CN103890309B - 具有链条导板的连续管道注入器头 - Google Patents

Abstract

在用于处理用于插入井眼中和从井眼中收回的管道的注入器头(30)中，当在至少一些条件下延伸时会易于振荡的每个链条环(12)的路径的未夹紧部分(22)被链条导板(44)约束。当链条被链轮(16)以环路驱动时该链条导板使链条能够自由地移动，但是当沿着其路径的一个或更多个部分移动时减弱或防止在链条环(12)中产生振荡，其中在其他情况下链条不被压抵于管道或被链轮或张紧件约束。

Description

具有链条导板的连续管道注入器头

技术领域

本发明大体涉及用于将管道插入井眼中并从井眼收回管道的管道注入器。

背景技术

许多年以来连续管道油井介入在石油生产行业中是已知的。非常长的(通常15,000英尺)的小直径(一般为1.5英寸)钢质管道通过缠绕在大卷盘上而被处理，这种管道被取名为连续管道。这种管道卷盘不能用作绞车卷筒，因为作为绞车使用时所涉及的应力将毁坏管道。在石油行业中一种认可的解决方案是在需要时将管道从卷盘拉出并且使它绕过弯曲导向弓形结构或“鹅颈”，以便使它在与井眼共同的竖直轴线上。为了控制管道进出井眼的路程，一种所谓的连续管道注入器头的装置在导向弓形结构的下方被临时安装在井口上。通过利用注入器头，管道的重量和有效载荷在井口处从近似直线的管道减去，只留下必要的小拉力以用于使管道整齐地缠绕于管道卷盘。连续管道注入器的例子包括在美国专利号5,309,990、6,059,029和6,173,769中示出和描述的连续管道注入器，所有这些连续管道注入器通过参考结合于此。连续管道注入器头也能够被用于使得笔直连接管行进进出井眼。在这里大体提及的“管道”应当解释为包括连续管道和连接管，除非上下文中另外清楚地指出。

连续管道外部齐平并且因此非常适合于通过压力保持密封件或填料盒插入充气油井中，这意味着这种充气油井具有井口压力，如果不密封将喷射液体。在常规的连续管道应用中，当在深井中时，注入器头需要能够提升或拉起40,000磅或更重的管道重量和有效载荷。在进入井眼的行程的开始和结束处还需要能够压住或停住20,000磅或更重的管道重量和有效载荷，以克服填料盒摩擦和井口压力。通过管道卷盘驱动系统来控制卷绕张力并且该卷绕张力近似保持恒定，而不管注入头是使得管道行进进井还是出井，或不管管道是被拉起还是被停住。与管道的重量和在井眼中由管道携带的有效载荷相比，卷绕张力是无关紧要的，并且对于管道的整体性没有危害。管道在油井中通常行进到很深的深度，并且然后在较短的距离上重复地循环以安排化学处理或操作工具以校正或增强该井眼。正是通过对注入器头的仔细控制，连续管道操作者操纵管道深度和速度，以实现编程的任务。

为了使注入器头能够操纵管道，注入器头必须夹住管道并且然后同时移动夹紧装置以便在井眼内移动管道。虽然达到这种目的的其他方法是已知的，但是用于油井介入和打眼所用的注入器头利用多个用于夹紧管道的链条环。有许多注入器头的例子。大多数依赖于滚子链条和配合的链轮形式作为从驱动轴到链条环组件的传输驱动的装置。滚子链条不昂贵、非常牢固并且是挠性的。还有，当滚子链条与夹具——它有时候包括被安装在运送器上的可移动的夹紧元件或块——组装时，得到了笨重的子组件，在一些应用中其需要以每分钟高达300英尺的表面速度移动、围绕驱动器和张紧轮链轮快速改变方向。

图1是示意地示出作为用于使得管道进出油井和气井的注入器头的代表性例子的注入器头的基本部件。尽管可以使用多于两个的链条环，但是在这个例子中该注入器头包括两个闭合的或首尾相连的链条环12。每个闭合的或首尾相连的链条环12经由与滚子链节啮合的安装的链轮16由驱动轴14移动，所述滚子链节形成总的链条环组件的一部分。每个链条环12具有设置在其上的多个夹紧块(block)。当每个链条环运动通过预定的路径运动时，在基本直线且平行的长度上邻近其它链条环的每个链条环的部分——其也是其路径沿着管道18的部分——被一些装置(例如，液压推动的滚子和链组件20)朝着管道18推动，使得沿着链条环路径的这部分的夹具(可以叫做夹紧部分、夹紧长度或夹紧区域)接合管道18并且被推抵于管道18，因而在夹具和连续管道之间产生摩擦力，这导致牢固夹紧。与沿着链条环的路径的夹紧部分的链条不同，在驱动链轮16和空转链轮24之间延伸的每个环12的未夹紧长度22，在这个说明性的例子中，基本上不被支撑并且仅仅被居中安装的张紧件26控制。但是，许多现代的注入器在未接合长度上省去中心张紧件，并且实际上通过调节底部空转链轮24控制链条环张紧。

发明内容

具体说，在有时候称之为毛细管的小直径连续管道的布设期间，在链条环运动所沿的没有为了夹紧被偏置的路径部分内能够产生振荡。链条环的这些路径部分以及这些路径部分中在任何给定时间所存在的链条环部分被叫做自由的、未夹紧的或未被偏置的部分。在这种布设中，操作速度比在较大管道的情况下的操作速度高。链条振荡使注入器头粗野地行进，具有伴随的噪音、降低的管道控制性以及减少的使用寿命。业已发现，如果没有足够的振荡阻尼，则增加链条的张力将增加振荡的频率，并且因此无法解决这个问题。通过增加承重而增大链条张力对于注入器头也是有害的，其导致减少的效率、增加的磨损率以及减少的使用寿命。

在下面描述的注入器头的代表性的例子中，其由被安装在链轮上的多个链条环构成，至少一个链条环沿着该链条环的路径的自由的或未被偏置的部分由链条导板支撑。链条导板的支撑减弱或基本防止链条振荡而不必增加链条张力，否则当注入器头在一些条件下操作时这种链条振荡能够发生或将会发生。

在注入器头的一个例子中，邻近其他链条环在链轮之间延伸的多个链条环中每个的路径的笔直部分被偏置，以便导致在链条上的夹具抵靠链条环之间的管道的摩擦接合，以便夹紧该管道并且使其能够输送进出井筒。在链轮的与被偏置链条部分不同的另一侧上，每个链条路径的未被偏置部分(即，当至少在一些条件下行进时容易振荡的部分)被链条导板约束。在一个实施例中，该链条导板基本上延伸在链轮之间的链条环的未被偏置部分的全部长度。当链条被链轮驱动成环时链条导板使链条能够自由移动，但是减弱或防止沿着在其他情况下未被压紧在管道上或未被链轮或张紧件约束的其路径的一个或更多个部分的链条环振荡的发生。

附图说明

图1示出现有技术中见到的一般类型的典型连续管道注入器头的基本部件。

图2以等轴投影图示出用于连续管道注入器的框架的实施例，其具有结合到机器框架中的连续弯曲的链条导板表面。

图3示出包括图2框架的代表性连续管道注入器的等轴投影图。

图4是图3的代表性连续管道注入器的等轴投影剖视图。

图5示出与图2、图3和图4的连续管道注入器一起使用的代表性链条环组件的一段，示出前面具有夹紧元件后面具有滚动元件的滚子链条。

图6A和图6B是示出用于链条的自由部分的连续弯曲导向表面提供分布的径向力的示意图。

具体实施方式

在下面的描述中，自始至终，相同的附图标记指代相同的或相似的元件。附图不按比例绘制并且各个实施例的一些方面可以夸张地或以示意的形式示出。

参考图2、图3、图4和图5，连续管道注入器头30具有许多和图1的注入器头10相同的基本元件，并且因此，对于相似的元件使用相同的附图标记。但是，利用相同的附图标记并不意味着完全相同。注入器头30包括多个首尾相连的或闭合的链条环12，其被安装成沿着细长闭合回路或路径运动。在这个例子中，每个链条环路径邻近其他链条环路径的一个区段实际上是笔直的，从而使得当一段细长管道在链条环之间时能够接合这段管道。沿着这部分路径的链条被设置成使得被置于链条上的夹紧元件被偏置朝向彼此，以致它们被法向力压抵于被插入链条环之间的管道。这部分路径和沿着这部分路径的这段链条可以被叫做夹紧或被偏置部分、长度、区域或节段。用于偏置的机构或系统可以包括，例如，类似于图1的示例性注入器头10的偏置装置20。图3和图4所示的偏置系统包括作用在压力棒32上的液压撞锤32，其也被叫做滑动件。不试图暗示具体的形式或结构或压力棒或滑动件。它可以是单个的元件或由多个元件构成。在这个具体的例子中，撞锤一起拉动对置压力棒。对于本文中描述的发明目的，用于使链条上的夹紧元件被推动或被压抵于管道的任何机构或结构将与这个例子或上面给出的其他例子基本上是等价的。

现在参考图5，在这个例子中，链条环12具有包括滚子链条的类型，其由滚子链节36构成，且具有被安装在销子40上的夹紧元件38。一个或更多个夹紧元件可以是如下类型，例如，包括被连接于链条中的一个销子40的运送器部分以及以可运动方式附接于或结合于运送器的夹具。夹具38具有形状做成用于接合管道的部分40。在每个夹紧元件的背面安装有滚子42的形式滚动元件。滚动元件被定位成便于链条组件沿着压力棒34的自由运动。在被连接到链条的夹紧元件38的背侧上的滚子42沿着压力棒滚动，从而导致夹紧元件38被压抵于被捕获在链条之间的管道，并且因此形成增加夹紧元件和管道之间的摩擦力的法向力，从而允许链条环能够夹紧其间的管道并且通过链条的运动将管道运输进出井筒。可替代地，滚子可以被偏置装置承载。

现在回到图2至图5，在所示的实施例中，滚子42还被定位成沿着链条导板滚动。链条导板是细长构件44的形式，其约束每个链条环12的路径的未夹紧或未被偏置部分22。所示的链条导板的实施例是连续弯曲的并且被定位成使得它在其路径长度上接触链条环的这部分，在该路径长度上它不被压抵于管道或不夹紧管道或者不以其他方式被链轮或张紧件约束，从而结束靠近在顶部的驱动链轮16和在底部的空转/张紧链轮24。细长弯曲构件可以由例如一个或更多个钢板制造。每个夹具背面上的滚子42沿着该弯曲构件44滚动。而且，这个具体的导板是以及被结合到机器框架46中的结构元件的例子。形成所示导板的细长弯曲构件被焊接于框架。机器框架从在该框架顶部的由液压马达48驱动的载重驱动轴14，分别传送到在底部的枢转和载荷点48和50。通过使载荷传输与链条导板结合，框架46减小或最小化两个功能的空间和质量要求。

参考图6A和图6B，例如图1至图5所示的，注入器头的每个链条环12，包括具有分配质量的柔性受拉构件。在其整个长度上的任何点均保持恒定的拉力。如果该构件具有恒定的截面和材料，则它将使其质量沿着其长度均匀分布。链条将具有抗弯曲性，不过这会是非常低的。这种构件的质量、柔性、长度和张力结合在一起提供振荡机构。较高的质量和较长的长度会降低振荡的频率；较大的张力则增加振荡的频率。一旦产生振荡，则这个系统中的振荡将持续到其能量被摩擦耗尽。

连续柔性受拉构件从笔直路径的任何偏转均导致近似垂直于拉力的压缩载荷。相反，如果没有偏转，将没有力。图6A示出在顶部和底部被轻微偏转54约束的链条12的图。在引起偏转的约束之间的链条56的长度是重要的并且可能经受振荡。图6B示出了频繁小偏转58的实施例，这是由从顶部到底部分布的沿链条的路径被放置的多个约束所引起的，从而近似于柔性受拉构件的连续弯曲路径。当沿着长度提供足够数目的约束时，该系统将不再具有能够被环境激励的频率。沿着其长度提供频繁小偏转会充分约束或控制链条，使得由链条的环境引起的振荡被有效地阻止而不必显著地增加链条上的张力。

图2至图5中的链条导板13提供链条环的连续弯曲路径并且具有被结合到框架中的优点。还有，这种导板非常适合于具有被安装在其背侧的滚动元件的滚子链条。但是，沿着链条的自由部分的长度提供足够数目的约束的多种结构能够代替它。一个例子包括能够被间隙间隔开的两个或多于两个的弯曲节段，它们一同近似于连续弯曲路径。另一个例子包括例如以支承表面形式的多个离散定位的约束，或对于没有滚动元件的链条而言，适当地间隔开的或适当地分布以防止环境引起在约束之间延伸的链条的未支撑部分的振荡的滚子。

由所附权利要求限定的本发明不限于所描述的实施例，实施例仅仅作为想要的例子。在不脱离本发明的情况下对于所公开的实施例可以进行改变和修改。在本说明书中所用的术语的含义，除非另外明确地指出，旨在具有一般的和常用的含义而不是想要被限制在举例说明的或描述的结构或实施例的细节。

Claims (8)

1.一种用于输送管道进出井眼的注入器头，其包括：

彼此相邻地设置的多个链条环，所述多个链条环中的至少一个被驱动，并且所述多个链条环中的每个具有被置于其上的多个夹紧元件和滚子；所述多个链条环被设置成用于夹紧被约束在所述链条环之间的管道并且通过所述链条环沿着细长的闭合路径的运动而移动所述管道，所述路径具有夹紧部分，沿着所述夹紧部分，所述多个链条环的不同链条环上的夹紧元件通过偏置系统被压向彼此，所述偏置系统包括受撞锤作用的压力棒；针对所述多个链条环中的每个链条环的所述闭合路径的所述夹紧部分具有沿着所述夹紧部分布置的所述压力棒中的一个；

针对所述多个链条环中的每个链条环的至少一个链轮；

具有用于支撑载重轴的两侧的框架，所述链轮被安装在所述载重轴上；和

链条导板，其用于约束所述多个链条环中的一个链条沿着其路径的未夹紧部分的运动，该未夹紧部分在所述路径的所述夹紧部分的外侧；所述链条导板以沿着所述路径的所述未夹紧部分的自由节段的至少多个点约束所述一个链条的运动，所述多个点被间隔开以便有效地防止所述一个链条在所述自由节段中的振荡，

其中所述链条导板由沿着所述一个链条的所述路径的所述未夹紧部分的至少一部分延伸的一个或更多个连续弯曲构件构成，所述一个链条的所述滚子沿着所述一个或更多个连续弯曲构件滚动；并且

其中所述链条导板是被并入所述注入器头的所述框架中的结构元件，所述一个或更多个连续弯曲构件由板制造，所述板具有被直接连接在所述框架的两侧之间的边缘。

2.根据权利要求1所述的注入器头，其中每个所述夹紧元件在其背后耦接有滚子，用于接合所述连续弯曲构件的表面。

3.根据权利要求1所述的注入器头，其中所述多个链条环中的每个链条环被安装在一对间隔开的链轮上，因而，在所述链轮的相应轴线之间延伸的直线的一侧上，在所述链轮之间形成其路径的所述夹紧部分，并且在所述链轮的轴线之间的所述直线的另一侧上，在所述链轮之间形成所述未夹紧部分，其中沿着该夹紧部分所述多个链条环中的每个被偏置。

4.一种用于输送管道进出井眼的注入器头，其包括：

邻近彼此设置的多个链条环，所述多个链条环中的至少一个链条环被驱动，并且所述多个链条环中的每个链条环具有被置于其上的多个夹紧元件和滚子；所述多个链条环被设置成用于夹紧被约束在所述链条环之间的管道并且通过所述链条环沿着细长的闭合路径的运动而移动所述管道；

针对所述多个链条环中的每个链条环的至少一个链轮；

包括用于支撑载重轴的两侧的框架，所述链轮被安装在所述载重轴上；

偏置装置，其用于沿着其路径的夹紧部分将所述多个链条环中的每个链条环向其他链条环偏置，从而在所述链条环上的所述夹紧元件和被约束在所述链条环之间的管道之间能够产生较大摩擦力；其中所述偏置装置包括受撞锤作用的压力棒，针对所述多个链条环中的每个链条环的所述闭合路径的所述夹紧部分具有沿着所述夹紧部分布置的所述压力棒中的一个；和

用于在其路径的被偏置的夹紧部分的外侧、沿着其路径的未夹紧部分的至少一个节段来约束所述多个链条环中的至少一个链条环的运动的约束装置，当运输管道进出井眼时所述约束装置有效地防止所述至少一个链条环的部分沿着所述路径的所述未夹紧部分的振荡；

其中所述约束装置由至少一个细长的弯曲构件构成，所述至少一个细长的弯曲构件是所述注入器头的框架的结构元件，所述至少一个细长的弯曲构件由板制造，所述板具有被直接连接在所述框架的两侧之间的边缘。

5.根据权利要求4所述的注入器头，其中如果未被所述约束装置约束，则所述多个链条环中的所述至少一个链条环的所述路径的未被偏置的未夹紧部分的至少一个节段在使用期间易于振荡。

6.根据权利要求4或5所述的注入器头，其中所述板被焊接至所述框架。

7.一种用于操作用来处理插入和拔出井眼的管道的注入器头的方法，其包括：

驱动邻近彼此设置的多个链条环中的至少一个链条环，所述多个链条环中的每个链条环具有被置于其上的多个夹紧元件和在所述夹紧元件的后方上的滚子；所述多个链条环被设置成用于夹紧被约束在所述链条环之间的管道并且通过所述链条环沿着细长的闭合路径的运动而移动所述管道；所述多个链条环中的每个链条环被安装在至少一个链轮上；

利用具有两侧的框架来支撑载重轴，所述链轮被安装在所述载重轴上；

通过抵靠所述多个链条环中的每个链条环的所述滚子按压压力棒，利用所述多个链条环在所述闭合路径的夹紧部分内夹紧所述管道，当处于所述闭合路径的夹紧部分中时所述滚子沿所述压力棒滚动；

在被推抵于所述管道的其路径的夹紧部分的外侧、沿着其路径的至少一个未被偏置的未夹紧部分约束所述多个链条环中的至少一个链条的运动，从而当输送管道进出井眼时在允许所述至少一个链条沿着其路径运动的同时减弱所述至少一个链条沿着所述路径的所述未被偏置的未夹紧部分的振荡；

其中，沿着其路径的所述至少一个未被偏置的未夹紧部分约束所述多个链条环中的所述至少一个链条的运动包括使所述至少一个链条的滚子沿着包括细长的弯曲构件的链条导板滚动，所述细长的弯曲构件是并入所述注入器头的框架中的结构元件，所述细长的弯曲构件由板制造，所述板具有被直接连接在所述框架的两侧之间的边缘；

利用所述框架将载荷从位于所述框架的顶部的所述载重轴传送到在所述框架的底部处的枢转点；以及

结合所述链条导板携带所述载荷。

8.根据权利要求7所述的方法，其中所述板被焊接至所述框架。