专利名称：立管组件及其制备方法
立管组件及其制备方法相关申请的交叉引用以及优先权要求本申请要求于2010年4月5日提交的共同所有的美国临时专利申请61/341，849的优先权，该共同所有的美国临时专利申请的标题为“Riser System Components AndMethods For Making The Same (立管系统组件及其制备方法)”,该申请目前是待审状态，通过引用被包含于此。
背景技术：
立管对于从地表下方钻探和开采石油和其它物质是重要的。立管本质上是将井口连接到控制站的管，在控制站常常控制开采以及控制钻探操作。当从诸如海、洋或湖的水域 底部下方开采石油、天然气和/或其它物质时，立管将位于海、洋或湖的底部的井口连接到悬浮在海、洋或湖的表面上的平台。在该系统中，立管通过包裹平台与井口之间的钻柱来保护从平台延伸并穿过井口的钻柱。立管还提供用于使钻探泥浆从平台流动至井口并因此流入井中的管道。钻探泥浆帮助控制井内的压力，否则压カ将因为钻入地中的孔而骤降。立管还提供石油、天然气和/或其它物质从井口流动至平台的管道，在平台处，石油、天然气和/或其它物质将被保持住以备后续使用。许多立管包括主线路以及一个或多个辅助线路。主线路包裹从平台延伸到井口的钻柱，并且随着钻探泥浆和/或石油和/或其它物质流动到井口和控制站及从井口和控制站流动离开，主线路包含所述钻探泥浆和/或石油和/或其它物质。ー个或多个辅助线路通常被布置为与主管相邻并位于主管外侧，并包裹从平台延伸至井口的控制线路。控制线路可为在井口连接系统的液压线路、电カ线路和/或气动线路，诸如在紧急时封住井的防喷器(Β0Ρ)。大多数立管通过将立管段连接在一起进行现场组装。例如，图I示出了包括端部与端部连接的五个立管段22的立管的一部分20。每段22包括主线路24和辅助线路26。每个主线路24包括主管28和紧固到每个主管的端部的凸缘30。每个凸缘30被设计为通过螺栓安装到另ー主线路24的凸缘，从而形成立管的一段22。辅助线路26通常紧固到凸缘30，但也可在其与两个主管28相邻延伸的同时穿过两个或更多个凸缘30中的孔。在一些立管中，与主线路24相似，辅助线路26可包括附着到辅助线路的管的凸缘，所述凸缘可安装到另ー辅助线路的另ー凸缘以形成一段立管。因为控制中心与井口之间的距离通常很长ー尤其当井口位于海、洋或湖底时一所以大多数立管包括端部与端部连接的上百个立管段。当立管竖直取向时(如图I所示)，是常见的，当在悬浮于海、洋或湖表面的平台和井口之间延伸时，立管段受到的(并且必须承受住的)力包括在所述段上方的其它段的重量、在所述段上方的水的重量、以及水的运动(立管从所述水中穿过)。为了承受住这些负载，许多立管段包括焊接到钢主管的钢凸缘以及钢辅助线路。具有钢辅助线路的钢立管段提供很大的強度，但不幸的是它们也非常重，这导致井ロ附近的立管段承受相当大的重量。为了減少重量，一些立管段包括焊接到铝主管的铝凸缘以及铝辅助线路。然而，与钢立管段相比，铝立管段提供较小的強度。响应于该问题，一些立管段包括焊接到钢主管的钢凸缘和铝辅助线路。钢主线路与铝辅助线路的组合提供了高強度和轻重量之间的折中状态；然而，当经历更深的水深时，需要提供高強度和轻
重量二者的立管段。
发明内容
在本发明的一方面，一种用于制备立管组件的方法包括将连接器布置为邻近管的端部，使得所述连接器的ー个区域与所述管的端部形成接合面，其中所述区域包括ー种材料(在一些实施例中，为铝及其合金)，并且所述管的端部包括凹槽和与所述区域的材料不同的另ー材料(在一些实施例中，为钢及其合金)；加热所述连接器的所述区域以增大所述区域的可延展性；以及在所述连接器的所述区域上施加压カ以使所述区域塑性变形，从而将所述区域的ー些材料插入所述管的端部的所述凹槽中。通过按照这种方式将所述连接器固定到所述管，所述连接器可牢固地固定到所述管，并因此能够承受住在服役期内频繁经受的高的、动态负载。另外，通过按照这种方式将所述连接器固定到所述管，所述连接器
的材料可不同于所述管的材料，并且因此所述连接器或所述管的材料可对应地比所述管或所述连接器的材料轻。这样，继而允许人们设计比具有钢管和钢凸缘的传统钢立管组件轻但可在服役期内承受住频繁受到的高的、动态的负载的立管组件。在本发明的另一方面，一种立管组件其包括管，所述管具有端部，所述端部包括ー种材料和凹槽；连接器，具有ー个区域，所述区域包括与所述管的端部的材料不同的另ー材料；并且其中所述连接器通过以下步骤附着到管的端部将所述连接器布置为邻近所述管的端部，以使得所述连接器的所述区域和所述凹槽形成接合面，加热所述连接器的所述区域以增大所述区域的可延展性，并且在所述区域上施加压カ使得所述区域塑性变形，从而将所述区域的ー些材料插入到所述凹槽中。
图I是一段传统立管的透视图。图2是根据本发明的实施例的立管的组件的透视图。图3至图5是根据本发明实施例的在将连接器固定到管的方法的三个不同的阶段的图2所示的立管组件的局部横截面图。图3示出了根据本发明实施例的在管的端部插入连接器之前的立管组件的示图。图4示出了根据本发明实施例的在连接器的ー个区域插入管的端部的凹槽中之前的立管组件的示图。以及图5示出了根据本发明实施例的在连接器的所述区域插入管的端部的凹槽中之后的立管组件的示图。图6是根据本发明实施例的图2所示的立管组件的管的端部的透视图。图7是根据本发明的另ー实施例的立管组件的局部横截面图。图8是根据本发明的另ー实施例的立管组件的局部横截面图。图9是根据本发明的又一实施例的立管组件的局部横截面图。
具体实施例方式图2是根据本发明的实施例的立管的组件40的透视图。立管组件40是用于立管的主线路的组件，但在其它实施例中，可为用于立管的辅助线路的组件。立管组件40包括管42和固定到管42的每个端部的连接器44。管42提供用于钻柱46的一段的壳套，以随着钻柱段在钻井的同时旋转和移动保护所述段使其不受可由于外界环境(诸如盐水)导致的损坏。随着钻探泥浆和/或石油和/或其它物质流动到井口(未示出)和控制站(也未示出)及从井口和控制站流动离开，管42还提供用于钻探泥浆和/或石油和/或其它物质的管道。每个连接器44便于将另一立管组件(未示出)连接到所述立管组件40，并且还可保持住ー个或多个辅助线路(未示出)。通过经它们各自的连接器将许多立管组件连接在一起，人们可组装用于将控制站连接到井ロ的立管。每个连接器44通过如下步骤被固定到管42的对应端部通过加热连接器44的一个区域以增加所述区域的可延展性，以及随后将来自所述区域的材料插入到位于所述对应端部的凹槽中(如更详细地结合图3至图6的讨论)。通过按此方式将每个连接器44固定到管42，每个连接器44可牢固地固定到所述管42，并且因此能够在井口位于水域表面以下许多英尺(诸如7，000英尺)处的情况下承受住在服役期内频繁受到的高的、动态的负载。另外，通过按此方式将每个连接器44固定到管42，连接器44的材料可与管42的材料不同(在该实施例中，管是钢合金，并且连接器是铝合金)，并且因此连接器44或管42的材料可对应地比管42或连接器44的材料轻。这样，继而允许人们设计比具有钢管和钢凸缘的传 统的钢立管组件轻但可承受住在服役期内频繁受到的高的、动态的负载的立管组件。在该实施例和其它实施例中，每个连接器44包括六个孔48 (仅标注出9个)。当两个立管组件40紧固到彼此以形成立管的一部分时，立管组件40之一的连接器44的孔48与另ー组件(未示出)的连接器的孔对齐。然后，将螺栓(未示出)插入并穿过对齐的成对的孔的每个，并且将螺母(也未示出)旋到每个螺栓上以将所述两个立管组件紧固在一起。如图2所示，连接器44不包括辅助线路可从中穿过的通道或者辅助线路可紧固于其上的部分。然而，在其它实施例中，连接器44可包括以上之一或二者。图3至图5是根据本发明实施例的在将连接器44固定到管42的方法的三个不同的阶段的图2所示的立管组件40的局部横截面图。图3示出了在管的端部50插入连接器44之前的立管组件40的示图。图4示出了在连接器44的ー个区域52插入管的端部50的凹槽54中之前的立管组件40的示图。以及，图5示出了在连接器44的所述区域52插入管的端部50的凹槽54中之后的立管组件40的示图。管的端部50的材料和所述区域52的材料可为以下材料的任何期望的组合，诸如钢及其合金、铝及其合金、钛及其合金或复合材料。例如，在该实施例和其它实施例中，管的端部50的材料包括钢合金，并且所述连接器的区域52的材料包括铝合金，诸如7000系铝、6000系铝、或5000系海洋级铝。在其它实施例中，管的端部50的材料可包括钛合金，并且所述连接器的区域52的材料可包括铝合金。在其它实施例中，管的端部50的材料可包括复合材料，诸如编织成织物的碳纤维，所述织物继而通过粘合剂固定到另ー织物，并且所述连接器的区域52的材料可包括铝合金。 參照图3，在所述方法的该实施例和其它实施例中，连接器44和管42的端部50对齐以使得管的端部50可插入连接器44中。在连接器44的该实施例中，所述连接器44包括大小被定制为接纳管42的端部50的孔56。孔56具有直径58，并且在管的端部的该实施例中，管的端部50具有直径60。管的端部50还包括凹槽54 (这里有四个)(结合图6更详细地讨论)。
孔56的直径58和管的端部50的直径60可为在管的端部插入孔56中之后在连接器的区域52和凹槽54之间形成紧密接合面所需的任何长度。例如，在该实施例和其它实施例中，直径58可比直径60短O. 00英寸至O. 030英寸。当直径58比直径60短时，为了将管的端部50插入孔56中，连接器44可被加热以扩张孔56，并因此使直径58变长。连接器44可被加热至这样的温度，该温度应当保持低于连接器的材料的熔点以避免改变材料的晶体结构，材料的晶体结构的改变可不利地影响材料的强度和韧性。在管的端部50插入孔56中之后，允许连接器冷却。这使得孔56收缩，并因此使直径58缩短，包围管的端部50。管的端部50的这种闭塞在管的端部50产生压缩性负载，从而有助于管的端部50承受住在服役期内通常受到的负载。在其它实施例中，直径58可比直径60长O. 00英寸至O. 030英寸。在这种实施例中，所述连接器44在接纳管的端部50之前可以需要被加热或可以不需要被加热。如果连接器44在接纳管的端部50之前需要被加热，则连接器将不需要被加热到当直径58比直径60短时所需的温度那样高的温度。
再參照图3，阻蚀剂(未示出)可涂敷到管的端部50、孔56和/或二者，以抑制两种不同材料之间的电化腐蚀。例如，在该实施例和其它实施例中，基于特氟纶的涂层喷涂于孔56内，并喷涂到管的端部50。基于特氟纶的涂层在将管的端部50插入到孔56中的同时提供适当滑动，并且还防止电子从钢材料运动到铝材料。參照图4，在所述方法的该实施例和其它实施例中，管的端部50插入连接器的孔56中，以将连接器44的所述区域52相对于管的端部50中的凹槽54定位，使得所述区域52和凹槽54形成接合面。在该实施例和其它实施例中，当管的端部50的边缘62与连接器44的安装表面64共面时，形成所述区域52和所述凹槽54之间的所述接合面。在连接器44和管42被定位之后，将热施加到连接器44的区域52以增加区域的可延展性。施加的热的量可为使得区域52中的材料软化但不熔融所述区域的材料的任何期望的量。例如，当区域52中的材料是铝合金时，施加的热的量可将材料的温度升高至600-1200华氏度。通过软化但不熔融区域的材料，人们可使所述区域的材料塑性变形，但不会使材料的晶体结构发生明显的不利变化。在区域的材料软化之后，在连接器44上施加压力(当区域52中的材料是铝合金吋，为2，000-60，000磅)以通过使材料塑性变形将ー些所述区域的材料插入ー个或多个凹槽54中。可按照任何期望的方式将热和压カ施加到连接器44的所述区域52。例如，在该实施例和其它实施例中，可将热和压カ施加到连接器44的外侧表面65。更具体地讲，在该实施例和其它实施例中，比连接器44的材料硬的圆柱形工具66受压抵靠着连接器44的外侧表面65并沿着箭头68的方向旋转。随着工具66旋转，所述外侧表面65和工具66之间的摩擦加热所述区域52中的材料。通过控制工具66的旋转速度，以及外侧表面65和工具66之间的压力和摩擦，人们可控制工具相对于外侧表面65旋转产生的热的量。在一些实施例中，随着工具66旋转而施加到工具66的压カ可足以使区域52中的ー些材料塑性变形。然而，如果未发生塑性变形，则一旦区域的材料达到期望温度就可停止旋转工具66，并且増大工具66施加在外侧表面65上的压カ。參照图5，在该实施例和其它实施例中，区域52的ー些材料70已经插入凹槽54中以将连接器44固定到管42。因为通过使材料塑性变形而不熔融材料使得材料已被插入，所以在凹槽54内和周围的连接器的材料的晶体结构保持其大部分強度。因此，在不用与管42分离的情况下，立管组件40 (图2)更可能承受住在服役期内受到的高的、动态负载。任何期望量的材料可插入凹槽54中。例如，在该实施例和其它实施例中，来自区域52的材料填充凹槽54。在其它实施例中，来自区域52的材料可部分填充ー个或多个凹槽54。立管组件40的其它实施例是可能的。例如，管的端部50可包围连接器的区域52—即连接器44可插入管42中。在这样的实施例中，管的端部50的内侧表面可包括一个或多个凹槽54 ;或者，外侧表面65可包括一个或多个凹槽54。作为另ー实例，孔56和管的端部50的几何形状可具有椭圆形横截面、或者矩形横截面、或者任何期望的横截面。图6是根据本发明实施例的图2中所示的立管组件40的管42的端部50的透视图。凹槽54容纳来自连接器44的材料以将连接器44固定到管42，并且可被机加工或者轧制到管的端部50的表面上。如果管的端部50包括复合材料，则所述凹槽54可形成为管的 端部50的一部分。凹槽54可相对于纵向轴线80根据期望被取向为位于管的端部50上。例如，在该实施例和其它实施例中，凹槽54包括四个第一凹槽82，每个第一凹槽沿着相对于纵向轴线80的方向倾斜的方向绕着管的端部50的周围延伸。更具体地说，所述四个凹槽54的每个位于基本彼此平行的对应平面内，并且每个与纵向轴线80以基本90度交叉。在来自连接器44的材料已经插入第一凹槽82中之后，凹槽82防止连接器44在沿着纵向轴线80的方向上相对于管的端部50移动。凹槽54还包括两个第二凹槽84，每个第二凹槽沿着平行于纵向轴线80的方向延伸，并且因此与第一凹槽82垂直。在来自连接器44的材料已经插入第二凹槽84中之后，凹槽84防止连接器44相对于管的端部50旋转。其它实施例也是可能的。例如，凹槽54可包括更少或更多的第一凹槽82，并且ー个或多个第一凹槽可沿着与所述四个第一凹槽82延伸的方向不同的方向延伸。作为另ー实例，所述凹槽54可包括更少或更多的第二凹槽84，并且ー个或多个第二凹槽可沿着与所述两个第二凹槽84延伸的方向不同的方向延伸。凹槽54还可根据期望进行构造。例如，在该实施例和其它实施例中，每个凹槽54包括U形横截面，其具有O. 125英寸的深度和O. 50英寸的宽度。在其它实施例中，ー个或多个凹槽54可包括V形横截面。在其它实施例中，一个或多个凹槽可包括随着凹槽在管的端部50的整个表面上延伸而变化的横截面。例如，凹槽54可ー开始包括U形横截面，然后当凹槽54延伸约两英尺吋，凹槽54可包括V形横截面。图7是根据本发明的另ー实施例的立管组件90的局部横截面图。立管组件90与结合图2-6讨论的立管组件40相似。立管组件90包括通过将来自连接器92的材料插入管的端部94的凹槽98 (仅标出6个)中而固定到管96的端部94的连接器92。立管组件90和立管组件40之间的差别在于在连接器92固定到管96之后，管的端部94的边缘100不与连接器92的安装表面102位于在同一平面上。随着人们将立管组件90附着到另ー立管组件(未示出)，将管的端部94相对于连接器92这样定位对于保护边缘100不受磨蚀损坏可以是期望的。图8是根据本发明的另ー实施例的立管组件的局部横截面图。立管组件110与结合图2 - 6讨论的立管组件40相似。立管组件110包括连接器112，所述连接器112通过将来自连接器112的材料插入管的端部114的凹槽118 (仅标出2个冲而固定到管116的端部114。立管组件110和立管组件40之间的差别在于组件110包括紧固到连接器112和管的端部114的环118。环118可利用任何期望的技术被紧固，所述技术诸焊接、利用粘合剂的粘附和/或诸如螺钉的机械紧固件。随着人们将立管组件90附着到另ー立管组件(未示出)，环118在用于保护边缘100和连接器112免受磨蚀损坏时可以是理想的。在另ー立管组件附着到组件110之后，环118在用于帮助密封管116的内侧时也可以是理想的。图9是根据本发明的又一实施例的立管组件的局部横截面图。立管组件130与结合图2-6讨论的立管组件40相似。立管组件130包括连接器132，所述连接器132通过将来自连接器132的材料插入管的端部134的凹槽138 (仅标出2个)中而固定到管136的端部134。立管组件130和立管组件40之间的差别在于管的端部134呈喇叭ロ并包括唇部 140。喇叭ロ部分和唇部二者在用于增大立管组件130的安装到其它组件处的强度吋，以及在用于帮助将连接器132固定到管的端部134时可以是理想的。
权利要求
1.一种用于制备立管组件的方法，所述方法包括 将连接器布置为邻近管的端部使得所述连接器的ー个区域与所述管的端部形成接合面，其中所述区域包括ー种材料，并且所述管的端部包括凹槽和与所述区域的材料不同的另一材料； 加热所述连接器的所述区域以增大所述区域的可延展性； 在所述连接器的所述区域上施加压カ以使所述区域塑性变形，从而将所述区域的ー些材料插入所述管的端部的所述凹槽中。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述区域的材料包括铝合金，并且所述管的端部的材料包括钢合金。
3.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，将连接器布置为邻近管的端部的步骤包括将所述管的端部插入到所述连接器中以使得整个连接器包围所述管的端部。
4.根据权利要求I所述的方法，其特征在于 所述连接器包括具有内侧直径的孔； 所述管的端部包括具有外侧直径的圆筒，所述外侧直径比所述连接器的内侧直径短；以及 将连接器布置为邻近管的端部的步骤包括将管的端部插入到所述孔中。
5.根据权利要求I所述的方法，其特征在于 所述连接器包括具有内侧直径的孔； 所述管的端部包括具有外侧直径的圆筒，所述外侧直径比所述连接器的内侧直径长O.O至O. 030英寸；以及 将连接器布置为邻近管的端部的步骤包括加热所述孔以使所述内侧直径变长，并将所述管的端部插入到所述孔中。
6.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，加热所述连接器的区域以增大所述区域的可延展性的步骤包括将所述区域加热至600华氏度的温度。
7.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，在所述连接器的区域上施加压カ的步骤包括施加2000磅的压力。
8.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，在所述连接器的区域上施加压カ的步骤包括施加足够的压カ从而利用来自连接器的区域的材料填充所述凹槽。
9.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，加热所述连接器的区域以及在所述连接器的区域上施加压カ的步骤包括将工具顶靠着连接器的表面旋转以由摩擦产生热。
10.ー种立管组件,包括 管，所述管具有端部，所述端部包括ー种材料和凹槽； 连接器，具有ー个区域，所述区域包括与所述管的端部的材料不同的另ー材料；以及 其中所述连接器通过以下步骤附着到管的端部 将所述连接器布置为邻近管的端部，使得所述连接器的所述区域与所述凹槽形成接合面， 加热所述连接器的所述区域以增大所述区域的可延展性，和 在所述区域上施加压カ以使所述区域塑性变形，从而将所述区域的ー些材料插入到所述凹槽中。
11.根据权利要求10所述的立管组件，其特征在于，所述管的端部的所述材料包括钢合金，并且所述连接器的所述区域的材料包括铝合金。
12.根据权利要求10所述的立管组件，其特征在于，所述管的端部包括纵向轴线，并且所述凹槽沿着与所述纵向轴线垂直的方向延伸。
13.根据权利要求10所述的立管组件，其特征在于，所述凹槽包括U形横截面，其具有O.125英寸的深度和O. 50英寸的宽度。
14.根据权利要求10所述的立管组件，其特征在于，所述管的端部包括四个凹槽。
15.根据权利要求10所述的立管组件，其特征在于，所述管的端部包括纵向轴线以及沿着与另ー凹槽垂直的方向延伸的第二凹槽。
16.根据权利要求10所述的立管组件，其特征在于，所述管的端部包括纵向轴线，所述连接器包括沿着径向延伸远离所述轴线的凸缘，以将所述立管组件以可拆卸的方式紧固到另ー立管组件，从而形成立管组装件。
17.根据权利要求10所述的立管组件，其特征在干 所述连接器包括凸缘，所述凸缘具有安装表面，并且 所述管的端部包括与所述连接器的凸缘的所述安装表面齐平的边缘。
18.根据权利要求10所述的立管组件，其特征在于，所述立管组件是主立管，其可操作以包裹钻探泥浆和一部分钻柱。
19.根据权利要求10所述的立管组件，其特征在于，所述立管组件是辅助立管，其可操作以包裹辅助线路。
20.一种用于制备立管组件的方法，所述方法包括 将连接器布置为邻近管的端部使得所述连接器的ー个区域与所述管的端部的ー个区域形成接合面，其中所述连接器的所述区域包括凹槽和ー种材料，并且所述管的端部的区域包括与所述连接器的所述区域的材料不同的另ー材料； 加热所述管的端部的区域以增大所述管的端部的区域的可延展性； 在所述管的端部的区域上施加压力，以使得所述管的端部的区域塑性变形，从而将所述管的端部的区域的ー些材料插入到在所述连接器的区域的所述凹槽中。
21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，加热所述管的端部的区域和在所述管的端部的区域上施加压カ的步骤包括将工具顶靠着所述管的端部的表面旋转以由摩擦产生热。
全文摘要
一种用于制备立管组件(40)的方法，包括将连接器(44)布置为邻近管(42)的端部，使得所述连接器的一个区域(52)与所述管的端部(50)形成接合面，其中所述区域包括一种材料(在一些实施例中，为铝合金)，并且所述管的端部包括凹槽(54)和与所述区域的材料不同的另一材料(在一些实施例中，为钢合金)；加热所述连接器的所述区域以增大所述区域的可延展性；以及在所述连接器的所述区域上施加压力以使所述区域塑性变形，从而将所述区域的一些材料插入所述管的端部的所述凹槽中。通过按照这种方式将所述连接器固定到所述管，所述连接器可牢固地固定到所述管，并因此能够承受住在服役期内频繁经受的高的、动态负载。另外，所述连接器的材料可不同于所述管的材料，并且因此所述连接器的材料可比所述管的材料轻。这允许人们设计比具有钢管和钢凸缘的传统钢立管组件轻但可承受住在服役期内频繁经受的高的、动态负载的立管组件。
文档编号F16L13/007GK102869911SQ201180022466
公开日2013年1月9日 申请日期2011年4月5日 优先权日2010年4月5日
发明者D·J·沃尔德伦, R·S·福里斯特, K·R·麦克特南 申请人:先进连接技术公司