井口系统承载能力的计算方法与流程

本发明涉及一种井口系统负载能力的计算方法。

背景技术：

1、在井口系统中，经常需要支撑设置在外管状构件内的内管状构件的负载。特别是，在油气井中，通常在井中定位多个同心管或套管。最外面的套管保持在固定位置，并且多个内套管穿过并设置在外套管内。每个内套管由各自的吊架支撑。

2、传统上，使用套管吊架来支撑内套管，套管吊架可以包括内套管和外套管上的相互接合的肩部。这种套管吊架固定在每个套管上的适当位置。使套管吊架的降落和连接变得容易、简单和可靠的系统是非常理想的。此外，在某些情况下，能够调节一个套管相对于另一个套管的位置是有利的。

3、已知提供一种夹持系统，该夹持系统允许将内套管夹持在外套管内的期望位置，然后随后松开套管。这些系统是可靠和简单的，并允许用于套管的吊架降落和连接。这样的系统还可以允许改变它们的相对位置，然后将套管重新夹持在新的相对位置。在这些系统中，内套管或油管吊架通过向外构件或外套管施加大致径向力来支撑，以围绕内套管或吊架弹性挤压外构件/套管。该界面处的摩擦力支撑内套管。

4、在这些系统中，围绕内套管/吊架提供了可靠的密封，此外，内套管被锁定并且防止内套管向上移动。因此，这样的系统可释放地将吊架固定在适当位置，并且允许吊架被释放和移除和/或由于任何原因被固定/不固定。

5、这些夹持系统是摩擦夹持井口系统，其使用并依靠摩擦夹具将部件固定在同心套管/管状构件的孔中。

6、因此，夹持系统的负载能力是套管之间的界面处的接触应力的函数。然而，在大型井口系统中，内套管和外套管之间的界面处的表面不是理想的光滑表面。此外，在确定接触应力并因此确定夹持系统的总负载能力时，必须考虑制造公差和夹持系统部件之间以及内外套筒之间的间隙。

7、在这种背景下，希望提供一种井口系统负载能力的计算方法。

8、本发明的目的是克服与现有技术相关的至少一个问题，无论在本文中还是以其他方式提及。

技术实现思路

1、根据本发明的第一方面，提供了一种井口系统承载能力的计算方法，所述井口系统包括夹持装置，所述夹持装置包括具有外锥形表面的轴环，所述装置还包括具有内锥形表面的环形部件，所述轴环和所述环形部件能够在第一位置和第二位置之间相对轴向地移动，在所述第一位置，环形部件的锥形表面不对轴环施加径向力，而在所述第二位置，环形部件的锥形表面施加足够的径向力以使轴环向内变形，以便将内管状构件夹持在夹持表面内并支撑内管状构件的负载，所述内管状构件具有包括脊形轮廓的外表面，所述方法包括：

2、-通过将所述环形部件的内表面的径向偏转与所述轴环的外表面的径向偏转相等，确定在所述环形部件与所述轴环之间的第一界面处的第一接触应力；

3、-使用所述第一接触应力和所述环形部件的轴向移动，通过将所述内管状构件的外表面的径向偏转等于(i)所述夹持表面的径向偏转加上(ii)所述内管状构件的外表面的脊部进入所述夹持表面的深度(iii)所述内管状构件的外表面和所述外管状构件的内表面之间的初始间隙的径向尺寸，来确定所述夹持表面与所述内管状构件之间的夹持界面处的接触应力。

4、该方法可以包括制造井口。该方法可以包括制造轴环和环形部件。

5、该方法可以包括基于从根据第一方面的方法导出的参数来选择轴环和/或环形部件的材料和/或尺寸。

6、夹持表面可以设置在轴环的内表面上。夹持界面可以形成在轴环的内表面和内管状构件的外表面之间。

7、夹持表面可以设置在外管状构件的内表面上。外管状构件可以位于内管状构件的外表面和轴环的内表面之间。夹持界面可以形成在外管状构件的内表面和内管状构件的外表面之间。

8、优选地，内管状构件被布置成从夹持表面悬挂，并且内管状构件在外管状构件内向下延伸。

9、该方法可以包括确定在轴环和外管状构件之间的第二界面处的第二接触应力，假设轴环的环向刚度可以忽略不计。

10、该方法可以包括使用第一接触应力、第二接触应力和环形部件的轴向移动来确定外管状构件和内管状构件之间的夹持界面(第三界面)处的接触应力。

11、优选地，步骤(i)包括将内管状构件的外表面的径向偏转与外管状构件的内表面(夹持表面)的径向偏转相等。

12、优选地，步骤(ii)包括将内管状构件的外表面的径向偏转与内管状构件的外表面的脊部进入包括外管状构件的内表面的夹持表面的深度相等。

13、优选地，步骤(iii)包括将内管状构件的外表面的径向偏转与内管状构件外表面与包括外管状构件内表面的夹持表面之间的初始间隙的径向尺寸相等。

14、优选地，该方法包括计算在第一(外部)界面处的接触应力，并且随后计算在夹持(第三/内部)界面处接触应力。

15、优选地，该方法包括计算第一(外部)界面处的接触应力和第二(中间)界面处的接触应力，并随后计算夹持(第三/内部)界面处的接触应力。

16、优选地，该方法包括调节第一界面(和/或第二界面)处的接触应力以提供夹持(第三)接触应力，所述夹持(第一)接触应力等于或大于夹持(第三)界面处的期望接触应力。

17、优选地，所述方法包括基于给定负载情况调整所需接触应力。优选地，该方法包括基于给定的载荷情况以及安全系数来调整期望的接触应力。

18、优选地，夹持系统的额定负载能力由以下公式给出：

19、rl＝(q×φ×a_s)/sf

20、其中，

21、q是夹持(第三)界面处的接触应力，

22、φ是夹持(第三)界面处的夹持系数，

23、as是夹持(第三)界面处的表面积，以及

24、sf是关于能够引起内管状构件和夹持表面之间滑动的最小载荷的安全系数，夹持表面可以由外管状构件或轴环提供。

25、优选地，该方法包括将夹持系数(φ)确定为能够在夹持界面处引起滑动的最小轴向载荷(fs)与施加到夹持界面的径向力(fn)的比率。优选地，轴向载荷(fs)在大致平行于夹持界面的方向上施加，径向力(fn)在大致垂直于夹持界面的方向上施加。

26、夹持系数可以根据经验或通过实验来确定，或者可以通过任何已知的方法来计算。优选地，通过实验确定夹持系数，以考虑影响夹持系统中的夹持系数的复杂因素，例如夹持表面的区域上的摩擦系数的可变性以及齿形表面咬入配合表面的影响。

27、优选地，轴环和环形部件可在第一位置和第二位置之间相对轴向移动，在第一位置，环形部件的锥形表面不对轴环施加径向力，在第二位置，环形部件的锥形表面施加足够的径向力以使轴环向内变形，从而夹持内管状构件以支撑内管状构件的负载，并使内管状构件在外管状构件内延伸。

28、环形部件可以包括致动阀芯。

29、优选地，环形部件包括压缩环。压缩环可以包括第一压缩环和第二压缩环。

30、优选地，所述轴环包括压缩轴环。

31、压缩轴环可以具有设置在外周上的轴向延伸凹槽，并且优选地，压缩轴环具有围绕外周径向设置的多个轴向延伸凹槽。

32、优选地，所述布置包括套筒，所述套筒在使用中被布置成定位在轴环的内表面和内管状构件的外表面之间。优选地，所述套筒包括压缩套筒。

33、优选地，该布置包括用于使环形部件相对于轴环移动的移动机构。优选地，移动机构包括液压移动机构。

34、夹持装置可以包括液压流体引入机构，以将液压流体引入腔室中，从而相对于轴环推动环形部件。

35、移动机构可以包括活塞。优选地，移动机构包括多个活塞。优选地，活塞径向地围绕环形部件布置。

36、夹持装置可以包括锁定装置，用于将环形部件锁定在第二位置。锁定装置可以包括接合在锁定凹部中的锁定构件。优选地，锁定装置包括多个锁定构件。

37、夹持装置可以包括返回运动机构，以使环形部件从第二位置朝向第一位置运动。特别地，返回运动机构可以帮助从环形部件和轴环之间释放夹持力。

38、优选地，返回运动机构包括腔室，该腔室可以被加压以相对于轴环(远离轴环)推动环形部件。

39、移动机构可以包括活塞。优选地，移动机构包括多个活塞。优选地，活塞径向地围绕环形部件布置。

40、根据本发明的第二方面，提供了一种井口系统承载能力的计算方法，所述井口系统包括夹持装置，所述夹持装置包括具有外锥形表面的轴环，所述装置还包括具有内锥形表面的环形部件，所述轴环和所述环形部件能够在第一位置和第二位置之间相对轴向地移动，在所述第一位置，环形部件的锥形表面不对轴环施加径向力，而在所述第二位置，环形元件的锥形表面施加足够的径向力以使轴环向内变形，以便将内管状构件夹持在外管状构件内以支撑内管状构件的负载，所述内管状构件具有包括脊形轮廓的外表面，所述方法包括：

41、-通过将所述环形部件的内表面的径向偏转与所述轴环的外表面的径向偏转相等，确定在所述环形部件与所述轴环之间的第一界面处的第一接触应力；

42、-假设所述轴环的环向刚度可忽略不计，确定所述轴环与所述外管状构件之间的第二界面处的第二接触应力；以及

43、-使用所述第一接触应力、所述第二接触应力和所述环形部件的轴向移动，通过将所述内管状构件的外表面的径向偏转等于(i)所述外管状构件的内表面的径向偏转加上(ii)所述内管形构件的外表面的脊部进入所述外管形构件内表面的深度加上(iii)所述内管状构件的外表面和所述外管状构件的内表面之间的初始间隙的径向尺寸，来确定所述外部管形构件和所述内管状构件之间的第三界面处的接触应力。

44、本发明可以包括构造和/或设计井口，包括：

45、计算所述井口的负载要求；

46、计算根据本发明的第一或第二方面的井口系统的负载能力；

47、通过选择夹持装置和内管状构件的组合来构造井口，从而为井口提供所述负载能力。

48、该方法可以包括为以下各项选择材料和尺寸：

49、轴环；

50、环形部件；

51、内管状构件；以及

52、夹持表面。