CN1079882C - 不透水连接装置 - Google Patents

Abstract

一种不透水连接连接装置2，用于连接管子部件(4，6)的相对端，以形成所述的不透水密封。上端和下端管状部分之间的不透水密封是由上、下金属对金属密封形成的，它们分别产生于上管部件4的下密封面10与环形界接部件8的上密封面12之间和下管部件6的上密封面14与环形界接部件8的下密封面16之间。这金属对金属的密封是由绕管状部件连接区同轴安置的安装环20形成和维持的。安装环20由螺纹(24，26)连接上、下管部件，且安装环20在一个方向的旋转引起部件(4，6)同时挤压界接部件8和至少使每对密封面(10，12)和(14，16)中一个密封面变形，以增加接触面积和形成金属对金属密封。介绍了本发明的实施例和应用。

Description

不透水连接装置

本发明涉及不透水连接器，特别是在管子对置端之间组成压力轴承钻具套，形成金属与金属密封的管线型不透水连接器。

一种已知的用于连接两个管子对置端的不透水连接装置，包括设置在管子端头将被接合的法兰盘。通过将管子圆周上的法兰盘用螺柱拧紧在一起得到管子间的不透水密封。然而，用这样一种装置提供圆周上的均匀密封是困难的并且弗时间，为改善均匀性，通常是在对置的法兰盘之间***环形合成橡胶垫圈。然而，在一些恶劣的环境下合成橡胶垫圈是不适合的，如高温、高压或腐蚀液体的环境下，他们可能会很快分解。在这些恶劣环境下只能承认上面提到的缺点，并且必需采用金属与金属的密封。

根据本发明的第一方面，提供了用一付金属对金属密封使第一和第二管状实体部件对置端能够不透水连接的连接装置，这种连接装置包括分别围绕着第一和第二管状部件端部区呈圆周状延伸的第一和第二金属密封面，和一呈圆周状延伸的轴向分开的第三和第四金属密封面的环状界接部件，该界接部件在使用中处于两管状部件连接端之间，当管状部件和界接部件之间实际不施任何作用力时所述第一和第二密封面分别与第三和第四密封面相对，但又不是相齐平；连接装置还包括用以同时挤压所述管状部件的对置端以使界接部件受到挤压的螺纹加压装置，其中每对相对面中至少有一个密封面是金属的，这种金属在加压装置的作用下是可变形的，以增加每对相对面的密封面间的接触面积，形成所述的金属对金属的密封，其中所述螺纹加压装置被设置为通过与设置在一个所述管状部件上的或两个所述部件上的相应螺纹啮合，以致将施加的力均匀地分布在管状部件的周边。

在本发明的一最佳实施例中，管状部件和连接部件的密封面被设置为，在使用中不是垂直于加压装置加压方向的平面之中，每对相对的密封面之间在压紧之前，并不齐平，而是错开一小于5°的角，更好的情况是小于1.5°，最好是接近于0.5°。所说的可变形金属的挤压充分地迫使相邻面达到齐平。

所说的密封面最好是平截锥面。界接部件最好由所说的可变形材料构成。然而，很清楚，管状部件设置第一和第二密封面的部分可以替换为由可变形金属构成的，或是这两部分和界接部件都由可变形金属构成。所说的可变形金属最好是合金，包括铜铍合金，磷青铜合金，或铝青铜合金。

加压装置最好是设置为沿着管状部件的圆周能均匀地分布所施加的力，例如用螺纹的方式啮合一个或两个管状部件。

加压装置最好包括一实体筒形安装环用于围绕着将被连接的管状部件的相对端同轴定位。这个安装环设置为至少可拆卸地啮合所述相对端的一端，例如用一轴向延伸的螺纹装置。安装环最好通过轴向延伸的但相互反向的螺纹装置可拆卸地啮合两个相对端，以使安装环相对于管状部件的旋转可同时挤压所述的相对端。例如，安装环的旋转可以用一棘轮式工具装置完成，该装置被设置在安装环上一定位凹槽内，并啮合在围绕一个管状部件的周边上互相间隔的齿牙上或围绕一装在其上的中间体表面上的互相间隔的齿牙上。

显然，本发明的实施例可以提供一种连接器，其造成了金属与金属密封的应用，并可用于快速地连接或分开管状部件。此外，这金属与金属的密封可以很均匀地围绕这个连接的圆周予以实现。这样的连接特别适合用于恶劣环境，特别是在高压/高温油井中。

根据本发明的第二方面，提供了一种将第一和第二管状实体部件的相对端相互连结起来的方法，用一对金属对金属密封的方式在管状部件间形成不透水密封，这个方法包括：

分别设置围绕第一或第二管状部件的端部区域圆周地延伸的第一和第二金属密封面；

轴向齐平的所述的第一和第二管状部件的相对端，设置一具有圆周状延伸和轴向分开的第三和第四金属密封面的环状实体界接部件，安置在所述管状部件相对端之间，使界接部件与管状部件同轴对准，并使第一和第二密封面与各自的第三和第四密封面相对，但是并不齐平；以及对所述两相对端部施加力以致势必将界接部件挤压，每对相对面中至少一个密封面是一种在挤压动作的作用下为可变形的金属，以增加每对相对密封面间的接触面积，从而形成所述的金属对金属的密封，其中通过使用螺纹加压装置将所述的力均匀地围绕管状部件的圆周边施加，以啮合设置在一个管状部件或两个管状部件上的相应的螺纹。

最好，同时挤压管状部件相对端的步骤包括围绕相对端同轴地安置一实体筒形安装环，以连结设置在两个所说的相对端上的轴向延伸的螺纹，并绕两相对端旋转该安装环。安装环的旋转可以通过安装环和一个相对端之间作用的一有效的机械工具予以实现。

根据本发明的第三方面，提供了一种第一和第二实体管状部件的相对端相互连结的方法，以在它们之间用一对金属对金属密封的方式形成不透水密封，这个方法包括步骤：

轴向对准所述管状部件的两相对端，以使它们之间有一分开的间隔；

在相对端之间安置一可变形的界接部件，以使第一和第二金属密封面分别围绕着第一和第二管状部件的端部区域呈圆周状延伸，相对接，但并不分别与界接部件上呈圆周延伸和轴向分开的相应的第三和第四金属密封面中的一个密封面齐平；以及

通过变换绕共轴的旋转运动为均匀地围绕管状部件的圆周边分布即压力的一轴向挤压运动，轴向挤压力使界接部件变形造成两对相邻密封面的密封面齐平，以形成所述的金属对金属密封，其中所述旋转运动到轴向运动的变换是通过使用螺纹加压装置以啮合设置在所述管状部件中的一个或两个上的相应螺纹实现的。

本发明的这些方面和其它一些方面，将通过下面与附图相结合的描述而一目了然。

图1为一用于连接钻井工具的两个管状部分的连接装置轴向剖面图；

图1a为图1的一部分的细节图；

图2为图1所示连接装置沿A-A线的横向剖面图。

图1所示出的为能够使上管部分和下管部分4、6间不透水连结的连接装置2的剖面图，该两部分具有如图2所示的常规圆柱状结构，例如，多个管状部分可以用同样方式端部对端部地连结为放置于井孔中的测井钻具套。详细说，上管部分和下管部分间不透水密封是由一上部金属对密封和一下部金属对密封所提供的：即上部金属对水密封是由上管部分4的下密封面10与环形界接部件8的上密封面12之间所形成，而下部金属对水密封则是由下管部分6的上密封面14和环形界接部件8的下密封面16之间所形成。这种金属对金属的密封是由轴向安装在两管状部分的连接区域中的安装环20产生并维持的。

更详细地分析连接区域可见，上管部分4的下密封面10是一平截锥面，该平截锥面是相对上管部分中轴线作30°倒角而形成的，并且围绕着上管部分低端内壁呈圆周状延伸。在下管部分6的最上端有一薄壁圆柱状接受部分13。一增厚的加强部分15是位于接受部分13和下管部分的主体17之间，像在上管部分4上所设置的那样，在接受部分13和加强部分15之间的台肩上形成一倒角，以提供一平截锥面形成下管部分6的上密封面14。由数字24表示的螺纹，设置在下管部分6的外表面，并从接收部分13的顶端沿着轴向延伸到加强部分15外面一部分的位置。

环形界接部分8是由短筒形部件构成的，它的内直径近似与管状部分的内直径相等，环形界接部件、上缘和下缘的外表面、是被倒角的，以提供围绕界接部件圆周延伸的上和下截锥形密封面12和16。

图1a所示为图1中所示虚线x区域的放大部分，如将观察到的那样，界接部件8的上和下密封表面是相对于界接部件的中心轴有一角度，致使当界接部件是同轴地安置两个端部之间，并且没有任何力施加在界接部件的密封面与上管部分和下管部分的密封面之间时，两对相对接触面之间有一个从内壁向外周发散的约0.5°的角度。

当上管部分4和下管部分6是一坚实的不可挤压金属，例如不锈钢时，界接部件8是一可压金属合金，例如铜铍合金、磷青铜合金或铝青铜合金。

连结装置2设置了一加压机构，用于同时挤压上管部分和下管部分以致造成对界接部件8的挤压。加压机构包括一实体筒形安装环20，在它的内表面下部设置一标号为24的第一螺纹，第一螺纹从安装环底部轴向延着安装环延伸到几乎中间的位置。安装环内表面上部也设置了一标号为26的第二螺纹，该螺纹从安装环的顶部轴向向下延伸到安装环长度的近似4分之一的位置。一筒形轴套22与上管部分4的端头同轴地安置，它的轴向位置是由筒形轴套的底缘与支承凸缘23的接合维持的，支承凸缘23从上管部分表面凸出并围绕上管部分呈圆周状延伸。轴套22是可以绕上管部分4自由旋转的，并且在它的外表面上设置一螺纹，该螺纹靠近该轴套底部的位置延着它轴向延伸到刚超过一半的位置。为了相互连结上管部分和下管部分，先将下管部分6固定于直立位置。然后通过下管部分的上开口轴向将界接部件8放置到下管部分内，致使界接部件8的下截锥形密封面16接触下管部分的截锥密封面14。从图1a中的研究中将得知，相邻密封面间的初始接触面积是很小的并仅包括一环形实体接触圈。

然后将上管部分4与下管部分6的上开口轴向对准，并将其下降直到它的密封面10接触界接部件8的上截锥形密封面12，再次形成一个环形实体接触圈为止。轴套22一般是先于上管部分的下放前即被安放于上管部分的外面。

然后安装环20被下降并越过上管部分，安装环被设置为使它的下螺纹是比它的内径壁再稍微凹进一些，以便允许安装环可以自如地通过轴套22直到安装环的下螺纹能和设置在下管部分外表面上的相应螺纹相啮合。

参照附图2，图2给出了图1中沿A-A线处连结装置的剖面图，加压机构是由棘轮式工具装置30操纵的，或其它使用有效的机械加力机械，它是固定在围绕安装环20上表面以90°间隔开的四个盲孔34中的一个盲孔内。这棘齿型机构30上有一圆端件，该圆端件上被形成许多相互间隔的齿牙32，以便可以啮合围绕轴套22外面圆周设置的相同间隔的齿牙。棘齿型机构是绕盲孔的中心轴以图2中箭头所示方向手动旋转的。这个方向的运动引起安装环旋转下移并越过下端部分6。

安装环旋转下移并越过下管筒直到设置在安装环内表面的上螺纹啮合住轴套22外表面上的相应螺纹。除了牵拉下管部分相对安装环朝上运动外，两对螺纹被安置为：使棘齿型机构在指示的方向连续的动作，引起上管部分相对于安装环朝下移动。因此，上管部分和下管部分同时被牵拉的结果导致对界接部件8的挤压。随着跨越两对相邻密封面施加压力的增加，用可压缩金属合金构成的界接部件8被挤压成与两相对密封面挤压到一起。棘齿型机构动作一直继续到获得适当程度的金属对金属的密封为止。跨越密封面施加的压力基本上均匀地沿着密封的圆周分布，从而减少了管子没有对准的危险，这将是易于理解的了。可以用不少已知技术来判定如何获得适当的密封：例如，用测试密封的压力或用棘齿型机构上的压力表装置等方法。

可以想象，用可挤压金属作相邻密封面以实现对准的方法也可以被别的方法所替代，即将每对相邻面中的至少一个面做成在加力机构的压力作用下是可偏移的，也能实现对准。

连结装置另外还包括放置在上管部分外表面上呈圆周延伸的凹槽内的弹性材料O形环18。O形环从凹槽内充分地凸出以接触下管部分上接受部分的内表面。这O形环作为第二液体密封装置通常是与流经管状钻具套中的液体不接触的，但是当金属对金属密封失效或是松开的情况下，就能起到防止液体漏出的作用。上面已就连结装置作了一般性的概括描述，然而应该理解它还可以在需要金属对金属密封的更为广阔的范围内得到应用。

可以想象一特殊的应用是用于设置在高压/高温(HPHT)油井中的钻井装置领域。

以上所描述的实施例仅是用于说明的目的，而且很明显在本发明的范围之内还可以做很多变化。例如，密封的啮合可以用电操作的装置或液压操作装置而不用托运操作装置来完成。

Claims (14)

1.一种采用一付金属对金属密封使第一和第二管状实体部件对置端能够不透水连接的连接装置，这种连接装置包括：分别围绕着第一和第二管状部件端部区呈圆周状伸展的第一和第二金属密封面，和一呈圆周状伸展和轴向分开的第三和第四金属密封面的环状界接部件，使用时将界接部件安置在管状部件的接合端之间，当管状部件和界接部件之间实际上不施加任何作用力时，所述的第一和第二密封面分别与第三和第四密封面相对，但又不是相齐平，连接装置还包括用于同时挤压所述的管状部件对置端以使界接部件受到挤压的有螺纹加压装置，其中每对相对面中至少有一个密封面是金属的，这种金属在加压装置的作用下是可变形的，以增加每对相对面的密封面间的接触面积，形成所述的金属对金属的密封，其中所述有螺纹加压装置被设置为通过与设置在一个所述管状部件上的或两个所述部件上的相应螺纹啮合，以致将施加的力均匀地分布在所述管状部件的周边。

2.根据权利要求1所述的连接装置，其特征在于管状部件和界接部件的密封面被设置为，在使用中不是垂直于加压装置加压方向的平面之中。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的连接装置，其特征在于在挤压之前，每对相对面的密封面被错开小于5°的角。

4.根据前述的任一权利要求所述的连接装置，其特征在于所述的密封面是平截锥面的。

5.根据前述的任一权利要求所述的连接装置，其特征在于界接部件是由可变形材料构成的。

6.根据权利要求1所述的连接装置，其特征在于设置第一和第二密封面的部分的管状部件是由可变形金属构成，或是这两部分和界接部件都是由可变形金属构成的。

7.根据权利要求5或6所述的连接装置，其特征在于所述的可变形金属是一种铜铍合金、磷青铜合金或铝青铜合金。

8.根据前述的任一权利要求所述的连接装置，其特征在于所述螺纹加压装置包括一筒形实体安装环，同轴安放在将被连接的两管状部件的相对端部周围的位置上。

9.根据权利要求8所述的连接装置，其特征在于安装环可利用同轴延伸的螺纹将所述的两相对端部中的至少一个端部可移位地接合在一起。

10.根据权利要求8所述的连接装置，其特征在于安装环通过轴向延伸但相反指向的螺纹装置可移位地同时连接两个相对端部，以使安装环相对于管状部件的旋转同时挤压所述的相对端部。

11.一种将第一和第二管状实体部件的相对端部相互连接的方法，用一对金属对金属密封的方式在管状部件间形成不透水密封，这个方法包括：

分别设置围绕第一或第二管状部件的端部区域呈圆周状延伸的第一和第二金属密封面；

轴向对准所述的第一和第二管状部件的相对端，设置一具有呈圆周状延伸和轴向分开的第三和第四金属密封面的环状实体界接部件；将界接部件安置在所述管状部件相对端之间，使界接部件与管状部件轴向对准，并使第一和第二密封面与各自的第三和第四密封面相对，但并不齐平；以及

对所述两相对端部施加力以致势必将界接部件挤压，每对相对面中至少一个密封面是一种在挤压动作的作用下为可变形的金属，以增加每对相对密封面间的接触面积，从而形成所述的金属对金属的密封，其中通过使用螺纹加压装置将所述的力均匀地围绕管状部件的圆周边施加，以啮合设置在一个所述管状部件或两个所述管状部件上的相应的螺纹。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于同时挤压管状部件相对端部的步骤包括：围绕相对端同轴地安置一筒形实体安装环，以连结设置在两个所说的相对端上的轴向延伸的螺纹，并绕着相对端旋转安装环。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于安装环的旋转是利用安装环和两相对端中的一个端部之间所作用的有效机械工具予以实现的。

14.一种第一和第二管状实体的相对端部相互连结方法，以在它们之间用一对金属对金属密封的方式形成一不透水密封，这个方法包括步骤：

使所述管状部件相对端部同轴对准，并使它们之间有间隔的隔开；

在两相对端部之间安置一可变形的界接部件，以使第一和第二金属密封面分别围绕着第一和第二管状部件的端部区域呈圆周状延伸，相对接，但并不与界接部件的呈圆周状延伸和轴向分开的相应的第三和第四金属密封面相齐平；以及

通过变换绕共轴的旋转运动为均匀地围绕管状部件的圆周边分布挤压力的一轴向挤压运动，所述轴向挤压力使界接部件变形造成两对相邻密封面的密封面齐平，以形成所述的金属对金属密封，其中所述旋转运动到轴向运动的变换是通过使用螺纹加压装置以啮合设置在所述管状部件中的一个或两个上的相应螺纹实现的。