用于支撑复合卷管的卷筒的制作方法

专利名称：用于支撑复合卷管的卷筒的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及用于支撑和运输卷管的卷筒，更具体地说，是涉及用于把复合卷管卷绕在管道卷筒芯轴上的管道卷筒芯轴及方法。
背景技术：
卷管已经在石油和天然气行业被成功地使用了许多年。新技术的发展把卷管的作用扩展到了完井、修井、钻进和开采应用领域。绝大多数的技术和应用都集中在金属卷管上。尽管在过去的二十年中金属卷管的用途显著增加，但是，在使用金属管的情况中会受到一些限制，包括由于管线重量以及在恶劣环境下容易腐蚀所造成的抗拉强度的限制。
在以非金属复合材料为基础的卷管产品方面的技术发展有利于解决使用金属管道时所遇到的许多限制。复合管道通常由树脂-纤维合成的外管和同心设置的塑料内管组成，其中的内管基本上提供了期望的强度和保护的特性。在制造时，内管通常与外管整体地固定。与相同尺寸大小的钢管相比，复合管道重量更轻，抗破裂性更好，改善了流动系数，增大了疲劳阻力，而钢管则表现出更有利的防瘪、防压和抗拉的特性。因此，在某些应用中，复合管道只是钢管的可选择的直接替代品，而在另外一些应用中，复合管道则是更为优先选择的产品。
相对于金属管道，复合卷管的物理特性为利用复合卷管的优点的新技术发展提出了挑战和机遇。与钢管相比，复合管道的一个显著特性是它的明显不同的泊松比。于是，复合管道在一给定压力下，长度的收缩要远大于相同压力下钢管的长度收缩。由于复合管道和钢管的泊松比不同，使得复合管道的长度收缩增大，从而会使卷绕的复合管道会发生一个问题。当复合管道被卷绕到一卷筒上时和当复合管道被加压以便向油井内泵送流体时，复合管道就收缩，从而导致作用在管道卷筒上的荷载非常高。这种高荷载要比钢管中通常遇到的高荷载严重得多，有可能损坏管道卷筒芯轴的结构。
在过去几年中，在管道存储卷筒方面的技术发展是很少。现有技术公开了用于钢管的管道存储卷筒，例如Bolunt的美国专利US5865392，以及治疗气体管道，例如Pierce的美国专利US5826608，现有技术中还公开了能被卷绕到卷筒上以便存储的并且用于油田的复合管道，例如Quigley的美国专利US5921285。然而，现有技术中未公开能承受由于对卷绕的复合管道加压所造成的高荷载的管道卷筒。现有技术也公开了用于布置刚性管道的方法，例如Lang的美国专利US3982402，但是未公开以不会损坏管道存储卷筒的方式来存储复合管道的方法。
为了使操作者能普遍接受复合管道且把它用作生产管道，非常希望提供管道存储卷筒，尽管由于高压管道在压力的驱动下产生收缩并进而造成高荷载，这些存储卷筒也能存储高压复合管道，或者是提供用于把现有的管道存储卷筒用于高压的复合管道的方法，使用的方式能显著减小或防止对当前设计的管道存储卷筒造成的损坏。
本发明克服了现有技术的缺点，在后面将公开一种改进的用于支撑卷管特别是支撑复合管道的卷筒。此外，还公开了一种把卷管卷绕到卷筒上的方法，以便当管道被卷绕在卷筒上的同时对管道显著加压时，能减小作用在管道卷筒上的作用力。

发明内容
用于卷管操作的典型系统包括一非常长的可卷绕到一相当大的卷筒上的管道，该管道可以是钢材、复合材料或其它材料。本发明涉及通常用于存储管道的卷筒和/或这种卷管的安装。通常，首先将管道卷绕在用于存储的管道卷筒或卷轴上，然后在工地安装之前被加压。然而，在本行业中，随着利用复合卷管来代替钢制卷管的愿望的增强，当复合卷管被加压时，现有的管道卷筒或卷轴已不足以承受由复合卷管所施加的径向作用力。
本发明提供了用于加压和卷绕复合卷管的装置和方法，提出了把复合卷管用于现有形式的管道卷筒时所遇到的挑战的解决方案。本发明与现有技术相比的优点在于，通过利用改进的卷筒，从而有利于并且促进在工地上安装复合卷管，并且在把复合卷管安装到井下期间不会改变通常所进行的工序。
安装在管道卷筒芯轴的外表面上的柔性(compliant)材料或弹簧装置和可移动板，可以吸收由高压的卷绕复合管道作用在管道卷筒芯轴上的径向向内的作用力。这允许采用现有的管道卷绕工序。在另一个可选择的方案中，与现有技术相比本发明的优点在于，通过利用改进的卷管卷绕工序，从而有利于并且鼓励使用复合卷管，且无需改变普遍采用的存储的管道卷筒芯轴以及复合卷管的安装。改进的卷绕的复合管道的卷绕工序，可以显著减小或消除由高压的卷绕的复合管道作用在管道卷筒芯轴上的径向向内的作用力，从而允许使用现有的管道卷筒芯轴。
本发明的一个主要发明目的是减小或补偿由高压卷绕的复合管道作用在管道卷筒芯轴上的径向向内的作用力。本发明具体地公开了三个实施例，这些实施例提供了本发明的特性。第一实施例利用专门设计的管道卷筒芯轴，其中，在对卷管进行卷绕之前把柔性材料例如橡胶附加到卷绕表面上。柔性材料对管道卷筒芯轴提供柔性。第二实施例优选地利用弹簧或其它偏置元件，这些弹簧或偏置元件被放置在管道卷筒芯轴与管道卷筒卷绕表面之间，从而使管道卷筒芯轴结构也具有柔性。第三实施例利用传统设计的、新的或现有的管道卷筒，或利用上面所公开的新设计的管道卷筒。在这个第三实施例中，在把管道卷绕到管道芯轴上之前对卷绕的管道进行加压，从而当管道被卷完时可以释放压力。
在第一实施例中，管道卷筒可以包括一轻便型的基底、一可绕毂轴转动的毂、在毂两端的端部突边以及在毂的卷绕表面上的柔性材料。所说的毂最好具有大致呈圆筒形断面，但也可以是其它的几何形状。所说的柔性材料可以是橡胶，但也可以是木材、塑料、玻璃、毡层或其它纺织品。柔性材料最好被放置在大部分卷绕表面上，但也可以被放置在四个四分之一卷筒卷绕表面的每一个四分之一圆周面的小部分上。柔性材料最好用高级的环氧树脂粘接到卷绕表面上，但也可以用其它的粘合剂、机械连接件、或只通过卷绕的卷管与管道卷筒的卷绕表面之间的相互作用、来把所说的柔性材料固定在卷绕表面上。柔性材料可以具有1/8英寸至1英寸的深度，最好至少具有1/4英寸的径向深度。
当复合卷管被加压时，断面直径增大，使得管道总体长度收缩，从而使卷管绕紧在毂上。柔性材料吸收所形成的高压卷管的径向向内的作用力，并减小作用在管道卷筒结构上的作用力。这样就减小了过早损坏管道卷筒的可能性，延长了卷筒的使用寿命。此外，这个实施例在设计和操作方面都相当地简单。可以用常用的手工工具和/或粘合剂把柔性材料设置在应有的位置。在这个实施例中，对于使用卷绕的管道存储或安装的管道卷筒，不需要修改工序或采用其它的工序，并且可以采用本行业中普遍使用的工序。
第二实施例的复合卷管可以包括一轻便型的基底、一可绕毂轴转动的毂、该毂两端的端部突缘，以及通过压缩弹簧紧固在毂的外表面上的板或可移动支撑件。在这个实施实施例中，毂还可以具有大致呈圆筒形断面，但也可以具有其它的几何形状的断面。在这个实施例中的板或可移动支撑件可以绕着毂以固定不变的间距间隔开，并且可以提供大致沿周向的用于与卷管接触的卷绕表面，但在其它实施例中，可以采用较少的板，在毂的每个四分之一圆周中最好间隔地设置至少一块板。在这个优选实施例中，这些板是矩形的，但也可以是其它的几何形状。这些板也可以用第一实施例中所公开的柔性材料覆盖。可以利用机械连接件把所说弹簧紧固到毂的外表面和板的内表面上，但也可以通过焊接或用高级环氧树脂来粘接。在其它实施例中，在毂的外表面中可以设置一些开口，以便允许板和/或弹簧可以部分地压入毂的外表面内。在另外的实施例中，还可以利用片簧、扭簧或液压缸，而不是采用压缩弹簧，以便防止高压卷管的径向向内的作用力损坏管道卷筒毂。
第二实施例的优点基本上相同于第一实施例的优点。随着卷管被加压，断面直径就增大，使总体长度发生收缩，从而使得卷管绕紧在所说的板周围。板下面的弹簧吸收高压卷管的径向向内的作用力。由于弹簧吸收了这些径向向内的作用力，这些弹簧减小了作用在管道卷筒结构上的作用力。这就减小了过早损坏管道卷筒的可能性，延长了管道卷筒的使用寿命。此外，这个实施例在设计和操作方面相当简单。在这个实施例中，对于利用管道卷筒以便进行卷管存储和安装，则不需要改变工序，也不需要采用附加的工序，并且可以采用在本行业中当今普遍使用的工序。
本发明的第三实施例包括一种用于在把复合卷管卷绕到管道卷筒上之前对复合卷管进行加压，并在卷完管道时释放这个压力的方法。在一个优选的实施例中，在卷绕之前，把复合卷管加压到5000psi，但在另外的一些实施例中，可以把管道从1000psi加压到最大程度的管道压力。其它的一些实施例可以不包括随后的对卷绕管道内的压力进行的释放。
第三实施例的优点在于，显著减小了高压卷绕管道作用在管道卷筒上的径向向内的作用力的大小。在本行业中常遇到的径向向内的作用力，只有在环境压力下在把管道卷绕到卷筒上之后对复合卷管的加压所造成的结果。正是这种在对管道进行卷绕之后的加压，才使得复合管道的直径增大且同时管道的长度减小，从而把复合管道绕紧在管道卷筒周围。在这个实施例中，由于在把管道安装到井孔内之前对管道进行加压，从而消除了作用在管道卷筒上的作用力。通过在复合管道加压的同时把复合管道卷绕到管道上，然后释放压力的方式，使得管道首先卷绕到管道卷筒上，但是不会向管道卷筒施加高的径向向内的作用力。此外，一旦管道内的压力被释放，复合管道作用在管道卷筒上的作用力就相当小。这就减小了过早地损坏管道卷筒的可能性，并延长了管道卷筒的使用寿命。此外，这个实施例在设计和操作方面还相当简单。在卷管存储和井孔安装工序期间，这个实施例无需附加结构、硬件或工具，并且对复合卷管进行加压所需的装置，可以是与本行业中当前所需的和普遍使用的装置相同的装置。
本发明的一个发明目的是提供这样一种改进的用于支撑卷管的卷筒，该卷筒能减小或消除作用在卷管上的径向向内的压力。本发明的一个相关的发明目的是提供一种改进的把卷管支撑在轻便型的卷筒上的方法，这种方法包括把卷管卷绕在毂上以及两个端部突缘之间，同时利用流体对卷管进行内部加压，然后释放作用在卷管上的流体压力，使得这种流体压力的释放显著地减小由卷管作用在毂上的压力。
本发明的一个特征是，用于支撑卷管的轻便型卷筒包括一柔性材料，该柔性材料至少覆盖毂的外表面的一部分，以便使该柔性材料与卷管接合，从而减小径向向内的作用力。所说的毂可以具有大致呈圆筒形的结构，所说的柔性材料可以设置在大致圆筒形毂的每个沿周向的四分之一圆周上。
本发明的另一个特征是，所说的柔性材料可以从各种材料中选取，包括橡胶、塑料、木材。本发明的另一个特征是，该柔性材料可以具有在毂外表面与卷管的端部突缘的径向最外的保持表面之间的径向深度的1％～4％的径向深度。在大多数实施例中，柔性材料可以具有从1/8英寸至1英寸的径向深度，并且优选地是具有从1/4英寸至7/8英寸的径向深度。
本发明的另一个特征是，轻便型的卷筒可以包括多个可移动支撑件，每个可移动支撑件都被支撑在毂上；多个弹簧，每个弹簧都用于把多个可移动支撑件中的对应的一个可移动支撑件从毂沿径向向外偏压。每个可移动支撑件可以是一细长板，该细长板沿着端部突缘之间的轴向空间的大部分轴向延伸，所说的多个弹簧可以是片簧。所说的毂还可以包括多个孔，使得每个可移动支撑件都可以相对于毂沿径向向内移动，并移入多个孔中的对应的一个孔内。
本发明的一个特征是，把卷管支撑在卷筒上的方法可以包括在把卷管卷绕到毂上以及所说端部突缘之间的同时，对卷管进行加压到超过1000psi的压力。在执行这步骤期间作用在卷管上的流体压力最好超过卷管最大压力的60％。
本发明的一个优点在于卷管卷筒在设计和制造方面相当简单，并且非常可靠。本发明的一个相关的优点在于卷管卷筒可以利用传统的部件，因而，对卷管卷筒毫无经验的现场人员可以可靠地使用这种卷管卷筒。本发明方法的另一个优点在于可以利用传统的管道卷筒以便显著地减小作用在卷管毂上的径向向内的作用力。
通过下面的详细描述，并结合附图，可以更清楚地理解本发明的这些以及其它的发明目的、特征及优点。
前面以及后面的对用于支撑卷管的卷筒以及方法所作的描述和公开是解释性和示例性的。本发明并不局限于所描述的实施例，本领域普通技术人员将了解，可以对本发明中卷管卷筒以及所公开的方法中的尺寸大小、形状、材料以及结构细节作出改变，或进行特征的组合，这些均未脱离本发明的实质。可以采用各种实施例来利用可选择的方法卷绕复合卷管，使得不会损坏或破坏管道卷筒。


图1是卷管卷筒的简化的侧视图，表示出了卷绕在卷筒上的复合卷管；图2是本发明的一个优选实施例的剖面图，表示出柔性材料基本上覆盖了管道卷筒毂的外表面；
图3是本发明的另一个实施例的剖面图，表示出多个可移动支撑件和弹簧装置，每一个可移动支撑件和弹簧装置都被支撑在端部突缘之间的管道卷筒毂上；图4是图3所示实施例的侧视图；图5是本发明另一个实施例的剖面图；图6是本发明另外一个实施例的剖面图。
具体实施例方式
对附图的参考只是为了描述优选实施例的目的，并不是为了对实施例的限制。图1总体上表示出了一个用于支撑和/或运输复合卷管的卷筒或卷轴10。卷筒10通常由卡车、驳船或轮船来运输，且使卷筒和卷管形成整捆地运输，整捆的卷筒和卷管通常被称作卷管单元。图1还表示出复合管道18正被退绕，并且从卷管单元10延伸，以便进行处理，例如被同心地下放到地下井中，以便进行井下作业。图2总体上表示出图1所示的或卷轴10的剖面图，为了清楚起见，图中除去了复合管道18。此外，图2还表示出一优选实施例中的一些部件，包括附加在毂20的外表面上的柔性材料22。
在一优选实施例中，外毂20安装在一基底14上，并且可绕一毂轴16转动。在毂20的每个轴向端部附近有一端部突缘12，端部突缘12用于把卷管18保持在突缘12之间的毂20上。可以用多个辐条19使毂20与中心轴15相连接。将柔性材料例如橡胶附加在毂20的外表面上。一种优选的实施方式是该柔性材料由橡胶组成，而该橡胶基本上覆盖毂20的外表面，尽管毂20的部分外表面未被覆盖，使得在毂20的外表面的每个沿周向的四分之一圆周内最少附加有这种橡胶22。在一种优选的实施方式中，毂20具有大致呈圆筒形的形状，但是，毂20也可以呈其它的几何形状。橡胶22可以通过传统的粘接材料例如高级环氧树脂固定到毂20的外表面上。也可以采用其它的接合方法，或者是，仅仅利用卷管18与毂20的外表面之间的磨擦接合或相互作用来把橡胶22维持在其应有的位置。被粘附到毂20的外表面上的材料22可以是由其它材料制成的，包括塑料、木材、毡层或织物，但并不局限于所列的这几种材料。也可以采用其它的纺织材料作为所说的柔性材料。被粘附到毂20的外表面上的橡胶22具有1/4英寸的径向深度，但也可以具有从1/8英寸至1英寸的径向深度，也可具有占位于毂20的外表面与每个突缘12的沿径向最外的保持表面之间的径向深度的1％至4％的径向深度。材料20的径向深度优选地是从1/4英寸至7/8英寸，通常至少为3/4英寸厚。
在另一个实施例中，利用弹簧和板的系统来代替所说的柔性材料22。如图3和图4所示，板26呈矩形形状，并与毂20具有相同的轴向长度，并且通过压缩弹簧24由毂20支撑着并被固定到毂20上。在这个优选实施例中，板26以一固定不变的间距沿周向间隔开，并且可以在弹簧24完全压缩的情况下基本上相互并列地挤靠着。另外的实施例中，可以通过增大板26的周向尺寸，形成与管道18接触的一连续表面，可以使连续表面能相互重叠和/或可以相互沿切向滑动。弹簧24可以通过机械连接件连接到毂20和板26上，但也可以采用其它的方法来连接。可以用两个或更多个弹簧24使每块板26与毂20相连。其它的实施例中也可以用除压缩弹簧24以外的装置来执行载荷偏压功能，这些装置包括液压缸、片簧或扭簧，但并不局限于所列的这些。可以用不同类型的偏压元件实现所期望的目的。图5表示出了重叠的板26，每块板26都由多个可操作控制的液压缸30进行偏压。在其它的实施例中可以采用较短的板26。
板26可以具有除优选实施例中的形状以外的几何形状，例如圆形的或椭圆形的“按钮”形状，并且这些板26可以沿毂20的轴向以规则的或随机的间距设置。如图6所示，在其它的实施例中，还可以包括这样的毂20，即，这种毂20的外表面具有沿周向间隔开的槽或孔32，从而使得板26的全部或径向向内的部分可以压入到毂20的外表面以下。
第三实施例包括一种用于在把管道18卷绕到卷绕管道的卷筒装置10上之前对管道18进行加压的方法。通过把管道18加压到5000psi或加压到管道18的最大压力，然后把管道18卷绕到毂20周围，最后释放管道18内的压力，管道18的长度不会收缩到当前工序所允许的程度，从而减小或消除了管道18作用在毂20上的沿径向向内的作用力。在这个优选实施例中，可以利用流体来对管道18进行加压。尽管这个优选实施例是把管道18加压至管道的最大压力，但是也可以只加压到最大压力的60％，也可以只加压到1000psi。管道压力可以在管道18被卷绕到毂20上之后才被释放。
在其它的实施例中，也可以在毂20上设置偏压元件，使得偏压元件在卷管18上施加一沿径向向外的作用力。这个工序可以用于本行业中公用的标准卷管卷筒，或者是用于上面所描述的一些优选实施例，或者是用于它们的组合。在此公开的卷管卷筒是一种轻便型卷筒，如上面所描述的那样，这种轻便型卷筒是容易运输的。根据本发明的卷筒也可以是静止固定的，即，将卷筒连接到可移动的运输工具上，例如连接到船只上。卷筒还可被固定入位。
对于本发明，还考虑到了其它一些实施例，在这些实施例中，可以用各种材料来制造本发明的任何部件或所有部件，这些材料包括树脂化合物、其它的非金属化合物、金属化合物、专用合金、或所列材料的任何组合。
尽管已经详细地描述了本发明的一些优选实施例，但是很显然，本领域普通技术人员可以对这些优选实施例进行一些改变或变化。然而，应当清楚地知道，这些改变或变化是在所附的权利要求所限定的本发明的范围和实质之内。
权利要求
1.一种用于支撑卷管的卷筒，该卷筒包括一轻便型基底；一毂，安装在所说基底上，并可绕一毂轴转动；位于邻近所说毂的每个轴向端部的端部突缘，用于把卷管保持在毂上以及所说端部突缘之间；一柔性材料，该柔性材料至少覆盖毂的一部分外表面，用于与所说的卷管接合，从而利用所说的柔性材料来吸收由卷管施加的沿径向向内的压力。
2.根据权利要求1所述的卷筒，其中所说的毂具有大致呈圆筒形的结构。
3.根据权利要求2所述的卷筒，其中所说的柔性材料被设置在毂上，并且位于大致呈圆筒形的毂的每个沿周向的四分之一圆周内。
4.根据权利要求1所述的卷筒，其中所说的柔性材料沿着毂的至少大部分外表面设置。
5.根据权利要求4所述的卷筒，其中所说的柔性材料沿着毂的至少90％的外表面设置。
6.根据权利要求1所述的卷筒，其中所说的柔性材料是从下列材料中选取的橡胶、塑料、木材。
7.根据权利要求1所述的卷筒，其中所说的柔性材料是从下列材料中选取的毡层、织物或纺织品。
8.根据权利要求1所述的卷筒，其中所说的柔性材料具有占位于毂的外表面与每个端部突缘的在径向上最外的保持表面之间的、径向深度的1％至4％的径向深度。
9.根据权利要求1所述的卷筒，其中所说的柔性材料具有从1/8英寸至1英寸的径向深度。
10.根据权利要求9所述的卷筒，其中所说的柔性材料具有从1/4英寸至7/8英寸的径向深度。
11.一种用于支撑卷管的卷筒，该卷筒包括一轻便型基底；一毂，安装在所说基底上，并可绕一毂轴转动；一位于邻近所说毂的每个轴向端部的端部突缘，用于把卷管保持在毂上以及所说端部突缘之间；多个可移动支撑件，设置在所说的毂上；多个可移动偏压元件，每个偏压元件用于从毂沿径向向外偏压所说的多个可移动支撑件中的对应的一个可移动支撑件，从而利用所说的多个偏压元件来吸收由卷管作用在可移动支撑件上的沿径向向内的压力。
12.根据权利要求11所述的卷筒，其中所说多个偏压元件是多个片簧。
13.根据权利要求11所述的卷筒，其中所说的多个偏压元件是多个液压缸。
14.根据权利要求11所述的卷筒，其中所说的多个可移动支撑件中的每一个可移动支撑件是一细长的肋条，该细长的肋条沿着端部突缘之间的轴向空间的大部分呈轴向延伸。
15.根据权利要求11所述的卷筒，其中所说的毂具有多个孔，从而使得所说的多个可移动支撑件中的每一个可移动支撑件都可以相对于毂沿径向向内移动，并可以移入所说的多个孔中的对应的一个孔内。
16.根据权利要求11所述的卷筒，其中所说的毂具有大致呈圆筒形的结构。
17.根据权利要求15所述的卷筒，其中在大致圆筒形的毂的每个沿周向的四分之一圆周内，至少设置一个所说的可移动支撑件。
18.一种把卷管支撑在卷筒上的方法，包括提供一卷筒基底；把一毂安装在所说的基底上，使得毂可绕一毂轴转动；在毂的每个轴向端安装一端部突缘，用于把卷管保持在所说的毂上以及端部突缘之间；在利用流体对卷管进行内部加压的同时，把卷管卷绕在毂上以及所说的端部突缘之间；然后，释放卷管上的流体压力，使得流体压力的释放在卷管上施加一个沿径向向外的作用力，从而可显著减小由卷管作用在毂上的沿径向向内的压力。
19.根据权利要求18所述的方法，其中当把卷管卷绕到毂上的同时，作用在卷管上的流体压力超过1000psi。
20.根据权利要求18所述的方法，其中当把卷管卷绕到毂上的同时，作用在卷管上的流体压力超过卷管的最大压力的60％。
21.根据权利要求18所述的方法，其中还包括在毂上设置偏压元件，使得偏压元件对卷绕在毂上的卷管施加一个沿径向向外的作用力。
全文摘要
本发明涉及用于把复合卷管卷绕到卷管卷筒上的两种装置和一种方法。其中的一种装置包括，通过把柔性材料直接粘接到毂上，对当前公用的管道卷筒芯轴进行改进。另一种装置通过安装与毂同心的安装在压缩弹簧上的多块板，对公用的管道卷筒的毂进行改进。其中的方法包括在把复合卷管卷绕到管道卷筒上之前对复合卷管进行加压，然后在卷管被卷绕到管道卷筒上之后释放复合卷管内的压力。两种装置和方法通过吸收或消除由于被卷绕的复合卷管的加压以及相应的长度收缩，所造成的复合卷管的沿径向向内的作用力，从而对卷筒芯轴进行保护。
文档编号B65H75/24GK1391527SQ00815861
公开日2003年1月15日 申请日期2000年11月16日 优先权日1999年11月19日
发明者斯科特·A·伯宁, 迪克·C·黑德里克, 克林特·W·伊森诺克 申请人:哈利伯顿能源服务公司