專利名稱：連接可膨脹管的方法
技術領域：
本發明涉及一種連接可膨脹管的方法。
背景技術：
可膨脹管越發應用于石油與天然氣的開采井，可包括因擴展而變寬的槽或其他穿孔，或可具有被由例如擴展錐和/或一組輥子等擴展裝置周向拉伸的連續的“無槽”管壁。
由于焊接會在焊接區域引起至少一些管壁的強化和/或弱化，強化會妨礙甚至中斷擴展工序，反之弱化會導致管體容易在焊接區域塌陷、彎曲和/或爆裂，所以可膨脹管通常通過機械式連接器進行連接。
另外，在需要焊接帶槽襯管時，存在一些需要克服的特殊問題。第一種情況，帶槽可膨脹管不易被完全密封地進行非氧化氣體或還原氣體或氣體混合物的沖洗和空氣的移除。第二種情況，直接焊接帶槽可膨脹管的端部還會導致管端部的槽也被一并焊死。這樣，不但阻礙了擴展，還限制了帶槽可膨脹管的固有功能。
國際專利申請WO 98/33619公知了由無定形結合方法連接可膨脹管的方法，還有國際專利申請WO 0230611公知了通過激光焊接連接可膨脹管的方法。但是，這些連接技術消耗時間，并且需要對管端部之間進行非常精確的定位以及將管端部加工成極其精確的平面形狀，所以這些技術不能實際應用于例如鉆井裝置、海上油田平臺或管道鋪設船只。
發明內容
本發明的目的在于提供一種通過相對快速且簡單的焊接操作連接可膨脹管的方法，與現有焊接技術相比能夠更容易實施于鉆井裝置、海上油田平臺或管道鋪設船只，由該方法可得到高質量焊接，從而將在焊接區域的管壁強度的變化降低至最小程度。
本發明的方法包括通過鍛焊對所述管進行連接，同時，在鍛焊操作的至少一部分中，使還原沖洗氣體環繞沖洗被加熱的所述管端部，以便，從被鍛焊的所述管端部去除氧化物，并限制所述被鍛焊的管端部之間的不規則部的量；徑向地擴展被連接的所述管。
所述管可包括在或靠近被鍛焊的端部的槽和/或其他穿孔，在鍛焊工序中，用耐熱填料填充該槽和/或其他穿孔。
可選地，通過使高頻電流在圓周方向流過將要被連接的所述管端部附近的管壁而加熱所述管端部，并且所述耐熱填料包括導電陶瓷材料。另外，最好提供一圍繞焊接區域的氣封，以使非氧化氣體或還原氣體或氣體混合物沖洗于延長的內部和外部密封區域。
在鍛焊操作前，要進行連接的管端部可一起擴展并折疊為大致相似的凹陷形或褶皺形，此后，凹陷形或褶皺形的管端部被鍛焊在一起，并在隨后的管擴展工序中被展開為大致圓柱形。這種情況下，所述管在焊接端部區域可具有無槽的、基本連續的管壁，并可包括離開焊接端部的一系列交錯的槽和/或其他穿孔，這樣，在擴展管時，被焊接的、最初為凹陷形或褶皺形的管端部展開為大致圓柱形，并且所述槽和/或其他穿孔也變寬。
所述管可通過鍛焊進行例如向下進井地連接，其中，加熱管端部到鍛焊溫度，并且在鍛焊操作的至少一部分中，在使還原沖洗氣體環繞沖洗被加熱的管端部時，將其壓在一起。在這種情況下，管端部可至少部分地相互重疊搭接，并且將鍛焊裝置插入內管，該鍛焊裝置加熱所述管端部，使還原沖洗氣體沖洗在重疊搭接的所述管端部之間留下的任何間隙，并隨后將所述內管的被加熱的端部的外表面壓到外管的內表面，以通過鍛焊連接所述管端部。
可選地，所述管端部為齒形或具有互補的正弦曲線形，以緩和在擴展和/或展開工序中對被鍛焊的管端部施加的力。
優選沖洗氣體為由基本為惰性的氣體與還原氣體組成的非爆炸性混合物，該混合物包含有體積為90％以上的如氮、氦或氬等的基本為惰性的氣體、和體積為2％以上的氫。
可使用多種加熱技術來使管端部達到足夠的熱度，以便能進行冶金接合。所述加熱技術可包括電加熱、電磁加熱、感應加熱、紅外線加熱、電弧加熱和/或摩擦加熱，或者這些加熱方法的組合和/或其他加熱方法。
當應用于本發明時，終端鍛焊技術包括圓周加熱管端部和隨后冶金接合被加熱的管端部的所有技術，其中包括有一般人們所周知焊接技術，如熔接、摩擦焊接、電弧焊接和/或對接焊。
從授予Per H.Moe的美國專利4566625、4736084、4669650和5721413號可知，下面的做法可能是有益的，即在鍛焊操作之前或操作中使用還原沖洗氣體如氫氣或一氧化碳沖洗管端部，從而可從被加熱的管端部除去所有氧氣表面，并且可獲得具有最小限度不規則性的冶金連接。從美國專利2719207和4728760號可知，使用非爆炸性混合物來進行電弧焊接和感應對接焊，該非爆炸性混合物含有體積約為95％的基本為如氬、氮和/或氦等惰性氣體的部分，和體積約為5％的還原氣體如氫氣和/或一氧化碳。
圖1示出了安裝后的直徑部分的帶槽管的部分縱向剖面圖和部分側視圖；圖2示出了在管端部被折疊為褶皺形后的圖1所示的管的橫斷面視圖；圖3為圖2所示管的側視圖，示出了從帶槽的中間部分向隨后將被鍛焊到相鄰褶皺形管端部的褶皺形端部的轉變；圖4為一些步驟的示意圖，在一種技術的實施例中需要這些步驟，以確保向形成于不同的可膨脹管的槽或穿孔填充耐火材料，以使所述槽或穿孔不被焊接到一起地對管端部進行鍛焊；圖5示出了一用于鍛焊帶槽或帶穿孔可膨脹管的密封部件，其中內部和外部的密封區域被顯著延展，超過用于無槽或無穿孔管時；圖6示出了一對具有鍛焊連接的、互相嚙合的齒形端部的可膨脹管；
圖7示出了一對具有鍛焊連接的、在圓周方向上互相嚙合的正弦曲線形端部的可膨脹管；圖8示出了一對具有鍛焊連接的、重疊的正弦曲線形端部的可膨脹管。
具體實施例方式
下面參照附圖對本發明的優選實施方式進行詳細地說明。
如圖1到圖8所示，帶槽可膨脹管可被應用于油井和氣井以控制例如出砂等。
為此目的，所述管可由具有特定網格尺寸的篩網組件進行包裹，以防止生產時砂進入孔內。
由篩網對其周圍進行包裹的所述管，以數個長度通常為10m的管段形式送到井位置。美國專利5924745公開了通過帶槽螺紋接頭對可膨脹管部分的重疊搭接端部進行連接。
在鉆機上組裝管時，將螺紋接頭的兩部分上的槽對準并鎖緊。當所述管到達孔的目標深度時，通過貫通管地推進一錐，使管擴展，以確保可膨脹管外壁與地層或套管內壁之間的緊密接觸。
美國專利5924745號所公知的帶槽接頭通過以下方式設計，所述錐所需的擴展接頭的擴展力類似于帶槽管的擴展力本身。這是必要的，因為它可以沒有使未擴展管段在錐下面變形的危險地、使錐被推下孔中。
但是，所公知的帶槽接頭是價格昂貴的管元件，并且當放管到孔中時、組裝所述接頭操作為一關鍵操作。
本發明的鍛焊方法的目的在于用一種焊接連接取代美國專利5924745號所公知的螺紋連接，以克服螺紋連接的缺點。
本發明的方法可用于鍛焊圖1所示部分帶槽的管1的端部到(未圖示的)相鄰部分帶槽的可膨脹管的端部。
未擴展的管1具有一比經在孔中擴展后的(未圖示的)擴展的管直徑小至少10％的直徑D2。按照應用于鉆機現場的焊接工序的要求，加工所述管的端面2。管3的中間部分具有槽4，在管的兩端都留下管的實壁部分5。
圖2示出了實壁且無槽的端部部分5，將其折疊為該部分的外徑等同于放入孔中時的未擴展的管的直徑D1的形式。
此后，通過壓縮在管體上加工的槽使中間部分3也縮小成同樣的直徑D1，如圖3所示。這意味著中間部分保持圓柱形。最后，所述管3備有一未圖示的可擴展的砂篩裝置。
當在至少鍛焊操作的一部分中，使還原沖洗氣體圍繞被加熱的管端部沖洗時，在鉆機上通過鍛焊將兩管段的褶皺形端部部分5焊接在一起。當鍛焊連接的未擴展的管構成的管柱到達目的深度時，推進一錐，使其從頂到底或反之地貫通所述管。由此，擴展帶槽管身到一擴大的直徑D2，并且展開被鍛焊在一起的連接處褶皺形部分，使其再次達到與擴展了的帶槽管部分的直徑D2近似的最初直徑。
鍛焊連接的優點在于-由于通過對準接頭的褶皺形端部部分而容易進行管接頭的對位，從而徹底地簡單化了鉆機現場中的管接頭的操作；-連接處端部部分不帶槽，容易進行加熱處理；具有一用于通過電流的連續路徑；-由于端部部分是唯一的被展開的，所以成形帶槽管的實壁端部部分所需的對錐施加的力遠小于擴展所述部分的力；不要求增加管的圓周長度；-在放入孔中時和安裝后，管之間存在一較大的直徑比率，因為該比率不被實壁管的最大擴展率所限制；-該直徑比率不受帶槽管的圓周百分比所控制。
可選的焊接的帶槽管的工序與實施例，包括一管，該管具有等于放入管到孔中時所需直徑的最初直徑。該實壁管的兩端部部分在安裝到井中后被擴展到管的直徑。兩擴展端部部分的一部分和中間部分具有槽。然后，折疊擴展端部部分(實壁帶槽部分)以使其再次縮小直徑到管的帶槽部分直徑的大小。
此后的工序與上述工序一樣。該工序的局限性為，所能達到的擴展前后之間的最大直徑比率被實壁管的最大擴展率限制。
為了防止在鍛焊工序中作為在各種可膨脹管的必要元件的槽或穿孔焊接在一起，向所述槽或穿孔中填充不會干擾焊接和擴展加工的不可焊接材料是必要的。
圖4說明了向槽或鉆孔填充陶瓷稀漿所需的步驟，所述陶瓷稀漿在所述槽或穿孔的內部硬化。操作的第一步，指出備用于開槽或穿孔的實壁管6。然后，切割槽或穿孔7。在一些變型技術中，在平板材中切出槽和/或穿孔，此之后將平板材加工成管。這兩種可選擇的方法都可以用于制造帶槽/帶穿孔可膨脹管。在鍛焊中，往往優選將與管對接端的暴露面交叉的槽的寬度增大到距對接端約1-2mm的距離。完成上述槽或穿孔7后，圍繞管端部設置一(未圖示的)密封件，并且該區域被陶瓷稀漿8淹沒。施加振動以確保所述稀漿完全填充槽或穿孔7。必要的是，使密封件包圍管6的區域，該區域從管末端延伸到覆蓋至少兩列槽或穿孔的區域。一般地，這需要接近100mm的覆蓋深度。最后，除去多余的陶瓷，使槽或穿孔7被陶瓷填料9完全填充。
焊接對接的管端部時，通常優選用還原氣體或非氧化氣體或氣體混合物沖洗焊接區域。為能在帶槽或帶穿孔可膨脹管上完成該操作，必須確保含有槽的區域被完全密封。
圖5說明了完成上述操作的一種簡單方法。在上管10和下管16中設置密封裝置12。該密封裝置12包括具有足夠長度以完全覆蓋至少兩列槽或穿孔11的密封元件13。該構形可確保位于管10、16端部的內部區域被密封以允許氣體進行沖洗。除內部密封外，也需要一外部密封室。該密封室具有完全覆蓋至少兩列槽或穿孔11的延長的密封元件14。
如上所述，雖然優選實施例要求完全覆蓋至少兩列上述槽或穿孔11，但是也允許在槽或鉆孔不重疊處僅覆蓋一單列，盡管這會導致泄漏的危險。
圖6示出了兩個具有互補齒形端面53的可膨脹管51、52。在加熱并鍛焊連接端面53之前，可使用齒形端面53在角度方向對管51、52進行對位。然后，如箭頭54所示，徑向擴展連接在一起的管51、52。
圖7示出了具有在這種情況下正弦曲線形在圓周方向上相對于管64、65的縱軸67旋轉對稱的、互補的非平面端面66的兩個可膨脹管64、65。
沿非平面端面66的輪廓長度將管端部64、65焊接在一起，由此得到大于管的總圓周長度的焊接總長度，從而在如箭頭68所示徑向擴展管時、減少了相對于管身負荷的焊縫負荷。
圖8示出了部分重疊搭接的兩個可膨脹管77、78。兩管77、78都具有與其他的管78、77相接觸的非平面正弦曲線形端面79、80。由將管77、78的重疊搭接部分81鍛焊到一起而得到大于管圓周長度的焊接長度，而且由此減少了相對于管身負荷的焊縫負荷。另外，該構形產生了負荷從一管77到另一管78的逐漸的轉移，并且在如箭頭82所示徑向擴展管77、78時起到緩解管77、78重疊區域的應力集中的作用。
權利要求
1.一種連接可膨脹管和擴展被連接的管的方法，該方法包括通過鍛焊對所述管進行連接，同時，在鍛焊操作的至少一部分中，使還原沖洗氣體環繞沖洗被加熱的所述管端部，以便，從被鍛焊的所述管端部去除氧化物，并限制所述被鍛焊的管端部之間的不規則部的量；徑向地擴展被連接的所述管。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述管具有位于或靠近被鍛焊的管端部的槽和/或其他穿孔，在所述焊接工序中，向該槽和/或其他穿孔中填充耐熱填料。
3.如權利要求2所述的方法，其特征在于，通過使高頻電流在圓周方向流過將要被連接的所述管端部附近的管壁而加熱所述管端部，并且所述耐熱填料包括導電陶瓷材料。
4.如權利要求2所述的方法，其特征在于，與暴露的所述管端部交叉的所述槽和/或穿孔，在所述管端部具有增加的寬度，以防止在鍛焊連接所述管端部時所述槽和/或穿孔的側壁被鍛焊到一起。
5.如權利要求1所述的方法，其特征在于，在鍛焊操作之前，將所述管端部都擴展和折疊為大致相似的凹陷形或褶皺形，此后，所述凹陷形或褶皺形管端部被鍛焊到一起，并在隨后的管擴展工序中被展開為大致圓筒形。
6.如權利要求5所述的方法，其特征在于，所述管在焊接端部區域具有無槽且基本連續的管壁，并且具有離開焊接端部的一系列交錯的槽和/或其他穿孔，以致，在擴展所述管時最初為凹陷形或褶皺形的、被焊接的所述管端部展開為大致圓筒形，并且所述槽和/或其他穿孔變寬。
7.如權利要求1所述的方法，其特征在于，一對至少部分重疊搭接的管的端部，通過加熱該重疊搭接的管端部到鍛焊溫度而對其進行鍛焊而連接，并且在鍛焊操作的至少一部分中，當使還原沖洗氣體環繞沖洗被加熱的所述管端部時，將被加熱的、部分重疊搭接的所述管端部壓到一起。
8.如權利要求7所述的方法，其特征在于，將鍛焊裝置插入內管，該鍛焊裝置加熱所述管端部，使還原沖洗氣體沖洗在重疊搭接的所述管端部之間留下的任何間隙，并隨后將所述內管的被加熱的端部的外表面壓到外管的內表面，以通過鍛焊連接所述管端部。
9.如上述權利要求中的任一項所述的方法，其特征在于，所述管端部為齒形或具有正弦曲線形，以緩和在擴展和/或展開工序中對被鍛焊的所述端部施加的力。
10.如上述權利要求中的任一項所述的方法，其特征在于，所述沖洗氣體，為由基本為惰性的氣體和還原氣體組成的非爆炸性混合物。
11.如權利要求10所述的方法，其特征在于，所述沖洗氣體包含體積為90％以上的如氮、氦或氬等基本為惰性的氣體，和體積為2％以上的氫。
全文摘要
本發明提供一種連接可膨脹管和擴展被連接的該管的方法，該方法包括通過鍛焊對所述管進行連接，同時，在鍛焊操作的至少一部分中，使還原沖洗氣體環繞沖洗被加熱的所述管端部，以便從被鍛焊的所述管端部去除氧化物、并限制所述管端部之間的不規則部的量，并且徑向地擴展被連接的所述管。
文檔編號B23K13/00GK1668410SQ03816939
公開日2005年9月14日 申請日期2003年7月17日 優先權日2002年7月17日
發明者M·W·安德森, J·J·登·布爾, A·T·科爾, K·季米特里亞季斯, J·E·福勒布雷格特, D·H·澤斯林格 申請人:國際殼牌研究有限公司