本發(fā)明涉及一種井口系統(tǒng)負載能力的計算方法。

背景技術(shù)：

1、在井口系統(tǒng)中，經(jīng)常需要支撐設置在外管狀構(gòu)件內(nèi)的內(nèi)管狀構(gòu)件的負載。特別是，在油氣井中，通常在井中定位多個同心管或套管。最外面的套管保持在固定位置，并且多個內(nèi)套管穿過并設置在外套管內(nèi)。每個內(nèi)套管由各自的吊架支撐。

2、傳統(tǒng)上，使用套管吊架來支撐內(nèi)套管，套管吊架可以包括內(nèi)套管和外套管上的相互接合的肩部。這種套管吊架固定在每個套管上的適當位置。使套管吊架的降落和連接變得容易、簡單和可靠的系統(tǒng)是非常理想的。此外，在某些情況下，能夠調(diào)節(jié)一個套管相對于另一個套管的位置是有利的。

3、已知提供一種夾持系統(tǒng)，該夾持系統(tǒng)允許將內(nèi)套管夾持在外套管內(nèi)的期望位置，然后隨后松開套管。這些系統(tǒng)是可靠和簡單的，并允許用于套管的吊架降落和連接。這樣的系統(tǒng)還可以允許改變它們的相對位置，然后將套管重新夾持在新的相對位置。在這些系統(tǒng)中，內(nèi)套管或油管吊架通過向外構(gòu)件或外套管施加大致徑向力來支撐，以圍繞內(nèi)套管或吊架彈性擠壓外構(gòu)件/套管。該界面處的摩擦力支撐內(nèi)套管。

4、在這些系統(tǒng)中，圍繞內(nèi)套管/吊架提供了可靠的密封，此外，內(nèi)套管被鎖定并且防止內(nèi)套管向上移動。因此，這樣的系統(tǒng)可釋放地將吊架固定在適當位置，并且允許吊架被釋放和移除和/或由于任何原因被固定/不固定。

5、這些夾持系統(tǒng)是摩擦夾持井口系統(tǒng)，其使用并依靠摩擦夾具將部件固定在同心套管/管狀構(gòu)件的孔中。

6、因此，夾持系統(tǒng)的負載能力是套管之間的界面處的接觸應力的函數(shù)。然而，在大型井口系統(tǒng)中，內(nèi)套管和外套管之間的界面處的表面不是理想的光滑表面。此外，在確定接觸應力并因此確定夾持系統(tǒng)的總負載能力時，必須考慮制造公差和夾持系統(tǒng)部件之間以及內(nèi)外套筒之間的間隙。

7、在這種背景下，希望提供一種井口系統(tǒng)負載能力的計算方法。

8、本發(fā)明的目的是克服與現(xiàn)有技術(shù)相關(guān)的至少一個問題，無論在本文中還是以其他方式提及。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種井口系統(tǒng)承載能力的計算方法，所述井口系統(tǒng)包括夾持裝置，所述夾持裝置包括具有外錐形表面的軸環(huán)，所述裝置還包括具有內(nèi)錐形表面的環(huán)形部件，所述軸環(huán)和所述環(huán)形部件能夠在第一位置和第二位置之間相對軸向地移動，在所述第一位置，環(huán)形部件的錐形表面不對軸環(huán)施加徑向力，而在所述第二位置，環(huán)形部件的錐形表面施加足夠的徑向力以使軸環(huán)向內(nèi)變形，以便將內(nèi)管狀構(gòu)件夾持在夾持表面內(nèi)并支撐內(nèi)管狀構(gòu)件的負載，所述內(nèi)管狀構(gòu)件具有包括脊形輪廓的外表面，所述方法包括：

2、-通過將所述環(huán)形部件的內(nèi)表面的徑向偏轉(zhuǎn)與所述軸環(huán)的外表面的徑向偏轉(zhuǎn)相等，確定在所述環(huán)形部件與所述軸環(huán)之間的第一界面處的第一接觸應力；

3、-使用所述第一接觸應力和所述環(huán)形部件的軸向移動，通過將所述內(nèi)管狀構(gòu)件的外表面的徑向偏轉(zhuǎn)等于(i)所述夾持表面的徑向偏轉(zhuǎn)加上(ii)所述內(nèi)管狀構(gòu)件的外表面的脊部進入所述夾持表面的深度(iii)所述內(nèi)管狀構(gòu)件的外表面和所述外管狀構(gòu)件的內(nèi)表面之間的初始間隙的徑向尺寸，來確定所述夾持表面與所述內(nèi)管狀構(gòu)件之間的夾持界面處的接觸應力。

4、該方法可以包括制造井口。該方法可以包括制造軸環(huán)和環(huán)形部件。

5、該方法可以包括基于從根據(jù)第一方面的方法導出的參數(shù)來選擇軸環(huán)和/或環(huán)形部件的材料和/或尺寸。

6、夾持表面可以設置在軸環(huán)的內(nèi)表面上。夾持界面可以形成在軸環(huán)的內(nèi)表面和內(nèi)管狀構(gòu)件的外表面之間。

7、夾持表面可以設置在外管狀構(gòu)件的內(nèi)表面上。外管狀構(gòu)件可以位于內(nèi)管狀構(gòu)件的外表面和軸環(huán)的內(nèi)表面之間。夾持界面可以形成在外管狀構(gòu)件的內(nèi)表面和內(nèi)管狀構(gòu)件的外表面之間。

8、優(yōu)選地，內(nèi)管狀構(gòu)件被布置成從夾持表面懸掛，并且內(nèi)管狀構(gòu)件在外管狀構(gòu)件內(nèi)向下延伸。

9、該方法可以包括確定在軸環(huán)和外管狀構(gòu)件之間的第二界面處的第二接觸應力，假設軸環(huán)的環(huán)向剛度可以忽略不計。

10、該方法可以包括使用第一接觸應力、第二接觸應力和環(huán)形部件的軸向移動來確定外管狀構(gòu)件和內(nèi)管狀構(gòu)件之間的夾持界面(第三界面)處的接觸應力。

11、優(yōu)選地，步驟(i)包括將內(nèi)管狀構(gòu)件的外表面的徑向偏轉(zhuǎn)與外管狀構(gòu)件的內(nèi)表面(夾持表面)的徑向偏轉(zhuǎn)相等。

12、優(yōu)選地，步驟(ii)包括將內(nèi)管狀構(gòu)件的外表面的徑向偏轉(zhuǎn)與內(nèi)管狀構(gòu)件的外表面的脊部進入包括外管狀構(gòu)件的內(nèi)表面的夾持表面的深度相等。

13、優(yōu)選地，步驟(iii)包括將內(nèi)管狀構(gòu)件的外表面的徑向偏轉(zhuǎn)與內(nèi)管狀構(gòu)件外表面與包括外管狀構(gòu)件內(nèi)表面的夾持表面之間的初始間隙的徑向尺寸相等。

14、優(yōu)選地，該方法包括計算在第一(外部)界面處的接觸應力，并且隨后計算在夾持(第三/內(nèi)部)界面處接觸應力。

15、優(yōu)選地，該方法包括計算第一(外部)界面處的接觸應力和第二(中間)界面處的接觸應力，并隨后計算夾持(第三/內(nèi)部)界面處的接觸應力。

16、優(yōu)選地，該方法包括調(diào)節(jié)第一界面(和/或第二界面)處的接觸應力以提供夾持(第三)接觸應力，所述夾持(第一)接觸應力等于或大于夾持(第三)界面處的期望接觸應力。

17、優(yōu)選地，所述方法包括基于給定負載情況調(diào)整所需接觸應力。優(yōu)選地，該方法包括基于給定的載荷情況以及安全系數(shù)來調(diào)整期望的接觸應力。

18、優(yōu)選地，夾持系統(tǒng)的額定負載能力由以下公式給出：

19、rl＝(q×φ×a_s)/sf

20、其中，

21、q是夾持(第三)界面處的接觸應力，

22、φ是夾持(第三)界面處的夾持系數(shù)，

23、as是夾持(第三)界面處的表面積，以及

24、sf是關(guān)于能夠引起內(nèi)管狀構(gòu)件和夾持表面之間滑動的最小載荷的安全系數(shù)，夾持表面可以由外管狀構(gòu)件或軸環(huán)提供。

25、優(yōu)選地，該方法包括將夾持系數(shù)(φ)確定為能夠在夾持界面處引起滑動的最小軸向載荷(fs)與施加到夾持界面的徑向力(fn)的比率。優(yōu)選地，軸向載荷(fs)在大致平行于夾持界面的方向上施加，徑向力(fn)在大致垂直于夾持界面的方向上施加。

26、夾持系數(shù)可以根據(jù)經(jīng)驗或通過實驗來確定，或者可以通過任何已知的方法來計算。優(yōu)選地，通過實驗確定夾持系數(shù)，以考慮影響夾持系統(tǒng)中的夾持系數(shù)的復雜因素，例如夾持表面的區(qū)域上的摩擦系數(shù)的可變性以及齒形表面咬入配合表面的影響。

27、優(yōu)選地，軸環(huán)和環(huán)形部件可在第一位置和第二位置之間相對軸向移動，在第一位置，環(huán)形部件的錐形表面不對軸環(huán)施加徑向力，在第二位置，環(huán)形部件的錐形表面施加足夠的徑向力以使軸環(huán)向內(nèi)變形，從而夾持內(nèi)管狀構(gòu)件以支撐內(nèi)管狀構(gòu)件的負載，并使內(nèi)管狀構(gòu)件在外管狀構(gòu)件內(nèi)延伸。

28、環(huán)形部件可以包括致動閥芯。

29、優(yōu)選地，環(huán)形部件包括壓縮環(huán)。壓縮環(huán)可以包括第一壓縮環(huán)和第二壓縮環(huán)。

30、優(yōu)選地，所述軸環(huán)包括壓縮軸環(huán)。

31、壓縮軸環(huán)可以具有設置在外周上的軸向延伸凹槽，并且優(yōu)選地，壓縮軸環(huán)具有圍繞外周徑向設置的多個軸向延伸凹槽。

32、優(yōu)選地，所述布置包括套筒，所述套筒在使用中被布置成定位在軸環(huán)的內(nèi)表面和內(nèi)管狀構(gòu)件的外表面之間。優(yōu)選地，所述套筒包括壓縮套筒。

33、優(yōu)選地，該布置包括用于使環(huán)形部件相對于軸環(huán)移動的移動機構(gòu)。優(yōu)選地，移動機構(gòu)包括液壓移動機構(gòu)。

34、夾持裝置可以包括液壓流體引入機構(gòu)，以將液壓流體引入腔室中，從而相對于軸環(huán)推動環(huán)形部件。

35、移動機構(gòu)可以包括活塞。優(yōu)選地，移動機構(gòu)包括多個活塞。優(yōu)選地，活塞徑向地圍繞環(huán)形部件布置。

36、夾持裝置可以包括鎖定裝置，用于將環(huán)形部件鎖定在第二位置。鎖定裝置可以包括接合在鎖定凹部中的鎖定構(gòu)件。優(yōu)選地，鎖定裝置包括多個鎖定構(gòu)件。

37、夾持裝置可以包括返回運動機構(gòu)，以使環(huán)形部件從第二位置朝向第一位置運動。特別地，返回運動機構(gòu)可以幫助從環(huán)形部件和軸環(huán)之間釋放夾持力。

38、優(yōu)選地，返回運動機構(gòu)包括腔室，該腔室可以被加壓以相對于軸環(huán)(遠離軸環(huán))推動環(huán)形部件。

39、移動機構(gòu)可以包括活塞。優(yōu)選地，移動機構(gòu)包括多個活塞。優(yōu)選地，活塞徑向地圍繞環(huán)形部件布置。

40、根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種井口系統(tǒng)承載能力的計算方法，所述井口系統(tǒng)包括夾持裝置，所述夾持裝置包括具有外錐形表面的軸環(huán)，所述裝置還包括具有內(nèi)錐形表面的環(huán)形部件，所述軸環(huán)和所述環(huán)形部件能夠在第一位置和第二位置之間相對軸向地移動，在所述第一位置，環(huán)形部件的錐形表面不對軸環(huán)施加徑向力，而在所述第二位置，環(huán)形元件的錐形表面施加足夠的徑向力以使軸環(huán)向內(nèi)變形，以便將內(nèi)管狀構(gòu)件夾持在外管狀構(gòu)件內(nèi)以支撐內(nèi)管狀構(gòu)件的負載，所述內(nèi)管狀構(gòu)件具有包括脊形輪廓的外表面，所述方法包括：

41、-通過將所述環(huán)形部件的內(nèi)表面的徑向偏轉(zhuǎn)與所述軸環(huán)的外表面的徑向偏轉(zhuǎn)相等，確定在所述環(huán)形部件與所述軸環(huán)之間的第一界面處的第一接觸應力；

42、-假設所述軸環(huán)的環(huán)向剛度可忽略不計，確定所述軸環(huán)與所述外管狀構(gòu)件之間的第二界面處的第二接觸應力；以及

43、-使用所述第一接觸應力、所述第二接觸應力和所述環(huán)形部件的軸向移動，通過將所述內(nèi)管狀構(gòu)件的外表面的徑向偏轉(zhuǎn)等于(i)所述外管狀構(gòu)件的內(nèi)表面的徑向偏轉(zhuǎn)加上(ii)所述內(nèi)管形構(gòu)件的外表面的脊部進入所述外管形構(gòu)件內(nèi)表面的深度加上(iii)所述內(nèi)管狀構(gòu)件的外表面和所述外管狀構(gòu)件的內(nèi)表面之間的初始間隙的徑向尺寸，來確定所述外部管形構(gòu)件和所述內(nèi)管狀構(gòu)件之間的第三界面處的接觸應力。

44、本發(fā)明可以包括構(gòu)造和/或設計井口，包括：

45、計算所述井口的負載要求；

46、計算根據(jù)本發(fā)明的第一或第二方面的井口系統(tǒng)的負載能力；

47、通過選擇夾持裝置和內(nèi)管狀構(gòu)件的組合來構(gòu)造井口，從而為井口提供所述負載能力。

48、該方法可以包括為以下各項選擇材料和尺寸：

49、軸環(huán)；

50、環(huán)形部件；

51、內(nèi)管狀構(gòu)件；以及

52、夾持表面。