EA008642B1 - Инжектор трубчатого элемента и способ его использования - Google Patents

Abstract

Изобретение в основном относится к устройству (44) и способам для перемещения трубчатых элементов в и из ствола скважины и, в частности, к инжектору с двумя или более захватными элементами, которые зажимают наружную поверхность трубчатого элемента, двумя или более рабочими органами, которые заставляют захватные элементы зажимать или отпускать трубчатый элемент, и по меньшей мере одним поршневым компрессором (30) для сдвигания захватного элемента (312, 314), для перемещения трубчатого элемента или для изменения положения захватного элемента. Также предусмотрен способ поступательного перемещения трубчатого элемента, который включает этапы зажима наружной поверхности трубчатого элемента по меньшей мере одним захватным элементом за счет сцепления с рабочим органом и сдвигания захватного элемента поршневым компрессором, чтобы перемещать трубчатый элемент.

Description

Уровень техники

Настоящее изобретение относится в основном к способу и устройству для перемещения трубчатого элемента в и из буровой скважины. Более конкретно, настоящее изобретение представляет собой инжектор гибкого трубопровода и способ его использования.

В нефтегазовой индустрии является обычным явлением использование гибкого трубопровода для бурения скважины или эксплуатации скважин, таких как буровые шахты, использующие оборудованную барабаном скважину, каротаж скважин с большим углом отклонения, позиционирующие приборы, инструменты, электродвигатель и подобное, и использующие обрабатывающие текучие среды. Гибкий трубопровод используется как непрерывный кабель и поэтому он более легкий и быстрый, чем традиционная труба во многих применениях, в частности, в горизонтальных или многосторонних скважинах. Большинство установленных в буровых скважинах гибких труб являются стальными и вводятся в скважину гидравлически приводимой головкой инжектора, которая имеет две противолежащие области поверхностей качения, которые эффективно толкают гибкую трубу в скважину сверху устья скважины, используя трение для гарантированного контроля и продвижения гибкой трубы в буровую скважину и, таким образом, создания компрессионных усилий на гибкой трубе. Гибкий трубопровод имеет небольшой диаметр, как правило, приблизительно 1,5-9 см, гибкий трубопровод является достаточно гибким, чтобы быть намотанным на барабан для формирования барабана с намотанной трубой. Гибкий трубопровод является, таким образом, относительно удобным для хранения и транспортирования и может быть снабжен длинными секциями (как правило, 6500 м) так, что гибкий трубопровод может быть использован относительно быстро.

Как правило, гибкий трубопровод перевозится, хранится и используется на том же самом барабане. Эти барабаны развертываются с автомобильного тягача или трейлера для наземных скважин и с кораблей или платформ для морских скважин.

При наматывании или разматывании гибкого трубопровода на барабан он подвергается изгибающим силам, которые могут вызвать усталость гибкой трубы, и эта усталость является главным фактором при определении периода нормальной эксплуатации колонны гибкого трубопровода. Барабан обычно зависит от гидравлической мощности для функционирования систем привода барабана, тормоза и направления намотки. Большинство барабанов может приводиться в действие в направлении «в скважину» и «из скважины». Привод барабана и соединенный с ним двигатель обеспечивают противонатяжение барабана, которое является натяжением в гибком трубопроводе между барабаном и инжектором, которое используется для наматывания и разматывания гибкой трубы с барабана, предотвращения провисания гибкой трубы между барабаном и инжектором при движении гибкого трубопровода в или из ствола скважины и поддержания намотки, закрепленной на барабане. При перемещении гибкого трубопровода из скважины барабан создает усилие, когда гибкая труба изгибается и затем закрепляется на барабане. Это усилие обеспечивает энергию упругой и пластической деформации гибкой трубе при ее изгибе. Напротив, когда гибкая труба перемещается в скважину, энергия упругости, приложенная вместе с усилием, для поддержания намотки гибкой трубы плотно закрепленной должна быть рассеянной. Эта энергия обычно рассеивается как тепло в гидравлической системе или может быть рассеяна в отдельной тормозной системе.

Традиционное производственное оборудование гибкого трубопровода обычно включает гибкий трубопровод, намотанный на барабан, для подачи на и с барабана в процессе функционирования, инжектор для направления его в и из скважины, закругленное колено, прикрепленное к инжектору для направления гибкого трубопровода между инжектором и барабаном, кабину управления с необходимыми средствами управления и измерительными устройствами и источник питания. Может быть также включено дополнительное или вспомогательное оборудование. Оборудование гибкого трубопровода, такое как раскрыто в патенте США № 6273188 (МеСайейу с! а1.), включенное в настоящее описание посредством ссылки, широко известно в промышленности. Источник питания обычно содержит дизельный двигатель, который используется для приведения в действие одного или нескольких гидронасосов. Двигатель, насос(ы) или другие функции установки управляются из кабины управления. Между головкой инжектора и барабаном постоянно находится направляющая гибкой трубы или закругленное колено. Гибкая труба проходит от барабана к инжектору. Инжектор перемещает гибкую трубу в и из ствола скважины. Между инжектором и барабаном находится направляющая гибкой трубы или закругленное колено. Закругленное колено, как правило, закреплено или прикреплено к инжектору и направляет и поддерживает гибкий трубопровод от барабана к инжектору. Обычно направляющая гибкой трубы закреплена на инжекторе в точке, где входит гибкая труба, и служит для управления вводом гибкой трубы в инжектор. Когда гибкая труба наматывается или разматывается с барабана, точка контакта с намотанной на барабане гибкой трубой перемещается от одной стороны барабана к другой (поперечно), а закругленное колено управляет радиусом изгиба гибкой трубы при изменении ее направления. Закругленное колено, как правило, имеет раструбный конец, который обеспечивает это поперечное движение. Закругленные колена широко известны в области техники, включая те, что раскрыты в патентной заявке США № 2004/0020639 (8айс1а, с! а1.), приведенной здесь в качестве ссылки.

Традиционные головки инжекторов включают устройство цепного привода, которое функциониру

- 1 008642 ет как конвейер трубы. Предусмотрены две петли цепной передачи, при этом цепные передачи обычно несут полукруглые желобообразные блоки, которые захватывают стенки трубы. Цепные передачи установлены на звездочках, приводимых гидравлическим двигателем(ми), использующими жидкость, подаваемую из силовой установки. Такие узлы гибкого трубопровода находятся в применении много лет, однако, заявитель установил несколько проблем, связанных с существующими устройствами. Усилия, которые должны прикладываться к гибкой трубе головкой инжектора, являются обычно значительными и требуют, чтобы гибкая труба плотно зажималась между блоками, несомыми приводными цепными передачами. Эти большие усилия могут также иметь следствием остаточную радиальную деформацию гибкой трубы, явление, известное в промышленности как «смятие трубы клиньями». Когда смятие трубы клиньями происходит в инжекторе, то секции гибкой трубы могут коробиться до тех пор, пока не прекратится передача аксиальной нагрузки инжектору, что, в свою очередь, может увеличивать нагрузки гибкой трубы в других частях зоны захвата, потенциально ведущие к полной потере зажима. Смятие трубы клиньями также приводит гибкую трубу в состояние, опасное для использования, и к необходимости замены при больших затратах.

Кроме того, устройство функционирует в трудных условиях, и головка инжектора непрерывно подвергается воздействию различных жидкостей, несущих различные частицы, которые могут изнашивать части устройства так, что требуется частый профилактический ремонт. Также, основная проблема с традиционными инжекторами состоит в том, что множество видов поломок инжекторов служит причиной того, что гибкая труба падает свободно в скважину или, наоборот, выбрасывается силами давления. Такие виды поломок включают поломку двигателя, поломку цепной передачи, кавитацию, потерю масла для гидравлических систем, разрушение шахтного ствола, потерю захвата и т.д. В конечном счете, эти способы и устройства являются очень дорогими и не заслуживающими доверия из-за использования усложненного оборудования и аппаратных средств.

По существу, существует необходимость в способах и устройстве для перемещения или ввода гибкого трубопровода в и из ствола скважины за счет использования простых устройств, которые лучше поддерживают целостность гибкой трубы, минимизируют потери управления гибким трубопроводом и требуют меньших эксплуатационных расходов, эта необходимость удовлетворяется, по меньшей мере, частично следующим изобретением.

Сущность изобретения

Настоящее изобретение в основном относится к устройству и способам для перемещения трубчатого элемента в и из буровой скважины и, в частности, к инжектору трубчатого элемента и способам его использования. Инжекторы трубчатых элементов в основном содержат два или более захватных элемента, которые зажимают по длине окружности наружную поверхность трубчатого элемента, два или более рабочих органа, которые заставляют захватные элементы зажимать или освобождать трубчатый элемент, и по меньшей мере один поршневой компрессор для сдвигания захватного элемента, чтобы перемещать трубчатый элемент, или для изменения положения захватного элемента.

В одном варианте осуществления инжектор трубчатого элемента содержит три захватных элемента, каждый схватывающий наружную поверхность трубчатого элемента, рабочие органы для включения или выключения каждого захватного элемента и поршневой компрессор для сдвигания захватного элемента, чтобы перемещать трубчатый элемент, или изменения положения захватного элемента. Захватные элементы являются захватными элементами клинового типа с канавками для усиления зажима, а рабочие органы зацепляются и заставляют захватные элементы зажимать наружную окружность трубчатого элемента. Поршневой компрессор является гидравлически приводным.

В другом варианте осуществления изобретения предусмотрен инжектор трубчатого элемента, который содержит по меньшей мере один поршневой компрессор для сдвигания захватного элемента, чтобы перемещать трубчатый элемент, или изменения положения захватного элемента, при этом поршневой компрессор содержит корпус, гидравлический поршень, гидроцилиндр, заключающий в себе гидравлический поршень, камеру и канал для подачи гидравлического давления к гидроцилиндру, соединенный с гидравлическим двигателем. Инжектор также включает захватные элементы клинового типа, причем каждый элемент зажимает наружную поверхность трубчатого элемента, и чашевидные рабочие органы для включения или выключения захватных элементов, которые находятся в контакте и приводятся гидравлическим поршнем.

Также предусмотрен способ поступательного перемещения трубчатого элемента, который включает этапы зажима наружной поверхности трубчатого элемента по меньшей мере одним захватным элементом за счет зацепления с рабочим органом и сдвигания захватного элемента поршневым компрессором для перемещения трубчатого элемента.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 показывает производственное оборудование гибкого трубопровода настоящего изобретения.

Фиг. 2 представляет узел гибкого трубопровода, имеющий барабан с гидравлическим приводом, закругленное колено трубопровода и инжектор.

Фиг. 3 иллюстрирует сечение инжектора трубчатого элемента согласно изобретению.

Фиг. 4 - перспективный вид сечения захватного элемента клинового типа, используемого в инжек

- 2 008642 торе трубчатого элемента согласно изобретению.

Фиг. 5 - вид поперечного сечения другого варианта захватного элемента, используемого в изобретении.

Фиг. 6 - вид поперечного сечения захватного элемента, используемого в изобретении.

Фиг. 7 - вид поперечного сечения захватного элемента клинового типа, используемого в изобретении.

Фиг. 8 - вид сверху поперечного сечения, показывающий поворотные захватные элементы, содержащие множество секций.

Фиг. 9 - вид сверху поперечного сечения, показывающий гидростатический захватный элемент.

Подробное описание вариантов осуществления

Описание и чертежи представлены исключительно для цели иллюстрации вариантов осуществления изобретения и не должны быть истолкованы как ограничение объема и применимости изобретения. Несмотря на то, что здесь описаны варианты осуществления настоящего изобретения, как содержащие некоторые признаки и/или элементы, должно быть ясно, что возможны варианты осуществления, при желании содержащие дополнительные признаки и/или элементы. Кроме того, варианты осуществления могут также содержать признаки и/или элементы иные, чем цитируемые. В описании изобретения каждое численное значение следует иногда читать как измененное, посредством термина «приблизительно» (за исключением уже специально так измененных), и затем опять читать без такого изменения, за исключением иным образом обозначенных в контексте.

Варианты осуществления изобретения в основном относятся к способам и устройству для перемещения трубчатых элементов в и из буровой скважины и, особенно, к инжектору трубчатого элемента и способам его использования. Согласно изобретению предусмотрено устройство для подачи трубчатого элемента, содержащее два или более захватных элемента, каждый из которых зажимает наружную поверхность трубчатого элемента, два или более рабочих органов, которые заставляют захватные элементы зажимать или освобождать трубчатый элемент, и по меньшей мере один поршневой компрессор для сдвигания захватного элемента, чтобы перемещать трубчатый элемент, или для изменения положения захватного элемента. Под «зажимом по окружности» или «зажимом» наружной поверхности трубчатого элемента в основном понимается то, что захватный элемент окружает трубчатый элемент и зажимает посредством значительного, прочного и даже прилегающего контакта с трубчатым элементом.

Трубчатый элемент может быть гибким трубопроводом, другой сравнительно тонкостенной трубой, используемой в нефтегазовой индустрии, соединенными трубчатыми элементами и подобным. Как правило, гибкий трубопровод используется для бурения скважины или в работе буровых скважин, таких как буровые шахты, использующие оснащенные барабаном скважины, каротирующие крутонаклоненные стволы скважин, позиционирующие приборы, инструменты, электродвигатели и подобное, и использующие обрабатывающие жидкости. Трубчатый элемент обычно является стальной гибкой трубой, однако, может быть выполнен из любого пригодного материала, такого как алюминий, медь, пластик, резина и подобное.

Использование захватных элементов, которые зажимают или зажимают по окружности наружную поверхность, или по окружности трубчатого элемента, помогает минимизировать пластическую деформацию зажатого захватными элементами трубчатого элемента, которая часто происходит в традиционных инжекторах трубчатого элемента, имеющих противолежащие пары зажимных блоков. Кроме того, использование захватных элементов, которые зажимают трубчатый элемент, обеспечивает более тугое усилие захватывания. Способность зажима трубчатого элемента с большей силой помогает преодолеть низкие режимы трения, обычно встречающиеся при использовании трубчатых элементов в буровых скважинах. Также использование захватных элементов согласно изобретению минимизирует потерю контролирования трубчатого элемента.

Фиг. 1 показывает типичное производственное оборудование гибкого трубопровода по изобретению. На фиг. 1 оборудование 10 гибкого трубопровода содержит автомобильный тягач 11 и/или трейлер 14, который поддерживает источник питания 12 и барабан 13 гибкого трубопровода. Несмотря на то, что показано наземное оборудование, способ и устройство согласно изобретению одинаково хорошо подходят для использования при бурении нефти и газа, а также другого оборудования как наземного, так и находящегося на расстоянии от берега. Такие автомобильные тягачи или трейлеры для оборудования гибкого трубопровода известны. Один такой трейлер описан в патенте США № 6237188 (МеСаГсПу с1 а1.), включенном в данное описание посредством ссылки. Узел 15 головки инжектора подает и направляет гибкий трубопровод 16 из барабана в подземный пласт. Фиг. 1 показывает горизонтальную конфигурацию ствола скважины, которая поддерживает траекторию 18 гибкого трубопровода в горизонтальном стволе скважины 19. Данное изобретение не ограничивается горизонтальной конфигурацией ствола скважины. Скважинный прибор 20 соединен с гибким трубопроводом, например, чтобы проводить поток или измерения или, возможно, чтобы обеспечить отклонение жидкостей.

Фиг. 2 представляет узел гибкого трубопровода, имеющий управляемый барабан, закругленное колено гибкого трубопровода и инжектор. Усилия и напряжения, прикладываемые к гибкому трубопроводу при его использовании в узле 44 гибкого трубопровода, видны из фиг. 2. Гибкий трубопровод подверга

- 3 008642 ется многочисленным изгибающим явлениям каждый раз, когда он направляется в и из ствола скважины. Гибкий трубопровод является пластично деформированным на барабане. Гибкий трубопровод 46 выпрямляется, когда он выходит из барабана 45. Трубопровод 46 направляется из барабана посредством укладчика 50. Укладчики известны специалистам в данной области техники. Один из таких укладчиков описан в патентной заявке США № 09/409113, озаглавленной «Устройство и способ для колтюбинговых систем», включенной здесь полностью в качестве ссылки. На укладчике 50 показан тормоз 51. Трубопровод 46 изгибается, когда он проходит через закругленное колено 47, и распрямляется, когда проходит в узел головки инжектора 48 для ввода в ствол скважины. Разумеется, каждое изгибающее явление повторяется в обратном порядке, когда трубопровод позднее выводится из ствола скважины.

Согласно изобретению может быть использован захватный элемент любой конструкции, который является эффективным для зажима наружной поверхности трубчатого элемента. Примеры подходящих конструкций включают, но не обязательно ограничивают, кольцевой пакет или металлические диафрагмы, резиновые элементы, сжатые аксиально или радиально за счет использования механической или гидравлической энергии, захватные элементы клинового типа, перемещающиеся радиально или по спиральной траектории, захватные элементы цангового типа и подобные. Другие примеры подходящих конструкций, которые функционируют на том принципе, что нагрузка увеличивает захват, включают, но необязательно ограничиваются ими, обтягивающие струны или ремни, захват переплетения «рогожка» (аксиальный натяжной захват), магнитострикционный механизм, пьезоэлектрический механизм, механизм сплава с памятью формы и подобное. Предпочтительными являются захваты клинового типа.

Фиг. 3 иллюстрирует в сечении первый вариант осуществления инжектора 300 трубчатого элемента согласно изобретению. Поршневой компрессор включает корпус 302, который соединен с гидравлическим манифольдом 304 и камерой 306 для подачи гидравлического давления в гидроцилиндр 308. Гидравлическое давление приводит в действие гидравлический поршень 310, который служит для передачи трубчатого элемента параллельно с центральной линией 316. Инжектор 300 также содержит захватные элементы клинового типа 312 и 314 для зажима наружной поверхности трубчатого элемента, расположенного на центральной линии 316, и чашеобразные рабочие органы 318 и 320 для включения или выключения захватных элементов 312 и 314. Рабочие органы 318 и захватные элементы клинового типа 312 находятся в контакте с и приводятся гидравлическим поршнем 310. Захватные элементы 312 и 314 имеют канавки 322 (обозначена только одна), расположенные вокруг захватной поверхности трубчатого элемента для усиления зажима трубчатого элемента по окружности, что является особенно полезным, когда трубчатый элемент имеет покрытие из материала, такого как нефть, жир, крупнозернистый кремнистый песчаник или подобное. Дополнительно может быть использован датчик положения 324 для индикации положения поршня 310.

При использовании в инжекторах согласно изобретению захватных элементов клинового типа, они являются эффективными для уменьшения нагрузки смятия трубы клиньями, по сравнению с простым клиновым захватом. Элементы клинового типа, предпочтительно, содержат чашу и подвижный клиновой блок, любой из которых может быть зафиксированным или подвижным. На фиг. 4 показан перспективный вид сечения одного варианта осуществления захватного элемента клинового типа согласно изобретению, где захватный элемент клинового типа 400 содержит зафиксированную чашу 402, скрепленную с корпусом 404 инжектора, и подвижный клиновой блок 406, содержащий множество клиновых секций, как иллюстрируется секциями 408, 410, 412. Подвижный клиновой блок 406 ориентируется таким образом, чтобы движение трубчатого элемента 414 в аксиальном направлении скважины к центральной линии 416 усиливало захватную силу захватного элемента 400. Направленные вниз аксиальные силы действуют на клиновые секции 408, 410, 412, сдвигая подвижный клиновой блок 406 в чашу 402, создавая большое радиальное усилие, которое зависит от угла чаши 402. Если чаша 402 и подвижный клиновой блок 406 сцепляются, направленное вниз аксиальное усилие на трубчатом элементе 414 прямо пропорционально преобразуется в захватное усилие. Для любой поверхности трубчатого элемента может быть выбран коэффициент трения, соответствующий углу чаши, который оптимально скрепляет трубчатый элемент.

На фиг. 5 показано сечение захватного элемента 500 клинового типа согласно изобретению, который содержит зафиксированную чашу 502, скрепленную с корпусом 504 инжектора, и подвижный клиновой блок 506. Зафиксированная чаша 502 и подвижный клиновой блок 506 ориентируются таким образом, чтобы движение трубчатого элемента 508 в направлении вверх из ствола скважины, аксиального центральной линии 510 (спускаемого под давлением трубчатого элемента), усиливало захватную силу. Так же, как иллюстрируется на фиг. 6, изображение сечения другого типа захватного элемента 600, зафиксированный клин 602 и подвижная чаша 604 могут быть ориентированы так, чтобы нагружающее трубчатый элемент усилие не вредило захватному усилию. Согласно фиг. 6 в захватном элементе 600 зафиксированный клин 602 может быть скреплен с корпусом 606 инжектора таким образом, что зафиксированный клин 602 фиксируется от движения в любом аксиальном направлении, параллельном центральной линии 608, однако, может двигаться в радиальном направлении в плоскости, перпендикулярной центральной линии 608. Далее, как показано на фиг. 7, изображение еще одного, другого захватного элемента клинового типа 700, подвижная чаша 702 и зафиксированные клинья 704 могут быть ориентирова

- 4 008642 ны таким образом, чтобы движение трубчатого элемента 706 в аксиальном направлении вниз к центральной линии 708 не влияло на захватное усилие захватного элемента 700, но спускаясь, уплотняло захват, когда трубчатый элемент движется вверх. Кроме того, чаша и клин могут быть ориентированы так, чтобы трубчатый элемент не влиял на захватное усилие, но толкая, уплотнял захват.

Захватные элементы клинового типа, используемые в инжекторах согласно изобретению, могут быть объединены последовательно или параллельно. Захватные элементы могут быть также объединены таким образом, последовательно или параллельно, что имеются одно или более устройств, прилагающих захватное усилие и/или аксиальное усилие. Также усилия могут быть переданы через различные захватные элементы для контролирования, как усилия распространяются между множеством захватных элементов.

Гидравлически установленные и отделяемые с помощью пружины или установленные с помощью пружины и гидравлически отделяемые рабочие органы являются эффективными для включения или выключения захватных элементов. Захватные элементы клинового типа могут быть разработаны так, чтобы захват не мог быть отделен до тех пор, пока переносится нагрузка гибкой трубы. Также в качестве меры безопасности клиновой захватный элемент может быть разработан посредством регулирования угла конусности так, что он будет скорее сминать трубчатый элемент клиньями, чем освобождать, и наряду с этим в данном случае может быть использован любой подходящий угол, предпочтительным является угол конусности приблизительно 10°.

В варианте осуществления инжектор использует два захватных элемента, оба из которых могут приспособить колебание диаметра гибкой трубы ±2 мм. Захватные элементы зажимают трубчатый элемент рабочим органом и кольцевым поршнем, способным прикладывать усилие свыше 17,7 кг. Верхний захватный элемент выполнен так, что трубчатый элемент, толкая, уплотнял свой захват, а угол конусности является таким, что он не может скользить на масляных трубчатых элементах. Дополнительное захватное усилие обеспечивается гидравликой, позволяющей манипулировать покрытыми парафином трубчатыми элементами. Нижний захватный элемент выполнен так, что захватное усилие не изменяется с протягиванием трубчатого элемента, однако, захватное усилие включает и гидравлическую силу, и аксиальную толкающую силу, испытываемую верхним захватным элементом. Эта комбинация уменьшает сминающие нагрузки в трубчатом элементе и позволяет трубчатому элементу быть проталкиваемым труднее при данном коэффициенте трения.

Инжекторы изобретения могут также использовать захватные элементы, содержащие множество секторов, которые могут быть расположены так, чтобы нести сходные нагрузки, кроме того, приспособить различные трубчатые формы или контактные положения. Это может быть осуществлено использованием механизма качания или гидростатического механизма, включающего жидкое или твердое гидростатическое средство, такое как резина, полимеры и подобное. На фиг. 8 показан вид сверху сечения, иллюстрирующий захватные элементы, содержащие множество качающихся секций согласно одному варианту осуществления изобретения, где захватный элемент 800 содержит клиновые секции 802, которые окружают наружную поверхность 804, посаженную в цилиндрической канавке корпуса 806. Канавки образованы под углом к центральной оси 808, на которой расположен трубчатый элемент 810. Захватное усилие прикладывается к или снимается с трубчатого элемента 810, когда он движется вдоль оси 808, заставляя клиновые секции 802 перемещаться вдоль оси 808 и в перпендикулярной ей плоскости. Клиновые секции 802 могут также быть свободными для поворота с канавкой к равным контактным усилиям, приложенным к контактным поверхностям 812 (обозначена только одна).

На фиг. 9 показан вариант осуществления захватного элемента 900, использующий гидростатический механизм. Трубчатый элемент 902 создает захватный контакт с множеством захватных поверхностей 904. Захватные поверхности 904 приводятся в движение против трубчатого элемента 902 действием гидростатического материала 908, который удерживается корпусом 906. Захватный элемент 900 может перемещаться к трубчатому элементу 902, например, с помощью чаши и системы клиньев. Может быть использован любой подходящий гидростатический материал 908, включая, в качестве неограничивающего примера, жидкости, а также твердое гидростатическое средство, такое как резина, полимеры и подобное.

Захватные элементы настоящего изобретения далее содержат признак индикации износа, такой как, в виде неограничивающего примера, канавка, выемка или выбитый знак. Такой признак, при внедрении в зажимную поверхность захватного элемента, может быть использован для указания о его износе до его предельного срока службы, если признак находится заподлицо с захватной поверхностью, или признак удален.

Для дополнительного усиления захватывающей эффективности любого захватного элемента может быть использовано применение различных механизмов или технологий. Подходящие примеры включают следующее: электрические или магнитные реологические жидкости, рециркулирующие жидкости для удаления любых материалов с низкими показателями из трубчатого элемента, и резиновый чехол для удаления нефти или парафина, или захваты могут даже иметь магнитные или электромагнитные свойства. Захватная зажимная поверхность может также включать один или более из следующих признаков: желобчатые грани, круговые, аксиальные и/или спиральные; канавки с плоскими вершинами, с контро

- 5 008642 лируемыми радиусами, переходящие от плоских, при контакте трубчатого элемента, к радиальным, при этом нижняя часть канавок, которая не контактирует с трубчатым элементом, может быть любого подходящего профиля; канавки, при которых контакт с трубчатым элементом осуществляется посредством управляемого радиуса в верхней части каждой канавки; галечная поверхность, такая что контакт с трубчатым элементом осуществляется посредством множества сферических участков, которая представляет собой отлитую поверхность или поверхность, изготовленную соединением сфер или полусфер с поверхностью; пластиковый или эластомерный материал, содержащий элемент или элементы, вовлекаемые в металлический корпус так, что они не будут чрезмерно выдавливаться, когда они прижимаются к трубчатому элементу; высоко фрикционные композитные захватные поверхности, содержащиеся в высоко фрикционных материалах, таких как РЕЕК, уретан, материал тормозного башмака; большое количество радиально ориентированных частей листового материала, с узкими поверхностями, контактирующими с трубой трубчатого элемента, которые соединены посредством резины или пружин или текстурированного покрытия.

Для специальных и/или аварийных применений захватные элементы, которые имеют профили, такие как острые кромки, шипы или зубья, расположены так, чтобы выступать в трубчатый элемент на расстояние, адекватное для того, чтобы закрепление трубчатого элемента могло быть использовано в инжекторах изобретения. Глубина выступа может быть управляема посредством любого из захватных механизмов, раскрытых здесь.

Варианты осуществления изобретения также включают по меньшей мере один поршневой компрессор для сдвигания захватного элемента, чтобы перемещать трубчатый элемент в или из буровой скважины, или для изменения положения захватного элемента. Любая подходящая технология или известный из уровня техники механизм могут быть использованы в качестве поршневого компрессора, включающие, например, но не ограниченные ими, гидроцилиндры; магнитострикционные механизмы; пьезоэлектрические механизмы; механизмы сплава с памятью формы; цилиндры коэффициента Пуансона (металлический стержень с маслом для гидравлических систем вокруг него, удлиняющийся при приложении давления); кольцевые цилиндры/диафрагмы; и кольцевые поршни. При использовании кольцевых поршней с рабочей жидкостью, воздействующей на трубчатый элемент, происходит перепад давления захватной системы, поршни несут трубчатый элемент через цилиндр, и механизм повторно устанавливается. В предпочтительном варианте осуществления поршневой компрессор использует гидроцилиндр для перемещения захватного элемента с рабочей жидкостью, изолированной от трубчатого элемента.

В другом варианте осуществления инжектора трубчатого элемента согласно изобретению инжектор является «гусеницей», подобно устройству в процессе эксплуатации. Инжектор содержит два или более клиновых захватных элемента, которые способны зажимать наружную поверхность трубчатого элемента, рабочие органы для включения или выключения захватных элементов, которые гидравлически приводятся чашами, которые сцепляются или расцепляются с клиновыми захватными элементами, и по меньшей мере один кольцевой гидроцилиндр, приводимый поршневой компрессор для перемещения захватного элемента. Каждый захватный элемент и рабочий орган образуют ходовой узел и могут включать или не включать поршневой компрессор. Ходовые узлы могут быть или в ряд (один соединенный со следующим), или все ходовые узлы могут быть отнесены к корпусу инжектора. Посредством не ограничивающего примера для перемещения трубчатого элемента первый захватный элемент освобождается от трубчатого элемента расцеплением от соответствующего первого чашевидного рабочего органа, и элемент движется относительно трубчатого элемента и затем зажимает трубчатый элемент при сцеплении с чашевидным рабочим органом. Затем второй захватный элемент, расположенный выше или ниже первого захватного элемента, в зависимости от направления перемещения, освобождается от трубчатого элемента расцеплением от соответствующего второго чашевидного рабочего органа, а первый связанный захватный элемент перемещает трубу. В то время как первый захватный элемент перемещает трубчатый элемент, второй освобожденный захватный элемент перемещается в противоположном направлении относительно направления трубчатого элемента. Второй захватный элемент затем зажимает трубчатый элемент на конце хода перемещения первого захватного элемента, и процесс повторяется. Каждый раз, когда эта открытая длина захвата пересекает длину инжектора, труба перемещается на одну длину ходового узла. Скорость трубы относительно скорости этой волны является непосредственно относящейся к количеству открытых волн. Наиболее быстрое движение только у одного захвата, захватывающего любой единственный раз, и, соответственно, наиболее медленное движение - только у одного захвата, отключенного одновременно. Максимальная действующая зажимная сила будет относиться к нескольким захватным элементам, зажимающим трубу одновременно.

В одном варианте осуществления инжектора, основанном на гусеничной конструкции, три идентичных ходовых узла расположены один за другим, каждый с приблизительно 30 см хода кольцевого гидроцилиндра, перемещающего клиновой захватный элемент. Каждый гидроцилиндр использует аккумулятор для обеспечения свыше 11,5 кг усилия спуска на ходовой узел и использует 34,5 МПа гидравлики для обеспечения свыше 23 кг тяги на секцию. Когда все три ходовых узла движутся вместе и затем, изменяя направление, движутся назад в исходное положение, инжектор может тянуть 69 кг в прерывистом движении. Когда два ходовых узла тянут вместе, в то время как третий узел изменяет положение,

- 6 008642 чтобы тянуть снова, он будет выдавать 23 кг при половине его максимальной скорости, но с непрерывным движением. Наконец, при одной секции тянущей и другими двумя переустанавливающимися он будет нагнетать 23 кг тяги при полной скорости. Операция спуска похожа, но с производительностью 34,5, 23 и 11,5 кг. Инжектор может быть легко увеличен или уменьшен за счет использования двух, четырех или более ходовых узлов. Единственным ограничением в достигаемой тяге (другим, чем труба) является то, что корпус нижней части двух ходовых узлов должен быть способным переносить полную нагрузку. Секции, более высоко расположенные в инжекторе, обычно требуют прогрессивно возрастающую производительность.

Захватные элементы согласно изобретению могут быть сдвинуты за счет использования гидроцилиндра. Это может быть осуществлено использованием гидроцилиндров с четырехплечим/трехходовым клапаном управления, где обе стороны цилиндра приводятся непосредственно. Также, гидроцилиндры с четырехплечим/трехходовым клапаном управления могут быть использованы с аккумулятором на одной стороне для обеспечения возвратного хода. Эта последняя конструкция обеспечивает лучшую объемную и энергетическую эффективность, но может иметь следствием большую сложность управления усилием в одном направлении. Прежняя конструкция обеспечивает двунаправленный энергетический поток, используя инжектор в качестве насоса, при затратах из-за сложности. Двунаправленный энергетический поток является безаварийным, и в случае кавитации трубчатый элемент может только спускать один ходовой узел, по сравнению с традиционным инжектором, в котором трубчатый элемент может падать свободно. Далее расположение клапанов, позволяющее регенеративное действие, которое может быть выключено, предлагает дальнейшее улучшение для высокоскоростной операции.

В качестве не ограничивающего примера гидродинамики для гидроцилиндров, используемых согласно изобретению, если инжектор потребляет 2 л на 30 см длины хода при 34,5 МПа, инжектор двойного действия (с отношением 2:1 между усилием тяги и усилием спуска) будет потреблять 3 л на 30 см при том же давлении. Сверх 1 л масла используется для переустановки поршня инжектора. Инжектор одноразового действия (с аккумулятором на стороне спуска) будет потреблять 2 л на 30 см длины хода, а также при 34,5 МПа. Если необходимо, чтобы он мог опускать при полном усилии, то необходимо, чтобы давление было 34,5 МПа. Однако если усилие спуска слишком низкое, давление привода может снижаться до 23 МПа. Инжектор двойного действия с одним источником питания не лучше, чем 66% производительности. Инжектор одноразового действия - между 66 и 100% производительности, уменьшаясь с усилием спуска. Для усилия в 69 кг разработанного инжектора гидравлическая система должна быть способна поддерживать (но не перемещаться в процессе) давление на 50% выше, чем при обычных операциях, или аккумулятор давления спуска должен быть таким, чтобы равнодействующая сила, имеющаяся от каждого захвата при номинальном усилии, составляла 34,5 кг.

В варианте осуществления изобретения системы клапанов инжектора могут быть способны подавать масло для перемещения трубчатых элементов вверх до приблизительно 45 м/мин. Для осуществления этого может быть использовано управление непосредственной обратной связи клапана, или даже приложение напряжений выше, чем максимально допустимая непрерывная нагрузка в течение времени сдвига и затем падающего обратно до номинального напряжения в течение времени выдержки. Управление скоростью инжектора и секций может быть осуществлено либо наличием скорости каждой секции, управляемой непосредственно, либо может быть использован главный гидрораспределитель потока с клапанами-переключателями для каждой секции. Даже в последнем случае, некоторое изменение потока может потребоваться, чтобы получить профили с плавным сопряжением для бесперебойной работы.

В другом варианте осуществления изобретения конструкция захватного элемента имеет наклонные ролики или кольцеобразные пазы. Первый такой элемент зажимает поверхность трубчатого элемента и будет заставлять трубчато-роликовую систему действовать как гибкая труба с резьбой, если набор роликов или пазов поворачивается вокруг центральной линии трубчатого элемента, гибкая труба будет перемещаться в направлении, параллельном центральной линии трубчатого элемента. Угол роликов определяет продольное движение трубчатого элемента за поворот. Конструкция захватного элемента данного типа может справляться с широким диапазоном диаметров.

В еще одном варианте осуществления изобретения конструкция захватного элемента имеет набор длинных роликов, удерживаемых на их концах. Когда концевые опоры вращаются в противоположных направлениях, ролики сводятся вместе, захватывая трубчатый элемент. Когда концевые опоры перемещаются в одинаковом направлении, ролики перемещают трубчатый элемент параллельно центральной линии трубчатого элемента. В данной системе трубчатые элементы большого диаметра перемещаются на более короткое расстояние за поворот, чем трубчатый элемент малого диаметра, который является в основном желательным.

Инжекторы согласно изобретению являются наращиваемыми. Под наращиваемыми понимается, что два, три, четыре или более ходовых узлов, содержащих захватные средства, рабочие органы, поршневые компрессоры, могут быть комбинированы для обеспечения соответствующего количества длин трубчатого элемента скважины. Инжекторы изобретения могут быть также использованы в качестве вспомогательного перемещающего устройства для традиционных инжекторов или для вибрации гибкой трубы, чтобы улучшить предел достигаемости в горизонтальных скважинах, или даже для вибрации,

- 7 008642 чтобы освободить прихваченную гибкую трубу.

Инжекторы изобретения допускают непрерывное управление или перемещение трубчатого элемента при сценариях, при которых один или более ходовых узлов могут повреждаться. Инжектор может функционировать только с двумя ходовыми узлами или даже ступенчато с единственным ходовым узлом и функциональным механизмом для предохранения трубчатого элемента от нагрузки.

В одном варианте осуществления изобретения разработанный инжектор допускает 69 кг нагрузки тяги на 30 см длины хода при низкой ускоряющей передаче, 46 кг нагрузки тяги при средней ускоряющей передаче и 23 кг нагрузки тяги при высокой ускоряющей передаче. Инжектор также имеет 34,5 кг усилия спуска труб под давлением при низкой ускоряющей передаче, 23 кг усилия спуска труб под давлением при средней ускоряющей передаче, 11,5 кг усилия спуска труб под давлением при высокой ускоряющей передаче.

Раскрытые выше конкретные варианты осуществления являются только иллюстративными, поскольку изобретение может быть изменено и осуществлено на практике иными, но эквивалентными способами, очевидными для специалиста в данной области. Кроме того, никакие ограничения не подразумеваются в показанных здесь особенностях конструкции и исполнения, иные, чем те, что описаны в приведенной ниже формуле изобретения. Таким образом, очевидно, что раскрытые выше конкретные варианты осуществления могут быть переработаны и видоизменены, и все такие изменения должны рассматриваться в пределах объема и идеи изобретения. Соответственно, испрашиваемая здесь защита излагается в формуле изобретения.

Claims (22)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Инжектор трубчатого элемента, содержащий множество захватных элементов, каждый из которых зажимает наружную поверхность трубчатого элемента, множество рабочих органов для включения и выключения захватных элементов и по меньшей мере один поршневой компрессор для сдвигания захватного элемента, для перемещения трубчатого элемента или для изменения положения захватного элемента.
2. 2. Инжектор трубчатого элемента по п.1, содержащий по меньшей мере три захватных элемента.
3. 3. Инжектор трубчатого элемента по п.1, в котором каждый захватный элемент по окружности способен зажимать наружную поверхность трубчатого элемента.
4. 4. Инжектор трубчатого элемента по п.2, содержащий один неподвижный захватный элемент и по меньшей мере два перемещаемых захватных элемента.
5. 5. Инжектор трубчатого элемента по п.1, в котором захватные элементы являются захватными элементами клинового типа, а рабочие органы способны зацепляться с захватными элементами и способствовать зажиму наружной поверхности трубчатого элемента захватными элементами.
6. 6. Инжектор трубчатого элемента по п.1, в котором захватные элементы имеют цанговую форму, и рабочие органы способны зацепляться с захватными элементами и способствовать зажиму наружной поверхности трубчатого элемента захватными элементами.
7. 7. Инжектор трубчатого элемента по п.1, в котором поршневой компрессор является гидравлически приводимым.
8. 8. Инжектор трубчатого элемента по п.1, в котором трубчатый элемент является гибким трубопроводом.
9. 9. Инжектор трубчатого элемента по п.1, в котором захватные элементы дополнительно содержат механизм для усиления зажима трубчатого элемента.
10. 10. Инжектор трубчатого элемента по п.9, в котором захватные элементы дополнительно содержат канавки для усиления зажима трубчатого элемента.
11. 11. Инжектор трубчатого элемента по п.9, в котором захватные элементы дополнительно содержат галечную поверхность для усиления зажима трубчатого элемента.
12. 12. Инжектор трубчатого элемента по п.9, в котором захватные элементы дополнительно содержат пластиковый или эластомерный материал для усиления зажима трубчатого элемента.
13. 13. Инжектор трубчатого элемента по п.9, в котором захватные элементы дополнительно содержат материал с большим коэффициентом трения для усиления зажима трубчатого элемента.
14. 14. Инжектор трубчатого элемента по п.1, в котором захватные элементы дополнительно содержат элемент индикации износа.
15. 15. Инжектор трубчатого элемента, содержащий по меньшей мере один поршневой компрессор для сдвигания захватного элемента, для перемещения трубчатого элемента или для изменения положения захватного элемента, содержащий цилиндрический корпус, гидравлический поршень, расположенный в гидроцилиндре, и камеру и канал для подачи давления в гидроцилиндр, множество захватных элементов клинового типа, каждый из которых способен зажимать наружную поверхность трубчатого элемента, и множество чашеобразных рабочих органов, предназначенных для приведения захватных элементов в контакт или выведения из контакта и приводимых гидравлическим поршнем.
16. 16. Инжектор трубчатого элемента по п.15, в котором захватные элементы дополнительно содержат

    - 8 008642 канавки для усиления зажима трубчатого элемента.
17. 17. Инжектор трубчатого элемента по п.15, в котором захватные элементы дополнительно содержат элемент индикации износа.
18. 18. Инжектор трубчатого элемента по п.15, в котором каждый захватный элемент по окружности способен зажимать наружную поверхность трубчатого элемента.
19. 19. Способ поступательного перемещения трубчатого элемента, содержащий этапы зажима наружной поверхности трубчатого элемента по меньшей мере одним из захватных элементов посредством зацепления с рабочим органом и сдвигания захватного элемента поршневым компрессором для перемещения трубчатого элемента.
20. 20. Способ по п.19, в котором труба является гибким трубопроводом.
21. 21. Способ по п.19, используемый в работе нефтяных скважин.
22. 22. Способ по п.19, используемый в работе газовых скважин.