CN103696712B - 应变消减的盘绕管注入器 - Google Patents

Abstract

一种盘绕管注入器，夹具链上的夹具后侧的滚轮在滑架的平坦的滚轮接触表面中形成的至少一个浅槽或凹处或滑架的平坦的滚轮接触表面段之间的间隙上经过，由此在夹具经过盘绕管注入器的夹紧区域内的至少一个预定位置时暂时去除或减小由滑架施加给夹具的力。夹具上的力的减少或去除允许夹具在一个或更多个预定位置处重新设置其在管上的位置，以便适应在管移动通过注入器时应力的变化引起的应变的变化。

Description

应变消减的盘绕管注入器

该申请要求2012年6月18日提交的美国申请No.61/661，238的权益，为了所有目的，美国申请No.61/661，238被并入本文以供参考。

技术领域

背景技术

“盘绕管注入器”是用于使管子进入井眼/井孔并从井眼中出来的机械装置。通常，管子是连续的，但注入器可以被用来提升或下降接合管子。连续管子一般被称为盘绕管，因为当其不在井眼中时，其被盘绕在大的绞盘上。当未被“连续”、“盘绕”或“接合”修饰时，术语“管”和“管子”是同义的，并且包含连续管子或盘绕管和接合管子。缩写为“注入器”的“盘绕管注入器”指的是用于移动这些类型的管子或管中的任一的机械装置。机械装置的名称来源于以下事实：该机械装置通常用于盘绕管，并且在先前存在的井眼中，管子必须通过滑动密封件被确实地迫使进入或“被注”入井内，以克服井内的流体的压力，直至井中管子的重量超过压力作用于管的横截面面积而产生的力。然而，一旦管子的重量克服压力，管子必须由注入器支撑。当管子从井中去除时，该过程是相反的。

盘绕管比传统的接合管子或直管子更快地进入井眼或从井眼中出来，并且传统上已经被主要用于使流体流通进井内和作业中的其他工作，而且可以用于钻井。对于钻井来说，涡轮马达被悬挂在管的端部处，并且由向下泵送给管的泥浆或钻井流体驱动。盘绕管也已被用作生产井中的永久管。通过更大直径或更牢固的管子，盘绕管的这些新的使用已经成为可能。

盘绕管注入器的示例包括在美国专利No.5，309，990、No.6，059，029和No.6，173，769中示出和描述的那些，所有专利被并入本文以供参考。

典型的盘绕管注入器包括两条连续链，但可以使用多于两条的链。链被安装在链轮上，以形成反向旋转的细长的环。驱动系统将扭矩施加给链轮，以引起链轮旋转，从而导致链的旋转。在大部分的注入器中，链以成对对置的形式布置，管子被保持在链之间。每条链带有的夹具在管的相对侧聚在一起，并被压在管上。当管被移动至井眼内或从井眼中出来时，注入器因此连续地夹紧一段管。“夹持区域”或“夹紧区域”指的是夹具与经过注入器的某一段管接触的区域。

若干不同的装置可以被用来将夹具压在管上。一种常用的装置使用滑架(skate)在夹具经过夹持区域时将均衡的力施加于夹具的后面。在一个示例中，每一个夹具具有安装在其后面的圆柱形滚轮或具有相同的旋转轴线的多个滚轮。当夹具经过夹紧区域时，滚轮沿着由滑架形成的连续平坦的表面滚动。通过相对于管适当地定位滑架，滑架可以通过垂直于管的力或压力将夹具压在管上。在可替代的装置中，滚轮被安装在滑架上，并且夹具的后面具有沿着滚轮行进的平的或平坦的表面。滚轮的轴线是共平面的，以便滚轮的外缘与在相同平面内的滑架的后面接合，因此有效地呈现为夹具可以在其上滚动的平坦的滚动表面。

盘绕管注入器将法向力施加给其夹具，该法向力通过摩擦产生沿管的纵向轴线的轴向力。夹具与管之间的牵引力的量至少部分地由这个力的大小限定。为了控制法向力的大小，用于对置链的滑架通常由液压活塞或类似的机构拉向彼此，以迫使夹具元件紧靠着管。可替代地，滑架被推向彼此。

发明内容

本发明总体涉及用于盘绕管注入器的牵引系统，其在管经过夹紧区域时消减/消除/减缓(relieve)管内的弹性应变。在夹紧区域内的中间位置处暂时去除或减小法向力，因此暂时去除或减小由夹具加在管上的轴向力，允许至少在管内的应变通过夹具相对于管的相对运动而被消减，注入器在总体上并未失去对管的牵引，也并未允许管滑动。当再施加法向力时，夹具再次产生夹在管上的轴向力。

在盘绕管注入器的一个典型实施例中，夹紧链的夹具沿着其移动的滑架的平坦的表面包括在表面中的中间中断(interruption)，该中断暂时减小或去除由滑架施加的力，从而允许夹具将其本身重新定位在管上。

在盘绕管注入器的另一个典型实施例中，夹具链上的夹具后侧的滚轮在滑架的平坦的滚轮接触表面中形成的至少一个浅槽或凹处或滑架的平坦的滚轮接触表面段之间的间隙上经过，由此暂时去除或减小在滑架经过盘绕管注入器的夹紧区域内的至少一个预定位置时由滑架施加给夹具的力。力的减少或去除允许夹具链上的夹具在一个或更多个预定位置处将其位置重新设置在管上，以便适应在管移动通过注入器时应力的变化引起的应变的变化。

附图说明

图1是典型盘绕管注入器的立体图。

图2是仅有安装有夹具元件的链和典型盘绕管注入器的滑架的平面视图。

图3是图2的详细视图。

图4是在图2和3中示出的一个滑架的侧视图，其示出滑架的轮廓。

图5是图4的滑架的平面视图。

具体实施方式

在以下描述中，相同的数字指代相同的元件。

参照图1、2和3，注入器100意图是大体代表盘绕管注入器。注入器100具有两个反向旋转的驱动链102和104。每条链带有多个夹紧元件或夹具106。链上的每一个夹具被成形为与将被夹持的管109(未在图1中示出)的外直径或外表面曲率一致或互补。在一个实施例中，夹具可以由与链连接的承载器和用于接合管的鞋(shoe)构成。在一些实施例中，鞋还可以是可拆卸或可替换的。各链上的夹具聚在一起在被称为夹紧区域的地方。当管109经过注入器时，管109进入夹紧区域。在夹紧区域，每条链的夹具合作夹持管并基本环绕管，以防止管变形。在这个示例中，夹紧区域是基本直的，其中夹紧区域内各链的区段直着且相互平行地延伸。管的中心轴线与夹紧区域的中心轴线一致。在示出的仅具有两条链的示例中，链102和104大体在共同的平面内旋转。(请注意，在图1中，链102和104在注入器的顶部处去除，以便露出它们所安装至的链轮。)注入器可以包含两个以上的驱动链。例如，第二对驱动链可以以对置的方式布置在相对于其他平面九十度的平面内，使得随着管经过注入器，四个夹紧元件聚在一起以接合管。

现在仅参照图1，注入器链被安装或支撑在至少两个链轮上，一个在注入器的顶部，而另一个在注入器的底部。实际上，上和下链轮通常包括两个间隔开的链轮，它们围绕共同的轴线旋转。在图1的典型示例中，每对链轮108和110中仅一个是可见的(链轮在图2和3中未被指示)。在这个示例中驱动注入器的上链轮。驱动链轮被连接至由驱动系统转动的驱动轴或轮轴。仅由数字112指代的用于上驱动链轮对108的一个轴在图1中是可见的。在这个典型的注入器中，下链轮未被驱动，其中除了与下链轮连接的轴114和116的端部外，下链轮在图中是不可见的。下链轮被称为惰链轮。然而，替代上链轮或除了上链轮外，也可以驱动下链轮。此外，为了驱动每条链的目的，另外的链轮可以增加到注入器。

链轮由参考数字118大体指出的框架支撑。用于上链轮的轴通过轴承被保持在相反两端上。这些轴承位于用于轴112的两个轴承座120和用于不可见的其他轴的两个轴承座122内。用于下链轮的轴通过轴承被保持在相反两端上，其被安装在可移动的承载器内，该承载器可随着框架在槽内滑动。在图中仅可以看见两个前侧轴承124和126。允许下链轮的轴向上和向下移动，这准许链通过液压缸128和130置于恒定的张力下。

在这个注入器的具体事例中，框架118采用箱的形式，其由其中板132在附图中可见的两个平行板和两个平行侧板134和136形成。框架支撑注入器的链轮、链、滑架和包括驱动系统和制动器138和140的其他元件。每一个制动器被耦连至单独的一个驱动轴，其中上链轮被安装在驱动轴上。在液压动力系统中，制动器通常在液压压力损失的情况下被自动激活。

用于注入器的驱动系统包括至少一个马达，其通常被液压驱动但也可使用电动机驱动。注入器100具有两个马达142和144，分别用于每个夹具链。可以增加更多的马达，用于驱动每条链，例如通过将马达连接至相同的轴，或通过将马达连接至链被安装在其上的单独的链轮上。每一个马达的输出被耦连至用于由马达驱动的链的驱动链轮的轴，马达因此也与链耦连。每一个马达或者被直接耦连，或例如通过齿轮装置被间接耦连，齿轮装置的一个示例为行星齿轮箱145。然而，仅可以使用一个马达。马达可以或者只驱动一条链(其他链未被驱动)或着通过将其直接耦连或者凭借齿轮连接用于每条链的驱动链轮间接耦连而驱动两条链。这种齿轮连接的示例包括差动齿轮驱动，其具有多个输出或通过齿轮耦连两个驱动套头。如果使用液压马达，当注入器运行时，液压马达被供应经由与动力单元连接的液压管路接收的加压的液压流体，动力单元包含由例如柴油发动机提供动力的液压泵。相同的动力单元可以被用来使其他液压回路运行，其包括用于产生夹紧力的液压缸，如下面所描述的。

参照图1-5，尽管子在图1中不可见，但盘绕管注入器100包括用于每条链102和104的滑架146和148，其分别用于将夹紧区域内的夹紧元件106压在管109上。滑架将法向力施加于夹紧元件，夹紧元件将该力传递给管，从而产生摩擦力(被称为夹紧力)，以便当管经过夹紧区域保持管。法向力越大，夹紧力越大。法向力部分由多个液压缸产生。液压缸未在图中示出。在一个实施例中，每一个液压缸沿着夹紧区域的长度在分开的位置处被连接，一端被连接至两个滑架中的每一个。液压缸产生相等的力，以便沿着滑架的长度在多个位置处将滑架拉在一起，因此沿着滑架的长度将均匀的夹紧压力施加在管109上。在可替代的实施例中，多个液压缸可以被布置为朝向彼此推动滑架。

为了避免管子的变形或损坏，当夹紧元件紧靠着管适当地就位时，滑架沿着夹紧区域内的管长度均匀地施加法向力。为此，滑架呈现为平坦的表面，夹紧元件沿着该平坦的表面移动。在这个示例中，其中夹紧元件在其后侧具有滚轮，当夹具在夹紧区域内与管接合时，滚轮152沿着平坦的滚动表面150滚动。滚轮沿着预定路径滚动或行进，该预定路径延伸平坦的滚动表面的长度。平坦的滚动表面沿着的滑架的中心部分154延伸，中心部分154与夹紧区域一致，但在滑架的端部处的过渡区域156内远离链渐缩。当管109经过夹紧区域时，滚动表面与管109的轴线平行。每一个夹具106具有附接于其上的滚轮152。在示出的实施例中，并且由图1最佳示出，每一个滚轮包括两个圆柱形元件，其中两个圆柱形元件被安装以便在共同的轴线上旋转。

尽管子在图中示出的滑架被表现为在一侧具有扁平、平坦的表面的单个梁状元件，其意图是代表性的。滑架还可以被构造为多个元件，多个元件可以被接合在一起，或要不然以多个元件共同呈现为一个平坦的滚动表面的形式相对于彼此保持在某一位置。

在注入器的运行期间，当管已经被下降到井眼内到达管和附接于其上的工具的重量超过静水井压力(hydrostatic well pressure)的位置时，管上的负荷，并且因此正在由注入器保持的管上的应力，是孔中的管和所附接的工具的总重量与井内的静水压力的差的函数。管上的张应力在注入器的底部处将会是最大的，在此处管进入夹紧区域，并且管上的张应力在注入器的顶部处接近零，在该位置管离开夹紧区域。(当管离开注入器头时，管被卷绕在其上的绞盘会将张力置于在管上。)因此，管内的应变在接近井眼的夹紧区域的底部处将会是最大的，并且在夹紧区域的顶部处接近零。然而，在夹具链上的应力，并且因此应变，是相反的。当管109向上延伸通过夹紧区域时，管109缩短，但链伸长。管的短缩和链的伸长产生轴向力。实际上，正被消减的应力正在被部分地转移给夹具。

一个或更多个应变消减区形成在滑架146和148的每一个滚动表面150上。在示出的实施例中，存在三个浅槽160a、160b和160c形式的应变消减区，其被形成(例如通过机械加工或另外的方式)在滑架的中心部分上的夹紧区域内的三个预定的间隔开的位置处。应变消减区允许滚轮152远离管(和夹紧区域的中心轴线)的横向移动，并且因此也允许与滚轮152附接的夹具106的横向移动，这暂时至少部分地卸载法向力。

夹紧元件的暂时的横向移动或移位导致由夹紧元件施加的法向力的减少。虽然法向力的减少或去除不一定导致夹具元件的夹紧表面和管之间的接触的损失，但减少量是足够大量和充分的，从而将夹紧元件与管之间的摩擦降低到管与夹紧元件的相对移动可以发生的程度。

实际上，滑架上的一个或更多个应变消减区中每一个将夹具的夹紧区域分成在两个或更多个牵引段之间的至少一个应变消减段。当夹紧元件在牵引段之间移动时，每一个应变消减段允许夹紧元件将其位置重新设置在管上，同时牵引段内的夹紧元件继续产生用于夹紧管的轴向力。

在个示出的实施例中，槽160a-160c的宽度162a-162c是相同的。此外，从平坦的滚动表面150到槽的过渡是弧形的，从而允许更逐渐的减少和更光滑的滚动。应变消减区的长度限定了由夹紧元件施加给管的法向力被减小的时间，其中应变消减区的长度在这个示出的实施例中对应于槽的宽度(和因此的应变消减区的长度)。在一个示例中，当滚轮位于中心并接触到槽的最深的位置时，槽的宽度近似为滚轮的宽度。在可替代的实施例中，槽被加宽以延长充分减小或去除施加给夹具的法向力以及管被允许相对于夹具滑动的时间。

在示出的示例中，滑架上有三个均匀间隔开的应变消减区。然而，在可替代的实施例中，应变消减区不必是均匀间隔开的。可替代的实施例也可以具有少于或多个三个的应变消减位置。此外，在具有多个应变消减区的滑架的实施例中，两个或更多个应变消减区的长度(例如槽160a-c的宽度)可以彼此不同。

在示出的示例中，在每一个滑架上的槽160a-160c被对齐，使得在相对侧上的夹紧元件同时重新安放。然而，在替代的实施例中，这些可以是偏移的。

在可替代的实施例中，可以通过不同形状的凹口、凹面或狭槽，通过组合(multi-piece)滑架的段或块之间的间隙，或通过任何其他类型的滑架的平坦的滚动表面中的中断(其中滑架的平坦的滚动表面中的中断至少导致移动通过应变消减区的夹紧元件施加的法向力的受控和/或预定的减小，减小的量足以在夹具处于应变消减区中的期间内允许夹具相对于管的相对运动)，形成应变消减区。

当管经过注入器时可控制地释放管上的应变的一个潜在益处是降低了失控的滑动的风险性。因为施加给夹具的法向力乘以摩擦系数的结果是注入器的拉力，所以一旦发生夹紧元件与管之间的相对运动，就会急剧降低夹紧元件产生拉力的能力。一旦夹紧元件或一组夹紧元件开始相对于管移动，由施加的法向力和摩擦引起的轴向力就会急剧下降。钢在钢上的摩擦系数取决于钢的硬度、表面光洁度或状况以及润滑。用于管和夹具的类型的钢在钢上的静摩擦系数在0.75与0.11之间的范围内变动，0.75和0.11分别是干和润滑的静摩擦系数。对于干和润滑的表面来说，动力系数降低至0.42到0.03。当管与夹具之间的静摩擦变为动摩擦时，摩擦系数急剧改变。如果夹紧下降至注入器不再产生足以保持管的轴向力的程度，“失控的”滑动发生，从而导致管的失控和对管外侧的滑动损坏以及对夹紧元件的损坏。为了增加摩擦而增加法向力可能损坏管。以上面所描述的方式可控制地消减在夹紧区域之中的应变趋于降低失控滑动的风险性。

之前的描述是至少部分采用本发明的某些指导的示例性和优选的实施例。由所附权利要求限定的本发明不限于所描述的实施例。在没有背离本发明的情况下，可以对所公开的实施例做出变更和修改。除非另作特别说明，在此说明书中使用的术语的意义意图是具有普通和习惯的意义，并不意图是限于所示出的结构或所公开的实施例的细节。

Claims (13)

1.一种盘绕管注入器，其包含：

多条夹具链，每条夹具链由具有安装在其上的多个夹紧元件的连续链环构成，所述多条夹具链均具有相对于彼此布置的区段，以便在其之间形成用于当管置于所述夹紧链的区段之间时夹紧所述管的夹紧区域，所述夹紧区域具有与经过所述夹紧区域的管的中心轴线对齐的中心轴线；

与所述多条夹具链中的至少一个耦接的驱动系统；以及

用于所述多条夹具链中的每条夹具链的滑架，至少一个滑架在所述夹具链的所述区段后面延伸，所述夹具链的所述区段在其间形成用于当管经过所述夹紧区域时引起所述链上的夹紧元件对所述管施加垂直于所述管的表面的力；

其中在所述多条夹具链中的至少一条后面的至少一个滑架中的至少一个具有形成在其上的至少一个应变消减区，用于将所述夹紧区域分为在两个牵引段之间的应变消减段，与当夹紧元件位于所述两个牵引段中的任一段内时其施加的力相比，所述应变消减区减小了当所述夹紧元件移动进入所述应变消减段时其施加的力的量。

2.根据权利要求1所述的盘绕管注入器，其中当管经过所述应变消减段时，所述力的减小量足以允许所述应变消减段内的夹紧元件相对于所述管滑动，而不会造成在所述牵引段内所述链上的所述夹紧元件的牵引损失。

3.根据权利要求1和2中任一项所述的盘绕管注入器，其中每一个所述滑架具有形成在其上的一个或更多个平坦的表面，当在所述夹紧区域内时，所述多条夹具链中的每条夹具链上的所述夹紧元件沿着所述平坦的表面行进，并且其中所述应变消减区包含在所述平坦的表面中的中断，用于使所述应变消减段内的夹紧元件远离所述管横向地移动。

4.根据权利要求3所述的盘绕管注入器，其中所述中断包括槽、狭槽、间隙、凹面或凹处中的一个。

5.根据权利要求1和2中任一项所述的盘绕管注入器，其中在所述多条夹具链中的每条之间的所述滑架具有形成在其上的所述至少一个应变消减区，用于将所述夹紧区域分为在两个牵引段之间的应变消减段，与当夹紧元件在所述两个牵引段中的任一段内移动时其施加的力相比，所述滑架上的所述应变消减区减小了当所述夹紧元件移动进入所述应变消减段时其施加的力的大小。

6.一种盘绕管注入器，其包含：

多条夹具链，每条夹具链由具有安装在其上的多个夹紧元件的连续链环构成，所述多条夹具链均具有相对于彼此布置的区段，以便在其之间形成用于当管置于所述夹紧链的区段之间时夹紧所述管的夹紧区域，所述夹紧区域具有与经过所述夹紧区域的管的中心轴线对齐的中心轴线；

其中在每个所述夹具链上的所述多个夹紧元件中的每个包括至少一个滚轮；

与所述多条夹具链中的至少一个耦接的驱动系统；以及

用于所述多条夹紧链中的每条夹紧链的滑架，所述滑架在所述夹紧链的区段后面延伸，用于当管经过所述夹紧区域时引起所述链上的夹紧元件对所述管施加垂直于所述管的表面且足以夹紧的力，

所述滑架具有沿其长度的至少一部分延伸的平坦的滚动表面，当在所述夹紧区域内时所述多个夹紧元件的滚轮沿着所述平坦的滚动表面在预定的路径上滚动；

其中在所述多条夹具链中的至少一条夹具链后面的所述滑架的所述平坦的滚动表面包含在所述滚动表面的端部之间的至少一个中断，当所述多条夹具链转动时，在所述多个夹紧元件上的至少一个滚轮能够滚进所述至少一个中断内，所述中断具有预定的深度和宽度以及在每一侧上的一部分所述平坦的滚动表面。

7.根据权利要求6所述的盘绕管注入器，其中所述中断容许所述多个夹紧元件中的至少一个夹紧元件的至少一个滚轮远离所述夹紧区域的所述中心轴线的预定横向移动。

8.根据权利要求6和7中任一项所述的盘绕管注入器，其中在所述多条夹具链中的至少一条后面的所述滑架的所述平坦的滚动表面包含沿着所述滚轮的所述路径的至少两个中断，每个中断具有预定的深度和宽度和在所述中断的任一侧上的一部分所述平坦的滚动表面。

9.根据权利要求6和7中任一项所述的盘绕管注入器，其中在所述多条链的每条链后面的所述滑架的所述平坦的滚动表面具有至少一个中断。

10.根据权利要求9所述的盘绕管注入器，其中所述多条链中的一条链的所述平坦的滚动表面中的一个平坦的滚动表面上的至少一个中断与所述多条链中的另一条链的所述滑架上的中断对齐。

11.一种用于控制延伸通过盘绕管注入器的管上的应变的方法，多条夹具链中的每条夹具链由具有安装在其上的多个夹紧元件的连续链环构成，所述多条夹具链均具有相对于彼此布置的区段，以便在其之间形成用于夹紧所述管的夹紧区域，所述夹紧区域具有与经过所述夹紧区域的管的中心轴线对齐的中心轴线；

使用驱动系统驱动所述多条链中的至少一条链，以使管移动经过所述夹紧区域；

将均匀的法向力施加于所述多个夹紧元件在所述夹紧区域内中的那些；

暂时减小当所述多个夹紧元件中的至少一个夹紧元件在所述夹紧区域内时在所述多个夹紧元件中的至少一个夹紧元件上的所述法向力，以便允许所述至少一个夹紧元件相对于所述管重新设置其位置，而不引起所述多个夹具中的剩余的夹具失去对所述管的夹紧，由此消减安装有所述多个夹紧元件中的至少一个夹紧元件的所述夹具链内的应变。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述法向力的所述暂时减小发生在所述夹紧区域内的中间位置处的预定应变消减段内。

13.根据权利要求12所述的方法，其中在所述多个夹紧元件中的至少一个夹紧元件上的压力的所述暂时减小发生在所述夹紧区域内的中间位置处间隔开的多个预定的应变消减区域中。