專利名稱：氣密管狀接頭或連接件的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種氣密管狀接頭或連接件，尤其是涉及與油和/或氣 的生產相關的單直徑管或套管，其中，管或套管由管狀區段制成，管 狀區段在各自端部互連之后，最終通過膨脹成型。
背景技術：
可膨脹管狀套管已傳統用于油氣工業，以解決鉆井和修井期間碰
到的操作挑戰。這種技術覆蓋很多應用，例如
鉆井襯管一可膨脹管用于隔離井中的鉆探區段。可膨脹管在徑向
膨脹該管之前或之后被放入原來的套管或襯管中。這樣使井眼中的內 徑損失最小或沒有損失。可膨脹鉆井襯管設計成能承受管狀套管在鉆 探期間可能受到的負載，即，輕微井噴情形期間的機械負載。
套管修復一可膨脹管用于修復機械損壞或沖蝕的套管的機械完整 性。通過靠著損壞或沖蝕的已有套管的內徑徑向膨脹可膨脹管，可膨 脹管將接任發生損壞或沖蝕之前的原有套管的機械完整性。可膨脹管 與原有套管之間的交接面可能是金屬對金屬的，有或者沒有用于流體 壓力完整目的的彈性體填料。
棵眼井中的覆層一可膨脹管用于形成抵抗不穩定地層即機械軟弱
地層或可能發生流體損失的地層的機械護罩。
通過對材料施加應力，迫使材料從彈性變形變成塑性變形，來執 行管的膨脹。這使材料永久地變形成預先設計的形狀，即通過增加內 徑和外徑，使管徑向變形。目前存在幾種用于膨脹金屬管的膨脹機構， 包括固定錐、撓性錐和由穿過鉆柱的軸向機械力驅動或通過運用注入 的井眼流體即泥漿的液壓動力驅動的旋轉膨脹裝置。
在油氣工業，可膨脹管技術應用前景很廣闊，旨在用在井中自上而下允許一個內徑的結構替代傳統嵌套套管結構。這種將來的應用通 常被稱為"單直徑"或"單孔"，可以顯著地減少油氣田開發成本，降 低環境影響和增加鉆探工業內的安全。在實現可膨脹管連接性能時已 經完全展現了這種潛能，這滿足了生產套管需求，即保持了膨脹后氣 體壓力完整性。
低氣體壓力額定值構成了應用可膨脹管狀套管時的限制。設計鉆 井時，模擬不同的機械負載方案，以在整個壽命期間確保鉆井的機械 完整性。具有較低氣體壓力完整性的管狀套管可用于鉆探目的，而不 是用作完全合格的生產套管，即承受在生產管道中存在泄漏時遇到的 負載，允許靠著生產套管的氣體壓力充當輔助屏障。在使用傳統連接 件時，在可膨脹管狀接頭之間即膨脹過程中錯位和變形的螺紋之間實 現氣體完整性方面以及減少或消除了界面殘余應力遇到了挑戰，導致 氣體壓力完整性的缺少。
存在幾種連接可膨脹管的方法，例如US專利號No.6409175和 US專利申請號No.2003/0234538。
US 6409175 Bl涉及用于在兩個伸縮管狀本體的搭接區域中實現 機械連接和氣密密封的方法和設備，其中兩個本體被徑向膨脹，以及 其中膨脹迫使搭接區域中的特氟隆環狀密封形成本體之間的壓力密封 接合。但是，這種密封不是氣密的，不能用于井眼套管。
US專利申請號2003/0234538涉及一種在可膨脹的片段管之間的 傳統螺紋連接，其沿著可承受高壓的陽螺紋-陰螺紋(pinandbox)提 供了多個密封點。這種解決方案也不是氣密的。
發明內容
本發明涉及一種可膨脹的氣密管狀接頭或連接件，其克服了已知 方案的缺點，其具有機械堅固的、潛在的金屬密封，以及其是氣密， 符合井眼中套管的要求。可膨脹管的接頭或連接處意味著這種管的最 弱點，本發明尤其是實現了連接表面的縱向分布，覆蓋了更大的面積， 從而使接頭或連接處獲得了增加的局部強度。本發明的特征在于附帶的獨立權利要求1中所限定的特征。
權利要求2-5限定了本發明的優選實施例。
下面通過舉例子的方式并參照附圖，將更詳細地描述本發明，其
中
圖l顯示了 a)套管形式的管狀本體的透視圖，和b)沿上述a) 中截面線A-A剖取的管狀本體的一部分的橫截面圖2顯示了依照本發明在管狀區段之間的交接面上相互內部獲得 殘余壓縮應力的一個原理的草圖，從中實現了密封；
圖3顯示了依照本發明在管狀區段之間的交接面上相互內部獲得 殘余壓縮應力的另一個原理的草圖，從中實現了密封；
圖4顯示了依照本發明在管狀區段之間的交接面上相互內部獲得 殘余壓縮應力的第三個原理的草圖，從中實現了密封；
圖5顯示了依照本發明在管狀區段之間的交接面上相互內部獲得 殘余壓縮應力的第四個原理的草圖，從中實現了密封；
圖6顯示了基于本發明的原理的連接件的三個例子的橫截面圖。
具體實施例方式
本發明基于這樣的一般原理管或套管由至少兩個管狀區段形成， 一個為外管狀區段， 一個為內管狀區段。每個所述相應區段的端部搭
接在下一個、隨后的管狀區段上，由此， 一個或多個內管狀區段、中 間管狀區段或外管狀區段具有不同的金屬材料和/或不同的厚度，并在 變形過程中，在搭接區塑化或塑性變形，在該區形成金屬密封，并從 而在膨脹的管狀管/套管的內部與外部之間提供氣壓完整性。
圖1顯示了依照本發明的管狀連接件的一個例子。更具體地說， 圖la)顯示了套管形式的管狀本體的透視圖，圖lb)顯示了沿圖la) 中截面線A-A剖取的管狀本體的一部分的橫截面圖。為了在膨脹后保 持氣體壓力完整性，管狀套管由2個或2個以上的管1、 2、 3構成，在連接處一個處于另一個內部，每個帶有各自的連接件。不同的管相
互軸向偏離，因此連接件4、 5、 6也相互軸向偏離。通過殘余應力彼 此壓緊的連接件之間的金屬對金屬搭接處在膨脹后形成密封。只要連 接區域根據壁厚度可劃分為多個管，就可以適用相同的原理，而大部 分套管仍然是同樣的傳統套管；在整個壁厚度上是一個剛性壁。
在進行膨脹處理之后，本發明對可膨脹管狀連接件中的生產負載 實現了滿意的氣體壓力完整性，從而消除了目前的應用限制，即在可 膨脹管技術中遇見的作為生產套管的應用。
每個管的連接件4、 5、 6基于錐形或直的滑動面(treads )。雖然 傳統套管連接中的大多數滑動面都是由在管的整個壁厚度上形成一個 滑動面區域的一個連續滑動面構成，但是，這種技術能夠使該滑動區 域在套管的壁厚度上分割成兩個或兩個以上的滑動面。每個滑動區域 設置成與相鄰連接件離開一軸向距離3。兩個相鄰滑動面之間的搭接 區域S部分或全部地表示膨脹后的密封。搭接區域S的密封能力在任 何時候都與兩個搭接表面之間的殘余應力加上運行期間施加于同樣表 面的操作應力有直接關系。外部過壓力和內部過壓力兩者都增大了該 密封應力。
在膨脹處理時通過例如錐形膨脹工具(例如錐或輥)產生殘余應 力。兩個主要的變形模式相互作用e方向的張緊和r-z平面的彎曲。 彎曲由錐激起。最初，當錐遇到管時，直管向外彎曲，如圖2A中虛 體所示。由于管在周邊是連續的圓形體，所以，這種彎曲遇到來自薄 膜應力的抵抗，朝原有直線狀態回拉，不過仍然是更大管徑，如圖2A 實體所示。如果管壁再一次遇到錐，將重復這個過程。如果管壁遇不 到錐，即達到最終的形狀。
如果向外彎曲的管在其本身使壁重新定向成直線方向之前遇到屏 障，將可以獲得殘余應力。在此情況下，屏障將對彎曲的管壁施力， 該力將使管重新定向成直線方向，如圖2B所示。由屏障施加的力引 起的彈塑性變形將形成回彈力(彈性松弛應力/應變)，在此稱為殘余 應力。這些應力形成初始的密封力。這種情況下的屏障是所討論的變
6形管外面的較大直徑管。
也可以通過相鄰管狀區段之間不同的相對剛度獲得殘余應力。可 以通過兩個本體之間的不同實現這種剛度變化，例如不同的壁厚度或 機械強度。通過兩個本體的不同剛度，由例如錐導致彎曲而形成的半
徑將不同于圖3A和3B中所示的。如果帶有最小彎曲半徑的本體是外 管狀區段，則兩個本體之間在薄膜應力拉直管之前存在相互作用。結 果在兩個管狀區段之間形成殘余應力。
在膨脹之后，在兩個相鄰管狀區段之間一個處于另一個內部的交 接面上的殘余應力也可以利用管狀區段上不同的基體材料性能(流變 能力)而產生。為了以這種方式實現殘余界面應力，外管狀區段在松 弛狀態下必須具有比內管更高的屈服應力。這樣，外管狀區段的彈性 回彈比內管狀區段長。在一點處，內管狀區段松弛，而外管繼續回縮， 如圖4所示。由此，系統將通過回縮至壓縮狀態并通過外管上的某些 殘存張力相對平衡的內管而進入平衡狀態。這導致管狀區段之間形成 密封應力。
殘余應力可以通過在由錐形裝置膨脹的管兩端出現的特殊形狀產 生。在端部出現的效應是端頂朝中心線彎曲，如圖5B所示。這種效 應的原因是管離開錐時彎曲的剛度與離開錐后拉直管的作用力之間的 相互作用。拉直管的作用力是相鄰的管材料。就端部來說，沒有材料 留下在任一方向拉直端部。這就導致在管離開錐后形成殘余彎曲。如 果管的彎曲片段遇到其本身內的直管片段，從而迫使向內彎曲成更直 的形狀，如圖5C所示，可以產生殘余應力。
附帶的權利要求中所限定的發明不局限于如上所述的例子。因而， 管狀連接件如圖6所示，該例子標記為A)，其由管狀區段8、 9構成， 管狀區段8、 9通過錐形的陰滑動部分和陽滑動部分連接，其中外、內 "管區段"采用設置在所連接的滑動部分7周圍的外、內環或套筒10、 11的形式。套筒10、 11沿螺紋部分伸展并縱向超過螺紋部分，套筒 10、 11 一端優選通過焊接部12連接到內管狀本體上，以使套筒在膨 脹操作時保持在適當位置。外套筒具有比內管區段減少的厚度，以獲得如上所述的殘余應力。在圖6A)所示的例子中，環或套筒10、 11 設置在管區段8、 9的凹部中。但是，這不是必需的，它們可以完全設 置在管區段的內部或外部，不需要這樣的凹部。
進一步，如圖6所示，該例子標記為B)，該連接件可以由帶有徑 向突出的圓形部分14的內管狀區段13構成，該圓形部分14具有較大 直徑，并延伸入外管狀區段15,外管狀區段15帶有相應的向內延伸 的圓形部分16，圓形部分16具有較大直徑。與例子A)—樣，在該 例子中，殘余應力是通過相鄰管狀區段13、 15之間由于外管狀區段和 內管狀區段的不同壁厚度引起的不同相對剛度而獲得的。作為選擇， 也可以通過在兩個相鄰管狀區段17、 18之間引入更易成形的金屬19 實施殘余應力，如圖6所示，該例子標記為C)，從而增強連接件的金 屬對金屬密封能力。易成形的金屬19可以設置在滑動部分20、 21之 間，如圖所示，并可以充當
i) 兩個管狀區段之間的分離器，以增強如上所述的效果，
ii) 膨脹處理期間由金屬流動激起的化學界面鍵合，導致氧化膜 破裂和實現初期金屬對金屬接觸，
iii) 填充所有可能空間的金屬"墊圏"部件。 氣密連接件中金屬對金屬密封的API需要將"墊圏"材料限制為
金屬。純鋁是這樣的金屬，其更易成形，并在壓力和變形導致氧化膜 破裂以及鋼和鋁形成緊密接觸時與鋼建立良好的化學鍵合。
另一種材料是銀，其在與鋼緊密接觸時具有極好的耐腐蝕性。
另一種選擇也是化學鍵合，例如，具有低屈服強度的金屬，其在 不同元件(反應物)之間產生緊密接觸(可能在升高的溫度/壓力下) 之后或管金屬膨脹而產生緊密接觸之后與管金屬形成內部金屬鍵或化 學反應。
鋼是迄今為止用于套管用途的最常用的材料。對這種技術來說， 基體套管和連接件可以是廣泛用于傳統套管的標準API 5CT L80或 X80。作為選擇，也可以使用具有較高伸長性的材料，以通過膨脹處 理中的斷裂實現更高余量的失效。如上所述，可以通過不同的機械性能激起密封。
結合標準L80套管，在L80外面應當需要具有更高屈服應力的材 料，或者在L80內部具有更低屈服應力的材料。
權利要求
1. 一種氣密管狀接頭或連接件，尤其是涉及管形式或套管形式的單直徑管狀本體，例如與油和/或氣的開采或生產相關而使用，其中，管或套管由管狀區段制成，管狀區段在各自端部互連之后，最終通過膨脹成型，其特征在于，管或套管由至少兩個管狀區段形成，一個為外管狀區段，一個為內管狀區段，每個相應區段的端部搭接在下一個、隨后的管狀區段上，由此，內管狀區段、中間管狀區段或外管狀區段中的一個或多個具有不同的金屬材料和/或不同的厚度，并在變形過程中，在搭接區塑化或塑性變形，形成金屬密封，并從而在膨脹的管狀管/套管的內部與外部之間提供氣壓完整性。
2. 如權利要求1所述的氣密管狀連接件，其特征在于該連接件 包括一個內管狀本體(8),其中管狀區段(9、 IO)通過錐形的陰滑動 部分和陽滑動部分相互連接在一起，以及其中外環或套筒(11)設置 成外管狀區段，套筒(11)沿螺紋部分伸展并縱向超過螺紋部分，套 筒(11) 一端優選通過焊接部(12)連接到內管狀本體上，以使套筒 在膨脹操作時保持在適當位置。
3. 如權利要求1所述的氣密管狀連接件，其特征在于該連接件 可以由帶有徑向突出的、優選圓形的部分(14)的內管狀區段(13) 構成，所述部分(14)具有比內管狀區段外徑更大的直徑，并延伸入 外管狀區段(15)，外管狀區段(15)帶有相應的向外延伸的圓形部分(16)，所述圓形部分(16)具有比管狀區段內徑更大的直徑。
4. 如權利要求1所述的氣密管狀連接件，其特征在于基于化學 反應鍵合的金屬和/或易成形材料、優選為金屬(19)設置在兩個相鄰 管狀區段(17、 18)之間，由此在每個相鄰區段(17、 18)之間的每 個連接處的滑動部分(20、 21)之間提供易成形材料。
5. 如權利要求1所述的氣密管狀連接件，其特征在于管狀套管 由三個或三個以上的管(1、 2、 3)構成，在連接處一個處于另一個內 部，每個帶有各自的連接件，由此不同管和連接件(4、 5、 6)相互軸 向偏離，并間隔距離8。
全文摘要
氣密管狀接頭或連接件，尤其是涉及管形式或套管形式的單直徑管狀本體，與油和/或氣的生產相關使用，其中，管或套管由管狀區段制成，管狀區段在各自端部互連之后，最終通過膨脹成型。管或套管由至少兩個管狀區段形成，一個為外管狀區段，一個為內管狀區段。每個所述相應區段的端部搭接在下一個、隨后的管狀區段上，由此，內管狀區段、中間管狀區段或外管狀區段中的一個或多個具有不同的金屬材料和/或不同的厚度，并在變形過程中，在搭接區塑化或塑性變形，形成金屬密封，并從而在膨脹的管狀管/套管的內部與外部之間提供氣壓完整性。
文檔編號E21B43/10GK101432499SQ200780012748
公開日2009年5月13日 申請日期2007年2月16日 優先權日2006年2月17日
發明者S·特維爾里德 申請人:諾爾斯海德公司