專利名稱：定中心裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種彈性定中心裝置，該裝置根據將管路與鉆孔壁間隔保持的類型，以及制造這種裝置的方法。這種裝置也可以用于在已有的管路中間隔管路。
背景技術：
如本領域普通技術人員所知，定中心裝置用于在油、氣和水，井鉆領域，在鉆孔或以前安裝的大管路內給管路定中心。
這樣的管路一般做成易操作長度，如12米。每個長度段在兩端有外螺紋，各長度段使用短內螺紋接頭互相耦接。將管路組合成預先確定的長度被稱為一個管線。
將管線安裝于鉆孔或已存在的管路中時，希望將管線基本上中心的定位在鉆孔或已存在的管路內，以實現圍繞所安裝的管路形成基本上環形的通路。這樣可以在圍繞管路的空間中通過如流體、水泥漿等材料。在一些情況下，實現基本的向心性是必不可少的。
為實現這個條件，定中心裝置被安裝于沿管線伸長方向的指定間隔上。并通過使用環狀的緊扣在管路上的所謂“限位環”將定中心裝置保持在希望的位置上，以限制其軸向移動。
本領域的定中心裝置包括剛性和彈性定中心裝置。剛性定中心裝置一般是尺寸固定的，外徑小于定中心裝置準備通過的鉆孔的鑄件產品。彈性定中心裝置的外徑是彈性的，可在任何情況下與定中心裝置準備通過的鉆孔壁接觸，且在鉆孔內可以彈性的適應堵塞或尺寸的變化。
剛性定中心裝置的內徑與管路是間隙配合的，其外徑是可選擇的，以通過相應的鉆孔。如果孔徑在軸向有變化，則剛性定中心裝置就不能在中心位置上充分的支撐管路。而且做為剛性體，剛性定中心裝置在鉆孔內有堵塞的危險。
彈性定中心裝置可以解決剛性定中心裝置的這些不足。目前的彈性定中心裝置由許多在本領域被認為是弓形的，堅固的可調節的板簧組成，這些板簧放射狀的圍繞和固定于低碳鋼的兩端。
然而，目前使用的彈性定中心裝置在當前的環境下，如深井、有角度的背離側面和延展的水平到達碳氫化合物產出層等環境下顯出了一些不便。因此為產生預加載效應，彈性定中心裝置可被設計為過大的外徑，以產生與載荷特性相對的可接受的變形。但這可能帶來不希望有的剪切力，從而會帶來多部件結構分解的可能。
已知的保證傳統定中心裝置各部件不分離的方法包括焊接和將板簧機械互鎖到兩端邊結構方法，這一方法最大的降低了可能出現的載荷/變形。
例如，由十四個獨立的不同尺寸的、分離和鉸接的部分組成的多個部件，被用于構成傳統的定中心裝置，每個部分都有脫落和掉入井孔的危險。
本領域長期需要實用的單件定中心裝置。
美國專利號為3312285的專利公開了一種單件定中心裝置，它由兩個卡圈組成，卡圈被向外卷曲的用于為管路定中心的弓形(棍狀)間隔。這個專利進一步公開了這種定中心裝置的生產技術。
該生產方法包括通過切割或沖壓的方法，從一塊金屬材料上切出一塊毛坯。這里上述的材料是指“有相對高碳含量的普通碳鋼或有中碳成份的合金鋼”。這個專利注意到了“由于需要將彈性弓形焊接到端卡圈，在傳統方法下，鋼的等級不能滿足制作定中心裝置的要求。”需要注意的是這樣的材料是彈性、不易延展的鋼。
該生產方法要求將毛坯放在有半圓柱坑的成形模上，隨后使用壓碾工具將毛坯成形為U型，接著使用反向模以形成“長圓柱”。
隨后，毛坯在一端被固定，另一端向其推近，做成要求的向外弓的棍。
最后，毛坯的相鄰端通過電弧焊焊接在一起，形成通常的圓柱定中心裝置。
接著對定中心裝置進行熱處理，使其獲得需要的強度。
實驗表明，在美國專利號為3312285專利的技術中有許多不足。實際上這一美國專利并沒有提出一種實用的生產定中心裝置的方法。而且使用專利方法中可以被使用的材料所生產的定中心裝置，并不具備實際定中心裝置所希望有的特性。
首先，對彈簧鋼使用專利中公開的冷成形雙模類型系統并不會產生圓柱毛坯。
而且，被模連到一起的毛坯端部，一但將模拿開時又會因彈性而分開。所以采取的辦法應該的是以熱成形或者在物理上將毛坯制成圓柱形的方法進行成形。在專利中公開的后面技術不允許外部弓的步驟。
通過使用專利中公開的模技術，將毛坯成形為一般的圓柱體，會產生卷曲的端卡圈。由于孔隙的存在，不能保證在被縱向孔隙分開的中間弓形形成卡圈處的卷曲形。因此弓形可能形成平面或不可預知的曲線。
在縱向弓形成形的壓力下，弓形或者成形不一致，或者形狀不可預知。除非使用熱成形技術，但這是弓形不能承受的。而且，由于材料使用的是彈簧鋼，所以需要過度彎曲弓形，但不太可能確定的定出過度彎曲弓形到什么程度，以產生所期望的最終形狀。
實驗發現，美國專利3312285中的定中心裝置要求使用熱成形。這意味著要使用昂貴的高溫成形工具，由此會帶來高的加工費用。為實現成形至少需要兩個或三個熱處理步驟，在成形之后為實現要求的硬度還需要進行加熱/淬火。
隨后需要進一步加熱到大約攝氏450度的回火溫度。
這種方法除了增加了熱成形的成本，而且可能增加材料結晶結構中的細粒。這將使材料受損和易損。并且每個熱加工步驟都可能帶來扭曲，這樣會降低產量，增加成本。
弓形的形狀希望是在縱向上的拋物線，在美國專利3312285中公開的技術很難持續的實現這一形狀。電弧焊步驟要求預熱和緩慢的焊后冷卻。
因此可知，這個美國專利的產品和方法是不實用的。如果使用傳統的易延展可成形材料，這個方法可以實施，但是最終的產品將不會有定中心裝置要求的特性。
所以可以理解的是市場上并沒有根據美國專利3312285生產的產品。
發明內容
本發明的實施例提供了一種可以通過冷成形生產的彈性定中心裝置。能夠使本發明的實施例具有一致弓形的彈性定中心裝置、和被降低的分裂可能性。
根據本發明的一個方面，本發明提供了一種用于支撐與孔壁間隔的管路的彈性定中心裝置，該彈性定中心裝置有一個縱向軸，并且彈性定中心裝置由相互間隔的第一和第二卡圈，以及在其間放置的多個弓形部分組成。第一和第二卡圈以及弓形部分，由單獨的一塊硼鋼材料制成，以便通過弓形部分從卡圈無縫隙地延長。
在本發明的第一個實施例中，每個卡圈基本上都是圓柱形，所述彈性定中心裝置圍繞所述縱向軸延展。
在本發明的第二個實施例中，每個卡圈在一個圓柱的一部分上延展，每個卡圈包括一個主體部分和一個固定裝置，用于連接鄰近彈性定中心裝置的另一個卡圈。
優選情況下，每個卡圈在圓柱的一半上延展，裝置與第二個所述彈性定中心裝置組合，沿所述縱向軸延展。
在本發明的一個實施例中，所述固定裝置包括從彈性定中心裝置主體部分相對邊緣延展出的第一和第二對應鉸鏈。
在優選情況下，所述每個鉸鏈部分限定用于各自的鉸鏈銷的各自銷孔。每個銷孔基本平行于所述的縱向軸放置。鉸鏈部分至少包括一個從其最接近區域的邊緣區域延展出的凸起的指狀部分。每個指狀部分有一個基本上指向所述的邊緣區域的末端區域，和所述最接近區域和末端區域的中間區域。所述中間區域描述了一個曲線路徑，所述中間區域的表面限定了至少部分所述銷孔。
傳統上，第一個鉸鏈部分有第一組第一個指狀部分，該第一指狀部分在平行于所述軸的方向上間隔開以限定了第二組開口。所述第二組比第一組數量少一。第二個鉸鏈部分具有所述第二組指狀部分，用于與另一個裝置的第一個鉸鏈部分共同工作。
在本發明的另一優選實施例中，所述的固定裝置包括，一個在所述彈性定中心裝置的一個固定區域的第一個構形，和一個在所述彈性定中心裝置的相對的固定區域的第二個對應構形。第一個彈性定中心裝置的第一個構形適于與第二個彈性定中心裝置的第二個構形互鎖相匹配。
優選地，第一個構形包括至少一個在所述彈性定中心裝置的第一表面的凸起，和至少一個在第二個表面上的孔隙。第二表面與第一表面相對。第二構形包括至少一個在所述第二表面的孔隙，和至少一個從第一表面的凸起。由此該孔隙或每個孔隙用于接受各自的凸起，這樣兩個所述的彈性定中心裝置可以互鎖在一起。
根據本發明的另一個方面，本發明提供了一個具有縱向軸的彈性定中心裝置的方法，該方法包括提供一塊硼鋼板；在所述硼鋼板上制造出平面毛坯，該平面毛坯包括由被多個間隔的縱向腹板所隔開的第一和第二橫向腹板；冷加工成形所述毛坯，以便形成具備期望的最終裝置形狀的成形的中間產品；對成形的中間產品加熱和淬火以達到期望的最終硬度。
在本發明的一個實施例中，所述的生產步驟包括激光切割平板。
在本發明的另一個實施例中，所述的生產步驟包括水噴射切割平板。
優選的彈性定中心裝置基本是半圓柱形，所述的第一和第二橫向腹板延展以形成基本為半圓柱的卡圈。所述的卡圈有固定裝置，用于固定到第二個所述彈性定中心裝置的卡圈上，以形成基本為圓柱的彈性定中心裝置。所述的冷成形步驟包括成形所述固定裝置的至少一部分。
有利的是，至少部分的所述固定裝置的成形步驟包括形成所述卡圈的鉤狀部分。
優選地，在所述加熱和淬火步驟之后，該方法進一步包括將鉸鏈銷置于兩個鄰近彈性定中心裝置的鉤狀部分的附近，以實現用鉸接的方式固定連接彈性定中心裝置。
在本發明的另一實施例中，至少部分所述固定裝置的成形步驟包括在所述彈性定中心裝置的一個固定區域上，從其第一表面形成至少一個第一區域的凸起，從其第二表面上形成至少一個第一區域孔隙；在第二相對固定區域上，在所述的第二表面上形成至少一個第二區域孔隙，以實現其位置上與至少一個第一區域的凸起相匹配，在所述的第一表面上形成至少一個第二區域凸起，以實現其位置上與至少一個第一區域的孔隙相匹配。
在優選方法中，所述的冷成形步驟包括將縱向腹板成形為弓形部分，該弓形部分的中心區域從所述彈性定中心裝置的縱向軸的距離，比從弓形部分的端部區域到縱向軸的距離相對更遠。
有利地，所述弓形的成形步驟包括形成尺寸小的弓形部分，這一方法進一步包括在所述加熱和淬火步驟之后，為使所述弓形部分成形為期望的最終直徑，對其進行的進一步冷成形步驟。
本發明進一步涉及通過焊接制造的硼鋼限位環。
在本發明的優選實施例中，鍛壓步驟用于熱處理步驟之前以形成端部凸緣。
有利地，流動鉆井(flow drilling)技術用于為螺紋附件提供凸起。
圖1示意了在鉆孔內接收和彈性定中心的典型管路布置圖。
圖2展示了用于成形彈性定中心裝置的毛坯平面圖。
圖3是針對本發明第一實施例的、由圖2的毛坯成形的彈性定中心裝置的側視圖。
圖4是圖3中的定中心裝置的端視圖。
圖5是沿圖3中的定中心裝置的AA向的剖視圖。
圖6是沿圖3中的定中心裝置的BB向的剖視圖。
圖7是從與圖3中的BB同視圖方面向的，對另一定中心裝置的剖視圖。
圖8是針對本發明的第二實施例的彈性定中心裝置的側面圖。
圖9是圖8中的定中心裝置的端視圖。
圖10是本發明定中心裝置彈性部分的第一個結構圖。
圖11是本發明定中心裝置彈性部分的第二個結構圖。
圖12是對不同彈性結構載荷下的變形圖。
圖13是針對本發明的第三個實施例的彈性定中心裝置的側視圖。
圖14是圖13中定中心裝置沿CC向的剖視圖。
圖15是從與圖14相同視圖方向的，針圖13實施例的第一個修改例視圖。
圖16是從與圖14相同視圖方向的，針圖13實施例的第二個修改例視圖。
圖17針對本發明的第四個實施例的彈性定中心裝置的側視圖。此例的彈性部分基本上由直線區段形成。
圖18是圖17中定中心裝置沿DD向的剖視圖。
圖19是從與圖18相同視圖方向的，針對本發明第四個實施例的第一個修改例的視圖。
圖20是從與圖18相同視圖方向的，針對本發明第四個實施例的第二個修改例的視圖。
圖21是針對本發明第四個實施例的彈性定中心裝置的側視圖，此例的彈性部分是螺旋形。
圖22是用于成形圖21的定中心裝置的毛坯平面視圖。
圖23是針對本發明第五個實施例的彈性定中心裝置的側視圖，此例的彈性部分是螺旋形。
圖24是圖17和圖23所示本發明實施例的彈性部分的第一個結構的剖視圖。
圖25是圖17和圖23所示本發明實施例的彈性部分的第二個結構的剖視圖。
圖26是針對本發明的定中心裝置的又一實施例的側視圖。此定中心裝置具有為增加流體流量的孔隙。
圖27是圖26所示定中心裝置的端視圖。
圖28是一個有彈簧鎖的、由兩件組成的定中心裝置的部分端視圖。
圖29是圖28彈簧鎖的透視圖。
圖30是一個有鉸鏈連接裝置的、由兩件組成的定中心裝置的部分端視圖。
圖31是圖30的定中心裝置的部分側視圖。
圖32是用于本發明定中心裝置的限位環的端視圖。
圖33是圖32的限位環的端視圖。
在以上圖中，相同的標號表示相同的部件。
如圖1中所示，置于鉆孔39的管路由多個長度段35形成，各長度段由聯結器36連接在一起。如本領域所知情況，定中心裝置38以各自的限位環37的方式支撐在每個長度段35上。每個定中心裝置38布置在鉆孔39內，保持對由長度段35形成的管路的支撐，以實現管路基本上的中心布置。每個定中心裝置38有一對相對的端卡圈，卡圈被其上六個(此圖中可見三個)向外的弓狀彈性部分相連。彈性部分被基本上等距離地圍繞卡圈布置。在這個實施例中，管路上的彈性部分的凸起部分基本上是直線的。
在圖中可見，圖中上部的定中心裝置有一個限位環37，它位于兩個端卡圈之間。圖中下部的定中心裝置位于兩個隔開的限位環37之間。
可以理解的是不僅在鉆孔中需要定中心，在以往安裝的較大管線組件的內徑中也需要定中心。
圖2中所示毛坯1由一個單個的硼鋼片形成。毛坯有一個縱軸Z-Z’，兩個橫向腹板2，3，兩個橫向腹板被許多(這里是六個)基本上平行于軸Z-Z’間隔延展(在本實施例中)的縱向腹板4隔開。第一和第二橫向腹板2，3基本上是長方形，它們互相平行且基本上垂直于軸Z-Z’布置。六個縱向腹板4延展于橫向腹板2，3之間，以形成它們之間的五個等尺寸間隙9。通過留出大約間隙9一半的寬度做為橫向腹板的自由端10，11，將外部縱向腹板4從橫向腹板的端部向內插入。在本發明定中心裝置的第一個實施例中，自由端以重疊方式緊固，以實現第一個端10與其相應的第二個端11相重疊，這樣定中心裝置形成了一個通常的圓柱狀裝置。在其它實施例中，自由端的長度更大，在這些實施例中自由端隨后形成連接裝置，對此本文后面將闡述。
當然可以理解的是，這僅是一個樣例毛坯，在此用于展示本發明的方法。
這個毛壞是通過切割或沖壓，從板料上獲得的。更優的技術是使用更精確的計算機控制的切割方法，如激光切割或水噴射切割。這樣的技術可以帶來更大的靈活性，如可以產生“特殊管”而不必使用昂貴的專用工具。
毛坯隨后被冷成形為通常的圓柱形。這可以通過使用軋制或其它本領域所知的技術來完成。
制作毛坯的硼鋼材料所具有相對的延展性，使得在成形完成后毛坯保持圓柱狀態。
更優的是，圓柱成形階段也形成縱向腹板4的橫截面輪廓。這個橫截面形狀可以是曲線或在一定環境下的其它形狀，如最好是平板形，對此隨后將進行描述。
在形成圓柱中間產品之后，也可形成縱向腹板的橫截面形狀。
如果圓柱形中間產品已完成，下一步就是將縱向腹板冷成形為向外卷曲的弓形部分(更清楚內容見圖3)。接著，如果由于縱向腹板材料的相對延展性問題，也可能使用擴展心軸或相以設備以取得預期的效果。“彈簧”的數量越少，就越容易得到預期的輪廓。
本發明實施例隨后被沿自由端10、11焊接，以形成基本上連續的柱狀，盡管弓形部分4是向外卷曲的。隨后要求在單獨的加熱處理階段進行淬火，以實現定中心裝置期望的硬度。
如果需要的話，可以對裝置進行應力回火處理。
這個回火過程可以是對整個裝置的，也可以是對弓形部分的局部熱處理。硼鋼要求的熱處理回火溫度大約是200攝氏度，比彈簧鋼的回火溫度低一半。
可以注意到，本發明的定中心裝置在完全沒有熱處理的情況也可以成形。但隨后的單獨的熱處理步驟會帶來期望的硬度，而且可選擇的應力回火階段要求的溫度比彈簧鋼要求的溫度要低。結果是使用冷成形工具，這就可以延長工具的加工壽命。因為不需要對定中心裝置進行經常的加熱和冷卻，所以不會因多次加熱而帶來晶粒增大的危險，而且避免了應力增加和熱變形。需要使用合適的技術細調弓形部分的橫截面的部分。冷成形技術可以容易的一致的形成弓形部分的縱向形狀。
已發現生產的鋼特性在每塊鋼板之間有變化。假設在對鋼板成形和熱處理之后更易獲知其特性，那么在優選實施例中，定中心裝置冷成形以便縮小弓形部分的尺寸。縮小的尺寸量可以通過實驗確定，典型的期望縮小值是將直徑縮小大約12毫米。在冷成形步驟之后，裝置要經過熱處理，以提供期望的硬度，如果需要的話還要進行回火。隨后要進行進一步的冷成形，以將弓形部分后期成形為最終期望的結構。
如本領域普通技術人員所知，這個優選方法的步驟保證了最終產品的一致性。而且在熱處理之后的冷成形進一步增強了材料的晶體特性。
在本發明的一些實施例中，自由端10和11被成形為彈簧鎖狀的固定裝置。彈性定中心裝置中這種結構一般不實用，因為端部材料傾向于將被拉長，由此會有有限的屈服強度。在一些使用彈簧鋼的情況下，如果試圖使用這樣的連接方式，需要進行高溫成形，這會因此帶來加工問題。然而使用硼鋼則在端帶/卡圈處會有更充分的剛性，這樣就可以通過冷成形方法，使用彈簧鎖狀連接。
在本發明的另一些實施例中，自由端10和11被成形為鉸鏈類型的固定裝置。使用硼鋼可以實現橫向腹板端的彎曲，材料的內半徑與厚度比低于兩倍。通過使用硼鋼，可能使材料的半徑小于厚度的材料急劇地彎曲。相對而言，彈簧鋼要求材料半徑是厚度的兩倍以上，且要進行熱成形。
可以注意到硼鋼更適合焊接；不過，因為這里描述的本發明的許多實施例使用按扣連接或鉸鏈連接，所以不用使用焊接。
圖3中顯示了一個完整的定中心裝置20。這個定中心裝置在圖2中有清晰的表達，它有六個弓形部分。對本領域普通技術人員來說，弓形部分的數量可以由應用者選擇，從典型的三個到八個選擇使用。可以預想到在一些特定應用環境中需要使用八個弓形部分。
圖4顯示了圖3中定中心裝置的端視圖。圖5顯示了圖3中的A-A向剖視圖，圖中顯示了弓形部分4的外部表面的曲線形狀。可以結構弓形部分的特定形狀以獲得期望的載荷-變形特性。這將在圖12中詳細討論。
圖6中，弓形部分4橫截面的最優形狀是曲線。圖6中顯示的特定形狀是圓的扇形，半徑為r。對比可見圖7顯示了另一個弓形部分8的相同方向視圖，它的橫截面是平的，非最優。可以使用數學分析對比區域的剛度，如使用平行軸理論。
假設一個樣例的平截面的寬度是1.5個單位，厚度是0.158個單位。這個樣例類以于圖7的實施例，有一個關于中間軸區域的二次力矩。通過公式(1)給出的Ina值為Ina＝0.00054-------(1)假設有一個有相同寬度和厚度的截面，但是曲率是3.56個單位。這類以于圖6的實施例，有一個關于中間軸區域的二次力矩。通過公式(2)給出的Ina值為Ina＝0.00064------(2)以上的例子中，彎曲橫截面的剛度比相以比例的平面橫截面的剛度高20％。
冷成形技術使得以硼鋼做為定中心裝置的材料可能調節橫截面的曲率。反過來，這也易于微調彈性阻力。而且，從弓形部分所選擇的橫截面曲線到端卡圈的過渡區域能夠成形為使撓曲結構的剛度最大化。
在特定的實施例中，期望成形的弓形的曲率大于被插入卡圈的管路的曲率。在這種情況下，每個弓形部分有一個內表面，它在橫向成形，以便內表面的橫向中部區域從定中心裝置的縱向軸以第一量間隔。弓形部分的橫向邊緣從縱向軸以第二量間隔。該第一量比第二量大的量值大于弓形部分材料的厚度。這意味著如果在使用中弓形部分被壓縮，中間區域被鄰近管路的端部遠離管路而被支撐。結果是弓形部分與卡圈合并的過渡區域不永遠被壓縮，這將導致定中心裝置實際上無效。
圖8所示是本發明的定中心裝置的第二個實施例，定中心裝置21基本上與圖3所示相以，其中有六個弓形部分22均勻的分布于其圓周上(如圖9)。另外，小“突起部”23在圖中所示定中心裝置的底端，呈一定角度的從底部卡圈3向外延展。突起部向著被定中心的管路和鉆孔之間形成的環狀通路突出，實現在通過環狀通路的流體中產生紊流的效果。突起部與定中心裝置整體成形。可以被本領域普通技術人員理解的是，如果需要，突起部可以在定中心裝置的兩端提供。
圖10所示為定中心裝置毛坯的實施例。在這里縱向腹板成形為接近端卡圈2和3寬度減少的形狀。本實施例的定中心裝置可以用于在最大變形下，需要限制最大載荷的情況。相反，圖11所示實施例中，弓形部分的橫向寬度成形為接近端卡圈2和3寬度增加的形狀。這樣的結構用于在最大變形下，可以接受更大載荷的情況。
圖12為變形(d)與載荷(1)的對應圖，其中第一實曲線代表圖2-6的實施例。在設有拋物線狀的弓形部分情況下，出現破折線曲線特征。有垂直于管路軸的力加于板簧時，這個力將滿足拋物線形開始處的變形。這個載荷按拋物線的形式，被抵抗到更大的程度，直到形狀變形到與傳統半徑相以的曲率。這是一個優選的效果，是在彈性定中心裝置被做成滑塊滑入或推入鉆孔內時特別期望的情況。
點曲線表示端部寬度減少的弓形，如圖10所示例。叉曲線代表端部寬度增加的弓形，如圖11所示例。
如圖13，在進一步的一系列實施例中，弓形不被孔隙分開，而被窄狹縫所分開。材料形成了留有狹縫之間的接合區32。在形成弓形部件31時接合區32彎曲。不過接合區在縱向被橫向狹縫分開，以便使接合區32從上卡圈2向下延展，另一接合區從下卡圈3向上延展。接合區之間的間隙是可選的如圖14-16所示。
在圖14中上下接合區32之間的間隙相對較小。這樣的實施例在一定的環境下有其優點。當在管路上的定中心裝置被放入鉆孔內時，定中心裝置可以抓或鉤住鉆孔的如突出部分。如果定中心裝置被如圖1中所示的管路中的限位環37軸向限制，有可能隨著涉及的管路的基本重量，定中心裝置可能會被軸向壓縮。在這種情況下，弓形可能超出材料的屈服點而向外扭曲，而永遠處于尺寸過大的狀態。圖14所示實施例在接合部32之間使用間隔，以限制定心中裝置自由高度的減少，防止這種情況的出現。
圖15中接合部之間的間隔大于圖14中的間隔，這個間隔足夠將限位環放入管路，以進入定中心裝置的主體部分。圖16所示進一步實施例中，在接合部之間有一個充分大的間隔，在這種情況下當限位環被放入定中心裝置的主體時，并允許在定中心裝置和限位環之間增大軸向移動。
參照圖17和18，在定中心裝置40的第四個實施例中，弓形部件41的形狀一般是平的(見圖18)。
繼續參照圖17和18中，每個弓形部件41有一個第一基本為直的部分42，它從第一卡圈2向下延展，并側向遠離縱向軸。接著是第二部分43與軸基本平行，第三部分是一個基本直的線44，它逐漸收攏而延伸到下端卡圈3。
第四實施例具有剛度非常大的特性。需要非常高的載荷使弓形變形，一但超過材料的屈服點，實質上將不會恢復彈性。所以這樣剛硬的定中心裝置要制成小于鉆孔尺寸，典型是比鉆孔直徑小六毫米或更小。它們可以用于預測到高側向載荷大于定中心裝置的恢復力的情況下。對第四實施例的修改示例于圖19中，在這里接合部材料45在上下卡圈2、3之間完全固定和延展。當這個定中心裝置放入鉆孔內時，如果它能鉤住，這個實施例可以提供高縱向強度以抵抗高的擠毀。
圖20所示為進一步修改，在這里接合部材料與圖16中描述的類似的方式被去除。
圖21示意根據本發明的定中心裝置的進一步實施例。在這里定中心裝置50的弓形部分51呈一個一般的在上下卡圈2、3之間的螺旋形軌跡。圖22展示了用于制作圖21實施例的毛坯。
圖21所示實施例可以用于橋接鉆孔內打鉆孔后留下的凹槽。將鉆孔表面的積累的雜質擦掉，并在放入時與孔的表面呈一個剪切面。圖23所示為圖21的堅固型實施例。在這個實施例中，定中心裝置60有一個通常的螺旋弓形部件61，有點類似于圖21中的弓形，但直線部分類似于圖17和18中的弓形。圖24和25展示了弓形部件61截面的更優選擇形式。在這兩種情況下弓形材料向內彎曲，以便置于被卡圈2、3內表面所限定的圓柱上。圖24中弓形的形式基本上是長方形，而在圖25中則基本上是半圓形。兩者的效果都是使弓形部分置于插入的管路上，以提高對擠毀的抵抗。
圖26中展示了本發明定中心裝置的另一個實施例。定中心裝置70有弓形部分71，這些弓形部分有一個恒定寬度的縱向中心區域72，在兩端延展為Y型分叉73。兩端分叉分別延展入上部卡圈2和底部卡圈3。每個分叉限制了一個孔隙74，在這個特定實施例中孔隙形成了一個等邊的三角形。孔隙允許流體流過管路和鉆孔之間的環狀通路，以便沿弓形部分的內面流過。因此，有這樣孔隙的定中心裝置可以在需要減少流體阻力的情況下應用。對本領域普通技術人員可以理解的是，三角形孔隙74這個特定選擇僅用于示范，也可以提供其它形狀。
如圖27所示，端視圖更清晰的顯示了孔隙的設置，它可以減少對流體的阻力。本領域普通技術人員可以理解的是，隨著井延伸的增加，期望減少對流體的阻力。隨著流體阻力的增加，為了通過相同的流率，壓力一定會升高，而增加的壓力會導致地質形成的毀壞。
至現在為止所描述的實施例有統一的結構。然而，如本領域普通技術人員所知，需要沿軸中心線對半分割的分離形式定中心裝置。也如本領域普通技術人員所知，需要具有多于兩部分的定中心裝置。
圖28和29展示了為用于固定定中心裝置各部分的第一個固定結構。
圖28展示了定中心裝置的局部端視圖。端卡圈2形式為兩個半圓柱端卡圈2A、2B，它們通過彈簧鎖固定裝置固定在一起。
圖29所示為彈簧鎖裝置的示例。端卡圈2A的端部被縱向切割以形成三個相鄰的指狀部分100、101、1 02。中間指狀部分101突出于卡圈2A的平面，其上有兩個切出的窗孔103。該窗孔在最接近卡圈2A端部的輪廓為曲線。兩個外部指狀部分100、102被弓形地切割，以限定出兩個榫舌104。這兩個榫舌104在卡圈2A的平面上向上放置。榫舌104的形狀是弓形的。
另一個端卡圈2B也被切割以形成三個相應的指狀部分200、201、202。在這種情況下，兩個外指狀部分200、202突出于端卡圈2B的平面，外指狀部分都帶有相似于窗孔103形狀的窗孔203。中間指狀部分201帶有兩個向上放置的相似于榫舌104的形狀的榫舌204。
兩個卡圈2A和2B被推近時，第一個卡圈的中間榫舌101壓在第二個卡圈2B的中間指狀部分201上表面上。外指狀部分200、202壓在第一個卡圈2A的外指狀部分100、102上。榫舌104、204與窗孔103、203的布置方式是榫舌進入相對窗孔內，以便將兩個卡圈鎖狀結合在一起。
端卡圈使用熱處理過的硼鋼可以提高卡圈的剛度，通過彈簧鎖固定裝置可以將裝置的兩半容易、安全的固定在一起。這種結構的優點在于，對于由兩部分組成的定中心裝置來說，只要求有兩個部件。這需要與鉸鏈銷和其它固定裝置形成對比。本領域普通技術人員可以理解的是，提供的部件越少，部件脫離或掉入鉆孔內、并因此帶來高維修成本的危險越小。
圖30中展示了另一個實施例，在這里卡圈自由端被彎曲以形成具有鉸鏈銷110的鉸鏈。圖31中第一個端卡圈2A被切割為有三個間隔的指狀部分121，第二個端卡圈2B被切割為有兩個間隔的指狀部分122。指狀部分121與122的布置方式為，指狀部分121相互交叉布置在指狀部分122之間。指狀部分的最接近部分123從各自的端卡圈2A、2B向外延展。末端124位于最接近部分123的表面，中間鉤部125的內表面為鉸鏈銷限定了一個孔隙。
使用中，鉸鏈通過相互交叉指狀部分部分組裝在一起。鉸鏈銷被插入，組件提供給管路。然后，已打開的組件繞管路而閉合，第二個鉸鏈銷插入第二個鉸鏈。鉸鏈銷的端部變形，例如通過敲擊將它們保持在位置上。
圖32和33中，滑入裝配的限位環37包括一個通常為圓柱形的、硼鋼主體，該主體有圓形的、向外延伸的上下凸緣230、231，和許多突起232。該突起232位于卡圈中心區域圓周上以接受沉頭螺釘234。
傳統上限位環通過對軋制的長方形條端部對接焊成環形制成。限位環材料必須適于焊接，因為螺栓對插入管路的動作會在焊接處產生基本上圓周向載荷。其它已知的產品由無縫鋼管制成，但無縫鋼管的尺寸和材料等級受到了限制。
通過選擇硼鋼，在焊接區可以獲得98％的原始材料的機械特性。
圖33清晰的展示了端凸緣，它是通過模鍛制成。模鍛在材料非熱處理狀態進行，突起232通過已知的流動鉆井技術形成。裝置被合適的成形后，再經熱處理和淬火以獲得期望的特性。
本發明實施例僅用于舉例說明。然而，清楚的是本發明的多種形式和修改也可作為在本發明的范圍之內描述的示例。
權利要求
1.一種彈性定中心裝置，用于支撐與孔壁間隔的管路，該彈性定中心裝置有一個縱向軸，并且彈性定中心裝置包括相互間隔的第一和第二卡圈部分，以及在其間放置的多個弓形部分，其中第一和第二卡圈部分以及弓形部分，由單獨的一塊硼鋼材料制成，以便該材料通過弓形部分從每個卡圈部分無縫隙地延展。
2.如權利要求1所述彈性定中心裝置，其特征在于，第一和第二卡圈部分基本上是圓柱形，其中所述彈性定中心裝置圍繞所述縱向軸延展。
3.如權利要求1或2所述彈性定中心裝置，其特征在于，每個卡圈部分在一個圓柱的一部分上延展，并且每個卡圈部分包括一個主體部分和一個固定裝置，用于連接鄰近定中心裝置的另一個卡圈部分。
4.如權利要求3所述彈性定中心裝置，其特征在于，每個卡圈部分在圓柱的一半上延展，該裝置與第二個所述彈性定中心裝置組合，沿所述縱向軸延展。
5.如權利要求3所述彈性定中心裝置，其特征在于，所述固定裝置包括從主體部分相對邊緣區域延展出的第一和第二對應鉸鏈部分。
6.如權利要求5所述彈性定中心裝置，其特征在于，所述每個鉸鏈部分限定用于各自鉸鏈銷的各自銷孔，每個銷孔基本平行于所述的縱向軸放置，該鉸鏈部分至少包括一個從其最接近區域的所述邊緣區域延展出的凸起的指狀部分，該指狀部分或每個指狀部分有一個基本上指向所述邊緣區域的末端區域、和所述最接近區域和末端區域的中間區域，所述中間描述了一個曲線路徑，并且所述中間區域的表面限定了至少部分所述銷孔。
7.如權利要求6所述彈性定中心裝置，其特征在于，第一個鉸鏈部分有第一組第一個指狀部分，該第一個指狀部分在平行于所述軸的方向上間隔開以限定了第二組開口，所述第二組比第一組數量少一，第二個鉸鏈部分具有所述第二組指狀部分，用于與另一個裝置的第一個鉸鏈部分共同工作。
8.如權利要求3所述彈性定中心裝置，其特征在于，所述固定裝置包括一個在所述彈性定中心裝置的一個固定區域的第一個構形，和一個在所述彈性定中心裝置的相對的固定區域的第二個對應構形，其中第一個彈性定中心裝置的第一個構形適于與第二個彈性定中心裝置的第二個構形互鎖配合。
9.如權利要求8所述彈性定中心裝置，其特征在于，第一個構形包括在所述彈性定中心裝置的第一表面的至少一個凸起，和在第二個表面的至少一個孔隙，其中第二表面與第一表面相對，第二個構形包括在所述第二表面的至少一個孔隙，和從第一表面的至少一個凸起，由此該孔隙或每個孔隙用于接受各自的凸起，并且兩個所述彈性定中心裝置可以互鎖在一起。
10.一個制造具有縱向軸的彈性定中心裝置的方法，該方法包括提供一塊硼鋼板；在所述硼鋼板上制造出平面毛坯，該平面毛坯包括由被多個間隔的縱向腹板所隔開的第一和第二橫向腹板；冷加工成形所述毛坯，以便形成具備期望的最終裝置形狀的成形的中間產品；對成形的中間產品加熱和淬火以達到期望的最終硬度。
11.如權利要求10所述方法，其特征在于，所述生產步驟包括激光切割硼鋼板。
12.如權利要求10或11所述方法，其特征在于，所述生產步驟包括水噴射切割硼鋼板。
13.如權利要求10、11或12所述方法，其特征在于，所述彈性定中心裝置基本是半圓柱形，所述第一和第二橫向腹板延展以形成基本為半圓柱的卡圈部分，所述卡圈部分有固定裝置，用于固定到第二個所述彈性定中心裝置的卡圈部分上，以便形成基本為圓柱的彈性定中心裝置，其中所述冷成形步驟包括成形所述固定裝置的至少一部分。
14.如權利要求13所述方法，其特征在于，至少部分的所述固定裝置的成形步驟包括形成所述卡圈部分的鉤狀部分。
15.如權利要求14所述方法，其特征在于，在所述加熱和淬火步驟之后，該方法進一步包括將鉸鏈銷置于兩個鄰近彈性定中心裝置的鉤狀部分附近，以便用鉸接的方式把彈性定中心裝置固定在一起。
16.如權利要求13所述方法，其特征在于，形成至少部分所述固定裝置的步驟包括形成在所述彈性定中心裝置的一個固定區域上，從其第一表面形成至少一個第一區域的凸起，從其第二表面上形成至少一個第一區域孔隙；形成在第二相對固定區域上，在其所述第二表面上形成至少一個第二區域孔隙，用于與至少一個第一區域的凸起共同工作，并且在其所述第一表面上形成至少一個第二區域凸起，用于與至少一個第一區域孔隙共同工作。
17.如權利要求10到16中任一項所述的方法，其特征在于，所述冷成形步驟包括將所述縱向腹板成形為弓形部分，該弓形部分的中心區域從所述彈性定中心裝置的縱向軸的距離，比從所述弓形的端部區域到縱向軸的距離相對更遠。
18.如權利要求17所述方法，其特征在于，所述弓形的成形步驟包括形成尺寸小的所述弓形部分，該方法進一步包括在所述加熱和淬火步驟之后的進一步冷成形步驟，以便使所述弓形部分成形為期望的最終直徑。
全文摘要
一種用于支撐與孔壁間隔的管路的彈性定中心裝置，由單片硼鋼材料制成。該彈性定中心裝置具有沿縱向軸間隔分開的第一和第二卡圈部分。彈性弓形部分在卡圈之間延展。當該裝置由單片材料制成時，材料通過弓形部分從每個卡圈部分無縫隙地延展，從而沒有接合點或脆弱點。硼鋼的使用意味著該裝置能夠由冷成形制成。
文檔編號E21B17/10GK1537192SQ02813217
公開日2004年10月13日 申請日期2002年6月20日 優先權日2001年6月27日
發明者安德魯·詹納, 安德魯 詹納 申請人:維納派克斯公司