CN109415931B - 用于实现复合材料制成的可重整管状结构件的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于实现由可重整复合材料制成的柔性管状结构件的装置和方法，所述柔性管状结构件被设计成利用以滑动的方式接合在管状结构件内的渐缩轮廓件而从第一折叠构型变化至第二纵向展开操作构型。
Description
技术领域
本发明涉及用于实现由复合材料制成的柔性可重整管状结构件的装置和相关的方法，所述柔性可重整管状结构件用于在石油和天然气行业中、特别有利地在探井、生产井或注入井的完井操作中运输流体(水、石油和/或天然气)。
背景技术
用于探井、生产井或注入井的完井操作的方法通常基于通过模块化钢管构造管道。
通常以从9m至11m不等的预定标准长度提供的被用于构造管道的钢管通过公母螺纹接头联接到一起并且然后被放下到井中。
因此，一串管的安装是复杂的过程并且当然不是快速的过程，因为这需要一系列活动比如：提供管、管的运输、贮存、操纵和连接，以形成放下到井中的生产管柱。
因此，在井中完成管道的常规方式涉及专用完井工具、对重的且昂贵的钢管的长时间安装和管理。所有这些都体现在完井操纵的总体成本上。
发明内容
本发明的目的是制造克服了现有技术的缺点的装置和方法，从而允许探井、生产井和注入井的完井操作更快速且成本影响更小。
在本发明中，定义“由复合材料制成的柔性管状结构件”指的是下述结构件：该结构件具有带有纵向轴线和任意横截面的构型，该结构件包括耐压结构件、限定内部通道的内壁、多个不同材料层，该结构件的特征在于允许进行大的弯曲而不会损害结构件本身的完整性的特性。
本发明涉及用于实现由可重整复合材料制成的柔性管状结构件150的装置100。由可重整复合材料制成的柔性管状结构件150被设计成：从第一折叠构型变化至第二纵向展开操作构型，从而获得重整的管状结构件160。装置100包括重整系统100，该重整系统100的特征在于沿纵向方向渐缩的轮廓件500。该渐缩轮廓件500能够以滑动的方式接合在由可重整复合材料制成的柔性管状结构件150内，使得渐缩轮廓件500的纵向方向与重整的管状结构件160的纵向轴线大致一致，并且使得处于第二操作构型的重整的管状结构件160的任意横截面的表面均比处于第一折叠构型的由可重整复合材料制成的柔性管状结构件150的同一横截面的表面大。
本发明还涉及用于实现由可重整复合材料制成的柔性管状结构件150的方法，该方法包括以下步骤：
-制备处于第一折叠构型的由可重整复合材料制成的柔性管状结构件150；
-沿着该结构件本身的大致纵向方向施加拉动动作，将由可重整复合材料制成的柔性管状结构件150延伸使得该柔性管状结构件150获得第二纵向展开操作构型；
-重整处于第二操作构型的由可重整复合材料制成的柔性管状结构件150，从而获得重整的管状结构件160，使得处于第二操作构型的重整的管状结构件160的任意横截面的表面均比处于第一折叠构型的由可重整复合材料制成的柔性管状结构件150的同一横截面的表面大。
该方法的特征在于，重整柔性管状结构件150的步骤是通过使用沿纵向方向渐缩的轮廓件500而执行的，该渐缩轮廓件500能够以滑动的方式接合在由可重整复合材料制成的柔性管状结构件150内，使得渐缩轮廓件500的纵向方向与重整的管状结构件160的纵向轴线大致一致。
附图说明
通过参照附图中的各个视图对本发明的非限制性实施方式的以下描述，本发明的特征和优点将变得清楚，在附图中：
-图1是由可重整复合材料制成的柔性管状结构件150的重整系统110的示意图，该重整系统包括对于操作而言必需的主要元件，并且其中，为了清楚起见，省略了一些部件；
-图2是实施系统900的示意图，其中，为了清楚起见，省略了一些部件；
-图3示出了在卷轴或线轴310的包含旋转轴线AA的平面上的横截面图，由可重整复合材料制成的柔性管状结构件150卷绕在该卷轴或线轴310上，其中，为了清楚起见，省略了一些部件。
具体实施方式
参照图1和图2，本发明的目的是一种用于实现由可重整复合材料制成的柔性管状结构件150的装置100，该装置100使得能够制造在石油和天然气行业中用于探井、生产井或注入井的管道或套管，该装置100的特征在于在下文中所描述的优点。本发明的目的的装置100包括重整系统110。
由可重整复合材料制成的柔性管状结构件150被制造成具有与在柔性管状结构件150重整后在第二操作构型中所需的横截面的几何形状相对应的横截面的几何形状。由于重整的管状结构件160可以具有从各种几何形状——优选地圆形或椭圆形或椭圆体或矩形或方形——中选定的横截面，因此由可重整复合材料制成的初始柔性管状结构件150将根据与用于在地面上对流体进行运输或者用于在井中对流体进行运输的特定预期用途相关的所需重整构型进行制造。
由可重整复合材料制成的柔性管状结构件150受到牵引力，以便使该柔性管状结构件150从第一折叠构型变为下述第二操作构型：该第二操作构型是通过沿柔性管状结构件150本身的纵向方向施加合适的牵引力而纵向地展开的。
为了使柔性管状结构件150采取第二操作构型的形状，重整系统110包括下述纵向渐缩轮廓件500：该纵向渐缩轮廓件500当接合在柔性管状结构件150内时允许相对于柔性管状结构件150进行相对滑动并且同时限定该柔性管状结构件150的形状。
纵向渐缩轮廓件500的形状将取决于处于第二操作构型的重整的管状结构件160所期望获得的横截面。
在本发明的优选实施方式中，处于第二操作构型的重整的管状结构件160的特征在于具有大致圆形的横截面，该大致圆形的横截面能够通过沿与纵向轴线垂直的平面对重整的管状结构件160进行剖切而获得。
在本发明的优选实施方式中，本发明的目的的装置100的重整系统110包括固定框架600，该固定框架600处于由可重整复合材料制成的柔性管状结构件150的外部。固定框架600相对于由可重整复合材料制成的柔性管状结构件150的外壁设置有外部滑动器件800。渐缩轮廓件500相对于由可重整复合材料制成的柔性管状结构件150的内壁包括有内部滑动器件850。外部滑动器件800和内部滑动器件850适于引导并辅助由可重整复合材料制成的柔性管状结构件150通过。
由于渐缩轮廓件500纵向地接合在柔性管状结构件150内，因此存在下述问题：如何防止柔性管状结构件150本身拉动轮廓件500从而防止成形操作的运动。
因此，在本发明的优选实施方式中，本发明的目的的装置100的重整系统110的固定框架600包括主固定框架610和副固定框架620。主固定框架610和副固定框架620设置有外部滑动器件800，外部滑动器件800构造成与内部滑动器件850相互干涉，从而既阻挡渐缩轮廓件500沿相对于由可重整复合材料制成的柔性管状结构件150的纵向方向的运动、又阻挡渐缩轮廓件500沿与所述纵向方向垂直的方向的运动，从而确保柔性管状结构件150的滑动。
在上面所描述的构型的情况下，重整系统110为由可重整复合材料制成的柔性管状结构件150提供了所需形状，从而确保了该柔性管状结构件150能够通过重整系统110滑动，从而将渐缩轮廓件500保持就位并且避免该渐缩轮廓件500的非预期平移或旋转。
在优选实施方式中，外部滑动器件800是涂覆有低摩擦材料的滚子或轮或轴承或衬套或滑架或支承件，或者是上述各项的任何组合。
在另一优选实施方式中，内部滑动器件850是涂覆有低摩擦材料的滚子或轮或轴承或衬套或滑架或支承件，或者是上述各项的任何组合。
外部滑动器件800和内部滑动器件850的组合支承渐缩轮廓件500并且防止渐缩轮廓件500由于在柔性管状结构件150的内表面与渐缩轮廓件500的外表面之间的摩擦力而与柔性管状结构件150一起移动。内部滑动器件850安装在渐缩轮廓件500上，并且因此，内部滑动器件850与渐缩轮廓件500一起移动。参照图1，沿着柔性管状结构件150的纵向轴线的运动使内部滑动器件850与外部滑动器件800相干涉，从而留出仅用于柔性管状结构件150穿过的足够空间并且实际上防止渐缩轮廓件500移动以及渐缩轮廓件500旋转。另一方面，如果柔性管状结构件150受到合适的轴向载荷，则柔性管状结构件150由于外部滑动器件800且由于内部滑动器件850而将继续滑动。该轴向载荷将必须大于克服在柔性管状结构件150穿过外部滑动器件800和内部滑动器件850时重整柔性管状结构件150所需的力所需的轴向载荷。
由可重整复合材料制成的柔性管状结构件150通过下述聚合机构硬化：该聚合机构作用在柔性管状结构件150本身所浸渍的可聚合化合物上。柔性管状结构件150的浸渍步骤可以在重整之前或者在重整之后实现。在本发明的优选实施方式中，处于其第一折叠构型的由可重整复合材料制成的柔性管状结构件150已经浸渍了可聚合化合物。
由可重整复合材料制成的柔性管状结构件150在已经被重整处于第二操作构型并浸渍了可聚合化合物之后通过聚合机构硬化。
在本发明的优选实施方式中，装置100还包括由可重整复合材料制成的柔性管状结构件150的聚合系统120，该柔性管状结构件150浸渍有可聚合化合物。
在本发明的另一优选实施方式中，装置100包括使用至少一个紫外线灯的聚合系统120，该至少一个紫外线灯作用在由可重整复合材料制成的柔性管状结构件150上以激活聚合过程。
在本发明的另一优选实施方式中，装置100包括使用至少一个电加热器或红外线加热器的聚合系统120，该至少一个电加热器或红外线加热器作用在由可重整复合材料制成的柔性管状结构件150上以激活聚合过程。
在本发明的另一优选实施方式中，装置100包括使用至少一个电子束发射枪的聚合系统120，该至少一个电子束发射枪作用在由可重整复合材料制成的柔性管状结构件150上以激活聚合过程的。
在本发明的另一优选实施方式中，装置100包括使用至少一个微波辐射发生器的聚合系统120，该至少一个微波辐射发生器作用在由可重整复合材料制成的柔性管状结构件150上以激活聚合过程。
因此，本发明的装置100允许对由可重整复合材料制成的且浸渍有合适树脂的柔性管状结构件150进行重整，优选地重整成刚性筒形形状，所述柔性管状结构件150在重整和聚合过程之前可以被折叠和/或卷绕。特别地，柔性管状结构件150可以在下述环境条件(温度、照明)下被卷绕在优选地具有小弯曲半径的筒形卷轴310上，从而使所占据的空间最小并且有助于将柔性管状结构件150运输至柔性管状结构件150的安装地点：所述环境条件防止在贮存期间的非预期的聚合过程并且确保在需要时进行聚合而不会降低预期机械特性的能力。
在根据图3的本发明的优选实施方式中，处于第一构型的由可重整复合材料制成的柔性管状结构件150被围绕卷轴或线轴310卷绕，并卷绕成具有压扁的横截面，从而促进空间的有效利用。
当需要对柔性管状结构件150进行安装时，柔性管状结构件150被退绕并且通过重整系统110和聚合系统120输送。合适的牵引系统400确保了由可重整复合材料制成的柔性管状结构件150具有恒定的拉动和前进速度，特别地相对于正在进行聚合过程的部件而言具有恒定的拉动和前进速度，上述聚合过程通过热、化学或辐射作用来启动可聚合化合物的快速聚合作用。
在石油和天然气行业中用于探井、生产井或注入井的完井的优选实施方式中，柔性管状结构件150被退绕并且设置在井200的上方，其中，在井200的井眼的轴线上的竖向部分长1.5m至15m，使得柔性管状结构件150穿过重整系统110和聚合系统120。在井200的入口处，合适的牵引系统400确保了柔性管状结构件150具有恒定的拉动和前进速度，特别地相对于正在进行聚合过程的部件而言具有恒定的拉动和前进速度，上述聚合过程通过热、化学或辐射作用来启动可聚合化合物的快速聚合作用。
在本发明的优选实施方式中，由可重整复合材料制成的柔性管状结构件150包括由热塑性材料制成的内层和也由热塑性材料制成的外层，该内层耐酸性且粗糙度低，该外层能够耐受在下降到井中期间的磨损。所述两层也具有液压控制的功能，而由包括有通过联接“编织物”和“针织物”过程所获得的配合纤维的复合材料制成的另一层为柔性管状结构件150提供了较高的机械阻力。相对于常规钢管，柔性管状结构件150的层具有大幅减小的导热性，这具有对形成沉积物(例如，蜡状物和/或沥青质)的正面效果。
在本发明的优选实施方式中，柔性管状结构件150的内层的材料是氟化聚合物，更特别地该材料是聚偏二氟乙烯。
在另一优选实施方式中，柔性管状结构件150的外层的材料是聚氨酯。
本发明的另一目的是用于实现由可重整复合材料制成的柔性管状结构件150的方法，该方法包括以下步骤：
-制备处于第一折叠构型的由可重整复合材料制成的柔性管状结构件150。该折叠构型可以通过围绕卷轴或线轴的卷绕、如波纹管那样包装的折叠或者通过其他本身已知的方法实现；
-将由可重整复合材料制成的柔性管状结构件150延伸使得该柔性管状结构件150获得第二纵向展开操作构型，沿着该柔性管状结构件150本身的大致纵向方向施加拉动动作。向柔性管状结构件150施加牵引力确保了该柔性管状结构件150从本质上有利于运输和贮存的第一折叠构型变化到适于操作的第二构型；
-重整处于第二操作构型的由可重整复合材料制成的柔性管状结构件150，从而获得重整的管状结构件160，使得处于第二操作构型的重整的管状结构件160的任意横截面的表面均比处于第一折叠构型的由可重整复合材料制成的柔性管状结构件150的同一横截面的表面大。
该方法的特征在于，对由可重整复合材料制成的柔性管状结构件150进行重整的步骤通过使用具有早前所描述的特征的渐缩轮廓件500而实现。
在优选实施方式中，本发明的方法目的还包括用可聚合化合物浸渍由可重整复合材料制成的柔性管状结构件150的步骤。
在另一优选实施方式中，本发明的方法目的还包括借助于热作用或化学作用或辐射使化合物聚合的步骤。
聚合步骤可以优选地用至少一个电子束发射枪实现、或者用至少一个紫外线灯实现。在特征为多个电子束发射枪或紫外线灯的优选实施方式中，所述枪或灯将绕柔性管状结构件150环状地布置。
聚合步骤还可以优选地用至少一个电子加热器或红外线加热器实现。在特征为多个加热器的优选实施方式中，所述多个加热器将绕柔性管状结构件150环状地布置。
聚合步骤还可以优选地用至少一个微波辐射发生器实现。
通过上面所描述的机构进行的聚合步骤被认为是在适用于本发明的执行步骤方面和参数方面是本身已知。
因此，清楚的是，用于实现由可重整复合材料制成的柔性管状结构件150的装置100如何能够制造出连续的管道或套管、即不包括有限长度的螺纹连接到一起的部件的，并且该装置100在生产流体的限制方面和安装速度方面是有利的。此外，重整的管状结构件160在重整之前通过可折叠的和/或可卷绕的装置100而获得，因此，在安装之前所占据的空间方面以及在向安装地点运输的容易性方面是有利的，并且重整的管状结构件160能够在下降到井中之前立即在原地重整。
由此所获得的重整的管状结构件160在不使用常规完井工具而是通过快速且容易调动的可移动式平台300的情况下可以放下到井中，这是由于所述重整的管状结构件160与常规钢管相比每单位长度的重量更轻并且由于因此对于每个单管而言不需要旋拧操作的连续过程。
本发明的另一目的是用于实现由可重整复合材料制成的柔性管状结构件150的系统900。该系统900包括可移动式平台300、上述类型的装置100、以及井200。
由此所构想的本发明的用于实现由可重整复合材料制成的柔性管状结构件150的装置100可以在任何情况下进行若干修改和变型，所述修改和变型中的所有修改和变型由该同一发明构思涵盖，此外，所有细节可以由技术等效元素代替。实际上，所使用的材料以及形状和尺寸可以根据技术要求是任何的材料、形状和尺寸。
因此，本发明的保护范围由所附权利要求限定。
Claims (17)
1.一种用于实现由可重整复合材料制成的柔性管状结构件(150)的装置(100)，所述柔性管状结构件(150)被设计成用于从第一折叠构型变化至第二纵向展开操作构型，从而获得重整的管状结构件(160)，所述装置包括重整系统(110)，其中，所述装置包括沿纵向方向渐缩的渐缩轮廓件(500)，所述渐缩轮廓件(500)能够以滑动的方式接合在由可重整复合材料制成的所述柔性管状结构件(150)内，使得所述渐缩轮廓件(500)的纵向方向与所述重整的管状结构件(160)的纵向轴线大致一致，并且使得处于所述第二纵向展开操作构型的所述重整的管状结构件(160)的任意横截面的表面均比处于所述第一折叠构型的由可重整复合材料制成的所述柔性管状结构件(150)的同一横截面的表面大，其中，所述重整系统(110)包括固定框架(600)，其中，所述渐缩轮廓件(500)相对于固定不动的所述固定框架(600)是固定的。
2.根据权利要求1所述的装置(100)，其中，所述渐缩轮廓件(500)具有大致圆形的横截面，因此处于所述第二纵向展开操作构型的所述重整的管状结构件(160)的特征在于具有大致圆形的横截面，所述大致圆形的横截面能够通过沿与所述纵向轴线垂直的平面对所述重整的管状结构件(160)进行剖切而获得。
3.根据权利要求1所述的装置(100)，其中，所述固定框架(600)处于由可重整复合材料制成的所述柔性管状结构件(150)的外部，所述固定框架(600)相对于由可重整复合材料制成的所述柔性管状结构件(150)的外壁设置有外部滑动器件(800)，并且其中，所述渐缩轮廓件(500)相对于由可重整复合材料制成的所述柔性管状结构件(150)的内壁包括有内部滑动器件(850)，所述外部滑动器件(800)和所述内部滑动器件(850)适于引导和辅助由可重整复合材料制成的所述柔性管状结构件(150)通过。
4.根据权利要求3所述的装置(100)，其中，所述固定框架(600)包括主固定框架(610)和副固定框架(620)，所述主固定框架(610)和所述副固定框架(620)分别配备有所述外部滑动器件(800)，所述外部滑动器件(800)构造成与所述内部滑动器件(850)相干涉，从而既阻挡所述渐缩轮廓件(500)沿关于由可重整复合材料制成的所述柔性管状结构件(150)的纵向方向的运动、又阻挡所述渐缩轮廓件(500)沿与所述纵向方向垂直的方向的运动，从而确保由可重整复合材料制成的所述柔性管状结构件(150)的滑动。
5.根据权利要求3至4中的任一项所述的装置(100)，其中，所述外部滑动器件(800)是涂覆有低摩擦材料的滚子或轮或轴承或衬套或滑架或支承件，或者是上述各项的任何组合。
6.根据权利要求3至4中的任一项所述的装置(100)，其中，所述内部滑动器件(850)是涂覆有低摩擦材料的滚子或轮或轴承或衬套或滑架或支承件，或者是上述各项的任何组合。
7.根据权利要求1至4中的任一项所述的装置(100)，包括由可重整复合材料制成的所述柔性管状结构件(150)的聚合系统(120)，所述柔性管状结构件(150)浸渍有可聚合化合物。
8.根据权利要求7所述的装置(100)，其中，所述聚合系统(120)包括作用在由可重整复合材料制成的所述柔性管状结构件(150)上以用于激活聚合过程的至少一个紫外线灯。
9.根据权利要求7所述的装置(100)，其中，所述聚合系统(120)包括作用在由可重整复合材料制成的所述柔性管状结构件(150)上以用于激活聚合过程的至少一个电加热器或红外线加热器。
10.根据权利要求7所述的装置(100)，其中，所述聚合系统(120)包括作用在由可重整复合材料制成的所述柔性管状结构件(150)上以用于激活聚合过程的至少一个电子束发射枪或至少一个微波发生器。
11.一种用于实现由可重整复合材料制成的柔性管状结构件(150)的系统(900)，所述系统(900)包括可移动式平台(300)、根据权利要求1至10中的任一项所述的装置(100)、以及井(200)。
12.一种用于实现由可重整复合材料制成的柔性管状结构件(150)的方法，所述方法包括以下步骤：
-制备处于第一折叠构型的由可重整复合材料制成的柔性管状结构件(150)；
-沿着所述柔性管状结构件(150)的大致纵向方向施加拉动动作，将由可重整复合材料制成的所述柔性管状结构件(150)延伸而使得所述柔性管状结构件(150)获得第二纵向展开操作构型；
-重整处于所述第二纵向展开操作构型的由可重整复合材料制成的所述柔性管状结构件(150)，从而获得重整的管状结构件(160)，使得处于所述第二纵向展开操作构型的所述重整的管状结构件(160)的任意横截面的表面均比处于所述第一折叠构型的由可重整复合材料制成的所述柔性管状结构件(150)的同一横截面的表面大，
其中，对所述柔性管状结构件(150)进行重整的步骤通过使用沿纵向方向渐缩的渐缩轮廓件(500)而实现，所述渐缩轮廓件(500)能够以滑动的方式接合在由可重整复合材料制成的所述柔性管状结构件(150)内，使得所述渐缩轮廓件(500)的纵向方向与所述重整的管状结构件(160)的纵向轴线大致一致，
-提供包括固定框架(600)的重整系统(110)，其中，所述渐缩轮廓件(500)相对于固定不动的所述固定框架(600)是固定的。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括用可聚合化合物浸渍由可重整复合材料制成的所述柔性管状结构件(150)的步骤。
14.根据权利要求13所述的方法，还包括借助于热作用或化学作用或辐射使所述化合物聚合的步骤。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，用于使所述化合物聚合的步骤用至少一个电子束发射枪实现、或者用至少一个紫外线灯实现。
16.根据权利要求14所述的方法，其中，用于使所述化合物聚合的步骤用至少一个电子加热器或红外线加热器实现。
17.根据权利要求14所述的方法，其中，用于使所述化合物聚合的步骤用至少一个微波辐射发生器实现。
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