專利名稱：用于連接鉆井立管柱和它的組成部分的方法和裝置的制作方法
用于連接鉆井立管柱和它的組成部分的方法和裝置
背景技術(shù)：
海上鉆機(例如固定平臺、自升式平臺、浮動和/或半水下平臺以及動態(tài)定位的鉆 井船)用于從較大水體的水底下面生產(chǎn)烴。立管柱通常布置在浮式鉆機和海底的井口之 間。普通的海上立管包括由鐵金屬制(例如鋼)成的圓柱形管或柱，該圓柱形管或柱垂直定 位在海底和海面的鉆井平臺之間。立管通常包括多個部分或接頭，這些部分或接頭在海面 和井身之間首尾連接成管柱。日益增加的在更深的水中鉆井的要求需要使用附加的立管， 以便橫跨從海底至浮式平臺的距離。在一個實例中，普通的鉆井立管包括厚壁的主管，該主管的OD為21英寸，具有在 各端處的焊接連接件(通常為凸緣)。壓井和阻流管線、升壓器管線和液壓管線通過在凸緣 中的連接件而環(huán)繞主管，并由夾子支承?，F(xiàn)有的設(shè)備能夠擠出36英尺(Ilm)的管，該管具 有直到22. 4英寸(570mm)的OD和1. 2英寸(30mm)至1. 4英寸(35mm)的壁厚。維護管線 利用焊接夾帶與主管連接。需要夾子來防止維護管線彎折，并阻止浮動模塊移動和提供用 于防腐蝕單元的支承。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明提供了一種用于海上鉆井操作的改進立管。根據(jù)本發(fā)明的一個實施 例，用于海上鉆井中的立管裝置包括多個立管部分，這些立管部分首尾連續(xù)連接，其中，每 個立管部分都包括管，該管具有第一端和第二端；第一凸緣件，該第一凸緣件與管的第一 端機械連接；以及第二凸緣件，該第二凸緣件與管的第二端機械連接，其中，管包括沿長度 的可變壁厚。在又一實施例中，本發(fā)明涉及多個立管部分，這些立管部分首尾連續(xù)連接，其中， 每個立管部分都包括管，該管具有第一端和第二端；第一凸緣件，該第一凸緣件與管的第 一端機械連接；以及第二凸緣件，該第二凸緣件與管的第二端機械連接，其中，管由鋁合金 構(gòu)成，凸緣件由鋁合金構(gòu)成。在另一實施例中，立管裝置可以選擇地包括一個或多個輔助管線，該輔助管線提 供了與防噴器的液壓連通。該輔助管線可以包括(但不局限于)阻流和壓井管線、液壓管 線以及升壓器管線。與提供輔助管線相關(guān)，還可以提供伸縮接頭，以便能夠隨著由于例如洋 流、波浪和風等因素產(chǎn)生的浮式鉆機的運動而拉伸立管。為了更完全地理解本發(fā)明，包括它的特征和優(yōu)點，現(xiàn)在結(jié)合附圖進行下面的詳細 說明。


通過下面的參考附圖的說明和權(quán)利要求，將清楚本發(fā)明的其它目的、優(yōu)點、特點和 特征結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)的相關(guān)元件的方法、操作和功能以及部件的組合和制造的經(jīng)濟性，全部附圖 形成本說明書的一部分，在各附圖中，相同參考標號表示相應(yīng)的部件，在附圖中圖1是本發(fā)明的一個實施例，顯示了錐管/偏梯形/裂口螺紋的連接；
圖2是本發(fā)明的一個實施例，顯示了熱縮套筒的連接；圖3是本發(fā)明的一個實施例，顯示了開口環(huán)的連接；圖4是本發(fā)明的一個實施例，顯示了鍛造鎖的連接；圖5是本發(fā)明的一個實施例，顯示了自旋鎖的連接；圖6是本發(fā)明的一個實施例，顯示了磁形式(Magna-Form)鎖的連接；圖7是本發(fā)明的一個實施例，顯示了擴口 &鎖的連接；圖8是本發(fā)明的一個實施例，顯示了開口鍵鎖的連接；圖9是本發(fā)明的一個實施例，顯示了水力形式鎖的連接；圖10和10A-10C是本發(fā)明的實施例，顯示了超級螺母類型連接件的連接；圖11是本發(fā)明的一個實施例，顯示了型鋼鎖類型接頭的連接；以及圖12和12A是本發(fā)明的一個實施例，顯示了開口凸緣的連接。在不同附圖中的相應(yīng)標號和標記表示相應(yīng)部分，除非另外說明。
具體實施例方式海上鉆機包括由平臺承載的塔架。平臺通過一個或多個浮筒的支承而浮在海底上 面的水體中。塔架的功能主要是在部署時鉆探井身，并從井中泵送油和其它化石燃料。立管從平臺延伸至鉆探設(shè)備和防噴器(BOP)，該防噴器包括一系列的閥，這些閥能 夠關(guān)閉以便防止任何意外噴出。立管M的主要功能是引導(dǎo)鉆探管和工具至井身，并提供鉆 井泥漿的返回通路，該鉆井泥漿在該返回通路中循環(huán)。立管包括連接在一起的多個細長立管接頭或立管部分。在一個實施例中，各立管 部分具有很高的強度-重量比，這樣，各立管部分可以抵抗封閉于其內(nèi)的材料的壓力以及 適應(yīng)艙面負載和由于附加立管部分的懸浮而引起的負載。在另一實施例中，立管部分能夠 承受鉆井泥漿和鹽水的熱和腐蝕作用。立管還用于完井和修井處理。這些立管可以是單獨的立管，或者所需功能可以組 合在單個“完井/修井立管”中。完井立管通常用于使得油管懸掛器和油管延伸通過鉆井 立管和Β0Ρ。修井立管用于代替鉆井立管，以便通過外海中的水下采油樹而重新進入井中。 該立管可以用于安裝水下采油樹?！巴昃?修井”立管將組合兩者的所需功能。這些立管通 常為更小直徑(5. 25英寸ID)并使用 45英尺接頭長度來裝配。生產(chǎn)立管(或浮式生產(chǎn)系統(tǒng)立管)是在水下設(shè)備和海面平臺之間的流體導(dǎo)管。立 管是在海底的靜止結(jié)構(gòu)和動態(tài)浮式生產(chǎn)系統(tǒng)之間的界面。因此，除了它的流體和壓力容納 的主目的，它還必須適應(yīng)伴隨的動態(tài)負載。生產(chǎn)立管的直徑可以根據(jù)使用類型而明顯變化， 但是通常為12英寸的0D。生產(chǎn)立管根據(jù)類型而通過焊接或螺紋和連接接頭連接來制造。在生產(chǎn)的流體已經(jīng)通過“生產(chǎn)立管”供給浮式生產(chǎn)系統(tǒng)(或頂側(cè))之后，油與井流 (wellstream)的油、氣和水分離，然后，油通過“輸出立管”而從頂側(cè)輸送至水底管線。該輸 出立管通常為焊接鋼管結(jié)構(gòu)，并布置成簡單的懸鏈線形狀。在一個實施例中，管以及第一和第二凸緣連接件由具有一個或多個以下特性的材 料來制造最小屈服強度在大約50和大約90Ksi之間，特別是在大約68和大約80Ksi之間， 且極限拉伸強度(UTS)為至少大約58至750Ksi。在本發(fā)明的一個實施例中(但不必須)， 材料的密度為鋼密度的大約三分之一。
在另一實施例中，輔助管線可以包括(但不限于)阻流和壓井管、液壓管以及升壓 器管。輔助管線定位在管的外部，并用于提供與BOP和井口的液壓連通。在另一實施例中，一個管的一端和凸緣連接件之間是機械配合。機械配合也可以 用于將兩個大致圓柱形的管段連接在一起。機械配合代替將凸緣連接件焊接到管上的普通 方法。機械配合代替焊接方法，該焊接方法由于焊接強度總是低于母體金屬的強度而產(chǎn)生 問題。而且，焊縫和/或焊接熱影響區(qū)域的抗腐蝕性總是低于母體材料的抗腐蝕性。在又一實施例中，使用機械接頭來代替焊接接頭。合適的機械接頭包括但不局限 于螺紋接頭、螺栓或其它類型的普通機械接頭。機械接頭的優(yōu)點可以包括能夠保持接頭中 的母體金屬的特性(強度和抗腐蝕性)。在需要多個管部分來組成立管部分的另一實例中， 這些管部分可以通過連接件來連接。在又一實施例中，在接頭區(qū)域中設(shè)置密封劑。在又一實施例中，立管部分還包括螺紋插入件、螺栓和鼻銷，用于將管柱或一系列 立管部分牢固連接在一起。立管部分還包括輔助管線插口、輔助管線鎖定螺母、輔助管線 盒、輔助管線管和輔助管線伸縮銷，用于以本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的方式來將各輔助管線固 定。伸縮銷有效地用于提供在立管部分的連接件之間的間隙，以便允許拉伸運動。在又一實施例中，本發(fā)明的鋁鉆井立管系統(tǒng)包括立管部分，其中，管包括沿長度的 可變壁厚。例如，管可以在機械接頭所處的端部處較厚。在一個實施例中，管部分為大約33英尺長，其中，兩個管和兩個凸緣組成立管部 分(總共 75英尺)。本發(fā)明的方法和裝置涉及在機械接頭處增加壁厚，這減小了立管部 分的負載承載能力的總損失。在一個實施例中，厚度增加直到母體管金屬與機械接頭區(qū)域 強度的比例。例如，厚度可以在機械接頭區(qū)域處增加至少30%。在另一實施例中，管厚度沿管的長度連續(xù)變化，或者以單臺階或多臺階而變化。在 另一實例中，具有更大壁厚的管長度是變化的(例如，更短導(dǎo)致最小重量的設(shè)計，但是該長 度應(yīng)當比焊接區(qū)域(包括熱影響區(qū)域)長，以便有最大效率)。對于單臺階方法，厚度減小 的速率是另一變量(例如更快、快速)。在使用單臺階的一個特殊實例中，1-3英尺長度為 較厚部分，且在1-2英尺長度中的厚度減小。在又一實施例中，OD和/或ID是變化的。在又一實施例中，使用多種方法來制造錐體。例如，該錐體可以通過機械加工和/ 或金屬加工操作(該金屬加工操作使材料運動，而不是除去材料)來制造。對于立管應(yīng)用，本發(fā)明可以采用任何材料、任何幾何形狀和任何制造方法。在又一 實施例中，材料是鋁合金。在又一實施例中，管是擠壓管，其中，擠壓處理用于產(chǎn)生幾何形 狀。合適材料包括但不限于等級例如AA6063-T6、AA6061-T6、AA2219-T6或 AA2219-T8、AA2519-T8、AA7039-T6和AA7005-T6,或者摩擦攪動可焊接等級例如 AA7075-T6、AA7050-T76、AA7050-T74、AA7055-T77,AA7055-T76、AA7085-T6、AA7085-T76，或 者具有混合可焊接性的合金例如AA2099-T8、AA2199-T8或AA2195-T8。合適材料還包括但不限于AluminumAssociation 的 2XXX、5XXX、6XXX、7XXX 以及 該族合金的Russian等效物。在又一實施例中，合適材料還可以包括但不限于用于抗腐蝕 的Al-Li合金。圖1是本發(fā)明的一個實施例，顯示了錐管/偏梯形/裂口螺紋的連接。裂口螺紋 允許線性負載，同時鎖定局部旋轉(zhuǎn)。偏梯形螺紋設(shè)計成承載較高的軸向負載。因此，立管的管和凸緣螺紋連接，這樣，立管的管插入到凸緣中，并旋轉(zhuǎn)以便與螺紋嚙合。圖2是本發(fā)明的一個實施例，顯示了熱縮套筒的連接。凸緣或螺紋被加熱，以便膨 脹套在立管的管上面，然后冷卻以產(chǎn)生壓縮接合。其它特征可以包含在部件交界面中，以提 高機械互鎖。圖3是本發(fā)明的一個實施例，顯示了開口環(huán)的連接。開口環(huán)包括提高機械互鎖的 特征，該特征設(shè)計成凸緣或套筒或管。凸緣和套筒是開口的。通過將凸緣半部和套筒半部 螺栓連接在一起并因此捕獲立管的管而安裝在立管的管上。圖4是本發(fā)明的一個實施例，顯示了鍛造鎖的連接。工具將凸緣或套筒鍛造到立
管的管上。圖5是本發(fā)明的一個實施例，顯示了自旋鎖的連接。工具逐漸將凸緣或套筒形成 于立管的管上。當工具使立管的管進給時，該工具或組件旋轉(zhuǎn)。圖6是本發(fā)明的一個實施例，顯示了磁形式鎖的連接。磁脈沖負載將凸緣或套筒 鍛造到立管的管上。圖7是本發(fā)明的一個實施例，顯示了擴口 &鎖的連接。立管的管中的墩鍛處 (upset)或擴口被捕獲于多件式凸緣中，并螺栓連接就位。圖8是本發(fā)明的一個實施例，顯示了開口鍵鎖的連接。開口鍵環(huán)被楔入，并通過在 立管中的拉伸而被鎖定。當立管不處于拉伸時，保持環(huán)或銷將環(huán)保持就位。在一個實施例 中，凸緣環(huán)經(jīng)過鍵嚙合而被加載到立管的管上。開口鍵環(huán)安裝在立管的管上。凸緣環(huán)朝著 立管的管端往回運動，并楔入鍵環(huán)。保持環(huán)或銷安裝成將凸緣環(huán)保持就位。圖9是本發(fā)明的一個實施例，顯示了水力形式鎖的連接。立管的管的一部分膨脹 且鎖定至凸緣中。內(nèi)部壓力施加在立管的管的控制部分上?？梢允褂枚喾N接頭幾何形狀和 交界面。圖10是本發(fā)明的一個實施例，顯示了超級螺母類型連接件的連接。圖10A-10C附 加顯示了該實施例。圖12C顯示了在管上的鼻銷螺紋。螺栓的擰緊使得凸緣提高至錐形管 部分上。圖11是本發(fā)明的一個實施例，顯示了型鋼鎖類型接頭的連接。楔形件在軸向負載 的作用下產(chǎn)生壓縮箍環(huán)應(yīng)力。圖12是本發(fā)明的一個實施例，顯示了開口凸緣的連接。圖12A是附加的視圖。盡管已經(jīng)參考所示實施例介紹了本發(fā)明，但是該說明并不能在限制意義上進行解 釋。本領(lǐng)域技術(shù)人員參考該說明將清楚本發(fā)明的所示實施例和其它實施例的各種變化和組 合。因此，附屬權(quán)利要求將包含任意這些變化或?qū)嵤├?br> 權(quán)利要求
1.一種用于海上鉆井的立管裝置，該鉆井用于油或其它化石燃料，該立管裝置包括 多個立管部分，這些立管部分首尾連續(xù)連接，其中，每個立管部分都包括管，該管具有第一端和第二端；第一凸緣件，該第一凸緣件與管的第一端機械連接；以及 第二凸緣件，該第二凸緣件與管的第二端機械連接； 其中，管由鋁合金構(gòu)成，凸緣件由鋁合金構(gòu)成；以及 其中，所述立管裝置的長度為大約1500米或更長。
2.多個立管部分，這些立管部分首尾連續(xù)連接，其中，每個立管部分都包括 管，該管具有第一端和第二端；第一凸緣件，該第一凸緣件與管的第一端機械連接；以及 第二凸緣件，該第二凸緣件與管的第二端機械連接； 其中，管由鋁合金構(gòu)成，凸緣件由鋁合金構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的立管部分，其中管的第一端通過錐管/偏梯形/裂口螺紋 與第一凸緣機械連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的立管部分，其中管的第一端通過熱縮套筒與第一凸緣機械 連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的立管部分，其中管的第一端通過開口環(huán)與第一凸緣機械連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的立管部分，其中管的第一端通過鍛造鎖與第一凸緣機械連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的立管部分，其中管的第一端通過自旋鎖與第一凸緣機械連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的立管部分，其中管的第一端通過磁形式鎖與第一凸緣機械 連接。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的立管部分，其中管的第一端通過擴口&鎖與第一凸緣機械 連接。
10.根據(jù)權(quán)利要求2所述的立管部分，其中管的第一端通過開口鍵鎖與第一凸緣機械 連接。
11.根據(jù)權(quán)利要求2所述的立管部分，其中管的第一端通過水力形式鎖與第一凸緣機 械連接。
12.根據(jù)權(quán)利要求2所述的立管部分，其中管的第一端通過超級螺母類型連接件與第 一凸緣機械連接。
13.根據(jù)權(quán)利要求2所述的立管部分，其中管的第一端通過型鋼鎖類型接頭與第一凸 緣機械連接。
14.根據(jù)權(quán)利要求2所述的立管部分，其中管的第一端通過開口凸緣與第一凸緣機械 連接。
15.根據(jù)權(quán)利要求2所述的立管部分，其中管包括沿長度的可變壁厚，這樣，管在機械 接頭所處的端部處較厚。
全文摘要
在一個實施例中，本發(fā)明涉及一種用于海上鉆井的立管裝置，該鉆井用于油或其它化石燃料，該立管裝置包括多個立管部分，這些立管部分首尾連續(xù)連接，其中，每個立管部分都包括管，該管具有第一端和第二端；第一凸緣件，該第一凸緣件與管的第一端機械連接；以及第二凸緣件，該第二凸緣件與管的第二端機械連接；其中，管由鋁合金構(gòu)成，凸緣件由鋁合金構(gòu)成；所述立管裝置的長度為大約1500米或更長。
文檔編號E21B17/01GK102138036SQ200880019663
公開日2011年7月27日 申請日期2008年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月27日
發(fā)明者R·索特爾 申請人:美鋁公司