专利名称：软管操作系统和方法
技术领域：
本发明涉及操作用于石油钻井作业的软管的装置。本发明特别涉及能安装软管延伸长度的卷筒。本发明特别还涉及能安装软管延伸长度的可拆解运输的卷筒。
相关技术描述目前石油工业中采用的软管通常包括由金属或复合物制成的具有较薄横截面厚度的小直径圆筒管。软管通常更易弯曲并且比普通钻绳更轻。软管的这些特性使其得以在各种油井中使用。将软管通过井口控制设备送入油井或气井中以完成油井的勘探、钻井、生产和检查中的各种工作。例如，软管常用于将气体或其它液体注入井内、使桥塞(bridge)和封隔器(packer)膨胀和致动、向井内运送测井工具、完成油井中的维护固井清理工作和向井下运送钻井工具。软管的易弯曲和重量轻的特点使其特别适用于偏斜的油井中。
通常，将软管通过井口控制设备导入油井或气井井身内。软管的普通操作系统包括卷筒组件、鹅颈管和管注入头。卷筒组件包括存储软管的旋转卷筒、支承卷筒的支架、驱动电机和旋转联轴节。在作业中，管注入头抽出存储在卷筒上的软管并将软管导入井口。驱动电机带动卷筒旋转以展开软管，鹅颈管将软管导入注入头。在作业中通常通过软管泵送液体。旋转联轴节使卷筒组件和来自泵的液体管道之间互连。这样的软管设置和设备在本领域中是公知的。
尽管现有技术软管操作系统满足由金属如钢制成的软管，但是不适于具有由复合物制成的软管的较长钻井和作业钻柱。由于复合软管显著轻于钢软管，因此使用这样的延长的复合软管长是有可能性的。事实上，可以制造复合软管具有在钻井泥浆中的中性浮力(neutralbuoyancy)。由于复合软管有效地在钻井泥浆中浮动，下井工具如牵引机为了拖引复合软管穿过井身仅需要克服摩擦力。复合软管的这一特性可以显著提高复合软管的有效工作范围。这样，复合软管可以使完井深度为20000英尺或更深，这是通过其它方法所不容易达到的深度。
此外，复合物可以很好地防止由“弯曲事件”引起的疲劳破坏，这是一种通常与钢软管有关的破坏行为。在新制造的软管进入井身之前至少会发生三种弯曲事件当软管首先由卷筒上展开时的伸直，在鹅颈管之上移动时的弯曲，以及在进入注入器时的伸直。这样累积的弯曲事件会严重损害钢软管的完整性，并威胁到人员和钻井作业。因此，钢软管在经过几次进入井身后，通常就无法使用了。但是，复合软管可以明显不受这些弯曲事件的影响，并能一直使用非常长的时间。
因此，采用复合软管的系统可以安全而经济地钻凿和勘探的油井比以前普通钻井系统所能达到的更深、更长。但是，完成但非生产的油井可以重新工作以提高烃类回收。这样，复合软管系统可以在过去所不能达到的地域内进行钻井作业，由此进一步最大限度地回收矿物燃料。
但是这些钻井作业中的显著改进需要能有效和经济地利用复合软管延伸长度的操作系统。在现有技术的软管操作系统中，卷筒组件通常是软管装置中的最大单个部件。卷筒组件的尺寸常常直接受各种政府法规和条例的限制。例如，在国内许多公路上，征收超过特定重量或尺寸限制的拖拉机-拖车的附加费。此外，由于海上平台空间是有额外的费用的，许多钻井公司对在任何给定时间内的钻机上所允许的设备数量和尺寸有严格要求。对使用的驳船或运输船只尺寸和载荷的限制还限制了卷筒的实际尺寸。
尽管如此，具有较大存储容量的卷筒具有工作经济性。例如，各自存储12000英尺软管的两个卷筒可以比各自存储8000英尺的三个卷筒更经济。具有经济性的一个原因是两个卷筒结构减少了一个卷筒的更换。即，通过一次输送较长的长度，减少了要求在工作钻柱中插入新的管卷筒的停工次数，因此大的软管卷筒给钻井公司带来好处。由于安装时间花费很高，因此常常最大程度的减少配置管所花费的时间。
为此，需要这样的软管系统，即最大程度地增加可以配置的管长并且最大程度地减小装置的实际尺寸。由于复合软管长可以配置的长度大大长于钢软管可能的长度，因此需要能存储大量软管的可运输卷筒。
总之，尽管能操作很长软管的盘绕操作系统大大利于油和气体的回收工作，但是，现有技术没有公开这样的操作系统。
由下面的说明可以清楚理解本发明的其它目的和优点。
图2是根据本发明构成的软管卷筒的一个实施例分解视图；图3是本发明实施例的侧视图，其中表明一个侧壁的一半被取下；图3a是图3所示实施例的等角视图；以及图4是本发明另一实施例的侧视图。
优选实施例详述现在参照
图1，本发明卷筒20安装在位于油井工地的钻井机26的支架24上。卷筒20存储伸入油井30内的复合软管28的延伸长度。在1998年5月20日申请的、名称为“油井系统”、序列号为09/081,961的未审定申请中说明了由组合物制成的管，这里通过参考而合并其内容。下面说明适于各种油井工地的卷筒20的优选实施例。
参照图2，卷筒20的优选实施例包括圆筒40、第一侧壁42、第二侧壁44、螺栓46和螺母48。螺栓46最好在圆筒40的端面50、52沿圆周方向布置。
第一和第二侧壁42、44卡住组合软管，该软管可以卷绕在毂42上。由于第一和第二侧壁42、44基本相同，因此下面仅详细说明第一侧壁42。参照图3和3a，第一侧壁42最好包括邻接第一圆筒面50的多个拼合凸缘60。根据优选实施例，凸缘60包括用于容置螺栓46的间隙孔62。第二侧壁44的凸缘61具有相同的结构。可以明白，可采用任何数量的可释放锁定结构以保证凸缘与圆筒40固定。例如，可以在圆筒40上设置适于可释放地容置凸缘60的压紧件(未示)。
已知卷绕在圆筒40上的复合软管不沿圆筒40轴向施加明显的载荷。因此，可以在设计凸缘60时重点考虑解决运输和操作的困难。例如，凸缘可以由薄的轻型钢板构成或由强化金属丝网壁构成以降低重量。此外，凸缘可以包括穿孔或设置成非邻接形式，以进一步减小尺寸和降低重量。而且确实几乎可以使用在圆筒40上夹持软管的任何结构，如径向设置的杆(未示)。
圆筒40支承在卷筒20上绕制并由卷筒20展开的复合软管。支架24(图1)通过互连轴25旋转圆筒40。再参照图3和3a。圆筒40包括毂41、十字轴43和多个辐条45。通过径向向外延伸的辐条45将毂41同心支承在十字轴43上。毂41具有安置复合软管的卷绕面49。本申请的名称为“用于支承复合软管卷筒”的、序列号为09/443,407的美国申请中公开了卷绕面的结构，实际上这里通过参考而合并其内容。可以设置吊耳以便于运输和圆筒40的操作。
最好，设定毂41的直径以使复合软管中存在2％或更低的变形。这样，对于直径为27/8英寸的复合软管，毂41的直径应该大约为144英寸或更大。同样地，对于直径为37/8英寸的复合软管，毂41的直径应该大约为194英寸或更大。期望根据所述标准设定的毂直径会延长复合软管的工作寿命。但是，应该明白合成材料的发展会获得这样毂直径，它使复合软管中的变形大于2％。
圆筒40的几个部件最好分别制造并能通过标准焊接方法、螺纹紧固件或任何其它合适的方法进行装配。最好使圆筒40作为一个单元进行运输。但是，如果毂40的制造直径不在允许的运输范围内，则可以利用轴分线56将圆筒40剖开成配合的半圆筒形对分部58a、b。配合的半圆筒形部58a、b可以利用各种公知的方法连接，如螺纹紧固件(未示)。附加分割线的使用会进一步减小制成圆筒40的单独部分的尺寸和重量。此外，连接方法利用复合软管的工作特性。例如，将通过复合软管当增压钻井液泵入井内时，卷绕在卷筒上的复合软管部分有径向膨胀的趋势。该径向膨胀导致毂40上受压缩力作用，可有助于保持具有分割线的圆筒40的结构完整性。
现在参照图4，卷筒20的另一个实施例包括配合的第一和第二部分70、72。由于第一和第二卷筒部分70、72基本为对称的，因此仅说明第一卷筒部分70。第一卷筒部分70最好为具有十字轴74的单个组件，十字轴具有支承毂78的、沿径向向外延伸的辐条76。毂78具有卷绕面80用于卷绕复合软管。侧壁82、84固定在毂端面79上。可以理解第一卷筒部分70的独特设计使各种制造方法得以使用，如角焊接、螺纹紧固件、联锁件或其组合。为了将第一卷筒部分70与第二接头部件72连接，可以在第一部分70的辐条76上设置多个螺合螺栓86。第二卷筒部分72上的间隙孔88适于容置螺栓86。螺母(未示)拧在螺栓86上保证第一卷筒部分70与第二卷筒部分72相固定。应该明白第一和第二卷筒部分70、72可以通过任何合适数量的方法进行装配，仅将了螺栓的使用作为示例进行了说明。此外，会明白卷筒20可以分成两个以上拼合的部分。这样，优选卷筒20的实用结构可以包括方便地拆开和结合的三个或三个以上部分。
对于具有27/8英寸标准尺寸的1500米复合软管，实施例卷筒可以具有12英尺的毂直径和18英尺的总直径。拆分结构的实施例可以包括第一和第二侧壁，每个侧壁具有8个凸缘。这样的拆分结构可形成最大宽度为大约7英尺的凸缘和直径为12英尺的卷筒。这样要运输的任何部件的最大尺寸由18英尺减小到12英尺。侧壁可以由更多或更少的凸缘构成。此外，可以采用分割线以进一步减小卷筒的尺寸和重量。对于标准尺寸为31/2英寸、41/2英寸或更大的复合软管，1500米的软管长度对于较大卷筒是必要。但是，根据本发明进行设计，这样的卷筒仍然需要分成便于运输的组成部件。
上述本发明的实施例可以用于油井工人要使用复合软管延伸长度的完井和检查工作。尽管复合软管可以在几个分开的卷筒上运输并在插入井身内时相互连接，油井工人会选择使用单个卷筒以进行其后的复合软管操作。
一般，选择本发明卷筒的油井工人会采用两步骤方法实现卷筒的最佳设计。第一步骤是获得关于所使用软管结构的卷筒总体设计尺寸。通常卷筒的总体尺寸由要求的储存能量确定，即要卷绕的复合软管的长度和标准尺寸，以及预期的静载荷和工作载荷。第二步骤是获得便于所要求卷筒的运输和操作的拆分设计。已知油井现场的卷筒拆分结构由以下系数确定，如运输费用、运输路线上的尺寸限制、油井现场的存储设备的负载量、可适用的安全规定以及提升设备如起重机和缆索的重量限制。
一旦设计好了卷筒的几个组成件(下文中的主(master)卷筒)，可以制造主卷筒组件并将其运输到油井现场。将装在小的单个卷筒上的较短长度复合软管运送到油井现场。在油井工作中，根据需要构成短长度的复合软管，并随后将其插入井身中。在流水号为09081961、名称为“油井系统”的悬而未决申请中描述了这样的操作过程。当操作要求复合软管的整个延伸长度由井身放出，装配主卷筒并将其安装在合适的操作台上。在建立了合适的连接后，复合软管的整个延伸长度可以卷绕在主卷筒上。可以想见，可以在卷绕/收回过程中使用一个以上的主卷筒。当然实际的主卷筒数量依据插入油井的复合软管长度。因此，可以方便地收回并利用延伸的管长而不必在几个小卷筒上卷绕延伸的管长。
可以看到，一旦在油井现场将延伸的复合软管长卷绕在本发明卷筒上，便可以将卷筒方便地运送到附近的其它油井现场。此外，如果该卷筒放置在轮船上，可以将卷筒运送到几乎任何海上油井。这样，对于接着最初操作的油井服务工作，本发明卷筒减少或甚至取消了插入和收回阶段中卷筒的更换(chang-out)。
尽管已经显示和说明了本发明的优选实施例，但是本领域的技术人员可以对其进行改进而不背离本发明的精神和教导。本文所描述的实施例目的是举例说明而并是为了限制本发明。可以在本发明的范围内对该系统和装置作出各种改变和改进。此外，虽然已经说明了这些方法，但是应理解，除非对特别顺序作了规定，可以以任何顺序执行该方法的单独步骤。因此，本发明的范围不限于本文所描述的实施例，而是由下述权利要求进行限定，其范围将包括权利要求主体的等同物。
权利要求
1.一种用于支承复合软管的卷筒组件，包括具有第一和第二端面的圆筒；以及可移动安装在所述端面上的第一和第二侧壁。
2.如权利要求1所述的卷筒组件，其中所述圆筒具有的直径使得当所述复合软管卷绕在所述圆筒上时所述复合软管中的变形低于大约2％。
3.如权利要求2所述的卷筒组件，其中所述圆筒和所述凸缘的结构存储至少1500米复合软管的结构。
4.如权利要求1所述的卷筒组件，其中所述侧壁包括至少4个凸缘。
5.如权利要求4所述的卷筒组件，进一步包括将所述凸缘固定在所述圆筒上的螺纹紧固件。
6.如权利要求1所述的卷筒组件，其中所述侧壁是不邻接的。
7.如权利要求1所述的卷筒组件，其中所述侧壁由强化金属丝网构成。
8.如权利要求1所述的卷筒组件，其中所述圆筒包括形成第一和第二圆筒分部的轴向分割线。
9.一种用于支承复合软管的卷筒组件，包括具有形成第一和第二部分的轴分割线的圆筒，所述第一部分以可释放的方式连接所述第二部分，所述第一和第二部分各自具有第一和第二端面；安装在所述第一部分第一端面上的第一凸缘；安装在所述第二部分第一端面上的第二凸缘；安装在所述第一部分第二端面上的第三凸缘；以及安装在所述第二部分第二端面上的第四凸缘。
10.如权利要求9所述的卷筒组件，其中所述圆筒具有的直径使得当所述复合软管卷绕在所述圆筒上时所述复合软管中的变形低于大约2％。
11.如权利要求10所述的卷筒组件，其中所述圆筒和所述凸缘的结构存储至少1500米复合软管的结构。
12.如权利要求9所述的卷筒组件，其中所述圆筒由重量轻的高强度钢制成。
13.如权利要求9所述的卷筒组件，其中所述凸缘由强化金属丝网构成。
14.如权利要求10所述的卷筒组件，进一步包括将所述圆筒第一部分固定于圆筒第二部分上的螺纹紧固件及相关螺帽。
15.一种用于存储复合软管的卷筒组件，包括具有多个圆筒分部的圆筒，每个圆筒分部以可释放的方式结合相邻圆筒分部；并且第一和第二凸缘以可释放的方式连接在至少一个所述圆筒分部上。
16.如权利要求15所述的卷筒组件，其中所述圆筒分部包括至少4个圆筒分部。
17.如权利要求15所述的卷筒组件，其中所述圆筒分部具有圆周卷绕表面，所述卷绕表面和所述凸缘形成足以存储至少1500米软管的容积。
18.一种在油井现场储存软管的方法，包括(a)向油井现场运送第一管长；(b)向油井现场运送第二管长；(c)提供主卷筒，所述主卷筒具有存储至少所述第一和第二管长的组合长度的容量，所述主卷筒包括至少两个以可释放方式固定在一起的分部；以及(d)将所述第一和第二管长卷绕在所述主卷筒上。
19.如权利要求18所述的方法，进一步包括将所述主卷筒运送到第二油井现场。
20.一种在油井现场使用软管的方法，包括将第一管长插入井身；将第二软管长与第一软管长连接以便形成延伸的软管长；将第二软管长插入井身；在所述油井现场设置主卷筒；以及将所述延伸的软管长卷绕在主卷筒上。
21.如权利要求20所述的方法，进一步包括将所述主卷筒运送到第二油井现场。
22.一种采用复合软管为油井服务的方法，所述方法包括向油井现场运送多根单个复合软管长；通过使多根复合软管长相互连接而制成作业的钻柱，所述作业的钻柱具有自由端和接合端；在所述作业的钻柱的所述自由端上安装下井工具；将所述作业的钻柱插入井身；以及通过将所述作业的钻柱卷绕在至少一个主卷筒上而收回所述作业的钻柱，所述主卷筒具有大于油井处最长单根软管长的容量。
23.如权利要求22所述的方法，其中所述下井工具为适于钻通岩层的底孔组件。
24.如权利要求22所述的方法，其中所述作业的钻柱长度至少为20000英尺。
25.如权利要求27所述的方法，进一步包括选择具有在钻井液体中的基本中性浮力的复合软管长材料。
26.如权利要求25所述的方法，进一步包括将所述主卷筒运送到第二油井现场。
27.如权利要求26所述的方法，进一步包括所述下井工具是一组用于读取岩层特性的传感器。
全文摘要
在油井现场使用管的软管操作系统和方法。操作系统包括用于存储延伸的复合管(28)长的、具有多个分部的主卷筒(20)。在一个实施例中，该卷筒具有一对可拆分的侧壁(42、46)，每个侧壁具有多个凸缘(60)。在另一个实施例中，卷筒包括径向分割线(56)，该分割线形成基本相同的可固定和配合的圆筒分部。选定的圆筒直径使复合软管中的变形小于2％。一旦设计好了卷筒的组件，便可以将组件运送到油井现场，在该油井现场装配主卷筒和将已经卷绕在单个卷筒上的较短管长连接并卷绕在主卷筒上。
文档编号B65H75/22GK1406201SQ01804816
公开日2003年3月26日 申请日期2001年2月9日 优先权日2000年2月11日
发明者E·艾伦·科茨 申请人:哈利伯顿能源服务公司