NO328265B1 - Spolbart komposittror - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse angår generelt spolbare rør egnet for bruk i olje-industrien, og mer spesielt, spolbare rør bestående et komposittmateriale med evnen til å motstå høye spenninger.

Spolbare rør, dvs. rør som er i stand til å spoles på snelle, er vanlig brukt i mange oljebrønnoperasjoner. Typiske oljebrønnoperasjoner omfatter kjøring av wirekabel ned i brønnhullet med brønnverktøy, overhaling av brønnene ved levering av forskjellige kjemikalier ned i brønnhullet, og å utføre operasjoner på den indre overflate av borehullet. Rørene som brukes må være spolbare slik at rørene kan brukes i forbindelse med en brønn og deretter transporteres på en snelle til et annet brønnsted. Spolete rør av stål er typisk i stand til å bli spolet fordi det stål som brukes i produktet har stor mykhet (dvs. evnen til å deformeres plastisk). Dessverre vil gjentatt spoling og bruk av spolerør av stål forårsake utmattelsesskade som plutselig kan forårsake at røret frakturerer og feiler. Far-ene med å operere stålrør, dvs. risiko for personell og høye økonomiske kostnader som et resultat av nedtid nødvendig for å gjenvinne de brutte rørseksjoner, gjør det nødvendig å kassere spolerør av stål etter forholdsvis få tripper i brønnen.

Spolete rør av stål har også vist seg å bli forlenget etter gjentatt bruk. Rørforlen-gelse resulterer i redusert veggtykkelse med tilhørende reduksjon i trykkbestandigheten av stålrøret. Spolete rør av stål som er kjent i teknikken er typisk begrenset til interne trykk opptil omkring 5.000 psi (34.455 x 10<3> Pa). Følgelig vil høyere trykk og kontinuerlig bøying typisk redusere stålrørets integritet og tjenesteliv.

F.eks., den nåværende aksepterte industristandard for spolete rør av stål er en A-606 type 4 modifisert HSLA stål med en flytegrense i området fra 70 psi (482.370 Pa) til 80 psi (551.280 Pa). HSLA-stålrøret gjennomgår typisk bøying under utplassering og til-bakehenting av røret, over radier som er betydelig mindre enn den minimums bøyings-radius som er nødvendig for materialet å forbli i en elastisk tilstand. Den gjentatte bøying av stålrøret inn og ut av plastisk deformasjon induserer ureparerbar skade på stålrør-legemet, som fører til lavsyklus utmattelsesfeil.

I tillegg, når spolerør av stål utsettes for høye interne trykk og bøyebelastninger, blir det isotropiske stål utsatt for høye triaksiale spenninger påtrykt ved tilleggstrykket og bøyebelastninger. De høye triaksiale spenninger resulterer i betydelig plastisk deformasjon av røret og diametral vekst av rørlegemet, ofte kalt "ballongdannelse". Når det spolete stålrør gjennomgår ballongdannelse, blir den gjennomsnittlige veggtykkelse av røret redusert, og ofte forårsake sprekking av stålrøret i området med redusert tykkelse.

Spolete rør av stål gjennomgår også uttynning av rørveggene på grunn av den korroderende effekt av materialer som brukes i prosessen for overhaling av brønnen på grunn av materialer som befinner seg på den indre overflate av brønnhullet. Tynningen som resulterer av korrosjonseffekter av forskjellige materialer forårsaker en reduksjon i trykk- og strekkbelastningsevnen for stålrøret.

Det er derfor ønskelig å frembringe et ikke-stål spolet rør som kan utplasseres og spoles under borehullforhold, som ikke lider under begrensningene av stålrør og som er høyt motstandige mot kjemikalier.

For det meste, er ikke-metalliske rørstrukturer ifølge tidligere teknikk, som er konstruert for å spoles og også for å transportere fluida, laget som en slange, enten de er kalt en slange eller ikke. Et eksempel på en slange er Feucht-strukturen i US Patent 3,856,052 som har en langsgående forsterkning i sideveggene for å tillate en fleksibel slange til å kollapse preferensielt i et plan. Denne strukturen er imidlertid en klassisk slange med vulkanisert polyester cord lag som ikke er i stand til å bære kompresjonsbelastninger eller høye eksterne trykkbeiastninger. Slanger bruker typisk en elastomer så som gummi til å holde fibrene sammen, men bruker ikke en høymodul plastbinder så som epoksy. Slanger er konstruert til å bøyes og bære interne trykk, men er normalt ikke utsatt for eksterne trykk eller høye aksielle kompresjon- eller strekkbelastninger.

Når endene på en slange er utsatt for motsatte krefter, sies slangen å være under strekk. Strekkspenningene ved hvilket som helst spesielt tverrsnitt av slangen er definert som forholdet mellom kraften som utøves på den seksjon med motsatte krefter og tverr-snittsarealet av slangen. Spenningene er kalt strekkspenning, hvilket betyr at hvert om-råde trekker på den andre.

Med videre henvisning til en slange utsatt for motsatte krefter, henviser uttrykket deformasjon til den relative endring i dimensjon eller form av slangen som er utsatt for spenning. F.eks., når en slange utsettes for to motsatte krefter, en slange hvis naturlige lengde er LO vil forlenges til en lengde L1 = LO + Delta L, hvor Delta L er endringen i lengde av slangen forårsaket ved motsatte krefter. Strekkdeformasjonen av slangen er således definert som forholdet mellom Delta L og LO, dvs. forholdet mellom øket lengde og naturlig lengde.

Den spenning som er nødvendig for å produsere en gitt deformasjon, avhenger av typen av materiale under spenning. Forholdet mellom spenning og deformasjon, eller spenning per deformasjonsenhet, er kalt en elastisk modul. Jo større den elastiske modul, jo større spenning er nødvendig for en gitt deformasjon.

For et elastomerisk type materiale, så som blir brukt i slanger, er forlengelsen ved brudd så høy (typisk mer enn 400 %) og spenning/deformasjons-responsen så ikke-lineær, er det vanlig praksis å definere en modul tilsvarende en spesifisert forlengelse. Modulen for et elastomermateriale tilsvarende 200 % forlengelse ligger typisk i området fra 300 psi (2.067 x 10<3> Pa) til 2.000 psi (13.782 x 10<3> Pa). I sammenligning, er elastisitetsmodulen for typisk plast matrisemateriale brukt i et komposittrør fra 100.000 psi (6.891 x 10<6> Pa) til 500.000 psi (34.455 x 10<6> Pa) eller større, med representativ forlengelse før feil fra 2 % til 10 %. Denne store forskjell i modul og deformasjon til feil mellom gummi og plast og således mellom slanger og komposittrør, er det som tillater at en slange lett kan kollapse til en i det vesentlige flat tilstand under relativt lavt eksternt trykk. Denne store forskjellen eliminerer også en slanges evne til å bære høye aksielle strekk-eller kompresjonsbelastninger mens de høyere moduler som er karakteristisk for et plast-matrisemateriale brukt i et komposittrør er tilstrekkelig stivt til å overføre belastninger inn i fibrene, og således motstå høye eksterne trykk og aksielle strekk og kompresjon uten sammenbrudd.

Prosedyren for å konstruere et komposittrør for å motstå høye eksterne trykk og kompresjonsbelastninger omfatter bruk av kompliserte tekniske prinsipper på kompositt-mekanikk for å sikre at røret har tilstrekkelig styrke. Det har tidligere ikke vært ansett mulig å bygge et virkelig komposittrør som er i stand til å bøyes til en forholdsvis liten diameter, og være i stand til å bære interne trykk og høye strekk- og kompresjonsbelastninger i kombinasjon med høye eksterne trykk-krav. Spesielt en slange vil ikke motstå høy kompresjon og eksterne trykkbelastninger.

Følgelig er det et mål for denne oppfinnelsen å frembringe et apparat og en frem-gangsmåte for å frembringe i hovedsak ikke-jernholdig spolbart rør som ikke lider under de strukturelle begrensninger av stålrør, og som kan utplasseres og spoles under borehullforhold.

Et videre mål for oppfinnelsen er å frembringe et komposittspolerør i stand til å overhale brønner og levere forskjellige kjemikalier ned i brønnhullet raskt og ved lave kostnader.

Et annet mål for oppfinnelsen omfatter anordning av et spolet rør som kan brukes for gjentatt spoling og bøying uten å lide under tilstrekkelig utmattelse til å forårsake frakturering og feiling av det spolete rør.

Andre mål for oppfinnelsen omfatter anordning av et spolbart rør som er i stand til å bære korroderende fluida uten å forårsake korrosjon i det spolbare rør, anordning av et spolet rør som har mindre vekt, og anordning av et spolet rør som er i stand til å motstå høye interne trykknivåer og høye eksterne trykknivåer uten å tape rørets integritet. Disse og andre mål vil fremgå fra den beskrivelsen som følger.

Oppfinnelsen når de ovenstående mål ved å frembringe et spolbart komposittrør som har en lengdeakse, kjennetegnet ved at det omfatter en rørformet, i det vesentlige fluidum-ugjennomtrengelig indre foring utformet av polymeriske eller metalliske materialer, et første komposittlag som omgir den nevnte foring og er utformet av et spiralorientert første sett av fibre og av en polymerisk matrise med en elastisitetsmodul på mer enn 10.000 psi (6.891 x 10<6> Pa), et ytre lag som er utenfor og omgir det nevnte første komposittlag, hvor det ytre lag er enten et trykkbarrierelag utformet av en ugjennomtrengelig film eller et ytre beskyttelseslag som gir slitasjemotstand og har en ytre overflate med en friksjonskoeffisient som er mindre enn friksjonskoeffisienten for komposittlaget, og hvor den nevnte foring og komposittlaget og det ytre lag utgjør et komposittrør som har en strekkdeformasjon på minst 0,25% ved punktet for maksimal strekkdeformasjon under spoling på snellen og under opprettholdelse av formen med åpen boring.

Foretrukne utførelsesformer av komposittrøret er utdypet i kravene 2-14.

Komposittrøret kan omfatte et komposittlag som har fibre lagt inn i en matrise og en indre foring utformet av polymer materialer. Fibrene i komposittlaget er orientert til å motstå interne og eksterne trykk og å gi lav vendingsstivhet. Det spolete komposittrør tilbyr potensiale til å overskride ytelsesbegrensningene for isotropiske metaller, og dermed å øke tjenestelevetiden for røret og å forlenge operasjonsparametrene. I tillegg, kan fibrene, matrisen og foringen som brukes i komposittrøret gjøre røret uimottakelig for korrosjon og motstandig mot kjemikalier som brukes til behandling av olje- og gassbrenner eller i rør-ledninger.

Tjenestelivspotensialet for det spolete komposittrør konstruert ifølge oppfinnelsen er vesentlig lengre enn for konvensjonelle stålrør når utsatt for flere spenningssykla med plastisk deformasjon med høye interne trykk. Komposittrør frembringer også evnen til å forlenge den vertikale og horisontale rekkevidde av eksisterende konsentriske brenn-tjenester. I en operasjon, er komposittrøret utplassert som en kontinuerlig streng av rør med liten diameter i et brønnhull for å utføre en spesifikk brønnboringsprosedyre. Når tje-nesten er fullført, blir røret med liten diameter tilbakehentet fra brønnhullet og spolet på en stor snelle for transport til og fra arbeidsstedene. Ytterligere anvendelser av spolete kom-posittrør er for boring av brønner, strømningslinjer, såvel som for forlenget rekkevidde anvendelser så som reparasjonsarbeid i brønner eller strømningslinjer.

Et spoler komposittrør som har en indre foring utformet av polymermateriale og et komposittlag som omgir den indre foring er også omtalt. Komposittlaget inneholder tre fibre orientert i en triaksial flette. En triaksial flettestruktur er utformet av tre eller flere fibre flettet i en spesiell orientering og lagt inn i en plastmatrise. I en triaksial flette, er en første strukturell fiber som strekker seg i skrulinje eller aksielt langs rørets lengdeakse. En annen flettefiber er orientert i en skrulinje i klokkeretningen i forhold til den første strukturelle fiber eller i forhold til rørets lengdeakse. En tredje flettefiber er skruorientert mot klokkeretningen i forhold til den første strukturelle fiber eller i forhold til rørets lengdeakse. I tillegg, er den første strukturelle fiber vevet sammen med enten den andre eller den tredje eller begge flettefibrene. Det spolete komposittrør konstruert med denne triaksiale flettestruktur utviser unike anisotropiske karakteristikker, og har forbedret bristtrykk karakteristikker, økede bøyningskarakteristikker, strekkbelastning og kompresjonsbelastning.

Komposittlaget kan konstrueres med et matrisemateriale som har en strekkmodul på minst 100.000 psi (6.891 x 10<6> Pa), en maksimal strekkforlengelse på minst 5 % og en glass-overgangstemperatur på minst 180 °F (82,2 °C). Øket rørstyrke kan også bli oppnådd ved utforming av et lag som har minst 80 %, etter fibervolum, av fibrene skrulinjeorientert i forhold til rørets lengdeakse med en vinkel på mellom 30 og 70°.

Komposittrøret kan omfatte en foring som tjener som en trykk- holdingsdel for å motvirke lekkasje av interne fluida fra inne i røret. Den indre foring er utformet av koekstru-dert komposittpolymerer. Polymerene som danner foringen kan også omfatte homopolymerer eller kopolymerer. Det polymeriske materialet som danner foringen er ugjennomtrengelig for fluida (dvs. gasser og væsker). Den indre foring kan også omfatte materialer som er kjemisk motstandige mot korroderende stoffer.

Foringen kan konstrueres til å ha forbedrede mekaniske egenskaper som forbedret bøyingskarakteristikkene, styrkekarakteristikkene og trykk-karakteristikkene for det spolete komposittrør. F.eks. kan foringen ha en mekanisk forlengelse på minst 25 %, og en smeltetemperatur på minst 250 °F (121 °C). Foringen kan også forbedre trykk-karakteristikkene av komposittrøret ved å øke båndstyrken mellom den indre foring og komposittlaget. Dette kan oppnås ved å plassere spor i den ytre overflate av foringen, slik at sporene kan holde matrisematerialet som binder komposittlaget til det ytre av foringen.

Anordning av en foring som er i stand til å dissipere oppbygging av statisk ladning er også omtalt. En foring som har en tilsetning av kjønrøk kan hindre oppbygging av statisk ladning. Ved å hindre oppbygging av statisk ladning, kan foringen bedre forebygge antennelse av brennbare fluida som sirkulerer inne i røret.

Komposittlaget kan være utformet av tre eller flere fibre som er vevet sammen i en triaksial flette og opphengt i matrisematerialet. F.eks., kan komposittlaget omfatte en spiralorientert første fiber, en annen fiber som er spiralorientert i klokkeretningen, og en tredje fiber som er skrulinjeorientert mot klokkeretningen. De første, andre og tredje fibre er orientert slik at den første fiber er vevet sammen med enten den andre fiber eller den tredje fiber eller begge. Komposittlaget kan også omfatte ytterligere lag utformet av fibre og matriser. Fibrene i tilleggslagene kan ha fibre orientert på mange måter, omfattende, men ikke begrenset til, triaksial fletting, diaksial fletting, sammenvevet og filamentviklet.

Separate grensesnittlag plassert mellom foringen og komposittlaget er også omtalt. Dette grensesnittlag tillater det spolete komposittrør å motstå ekstreme trykk innenfor og utenfor røret uten å forårsake degradering av komposittrøret. Grensesnittlaget bånder komposittlaget til foringen. I tillegg kan grensesnittlaget tjene som et overgangslag mellom komposittlaget og foringen. F.eks. kan grensesnittlaget ha en elastisitetsmodul mellom den aksielle elastisitetsmodul av foringen og den aksielle elastisitetsmodul av komposittlaget, og dermed danne en myk overgang i elastisitetsmodulene mellom foringen og komposittlaget.

Et spolet komposittrør som har et trykkbarrierelag er videre omtalt. Trykkbarrierelaget kan plasseres utenfor komposittlaget for å hindre fluida (dvs. gasser eller væsker) fra å trenge inn i komposittrøret. Trykkbarrierelaget hindrer også at eksterne trykk blir direkte tilført den ytre overflate av den indre foring, og hindrer dermed ytre trykk fra å bryte ned den indre foring. Trykkbarrierelaget kan være utformet av et ugjennomtrengelig materiale så som enten en polymerfilm (omfattende polyester) termoplast, termosettfilm elastomer eller metallfilm. Det ugjennomtrengelige laget kan være spiral- eller periferviklet rundt komposittlaget. I tillegg, kan trykkbarrierelaget omfatte et smeltet partikkelbelegg. Trykkbarrierelaget har fortrinnsvis en minimum-forlengelse på 10 % og en aksiell elastisitetsmodul på mindre enn 750.000 psi, for å hjelpe med forbedret bøye- og trykk-karakteristikker for det spolete komposittrør.

Et komposittrør som har et ytre beskyttende lag utenfor komposittlaget er videre omtalt. Det ytre beskyttelseslag kan gi en ytre beskyttelsesoverflate og en ytre slite-bestandig overflate. Det ytre beskyttelseslag kan også motstå anslag og aberrasjon. I de aspekter ved oppfinnelsen som har både trykkbarrierelag og ytre beskyttelseslag er trykkbarrierelaget typisk lagt i sandwich form mellom komposittlaget og det ytre beskyttelseslag.

I tillegg kan energiledere, omfattende elektriske ledninger eller fiberoptikk, være utformet som en integrert del av det spolbare komposittrør. Energiledere har vanligvis lav deformeringsevne, og kan således lett skades ved store deformasjoner så som de som utøves ved bøyning. Energilederne er således orientert i en skruretning i forhold til rørets lengdeakse. Denne orienteringen minimaliserer deformasjonen på energilederne når røret bøyer seg. I en annen utførelse, kan energilederne bli lagt inn i en aksial eller skrulinje orientering direkte inn i den polymeriske foring.

Det spolbare komposittrør kan omfatte en indre foring og et ytre komposittlag. I alle utførelser, kan røret konstrueres til å omfatte eller ekskludere et grensesnittlag i sandwich form mellom den indre foring og komposittlaget. Grensesnittlaget øker bøyingsstyr-ken mellom foringen og komposittlaget. Andre utførelser gir et komposittrør omfattende en foring, et komposittlag og en trykkbarriere. Ytterligere utførelser omfatter en foring, et komposittlag, en trykkbarriere og et utvendig beskyttelseslag. I en ytterligere utførelse, kan komposittrøret omfatte bare en foring, et komposittlag og en trykkbarriere. En annen mu-lighet er et spolbart rør som har en foring, et indre komposittlag, en trykkbarriere og et ytre komposittlag som omgir trykkbarrieren.

En mer komplett forståelse av oppfinnelsen kan oppnås ved henvisning til tegnin-gene, hvor: Figur 1 er et sideriss, delvis i utsnitt, av et spolet komposittrør konstruert ifølge oppfinnelsen, omfattende en foring og et komposittlag; figur 2 er et sideriss av et utflatet komposittlag, konstruert ifølge oppfinnelsen, som har triaksialt flettete fiberkomponenter og som er egnet for å konstruere komposittlaget i komposittrøret vist på figur 1; figur 3 er et tverrsnittsriss av komposittrøret med en indre foring omgitt av flere komposittlag; figur 4 er et sideriss, delvis i utsnitt, av et spolet komposittrør konstruert ifølge oppfinnelsen, som har en foring, et grensesnittlag og et komposittlag; figur 5 er et sideriss, delvis i utsnitt, av et spolet komposittrør konstruert ifølge oppfinnelsen, som har en foring, et grensesnittlag, et komposittlag og en trykkbarriere; figur 6 er sideriss, delvis i utsnitt, av et spolet kompo-sittrør konstruert ifølge oppfinnelsen, som omfatter en foring, et grensesnittlag, et komposittlag, en trykkbarriere og et ytre beskyttelseslag; figur 7 er et sideriss, delvis i utsnitt, av et spolet komposittrør konstruert ifølge oppfinnelsen, som omfatter en foring, et komposittlag, og en trykkbarriere; figur 8 er et sideriss, delvis i utsnitt, av et spolet komposittrør konstruert ifølge oppfinnelsen, omfattende en foring, et indre komposittlag, en trykkbarriere, og et ytre komposittlag; figur 9 er et sideriss, delvis i utsnitt, av et spolet komposittrør konstruert ifølge oppfinnelsen, som omfatter en energileder; og figur 10 illustrerer bøye-hendelser som skjer når man fører et spolet rør inn i og ut av et brønnhull.

Komposittfibre (grafitt, kevlar, fiberglass, bor, osv.) har forskjellige fordeler omfattende stor styrke, stor stivhet, lett vekt osv.. Imidlertid er spenning/deformasjonsresponsen for komposittfibre lineær til feil, og derfor ikke-bøyelig. Spolet komposittrør må derfor hen-vende seg til deformasjonsbegrensningene på en annen måte, dvs. ved å frembringe en konstruksjon for å møte kravene med nær elastisk respons eller med store deformasjoner av matrisen. En slik komposittanordning må ha høy motstand mot bøyningsspenninger og interne trykk og eksterne trykk. Den må også ha høy aksial stivhet, høy strekk- og komp-resjonsstyrke og være motstandig mot skjæringsspenninger. Alle disse egenskapene er kombinert i komposittrøret ifølge den foreliggende oppfinnelse for å frembringe et spolet rør som kan bøyes til en radius som er kompatibelt med vikling på en spole av rimelig størrelse.

P.K. Mallick i en tekstbok med tittelen Fiber-Reinforced Composites, Materials, manufacturing and Design, definerer et kompositt på følgende møte: "Fiberforsterkede komposittmaterialer består av fibre med høy styrke og modul lagt inn i eller båndet til en matrise med distinkte grensesnitt mellom dem. I alminnelighet, er fibrene den viktigste belastningsbærende del, mens den omliggende matrise holder dem på ønsket sted og orientering, og virker som et belastningsoverførende medium mellom dem og beskytter dem mot miljøskader på grunn av høye temperaturer og fuktighet, f.eks.". Denne defini-sjonen definerer komposittmaterialer som brukt i denne oppfinnelsen med fibre valgt fra forskjellige tilgjengelige materialer, deriblant karbon, aramid og glass og en matrise eller resin valgt fra forskjellige tilgjengelige materialer omfattende herderesiner så som epoksy og vinylester eller termoplastiske resiner så som polyeterketon (PEEK), polyeterketonke-ton (PEKK), nylon osv.. Komposittstrukturer er i stand til å bære forskjellige belastninger i kombinasjon eller uavhengig, deriblant i strekk, kompresjon, trykk, bøying og torsjon.

Webster's Ninth New Collegiate Dictionary definerer slange som "et fleksibelt rør for transport av fluida". Ved sammenligning er en slange distinkt forskjellig fra et kompo-sittrør. Slangeprodukter så som "navelstrenglinjer" brukt i undersjøiske anvendelser er konstruert av fibre med høy styrke så som aramid, dakron eller nylon lagt ned i et geode-tisk mønster på et substrat i form av en rørformet plastforing. Alternativt kan en slange være konstruert av høystyrkefibre med en lavmodul binder så som gummi. I begge tilfelle-ne er en slange konstruert til å bære trykkbelastninger og å utvise god bøyingsfleksibilitet, men en slange har meget begrenset evne til å bære kompresjons-, strekk- og torsjonsbelastninger eller eksternt trykk.

Det komposittrør som er beskrevet i denne oppfinnelsen kan ikke bare bære høye interne trykk, men kan også bære høye kompresjon-, strekk- og torsjonsbelastninger, uavhengig eller i kombinasjon. Slik evne er essensiell hvis røret skal brukes for anvendelser så som et spolet rør i hvilket røret blir skjøvet inn i et høytrykksreservoar og til å over-komme friksjonen mot bevegelse inne i brønnhullet, spesielt for høyt avvikende eller horisontale brønner. I tillegg vil røret måtte bære sin egen når det henger 20.000 fot (6.096 km) eller mer i et brønnhull, og må være i stand til å ha høy trekk-kapasitet for å strekke ut verktøy eller til å overvinne fastkiling fra sand og sirkulerende faststoffer som har kollapset rundt røret. Slike belastninger i tilfelle med spolete rør i dype brønner kan være på over 20.000 pund (9.071 kg). Røret må også være i stand til å bære høye torsjonsbelastninger. Det var ikke ansett mulig før utviklingen som representert i den foreliggende patentsøk-nad, at man kunne konstruere og bygge et komposittrør som kan bøyes til en relativ liten diameter så som nødvendig for spoling, og samtidig være i stand til å bære interne trykk og andre belastninger.

I utforming av komposittstrukturer, kan mange velkjente teknikker brukes, så som pultruisjon, fibervikling, fletting og støping. I pultruisjon blir fibre trukket gjennom et resin-impregneringsapparat, deretter gjennom dyser for å frembringe den ønskede form. Alternativt, kan resin bli injisert direkte inne i dysen. Varmeforming og herdestrukturer er anordnet i forbindelse med dysene. I fibervikling, blir de forskjellige lag som danner kompo-sittstrukturen hver utformet ved vikling eller pakking av fibre og en polymermatrise rundt en spindel eller annet underliggende struktur som danner en ønsket form. Etterfølgende komposittlag kan så påføres på underliggende komposittlag. En triaksiell flettestruktur kan fremstilles ved bruk av fiberviklingsteknikk som beskrevet i Quigleys, U.S. Patent nr. 5,188,872 og i Quigleys U.S. Patent nr. RE 35,081.

Figur 1 illustrerer et spolet komposittrør 10 konstruert av en indre foring 12 og et

komposittlag 14. Det spolete komposittrør er generelt utformet som en del langstrakt langs aksen 17. Det spolete rør kan ha forskjellige rørformede tverrsnittsformer, deriblant sirkel-rund, oval, rektangelformet, kvadratisk, mangekantet o.L Det illustrerte rør har et i hovedsak sirkelrundt tverrsnitt.

Foringen 12 tjener som en trykkholdingsdel for å motvirke lekkasje av interne fluida fra inne i komposittrøret 10.1 en utførelse er foringen 12 metallisk, og i en alternativ utførelse er foringen 12 utformet av polymermaterialer med en aksiell elastisitetsmodul over 100.000 psi (6.891 x 10<6> Pa). En foring med en modul på over 100.000 psi (6.891 x 10<6> Pa) er å foretrekke siden den indikerer et rør i stand til å bære høyt aksielt strekk som ikke forårsaker at røret komprimeres eller brekker. I tillegg, vil en foring med en aksiell elastisitetsmodul på under 500.000 psi (34.455 x 10<6> Pa) med fordel tillate foringen å bøy-es, istedenfor å trekkes bort fra komposittlaget, når komposittlaget spoles eller bøyes rundt en snelle.

Polymermaterialet som utgjør foringen 12 kan være termoplastisk eller termoherdende materialer. Foringen kan f.eks. være utformet av homopolymerer, kopolymerer, komposittpolymerer, eller koekstruderte komposittpolymerer. Homopolymerer henviser til rna-terialer utformet av en enkel polymer, kopolymerer henviser til materialer utformet ved å blande to eller flere polymerer, og komposittpolymerer henviser til materialer utformet av to eller flere diskret polymerlag som er permanent båndet eller sammensmeltet. Polymermaterialet som danner den indre foring er fortrinnsvis valgt fra en gruppe av forskjellige polymerer, omfattende men ikke begrenset til: Polyvinylidenfluorid, etylen tetrafluoretylen, kryssledet polyetylen (PEX), polyetylen og polyester. Ytterligere eksempler på termoplastiske polymerer omfatter materialer så som polyfenylensulfid, polyetersulfon, polyetylen tetraftalat, polyamid, polypropylen og acetyl. Foringen 12 kan også omfatte fibre for å øke den belastningsbærende styrke av foringen og den totale belastningsbærende styrke av det spolbare komposittrør 10. Eksempler på komposittfibre omfatter grafitt, Kevlar, fiberglass, bor og polyester fibre, og aramid.

Foringen 12 kan være utformet til å være motstandskraftig mot korroderende kjemikalier så som hetrosykliske aminer, inorganiske svovelsammensetninger, og nitrogen-holdige og acetylenorganiske sammensetninger. Tre typer av foringsmaterialet, polyvinylidenfluorid (PVDF), etylen tetrafluoretylen (ETFE), og polyetylen (PE), har vært funnet å møte de strenge kjemiske eksponerings karakteristikker som kreves i spesielle anvendelser som involverer spolete komposittrør. To spesielt attraktive materialer for foringen er RC10-189 graden av PVDF, fremstilt av Atochem og handelsmann Tefzel, fremstilt av DuPont.

I andre utførelser av foringen 12, omfatter foringen kopolymerer utformet til å oppnå forbedrede foringskarakteristikker, så som korrosjonsmotstand, slitasjemotstand og elektrisk motstand. F.eks., kan en foring 12 utformes av en polymer og en tilsetting slik at foringen har høy elektrisk motstand eller slik at foringen dissiperer statiske ladningsopp-bygning inne i komposittrøret 10. Spesielt kan kjønrøk tilsettes et polymermateriale for å danne en foring 12 som har en resistivitet i størrelsesorden 10<8> ohm/cm. Følgelig, danner tilsetningen av kjønrøk en foring 12 som har en øket elektrisk ledeevne som gir en evne til statisk utladning. Evnen til statisk utladning hindrer med fordel antennelse av brennbare fluida som blir sirkulert inne i de spolete komposittrør 10.

I et videre aspekt ved oppfinnelsen, har foringen 12 en mekanisk forlengelse på minst 25 %. En foring med mekanisk forlengelse på minst 25 % kan motstå de økede bøye- og strekke-deformasjoner som utøves på foringen når den blir spolet på en snelle og satt inn i eller fjernet fra forskjellige brønnhull. Følgelig, vil den mekaniske forlengelses-karakteristikk for foringen forlenge den totale levetid for det spolete komposittrør 10.1 tillegg, har foringen 12 fortrinnsvis en smeltetemperatur på minst 250 °F slik at foringen ikke blir endret under f remstillingsprosessen for å utforme det spolete komposittrør. En foring med disse karakteristikker har typisk en radiell tykkelse i området på 0,02 inches (0,0508 cm) til 0,025 inches (0,635 cm). Komposittlaget 14 kan være utformet av et antall lag, hvor hvert lag har en fiber plassert i en matrise, så som en polymer, resin eller termoplast. Fibrene omfatter typisk strukturelle fibre og fleksible garnkomponenter. De strukturelle fibrene er utformet av enten karbon, nylon, polyester, aramid, termoplast eller glass. De fleksible garnkomponenter, eller flettefibre, er utformet enten av nylon, polyester, aramid, termoplast eller glass. Fibrene inkludert i laget 14 kan være vevet, flettet, strikket, sydd, periferviklet eller spiralviklet. Spesielt kan fibrene være diaksialt eller triaksialt flettet. Komposittlaget 14 kan være utformet gjennom pultrusjonsprosesser, fletteprosesser eller kontinuerlig filamentviklingsprosesser. Et rør utformet av foringen 12 og komposittlaget 14 danner et komposittrør som har en maksimum-deformasjon på minst 0,25 %, og er i stand til å opprettholde en konfigurasjon med åpen utboring mens den blir spolet på en snelle.

Foringen 12, illustrert på figur 1, kan også omfatte spor 15 eller kanaler på den ytre overflate av foringen. Sporene øker bindestyrken mellom foringen 12 og komposittlaget 14 ved å danne en ru overflate som fibrene i komposittlaget 14 kan feste seg inn i. Sporene kan videre øke bindingsstyrken mellom foringen 12 og komposittlaget 14 hvis sporene er fylt med en matrise. Matrisen virker som et lim, og forårsaker komposittlaget til å bli sikkert festet på den underliggende foring 12. Sporene er fortrinnsvis spiralorientert på foringen i forhold til lengdeaksen 12.

Figur 2 viser et "utflatet" riss av et foretrukket komposittlag 14 som har en fiberkomponent 20 sammenvevet med et antall lignende eller forskjellige fiberkomponenter, her vist som en fiberkomponent 16 skruorientert i klokkeretningen og en fiberkomponent 18 skruorientert mot klokkeretningen. Konfigurasjonen av laget 14 vist på figur 2 er pas-sende betegnet som et "triaksialt flettet" lag. Fiberkomponentene 16,18, 20 er lagt inn i en matrise 22.

Skrulinjeorienterte fibre er fibre som følger en spiralbane. Skrulinjefibre ligger typisk i spiral rundt en spindel underliggende komposittrøret, eller de ligger i spiral rundt underliggende lag av komposittrøret. F.eks., et skrulinjeorientert fiber følger en bane som kan sammenlignes med sporene rundt en vanlig skrue. Et skrulinjefiber kan beskrives som å ha en aksiell vektor, en orienteringsvinkel, og en vinkelretning. Den aksielle vektor indikerer at spiralfibren kan følge en bane langs lengden av røret 10 der en går rundt røret, i motsetning til en fiber som kontinuerlig vikles rundt en spesiell seksjon av røret 10 uten å strekke seg langs rørets lengde. Orienteringsvinkelen for skrulinjefibren indikerer fibrens vinkel i forhold til en definert akse, så som lengdeaksen 17. En skrulinjeorientert fiber som har en vinkel på 0° er en fiber som strekker seg parallelt med lengdeaksen, og er ikke viklet rundt røret 10, mens en fiber som har en vinkel på 90° er perifert viklet rundt røret 10 uten å strekke seg langs rørets lengde. Viklingsretningen for spiralfibren er beskrevet som vikling enten i klokkeretningen eller mot klokkeretningen rundt røret 10.

Fiberkomponentene kan være utformet av karbon, glass, aramid (så som han-delsnavnene Kevlar eller Twaron), termoplast, nylon eller polyester. Fortrinnsvis virker fibrene 16 og 18 som flettefibre og er utformet enten av nylon, polyester, aramid, termoplast eller glass. Fiberen 20 virker som en strukturell fiber og er utformet enten av karbon, glass eller aramid. Fiberen 20 øker den aksielle styrke av komposittlaget 14 og det spolbare rør 10.

Matrisematerialet 22 er generelt blitt høy forlengelse, stor styrke, slagfast polymermateriale så som epoksy. Andre alternative matriser omfatter nylon-6, vinyl ester, polyester, polyeterketon, polyfenylen sulfid, polyetylen, polypropylen, og termoplastiske uretaner.

Fiberen 20 strekker seg i skrulinjeform eller i hovedsak aksielt i forhold til lengdeaksen 20. Den skrulinjeorienterte fiberkomponent 16 og 18 har en tendens til å binde den longitudinale fiberkomponent 20 med matrisematerialet 22 i tillegg til å gi øket bøynings-stivhet langs aksen 17 og øket torsjonsstyrke langs aksen 17. De spiralorienterte fiberkomponentene 16 og 18 kan være sammen med hverandre. For disse formål, har etter-følgende kryssing av to fiberkomponenter 16 og 18 etterfølgende over og under geo-metrier.

Ifølge et foretrukket aspekt ved oppfinnelsen, omfatter komposittlaget en triaksial flette som omfatter en aksial fiberkomponent 20, en annen fiberkomponent 16 i klokkeretningen, og en tredje fiberkomponent 18 mot klokkeretningen, hvor fiberen 20 er vevet sammen med enten fiberen 16 eller fiberen 18. Hver skrulinjeorientert fiber 16,18 kan derfor anses som en flettefiber. I visse aspekter ved oppfinnelsen, vil en enkelt flettefiber, så som fiberen 16, binde fiberkomponenten i et gitt lag sammen ved sammenveving av flettefiberen 16 med seg selv og med den aksielle fiber 20. En fiber er vevet sammen med seg selv f.eks. suksessiv vikling av fiberen rundt delen slik at fiberen danner en sløyfe med seg selv for hver vikling.

I et annet aspekt ved oppfinnelsen, er den aksielle strukturelle fiber 20 orientert i

forhold til lengdeaksen 17 med en første vinkel 28. Fiberen 20 er typisk spiralorientert ved en første vinkel 28 i forhold til lengdeaksen 17. Den første vinkel 28 kan variere mellom 5° til 20° i forhold til aksen. Den første vinkel 28 kan også variere mellom 30° og 70° i forhold til aksen 17. Det er å foretrekke å ha fiberen 20 orientert i en vinkel på 45° i forhold til aksen 17.

Flettefiberen 16 er orientert i forhold til den strukturelle fiber 20 med en annen vinkel 24, og flettefiberen 18 er orientert i forhold til den strukturelle fiber 20 med den tredje vinkel 26. Vinkelen for flettefibrene 16 og 18, i forhold til den strukturelle fiber 20, kan variere mellom + eller -10° og + eller - 60°. I et aspekt ved oppfinnelsen, er fibrene 16 og 18 orientert i vinkler på +/- 20° i forhold til fiberen 20.

En feilmekanisme ved komposittrøret under lasting, spesielt under bøyning/trykk og strekk- og kompresjonsbelastning, antas å være utvikling av mikrosprekker i resinen og innføring av mikroskopiske defekter mellom fibrene. Utviklingen av noen mikrosprekker er også antatt å være uunngåelig på grunn av store belastninger plassert på røret under fremstilling og bøying av røret. Virkningene av disse mikrosprekkene og mikroskopiske effekter kan imidlertid reduseres ved å begrense veksten og ansamlingen av mikrosprekker og mikroskopiske defekter under fremstilling og bruk av det spolete komposittrør. Søkerene har oppdaget at valget av fibre 16 og 18 fra den gruppen av fibre som består av nylon, polyester, glass og aramid reduserer og stopper veksten av mikroskopiske defekter. Valg av fibrene 16 og 18 fra de spesielt nevnte materialer forbedrer således skadeto-leransen og utmattelseslivet for det spolete komposittrør 10.

Søkerne har videre bestemt at det totale volum av hvilket som helst spesielt fibermateriale i hvilket som helst valgt lag av komposittrøret påvirker de totale mekaniske karakteristikker av det spolete komposittrør 10, omfattende reduksjon i sprekkforplantning. I tillegg følger det at det totale volum av hvilket som helst spesielt fibermateriale i hele det spolete komposittrør også påvirker de mekaniske karakteristikker av røret 10. Et spolet komposittrør som forbedret styrke og varighetskarakteristikker er oppnådd ved å utforme et komposittlag 14 hvor det kombinerte fibervolum av flettefibrene 16 og 18 i klokkeretningen og mot klokkeretningen utgjør mindre enn 20 % av det totale fibervolum i komposittlaget 14. Videre ifølge denne utførelsen, bør fibervolumet av aksielle fibre 20 utgjøre minst 80 % av fibervolumet i komposittlaget 14. Fortrinnsvis skulle det første komposittlag 14 omfatte minst 80 % av fibervolum av i hovedsak kontinuerlig fibre orientert i forhold til lengdeaksen 17 av røret i en vinkel mellom 30° og 70°.

Når matrisen 20 tilsette komposittlaget 14, vil volumet av matrisen i laget 14 typisk være omkring 35 % eller mer av volumet i komposittlaget 14. Følgelig utgjør det kombinerte volum av alle fibre i komposittlaget 14 mindre enn 65 % av volumet i komposittlaget 14. Det er således åpenbart, at volumet av fibre 16 og 18 utgjør mindre enn 13 % av det totale volum av komposittlaget 14, og volumet av fibre 20 utgjør minst 52 % av det totale volum av komposittlaget 14.

Matrisen 20 i komposittlaget 14 er valgt slik at den transversale skjæringsdefor-masjon i laget kan ivaretas uten å bryte integriteten av det spolbare komposittlag 10. Deformasjonen er generelt resultatet av bøyning av det spolbare komposittlag over snellen. Disse deformasjoner vil ikke påføre vesentlige aksielle spenninger på fiberen, men de påfører betydelige spenninger på matrisen 20. Følgelig bør matrisen 20 velges slik at maksimal strekkforlengelse er større enn eller lik 5 %. Søkeren har videre vist at valg av en matrise med en strekkmodul på minst 100.000 psi (6.891 x 10<6> Pa) øker kompositt-rørets evne til å motstå høye deformasjoner på grunn av bøyning. Ifølge et videre aspekt ved oppfinnelsen, har matrisen 20 også en glassovergangstemperatur på minst 180 °F (82,2 °C) slik at karakteristikkene ved resin ikke blir endret under bruk ved høye temperaturer som involverer det spolete komposittrør 10. Strekkmodulrating og strekkforlengel-sesrating er generelt målt når de spolete komposittrør blir fremstilt ved 70 °F (21,1 °C). Matrisematerialer som har disse karakteristikkene omfatter epoksy, vinyl ester, polyester, uretaner, fenoler, termoplaster som nylon, polypropylen og PEEK.

Figur 3 illustrerer et spolet komposittrør 20 som har en indre foring 12 og et første komposittlag 14A, et annet komposittlag 14B, og et tredje komposittlag 14C. Hvert av komposittlagene er utformet av fibre som er innlagt i en matrise, og hvert av komposittlagene omfatter og omgir de underliggende komposittlag eller foring 12. Minst et av komposittlagene 14A, 14B, 14C omfatter en spiralorientert fiber i en matrise. Fortrinnsvis inneholder minst et av komposittlagene 14A, 14B, 14C et lag som beskrevet på figur 2. Spesielt har et av komposittlagene 14A, 14B og 14C en første skrulinjeorientert fiber, en annen fiber i klokkeretningen, og en tredje fiber mot klokkeretningen, hvor den første fiber er vevet sammen med minst en av den andre og tredje fiber. De andre to komposittlagene inneholder fibre som er innlagt i en matrise. Fibrene kan være aksielle, periferviklet eller spiralviklet, biaksialt flettet eller triaksialt flettet.

Ifølge et aspekt ved oppfinnelsen, er fibrene i hvert av komposittlagene alle valgt fra det samme materialet. I andre aspekter ved oppfinnelsen, er fibrene i hvert komposittlag alle valgt fra forskjellige materialer. F.eks., komposittlaget 14A kan omfatte et triaksialt flettet lag med skrulinjeorienterte fibre i klokkeretningen og mot klokkeretningen dannet av polyester, og et skrulinjeorientert lag dannet av glass; komposittlaget i 14B kan omfatte et lag som har et periferviklet kevlarfiber, og komposittlaget 14C kan omfatte et triaksialt flettet lag som har skrulinjeorienterte fibre i klokkeretningen og mot klokkeretningen dannet av glass, og med en skrulinjeorientert fiber dannet av karbon.

Søkeren har oppdaget at ytterligere komposittlag, utover det første komposittlag 14 på figur 1, forbedrer det spolete komposittrør. Spesielt skaper interaksjonen mellom tilleggslagene en synergistisk effekt som man ikke finner i et enkelt komposittlag. Søkeren oppdaget at komposittlag som har karbonfibre bærer proporsjonalt mer av belastningen når deformasjonen i det spolete komposittrør 10 øker, sammenlignet med en ekvivalent konstruksjon som bruker glassfiber eller aramidfiber; mens et komposittlag som bruker kevlar (dvs. aramid)-fibre gir ypperlige trykk/sykliske bendingsevner til det spolete kompo-sittrør 10. Kevlarfibrene synes å ha en svakhet sammenlignet med karbonfibre i kompre-sjonsstyrke. Følgelig, vil et spolet komposittrør 10 som omfatter både kevlar- og karbonfibre gi en komposittstruktur som har forbedrede karakteristikker man ikke finner i komposittstrukturer med komposittlag dannet av bare karbonfibre eller bare kevlarfibre.

Et aspekt ved oppfinnelsen omfatter følgelig et komposittlag 14A utformet av karbonfibre og polyesterfibre i en triaksialt flettet struktur, og et annet komposittlag 14B utformet av kevlarfibre. Kevlarfibrene kan være inkludert i enten en konvensjonell biaksial flette, triaksial flette eller skrulinjeflette. F.eks., det andre komposittlaget kan omfatte to sett av aramidfibre biaksialt flettet sammen. Det spolete komposittrør 10 som har et indre komposittlag 14A utformet med karbonfibre og et ytre komposittlag 14B utformet med kevlarfibre gir et spolet komposittrør som har balansert styrke i to retninger, og gir et spolet komposittrør som har en innsnevringskraft som hjelper til å begrense den lokale bulking av delaminerte sublaminater og etterfølgende delamineringsvekst, og forbedrer dermed utmattingsmotstanden av det spolete komposittrør 10. Det er klart at dette aspekt ved oppfinnelsen kan omfatte et tredje komposittlag 14C utenfor det andre komposittlag 14B. Det tredje komposittlag 14C kan f.eks. omfatte en matrise og et fiber skrulinjeorientert i forhold til lengdeaksen 17.

I et annet aspekt ved oppfinnelsen, som illustrert på figur 3, omfatter komposittlaget 14A et triaksialt flettet lag som har en aksial fiber utformet av karbon og har en fiber viklet i klokkeretningen og en mot klokkeretningen, begge utformet av polyester. I tillegg en skrulinjeorientert fiber 20 orientert i 45° med aksen for det spolete komposittrør 10. Videre ifølge denne utførelsen, er komposittlaget 14B triaksialt flettet og omfatter en skru-linjeviklet fiber utformet av karbon og orientert i en vinkel med 45° i forhold til aksen 17 for det spolete komposittrør 10. Komposittlaget 14B omfatter videre et annet fiber i klokkeretningen og en tredje fiber mot klokkeretningen, utformet av polyester. Det tredje komposittlaget 14C er biaksialt flettet, og omfatter en kevlarfiber som strekker seg i en skrulinje og er orientert med en 54° vinkel til aksen 17 for det spolete komposittrør 10.

Figur 4 illustrerer et spolet komposittrør langstrakt langs en akse 17, og med en indre foring 12, et grensesnittlag 56, og et komposittlag 14. Grensesnittlaget 56 omgir foringen 12 og ligger som i en sandwich mellom foringen 12 og komposittlaget 14. Grensesnittlaget 56 forbedrer båndingen mellom den indre foring 12 og komposittlaget 14. Det er viktig i det spolete komposittrør 10 at foringen 12 er integrert festet til komposittlaget 14. Nødvendigheten for en båndet foring er at under visse driftsforhold som man finner nede i borehull, vil den ytre overflate av røret bli utsatt for høyere trykk enn det indre av røret.

Hvis foringen ikke er båndet til komposittlaget 14 kunne dette utvendige trykk tvinge foringen til å bulke og skilles fra komposittlaget slik at foringen kollapser. I tillegg, kan belast-ning og bøying av røret bevirke mikroskopiske sprekker i komposittlaget 14, som kunne tjene som mikroskopiske veier for innføring av eksternt trykk som kunne virke direkte på den ytre overflate av foringen 12. Igjen, kunne disse eksterne trykk forårsake at foringen 12 kunne kollapse. Grensesnittlaget 56 gir en mekanisme for å bånde foringen 12 til komposittlaget 14 slik at foringen ikke kollapser under høyt eksternt trykk. Grensesnittlaget 56 kan også redusere sprekking og forplanting av sprekking langs komposittlaget 14 og foringen 12.

Ifølge et aspekt ved oppfinnelsen, omfatter grensesnittlaget 56 en fiberforsterket matrise hvor fibervolumet er mindre enn 40 % av det totale volum av grensesnittlaget 56. Matrisen av fibrene som danner grensesnittlaget 56 virker først og fremst som et festelag som bånder foringen 12 til komposittlaget 14. Fibrene i grensesnittlaget 56 kan være orientert på forskjellige måter, deriblant en vevet eller ikke-vevet struktur. Fibrene inne i grensesnittlaget 56 er fortrinnsvis polyesterfibre. Et grensesnittlag som har denne strukturen er i stand til å hindre foringen fra å skille seg fra komposittlaget selv om trykkfor-skjellen mellom det ytre og indre av røret 10 overskrider 1.000 psi (6.891 x 10<3> Pa).

Matrisen inne i grensesnittlaget 56 kan omfatte et fylt polymerlag eller et ufylt polymerlag. Et fylt polymerlag bruker en polymermatrise med tilsetninger som modifiserer polymerlagets egenskaper. Tilsetningene som brukes i det fylte polymerlaget omfatter partikler og fibre. F.eks., kjønrøkpulver kan tilsettes polymerlaget for å øke ledeevnen av grensesnittlaget 56, eller hakkede glassfibre kan tilsettes polymerlaget for å øke stivheten av grensesnittlaget 56.

Ifølge en videre utførelse av oppfinnelsen, har grenselaget en aksial elastisitetsmodul som ligger mellom elastisitetsmodulen forføringen 12 og elastisitetsmodulen for komposittlaget 14. Grensesnittlaget 56 har således en elastisitetsmodul som danner en overgang mellom elastisitetsmodulen for foringen 12 og for komposittlaget 14. Ved å frembringe en overgangsmodul, hjelper grensesnittlaget til å hindre at foringen 12 trekkes bort fra komposittlaget 14 under bøyning av det spolete komposittrør 10.

Grensesnittlaget 56 øker dessuten utmattingslevetiden for det spolete kompositt-rør 10. Strukturen av grensesnittlaget 56 oppnår dette ved å dissipere skjæringsspenninger som tilføres langs lengden av det spolete komposittrør 10. Ved å dissipere skjæring-en, reduserer grensesnittlaget sprekking og forplanting av sprekker langs komposittlaget 14.

Figur 5 illustrerer et spolet komposittrør som er langstrakt langs en akse 17 og som har en indre foring 12, et grensesnittlag 56, et komposittlag 14 og et trykkbarrierelag 58. Trykkbarrierelaget 58 hindrer gasser eller væsker (dvs. fluida) fra å trenge inn i det spolete komposittrør 10.

Det er viktig for to grunner at fluida ikke trenger inn i komposittlaget 14. For det første, kan et fluidum som trenger inn i røret 10 til foringen 12 bygge opp til et tilstrekkelig nivå av trykk til å kollapse foringen 12. For det annet, at fluidum som trenger inn i det spolete komposittrør 10 under eksponering i et brønnhull 36 kan utgasses når det spolete komposittrør 10 returnerer til atmosfærisk trykk.

Følgelig, et spolet komposittrør 10 kan funksjonere uten et trykkbarrierelag 58 under visse forhold. F.eks., når mikrofrakturer og defekter i komposittlaget 10 ikke utvikles til en størrelse som tillater fluida å trenge inn i komposittlaget 14, er ikke et barrierelag nødvendig. Når imidlertid mikrofrakturer og passasjer gjennom komposittlaget 14 tillater migrering av fluida, er bruken av et trykkbarrierelag 58 å foretrekke. Som illustrert på figur 5, er trykkbarrierelaget 58 generelt plassert utenfor komposittlaget 14.

Trykkbarrierelaget 58 kan utformes av metall, termoplast, termoherdende film,

eller en elastomer så som en gummifolie. Alle disse forskjellige materialer kan funksjonere som en trykkbarriere fordi de i hovedsak hindrer diffundering av fluida. Ønskede egenskaper av trykkbarrierelaget omfatter lav permiabilitet for fluida (dvs. gasser eller væsker), høy forlengelse, og båndbarhet til komposittlaget 14. Det er også å foretrekke at trykkbarrierelaget 58 har en maksimal strekkforlengelse på 10 % og en aksiell elastisitetsmodul på mindre enn 750.000 psi (5.168.250 x 10<3> Pa). Disse verdiene for strekkforlengelse og elastisitetsmodul er målt ved 70 °F under fremstilling av det spolete komposittrør 10. Per-miabiliteten for trykkbarrierelaget bør være mindre enn 0,4 x 10 til 10 ccs per sek.-cm<2->cm-cmhg.

Det ugjennomtrengelige trykkbarrierelag 58 kan utformes av ugjennomtrengelige filmer utformet av metaller eller polymerer. Akseptable filmer omfatter f.eks. filmer utformet at polyester, polyimid, polyamid, polyvinyl fluorid, polyvinyliden fluorid, polyetylen og polypropylen, eller andre termoplaster.

Den ugjennomtrengelige film i laget 58 kan være et sømløst polymerlag som er samekstrudert eller utformet via en pulver- deponeringsprosess. Alternativt kan den ugjennomtrengelige film være spiralviklet eller periferviklet rundt komposittlaget for å danne en overlappende og komplett barriere. Dvs., filmen eller materialet som danner trykkbarrierelaget må være viklet på en slik måte at det ikke finnes noen åpninger og trykkbarrierelaget 58 er forseglet.

Et annet aspekt ved oppfinnelsen anordner en trykkbarriere 58 med et belegg av sammensmeltede partikler. Et belegg av sammensmeltede partikler er utformet ved å male et polymermateriale til et meget fint pulver. Det fine pulveret blir så varmesmeltet på andre materialer og danner en trykkbarriere 58, eller på det underliggende komposittlag 14.

Figur 6 illustrerer et spolet komposittrør som er langstrakt langs en akse 17 og som har en indre foring 12, et grensesnittlag 56, et komposittlag 14, et trykkbarrierelag 58 og et ytre beskyttende lag 60. Grensesnittlaget 56 forbedrer båndingen mellom komposittlaget 14 og den indre foring. Trykkbarrierelaget 58 hindre fluida fra å trenge inn i det spolete komposittrør 10. Det ytre beskyttelseslag 60 gir slitasjemotstand, slagfasthet, og et grensesnittlag for kopling for det spolete komposittrør 10. Beskyttelseslaget er plassert slik at det omgir trykkbarrieren 58. Det ytre beskyttelseslag 60 gir aberrasjonsmotstand og slitasjemotstand ved å danne en ytre overflate på det spolete komposittrør som har en lav friksjonskoeffisient, og derved forårsaker at gjenstander glir av det spolete komposittrør. I tillegg, gir det ytre beskyttelseslag 60 et sømløst lag for å holde det indre laget av det spolete komposittrør sammen. Det ytre beskyttelseslag kan være utformet av et fylt eller ufylt polymerlag. Alternativt kan det ytre beskyttelseslag 60 være utformet av en fiber, så som kevlar eller glass, og en matrise. Fiberen i det ytre beskyttelseslag 60 kan være vevet i et gitter- eller vevmønster rundt det indre laget av det spolete komposittrør 10, eller fibrene kan være flettet eller spiralflettet rundt det indre lag av røret 10.1 begge tilfeller, er fibrene i det ytre beskyttelseslag spiralviklet rundt de indre lag i det spolete komposittrør 10 for å gi en sømløs struktur.

Det er oppdaget av søkeren at partikler kan tilsettes det ytre beskyttelseslag for å øke slitasjemotstanden av det ytre beskyttelseslag 60. Partiklene som brukes kan omfatte hvilken som helst av de følgende, individuelt eller i kombinasjon med andre: Keramiske, metalliske, polymeriske, silica eller fluorinerte polymerer. Tilsetning av Teflon<®> (MP 1300)-partikler og aramidpulver (PD-T polymer) til matrisen for det ytre beskyttelseslag 60 er funnet å være en effektiv måte for å redusere friksjon og å forbedre slitasjemotstand.

I det tilfellet hvor det ytre beskyttelseslag omfatter fibre, er partiklene som tilsettes det ytre beskyttelseslag 60 slik at de består av mindre enn 20 % etter volum av matrisen. I de tilfeller hvor det ytre beskyttelseslag ikke inneholder fibre, kan et partikkelmateriale så som Teflon<®> MP 1300 også tilsettes det polymeriske beskyttelseslag. Når det ytre lag 60 ikke inneholder fiber, utgjør partiklene typisk mindre enn 60% etter beleggsvolumet av det ytre slitasjebestandige lag 60. Figur 7 illustrerer en utførelse av det spolete komposittrør som er langstrakt langs en akse 17 og har en foring 12, et komposittlag 14 og en trykkbarriere 58. Figur 7 er lik figur 5 unntatt at det mangler grensesnittlaget 56. Spesielt er den indre foring 12 plassert innenfor komposittlaget 14, og komposittlaget 14 er plassert innenfor trykkbarrieren 58. Figuren illustrerer blant annet, at grensesnittlaget 56 enten kan være inkludert eller fjernet fra alle utførelser av oppfinnelsen, avhengig av hvorvidt forholdene krever bruk av et grensesnittlag for å øke båndingsstyrken mellom foringen og komposittlaget. Figur 8 illustrerer en annen utførelse av et spolet komposittrør som er langstrakt langs en akse 17, hvor komposittrøret omfatter en foring 12, et første komposittlag 14, en trykkbarriere 58, og et annet komposittlag 14'. I denne utførelsen, ligger komposittlaget 14 rundt den indre foring, og trykkbarrieren ligger rundt det første komposittlag 14.1 tillegg ligger det andre komposittlag 14' rundt trykkbarrieren 58. Spesielt er trykkbarrieren i sand-wichform mellom to komposittlag 14 og 14'.

Komposittlaget 14' kan være strukturert på hvilken som helst måte som komposittlaget 14 kan være strukturert, men lagene 14 og 14' trenger ikke å være identiske. I tillegg, kan enten komposittlaget 14 eller komposittlaget 14' omfatte flere komposittlag som illustrert på figur 3. Det eksterne komposittlag 14' har vist seg å være nyttig i å danne en ytre overflate som er i stand til å engasjere en koplingsanordning.

Det eksterne komposittlag 14' kan også være utformet til å virke som et ytre

beskyttelseslag som er i stand til å gi aberrasjonsmotstand og slitasjemotstand. Dette kan oppnås ved å utforme det eksterne komposittlag 14' av et fylt eller ufylt polymerlag. Laget 14' kan også oppnå øket aberrasjons- og slitasjemotstand ved spiralvikling eller fletting av de fibre som danner komposittlaget 14' rundt de indre lag av røret 10. Videre kan det eksterne komposittlag 14' være utformet til å redusere friksjon på utsiden av røret 10 ved å tilsette partikler til det ytre komposittlag 14'. Partiklene kan omfatte keramiske, metalliske, polymeriske partikler, silica eller fluorinerte polymerer.

Figur 9 illustrerer et spolet komposittrør som er langstrakt langs en akse 17, hvor komposittrøret omfatter en foring 12, et komposittlag 14, og en energileder 60 som danner en del av komposittlaget 14. Energilederen danner en bane for overføring av kraft, kom-munikasjon eller styringssignaler fra overflaten ned gjennom røret til en maskin koplet til enden på røret.

Energilederen 60 kan være plassert enten i foringen, komposittlaget eller trykkbarrieren som danner røret 10. Det er å foretrekke å plassere energilederen i de lagene som er nærmest den indre overflate av røret, og ikke i de lagene som er nær den ytre overflate av røret. Hvis en energileder er plassert nær den ytre overflate av rør, har en større sjanse for å bli utsatt for korroderende overflater eller materialer som er plassert utenfor røret 10.1 tillegg, vil en energileder som er plassert nær den indre overflate av rø-ret 10 bli utsatt for mindre bøyingsdeformasjon sammenlignet med en energileder som er plassert nær den ytre overflate av røret.

En energileder kan være innlagt i et av lagene som danner røret 10 ved bruk av samme fremgangsmåter som er brukt for å tilsette fibre til komposittlaget. En energileder er typisk viklet på en spindel eller hvilket som helst underlagene struktur mens man påfø-rer en matrise. Energiledere kan også tilsettes et fiber-komposittlag med en pultrusjons-prosess. F.eks. kan energilederen trekkes gjennom et resin-impregneringsapparat, deretter gjennom dyser for å frembringe den ønskede form. Alternativt kan lederen være innlagt i polymerforingen.

Energilederen 60 kan være en elektrisk eller optisk leder av hvilket som helst materiale eller substans som er i stand til å bli modulert med informasjonsdata eller elektrisk kraft. En primær oppgave i plassering av lederen 60 i de indre områder av komposittrøret 10 er å sikre at bøyningsdeformasjonen på lederen 60 blir minimalisert. Dette er spesielt kritisk hvis lederen 60 er en fiberoptisk kabel. Dessuten er energilederen 60 typisk spiralorientert i forhold til lengdeaksen 60 for komposittrøret for å minimalisere bøyningsdefor-masjonen på lederen 60. Spiralorienteringen tillater at kompresjonsdeformasjon som gjennomgås av den seksjon av ledere som er plassert på den interne bøying av røret blir an-nullert ved ekspasjonspåkjenningen som gjennomgås ved seksjonen av lederen som er plassert på den ytre bøying av røret. Dvs., lederen 60 er i stand til i det vesentlige å motvirke deformasjoner som er et resultat av bøyingen av komposittrøret over lengden av lederen 60, og derved hindre ureparerbar skade på lederen.

Figur 10 illustrerer benningssyklene som et spolet komposittrør 10 er utsatt for når det utfører en typisk tjeneste for et spolerør. Røret 10 settes inn i og fjernes fra et brønn-hull 36 plassert under jordoverflaten. En snelle 42 er anordnet på overflaten, og det spolete komposittrør 10 er lagret på snellen 42. En injektorenhet 38 er plassert på overflaten over brønnhullet 36. Injektorenheten 38 inneholder typisk et rullebelte 40 brukt til å føre det spolete komposittrør 10 gjennom injektorenheten 38 og inn i brønnhullet 36. Det spolete komposittrør 10 er typisk utsatt for seks bøyningshendelser mens det innføres og fjernes fra brønnhullet 36. Den første bøyningshendelse 44 finner sted når det spolete kom-posittrør 10 trekkes av tjenestesnellen 42. Når det spolete komposittrør 10 når enheten 38, passerer det spolete komposittrør gjennom to bøyningshendelser 46 og 48. Bøynings-hendelsene 50, 52 og 54 er det motsatte av bøyningshendelsene 42, 46, 48, og skjer når det spolete komposittrør trekkes ut fra brønnhullet 36. Innsetningen og uttrekningen av røret 10 resulterer således i en total av seks bøyningshendelser for hver rundtur av det spolete komposittrør 10. Det nåværende stålrør som blir brukt i felten kan generelt sykles tre ganger gjennom bøyningshendelsene beskrevet på figur 4 i forbindelse med høye interne trykk før stålrøret feiler. I sammenligning, kan det spolete komposittrør ifølge søke-rens oppfinnelse sykles 10.000 ganger gjennom de bøyningshendelser som er beskrevet på figur 4.

Det må også forstås at de følgende krav til å dekke alle generiske og spesifikke trekk av oppfinnelsen som beskrevet her, og alle utsagn om omfanget av oppfinnelsen, som en språklig sak, kunne falle mellom disse.

Claims (14)

1. Spolbart komposittrør som har en lengdeakse, karakterisert ved at det omfatter: en rørformet, i det vesentlige fluidum-ugjennomtrengelig indre foring utformet av polymeriske eller metalliske materialer, et første komposittlag som omgir den nevnte foring og er utformet av et spiralorientert første sett av fibre og av en polymerisk matrise med en elastisitetsmodul på mer enn 10.000 psi (6.891 x 10<6> Pa), et ytre lag som er utenfor og omgir det nevnte første komposittlag, hvor det ytre lag er enten et trykkbarrierelag utformet av en ugjennomtrengelig film eller et ytre beskyttelseslag som gir slitasjemotstand og har en ytre overflate med en friksjonskoeffisient som er mindre enn friksjonskoeffisienten for komposittlaget, og hvor den nevnte foring og komposittlaget og det ytre lag utgjør et komposittrør som har en strekkdeformasjon på minst 0,25% ved punktet for maksimal strekkdeformasjon under spoling på snellen og under opprettholdelse av formen med åpen boring.

2. Komposittrør ifølge krav 1, karakterisert ved at den nevnte ugjennomtrengelige film er spiralviklet rundt komposittlaget.

3. Komposittrør ifølge krav 1, karakterisert ved at den nevnte ugjennomtrengelige film er valgt av gruppen bestående av metaller, polyester, polyimid, polyamid, polyvinyl fluorid, polyvinyliden fluorid, polyetylen, polypropylen og elastomerer.

4. Komposittrør ifølge krav 1, karakterisert ved at det nevnte trykkbarrierelag omfatter et lag av smeltede partikler av polymermateriale.

5. Komposittrør ifølge krav 1, karakterisert ved at det nevnte trykkbarrierelag har minimum strekkforlengelse på minst 10% og en aksiell elastisitetsmodul på mindre enn 705.000 psi.

6. Komposittrør ifølge krav 1, karakterisert ved at det nevnte ytre beskyttelseslag videre omfatter et kompositt utformet av en fiber og matrise med et partikkelmateriale.

7. Komposittrør ifølge krav 1, karakterisert ved at det nevnte fiber i det ytre beskyttelseslag er aramid.

8. Komposittrør ifølge krav 6, karakterisert ved at det nevnte partikkelmateriale er valgt fra gruppen bestående av keramiske, metalliske, polymeriske partikler, silica og fluorinerte polymerer.

9. Komposittrør ifølge krav 1, karakterisert ved at foringen har en radiell tykkelse på mellom 0,02 inches (0,0508 cm) og 0,25 inches (0,635 cm).

10. Komposittrør ifølge krav 1, karakterisert ved at foringen er metallisk.

11. Komposittrør ifølge krav 1, karakterisert ved at det videre omfatter en energileder innlagt i enten foringen, komposittlaget eller det ytre lag.

12. Komposittrør ifølge krav 11, karakterisert ved at energilederen er metall.

13. Komposittrør ifølge krav 11, karakterisert ved at energilederen strekker seg i spirallinje langs lengden av komposittrøret.

14. Komposittrør ifølge krav 11, karakterisert ved at energilederen er et lysledende medium.