海底井口无键式防旋转装置技术领域
本发明总体涉及海底油井钻井，并且尤其涉及一种用于防止内井
口罩当固定到升管下端时在导管或外井口罩中旋转的方法，升管从钻
井船上悬挂。
背景技术
许多海底油井通过首先钻出大直径的孔，然后安装导管柱而进行
钻井，导管柱具有固定在上端的外井口罩。然后，操作员将油井钻至
更大的深度，并安装第一套管柱。内井口罩固定在套管柱的上端，并
且搭接于外井口罩内。操作员然后将油井钻至更深的深度。典型地在
钻井期间升管从内井口罩延伸至钻井船上。
浮动钻井船可能对升管造成旋转力。通常通过内井口罩和外井口
罩的搭接台肩的摩擦接合而防止该旋转。如果旋转力足够高而造成内
井口罩开始在外井口罩内旋转，则位于内井口罩下的其中一个套管接
头可能开始旋松，从而造成严重的问题。
为了解决此潜在问题，在内井口罩和外井口罩之间已经利用了例
如键和槽的防旋转机构。然而，此方法需要在也被称为低压罩的外井
口罩的内孔中机械加工复杂的图案。由于空间限制，机械加工内孔是
困难且费时的。另外，键和槽可能不能相接合，因为它们的接合需要
对准。
需要一种解决升管中的旋转问题的技术。该技术理想地将比之前
解救上述升管问题的尝试更简单，且耗时更少。
发明内容
在本发明的一个实施例中，提供了一种防旋转装置，以防止内井
口罩在外井口罩内旋转。该防旋转装置包括定位在内井口罩和外井口
罩之间的至少一个防旋转的凸轮辊子。在一个示例实施例中，内井口
罩的外表面具有周向围绕内井口罩的外表面而设置的一系列平坦的
外表面部段。外井口罩具有与内井口罩的平坦的外部段相对的圆柱形
表面。多个凸轮辊子围绕内井口罩而周向地间隔开，并面向外，以便
与外井口罩的圆柱形内表面形成接触。凸轮辊子保持在形成于内井口
罩的外表面上的凹穴内。在一个实施例中，辊子最初可通过响应于旋
转而断裂的剪力销保持就位。当内井口罩开始经历旋转时，辊子将移
动至由内井口罩的相对表面和外井口罩的圆柱形内表面所限定的具
有减小尺寸的间隙中，从而将内井口罩的旋转运动制止在前3度的旋
转中。旋转阻力的控制可通过改变防旋转装置例如凸轮辊子的数量而
进行控制。
本发明有利地消除了对于在外井口罩(低压罩)的内孔中机械加工
复杂图案的需求。相反，只是在外井口罩的内孔中车削简单的圆柱形
钻孔，这是相对较容易完成的。详细或复杂的机械加工因而在内井口
罩(高压罩)的外表面上完成，其可比在外井口罩的钻孔内部上的机械
加工更快且更容易地完成。
备选地，可使用球体替代辊子，并且最初可使用弹簧而非剪力销
将凸轮或球体保持就位。在又一备选方式中，辊子可由在旋转时施加
平衡力以阻碍这种旋转的装置进行替换。
附图说明
图1是根据本发明建造的井口系统的截视立面图。
图2是图1的井口系统的防旋转机构的顶部截面详图。
图3是图2的防旋转机构的凸轮辊子的放大的截视侧面图。
图4是沿着图3的线4-4所取的图3的防旋转机构的顶部截面详
图，并显示了旋转之前的内井口罩。
图5是沿着图3的线4-4所取的图3的防旋转机构的顶部截面详
图，并显示了轻微旋转之后的内井口罩。
图6是根据本发明的带有弯曲唇缘的防旋转机构的一个备选实施
例的放大的截视侧面图。
图7是沿着图6的线7-7所取的图6的防旋转机构的顶部截面详
图，并显示了旋转之前的内井口罩。
图8是沿着图6的线7-7所取的图6的防旋转机构的顶部截面详
图，并显示了轻微旋转之后的内井口罩。
图9是图1的井口系统的防旋转机构的顶部截面详图，其具有图
6的备选装置。
图10是图1的井口系统的防旋转机构的顶部截面详图，其具有
用于使图2的凸轮辊子定中的弹簧。
具体实施方式
参照图1，在侧截面图中显示了可安装在海床上的外井口罩10。
外井口罩10是固定在导管柱或套管柱(未显示)上的大型管状部件，导
管柱或套管柱延伸到油井中，此处其用水泥粘结就位。外井口罩10
具有轴向钻孔14。在此实施例中，两个锥形的轴向间隔开的搭接台肩
12定位在外井口罩10的钻孔14中。
内井口罩20图示为安装在外井口罩10内。内井口罩20可具有
带螺纹的上端22，其可容许连接到送入工具(未显示)上。外井口罩的
钻孔14中的锥形搭接台肩12提供了与内井口罩20的外部轮廓的过
盈配合，以防止内井口罩20进一步的向下运动。内井口罩20可被额
定用于比外井口罩10更高的压力。内井口罩20的下端固定在套管柱
(未显示)上，套管柱延伸到油井中，并用水泥粘结就位。内井口罩20
的上端可连接在升管柱(未显示)上，升管柱可向上延伸至钻井船，从
而容许从船上接近内井口罩20。内井口罩20具有外部面向下的圆锥
形的搭接台肩21。搭接台肩21与形成于外井口罩10的内表面上的面
向上的搭接台肩23相配合，并受其支撑。内井口罩20具有配合台肩
25，其以楔紧作用接合外井口罩10上的锥形台肩12，从而提供过盈
配合。在内井口罩12上可携带多个弹簧偏压的闩锁26，其可向外卡
扣，以与钻孔14的外表面的上端中的槽28接合，从而将内井口罩20
保持在外井口罩10中。
继续参照图1，多个防旋转机构40显示为定位在外井口罩10和
内井口罩20之间，以防止内井口罩20相对于外井口罩10的旋转。
防旋转机构40围绕内井口罩20周向地间隔开，并且显示为处于形成
于外井口罩10的钻孔14上的两个锥形台肩12之间。备选地，防旋
转机构可形成于外井口罩10的钻孔14上，而非内井口罩20上。
参照图2，显示了沿着线2-2所取的图1的实施例的截面图。如
图所示，内罩20的外表面的轮廓设置成带多个通道状凹窝42，其横
截面在内罩20的外表面上形成了平坦的表面。因为钻孔14通常是圆
形的，所以凹窝42在平坦的表面和外罩10之间限定了半圆形的空间。
防旋转机构40显示为设定在各个凹窝42内。在此实施例中，各个防
旋转机构40是保持在形成于内井口罩20上的凹窝或凹穴42内的凸
轮辊子41。辊子41可沿着钻孔14和外井口罩10的相应的表面滚动。
各个凹窝42均具有宽度，其为辊子41的滚动提供了足够的间隙。此
外，各个凹窝42均通过内井口罩20的大致圆形的横截面中的切向中
断，以及外井口罩10的钻孔14限定。凹窝42的几何形状在凸轮辊
子41和凹窝42之间产生了楔紧作用，且钻孔14的曲率和凹窝42的
平坦表面导致在凹窝42的中间部分处存在最大的间隙，并且在凹窝
42的各个边缘处变小。
参照图3-5，在此实施例中，各个凸轮辊子41最初可通过连接在
内井口罩20上的剪力销46而在凹窝42的中间部分处保持就位。沿
着图2的线3-3所取的图3用侧截面图显示了凸轮辊子41的一个示例
性实施例，该凸轮辊子41由圆柱形主体44组成，带有穿过主体44
而形成用于接纳剪力销46的通道45。通道45基本上垂直于主体44
的轴线，并在一端上被扩大，用于接纳剪力销46的大直径部段。图
中显示通道45与槽48对准，槽48形成于凹窝42的底表面中，并且
剪力销46的一端突入到槽48中。在一个示例实施例中，剪力销46
防止凸轮辊子41在内井口罩20的安装期间滚动并落出。一旦安装好
内井口罩20，剪力销46就可响应有限的旋转而断裂。当内井口罩20
相对于外井口罩10开始经历旋转时，辊子41可沿着凹窝42和外井
口罩10的相应表面而滚动，但辊子41的移动被限制在空间内，此处
凹窝的底表面和外罩10的内表面之间的距离小于辊子41的直径。此
距离具有由钻孔14的曲率和凹窝42的平坦表面限定的减少的尺寸。
在图5的示例实施例中，辊子41已经到达其中凹窝42的底表面和外
罩10的内表面之间的距离小于辊子41的直径的位置，辊子41变得
被楔紧在内罩和外罩10，20之间，从而制止了内井口罩20相对于外井
口罩10的旋转运动。在一个示例实施例中，如图4和图5中所示，
内井口罩20的旋转运动被限制在大约三度的旋转内。旋转阻力的控
制可通过改变设置在内井口罩20和外井口罩10之间的防旋转装置40
的数量而控制。
在一个备选实施例中，如图6-图9中所示，防旋转机构60显示
为定位在外井口罩10和内井口罩20之间，以制止内井口罩20相对
于外井口罩10的旋转。类似于之前所述的实施例，多个防旋转机构
60可围绕外井口罩10并且在形成于外井口罩10的钻孔14上的两个
锥形台肩12(图1)之间周向地间隔开。参照图6，在以侧局部截面图所
示的此实施例中，防旋转机构60设置在形成于内井口罩20上的凹窝
或凹穴63中。防旋转机构60显示为具有弹簧61，其在一个示例实施
例中可由金属材料制成。现在参照图7，此处以顶视图描绘防旋转机
构60，弹簧61具有中间部分，其通常与内罩和外罩10，20的相对的
表面对准。向点64渐缩的一对支脚62以倾斜角度悬挂于中间部分的
相对末端上，该对支脚62与外井口罩10的钻孔12相接合。凹窝63
具有为弹簧61提供了充分的间隙的高度。如图8的示例中所示，当
内井口罩20旋转时，支脚62远离中间部分且在旋转方向上成角度地
弯曲，如箭头A所示。通过弯曲，支脚62通过支脚点64而对钻孔
12施加作用力以抵消旋转，从而制止内井口罩20的旋转运动。在图
8的示例中，旋转运动被制止在大约三度的旋转内。定位销或紧固件
68在一端处连接在弹簧61的中间部分上，并且紧固在形成于凹窝63
内的相对应的凹穴66上。销68将弹簧61保持在凹窝的大致中间部
分处，并且凹穴66为旋转期间被压缩的支脚64提供反作用点，以施
加反作用力。在此实施例中，多个弹簧61可一起作用，如图9中所
示，以施加反作用力。
在图10中所示的另一实施例中，凸轮辊子70以与图1中所示的
装置40相似的方式布置，除了如何保持它之外。在此实施例中，凸
轮辊子70定位在外井口罩10和内井口罩20之间，以防止内井口罩
20相对于外井口罩10的旋转。凸轮辊子40围绕内井口罩20而被周
向间隔开。机构40接合在凹窝73和外井口罩10的钻孔14上。此外，
各个凹窝74均具有与图2中的现有实施例所述相似的几何形状，其
被内井口罩20的大致圆形的横截面中的切线中断以及外井口罩10的
钻孔14所限定。凹窝74的几何形状在凸轮辊子70和凹窝74之间产
生了楔紧作用，且钻孔14的曲率和凹窝74的平坦表面导致在凹窝74
的中间部分处存在最大的间隙，并且在凹窝74的各个边缘处减小。
各个凸轮辊子70最初可通过弹簧72而在凹窝74的中间部分处保持
就位，弹簧72沿着凹窝74安装在内井口罩20上。凸轮辊子70可连
接在弹簧72的大致中间处。弹簧72防止凸轮辊子70在内井口罩20
的安装期间滚动和落出。一旦内井口罩20被安装好，就不需要弹簧
72，但弹簧72将随着内井口罩20的旋转而压缩和伸展。当内井口罩
20相对于外井口罩10开始经历旋转时，辊子70将移动至由钻孔14
的曲率和凹窝74的平坦表面所限定的减少尺寸的间隙或凹窝74，从
而制止内井口罩20的旋转运动。如同之前解释的图2中所示的实施
例一样，旋转阻力的控制可通过改变设置在内井口罩20和外井口罩
10之间的凸轮辊子70的数量而进行控制。
本文使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域技
术人员能够实践本发明，包括制造和利用任何装置或系统，并执行任
何所结合的方法。这些实施例并不意图限制本发明的范围。本发明可
获得专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域中的技术人员想
到的其它示例。如果这些其它示例具有并非不同于权利要求字面语言
的结构元件，或者如果其包括与权利要求字面语言无实质差异的等效
的结构元件，那么这些其它示例都属于权利要求的范围内。