与所述辅助管元件之间在受限距离上的相对平移运动。
根据第三变型例，所述两个辅助管元件通过滑动连接而连接至所述引导装置。
根据本发明的实施方式，在所述第一凸柱系列与所述第三凸柱系列之间设置第一轴向间隙，在所述第二凸柱系列与所述第四凸柱系列之间设置第二轴向间隙。
有利地，所述第一轴向间隙和第二轴向间隙严格为正，且它们在0.5至30mm之间、优选为0.5至10mm之间的范围中。
此外，本发明涉及一种包括至少两个立管区段的立管，至少两个立管区段通过根据上述特征中的一个的连接件组装。
本发明还涉及一种通过根据上述特征中的一个的连接件组装两个立管区段的方法，其中，执行以下步骤：
a)将第一主管元件插入所述锁定环中；
b)将所述可移除的销插入所述锁定环中；
c)将第二主管元件插入所述锁定环中；以及
d)锁定所述锁定环。
根据实施例，锁定步骤通过所述锁定环相对于所述主管元件的相对转动执行。
根据实施方式，至少一个主管元件到所述锁定环中的至少一个插入通过所述锁定环相对于所述主管元件的相对平移执行。
根据变型例，至少一个主管元件到所述锁定环中的至少一次插入至少通过所述锁定环相对于所述主管元件的第一相对平移、第一相对转动和第二相对平移执行。
此外，本发明涉及一种通过根据上述特征中的一个的连接件拆卸两个立管区段的方法，其中，执行以下步骤：
a)解锁所述锁定环；
b)将第一主管元件从所述锁定环移除；
c)将所述可移除的销从所述锁定环移除；以及
d)将第二主管元件从所述锁定环移除。
根据本发明的实施例，解锁步骤通过所述锁定环相对于所述主管元件的相对转动执行。
根据实施方式，至少一个主管元件从所述锁定环的至少一次移除通过所述锁定环相对于所述主管元件的相对平移执行。
根据变型例，至少一个主管元件从所述锁定环的至少一次移除通过锁定环相对于所述主管元件的第一相对平移、第一相对转动和第二相对平移执行。
此外，本发明涉及使用根据上述特征中的一个的立管用于执行海上钻井、修井或生产操作。
附图说明
通过阅读下文通过非限制性示例并参考附图对实施例的描述，根据本发明的装置的其他的特征和优点将会变得清晰，在附图中：
图1示意性地示出了根据本发明的立管。
图2示出了根据本发明的实施例的立管区段。
图3示出了根据本发明的另一实施例的连接件。
图4示出了根据本发明的实施例的公连接元件。
图5示出了根据本发明的实施例的母连接元件。
图6示出了根据本发明的实施例的锁定环。
图7示出了根据本发明的实施例的具有间隙的连接。
图8a至8d分别对于以下步骤：接近、环与母连接元件接触、锁定和张紧，示出了图7中的实施例的间隙分布。
具体实施方式
根据本发明的(非限制性)示例性实施例，图1示意性地示出了安装在海上的立管1。立管1从井P延伸，并且立管1从井口2伸展到漂浮件3，漂浮件3例如是平台或船舶。井口2设置有通常被称为“B.O.P.”或“防喷器”的防护件。立管1由通过连接件5首尾相连地组装的若干区段4的组件组成。每个区段由设置有至少一个辅助管元件7(也称为外周管线)的主管元件6组成。被称为“压井管线”或“节流管线”的辅助管线用于在控制过程期间相对于井中处于压力下的流体的流入提供井安全性。被称为“节流”管线的管线是安全管线，安全管线在流入的情况下承载来自井的流体(油、水、气)，并将这些流体朝向节流歧管和火炬驱动。被称为“压井”管线的管线是使得重质流体和水泥能够注入井中从而允许停止否则不可控的井喷的安全管线。被称为“增压管线”的辅助管线允许泥浆注入井中以增加其环空速度并防止钻屑沉淀；该辅助管线也用于在断开之前用水置换立管中所包含的泥浆。被称为“液压管线”的管线允许控制井口防喷件。液压管线允许在压力下向BOP安全设备(阀和蓄能器)供应液压流体(含乙二醇的蒸馏水)。
图2示意性地示出了根据本发明的非限制性实施例的立管的区段4。区段4包括主管元件6，主管元件6的轴线形成立管的轴线。辅助管7构成平行于主管的轴线布置的辅助管线或管道。辅助管元件7的长度基本上等于主管元件6的长度，通常在10至30米之间的范围内。在主管的外周上布置有至少一个管线7。在图2中，示意性地示出了两个管线7。
图1所示的连接件5由两个元件组成，参照图2，这两个元件由母连接元件8和公连接元件9表示。连接元件8和9安装在主管元件6的端部处。母连接元件8例如通过焊接、通过螺纹连接、通过压接或通过夹紧结合固定到管6。公连接元件9例如通过焊接、通过螺纹连接、通过压接或通过夹紧结合固定到管6。对于所示示例，公连接元件9与另一区段的母连接元件8的组件形成连接件5，连接件5将应力、特别是立管经受的纵向应力从一个立管区段传递到下一个区段。
根据本发明的连接件适用于例如结合图1和2描述的钻井立管，但根据本发明的连接件也可适用于完井、修井或生产立管，其特定特征是不具有辅助管线。根据本发明，连接件包括：
-由公连接元件延伸的第一主管元件，第一主管元件可能可选地设置有供辅助管元件穿过(在立管包括至少一个辅助管线的情形中)的引导装置(例如公凸缘)；
-由母连接元件延伸的第二主管元件，第二主管元件可能可选地设置有供辅助管元件穿过(在立管包括至少一个辅助管线的情形中)的引导装置(例如母凸缘)，公连接元件装配入母连接元件，从而连接主管元件和辅助管元件；
-可选的第一辅助管元件，第一辅助管元件穿过公凸缘；
-可选的第二辅助管元件，第二辅助管元件穿过母凸缘；以及
-用于锁定组件的装置，包括：
o围绕主管元件布置的锁定环，锁定环并置于公连接元件装配入母连接元件中的区域处，锁定环包括在其内表面上的第一凸柱系列和第二凸柱系列，第一凸柱系列和第二凸柱系列适于与分别布置在公连接元件和母连接元件的外表面上的第三凸柱系列和第四凸柱系列协配；以及
o至少一个可移除的销，可移除的销布置在锁定环中，且适于与第三凸柱系列或第四凸柱系列中的至少一个凸柱(即与公连接元件或母连接元件的凸柱)协配，用于在平移上相对于公连接元件或母连接元件中的一个止动锁定环(即、止动锁定环的平移)。
对于连接件包括至少一个辅助管元件的实施例，锁定环布置在主管元件与辅助管元件之间：锁定环定位在公连接元件和母连接元件的外表面上，且辅助管元件定位在锁定环外。换言之，辅助管元件的轴线与主管的轴线之间的距离大于锁定环的外半径与辅助管元件的半径之和。
因而，借由四个凸柱系列，形成了两个卡口类型连接：第一个在锁定环与公连接元件之间，第二个在锁定环与母连接元件之间。因而使得锁定环可相对于公连接元件和母连接元件移除，从而允许对其检查和保养。
可移除的销适于与两个公连接元件或母连接元件中的一个连接元件的凸柱协配，以便阻止锁定环相对于与可移除的销接触的公连接元件或母连接元件的轴向平移。因而，在通过连接件组装两个区段时，可防止锁定环在第二连接元件与第一连接元件接合时移除。有利地，一旦可移除的销被安装在锁定环中，可移除的销就在锁定环的内部分上突出。可移除的销的突出距离可等于锁定环的凸柱的突出距离。可移除的销可在锁定环的外表面上安装在锁定环中。优选地，可移除的销被布置使得与意于首先被安装在锁定环中的连接元件协配。因而，锁定环可从公连接元件或母连接元件悬置(并保持在位)，该连接元件是在该公元件或母元件被抬升用于连接时上(在顶部处的)元件。一旦第一组件(锁定环和第一连接元件)被组装而未锁定，可移除的销可被插入锁定环中。一旦第二组件(锁定环和第二连接元件)被拆卸，且第一组件(锁定环和第一连接元件)被解锁(即第一连接元件在锁定环中而凸柱系列未协配)，可移除的销就可从锁定环移除。
根据本发明，第一凸柱系列和第二凸柱系列的凸柱(以及当然第三凸柱系列和第四凸柱系列)在相同的角度范围上突出。凸柱的角度范围要理解为凸柱在其内接直径上占据的圆部分所形成的角度。例如，如果凸柱系列包括代表每个六分之一圆的凸柱，则凸柱的角度范围是60°。因而，借助该设计，锁定环相对于两个连接元件的锁定和解锁可由单次转动导致且变得同时发生。因而，锁定环仅在两个角度位置之间被驱动转动。
根据本发明的第一实施方式，第一凸柱系列和第二凸柱系列的周向分布关于穿过两个凸柱系列的径向平面对称。换言之，第一凸柱系列和第二凸柱系列彼此面对(对齐)。根据本发明的第二实施方式，第一凸柱系列和第二凸柱系列的周向分布相反：第二凸柱系列的周向分布相对于第一凸柱系列偏置一角度，该角度对应于凸柱的角度范围。换言之，一系列凸柱面向另一系列凸柱的间隔。根据本发明的第三实施方式，第一凸柱系列和第二凸柱系列的周向分布相对于彼此偏置对应于凸柱的角度范围的一半的角度(或任何其他角度)。
通过并置公连接件和母连接件的装配区域而围绕主管元件布置锁定环可涉及锁定环的内直径与主管元件的外直径的均等化。装配区域对应于连接件中公连接元件装配入母连接元件处的部分。换言之，锁定环的内直径基本上对应于主管元件的外直径，其中加上了锁定环和连接元件的凸柱的突出高度。因而，锁定环的内直径基本上等于接合在母连接元件中的公连接元件的直径。
优选地，锁定环可被制作为单件。
连接件可被设计成且尺寸设定成符合由美国石油学会编纂的API 16R和API 2RD标准中提到的规格。
上文和下文中描述的各种实施例可被组合，从而组合它们的效果。
根据本发明的设计，可移除的销可制有螺纹。接着，可移除的销可通过旋入安装在锁定环中。该设计允许可移除的销的快速组装。为了允许便于组装，可移除的销可为中空的，以使得能够用工具对其操纵。
根据本发明的特征，销可具有任何形状，特别是柱形(具有圆形或椭圆形截面)、(圆)锥形、平行六面体形(具有矩形或正方形截面)等。
根据本发明的实施例，每个凸柱系列包括至少一个凸柱排。凸柱排要理解为凸柱的周向分布。每个凸柱排具有突出的凸柱和留空空间(间隔)的交替，这些留空空间允许与该凸柱排协配的凸柱系列中的对应凸柱穿过。
根据本发明的实施方式，各凸柱系列可包括多个凸柱排，特别是两个或三个凸柱排。多个凸柱排允许凸柱上的轴向载荷减小，这允许限制凸柱的机械疲劳。
根据可能的设计，每个凸柱系列包括单个凸柱排。根据第一替代方式，每个凸柱系列包括两个凸柱排。根据第二替代方式，每个凸柱系列包括三个凸柱排。根据第三替代方式，四个凸柱系列中的两个系列包括一个凸柱排，且另两个系列包括两个凸柱排。根据第四替代方式，四个凸柱系列中的两个系列包括两个凸柱排，且另两个系列包括三个凸柱排。
在凸柱系列包括若干个凸柱排的情形中，各个凸柱排可内接不同直径。该设计允许穿过具有较小直径的凸柱排，且因而可能用单次转动锁定和解锁卡口连接。
在凸柱系列包括若干个凸柱排的情形中，各个凸柱排可内接相同直径。该设计需要通过相对运动插入和锁定卡口连接，相对运动包括第一平移、第一转动、第二平移和第二转动。因而，该设计允许更好的连接安全性，这是由于其允许避免非期望的断开。
每个凸柱排包括在直径上均匀分布的多个凸柱。有利地，各个凸柱排可布置成允许360°锁定。根据设计，多个凸柱排可包括角度范围为60°或40°的三个凸柱。根据替代方式，多个凸柱排可包括角度范围为45°或30°的四个凸柱。根据替代方式，多个凸柱排可包括角度范围为36°或24°的五个凸柱。根据另一替代方式，多个凸柱排可包括角度范围为30°的六个凸柱。根据替代方式，多个凸柱排可包括角度范围为22.5°或15°的八个凸柱。为了使凸柱在相同的角度范围上突出，所有凸柱系列的所有排可包括相同数量的凸柱。
根据本发明的实施例，锁定装置包括多个销。因而，可在销与凸柱之间分布应力。对于该实施例，可提供与第三凸柱系列或第四凸柱系列(公连接元件和母连接元件中的各凸柱系列)中的每个凸柱协配的销。替代地，可提供与第三凸柱系列或第四凸柱系列的各凸柱中的每隔一个凸柱协配的可移除的销。该替代方式允许获得凸柱的数量与凸柱上施加的应力之间的折衷。根据变形实施例，在连接件中提供三个可移除的销。该变形实施例允许均衡的支承。
优选地，在各凸柱系列包括若干个凸柱排的情形中，每个可移除的销布置在锁定环中在锁定环的最中心的凸柱排的区域中。换言之，每个销安装在锁定环中在最远离锁定环的端部的凸柱排的区域中。
图3通过非限制性示例示出了根据本发明的实施例的连接件，该连接件组装两个立管区段。图3对应于连接件的剖视图。在该图中，仅示出了剖视图的一侧，第二侧可通过轴向对称推断。立管区段和连接件的轴线被水平地表示。在该图中，未示出凸缘和辅助管元件。公连接元件9装配在母连接元件8中。锁定装置锁定该组件。锁定装置包括锁定环11。锁定环11通过并置于公连接元件9装配入母连接元件8处的区域而围绕公连接元件9和母连接元件8布置。锁定环11的内直径基本上对应于主管元件的外直径(参见图2)。锁定环11在其内表面上包括第一凸柱系列15和第二凸柱系列16。第一凸柱系列15与布置在公连接元件9的上表面上的第三凸柱系列17协配。第二凸柱系列16与布置在母连接元件的上表面上的第四凸柱系列18协配。此外，锁定装置还包括至少一个可移除的销12。可移除的销12安装在锁定环中，从而在其内部分上突出。可移除的销12适于与公连接元件9的第三凸柱系列17中的凸柱协配。所示可移除的销12具有带有肩部的基本上圆柱形。该肩部允许可移除的销12的精确定位。此外，所示可移除的销12是中空的，用于工具经过，从而允许对其设定和/或用于例如通过致动条致动锁定环11。
图4通过非限制性示例示出了用于图3中的实施例的公连接元件9。公连接元件9是大致圆柱形零件，包括第一端20和第二端19，第一端20意于固定至主管元件，第二端19意于装配入母连接元件。公连接元件9在其外表面上包括第三凸柱系列，第三凸柱系列包括两个凸柱排17A和17B。排17A在连接件的最中心处。根据所示实施例，每个凸柱排17A、17B包括角度范围为45°的四个凸柱。两个凸柱排17A、17B内接相同的直径。因而，允许通过两种平移和两种转动的组合插入并锁定在锁定环中(以及反之解锁和移除)。此外，排17A、17B中的凸柱的周向分布是交替的(错开)：排17A中的凸柱面向排17B中的两个凸柱之间的间隔(与其对准)，且反之亦然。
图5通过非限制性示例示出了用于图3中的实施例的母连接元件8。母连接元件8是大致圆柱形零件，包括第一端21和第二端22，第一端21意于固定至主管元件，第二端22意于装配公连接元件。母连接元件8在其外表面上包括第四凸柱系列，第四凸柱系列包括两个凸柱排18A和18B。排18A更接近连接件的中心。根据所示实施例，每个凸柱排18A、18B包括角度范围为45°的四个凸柱。两个凸柱排18A、18B内接不同的直径。因而，允许通过单次平移插入并锁定在锁定环中(以及反之解锁和移除)。此外，排18A、18B中的凸柱的周向分布是交替的(错开)：排18A中的凸柱面向排18B中的两个凸柱之间的间隔(与其对准)，且反之亦然。
图6通过非限制性示例示出了用于图3中的实施例的锁定环11的剖视图。锁定环11是大致圆柱形零件。锁定环11在其内表面上包括第一凸柱系列15和第二凸柱系列16(第一凸柱系列和第二凸柱系列被示意性地示出，其尺寸未按比例绘制)。第一凸柱系列15适于与公连接元件的第三凸柱系列协配。第二凸柱系列16适于与母连接元件的第四凸柱系列协配。根据所示实施例，每个凸柱系列15、16包括两个凸柱排15A、15B和16A、16B。凸柱排15A和16A最接近中心。每个凸柱排包括角度范围为45°的四个凸柱。在所示示例中，中心凸柱排15A、16A中的凸柱比外凸柱排15B、16B的内接更小的直径。然而，为了与图4中所示的公连接元件的凸柱协配，第一系列的排15A、15B可内接相同的直径。此外，排15A、15B中的凸柱的周向分布是交替的(错开)：排15A中的凸柱面向排15B中的两个凸柱之间的间隔(与其对准)，且反之亦然。类似地，排16A、16B中的凸柱的周向分布是交替的(错开)：排16A中的凸柱面向排16B中的两个凸柱之间的间隔(与其对准)，且反之亦然。此外，对于所示实施例，第一凸柱系列和第二凸柱系列的周向分布关于第一凸柱系列与第二凸柱系列之间的径向平面对称：排15A中的凸柱面向排16A中的凸柱(与其对准)，排15B中的凸柱面向排16B中的凸柱(与其对准)。
当立管设置有至少一个辅助管线时，公连接元件和母连接元件可包括用于引导辅助管元件的装置。这些装置可为凸缘(例如通过公连接元件和母连接元件的直径的增加形成)、支承件(例如可固定至公连接元件和母连接元件)、引导板(例如可固定至公连接元件和母连接元件)或任何类似装置。凸缘、支承件和板可包括用于辅助管元件通过的至少一个孔。
对于该实施例，锁定环布置在主管元件与辅助管元件之间。锁定环位于公连接元件和母连接元件的外表面上，且辅助管元件定位在锁定环外。换言之，辅助管元件的轴线与主管的轴线之间的距离大于锁定环的外半径与辅助管元件的半径之和。锁定环的直径小于设置有引导装置的公连接元件和母连接元件的外周直径(最大直径)。
根据本发明的连接件可设计使得辅助管元件可相对于主管元件相对运动。因此，两个辅助管元件可通过滑动枢转连接或滑动连接安装在引导装置中(例如在一方面安装在支承件中而在另一方面安装在引导板中)。在本申请中，滑动枢转连接表示将第一固体(实体)连接至第二固体(实体)的连结，第一固体可相对于第二固体沿轴线方向平移，第一固体可相对于第二固体围绕该轴线枢转。因而，辅助管线元件可沿其轴向相对于主管滑动和枢转，且辅助管线元件不能沿径向和切向自由运动。在本申请中，滑动连接表示将第一固体连结至第二固体，其中，第一固体可沿轴线方向相对于第二固体平移。因而，辅助管线元件可沿其轴向相对于主管滑动。
在变型例中，根据本发明的连接件可设计成使得辅助管元件可相对于主管元件没有相对运动。两个辅助管元件因而可被稳固地固定在引导装置中，例如被固定在两个凸缘中。因而，轴向应力可在主管线与辅助管线之间分布。
替代地，根据本发明的连接件可被设计使得，一方面，辅助管元件可相对于主管元件没有相对运动，另一方面，辅助管元件可相对于主管元件具有相对运动。因而，辅助管元件可被稳定地固定至第一引导装置、例如凸缘，且其可与第二引导装置、例如凸缘滑动枢转连接。相对运动距离例如可被间隙调整装置限制。换言之，立管区段在其每个端部处包括在图2中图示的连接装置，该连接装置允许：一方面，将辅助管线元件7轴向连接至主管6，且另一方面，形成辅助管线元件7与主管6之间的滑动枢转连接。
对于后种变形实施例，在母连接元件处获得辅助管线元件与主管线元件之间的固定连接，在公连接元件处获得辅助管线元件与主管线元件之间的滑动枢转连接。替代地，在公连接元件处获得辅助管线元件与主管线元件之间的固定连接，在母连接元件处获得辅助管线元件与主管线元件之间的滑动枢转连接。
辅助管承受轴向压缩应力，该轴向压缩应力由内/外压力差引起，内/外压力差产生施加到管端部上的“端部效应”(例如，辅助管线可承受1034巴、即15000psi(磅/平方英寸)等级的压力)。在这种压力下，主管元件伸长且辅助管元件缩短，直至间隙为零。当间隙变为零时，所有管线相等地伸长。主管元件有可能伸长，由于它们一方面必须全部或部分地承受立管的重量和钻井泥浆的重量，且另一方面必须全部或部分地承受施加在立管上的张紧力，以保持其基本上竖直。总体上，立管顶部、即接近海表面处的主管元件承受最大张紧力，且因而承受最大伸长。辅助管线元件有可能在由于它们包含的流体所导致的内压力与外压力之间的压力差的作用下缩短。实际上，流体通过在辅助管元件上施加压缩应力而在辅助管元件的端部上施加压力。此外，由于内/外压力差导致管的径向变形引起管的缩短。总体上，立管的脚部、即接近海底处的元件承受最大内/外压力差，因而经受最大缩短。
只要间隙是正的，相同高度处的辅助管元件和主管元件的长度就可彼此独立地变化。另一方面，当间隙J变为零时、即当间隙调整装置与凸缘接触时，辅助管元件和对应的主管元件形成超静定组件：辅助管元件一方面在紧固装置处且另一方面在与凸缘接触的止挡件处被固定至主管元件。因而，主管元件引起辅助管元件中的张紧力，且反之亦然。
因而，这些连接允许在主管6与辅助管线元件之间分布施加至每个立管区段上的张紧力。根据本发明的通过建立间隙而整合允许增加主管的贡献，且由此减小外周管线中的轴向应力。由该整合导致的外周管线中轴向应力的减小有益于端件的尺寸和辅助管的厚度。
有利地，根据区段的长度选择间隙；实际上，各种管线的变形取决于其长度。对于75或90英尺(22.86m和27.43m)的常规立管区段，间隙可设定为0至1.5英寸(0至约38.1mm)之间。优选地，间隙可在0.1至1英寸(2.54至25.4mm)之间选择，用于管线中应力的最佳分布，从而允许得到立管质量的减小。替代地，间隙可在0.1至0.25英寸(2.54至6.35mm)之间选择。根据替代方式，间隙可在0.25至1英寸(6.35至25.4mm)之间选择。提供良好折衷的优选选项是约0.5英寸(12.7mm)或1英寸(25.4mm)的间隙。
为了便于安装且避免由磨损引起的销的堵塞，可在连接元件与锁定环之间提供至少一个轴向间隙。优选地，轴向间隙是严格为正的。
根据本发明的实施例，轴向间隙设置在每个连接元件与锁定环之间。因而，可避免与凸柱磨损相关的问题，从而便于对锁定环的操纵。两个轴向间隙可为相同或不同的。在整个连接件组装、锁定、解锁和张紧步骤中，轴向间隙在连接件内分布。例如，在组装时，轴向间隙可存在于彼此协配的凸柱之间，且一旦连接件被锁定并张紧，轴向间隙可存在于两个连接元件的端部之间。
每个严格为正的轴向间隙可在0.5至30mm之间、优选为0.5至10mm之间的范围中。超过30mm的话，关于避免阻塞问题的技术效果仍存在，然而，其涉及尺寸的增加。
图7通过非限制性示例示意性地示出了可存在于处于其锁定位置中的连接件内的轴向间隙。该图是根据类似于图3的视图的公连接元件与母连接元件之间的接触区域的放大。第一轴向间隙J1形成在公连接元件9与锁定环11之间。第二轴向间隙J2形成在母连接元件8与锁定环11之间。两个轴向间隙可相同，且其值可例如约为1、2、3、4或5mm。
此外，根据连接件的设计，该环可包括环转动限制装置、例如是止挡件，这些装置将锁定环的转动限制为等于凸柱的角度范围的角度。
此外，根据本发明的特征，连接件可包括用于将锁定环止动在至少一个位置中、尤其是在锁定位置中或在解锁位置中的装置。锁定环止动装置允许避免锁定环的非期望的解锁。
根据本发明的实施例，辅助管元件是由增强线材环绕的管，增强线材比如是玻璃、碳或芳纶纤维，并且涂覆有聚合物基质。因而，辅助管线的阻力和重量被优化。事实上，本发明特别良好地适用于被环绕的辅助管元件，这些辅助管元件提供减小钢厚度且因而减小立管的重量的优势。通过允许限制辅助管线的弯曲(弯折)的间隙来补偿环绕的缺陷，这种缺陷包括较低的抗弯刚度。替代地，主管和辅助管元件可由金属合金制成，例如铝合金或钛合金。
根据本发明的设计，锁定环可包括在锁定环之外的操纵装置。这些操纵装置允许锁定环转动。例如，操纵装置可为操纵条。根据一设计，操纵装置可被插入销中。
此外，本发明涉及包括至少两个立管区段的立管，至少两个立管区段通过如上所述的连接件组装。连接件可根据上述实施例的任何组合来制作：多个可移除的销、多个凸柱排、内接相同或不同直径的多个凸柱排、轴向间隙等。
此外，本发明涉及使用这种立管(以上述实施例的任何组合)用于执行海上钻井、井筒修井(work-over)或石油流出物生产操作。
此外，本发明涉及一种通过根据本发明的连接件组装两个立管区段的方法。对于该方法可执行以下步骤：
a)将锁定环插入第一主管元件、特别是公连接元件或母连接元件中，因而，第一主管元件定位在锁定环中而不被锁定；
b)将至少一个可移除的销插入锁定环中，因而，第一主管元件定位在锁定环中，同时在平移上被止动(不可平移)，且其仍可转动，因而其未被锁定；
c)将第二主管元件插入锁定环中、特别是公连接元件或母连接元件，使得公连接元件装配入母连接元件中，因而，第二主管元件定位在锁定环中而不被锁定；以及
d)通过转动锁定环来锁定该锁定环，该单次转动锁定两个连接元件，两个连接元件相对于锁定环不再有相对运动。
对于步骤d)，在锁定时，环的转动产生了第一凸柱系列和第三凸柱系列以及第二凸柱系列和第四凸柱系列的相应协配。使得能够同时锁定两个卡口类型连接的该转动是对应于凸柱的角度范围的角度的转动。例如，如果凸柱的角度范围是36°，则锁定转动是36°的转动。
对于步骤b)，以如下方式来获得第一主管元件相对于锁定环的轴向平移止动：
-在第一轴向上，通过连接元件的凸柱与可移除的销的接触；以及
-在第二轴向上：
o在多个凸柱排内接相同直径的情形中，通过锁定环的凸柱与连接元件的凸柱的接触；或
o当锁定环悬置时，通过重力，这防止锁定环向上平移。
插入步骤包括将所涉及的连接元件锁定在锁定环中，使得单次后续转动允许连接件被锁定。
在一些情形中，插入步骤对应于环相对于连接元件的单次相对平移运动。这例如是当所涉及的各凸柱系列仅包括一个凸柱排时、或当所涉及的各凸柱系列包括内接不同直径的多个凸柱排时的情形。该平移允许凸柱定位成止动卡口连接。
在其他情形中，插入步骤对应于组合运动，该组合运动包括第一阶段平移、随后是第一转动、接着是第二平移。这些运动是锁定环与所涉及的连接元件之间的相对运动。这例如是当所涉及的各凸柱系列包括内接相同直径的多个凸柱排时的情形。首先两个相对运动允许穿过第一凸柱排。最后的平移允许凸柱定位成止动该卡口连接。
根据本发明的实施例，在若干销安装成与公连接元件的凸柱协配时、以及在第一凸柱系列和第三凸柱系列包括内接相同直径的两个凸柱排且第二凸柱系列和第四凸柱系列包括内接不同直径的两个凸柱排时，该方法可包括以下步骤：
a)通过第一平移、第一转动和第二平移将公连接元件插入锁定环中；
b)将可移除的销插入锁定环中；
c)将母连接元件通过单次平移而插入锁定环中，使得公连接元件装配入母连接元件中；以及
d)通过转动锁定环来锁定该锁定环。
此外，本发明涉及一种通过根据本发明的连接件拆卸两个立管区段的方法。该方法可包括以下步骤：
a)通过转动锁定环来解锁该锁定环，该单次转动解锁两个连接元件，两个连接元件可相对于锁定环相对运动；
b)从锁定环移除第二主管元件、特别是公连接元件或母连接元件，从而释放公连接元件在母连接元件中的接合，因而，从锁定环提取出第二主管元件，而同时另一主管元件保持解锁、但尤其是被至少一个可移除的销在平移上止动在锁定环中；
c)移除锁定环中的至少一个可移除的销，因而，第一主管元件在被解锁且自由运动的同时定位在锁定环中；以及
d)移除锁定环中的第一主管元件、特别是公连接元件或母连接元件中，因而，从锁定环提取出第一主管元件。
对于步骤a)，在解锁时，环的转动释放了第一凸柱系列和第三凸柱系列以及第二凸柱系列和第四凸柱系列的相应协配。使得能够同时解锁两个卡口类型连接的该转动是对应于凸柱的角度范围的角度的转动。例如，如果凸柱的角度范围是36°，则解锁转动是36°的转动。
移除步骤包括从锁定环、从连接元件定位在锁定环中的位置提取出所涉及的连接元件。
在一些情形中，移除步骤对应于环相对于连接元件的单次相对平移运动。这例如是当所涉及的各凸柱系列仅包括一个凸柱排时、或当所涉及的各凸柱系列包括内接不同直径的多个凸柱排时的情形。该平移允许凸柱从卡口连接释放。
在其他情形中，移除步骤对应于组合运动，该组合运动包括第一阶段平移、随后是第一转动、接着是第二平移。这些运动是锁定环与所涉及的连接元件之间的相对运动。这例如是当所涉及的各凸柱系列包括内接相同直径的多个凸柱时的情形。第一平移阶段允许第二凸柱系列中的凸柱断开(脱开)。最后两个相对运动允许穿过第一凸柱排。
根据本发明的实施例，在若干销安装成与公连接元件的凸柱协配时、以及在第一凸柱系列和第三凸柱系列包括内接相同直径的两个凸柱排且第二凸柱系列和第四凸柱系列包括内接不同直径的两个凸柱排时，该方法包括以下步骤：
a)通过转动锁定环来解锁该锁定环；
b)通过单次平移运动移除锁定环的母连接元件，从而释放公连接元件在母连接元件中的接合；
c)移除锁定环中的可移除的销；以及
d)通过第一平移、第一转动和第二平移的组合运动将公连接元件从锁定环移除。
对于在连接元件和锁定环的任一者上设置两个轴向间隙的实施例，在图8a至8d中示出了对于各种组装阶段的轴向间隙的分布。这些图是类似于图3中的剖视图的剖视图，且这些图示出了通过锁定环11和可移除的销12将公连接元件9组装入母连接元件8中的各阶段。
可通过以下操作实现连接件的锁定：
1.接近阶段(图8a)：将公部分9装配入母部分8中。锁定环11的齿在母元件8的各齿之间穿过。
2.装配继续(图8b)，锁定环11与母元件8的上部分接触。在该阶段，在公连接元件9与母连接元件8之间存在轴向间隙J1；母连接元件8的端部与锁定环接触C，同时在第二凸柱系列16与第四凸柱系列18的凸柱之间、即在第二系列和第四系列的中心排16A与18A之间以及外排16B与18B之间存在轴向间隙J2。
3.在装配步骤结束时(图8c)，公元件9与母元件8的上部分接触。在该阶段，在第一凸柱系列15和第三凸柱系列17的凸柱之间(即在第二系列和第四系列的中心排15A与17A之间以及外排15B与17B之间)存在轴向间隙J1，两个连接元件的端部处于接触C，同时在第二凸柱系列16和第四凸柱系列18的凸柱之间(即在第二系列和第四系列的中心排16A与18A之间以及外排16B与18B之间)存在轴向间隙J2。在该步骤结束时，连接件准备好被锁定。
4.用于锁定的环的转动(图8d)引起四排齿重合。其不再承担被阻碍的风险，这是由于滑动表面位于低应力区域中。在锁定之后，立管的张紧使两个卡口系统的各齿接触。因而，在四个凸柱系列的凸柱处实现接触C，且对应于J1+J2之和的轴向间隙存在于公连接元件9与母连接元件的端部之间。
对于该示例，轴向间隙J1和J2可不同或相同，且它们可为1、2、3、4或5mm。
根据本发明的装置提供一种吸引人的方案用于快速地且简易地安装立管，其张紧力在辅助管元件与主管之间分布。实际上，通过锁定环的转动在单次操作中实现一个立管区段与另一立管区段的连接。该连接允许将一区段的主管元件与另一区段的主管元件连通且密封，且同时将一区段的辅助管元件与另一区段的辅助管元件连通且密封。
对于立管包括至少一个辅助管线的实施例，根据本发明的紧凑连接件允许最小化凸缘中的弯曲应力，并因而减小凸缘的尺寸且轻量化连接件的重量。此外，将环定位在主管元件与辅助管元件之间允许增加连接件的强度。实际上，环保持凸缘并防止其弯曲。此外，该定位允许解决辅助管线配件干涉的问题，这是由于由偏置的轴向力引起的弯曲力矩具有不同的符号。此外，在锁定位置中，环的凸柱与母连接元件的定位在母连接元件的主要部分(实心部分)上的凸柱接合。