軟管作業系統和方法
2023-06-12 19:45:06
專利名稱：軟管作業系統和方法
技術領域：
本發明涉及操作用於石油鑽井作業的軟管的裝置。本發明特別涉及能安裝軟管延伸長度的捲筒。本發明特別還涉及能安裝軟管延伸長度的可拆解運輸的捲筒。
相關技術描述目前石油工業中採用的軟管通常包括由金屬或複合物製成的具有較薄橫截面厚度的小直徑圓筒管。軟管通常更易彎曲並且比普通鑽繩更輕。軟管的這些特性使其得以在各種油井中使用。將軟管通過井口控制設備送入油井或氣井中以完成油井的勘探、鑽井、生產和檢查中的各種工作。例如，軟管常用於將氣體或其它液體注入井內、使橋塞(bridge)和封隔器(packer)膨脹和致動、向井內運送測井工具、完成油井中的維護固井清理工作和向井下運送鑽井工具。軟管的易彎曲和重量輕的特點使其特別適用於偏斜的油井中。
通常，將軟管通過井口控制設備導入油井或氣井井身內。軟管的普通作業系統包括捲筒組件、鵝頸管和管注入頭。捲筒組件包括存儲軟管的旋轉捲筒、支承捲筒的支架、驅動電機和旋轉聯軸節。在作業中，管注入頭抽出存儲在捲筒上的軟管並將軟管導入井口。驅動電機帶動捲筒旋轉以展開軟管，鵝頸管將軟管導入注入頭。在作業中通常通過軟管泵送液體。旋轉聯軸節使捲筒組件和來自泵的液體管道之間互連。這樣的軟管設置和設備在本領域中是公知的。
儘管現有技術軟管作業系統滿足由金屬如鋼製成的軟管，但是不適於具有由複合物製成的軟管的較長鑽井和作業鑽柱。由於複合軟管顯著輕於鋼軟管，因此使用這樣的延長的複合軟管長是有可能性的。事實上，可以製造複合軟管具有在鑽井泥漿中的中性浮力(neutralbuoyancy)。由於複合軟管有效地在鑽井泥漿中浮動，下井工具如牽引機為了拖引複合軟管穿過井身僅需要克服摩擦力。複合軟管的這一特性可以顯著提高複合軟管的有效工作範圍。這樣，複合軟管可以使完井深度為20000英尺或更深，這是通過其它方法所不容易達到的深度。
此外，複合物可以很好地防止由「彎曲事件」引起的疲勞破壞，這是一種通常與鋼軟管有關的破壞行為。在新製造的軟管進入井身之前至少會發生三種彎曲事件當軟管首先由捲筒上展開時的伸直，在鵝頸管之上移動時的彎曲，以及在進入注入器時的伸直。這樣累積的彎曲事件會嚴重損害鋼軟管的完整性，並威脅到人員和鑽井作業。因此，鋼軟管在經過幾次進入井身後，通常就無法使用了。但是，複合軟管可以明顯不受這些彎曲事件的影響，並能一直使用非常長的時間。
因此，採用複合軟管的系統可以安全而經濟地鑽鑿和勘探的油井比以前普通鑽井系統所能達到的更深、更長。但是，完成但非生產的油井可以重新工作以提高烴類回收。這樣，複合軟管系統可以在過去所不能達到的地域內進行鑽井作業，由此進一步最大限度地回收礦物燃料。
但是這些鑽井作業中的顯著改進需要能有效和經濟地利用複合軟管延伸長度的作業系統。在現有技術的軟管作業系統中，捲筒組件通常是軟管裝置中的最大單個部件。捲筒組件的尺寸常常直接受各種政府法規和條例的限制。例如，在國內許多公路上，徵收超過特定重量或尺寸限制的拖拉機—拖車的附加費。此外，由於海上平臺空間是有額外的費用的，許多鑽井公司對在任何給定時間內的鑽機上所允許的設備數量和尺寸有嚴格要求。對使用的駁船或運輸船隻尺寸和載荷的限制還限制了捲筒的實際尺寸。
儘管如此，具有較大存儲容量的捲筒具有工作經濟性。例如，各自存儲12000英尺軟管的兩個捲筒可以比各自存儲8000英尺的三個捲筒更經濟。具有經濟性的一個原因是兩個捲筒結構減少了一個捲筒的更換。即，通過一次輸送較長的長度，減少了要求在工作鑽柱中插入新的管捲筒的停工次數，因此大的軟管捲筒給鑽井公司帶來好處。由於安裝時間花費很高，因此常常最大程度的減少配置管所花費的時間。
為此，需要這樣的軟管系統，即最大程度地增加可以配置的管長並且最大程度地減小裝置的實際尺寸。由於複合軟管長可以配置的長度大大長於鋼軟管可能的長度，因此需要能存儲大量軟管的可運輸捲筒。
總之，儘管能操作很長軟管的盤繞作業系統大大利於油和氣體的回收工作，但是，現有技術沒有公開這樣的作業系統。
發明概述本發明通過採用可以拆開運輸的捲筒組件設計克服了現有技術中的缺點。與現有技術捲筒相比，這樣的捲筒組件設計會更有效。該設計的一個好處是，可以由軟管平臺卸下空捲筒組件而不影響剩餘捲筒組件的工作，目的是使平臺上具有供剩餘捲筒組件工作而不會引起妨礙的空間。該設計使空捲筒得以以比現有技術更有效的方式包裝運輸。
由下面的說明可以清楚理解本發明的其它目的和優點。
附圖簡要說明下面參照附圖，更詳細說明本發明的優選實施例，其中
圖1是安裝在打井機上的本發明實施例；圖2是根據本發明構成的軟管捲筒的一個實施例分解視圖；圖3是本發明實施例的側視圖，其中表明一個側壁的一半被取下；圖3a是圖3所示實施例的等角視圖；以及圖4是本發明另一實施例的側視圖。
優選實施例詳述現在參照圖1，本發明捲筒20安裝在位於油井工地的鑽井機26的支架24上。捲筒20存儲伸入油井30內的複合軟管28的延伸長度。在1998年5月20日申請的、名稱為「油井系統」、序列號為09/081,961的未審定申請中說明了由組合物製成的管，這裡通過參考而合併其內容。下面說明適於各種油井工地的捲筒20的優選實施例。
參照圖2，捲筒20的優選實施例包括圓筒40、第一側壁42、第二側壁44、螺栓46和螺母48。螺栓46最好在圓筒40的端面50、52沿圓周方向布置。
第一和第二側壁42、44卡住組合軟管，該軟管可以卷繞在轂42上。由於第一和第二側壁42、44基本相同，因此下面僅詳細說明第一側壁42。參照圖3和3a，第一側壁42最好包括鄰接第一圓筒面50的多個拼合凸緣60。根據優選實施例，凸緣60包括用於容置螺栓46的間隙孔62。第二側壁44的凸緣61具有相同的結構。可以明白，可採用任何數量的可釋放鎖定結構以保證凸緣與圓筒40固定。例如，可以在圓筒40上設置適於可釋放地容置凸緣60的壓緊件(未示)。
已知卷繞在圓筒40上的複合軟管不沿圓筒40軸向施加明顯的載荷。因此，可以在設計凸緣60時重點考慮解決運輸和操作的困難。例如，凸緣可以由薄的輕型鋼板構成或由強化金屬絲網壁構成以降低重量。此外，凸緣可以包括穿孔或設置成非鄰接形式，以進一步減小尺寸和降低重量。而且確實幾乎可以使用在圓筒40上夾持軟管的任何結構，如徑向設置的杆(未示)。
圓筒40支承在捲筒20上繞制並由捲筒20展開的複合軟管。支架24(圖1)通過互連軸25旋轉圓筒40。再參照圖3和3a。圓筒40包括轂41、十字軸43和多個輻條45。通過徑向向外延伸的輻條45將轂41同心支承在十字軸43上。轂41具有安置複合軟管的卷繞面49。本申請的名稱為「用於支承複合軟管捲筒」的、序列號為09/443,407的美國申請中公開了卷繞面的結構，實際上這裡通過參考而合併其內容。可以設置吊耳以便於運輸和圓筒40的操作。
最好，設定轂41的直徑以使複合軟管中存在2％或更低的變形。這樣，對於直徑為27/8英寸的複合軟管，轂41的直徑應該大約為144英寸或更大。同樣地，對於直徑為37/8英寸的複合軟管，轂41的直徑應該大約為194英寸或更大。期望根據所述標準設定的轂直徑會延長複合軟管的工作壽命。但是，應該明白合成材料的發展會獲得這樣轂直徑，它使複合軟管中的變形大於2％。
圓筒40的幾個部件最好分別製造並能通過標準焊接方法、螺紋緊固件或任何其它合適的方法進行裝配。最好使圓筒40作為一個單元進行運輸。但是，如果轂40的製造直徑不在允許的運輸範圍內，則可以利用軸分線56將圓筒40剖開成配合的半圓筒形對分部58a、b。配合的半圓筒形部58a、b可以利用各種公知的方法連接，如螺紋緊固件(未示)。附加分割線的使用會進一步減小製成圓筒40的單獨部分的尺寸和重量。此外，連接方法利用複合軟管的工作特性。例如，將通過複合軟管當增壓鑽井液泵入井內時，卷繞在捲筒上的複合軟管部分有徑向膨脹的趨勢。該徑向膨脹導致轂40上受壓縮力作用，可有助於保持具有分割線的圓筒40的結構完整性。
現在參照圖4，捲筒20的另一個實施例包括配合的第一和第二部分70、72。由於第一和第二捲筒部分70、72基本為對稱的，因此僅說明第一捲筒部分70。第一捲筒部分70最好為具有十字軸74的單個組件，十字軸具有支承轂78的、沿徑向向外延伸的輻條76。轂78具有卷繞面80用於卷繞複合軟管。側壁82、84固定在轂端面79上。可以理解第一捲筒部分70的獨特設計使各種製造方法得以使用，如角焊接、螺紋緊固件、聯鎖件或其組合。為了將第一捲筒部分70與第二接頭部件72連接，可以在第一部分70的輻條76上設置多個螺合螺栓86。第二捲筒部分72上的間隙孔88適於容置螺栓86。螺母(未示)擰在螺栓86上保證第一捲筒部分70與第二捲筒部分72相固定。應該明白第一和第二捲筒部分70、72可以通過任何合適數量的方法進行裝配，僅將了螺栓的使用作為示例進行了說明。此外，會明白捲筒20可以分成兩個以上拼合的部分。這樣，優選捲筒20的實用結構可以包括方便地拆開和結合的三個或三個以上部分。
對於具有27/8英寸標準尺寸的1500米複合軟管，實施例捲筒可以具有12英尺的轂直徑和18英尺的總直徑。拆分結構的實施例可以包括第一和第二側壁，每個側壁具有8個凸緣。這樣的拆分結構可形成最大寬度為大約7英尺的凸緣和直徑為12英尺的捲筒。這樣要運輸的任何部件的最大尺寸由18英尺減小到12英尺。側壁可以由更多或更少的凸緣構成。此外，可以採用分割線以進一步減小捲筒的尺寸和重量。對於標準尺寸為31/2英寸、41/2英寸或更大的複合軟管，1500米的軟管長度對於較大捲筒是必要。但是，根據本發明進行設計，這樣的捲筒仍然需要分成便於運輸的組成部件。
上述本發明的實施例可以用於油井工人要使用複合軟管延伸長度的完井和檢查工作。儘管複合軟管可以在幾個分開的捲筒上運輸並在插入井身內時相互連接，油井工人會選擇使用單個捲筒以進行其後的複合軟管操作。
一般，選擇本發明捲筒的油井工人會採用兩步驟方法實現捲筒的最佳設計。第一步驟是獲得關於所使用軟管結構的捲筒總體設計尺寸。通常捲筒的總體尺寸由要求的儲存能量確定，即要卷繞的複合軟管的長度和標準尺寸，以及預期的靜載荷和工作載荷。第二步驟是獲得便於所要求捲筒的運輸和操作的拆分設計。已知油井現場的捲筒拆分結構由以下係數確定，如運輸費用、運輸路線上的尺寸限制、油井現場的存儲設備的負載量、可適用的安全規定以及提升設備如起重機和纜索的重量限制。
一旦設計好了捲筒的幾個組成件(下文中的主(master)捲筒)，可以製造主捲筒組件並將其運輸到油井現場。將裝在小的單個捲筒上的較短長度複合軟管運送到油井現場。在油井工作中，根據需要構成短長度的複合軟管，並隨後將其插入井身中。在流水號為09081961、名稱為「油井系統」的懸而未決申請中描述了這樣的操作過程。當操作要求複合軟管的整個延伸長度由井身放出，裝配主捲筒並將其安裝在合適的操作臺上。在建立了合適的連接後，複合軟管的整個延伸長度可以卷繞在主捲筒上。可以想見，可以在卷繞/收回過程中使用一個以上的主捲筒。當然實際的主捲筒數量依據插入油井的複合軟管長度。因此，可以方便地收回並利用延伸的管長而不必在幾個小捲筒上卷繞延伸的管長。
可以看到，一旦在油井現場將延伸的複合軟管長卷繞在本發明捲筒上，便可以將捲筒方便地運送到附近的其它油井現場。此外，如果該捲筒放置在輪船上，可以將捲筒運送到幾乎任何海上油井。這樣，對於接著最初操作的油井服務工作，本發明捲筒減少或甚至取消了插入和收回階段中捲筒的更換(chang-out)。
儘管已經顯示和說明了本發明的優選實施例，但是本領域的技術人員可以對其進行改進而不背離本發明的精神和教導。本文所描述的實施例目的是舉例說明而並是為了限制本發明。可以在本發明的範圍內對該系統和裝置作出各種改變和改進。此外，雖然已經說明了這些方法，但是應理解，除非對特別順序作了規定，可以以任何順序執行該方法的單獨步驟。因此，本發明的範圍不限於本文所描述的實施例，而是由下述權利要求進行限定，其範圍將包括權利要求主體的等同物。
權利要求
1.一種用於支承複合軟管的捲筒組件，包括具有第一和第二端面的圓筒；以及可移動安裝在所述端面上的第一和第二側壁，其中，所述側壁由增強金屬絲網構成。
2.如權利要求1所述的捲筒組件，其中所述圓筒具有的直徑使得當所述複合軟管卷繞在所述圓筒上時所述複合軟管中的變形低於2％。
3.如權利要求2所述的捲筒組件，其中所述圓筒和所述凸緣的結構存儲至少1500米複合軟管的結構。
4.如權利要求1所述的捲筒組件，其中所述側壁包括至少4個凸緣。
5.如權利要求4所述的捲筒組件，進一步包括將所述凸緣固定在所述圓筒上的螺紋緊固件。
6.如權利要求1所述的捲筒組件，其中所述側壁是不鄰接的。
7.如權利要求1所述的捲筒組件，其中所述圓筒包括形成第一和第二圓筒分部的軸向分割線。
8.一種用於支承複合軟管的捲筒組件，包括具有形成第一和第二部分的軸分割線的圓筒，所述第一部分以可釋放的方式連接所述第二部分，所述第一和第二部分各自具有第一和第二端面；安裝在所述第一部分第一端面上的第一凸緣；安裝在所述第二部分第一端面上的第二凸緣；安裝在所述第一部分第二端面上的第三凸緣；以及安裝在所述第二部分第二端面上的第四凸緣。
9.如權利要求8所述的捲筒組件，其中所述圓筒具有的直徑使得當所述複合軟管卷繞在所述圓筒上時所述複合軟管中的變形低於2％。
10.如權利要求9所述的捲筒組件，其中所述圓筒和所述凸緣的結構存儲至少1500米複合軟管的結構。
11.如權利要求8所述的捲筒組件，其中所述圓筒由重量輕的高強度鋼製成。
12.如權利要求8所述的捲筒組件，其中所述凸緣由強化金屬絲網構成。
13.如權利要求9所述的捲筒組件，進一步包括將所述圓筒第一部分固定於圓筒第二部分上的螺紋緊固件及相關螺帽。
14.一種在油井現場儲存軟管的方法，包括(a)向油井現場運送第一管長；(b)向油井現場運送第二管長；(c)提供主捲筒，所述主捲筒具有存儲至少所述第一和第二管長的組合長度的容量，所述主捲筒包括至少兩個以可釋放方式固定在一起的分部；以及(d)將所述第一和第二管長卷繞在所述主捲筒上。
15.如權利要求14所述的方法，進一步包括將所述主捲筒運送到第二油井現場。
16.一種在油井現場使用軟管的方法，包括將第一管長插入井身；將第二軟管長與第一軟管長連接以便形成延伸的軟管長；將第二軟管長插入井身；在所述油井現場設置主捲筒；以及將所述延伸的軟管長卷繞在主捲筒上。
17.如權利要求16所述的方法，進一步包括將所述主捲筒運送到第二油井現場。
全文摘要
在油井現場使用管的軟管作業系統和方法。作業系統包括用於存儲延伸的複合管(28)長的、具有多個分部的主捲筒(20)。在一個實施例中，該捲筒具有一對可拆分的側壁(42、46)，每個側壁具有多個凸緣(60)。在另一個實施例中，捲筒包括徑向分割線(56)，該分割線形成基本相同的可固定和配合的圓筒分部。選定的圓筒直徑使複合軟管中的變形小於2％。一旦設計好了捲筒的組件，便可以將組件運送到油井現場，在該油井現場裝配主捲筒和將已經卷繞在單個捲筒上的較短管長連接並卷繞在主捲筒上。
文檔編號B65H75/18GK1660685SQ20041010116
公開日2005年8月31日 申請日期2001年2月9日 優先權日2000年2月11日
發明者E.艾倫·科茨 申請人:哈利伯頓能源服務公司