本申請要求根據巴黎公約在2014年2月12日提交的美國專利申請61/938722的優(yōu)先權，上述專利申請的全部內容通過引用并入于此。

技術領域

本公開一般而言涉及用于管的連接區(qū)段的設備和方法，且尤其涉及但不限于連接以形成用于油氣井的套管柱的管區(qū)段。在一個方面中，本公開涉及一種用于連接管區(qū)段的端部的接箍。

背景技術：

用于如石油和天然氣的碳氫化合物流體的生產的井典型地由以下方式鉆出：將鉆頭連接至由借助螺紋連接端對端連接的鉆管的區(qū)段(或“節(jié)”)組成的“鉆柱”的下端，然后旋轉鉆頭至地面中直至鉆頭穿透碳氫化合物生產地下地層。在鉆出井后，典型地需要用管狀套管使井眼排成一列以防止土壤物質坍陷至井眼內且從而部分地或完全地使井眼坍塌。因此，在鉆柱從鉆出的井眼中取出后，通常套管柱安裝在井眼中。套管柱由直徑大于鉆管且稍小于井眼的管區(qū)段組成。

典型的傳統(tǒng)套管連接包括母螺紋“套”端和公螺紋“銷”端。套端螺紋可以直接機加工在套管體的內直徑上。作為替代地(且更普遍地)，套端螺紋可以機加工在管狀接箍內，然后其螺接至套管接頭的銷端上以形成套端。銷端螺紋直接機加工至套管體的外直徑上。當套端螺紋機加工至套管體內時，其有時能削弱連接，因為必然有材料通過攻絲被去除。在某些情況下，鍛造套管體以允許因攻絲的材料去除，從而套管的螺紋區(qū)域的凈截面不少于無螺紋部分的截面面積。在大多情況下，使用接箍的連接將足夠堅固，因為接箍的壁厚經常超過套管的壁厚。

當使用接箍時，每個套管接頭將在每個端具有銷。接箍一般包括在每個端具有母螺紋套(本領域已知為“套對套”)的管狀套。接箍的一個套端螺接至第一套管接頭的銷端上(“銷對套”連接)，然后第二套管接頭的銷端螺接至接箍的另一個套中。用于連接管狀區(qū)段的所描述的工序普遍稱為“上扣”連接，斷開管狀區(qū)段的相反工序稱為“卸扣”連接。

第三套管接頭的銷端同樣地連接至第二套管接頭的另一個套端，以此類推直至套管柱已經組成至期望的長度。在完整套管柱安裝在井眼中后，通過引入膠凝漿液至套管柱的外表面與井眼之間的環(huán)狀空間內，將其粘接到位。

井大多普遍地使用如上所描述的鉆井和套管工序鉆出。然而，對于待鉆的井以下方式已經逐漸地變得普遍：使用作為鉆柱的，有連接至套管柱下端的鉆頭的套管(工序普遍稱為“套管鉆井”或“用套管鉆井”)。當井眼到達目標地層時，套管柱簡單地粘接到位。該工序必然會在地下留下鉆頭，鉆頭的成本比通過不需用分離的鉆柱并從井眼中將其取回，然后單獨操作將套管下至井眼內來節(jié)約的時間和金錢要更有價值。

全世界的油氣井經歷過由于超出連接的拉伸、壓縮、扭轉和/或撓曲(如彎曲)能力造成的套管連接的失效。在使用定向鉆井技術鉆出的和需要相當地急劇彎曲地(“狗腿彎曲”)斜井(如非豎直)中，和在地下地層對運動敏感的情況下會有特別的問題。這種運動可由碳氫化合物生產過程引起蒸汽注入地層中而引發(fā)，結果在套管內引發(fā)張緊、壓縮、扭轉和/或撓曲應力。影響此套管連接失效的一個因素是：普遍地用于套管的在管區(qū)段上的攻絲趨于沒有在典型鉆管上的攻絲堅固。多年來，許多可替代連接設計和概念已經引入以處理這些問題，但在上述嚴峻條件下即使“優(yōu)質”的螺紋設計也將失效。另外，值得注意的是：即使事實上套管已經粘接至井眼內，套管連接失效仍然可能發(fā)生。

在以下段落中，在不同的鉆井情境的背景下進一步詳細討論前述問題。

定向鉆井

當鉆斜井或定向井時，不斷地作出對鉆頭的方向的校正。當作出打斷校正以使鉆頭重回正軌時，這可能在井中引起嚴重的狗腿彎曲。狗腿彎曲指的是在鉆出的井眼中的有角度的變化(如，30°狗腿彎曲指的是觀察或測量超過100英尺長的井眼，在井眼的方向或定向上的30°的總體角度變化或偏向)。當這種極端彎曲發(fā)生在井眼中時，當套管運行至井眼內時套管必須穿過這個狗腿彎曲。套管柱和單個套管接頭之間的所有連接必須穿過這個彎曲而不在結構上過分的拉緊。一旦安裝套管，一個或多個套管連接可常駐在這個狗腿彎曲內。這將在狗腿彎曲區(qū)域中的套管和連接中引發(fā)結構應力(主要是彎矩)，該應力趨于分離在每個連接中的配對螺紋。這可能導致在這些螺紋連接的密封能力方面的劇烈降低，且在許多情況下可發(fā)生整個連接失效。

蒸汽注入

許多新井設計，特別是那些開發(fā)的或計劃用于重油的生產或從含油砂(或者它們有時被稱為“焦油砂”)中提取瀝青的設計，需要注入蒸汽至含烴底土地層內以降低石油或瀝青的粘性從而它能流至表面。這樣的一個著名的例子是蒸汽輔助重力泄油方法，或SAGD。這種蒸汽注入能引發(fā)在地層中的局部的移位運動，其可能引起作用在套管連接上的張緊、壓縮和/或彎曲載荷。

與井的水平區(qū)段相比，底土地層的移位在井的偏移區(qū)段中最嚴重，但失效可能且確實發(fā)生在兩種情況下。因為蒸汽進入和滲透底土物質(如在含油砂地層中)，它加壓地層，從而引起類氣球效應：對上方、下方和側方鄰近于蒸汽區(qū)域的鄰近地層區(qū)域施加壓力。若存在粘接通過遭受不同的壓力的鄰近地層區(qū)域的套管柱，則套管可能遭受導致套管連接失效的極端結構應力。

由于這種類型的套管失效的風險，許多井將端接在蒸汽區(qū)域上方的中間套管柱(定向或增斜井段)且用別一個裝備有可移動套管掛的套管柱繼續(xù)水平區(qū)段。然而，中間套管的底部將仍遭受蒸汽引發(fā)的運動。因為地層在體積上膨脹(由于蒸汽注入)或者在體積上收縮(由于蒸汽冷卻)，這會引發(fā)側向(即橫向)作用于套管的載荷，因此在套管中引發(fā)局部彎曲應力。這種作用在套管連接上的側向或者橫向載荷會強迫一個套管接頭的銷端在接箍內彎曲，從而強迫公銷螺紋與配對的接箍套上的母螺紋分離，因此降低了螺紋接觸表面面積，且因此降低連接的有效密封面積。

在某些情況下，這種在套管連接上的側向載荷的實際后果不會嚴重，如當套管在軸向壓縮下，其會在連接中部分或全部抵消彎曲所引發(fā)的張緊應力。然而，當被在套管中的軸向張緊加重時，變弱的連接可能或者泄漏或者完全失效(如斷開)。

當套管柱遭受地層運動(如蒸汽所引發(fā)的)和井眼增斜(如狗腿彎曲)的結合時，連接失效是更有可能的。當滿足目標要求時，大部分嚴重的狗腿彎曲好像朝向井的增斜區(qū)段的底部發(fā)生。同時，大部分地層運動趨于在此相同的區(qū)域中發(fā)生。當側向載荷施加至套管連接時，銷端會彎曲且在接箍中使銷螺紋與套螺紋分離。因為沒有什么保持兩個配對螺紋在一起，由于在螺紋接觸面積的減少連接的強度變弱。

當螺紋高應力導致管接箍徑向膨脹且允許螺紋彼此位移時，發(fā)生典型的連接失效。這導致了泄漏路徑的形成和/或接箍連接的災難性失效。當在張緊中高應力螺紋遭受另外的彎曲或扭轉載荷時，這是典型地發(fā)生的。許多可商購的螺紋設計已經設計以克服這些應力，或至少提升可接受的應力極限。當接箍關于套管是本質上軸向地剛性的，且連接處同時遭受高幅值的軸向張緊和彎曲時，發(fā)生另一種典型的連接失效。此例中的連接的典型失效導致套管在切削至套管的外側上以形成銷螺紋的螺紋的起點處的局部屈服。該局部屈服是由在小面積中非常高的應力造成的，且若重要的應變增加至這個應力，最終會產生套管失效。

已知的已經提出的接箍的例子在以下美國專利中描述：4712815、6609735、7347459和8167340。

需要改進連接管狀區(qū)段的方式，例如連接套管接頭，尤其是當管狀連接遭受側向載荷時，以最小化密封能力和/或結構強度的損失。這種載荷可以起因于由蒸汽引發(fā)的地層運動和由于井眼構造(如在傾斜井眼中的狗腿彎曲)出現的其它類型的載荷或者其它操作因素。

技術實現要素：

總之，本發(fā)明提供一種接箍和一種用于連接兩個管的聯接方法，兩個管如套管接頭。在一個方面中，本發(fā)明的接箍包括波紋區(qū)段，該波紋區(qū)段為接箍提供響應上述側向應力或載荷的撓曲度。這種彎曲降低傳輸到將接箍連接至管的螺紋的側向應力或載荷。

在一個方面中，本發(fā)明通過以下方式提供一種連接兩個具有螺紋端的管狀構件的方法：提供具有與設置在管狀構件上的螺紋互補的相對的螺紋端的接箍，以及提供具有集中任何彎曲應力遠離螺紋連接的幾何結構的接箍。

這樣，在一個方面中，本發(fā)明提供一種用于連接兩個管段的管接箍，每個管段包括銷端，該銷端包括具有設置在其外表面上的螺紋部分的區(qū)段，接箍包括：

大體的管狀體，該管狀體具有延伸通過其的孔、外表面、內表面和相對的第一端和第二端；

每個第一端和第二端的內表面包括適于接合對應的管段的螺紋部分的螺紋部分；以及上述波紋的內表面；

接箍的外表面包括波紋區(qū)段的外表面，借此，接箍區(qū)段的厚度維持以提供扭轉剛度和硬度，同時使有限的角度偏轉一般中心地沿著接箍的長度。

在另一個方面中，本發(fā)明提供一種用于連接兩個管段的接箍，每個管段包括銷端，該銷端包括具有設置在其外表面上的螺紋部分的區(qū)段，接箍包括：

大體的管狀體，該管狀體具有延伸通過其的孔、外表面、內表面和相對的第一端和第二端；以及，

波紋區(qū)段，該波紋區(qū)段位于第一端和第二端之間；

每個第一端和第二端的內表面包括適于接合對應的管段的銷端的螺紋部分的螺紋部分；

波紋區(qū)段適于適應橫向偏轉同時維持基礎管段的扭轉、壓縮/張緊和壓力性能特性。

在另一個方面中，本發(fā)明的接箍包括波紋區(qū)段，波紋區(qū)段用于適應在銷和套連接的螺紋區(qū)段上正常遭受的彎曲/橫向應力。

在另一個方面中，設計本發(fā)明的接箍以使彎曲/橫向載荷不會不利地影響公螺紋和母螺紋之間的螺紋接合。

在另一個方面中，本發(fā)明的接箍中，波紋區(qū)段的半徑和區(qū)段的厚度能調整以適應最佳的彎曲/橫向剛度，從而最小化在鄰近的管和它們相關的螺紋上的應力。

在另一個方面中，本發(fā)明的接箍進一步地包括第一扶正器環(huán)和第二扶正器環(huán)，每個位于接箍的相對端。第一扶正器環(huán)和第二扶正器環(huán)優(yōu)選地包括具有減小的內徑的接箍區(qū)域且設置在接箍的螺紋部分的與銷密封環(huán)相對的一側。

在另一個方面中，本發(fā)明的接箍包括至少一個銷密封環(huán)，銷密封環(huán)用于倚靠于鄰近管狀構件的銷端。銷密封環(huán)引導彎曲/橫向載荷至接箍的波紋區(qū)段內。

附圖說明

本發(fā)明的特征從參考下面附圖的詳細描述中將變得明顯，其中：

圖1是根據本發(fā)明的一個方面的接箍的截面圖。

圖2是根據本發(fā)明的另一個方面的接箍的截面圖。

圖3是表示根據本發(fā)明一個方面的接箍的有限元分析(FEA)的圖的局部截面圖。

具體實施方式

如圖1和圖2中所示，本公開教導了一般圓柱形接箍2的實施例，接箍2具有形成在接箍體內的波紋的應力，或者應變消除段20。波紋段20優(yōu)選地形成至接箍2的中心區(qū)域內。在圖中所示的實施例中，波紋段20包括兩個形成在接箍2的外表面上的“谷”4和6，每個“谷”在也形成在接箍2的外表面的上的“峰”5的相對側部。在本發(fā)明的一個方面中，特別地，在接箍2的壁厚一般維持恒定的情況，峰5的形成導致谷7形成在接箍的內表面上。在此已經用前述的峰5及谷4、6和7描述了波紋段20。然而，可以理解的是：如在此處所用的術語“波紋”意在包含具有任意數量的這樣的峰和谷的區(qū)段。因此，本說明書并不限于圖中所示的具體實施例。

在圖示的實施例中，接箍關于穿過波紋或者波紋區(qū)段20的橫向平面對稱。然而，盡管此對稱便于接箍的制造和利用兩者的目的，但它并不是必要的，且這樣的對稱可不存于可代替的實施例中。

圖1示意地闡明了根據本發(fā)明一個方面的接箍。如圖示，接箍2包括在接箍端部之間延伸的中心孔。中心孔鄰近每個接箍端部具有波狀的圓柱形孔區(qū)段，且典型地，每個圓柱形孔區(qū)段以錐形孔區(qū)段過渡，所述錐形孔區(qū)段在接箍2內向里前進時其直徑減少，并具有錐形母螺紋。為了圖示的方便，螺紋在圖1中沒有示出。

在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，一個或多個的圓柱形或者銷密封環(huán)8設置或形成在接箍2內，一般地在錐形孔區(qū)段之間的中心區(qū)域中。銷密封環(huán)8，優(yōu)選地將具有對應于連接至接箍的管狀構件1的孔的內直徑。即，環(huán)8的壁的尺寸形成為一旦這樣的構件連接至接箍，便與管狀構件1的端面接觸。如圖1和圖2所示，選定圓柱形環(huán)8的軸向長度和位置以使當管狀構件1的銷端螺紋連接到接箍2內時，其將緊緊地肩頂至圓柱形環(huán)8的面，從而優(yōu)選地形成如本領域已知的不漏流體的金屬對金屬密封?？紤]到此功能，圓柱形環(huán)8可作為代替地稱為銷密封環(huán)。同樣如圖1和圖2所示，接箍2優(yōu)選地設有基本上兩個銷密封環(huán)8，每個適用于緊靠各自的管狀構件1的銷端。不過，由于它們作為具有兩個相反面的單個元件起作用，所以銷密封環(huán)在此處將以單數形式參考。如在回顧本說明書過程中所理解地，銷密封環(huán)8在接箍上的存在是優(yōu)選的但不是強制的。在一個優(yōu)選的實施例中，銷密封環(huán)8形成為接箍的內表面的一部分。在另一個實施例中，銷密封環(huán)8可為設置或放置在接箍的孔內的單獨元件。銷密封環(huán)8也有助于引導任何朝向接箍2的中心體部分和遠離接箍和管狀構件1之間的螺紋連接的偏轉應力。

一些現有技術連接設計依賴螺紋對螺紋的接觸以在接箍內提供不漏流體的密封，但是這些連接已經被經常發(fā)現不能充分地將彎曲載荷傳遞至遠離聯接區(qū)。然而，采用如圖1和圖2所示的接箍的優(yōu)選結構，即使會發(fā)生螺紋分離，也能維持有效載荷傳遞，因為在負載條件下每個管狀構件1的銷端將依然肩頂各自的銷密封環(huán)8。

可選地，在本發(fā)明的一個方面中，如圖2中所示，接箍2可設置有扶正器或者載荷偏轉環(huán)9。扶正器環(huán)9用于增強和/或維持在銷端和銷密封環(huán)8之間的角度載荷傳遞的效力，以及除去來自螺紋3的橫向載荷。在一個方面中，接箍2的孔優(yōu)選地機加工以形成鄰近接箍2的每個端部、在母螺紋3的外側的扶正器環(huán)9。在本發(fā)明的一個方面中，每個扶正器環(huán)9的內直徑優(yōu)選地規(guī)定尺寸以提供至管狀構件1的外直徑的緊公差配合。這進一步確保了管狀構件1的銷端將保持與銷密封環(huán)8的各自面適配，盡管外部載荷在管柱中引發(fā)了彎曲。另外，扶正器環(huán)9用于削弱套管柱遭受的被螺紋3吸收的側向應力或載荷的傳輸，并轉移這些載荷至接箍2的波紋區(qū)段20內，然后至附加的管狀構件1的本體上。特別地，當管狀構件1和銷在接箍2內彎曲(或者嘗試彎曲)，扶正器環(huán)9和銷密封環(huán)8將反抗管狀構件1的外表面和銷面，從而防止在接箍2內的銷端的任何變形，否則這會引發(fā)在接箍2內的銷和母螺紋3的螺紋分離。

為了這個目的來提升扶正器環(huán)9的更大的效力，管狀構件1的每個端部可機加工在鄰近公螺紋10的外圍區(qū)域中以確保在扶正器環(huán)9內精確配合，由此，允許一定程度的截面不圓度，其可由按慣例制造的管展現。

因為扶正器環(huán)9將保持公螺紋和母螺紋3在接箍2內共同同心，通過接箍的軸向的張緊和壓縮能力不會降低，因為在接箍中的套管將遭受由引發(fā)在或者施加在管柱的彎矩和橫向力引發(fā)的螺紋分離。進一步地，通過允許經如圖3所示的接箍波紋管區(qū)段20的偏轉，具有銷密封8和扶正器環(huán)9的接箍2顯著地降低在螺紋3上的彎曲/橫向載荷。

當設置有扶正器環(huán)9時，額外的好處是它們可在連接上扣操作期間用作對扣引鞋。

如本領域技術人員所理解地，波紋區(qū)段20設計和構造為確保接箍2作為一個整體維持足夠的結構強度以抵抗預期的工作中載荷。在某些情況中，當管狀構件1被連接時，這可要求通過波紋區(qū)段20的截面具有相同的軸向壓縮和張緊能力，但這將不必要如此(因為載荷條件可變化，且在某些情況中，所選管狀構件的結構強度可顯著地超過設計要求)。

接箍2兼容于或者能適用于使用任何已知的用于連接油田管件的螺紋設計。許多已有的接箍設計構造為，當管狀構件擰入接箍時向被連接的管狀構件的銷端提供面對面密封。使用根據本公開的接箍將實現類似密封，但代替兩個銷頭部密封于彼此，它們密封于銷密封環(huán)8。因為在接箍2的制造期間銷密封環(huán)9關于母螺紋的位置能被精確地控制，所以防止了起源于傳統(tǒng)接箍的不精確對扣組成的密封問題。例如，若傳統(tǒng)接箍擰至第一管狀構件的銷端上太遠，在第二管狀構件的錐形公螺紋完全嚙合在接箍中的匹配的母螺紋之前，擰入至接箍的另一個套中的第二管狀的銷端可緊靠第一管件的銷端。這樣限制了將彎曲或者橫向載荷通過接箍傳遞至鄰近管狀構件內的能力。使用根據本公開的接箍不會發(fā)生這個問題，因為銷密封環(huán)8用于限制能容納在接箍2內的管狀構件1的長度。

在可替代的實施例中，接箍2可制造為沒有銷密封環(huán)8以適應不需要銷頭部密封的連接，然而橫向/彎曲載荷抵抗可能會被限制。

總之，當側向載荷施加至根據本公開的連接組成的套管柱時，在接箍的螺紋中和銷端處管所引發(fā)的應力將少于使用傳統(tǒng)接箍將引發(fā)的應力。接箍設計為將偏轉應力傳遞至遠離螺紋區(qū)段并到波紋區(qū)段20內，在波紋區(qū)段20處應力可以被接納。不顧施加至套管柱的彎曲/側向應力，扶正器環(huán)9和銷密封環(huán)8的結合將維持銷和母螺紋大體上的軸向關系。扶正器環(huán)也能在連接對扣期間用作對扣引鞋。

位于接箍中心處的波紋區(qū)段20將當作響應引發(fā)的彎曲應力的拐點，由此降低彎曲引發(fā)的可在連接內導致局部螺紋分離的偏轉，而不會將連接的結構強度降低至低于設計要求。該柔性區(qū)段能調整幾何形狀和段厚以提供如所期望的寬范圍的抗彎曲性能。

如上所討論，本發(fā)明的接箍允許加在管柱上的任何應力轉移至遠離接箍的螺紋連接。這些應力相反地傳遞至波紋區(qū)段20和/或至鄰近的管狀構件的本體，它們一般設計或適于彎曲。同樣地，本發(fā)明的接箍能“調整”為如上所述的使接箍按需要吸收同樣多的應力。即，在某些情況中，對于接箍可以優(yōu)選地設計為比鄰近的管件的強度小或大。因此，這將使接箍吸收更少或更多的可能發(fā)展的彎曲應力。將以此方式適應的接箍的能力允許管柱將發(fā)生彎曲或者屈曲處的調整并也避免可能發(fā)生的管柱的任何的扭結。如本領域已知的，管柱的扭結導致在管柱的內腔中的障礙，此障礙可妨礙工具等通過其的運行。

本領域的技術人員可以輕松地領會：本公開實施例的各種變型在沒有脫離本公開的范圍和教導情況下可以被設計，包括可使用將來構思或開發(fā)的等同結構或材料的變型。尤其需要理解的是：本公開沒有意在限于任何描述或圖示的實施例，且公開的或權利要求的元件或特征的變化的替代，在沒有在操作或功能上的任何實質的結果變化的情況下，將不構成對本公開的范圍的背離。還應當領會：此處描述和討論的實施例的不同教導可分別使用或者以任何合適的組合使用以產生期望的結果。

在本專利文檔中，任何形式的詞“包括”應當以非限制性意義理解以表示包括這樣的詞后面的任何項，但排除沒有具體提及的項。由不定冠詞“一(a)”引用的元件不排除存在多于一個此元件的可能性，除非上下文清楚地要求有一個和僅一個此元件。術語“連接”、“接合”、“聯接”、“附接”，或者其它描述元件之間相互作用的術語的任何形式的任何使用并不表示限制此相互作用為主題元件之間的直接相互作用，且還可以包括元件之間如通過第二或者中間結構的間接相互作用。如“平行”、“垂直”、“同心”、“相交”和“等距”的關系術語不意在指示或要求絕對的數學或幾何的精確。因此，這些術語應該理解為僅指示或要求大體精確(如“大體平行”)除非上下文清楚地另外要求。如本文檔中所用，術語“典型”和“典型地”以有代表性的或者普通的使用或實踐的意義使用，且不應該理解為暗示必要性或不變性。

盡管本發(fā)明已經參考某些特定的實施例進行了描述，其各種變形對于本領域技術人員將是顯而易見的。任何此處提供的例子被列入唯一地用于闡明本發(fā)明的目的，且并不意在以任何方式限制本發(fā)明。任何此處提供的附圖唯一地用于闡明本發(fā)明的不同方面，且并不意在等比例繪制或者以任何方式限制本發(fā)明。對此附加的權利要求的范圍應該不限制于在上述描述中提出的優(yōu)選實施例，但應該給予最寬廣地與本說明書作為整體一致的解釋。此處列舉的所有現有技術的公開是通過它們的全文引用結合到此處。