用于联结钻井的金属管形件的装置和方法制造方法及图纸

一种用于联结待下降到井筒（4）中的金属井管形件的方法，包括以下步骤：a）提供具有上端部表面（6a）的第一井管形件（6）和具有下端部表面（7a）的第二井管形件（7）；b）将第一井管形件（6）下降到井筒（4）中，从而使其上端部留在井筒（4）外部；c）将第二井管形件（7）设置于第一井管形件（6）上的轴向对准位置中，其中第二井管形件（7）的下端部表面（7a）设置成紧靠第一井管形件（6）的上端部表面（6a）；d）将第一井管形件（6）和第二井管形件（7）保持在所述轴向对准位置中；e）将第一井管形件（6）的上端部焊接到第二井管形件（7）的下端部，从而在对应于所述上端部表面（6a）和所述下端部表面（7a）的位置中形成周向焊缝（WL）；以及f）将被焊接在一起的第一井管形件（6）和第二井管形件（7）下降到井筒（4）中。步骤e）包括以下的操作：‑设置至少一个激光焊接头（13），其被配置成用于将激光束（LB）导引朝向周向工作区（WA），该周向工作区（WA）包括第一井管形件（6）的上端部部分和第二井管形件（7）的下端部部分，至少一个激光焊接头（13）可根据相应的旋转轨迹围绕周向工作区（WA）位移；‑提供至少一个感应加热装置（141、142），其可基本上根据至少一个激光焊接头（13）的旋转轨迹位移，至少一个感应加热装置（141、142）参考至少一个激光焊接头（13）的旋转方向（R）分别设置在至少一个激光焊接头（13）的上游或下游；‑导致至少一个激光焊接头（13）的旋转和至少一个感应加热装置（141、142）的旋转，使得‑激光束（LB）逐步形成周向焊缝（WL）；以及‑至少一个感应加热装置（141、142）分别在激光束（LB）到达周向工作区（WA）的对应的部分（PH、PH2）之前或在激光束（LB）已到达所述对应的部分（PH1、PH2）之后向所述对应的部分（PH1、PH2）供应热量，所述周向工作区（WA）的对应的部分（PH1、PH2）包括相应的第一和第二井管形件（6、7）的所述上和下端部部分的相应的部分。

Device and method of connecting metal pipe for drilling

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于联结钻井的金属管形件的装置和方法
本专利技术涉及用于下沉钻井（诸如，用于开采油的井）的技术，并且已特别参考用于前述井的构造中的金属管形主体的相互连接而开发。
技术介绍
开采井（特别是油井）从土壤的钻探的工艺开始下沉，目的是限定大致竖直的井筒。随着钻探在深度上行进，有必要保护井筒的上部部分以既防止其周边壁的坍塌又防止水和/或油的可能渗入，以及防止钻探淤泥的吸入。被称为完井（completionofthewell）的该步骤通过将一定数量的圆形截面的金属管形主体（称为“套管”）下降到井筒中来执行，所述金属管形主体通常由钢制成。管形主体的数量取决于井的深度和采矿目的以及岩石的钻探的难度。在越来越大的深度处的随后钻探利用甚至更小的大小的冲击式钻头（chiselbit）来实施，以便不损坏已经铺设的管形主体的内壁。由于这个原因，由在井筒内固定在彼此上的管形主体形成的井的内衬具有向上减小的直径，并且被下降的管形件的数量由于井的逐步变窄而受限制。管形主体的直径的范围通常为从10至100cm，并且它们的壁厚的范围通常从为8至25mm。目前，采用以下可能类型的连接中的一种经由螺纹接头来机械地执行管形件的联接：短圆螺纹和接箍（CSG）、长圆螺纹和接箍（LCSG）、偏梯形螺纹和接箍（BCSG）以及直连形螺纹（XCSG）。CSG、LCSG和BCSG类型的连接使用管形件的附加长度，通常称为“接箍（coupling）”，其带有内螺纹并且联接到待联结在一起的两个管的端部，该两个管的端部带有外螺纹。螺纹具有圆形轮廓（CSG、LCSG）或锯齿轮廓（BCSG）。代替地，XCSG连接通过利用锯齿轮廓将待联接在一起的一个管形件的内端部和另一个管形件的外端部螺纹连接而获得，该一个管形件的内端部和另一个管形件的外端部然后直接彼此拧紧。基于经由螺纹接头的机械联接的管形主体或套管的联接的技术呈现出特定缺点。首先，由于螺纹加工所要求的加工操作的复杂性，井管形件的成本高昂。指示性地，带螺纹的井管形件的成本能够比对应的无螺纹的井管形件高多达40％。第二，考虑到需要保护井管形件的带螺纹的端部，井管形件的端部螺纹的存在使管形件本身的存储、运输和铺设的操作复杂化。同样，由于待联接在一起的主体的大的大小，各种井管形件之间的联接的操作（即，它们在铺设期间必须拧紧在一起的事实）是复杂的。除此之外，螺纹的设置意味着管形主体的端部部分的变厚。除了需要进一步的成本之外，该工艺还增加了井筒内的阻碍，因此进一步减小了对下降随后管形件的有用的截面。螺纹的存在恰恰代表了机械应力和腐蚀现象集中的临界点。EP396204A公开了一种用于摩擦焊接用于钻井的管形主体或套管的技术，根据该技术，在待联结在一起的管形主体的两个端部之间设置焊接材料的环，这两个端部竖直地在彼此的顶部上轴向对准。使环以高速转动并沿径向方向变形以便产生足够的热量，以在环本身和两个管形主体的端部之间实现摩擦焊接。这种解决方案就焊接装置的生产（其就工艺温度的管理来说相对地难以控制）来说证明是复杂的，并且偶尔也是接头处的表面不平整的来源，以至强制需要随后的精加工工艺。从EP958094A已知一种感应焊接用于钻井的管形主体的技术。同样在这种情况下，在待联结在一起的管形主体的两个端部之间设置焊接环，这两个端部竖直地在彼此的顶部上轴向对准。两个管形主体之间的联结的区域被封闭在其中注入了惰性气体的不透气的腔室中，并且在腔室内设置了感应线圈，所述感应线圈被设计成将焊接环的材料加热直到熔点并由此在管形主体的端部之间创建冶金结合。同样，该解决方案证明是复杂的，特别是就感应焊接装置的生产来说，该感应焊接装置也必须被预先布置以用于产生非常高的温度。
技术实现思路
总的来说，本专利技术的目的是经由比根据现有技术设想的装置和方法相对地更简单的用于焊接井管形件的装置和方法来解决前述缺点。根据本专利技术，该目的通过一种具有所附权利要求中指定的特性的用于联结井管形件的装置来实现。权利要求形成本文中关于本专利技术提供的技术教导的组成部分。如将在下文中将更清楚地显现的，根据第一方面，使用激光束来对接焊接井管形件，以借助于管形件本身的界面的熔合和再固化来获得其相互联接。在优选实施例中，由借助于一个或多个电磁感应器的加热来辅助激光焊接的工艺，所述电磁感应器布置成以便在焊接接头的区域中参考焊接点行进的方向而领先和/或跟随激光束的入射点。以这种方式，一个或多个感应器向焊接接头和/或围绕焊接接头的区域供应热量，由此防止其过快地冷却。根据第二方面，焊接装置由一结构支撑，该结构安装成可在静止位置和工作位置之间移动，该静止位置大致与待焊接的两个管形件的端部相隔一距离，该工作位置大致靠近待焊接的两个管形件的端部，该可移动结构的位移优选地沿基本上垂直于井筒的轴线的方向以引导的方式发生。附图说明本专利技术的另外的目的、特性和优点将参考附图从随后的详细描述中清楚地显现，所述附图纯粹通过非限制性示例提供，并且在附图中：图1是根据本专利技术的可能实施例的用于联结井管形件的装置的示意性前视图；图2是图1的细节；图3是两个对接联接的井管形件的示意性侧视图，其旨在例示根据本专利技术的可能实施例的装置的操作原理；图4是根据本专利技术的可能实施例的装置的焊接布置的示意性俯视平面图；图5和图6示意图，其分别是根据本专利技术的可能实施例的装置的焊接布置的前视图和侧视图；图7是CCT（连续冷却转变）图，其将典型激光焊接点的冷却动力学与后面跟随有根据本专利技术实施的焊接工艺的冷却动力学进行比较；图8是根据本专利技术的可能实施例的装置的焊接布置的可能控制电路的简化框图；图9是根据可能的有利实施例的图1的装置的局部且示意性侧视图；图10和图11是根据本专利技术的可能实施例的装置的焊接布置的局部且示意性俯视平面图；图12是关于本专利技术的另外的可能实施例的与图9的视图类似的视图；图13是关于本专利技术的可能的变型实施例的与图5的视图类似的视图；图14是根据本专利技术的可能实施例的装置的焊接布置的元件的示意性前视立面图；图15是与图5的视图类似的视图，其具有包括图14的元件的焊接布置；图16是关于本专利技术的另一可能的变型实施例的与图5的视图类似的视图；图17是关于本专利技术的另一可能的变型实施例的与图4的视图类似的视图。具体实施方式在本说明书的框架中对“一实施例”、“一个实施例”、“各种实施例”等等的引用意在指示所描述的至少一个特定构型、结构或特性被包括在至少一个实施例中。因此，可以存在于本说明书的各种点中的诸如“在一实施例中”、“在一个实施例中”、“在各种实施例中”等等的短语不一定指代同一个实施例，而是可代替地指代不同的实施例。此外，本文中所限定的特定的构造、结构、或特性可以以任何适当的方式被组合在一个或多个实施例中，甚至与所体现的实施例不同。本文中特别参考附图中所图示的示例而使用的附图标记和空间参考（诸如“上部”、“下部”、“顶部”、“底部”、“前”、“后”、“竖直”本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于联结待下降到井筒（4）中的金属井管形件的装置，所述金属井管形件包括：第一井管形件（6），所述第一井管形件（6）在基本上竖直的位置中悬挂在所述井筒（4）中，其中所述第一井管形件（6）的上端部在所述井筒（4）的外部，特别地在对应于钻台（3）的位置中；以及第二井管形件（7），所述第二井管形件（7）处于基本上竖直并且在所述第一井管形件（6）上方轴向对准的位置中，其中所述第二井管形件（7）的下端部表面（7a）设置成紧靠所述第一井管形件（6）的上端部表面（6a），其中所述装置包括：/n- 焊接布置（11），所述焊接布置（11）用于在第一和第二井管形件（6、7）的所述上和下端部表面（6a、7a）处形成周向焊缝（WL）；/n- 控制布置（CU、UI），/n其中，所述焊接布置（11）包括焊接组件（12），所述焊接组件（12）包括至少一个激光焊接头（13）和至少一个感应加热装置（14

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170220 IT 102017000018811;20170220 IT 10201700001.一种用于联结待下降到井筒（4）中的金属井管形件的装置，所述金属井管形件包括：第一井管形件（6），所述第一井管形件（6）在基本上竖直的位置中悬挂在所述井筒（4）中，其中所述第一井管形件（6）的上端部在所述井筒（4）的外部，特别地在对应于钻台（3）的位置中；以及第二井管形件（7），所述第二井管形件（7）处于基本上竖直并且在所述第一井管形件（6）上方轴向对准的位置中，其中所述第二井管形件（7）的下端部表面（7a）设置成紧靠所述第一井管形件（6）的上端部表面（6a），其中所述装置包括：
-焊接布置（11），所述焊接布置（11）用于在第一和第二井管形件（6、7）的所述上和下端部表面（6a、7a）处形成周向焊缝（WL）；
-控制布置（CU、UI），
其中，所述焊接布置（11）包括焊接组件（12），所述焊接组件（12）包括至少一个激光焊接头（13）和至少一个感应加热装置（141、142），
其中，所述至少一个激光焊接头（13）被配置成用于将激光束（LB）导引朝向周向工作区（WA），所述周向工作区（WA）包括所述第一井管形件（6）的上端部部分和所述第二井管形件（7）的下端部部分，
其中，所述至少一个感应加热装置（141、142）被预先布置以用于通过感应向所述周向工作区（WA）的对应的部分（EW1、EW2）供应热量，所述周向工作区（WA）的对应的部分（EW1、EW2）包括所述第一和第二井管形件（6、7）的所述上和下端部部分的相应的部分，
其中，所述焊接布置（11）还包括驱动系统（15、16），所述驱动系统（15、16）能够控制以用于根据相应的旋转轨迹使所述焊接组件（12）围绕所述周向工作区（WA）位移，
其中，所述至少一个感应加热装置（141、142）参考所述焊接组件（12）的旋转方向（R）分别在所述至少一个激光焊接头（13）的上游或下游布置于所述焊接组件（12）中，
并且其中，所述控制布置（CU、UI）被配置成用于控制所述焊接组件（12）和所述驱动系统（15、16），使得在所述焊接组件（12）的旋转期间，
-由所述至少一个激光焊接头（13）发射的所述激光束（LB）逐步形成所述周向焊缝（WL）；并且
-所述至少一个感应加热装置（141、142）分别在所述激光束（LB）到达所述周向工作区（WA）的所述对应的部分（PH1、PH2）之前或在所述激光束（LB）已到达所述对应的部分（PH1、PH2）之后向所述对应的部分（PH1、PH2）供应热量。


2.根据权利要求1所述的装置，其中：
-所述焊接组件（12）包括第一感应加热装置（141）和第二感应加热装置（142），所述第一感应加热装置（141）和所述第二感应加热装置（142）参考所述焊接组件（12）的所述旋转方向（R）分别布置在所述至少一个激光焊接头（13）的上游和下游；
-所述控制布置（CU、UI）被配置成用于控制所述焊接组件（12）和所述驱动系统（15、16），使得在所述焊接组件（12）的旋转期间：
-所述第一感应加热装置（141）在所述激光束（LB）到达所述周向工作区（WA）的第一部分（PH1）之前向所述第一部分（PH1）供应热量；并且
-所述第二感应加热装置（142）在所述激光束（LB）已到达所述周向工作区（WA）的第二部分（PH2）之后向所述第二部分（PH2）供应热量。


3.根据权利要求1或权利要求2所述的装置，所述装置包括至少一个激光辐射发生器（LG），所述至少一个激光辐射发生器（LG）处于远离所述焊接组件（12）的位置中并且经由光纤（13a）连接到所述至少一个激光焊接头（13）。


4.根据权利要求1至3中的任一项所述的装置，所述装置还包括保持布置（9、10；174、175），以用于将所述第一井管形件（6）和所述第二井管形件（7）阻挡在所述轴向对准位置中。


5.根据权利要求1至4中的任一项所述的装置，其中，所述驱动系统（15、16）包括基本上环形的引导支撑件（15），所述引导支撑件（15）被预先布置以用于通过其接收所述第一井管形件（6）和/或所述第二井管形件（7），所述引导支撑件（15）限定识别所述旋转轨迹的引导件，所述焊接组件（12）特别地经由一个或多个滚动构件（18a、18b）以能够位移的方式联接到所述引导件，存在优选地关联到所述焊接组件（12）和所述引导支撑件（15）中的至少一个的马达（16），所述马达（16）能够被控制以用于导致所述焊接组件（12）沿着所述引导件位移。


6.根据权利要求1至5中的任一项所述的装置，其中，所述焊接组件（12）具有相应的结构（17），所述相应的结构（17）支撑所述至少一个激光焊接头（13）和所述至少一个感应加热装置（141、142），所述相应的结构（17）被成形为围绕所述第一井管形件（6）和/或所述第二井管形件（7）的圆周的至少一部分。


7.根据权利要求1至6中的任一项所述的装置，其中，所述焊接布置（11）被配置成用于使得能够调整所述至少一个感应加热装置（141、142）相对于所述第一井管形件（6）和所述第二井管形件（7）和/或相对于所述至少一个激光焊接头（13）的操作位置。


8.根据权利要求1至7中的任一项所述的装置，其中，所述控制布置（CU、UI）被预先布置以用于使得能够独立地控制设置在所述焊接布置（11）中的多个感应加热装置（141、142）。


9.根据权利要求1至8中的任一项所述的装置，其中，所述控制布置（CU、UI）包括至少一个控制单元（CU）和用于显示和/或设置操作参数的用户界面（UI），所述操作参数优选地包括以下参数中的一个或多个：
-所述激光束（LB）的功率，
-所述焊接组件（12）的位移速度，
-所述激光束（LB）的焦深，
-所述至少一个感应加热装置（141、142）的工作频率，
-用于供应所述至少一个感应加热装置（141、142）的电流的强度，
-所述至少一个感应加热装置（141、142）的通/断的顺序和/或持续时间，
-所述至少一个感应加热装置（141、142）相对于所述第一井管形件（6）和所述第二井管形件（7）的周边表面的径向位置，
-所述至少一个感应加热装置（141、142）沿着焊接圆周距所述至少一个激光焊接头（13）的距离。


10.根据权利要求1至9中的任一项所述的装置，其中，所述至少一个感应加热装置包括感应器绕组，所述感应器绕组借助于至少一个变压器和至少一个功率转换器被供应，所述至少一个变压器和至少一个功率转换器处于远离所述焊接布置（11）的位置中。


11.根据权利要求1至10中的任一项所述的装置，其中，所述焊接布置（11）或所述焊接组件（12）还包括以下各项中的至少一个：
-另一感应加热装置（143、144），所述另一感应加热装置（143、144）分别设置在比所述激光焊接头（13）更高的高度处或更低的高度处；
-焊炬（21），所述焊炬（21）用于通过增加材料在相应的第一和第二井管形件（6、7）的所述上和下端部表面（6a、7a）处进行焊接；
-器具（20），所述器具（20）用于将气体流基本上导引于由所述激光束（LB）到达的焊接区域处；
-支撑件（17’），所述支撑件（17’）用于所述至少一个感应加热装置（141、142），所述支撑件（17’）具有基本上环形的形状，所述至少一个激光焊接头（13）优选地布置在所述基本上环形的形状的中心开口处。


12.根据权利要求1至11中的任一项所述的装置，所述装置包括支承至少所述焊接组件（12）的可移动支撑结构（50），所述支撑结构（50）能够特别地在钻台（3）上在非操作位置和操作位置之间移动，所述非操作位置大致与所述周向工作区（WA）相隔一距离，所述操作位置大致靠近所述周向工作区（WA），所述支撑结构（50）优选地被设计为安装成能够沿大致垂直于所述井筒（4）的轴线（X）的方向移动。


13.一种用于联结待下降到井筒（4）中的金属井管形件的方法，包括以下步骤：
a）提供具有上端部表面（6a）的第一井管形件（6）和具有下端部表面（7a）的第二井管形件（7）；
b）将所述第一井管形件（6）下降到所述井筒（4）中，从而使所述第一井管形件（6）的上端部留在所述井筒（4）外部；
c）将所述第二井管形件（7）设置于在所述第一井管形件（6）上方轴向对准的位置中，其中所述第二井管形件（7）的所述下端部表面（7a）紧靠所述第一井管形件（6）的所述上端部表面（6a）；
d）将所述第一井管形件（6）和所述第二井管形件（7）保持在所述轴向对准位置中；
e）将所述第一井管形件（6）的所述上端部焊接到所述第二井管形件（7）的所述下端部，从而在所述上端部表面（6a）和所述下端部表面（7a）处形成周向焊缝（WL）；
f）朝向所述井筒（4）的内部下降被焊接在一起的所述第一井管形件（6）和所述第二井管形件（7），
其中，步骤e）包括以下的操作：
-提供至少一个激光焊接头（13），所述至少一个激光焊接头（13）被配置成用于将激光束（LB）导引朝向周向工作区（WA），所述周向工作区（WA）包括所述第一井管形件（6）的上端部部分和所述第二井管形件（7）的下端部部分，所述至少一个激光焊接头（13）能够根据相应的旋转轨迹围绕所述周向工作区（WA）位移；
-提供至少一个感应加热装置（141、142），所述至少一个感应加热装置（141、142）能够基本上根据所述至少一个激光焊接头（13）的所述旋转轨迹位移，所述至少一个感应加热装置（141、142）参考所述至少一个激光焊接头（13）的旋转方向（R）分别设置在所述至少一个激光焊接头（13）的上游或下游；
-导致所述至少一个激光焊接头（13）的旋转和所述至少一个感应加热装置（141、142）的旋转，使得：
-所述激光束（LB）逐步形成所述周向焊缝（WL）；并且
-所述至少一个感应加热装置（141、142）分别在所述激光束（LB）到达所述周向工作区（WA）的对应的部分（PH1、PH2）之前或在所述激光束（LB）已到达所述对应的部分（PH1、PH2）之后向所述对应的部分（PH1、PH2）供应热量，所述周向工作区（WA）的所述对应的部分（PH1、PH2）包括相应的第一和第二井管形件（6、7）的所述上和下端...

【专利技术属性】
技术研发人员：G皮纳雷多，A百利尼，
申请(专利权)人：创新焊接解决方案有限公司，
类型：发明
国别省市：荷兰;NL