CN102333933B - 具有可移除剪切元件的海上钻井隔水管连接器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种隔水管单根连接装置，包括：具有母接头预加载荷设备的母接头连接器；具有公接头预加载荷设备的公接头连接器；至少一个剪切元件，所述至少一个剪切元件被构造成配合到至少一个剪切元件空腔中，所述至少一个剪切元件空腔由内母接头连接器剪切沟槽与外公接头连接器剪切沟槽的对准而限定，其中所述至少一个剪切元件接触所述公接头连接器的载荷表面和所述母接头连接器的载荷表面。

Description

具有可移除剪切元件的海上钻井隔水管连接器

相关申请的交叉引用 

本申请根据35U.S.C.§119(e)主张2008年12月29日提出申请的美国专利申请第61/141,160号的临时申请的优先权权益，该申请通过引用在此全文并入。 

技术领域

这里公开的实施例总体涉及用于在海上钻井隔水管中使用的管道的隔水管连接装置。更具体地，这里公开的实施例涉及一种用于使用可移除剪切元件将多段海上钻井隔水管连接在一起的隔水管连接装置和方法。 

背景技术

海上钻井隔水管(“隔水管”)是大致从位于海底的海底防喷器(“BOP”)堆延伸到诸如钻井船或半潜式钻井装置的浮式钻井装置的连接管道。隔水管单根通常长为大约50与80英尺之间，并且可以通过各种形成的隔水管连接器的任一种连接在一起以形成隔水管柱。隔水管用于使井筒从海底延伸到地面并用于使钻井液(或“钻井泥浆”)和井眼岩屑从钻进到海底防喷器组下方的海底中的井筒返回到浮式钻机。另外，典型的隔水管可以包括位于总隔水管管道外部的多个辅助管道，所述辅助管道可以包括节流及压井管线、隔水管泥浆升压管线、至少一个水力管道、和至少一个海底BOP控制管缆。通常，钻井隔水管单根还可以与被设计成减少隔水管结构在海水中的表观重量的罩状泡沫浮力段配合。 

隔水管连接器在非常长的使用期限(达到20年)必须经得起高波动载荷，同时保持稳固，制造和修理廉价，并且尽可能轻，从而符合该隔水管连接器的预定保养。此外，在现代海上钻井中，可以迅速组装和分解隔水管连接器以最小化隔水管运行时间变得越来越有益，具体地，这是因为在更深的水中进行钻井，并且因为浮式钻井装置的每日成本非常高。 

例如，目前使用的最普通的隔水管连接器(例如，螺栓法兰连接器)可以以每小时仅大约3至4个接头的速度组装或拆卸。对于当前的隔水管单根，通常长大约75英尺，这产生大约300英尺/小时的起下钻速率。因此，起出6000英尺长的隔水管将需要大约20小时。因为当前的浮式钻井装置成本可能超过$20,000每小时，因此可以通过尽可能地减小隔水管起下钻时间来最小化成本。不管螺栓法兰隔水管连接器是否非常缓慢运行，但是螺栓法兰隔水管连接器的优点在于螺栓法兰隔水管连接器可靠、可修理的、并且相对廉价。 

过去对隔水管连接器已经进行了各种努力，使得与传统的法兰海上钻井隔水管连接装置相比，该隔水管连接器可以更加迅速地运行，同时保持该隔水管连接器的优点。一些现有技术的海上隔水管连接器使用螺纹连接器；然而，因为隔水管必须输送诸如节流及压井管线以及浮力段的辅助管道，因此用于海上钻井隔水管的螺纹隔水管连接装置通常必须为“活接头”型，例如授予Roche的美国专利No.4,496,173(“‘173专利”)中所教导的，或者必须提供中心隔水管以相对于辅助管道和浮力段以另外旋转的设备，如授予Reynolds的美国专利No.6,419,277(‘277专利”)所教导的。 

图1A示出了‘173专利中教导的现有技术的螺纹连接的海上钻井隔水管连接装置。隔水管连接装置包括上立管段1、下立管段2、和分别由上立管段1和下立管段2支撑的节流及压井管线段3A、3B、4A和4B。节流及压井管线通过节流及压井连接器5A和5B在隔水管连接器处连接在一起。上立管段1上的活管接环母接头构件(female union box member)6通过自旋螺纹6A螺纹固定到焊接到下立管段2的公接头构件7。通过活管接环母接头构件6与动力环8之间的动力螺纹8A将预加载荷施加到隔水管连接装置。自旋螺纹6A与动力螺纹8A相对，即，一个向右螺旋，而另一个向左螺旋。 

为了防止活管接环母接头构件6由于来自钻井的振动和地下水流在隔水管柱上的作用(例如，涡流产生的振动或VIV)，锁定构件或键9滑动地移动到槽口10中以克服相对于公接头构件7的旋转锁定活管接环母接头构件6。 

图1B示出了‘277专利中教导的现有技术的螺纹连接的隔水管连接装置。隔水管单根15具有阳(“公”)端螺纹11和阴(“母”)端螺纹12。诸如节流压井管线、泥浆升压管线、和液压管道的辅助管道13具有辅助管线连接器17，并通过法兰14和轴承16连接到海上钻井隔水管单根。因为法兰14通过轴承16连接到接头15，因此接头可以旋转，同时法兰14和辅助管道13保持旋转固定。这能够使接头15使用传统的螺纹连接方法连接到其它这种接头。 

由于对在盐水环境中必须承受相对较高的周期性载荷的大直径轴承的需求，以及由于难以在辅助管道中施加高组装扭矩和拆卸扭矩，因此‘277专利的隔水管连接器对于修建及使用来说是昂贵的。 

这些隔水管连接装置任一种都可能制造昂贵，并且可能依靠施加非常高的组装扭矩来实现充分的轴向预加载荷。进一步地，通常必须做一些准备以确保螺纹被锁定在组装位置中，使得该螺纹不会由于例如周期性载荷或振动(尤其在涡激振动中(“VIV”)而旋松或松扣。另外，螺纹连接装置通常被设计成沿着螺纹的轴向长度均匀并且有效地分担载荷，并且典型地作为任意台肩螺纹连接装置而受到相同的疲劳限制。最后，安装在隔水管上的螺纹隔水管连接装置即使可以也难以修理，并且在公知的示例中，螺纹隔水管连接装置在典型的船用(on-board)浮式钻井装置上不可修理。 

其它现有技术的隔水管连接装置使用诸如授予Morrill的美国专利No.4,097,069(“‘069专利”)和授予Daniel的美国专利No.4,280,719(“‘719专利”)的“闩锁”或“卡口”或断续式螺纹装置。典型地在小于一圈内组装或拆卸的这种“闩锁”连接器非常稳固，并且典型地可以非常快速地起下钻。然而，“闩锁”连接器通常仍然需要非常高的组装扭矩和用于防止意外卸扣的一些机构，并且非常笨重并且修建及其昂贵。具体地，因为闩锁型连接器的载荷支承部分必须必然地延伸到连接器的圆周的仅大约一半，因此连接器以断续的方式承载轴向载荷，并因此载荷支承部分必须非常稳固，这因此使得该连接器非常笨重并且昂贵。 

图2A示出了用于‘069专利中所教导的隔水管的现有技术的“卡口”或“闩锁”型隔水管连接装置、隔水管单根23具有母接头连接器构件26、公接头连接器构件、和通过焊接的辅助管线法兰22。辅助管线法兰22支 撑节流辅助管线20和压井辅助管线21，所述节流辅助管线和压井辅助管线分别具有节流管线连接器20A和压井管线连接器21A。母接头连接器构件具有支撑连接器螺母24的台肩26A。连接器螺母24具有锁定机构29和具有上倾斜表面25A的母接头渐缩凸缘25。公接头连接器27具有公接头渐缩突缘28，所述突缘具有下倾斜表面28A。 

当组装‘069专利的隔水管连接装置时，连接器螺母24被下降在公接头连接器27上，并且连接器螺母旋转，使得公接头渐缩凸缘28上的下倾斜表面28A与母接头渐缩凸缘25上相应的上倾斜表面25A接合。最后，锁定机构29被接合以使组装后的隔水管连接装置不会松开(或“松扣)。 

图2B示出了如‘719专利中所教导的用于隔水管的现有技术的双排“卡口”型隔水管连接装置。隔水管单根201具有辅助管线210、辅助管线支撑件211、和辅助管线连接器212。隔水管单根201例如通过焊接连接到辅助管线支撑环202，所述辅助管线支撑环又连接到公接头元件204。隔水管单根201的另一端连接到母接头元件203。 

锁紧环206与卡口型上凸缘207A和下凸缘208A配合，当锁紧环206相对于母接头构件203旋转时，所述上凸缘207A和下凸缘208A与母接头构件203上的上凸缘207B和下凸缘208B协作地互锁。一旦卡口型凸缘被正确接合，锁紧环206通过公接头锁紧环锁209对抗松扣(和脱离与卡口连接)被固定。锁紧环206通过锁定机构209固定在互锁位置，并且整个隔水管连接装置通过紧固环205被轴向预加载荷，当被扭转时，所述紧固环支承在公接头元件204的台肩204A上。该连接器可以相对迅速地下入，但是由于复杂的载荷路径和临界公差，该连接器难以加工和修理，并且相对笨重并且昂贵。 

现有技术的隔水管连接装置(例如，授予Hynes的美国专利No.3,827,728(“‘728专利”)所教导的管连接器)在母接头连接器中使用径向移动剪切元件以径向夹持配套公接头连接器中的轮廓。授予Fraser的美国出版物No.2008-0175672(“‘672出版物”)中教导的该连接器的随后变型使用两排错开排列径向移动剪切元件或“掣爪”。类似于卡口隔水管连接装置，径向掣爪隔水管连接装置对于每一个掣爪来说在母接头隔水管连 接装置中需要一定量的“支撑金属”，因此这些隔水管连接装置往往体积大、笨重并且昂贵。 

图3A示出了‘728专利中所教导的隔水管连接器。隔水管单根300包括具有辅助管线连接器302的辅助管线301、公接头构件303、和母接头构件304。辅助管线301通过一体式法兰308固定到公接头构件303，并通过法兰309固定到母接头构件304。母接头构件304具有容纳掣爪305的多个窗体305A，所述掣爪被布置成向内移动以接合公接头构件303中的一个或多个沿圆周方向延伸的外沟槽306。掣爪305大致为弓形以更好地配合外沟槽306。窗体305A大致在一个水平面上沿圆周方向互相间隔开。掣爪305通过锁定机构309被锁定以与外沟槽306接合。然而，该隔水管连接装置的强度可能受限于由在掣爪中获得的剪切面积，所述剪切面积又受限于由每一个掣爪所需的支撑金属量及其窗体。此外，由于可获得有限的剪切面积，因此难以实现对相对小直径的轻隔水管的需要。 

图3B示出了‘732出版物中所教导的相关隔水管连接器。该隔水管连接装置试图在不需要增加连接器的直径并仅增加最小重量的情况下增加在掣爪型隔水管中可获得的载荷支承掣爪的数量。隔水管310具有公接头构件311和母接头构件312。母接头构件具有容纳掣爪313的窗体313A和锁定机构314。然而，在该连接器中，窗体以多列的形式以交错图案设置，如这里示出了上列315和下列316；即，上列315中的窗体相对于下列316中的窗体的圆周位置沿圆周方向移动(或“交错”)。然而，‘728专利和‘732出版物都没有考虑备用荷载路径(例如，如果主要荷载被破坏，则被使用)，也没有考虑隔水管连接装置在船用钻井船的修理。 

因此，考虑到备用或辅助或应急载荷路径，需要一种用于海上钻井隔水管的迅速起下钻隔水管连接装置，所述隔水管连接装置重量相对较轻，具有非常高的轴向预加载荷的能力，并且即使在船用钻井船上也可以便宜且迅速地修理。 

发明内容

一方面，这里公开的实施例提供涉及一种隔水管单根连接装置(riser joint connection)，包括：母接头连接器，所述母接头连接器具有母接头预加载荷设备；公接头连接器，所述公接头连接器具有公接头预加载荷设备；至少一个剪切元件，所述至少一个剪切元件被构造成配合到至少一个剪切元件空腔中，所述至少一个剪切元件空腔由母接头连接器剪切沟槽与公接头连接器剪切沟槽的对准限定，其中至少一个剪切元件接触公接头连接器的载荷表面和母接头连接器的载荷表面。 

另一方面，这里公开的实施例涉及一种连接隔水管单根的方法，所述方法包括以下步骤：使母接头连接器位于公接头连接器上；将选定的轴向预加载荷施加到母接头连接器和所述公接头连接器；通过剪切元件端口将至少一个剪切元件***到剪切元件空腔中，所述剪切元件空腔形成在母接头连接器剪切沟槽与公接头连接器剪切沟槽之间；清除预加载荷并以压缩的方式使至少一个剪切元件与公接头连接器的载荷表面和母接头连接器的载荷表面接合。 

一方面，这里公开的实施例涉及一种隔水管单根连接装置，包括：母接头连接器，所述母接头连接器具有母接头预加载荷设备；公接头连接器，所述公接头连接器具有公接头预加载荷设备；至少一个剪切元件，所述至少一个剪切元件被构造成配合到至少一个剪切元件空腔中，所述至少一个剪切元件空腔由内母接头连接器剪切沟槽与外公接头连接器剪切沟槽的对准限定，其中至少一个剪切元件接触公接头连接器的载荷表面和母接头连接器的载荷表面。 

另一方面，这里公开的实施例涉及一种连接隔水管单根的方法，所述方法包括以下步骤：使母接头连接器位于公接头连接器上；将选定的轴向预加载荷施加到母接头连接器和公接头连接器；通过剪切元件端口将至少一个剪切元件***到剪切元件空腔中，所述剪切元件空腔形成在内母接头连接器剪切沟槽与外公接头连接器剪切沟槽之间；以及移除预加载荷并以压缩的方式使至少一个剪切元件与公接头连接器的载荷表面和母接头连接器的载荷表面接合。 

本发明的其它方面和优点将从以下说明和所附权利要求变得清楚呈现。 

附图说明

图1A是根据现有技术的螺纹连接的海上钻井隔水管连接装置的横截面图； 

图1B是根据现有技术的螺纹连接的海上钻井隔水管连接装置的装配视图； 

图2A是根据现有技术的卡口型海上钻井隔水管连接装置的组装视图； 

图2B是根据现有技术的卡口型海上钻井隔水管连接装置的横截面图； 

图3A是根据现有技术的径向掣爪海上钻井隔水管连接装置的横截面图； 

图3B是根据现有技术的径向掣爪海上钻井隔水管连接装置的横截面图； 

图4A-4C是根据本公开的实施例的海上钻井隔水管连接装置的横截面图； 

图5A和图5B是根据本公开的另外的实施例的海上钻井隔水管连接装置的横截面图； 

图6A和图6B是根据本公开的另外的实施例的海上钻井隔水管连接装置的横截面图； 

图7A和图7B是根据本公开的另外的实施例的海上钻井隔水管连接装置的横截面图；以及 

图8A-8C是根据本公开的实施例的剪切元件的“子弹带(bandoiler)”的装配视图。 

具体实施方式

这里公开的各种实施例涉及用于使用可移除剪切元件将多段海上钻井隔水管连接在一起的隔水管连接装置和办法。 

首先参照图4A-4C，示出了根据本公开的实施例的连接器的横截面图，其中所述连接器可以被预加载荷成压缩状态(即，隔水管连接装置在预加载 荷期间“被挤压在一起”)，之后，轴向剪切元件可以***到该隔水管连接装置中(同时预加载荷被施加到隔水管连接装置)。 

隔水管连接器包括母接头连接器400，所述母接头连接器包括母接头剪切沟槽400A、母接头载荷表面400B、母接头预加载荷设备400C、母接头端面400D、母接头端面表面400E和母接头孔台肩400F。此外，隔水管连接器包括公接头连接器401，所述公接头连接器包括公接头剪切沟槽401A、公接头载荷表面401B、公接头预加载荷设备401C、公接头连接器台肩401D、公接头前缘401E和公接头前缘表面401F。 

预加载荷设备400C和401C可以为如图所示的圆周法兰，或在可选的实施例中可以为径向间隔开的钩子、眼孔、圆周沟槽、或允许装置的附加装置施加轴向压缩预加载荷力403的任意其它装置。用于施加预加载荷的装置可以位于当隔水管被下入或取回时要采用的钻台上，或者在可选的实施例中可以永久安装在母接头连接器400或公接头连接器401上(并因此为隔水管组件的一部分)。在一些实施例中，用于施加预加载荷403的装置可以与隔水管卡盘成一体，所述隔水管卡盘用于当隔水管被下入或取回时支撑悬挂在钻机下方的隔水管柱。在其它实施例中，通常用于升起和下降管状接头的提升机构可以通过抵靠向下施加预加载荷403在母接头连接器上的装置而提升接头以在公接头连接器上提供向上预加载荷403。本领域的技术人员将理解用于执行该操作的提升机构的限制。当隔水管连接装置如图所示被完全装配(或“组装”)时，剪切元件405可以配合到由母接头连接器上的剪切沟槽400A和公接头连接器上的剪切沟槽401A限定的剪切空腔中。剪切元件405因此限定当隔水管连接装置被组装时载荷表面400B与401B之间的剪切高度404。 

图4A示出了在公接头前缘中具有压缩预加载荷的公接头前缘台肩，即，当连接器如图所示被组装时，公接头前缘401E保持压缩预加载荷。图4A的隔水管连接装置可以如下组装：(a)使母接头隔水管连接装置400位于公接头连接器401上，使得母接头孔台肩400F倚靠在公接头前缘表面401F上；(b)将选定的预加载荷力403施加到预加载荷设备400C和401C，从而扩大载荷表面400B与401B之间的剪切高度404；(c)剪切元件404通过剪切元件端口402***到在剪切沟槽400A与401A之间形成 的空腔中；以及(d)除去预加载荷413。在该实施例中，母接头端面400D在组装后的隔水管连接装置没有处于压缩状态，即，母接头端面表面400E可以不与公接头连接器台肩401D接触。 

图4B示出了根据本发明的实施例的双台肩隔水管连接装置。双台肩隔水管连接装置包括在公接头前缘和母接头端面中的压缩预加载荷，即，当连接器如图所示被组装时，公接头前缘401E和母接头端面400D保持压缩预加载荷。图4B的隔水管连接装置可以如下组装：a)母接头隔水管连接装置400位于公接头连接器401上，使得母接头孔台肩400F倚靠在公接头前缘表面401F上，此时，通常在母接头工作面400E与公接头连接器台肩401D之间具有小间隙；(b)将选定的预加载荷力403施加到预加载荷设备400C和401C，从而扩大载荷表面400B与401B之间的剪切高度404，并使母接头工作面400E与公接头连接器台肩401D压缩接触；(c)剪切元件405通过剪切元件端口402***到在剪切沟槽400A与401A之间形成的空腔中；以及(d)除去预加载荷413。 

可选地，母接头连接器400可以位于公接头连接器401上，使得母接头端面表面400E倚靠在公接头连接器台肩401D上，并且在母接头孔台肩400F与公接头前缘表面401F之间具有小间隙，使得当隔水管连接装置被如图所示组装时，公接头前缘401E和母接头端面400D都保持压缩预加载荷。 

本领域的普通技术人员将认识到保持在图4A-4C中所示的隔水管连接装置中的预加载荷量可以取决于具有施加预加载荷的隔水管连接装置的剪切高度404与***的剪切元件405的高度之间的差值。大差值(即，剪切元件与在预加载荷期间载荷表面中的至少一个之间的大轴向间隙)将使得轴向剪切元件的***和移除更加容易，但是自然在隔水管连接装置中可能会保持一小部分的施加预加载荷。 

本领域的普通技术人员将认识到对于给定的选定轴向压缩预加载荷来说，当预加载荷应变为每英寸几英寸(inches-per-inch)时，在预加载荷期间剪切高度404的增加可以取决于一个或多个压缩构件的长度。在图4A的实施例中，公接头前缘通常可以十分长，例如大约为12-24英寸，以便 使隔水管连接装置充分轴向应变，从而允许容易地***和移除剪切元件405，从而在***元件之后仍然保留充分的预加载荷。 

图5A和图5B显示了根据本公开的实施例的隔水管连接装置的横截面图，所述隔水管连接装置包括在预加载荷之前或期间允许母接头剪切沟槽500A轴向位移的可调节母接头部分。 

图5A中所示的隔水管连接装置具有母接头连接器组件506，所述母接头连接器组件包括母接头连接器500和可调节母接头部分500H。母接头连接器500包括母接头预加载荷设备500C、母接头孔台肩500F、母接头外径(“OD”)螺纹500G、和可调节母接头部分500H。可调节母接头部分500H包括母接头内径(“ID”)螺纹500L、螺纹锁定机构500J、母接头剪切沟槽500A、母接头载荷表面500B、母接头端面500D、和母接头端面表面500E。隔水管连接装置还具有公接头连接器501，所述公接头连接器包括公接头剪切沟槽501A、公接头载荷表面501B、公接头预加载荷设备501C、公接头连接器台肩501D、公接头前缘501E、和公接头前缘表面501F。 

图5A的隔水管连接装置可以如下组装：(a)使母接头连接器组件506位于公接头连接器501上，使得母接头孔台肩500F倚靠在公接头前缘表面501F上；(b)剪切元件505通过剪切元件端口502***到在母接头剪切沟槽500A与公接头剪切沟槽501A之间形成的空腔中；(c)将选定的压缩预加载荷力503施加到预加载荷设备500C和501C；(d)通过螺纹500G和500L向上调节可调节母接头部分500H以消除剪切元件505与载荷表面500B和501B之间的轴向间隙，以及通过螺纹锁定机构500J将可调节母接头部分500H锁定在适当的位置；以及(e)除去预加载荷力503。 

可选地，通过在施加选定的压缩预加载荷力(即，上述步骤(d)期间)的同时，将大致选定的组装扭矩507施加到母接头500H和500L，可以将辅助预加载荷(大于预加载荷力503)施加到隔水管连接装置。 

除了母接头预加载荷设备500C位于可调节母接头部分500H上而不是位于母接头连接器500上之外，图5B中所示的隔水管连接装置类似于图5A中所示的隔水管连接装置，因此，图5B中所示的隔水管连接装置可以装配有任选的预加载荷轴承500K以在施加轴向预加载荷503的同时 有助于可调节母接头部分500H的旋转。图5B的隔水管连接装置可以由两种方法中的一种方法组装而成。 

在第一方法中，隔水管连接装置类似于图4A-4C中所示的隔水管连接装置组装而成，即，在***剪切元件之前隔水管连接装置被预加载荷。在第一方法中，可调节母接头部分500H用于将剪切高度504修整到最佳值，并在***剪切元件之前通过螺纹锁定机构500J将可调节母接头部分500H锁定在适当的位置。在该方法中，不需要任选的预加载荷轴承500K。第一方法允许使用再加工剪切元件(其中，例如，已经从剪切元件除去碎片或其它损坏部件，从而使其具有不同的高度)。 

在第二方法中，通过同时将选定的轴向预加载荷503和选定的组装扭矩507施加到可调节母接头部分来组装隔水管连接装置。在这种情况下，任选的预加载荷轴承500K可能是有益的。预加载荷轴承500K可以包括安装在可调节母接头部分500H上和/或安装在母接头预加载荷设备500C上的轴承或袖衬，或者可以是安装在与母接头预加载荷设备500C协作的外部预加载荷装置(未示出)上的轴承或袖衬。 

对于图5A和图5B中所示的实施例，当施加选定轴向预加载荷503和选定的组装扭矩507时，根据螺纹500G和500L、以及有效轴向预加载荷和扭矩组装设备，选择选定的轴向预加载荷503和选定的组装扭矩507中的每一个以将最高可能的净预加载荷提供给隔水管连接装置。例如，如果提供轴向预加载荷503的设备具有有限的能力，则辅助组装扭矩507可以用于在螺纹500G和500L的设计极限内进行补偿。可选地，期望具有沿隔水管柱的长度的预加载荷梯度，其中，例如，在管柱的顶部处(即，靠近水的表面)的隔水管单根与在更深水中的隔水管单根相比具有更高的预加载荷；在这种情况下，基于管柱中的隔水管连接装置的最终位置，可以使用一个选定的轴向预加载荷503和不同组装扭矩507。本领域的普通技术人员将认识到可以以多种传统的方式将组装扭矩507施加到这些隔水管连接装置，包括例如可以径向或平行于隔水管的轴线布置的直通横跨孔或沟槽或狭槽。 

图6A和图6B显示了根据本公开的实施例的隔水管连接装置的横截面图，所述隔水管连接装置包括用于保存施加的拉伸预加载荷并且任选地 促进预加载荷或单独地产生轴向预加载荷的可调节载荷台肩。参照图6A，隔水管连接装置具有母接头连接器600，所述母接头连接器包括母接头剪切沟槽600A、母接头载荷表面600B、母接头预加载荷设备600C、母接头端面600D、和母接头孔台肩600F。隔水管连接装置还具有公接头连接器601，所述公接头连接器包括公接头剪切沟槽601A、公接头载荷表面601B、公接头预加载荷设备601C、公接头前缘601E、和公接头前缘表面601F。进一步地，图6A中所示的隔水管连接装置包括母接头端面表面600E和可调节公接头台肩环601H，所述可调节公接头台肩环通过螺纹601G螺纹地连接到公接头连接器601，并且具有公接头连接器台肩601D和螺纹锁定机构601J。 

可选地，图6B中所示的实施例具有可调节母接头端面环607，所述可调节母接头端面环通过螺纹607A螺纹地并且同心地连接到母接头隔水管连接装置600，并且具有可调节母接头端面表面607B和螺纹锁定机构600J。 

图6A的隔水管连接装置可以通过以下方法组装而成：(a)母接头连接器600位于公接头连接器601上，使得母接头孔台肩600F倚靠在公接头前缘表面601F上；(b)剪切元件605通过剪切元件端口602***到在母接头剪切沟槽600A与公接头剪切沟槽601A之间形成的空腔中；(c)将选定的拉伸预加载荷力603施加到预加载荷设备600C和601C；(d)通过螺纹601G向上调节可调节公接头台肩环601H以消除公接头连接器台肩601D与母接头端面表面600E之间的轴向间隙，以及通过螺纹锁定机构600J将可调节公接头台肩环601锁定在适当的位置；以及(e)除去拉伸预加载荷力603。 

可选地，就在刚才提到的步骤(d)期间，通过将大致选定的组装扭矩606施加到可调节公接头台肩环601H而可以将辅助轴向预加载荷(大于选定的拉伸预加载荷力603)施加给隔水管连接装置。 

在可选的方法中，图6A的隔水管连接装置可以如下组装而成：(a)母接头连接器600位于公接头连接器601上，使得母接头孔台肩600F倚靠在公接头前缘表面601F上；(b)剪切元件605通过剪切元件端口602***到在母接头剪切沟槽600A与公接头剪切沟槽601A之间形成的空腔中；(c) 通过螺纹601G向上调节可调节公接头台肩环601H以消除公接头连接器台肩601D与母接头端面表面600E之间的轴向间隙；以及(d)通过使公接头台肩环601H旋转到高转矩606而将选定的轴向预加载荷力施加到隔水管连接装置；以及(e)通过螺纹锁定机构600J将公接头台肩环601H锁定在适当的位置。 

本领域的普通技术人员将认识到可以通过施加到公接头台肩环601H的选定的拉伸预加载荷力603和选定扭矩606的任意组合将选定的轴向预加载荷603施加到图6A或6B中所示的隔水管连接装置。 

图6B的隔水管连接装置可以通过以下方法组装而成：(a)母接头连接器600位于公接头连接器601上，使得母接头孔台肩600F倚靠在公接头前缘表面601F上；(b)剪切元件605通过剪切元件端口602***到在母接头剪切沟槽600A与公接头剪切沟槽601A之间形成的空腔中；(c)将选定的拉伸预加载荷力603施加到预加载荷设备600C和601C；(d)通过螺纹607A向下调节可调节母接头端面环607以消除公接头连接器台肩601D与可调节母接头端面表面607B之间的轴向间隙，并通过螺纹锁定机构600J将可调节母接头端面环607锁定在适当的位置；以及(e)除去拉伸预加载荷力603。 

在可选的方法中，就在刚才提到的步骤(d)期间，可以通过将大致选定的组装扭矩606施加到可调节的母接头端面环607而将辅助的轴向预加载荷(大于选定拉伸预加载荷力603)施加到隔水管连接装置。 

以下参照图7A和图7B，示出了根据本公开的实施例的隔水管连接装置的横截面图。图7A示出了具有母接头剪切沟槽700A的母接头连接器700、具有公接头剪切沟槽701A的公接头连接器701、和轴向剪切元件705。图7B是图7A中所示的组装好的隔水管连接装置的横截面(在截面‘A-A’处的视图)，所述隔水管连接装置具有母接头连接器700、母接头剪切沟槽700A、公接头连接器701、公接头剪切沟槽701A、和剪切元件端口702。 

在图7A和7B中所述的实施例中，具有两个大致正切的剪切元件端口702，使得可以使用剪切元件705A和705B的两个分开的“子弹带”；一个子弹带通过每一个剪切元件端口702***。在该实施例中，径向销(或其它类似装置)可以安装在母接头剪切沟槽700A和/或公接头剪切沟槽 701A中以用于剪切元件子弹带的“止动件”，当然，该止动件没有妨碍连接器的组装或拆卸。 

要注意的是为了清楚起见，图4-7是本公开的实施例的大致示意图，并且可以不显示本领域的普通技术人员所理解的在实际隔水管连接器中所需的一些特征。这些特征包括但不局限于例如母接头连接器与公接头连接器之间的密封件、有助于对扣的渐缩前缘、用于容纳隔水管送入工具的内圆周沟槽、用于保持和支撑辅助线的托架或法兰、和例如通过焊接将隔水管连接器连接到立管(riser pipe)的装置。 

进一步地，如图4-7中所示的本公开的实施例被示出由公接头剪切沟槽和母接头剪切沟槽形成的单个圆周剪切空腔。然而，在不背离本公开的教导的情况下，隔水管连接装置可以可选地具有两个或更多个圆周空腔和/或一个或多个螺旋空隙。 

在本公开的一些实施例中，形成在两个配合隔水管单根之间的至少一个剪切元件空腔可以大致是圆周的。在另一个实施例中，至少一个剪切元件空腔可以大致为螺旋形。在本公开的又一个实施例中，可以具有多个圆周空腔。进一步地，多个圆周空腔在其剪切侧面可以具有不同间距，使得当与可移除剪切元件一起使用时，空腔之间的轴向载荷在隔水管使用中时可以相等。在另一个实施例中，可以通过在各个剪切空腔中的每一个中使用不同尺寸的可移除剪切元件而使由多个圆周空腔中的每一个承载的各个轴向载荷相等。 

进一步地，在本公开的一些实施例中，具有多个剪切元件空腔，所述剪切元件空腔中的至少一个为在主要空腔被破坏的情况下使用的备用空腔。在另一个实施例中，具有两个主要剪切元件空腔和一个备用空腔，其中形成备用空腔的沟槽可以涂覆有大致不可渗透涂层(例如，用于防止腐蚀)，当在钻井船上使用备用空腔时可以清除所述大致不可渗透涂层。在又一个实施例中，形成备用空腔的沟槽可以填充有用于保护沟槽的密封元件(例如，弹性体环或类似装置)。 

图4-7中所示的轴向剪切元件的横截面可以大致为矩形，并且在一些实施例中，可以大致为圆柱形，且所述圆柱形的轴线大致平行于隔水管的轴线。然而，轴向剪切元件还可以大致为椭圆形形状、或倒角矩形、或具 有大致矩形横截面的其它形状。轴向剪切元件还可以具有不背离本公开的教导包括但不局限圆形横截面(例如，球形或球形圆柱形元件)或方形或梯形的其它横截面，只要轴向剪切元件可与公接头载荷表面和母接头载荷表面适当配合。此外，轴向剪切元件可以具有大致弓形形状，或者轴向剪切元件的表面中的一个或多个的至少一个横截面为拱形，以例如更好地与公接头载荷表面和母接头载荷表面配合，或更加容易地***和取出轴向剪切元件。 

在本公开的一个实施例中，可移除剪切元件可以单独***，即，没有相互连接。以下参照图8A-8C，可移除轴向剪切元件可以以根据本公开的实施例的诸如“带”或“子弹带”或“珍珠串”结构连接的各种连续结构连接在一起。在本公开的选择的实施例中，可移除轴向剪切元件可以大致为球形。在相关的实施例中，可移除轴向剪切元件可以为球形，并且连接在一起以形成诸如钢丝绳或穿过每一个球形剪切元件的中心的类似柔性构件的“珍珠串”结构。在另一个相关实施例中，可移除轴向剪切元件可以例如通过灌注以选定的间隔固定到延伸通过该可移除轴向剪切元件的中心的柔性构件。在另一个相关实施例中，与可移除轴向剪切元件连接的柔性构件可以在至少一个远端上配备有环形或锚状装置以有助于从隔水管连接器除去剪切元件。在又一个实施例中，连续剪切元件可以通过铰链连接在一起以形成带或“子弹带”。 

在一些实施例中，包括在剪切元件之间的铰链可以包括铰链销。在其它实施例中，铰链可以包括诸如弹性体的柔性构件。在另一个实施例中，剪切元件可以成型到柔性带中，所述柔性带例如包括纤维或织物增强弹性体。在另一个相关实施例中，增强织物可以包括聚芳基酰胺纤维。 

在本公开的选择实施例中，形成子弹带的剪切元件可以大致为圆柱形形状，并且安装在剪切元件空腔中，使得所述剪切元件的轴线大致平行于海上钻井隔水管的纵向中心线。在其它实施例中，剪切元件的横向横截面可以大致为矩形或梯形。在其它实施例中，剪切元件的以隔水管连接装置的半径截取的垂直横截面可以大致为矩形或梯形。在本发明的其它实施例中，剪切元件的组成“带”可以由一块金属加工而成，使得沿限定各个剪 切元件的带每隔一定间隔具有机械加工“切口”，并且允许带在切口下在薄截面处弯曲。 

在本公开的一些实施例中，剪切元件的柔性带或“子弹带”可以被构成有稍微渐缩的剪切元件高度，使得剪切元件在带的一端比另一端高。在相关实施例中，剪切元件的柔性带可以包括具有交错高度的多组剪切元件，使得多个元件具有相同的高度。 

在本公开的选择实施例中，至少一个剪切元件端口可以被布置成大致与在两个配合隔水管单根之间形成的空腔相切。在相关实施例中，至少一个剪切元件端口可以布置成与两个配合隔水管单根之间形成的空前在15度内相切。在另一个实施例中，剪切元件端口可以大致径向布置，但是具有一个或多个圆周表面，所述一个或多个圆周表面的半径大约接近正切端口。 

在本公开的一些实施例中，可以使用施加到可移除剪切元件串的液压或气压***和移除可更换剪切元件。在相关实施例中，可更换剪切元件可以通过柔性清管器被“追逐”或“填塞”以提供相对于剪切元件空腔的液压或气动密封。在另一个实施例中，可更换剪切元件可以使用推弹杆或类似装置机械地***和移除。在相关实施例中，推弹杆可以例如通过驱动螺杆通过液压、气动、电或机械地被供给动力。 

在本公开的选择实施例中，当隔水管连接装置组件正在被预加载荷时，可移除轴向剪切元件可以安装在隔水管连接装置或从隔水管连接装置除去。在另一个实施例中，可以在隔水管连接装置被预加载荷之前安装可移除轴向剪切元件，并且可以在已经从隔水管连接装置除去隔水管预加载荷之后从隔水管连接装置除去可移除轴向剪切元件。在本公开的组装方法的另一个实施例中，两个钻井隔水导管接头可以刺穿在一起，可以***可移除剪切元件，可以将轴向预加载荷施加到隔水管连接装置，并且可以组装螺纹台肩以使隔水管连接装置限于预加载荷状态下。在相关实施例中，可以组装螺纹台肩以使隔水管连接装置限于预加载荷状态下并相当大地促进隔水管连接装置的轴向预加载荷。 

在另一个相关实施例中，代替螺纹台肩，可以使用从外部施加的裂环以使隔水管连接装置受限。在另一个相关实施例中，外部施加的裂环包括 用于调节裂环的有效轴向长度的轴向定向的“推动”柱，并且任选地增加预加载荷。在本公开的另一个实施例中，限制隔水管预加载荷的装置，例如螺纹构件或裂环，还包括遮盖剪切元件端口的装置。 

在本公开的组装的相关方法中，基于隔水管连接装置在隔水管柱中的最终位置，选定的预应力可以通过例如使用不同尺寸的可移除剪切元件而保存在隔水管连接装置。例如，预加载荷“梯度”可能是期望的，且较高的轴向预加载荷在隔水管柱的顶部处，并且在越深的深度处预加载荷逐渐降低。 

在本公开的一些实施例中，一个剪切空腔的剪切表面可以例如通过固定到隔水管连接装置的便携式径向沟槽切割工具校正地在船用钻井船上机械加工，使得当与特殊“紧急”可移除剪切元件配合时修改后的隔水管连接装置可以例如继续使用，其中所述“紧急”可移除剪切元件比标准元件大。 

有利地，本公开的实施例的使用剪切元件的隔水管连接装置可以提供廉价并且可靠的将承受高轴向预加载荷的隔水管连接装置。进一步地，这里公开的实施例可以提供一种允许隔水管柱非常快速地组装和拆卸的海上钻井隔水管连接器和组装/拆卸方法。进一步地，这里公开的实施例可以提供一种可以安全地储存、维修、和修理，而与其可移除、可互换、可更换、并且可修理的载荷支承剪切元件无关的海上钻井隔水管。例如，在第一系列沟槽中的剪切元件失效的情况下，多余的沟槽可以提供可靠的隔水管连接装置，第二系列沟槽中的剪切元件可以防止隔水管单根的隔水管连接装置的失效。最后，这里公开的实施例的海上钻井隔水管可以有效并且更加有效率地分担轴向分离剪切元件之间的载荷。 

虽然已经相对于有限的实施例说明了本公开，但是得益于本公开的本领域的技术人员将认识到可以设计不背离本公开这里所述的保护范围的实施例。因此，本公开的保护范围应该仅仅由所附权利要求限制。 

Claims (28)

1.一种隔水管单根连接装置，包括：

母接头连接器，所述母接头连接器包括母接头预加载荷设备；

公接头连接器，所述公接头连接器包括公接头预加载荷设备；

至少一个剪切元件，所述至少一个剪切元件被构造成配合到至少一个剪切元件空腔中，所述至少一个剪切元件空腔由母接头连接器剪切沟槽与公接头连接器剪切沟槽的对准而限定，

其中所述至少一个剪切元件接触所述公接头连接器的载荷表面和所述母接头连接器的载荷表面。

2.根据权利要求1所述的隔水管连接装置，还包括可调节母接头部分，所述可调节母接头部分与所述母接头连接器通过螺纹接合，从而能够调节地消除所述至少一个剪切元件与所述公接头连接器的载荷表面和所述母接头连接器的载荷表面之间的轴向间隙。

3.根据权利要求2所述的隔水管连接装置，还包括锁定机构，所述锁定机构用于防止所述可调节母接头部分的移动。

4.根据权利要求2所述的隔水管连接装置，其中，选定的组装扭矩被施加到所述可调节母接头部分。

5.根据权利要求1所述的隔水管连接装置，还包括公接头台肩环，所述公接头台肩环与所述公接头连接器通过螺纹接合。

6.根据权利要求5所述的隔水管连接装置，还包括用于防止所述公接头台肩环移动的锁定机构。

7.根据权利要求5所述的隔水管连接装置，其中，选定的组装扭矩被施加到所述公接头台肩环。

8.根据权利要求1所述的隔水管连接装置，其中，当组装所述隔水管连接装置时，所述公接头连接器的公接头前缘通过接触母接头孔台肩保持压缩预加载荷。

9.根据权利要求1所述的隔水管连接装置，其中，当组装所述隔水管连接装置时，所述母接头连接器的母接头端面通过接触公接头连接器台肩保持压缩预加载荷。

10.根据权利要求1所述的隔水管连接装置，包括多个独立的剪切元件。

11.根据权利要求1所述的隔水管连接装置，包括以子弹带结构通过铰链连接在一起的多个剪切元件。

12.根据权利要求1所述的隔水管连接装置，其中，所述至少一个剪切元件具有选自由大致矩形、椭圆形、倒角矩形、圆形、方形和梯形构成的组的横截面。

13.根据权利要求1所述的隔水管连接装置，包括多个剪切元件空腔。

14.根据权利要求1所述的隔水管连接装置，其中，施加到所述公接头连接器和所述母接头连接器的选定的轴向预加载荷确定所述剪切元件空腔的高度。

15.根据权利要求1所述的隔水管连接装置，其中，当所述隔水管单根断开时，所述至少一个剪切元件从隔水管单根连接装置除去。

16.根据权利要求1所述的隔水管连接装置，其中，至少一个剪切元件端口被布置成与形成在两根配合隔水管单根之间的所述至少一个剪切元件空腔大致相切。

17.一种连接隔水管单根的方法，所述方法包括以下步骤：

使母接头连接器位于公接头连接器上；

将选定的轴向预加载荷施加到所述母接头连接器和所述公接头连接器；

通过剪切元件端口将至少一个剪切元件***到剪切元件空腔中，所述剪切元件空腔形成在母接头连接器剪切沟槽与公接头连接器剪切沟槽之间；

移除所述预加载荷并以压缩的方式使所述至少一个剪切元件与所述公接头连接器的载荷表面和所述母接头连接器的载荷表面接合。

18.根据权利要求17所述的方法，还包括以下步骤：

通过螺纹调整可调节母接头部分以消除所述至少一个剪切元件与所述公接头连接器的载荷表面和所述母接头连接器的载荷表面之间的轴向间隙。

19.根据权利要求18所述的方法，还包括以下步骤：

同时将选定的组装扭矩施加到所述可调节母接头部分。

20.根据权利要求18所述的方法，还包括以下步骤：

通过锁定机构将所述可调节母接头部分锁定在适当的位置。

21.根据权利要求17所述的方法，还包括以下步骤：

通过螺纹调整公接头台肩环以消除所述至少一个剪切元件与所述公接头连接器的载荷表面和所述母接头连接器的载荷表面之间的轴向间隙。

22.根据权利要求21所述的方法，还包括以下步骤：

同时将选定的组装扭矩施加到所述公接头台肩环。

23.根据权利要求21所述的方法，还包括以下步骤：

通过锁定机构将所述公接头台肩环锁定在适当的位置。

24.根据权利要求17所述的方法，还包括以下步骤：

将液压或气压施加到所述至少一个剪切元件以将所述至少一个剪切元件***到所述至少一个剪切元件空腔中。

25.根据权利要求17所述的方法，还包括以下步骤：

施加选定的轴向预加载荷并形成所述剪切元件空腔的高度，使得所述剪切元件能够配合在所述剪切元件空腔中。

26.根据权利要求17所述的方法，还包括以下步骤：

将母接头孔台肩倚靠在公接头前缘表面上。

27.一种隔水管单根连接装置，包括：

母接头连接器，所述母接头连接器包括母接头预加载荷设备；

公接头连接器，所述公接头连接器包括公接头预加载荷设备；

至少一个剪切元件，所述至少一个剪切元件被构造成配合到至少一个剪切元件空腔中，所述至少一个剪切元件空腔由内母接头连接器剪切沟槽与外公接头连接器剪切沟槽的对准而限定，

其中所述至少一个剪切元件接触所述公接头连接器的载荷表面和所述母接头连接器的载荷表面。

28.一种连接隔水管单根的方法，所述方法包括以下步骤：

使母接头连接器位于公接头连接器上；

将选定的轴向预加载荷施加到所述母接头连接器和所述公接头连接器；

通过剪切元件端口将至少一个剪切元件***到剪切元件空腔中，所述剪切元件空腔形成在内母接头连接器剪切沟槽与外公接头连接器剪切沟槽之间；

移除所述预加载荷并以压缩的方式使所述至少一个剪切元件与所述公接头连接器的载荷表面和所述母接头连接器的载荷表面接合。

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