改进的盘绕管喷射头.pdf

一种改进的盘绕管喷射头，其包括：多个动力链环(1)，各个环具有邻近其它链环的大致平直的侧边且偏压在所有环之间延伸的管(2)，以夹紧该管且允许其移入和移出井。该链环由多功能链节(23，24)装配而成，所述多功能链节既传递驱动又形成用于可更换夹紧块的载体，或者作为组合的载体和夹紧块，除了多功能链节之外不需要辊子链。提供三个或更多链环，并且链环由电动机驱动。

1.  一种盘绕管喷射头，包括多个动力链环，各个环具有邻近另一链环的大致平直的部分的大致平直的部分，且被布置以偏压在各个环之间延伸的管，以夹紧该管且允许其移入和移出井，所述链环包括适于传动且形成夹紧块的多功能链节。

2.  如权利要求1所述的喷射头，其中夹紧块限定管夹紧表面，所述管夹紧表面与将被注入的管的直径接近地成形。

3.  如权利要求1所述的喷射头，其中，夹紧块限定V形的管夹紧表面。

4.  一种盘绕管喷射头，包括：多个动力链环，各个环具有邻近另一链环的平直部分的大致平直的部分，且被布置以偏压在各个环之间延伸的管，以夹紧该管且允许其移入和移出井，所述链环包括用于传动和形成用于可更换的夹紧块的载体的多功能链节。

5.  如权利要求4所述的喷射头，其中，夹紧块限定管夹紧表面，所述管夹紧表面与将被注入的管的直径接近地成形。

6.  如权利要求4所述的喷射头，其中通过销子和配合插槽，夹紧块可释放地接合所述载体。

7.  如权利要求4所述的喷射头，其中通过大致圆形的销子和配合插槽，夹紧块可释放地接合所述载体。

8.  如权利要求6所述的喷射头，其中所述销子与夹紧块形成一体或连接至夹紧块，所述配合插槽形成在用作载体的多功能链节中。

9.  如权利要求7所述的喷射头，其中所述大致圆形的销子通过卡口式锁定机构被保持在插槽中。

10.  如前述任意一项权利要求的喷射头，其中提供至少三条链环。

11.  如前述任意一项权利要求的喷射头，其中提供至少三条传动链环。

12.  如前述任意一项权利要求的喷射头，其中提供四条链环。

13.  如前述任意一项权利要求的喷射头，其中提供四条传动链环。

14.  如前述任意一项权利要求的喷射头，其中至少一条链环由电动机驱动。

15.  如前述任意一项权利要求的喷射头，其中各个驱动链环由电动机驱动。

16.  如权利要求14或15所述的喷射头，其中电动机为永磁电动机。

17.  如前述任意一项权利要求的喷射头，其中轴联接邻近的链节。

18.  如权利要求1 7所述的喷射头，其中所述轴被保持以抵抗旋转和纵向运动之一或两者。

19.  如权利要求18所述的喷射头，其中所述轴通过接合轴端部的构件被保持。

20.  如权利要求19所述的喷射头，其中通过被可释放的固定件固定到链节的锁定板来相对于链节保持所述轴。

21.  如权利要求17至20中任意一项权利要求所述的喷射头，其中所述轴为辊子提供安装。

22.  如权利要求21所述的喷射头，其中所述辊子采用针辊组件的形式。

23.  如权利要求21或22所述的喷射头，其中所述辊子适于结合驱动部件。

24.  如前述任意一项权利要求的喷射头，其中所述链节包括润滑装置。

25.  如权利要求24所述的喷射头，其中所述链节包括润滑分配通道，适于促进润滑油或油脂从进入点流动至相对移动的部件之间的界面。

26.  如前述任意一项权利要求的喷射头，其中每个链节包括侧部构件和在侧部构件之间延伸的横向构件，一个或多个轴在所述侧部构件之间延伸。

27.  如权利要求26所述的喷射头，其中所述一个或多个辊子在所述侧部构件之间被安装在轴上。

28.  如权利要求26或27所述的喷射头，其中所述夹紧块被设置在横向构件上。

29.  如权利要求28所述的喷射头，其中所述夹紧块被一体地形成在横向构件上或者不可释放地固定至横向构件。

30.  如权利要求28所述的喷射头，其中所述夹紧块被可释放地安装至横向构件。

31.  如前述任意一项权利要求的喷射头，其中相邻链环的平直部分适于互锁。

32.  如前述任意一项权利要求的喷射头，其中两个不同链节形式被提供，以及相邻链环被偏移以互锁所述环。

33.  一种用于盘绕管喷射头的链条，包括多功能链节，所述多功能链节适于传动及形成夹紧块。

34.  一种用于盘绕管喷射头的链条，包括多功能链节，所述多功能链节适于传动及形成用于可更换夹紧块的载体。

35.  一种盘绕管喷射头，包括多个动力链环，每个环具有邻近另一链环的大致平直部分的大致平直部分，且适于偏压在各个环之间延伸的管，以夹紧该管且允许其移入和移出井，所述链环由至少一个电动机提供动力。

36.  如权利要求35所述的盘绕管喷射头，其中至少一个电动机为永磁同步电动机。

37.  如前述任意一项权利要求的盘绕管喷射头，其中各个链环被安装在独立的牵引组件上，牵引组件可以从喷射头中心线移开，以允许较大直径物体通过喷射头。

38.  一种盘绕管喷射头，包括：至少三个链环，至少其中一些链环被提供动力，各个环具有邻近另一链环的大致平直部分的一个大致平直的部分，且适于偏压在各个环之间延伸的管，以夹紧该管且允许其移入和移出井。

39.  一种盘绕管喷射头，包括至少三个动力链环，各个环具有邻近另一链环的大致平直部分的大致平直的部分，且适于偏压在各个环之间延伸的管，以夹紧该管且允许其移入和移出井。

40.  如权利要求38或39所述的盘绕管喷射头，其中各个链环被安装在独立的牵引组件上，牵引组件可从喷射头中心线移开，以使较大直径物体通过喷射头。

改进的盘绕管喷射头
技术领域
本发明总的涉及用于操作连续或盘绕管的喷射头，所述连续或盘绕管用于通过液压或机械方式插入井孔及从井孔中取出以便调整或增大井孔。
背景技术
盘绕管井干预在石油生产工业中已经被知道了很多年。小直径(典型的为1.5英寸)、大长度(经常超过15,000英尺)的钢管通过盘绕在大卷轴上而被处理，这解释了盘绕管名称的由来。所述管卷轴不适合作为绞车滚筒，因为那样使用它所涉及的应力将破坏管。在行业中所接受的解决方案是从卷轴中拉出管，因为这是必需的且使管绕过弯曲的导拱或“鹅颈管”，以使它与井孔位于共同的垂直轴线上。为了控制管进出井孔，被称为盘绕管喷射头的设备被暂时安装在井头(wellhead)上，在导拱之下。通过喷射头的使用，从井头处大致平直的管获取管重和有效载荷，仅仅留下用于整理盘绕至管卷轴所需要的小张力。盘绕管外部是齐平的且理想地用于插过压力保持密封装置或填料盒插入活井(充气油井)，所述活井是一种如果不密封则井头压力可能喷射流体的井。典型地，盘绕管喷射头需要在深入井中时能够提升或拉动40,000lbs(磅)管重和有效载荷。还必须能够推动或紧急制动20,000lbs(磅)，以在行程的开始和结束处克服填料盒摩擦和井头压力。盘绕张力(卷取张力)由管卷轴驱动系统控制且大致保持恒定，不管喷射头是否使管进入井中或从井中出来或者正在被拉动或紧急制动。盘绕张力与管重和井孔中的管所承载的有效载荷相比较是不明显的，并且对于管的整体性是没有危险的。该管典型地达到井中较大深度，然后在较短距离上重复地循环，以进行化学处理或操作工具来调整或增大井孔。通过对喷射头的精心控制，盘绕管操作器操纵管深度和速度来实现被编程的任务。为了使喷射头可以操纵管，它必须夹紧该管，然后同时移动夹紧装置，以使管在井孔内移动。尽管实现这种目的的其它方法是已知的，但是本发明涉及关于多个链环的解决方案。
参考附图中的图1、2，闭合的或头尾相连的链环1通过驱动轴3经由被安装的链轮4被移动，与形成总链环组件的一部分的辊子链5接合。在大致平直且平行的长度段上邻近其它链环的每个环的长度段在某些机构，例如液压驱动辊和链组件6的推动下与管2有力地摩擦接合，以牢固地夹紧管2和阻止其无控制地滑入井中。许多专利描述了对这种喷射头的结构和机构的改进。US 4,585,061描述了一种用于这种机器的改进的载荷支撑结构，以及US 5,188,174描述了一种用于促使链长度段与管紧密摩擦接合而不使管朝向链行程(chain run)底部承受过度应力的改进机构。US5,188,174还披露了对链环结构的改进，如图2中所示，其中将辊子链联接至夹紧块7的销子对于链环组件中的两个辊子链5中的每个辊子链是可分开移除的。此外，大量现有技术仅仅涉及链环的细节。US 5,853,118描述了一种与管接触的夹紧块的改进的表面几何形状，如附图中的图3中的特征9所示，其中管夹紧表面被成形以通过V形槽安装具有一定尺寸范围的管。该V形槽与半圆尖头形槽8相反，如图2中所示，这在许多设计中可看到。另外，US 5,853,118披露了对链组件的简化，其中各个夹紧块被固定到辊子链5，通过在每个块10中使用单个贯穿销而不是传统的在每个块中使用两个销。US 6,173,769描述了一种快速改变管接触部件或“夹紧块”而无需完全拆卸许多链组件的机构，如附图中图4中所示。承载部件11被设置在两个辊子链5之间，适于选择的管尺寸的夹紧块12可以可释放地安装在其中。
所有这些现有技术建议的方案依赖于辊子链5和匹配链轮形式4作为从驱动轴3至链环组件1的传动机构。辊子链是廉价的、容易得到的且非常坚固的，然而其结合在链环组件中带来了重量和维护负担，因为，现有技术的组件都包括具有两个重载辊子链的许多部件、加上接触管的夹紧块以及有时还有它们的可分离的载体11。
因此，本发明的实施例的目标之一是提供一种改进链组件，其至少与传统的装置(配置)一样坚固，但是比较简单、重量轻且容易维护，同时保留能够提供可快速更换的夹紧块的优点。
现有技术的装置(配置)还依赖于一或多个液压电动机，以移动链环组件1。过去，液压电动机是明智的选择，组合了机械简易性、高功率密度、高启动扭矩、危险环境中的安全性和简化的控制系统的所有优点。然而，其也存在着许多缺陷，即需要庞大的驱动软管、导致热耗散问题的机械无效率和有限的控制灵活性，尤其是在低的恒定速度下。
存在着寻求使液压驱动的缺陷最小化的多个现有提议，导致的方案是：采用从例如US 6,059,029中所披露的且在Hydra Rig 580产品中实现的一个高速电动机到例如在换代Hydra Rig 480产品中配置的四个低速电动机的液压电动机的任意组合。
本发明实施例的目标之一是提供一种改进的盘绕管喷射头，其解决了传统液压驱动系统的局限。
另外，现有技术方案依赖于单对相对链环。施加于两个相对链环的夹紧力基本上被设置将管挤压变形，这是最不希望的结果。认识到这种情况，相当多的现有技术涉及接触管的夹紧块的形式。许多从业人员已经考虑到：在围绕管的圆周的位置处支撑管的适当的夹紧块形式将减轻由链加载组件施加的压挤力。例如US 5,188,174谈到夹紧块具有“前部管接触表面的弧状凹陷，其通常与管的半径相同”，并且这在附图的图2中被示出为凹槽8。当认识到在制造和正常使用中盘绕管直径的轻微变化时，这种半圆尖头状块的局限性是很好理解的。在盘绕管移入和移出井中时，通常包含明显的内部压力。在管卷轴和井头导拱处，管的弯曲半径足以屈服(yield)管材料。内部压力与由弯曲所导致的屈服的组合使管直径轻微但永久地增长。为了允许这种增长以及制造容差，半圆尖头状块必须被制造为略微大于管的标准直径。因此，在许多种情况中，它仅仅与管单一地但是较弱地线接触，并且块不能提供横向支撑，直至管明显地变形。US5,853,118描述了一种接触管的夹紧块的可替代方案，如附图中图3所示，其中使管夹紧表面成形以通过V形槽9安装具有一定尺寸范围的管。因此，与传统的两个线接触点的尖头状块相比，通过成对链产生的四个线接触点被更均衡地设置在管周围，但是其具有以下缺陷：线接触点坚硬(hard)，与直边接触，不能被尖头的配合曲面柔化。US 5,309,990揭示了一种合成块，其中弹性体层被用于支撑尖头状夹紧部件的每一对四分之一圆周。如附图中的图5中所示，与下面的金属支撑件14的几何形状相结合，弹性体13的柔性允许夹紧部件15进行调整以使管直径略微不同，这样在围绕管的四个等间隔的位置处提供良好的软接触点。然而，由于弹性部件被严重挤压且通常仅具有短的服务寿命，所得到的链环组件复杂且维护起来较昂贵。
因此，本发明实施例的目标之一是提供一种改进的盘绕管喷射头，其虽然基于多个链环的成功的试验构思，但解决了关于防止用于夹紧管所必需的压挤力使管变形的问题。
发明内容
依据本发明，提供一种盘绕管喷射头，包括：多个动力链环，每个环具有一个邻近另一链环的大致平直的侧边，且被布置以偏压在各个环之间延伸的管，以夹紧该管且允许其移入和移出井，该链环包括用于传递驱动和形成用于夹紧块的载体的多功能链节。
本发明的这个方面提供一种盘绕管喷射头，其中链环的多功能链节利用安装在其间的夹紧块消除了提供传统的成对辊子链的需要。这便于提供较窄的链环，并便于提供具有三个或四个链环的喷射头。这减少了盘绕管在通过喷射头时的变形，增加了管寿命和减小了管失效的可能性。还可能在三个或四个传动(driven)链环之间的管上施加更大的夹紧力，以使喷射头的高度可以减小。在另外的实施例中，链环中的一个或多个可以不被驱动。
一个或多个链环可以由一个或多个电动机驱动。该电动机可以是永磁电动机。这种电动机适于在可能存在可燃气体或液体的危险区域中使用，因为没有滑动或旋转接触减少了火花危险。这种电动机对于其扭矩性能而言也是相对紧凑的，并且，如果提供足够的冷却，能够从静止状态(rest)提供充分的扭矩。
轴或销可以联接相邻链节。轴可以被保持以抵制旋转和轴向运动之一或两者。通过接合轴的端部的构件可以保持轴。在一个实施例中，通过用可释放固定件例如螺丝固定至链节的锁定板，相对于链节保持轴。所述轴可为辊子提供安装，所述辊子可以采用针辊组件的形式。辊子可适于接合驱动部件，例如链轮。辊子和链轮齿的形状可以一致，以在辊子和链轮之间提供相对大面积的接触。链节可以包括润滑装置。在一个实施例中，链节包括润滑分配通道，所述润滑分配通道可以适于促使润滑油或油脂从进入点例如油脂喷嘴流动至轴和辊子之间的界面。
每个链节可包括侧部构件和在侧部构件之间延伸的横向构件。一个或多个辊子可以在所述侧部构件之间被安装在轴上。所述夹紧块可以被设置在横向构件上。所述夹紧块可以与横向构件一体地形成或不可释放地固定至横向构件，但是在特定实施例中，夹紧块可以被可释放地安装至横向构件，允许夹紧块的更换或互换以调节磨损或损坏，或者允许喷射头操纵不同的管直径。
相邻链环可以适于互锁，典型地在平直边处，以保证各个环以相同的速度行进。这可以通过提供两种不同的链节形式并通过相对相邻的环偏移一个环来获得，可以将各个环锁定在一起。
依据本发明的另一方面，提供一种盘绕管喷射头，其包括多个动力链环，各个环具有一个邻近另一链环的大致平直侧边且被布置以偏压在各个环之间延伸的管，以夹紧该管且允许其移入和移出井，其中链环由一个或多个电动机提供动力。
依据本发明的又一方面，提供一种盘绕管喷射头，其包括至少三个链环，这些链环中的至少一些链环被提供动力，每个链环具有一个邻近另一链环的大致平直的侧边且适于偏压在各个环之间延伸的管，以紧该管且允许其移入和移出井。
附图说明
参考附图，通过例子，现在将描述本发明的这些和其它方面，附图中：
图1显示传统盘绕管喷射头；
图2显示与夹紧块组装在一起的两个辊子链的使用，所述夹紧块被成形以安装特定的管尺寸；
图3显示与夹紧块组装在一起的两个辊子链的使用，所述夹紧块被成形以通过V形槽来安装一定尺寸范围的管；
图4显示与夹紧块载体组装在一起的两个辊子链的使用，所述夹紧块载体用于适当地可释放连接至夹紧块，所述夹紧块被成形以安装特定的管尺寸；
图5显示组合柔性(compliant)弹性体元件的具有复合结构的夹紧块的使用；
图6显示本发明一个方面的一个实施例的立体图，其中链节形成适于一种管尺寸的夹紧块；
图7显示本发明的一个方面的替代实施例的立体图，其中链接形成形成用于可分离夹紧块的载体，所述夹紧块适于一种管尺寸；
图8示出适于接合图6、7中的链节的凸轮辊元件的链轮形式；
图9显示本发明一个方面的实施例，其中通过齿轮箱组件作用的电动机分别驱动四个链环；和
图10显示如何通过使用多于两个的多个链环改善管的变形，以及进一步指示四个环与三个环相比提供明显的改进。
具体实施例
这里所图示和描述的实施例代表申请人所知道的当前实施本发明的最佳方式，但是它们不是本发明可以被实现的唯一方式。因此，各个实施例仅仅通过例子的方式示出和被描述。
本发明涉及一种大致如图1中所示类型的改进的盘绕管喷射头，其包括多个首尾连接的或闭合的链环1，各个链环具有一个邻近另一链环的大致平直的侧边，并偏压在所有环之间延伸的管2。偏压装置，例如液压连接的辊子组件6，起作用以夹紧管且通过链的运动允许管移入和移出井。
在本发明的第一实施例中，如图6中所示，链环的链条(chain)由两种链节(link)类型23、24组成，所述两种链节类型被配合地构造以便在通过轴25以交替顺序组装时形成链结构。通过螺丝27被保持的锁定板26在横向上限制轴25，并阻止其旋转。为了促使链条在偏压装置的表面上运动，在行业中称为凸轮辊的针辊组件28被共轴地安装在每个轴25上。各个链节类型23、24以弧状管夹紧表面30为特征，所述弧状管夹紧表面30与其适合的盘绕管的直径接近地成形(contoured)。因此，可用的盘绕管的几个尺寸要求同等数量的适当成形的链节设计。第一实施例的一种变型是：各个链节类型以管夹紧表面为特征，所述管夹紧表面被成形以通过大致V形的槽来装配一定尺寸范围的管。
替换实施例被显示在附图的图7中，其中链节39、40具有不同构造，以形成用于可分离夹紧块41的载体。因此，适合一种尺寸的管的夹紧块可以被方便地更换为适合另一种尺寸的夹紧块，而不需要用于改变整个链组件的材料费用。载体链节和夹紧件之间的配合形式为异常坚固的圆销子和通过四分之一圈卡口式锁定机构保持的插座。
可以看到，在两个公开的实施例中，整个链组件没有辊子链部件且不能与标准链轮形式接合。在优选实施例中所显示的解决方案是采用凸轮辊来执行辊子链中的辊子的功能。参考附图中图8，采用了适于凸轮辊的直径和间距的特定链轮形式42。
在本发明的优选实施例中，如附图的图9中所示，喷射头以四个链环为特征。各个环51具有邻近其余链环的一个大致平直的侧边，并且偏压在所有环51之间延伸的管55。在这个实施例中，链环51被显示为相对的两对且围绕管55等间距分布。此外，链环51被安装在同样的牵引组件56上，通过圆柱(cylinder)对54将牵引组件推向管，以夹紧该管，进而允许其通过链运动移入和移出井。通过永磁同步电动机57、结合减速齿轮箱和制动模块58、驱动轴52和链轮53，实现链运动。所有圆柱的撤回从机器中心线撤回牵引组件，这样，允许大直径物体(例如油井工具组件)通过喷射头。
参考图10，可以看到，通过使用三个链环而不是两个链环，管的变形被明显改善，以及通过使用如图9中所示的四个链环可获得更大的改善。
应当注意，在其它实施例中以及为了实现减小对管55的损坏的目的，可以使用不提供动力的夹紧链环。这样的实施例可包括被驱动的径向相对的一对链条，加上垂直设置的另一对链条，该另一对链条不被驱动而是保持相同的夹紧力，以促使在管圆周上产生均匀压力。这样的实施例提供了在应力分布上的改进，但不是理想的。夹紧管的目的是将运动从驱动系统传递给该管，从而控制井孔中的管。未驱动的链环对可利用的传递运动的摩擦力没有贡献，从而，得到的喷射头设计将需要两倍于为了控制相同的管重和有效载荷的依据优选实施例的完全被驱动的喷射头的夹紧长度的夹紧长度。