ПРОТИВОДЕЙСТВИЕ ИЗГИБАНИЯМ КАБЕЛЯ С ТРУБЧАТОЙ ОБОЛОЧКОЙ В ПРОЦЕССЕ ЕГО ВВОДА
TUBEWIRE INJECTION BUCKLING MITIGATION

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится в целом к устройствам и способам, используемым для размещения кабеля с трубчатой оболочкой в радиально окружающей его колонне насосно-компрессорных труб.
Уровень техники
Гибкие насосно-компрессорные трубы (ГНКТ) стали популярным средством спуска в подземные скважины компоновки низа бурильной колонны (КНБК) или других инструментов. В большинстве случаев существует необходимость обеспечения подвода электрической энергии вниз в скважину к КНБК или другим инструментам, а также передачи сигналов управления или считываемых данных между наземной аппаратурой и скважинными инструментами. Это обычно реализуют путем размещения тросокабеля внутри ГНКТ. Тросокабель представляет собой кабель в стальной оплетке, в котором токоведущие жилы покрыты несколькими слоями бронированной изоляции.
Использование тросокабеля может быть сопряжено с проблемами. В некоторых случаях тросокабель может быть подвержен повреждениям при воздействии кислотосодержащих жидкостей. Со временем требуется отрегулировать провисание тросокабеля, что связано с затратами времени и финансовых средств.
Альтернативой тросокабелю является кабель с трубчатой оболочкой (трубокабель), обладающий многими преимуществами перед тросокабелем. Трубокабель можно разместить внутри ГНКТ для подвода электроэнергии и передачи сигналов от наземной аппаратуры к различным скважинным инструментам, прикрепленным к концу ГНКТ. Трубокабель представляет собой трубу, вмещающую изолированную проводную линию, используемую для передачи электроэнергии и/или данных к КНБК или данных от КНБК к наземной аппаратуре. Трубокабель является значительно менее гибким по сравнению с размещенной внутри него проводной линией. Трубокабель производится рядом компаний, например компанией Draka Cableteq (Норт-Дигтон, Массачусетс, США).
Трубокабель можно разместить внутри ГНКТ на поверхности производственного участка. Системы и способы ввода трубокабеля в ГНКТ и извлечения его оттуда описаны в US 7845419 (Науман (Naumann)) полностью включенном в настоящую заявку посредством ссылки. Трубокабель размещают внутри намотанной на барабан ГНКТ на поверхности производственного участка, закачивая в ГНКТ флюид с высокой скоростью и одновременно используя устройство ввода кабеля (далее - инжектор) для подачи трубокабеля внутрь ГНКТ путем приложения толкающего усилия. Авторы заявки констатируют, что в процессе ввода трубокабеля иногда происходит его застревание или остановка движения. В результате к неподвижному трубокабелю прикладывается полное движущее усилие инжектора, что приводит к изгибаниям и необратимому повреждению трубокабеля. При волнообразном изгибании трубокабеля он стремится принять спиральную форму непосредственно перед изломом. Авторы заявки констатируют, что ГНКТ имеет большой внутренний диаметр (ВД) по сравнению с наружным диаметром (НД) трубокабеля. Поэтому сравнительно небольшое осевое усилие может привести к изгибаниям, пластической деформации и излому трубокабеля внутри ГНКТ. Соответствующее осевое усилие может быть легко создано посредством инжектора, с помощью которого вводится трубокабель.
В US 7845419 (Науман) описано использование гибкой стенки для противодействия изгибаниям трубокабеля в процессе его ввода.
Раскрытие изобретения
В настоящем изобретении предлагаются устройства и способы, позволяющие уменьшить или исключить возможность создания условий для возникновения изгибаний (спиральных/волннобразных) трубокабеля в процессе его ввода. Описан пример системы ввода трубокабеля, включающей устройство ввода кабеля (инжектор), содержащее приводной механизм, выполненный с возможностью приложения осевого толкающего усилия к трубокабелю для ввода последнего в гибкую (насосно-компрессорную) трубу. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения инжектор выполнен также с возможностью приложения осевого тягового усилия к трубокабелю для извлечения последнего. Кроме того, в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения система ввода включает механизм закачки, выполненный с возможностью закачки флюидов через гибкие насосно-компрессорные трубы одновременно с приложением осевого усилия к трубокабелю. Инжектор трубокабеля предпочтительно включает приводной механизм, приводящий трубокабель в движение с заданной скоростью, так что трубокабель поддерживается в натянутом состоянии во время ввода и извлечения. Система ввода трубокабеля может также включать систему управления для регулирования усилия инжектора с целью поддержания значений таких параметров как скорость барабана, скорость приводного механизма и давление флюида на уровнях, требуемых для ввода или извлечения трубокабеля.
Система ввода трубокабеля, предлагаемая в настоящем изобретении, включает устройство для противодействия (минимизации) его изгибаниям. В представленных вариантах осуществления настоящего изобретения устройство для противодействия изгибаниям обладает таким отличительным признаком, как наличие первого прохода малого диаметра, предназначенного для прохождения сквозь него трубокабеля, выходящего из инжектора. Между этим проходом малого диаметра и другим проходом среднего (промежуточного) диаметра предусмотрен первый переходный участок конической формы. Второй переходный участок конической формы предусмотрен между проходом среднего диаметра и отверстием гибкой насосно-компрессорной трубы, в которое вводится трубокабель. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения второй переходный участок конической формы соединяется с проходом большого диаметра, внутренний диаметр которого приблизительно равен внутреннему диаметру гибкой насосно-компрессорной трубы. В свою очередь, этот проход большого диаметра соединяется с гибкой насосно-компрессорной трубой.
В отдельных вариантах осуществления настоящего изобретения трубчатый участок среднего диаметра имеет внутренний диаметр, находящийся в диапазоне приблизительно 0,5-2,0 дюйма. Кроме того, в отдельных вариантах осуществления настоящего изобретения трубчатый участок среднего диаметра имеет осевую длину в диапазоне от приблизительно менее одного фута до приблизительно 20 футов.
Устройство для противодействия изгибаниям может быть встроено между участками временной технологической арматуры, простирающейся между инжектором и гибкой насосно-компрессорной трубой. В процессе работы трубчатый участок среднего диаметра совместно с переходными участками конической формы образуют проходы уменьшенного диаметра, сквозь которые должен проходить трубокабель и в которых возникают поперечные силы, противодействующие изгибаниям.
Краткое описание чертежей
Для обеспечения ясного понимания настоящего изобретения ниже приведено подробное описание предпочтительных вариантов его осуществления в сочетании с приложенными чертежами, на которых численные ссылочные обозначения относятся к одинаковым или схожим элементам и на которых показано:
фиг. 1 - вид сбоку системы ввода трубокабеля, представленной в качестве примера и включающей устройство для противодействия изгибаниям, соответствующее настоящему изобретению,
фиг. 2 - изометрическое изображение участков устройства для противодействия изгибаниям, представленного в качестве примера и соответствующего настоящему изобретению,
фиг. 3 - увеличенное изображение в боковом разрезе участков устройства для противодействия изгибаниям, соответствующего настоящему изобретению,
фиг. 4 - увеличенное изображение в боковом разрезе участков устройства для противодействия изгибаниям с введенным в него трубокабелем.
Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения
В контексте настоящего описания термин "трубокабель" относится к трубчатой оболочке, заключающей или не заключающей в себе проводник или другие средства связи, и представляет собой, например, кабель с трубчатой оболочкой производства компании Draka Cableteq (Норт-Дигтон, Массачусетс, США. Например, трубокабель может состоять из трубчатой оболочки с наружным диаметром 1/8 дюйма и толщиной стенки 0,023 дюйма, выполненной из нержавеющей стали или сплава Incoloy 825 и заключающей в себе многожильный медный провод калибра 16-18, покрытый изоляционным материалом Halar™ или Teflon™. В данном примере изоляция плотно прилегает к трубчатой оболочке и проводу. В альтернативном варианте трубчатая оболочка может заключать в себе один или более волоконно-оптических кабелей или комбинацию проволочного(-ых) провода(-ов) и волоконно-оптического(-их) кабеля(-ей). Трубокабель может содержать несколько трубчатых оболочек, может быть концентрическим или иметь пластмассовое либо резиновое наружное покрытие.
На фиг. 1 изображена система 10 ввода трубокабеля, представленная в качестве примера. Показанная здесь гибкая насосно-компрессорная труба (ГНКТ) 12 намотана на барабан, или рабочую катушку, 14. Специальный инжектор 16 соединен в рабочем положении с концом плети ГНКТ 12 через устройство 18 для противодействия изгибаниям трубокабеля, подробно описанное ниже. В представленном здесь варианте осуществления настоящего изобретения приведение инжектора 16 в движение и управление им осуществляются гидравлическим образом. Тем не менее, существует возможность реализации варианта с электрическими приводом и управлением или комбинации обоих этих вариантов.
Трубокабель 28 намотан на другой барабан 30 и может подаваться с этого барабана в инжектор 16 и затем в ГНКТ 12 через устройство для противодействия изгибаниям. Барабан 30 тоже может управляться или приводиться в движение гидравлическим или электрическим образом.
Как указано в US 7845419, для облегчения ввода трубокабеля 28 в ГНКТ 12 или извлечения его оттуда предпочтительно используют насос (не показан), подающий флюид под давлением. В US 7845419 также описана система управления, связанная с барабаном 30, инжектором 16 и насосом для закачки флюида посредством двунаправленных каналов связи для контроля и регулирования усилия, создаваемого инжектором. Кроме того, в US 7845419 представлен пример приводного механизма, используемого инжектором 16.
Как показано на фиг. 2, представленное в качестве примера и соответствующее одному из вариантов осуществления настоящего изобретения устройство 18 для противодействия изгибаниям трубокабеля расположено внутри трубчатого сегмента 32, а также двух участков 34, 36 и тройника 38 временной технологической арматуры. Муфта 40 соединяет трубчатый сегмент 32 с первым участком 34 временной технологической арматуры. Муфта 42 соединяет первый и второй участки 34, 36 временной технологической арматуры. Муфта 44 соединяет второй участок 36 и тройник 38 временной технологической арматуры. Еще одна муфта 46 крепит конец плети ГНКТ 12 к тройнику 38 временной технологической арматуры.
На фиг. 3 представлено изображение в боковом разрезе, где показаны внутренние участки устройства 18 для противодействия изгибаниям трубокабеля. Внутри первого и второго участков 34, 36 временной технологической арматуры размещена вставка 48, которая на своем осевом конце 50 крепится к трубчатому сегменту 32. Вставка 48 определяет центральный осевой канал 52, в который вводится трубокабель 28 из инжектора 16. Как будет описано ниже, внутренний профиль вставки 48 представлен участками, имеющими различающиеся и постепенно увеличивающиеся диаметры. На фиг. 3 трубокабель 28 изображен занимающим желательное (прямолинейное), а не реальное положение. Однако на фиг. 4 показано, что трубокабель 28 подвергается действию реально существующих сил, препятствующих вводу этого трубокабеля и вызывающих спиральный изгиб последнего.
Внутренний профиль вставки 48 описан ниже со ссылками на фиг. 3 и 4. Центральный осевой проход 52 вставки 48 включает первый проход 54 малого диаметра, в который вводится трубокабель 28 из инжектора 16. Проход 54 имеет внутренний диаметр, лишь слегка превышающий наружный диаметр трубокабеля 28, так что трубокабель 28, по существу, не имеет возможности для волнообразных изгибаний внутри прохода 54. К проходу 54 малого диаметра примыкает первый переходный участок 56 конической формы. Первый переходный участок 56 конической формы соединяет проход 54 малого диаметра с участком 58 среднего диаметра. Участок 58 среднего диаметра имеет внутренний диаметр, который больше внутреннего диаметра прохода 54, но меньше внутреннего диаметра ГНКТ 12, в которую вводится трубокабель 28. Внутренний диаметр участка 58 является достаточно большим для того, чтобы трубокабель 28 имел возможность для изгибаний в ограниченной степени. Тем не менее, внутренний диаметр участка 58 не настолько велик, чтобы допустить спиральный изгиб трубокабеля 28 в такой степени, которая могла бы привести к излому или повреждению последнего. Второй переходный участок 60 конической формы примыкает к участку 58 среднего диаметра и переходит в центральный осевой канал 62 внутри участка 36 временной технологической арматуры, диаметр которого приблизительно равен внутреннему диаметру ГНКТ 12, в которую вводится трубокабель 28. Авторы заявки установили, что наличие участка 58 среднего диаметра, у которого отсутствует конусность, является предпочтительным, поскольку он способствует возникновению в осевом направлении сил трения, противодействующих усилию инжектора.
В предпочтительных вариантах осуществления настоящего изобретения участок 58 среднего диаметра имеет длину в диапазоне от приблизительно менее одного фута до приблизительно 20 футов. В более предпочтительных вариантах осуществления настоящего изобретения эта длина составляет приблизительно 5-20 футов. В особенно предпочтительных вариантах осуществления настоящего изобретения участок 58 среднего диаметра имеет длину около 10 футов и внутренний диаметр около 1,05 дюйма.
Согласно другим предпочтительным вариантам осуществления настоящего изобретения, первый переходный участок 56 конической формы имеет длину около 24 дюймов. Второй переходный участок 60 конической формы предпочтительно имеет длину около 12 дюймов. Тем не менее, следует иметь в виду, что эти значения длины приведены лишь для примера, а не в качестве ограничения. Следует также иметь в виду, что предпочтительные или оптимальные значения длины могут изменяться по мере изменения других размеров устройства 18 для противодействия изгибаниям трубокабеля. Например, предпочтительная длина первого переходного участка 56 конической формы может быть другой при другом внутреннем диаметре участка 58.
Следует отметить, что угол конусности, используемый для первого и второго переходных участков 56, 60 конической формы, предпочтительно является очень пологим. В предпочтительных вариантах осуществления настоящего изобретения угол конусности (измеренный от центральной оси) для участков 56, 60 составляет приблизительно 1-5 градусов. В особенно предпочтительных вариантах осуществления настоящего изобретения угол конусности составляет приблизительно 1 градус.
Согласно примерам способов работы, соответствующих настоящему изобретению, трубокабель 28 проводят посредством инжектора 16 сквозь устройство 18 для противодействия изгибаниям и вводят в ГНКТ 12. Одновременно с этим выполняют закачку в ГНКТ 12 флюида (обычно воды) через тройник 38 временной технологической арматуры. Движущийся поток флюида увлекает за собой трубокабель внутрь ГНКТ 12. Внутри участков 34, 36 временной технологической арматуры создается значительное давление, обеспечивающее расход флюида в единицу времени, необходимый для перемещения трубокабеля 28. При остановке, по какой-либо причине, движения трубокабеля 28 внутрь ГНКТ 12 возникает сила Fc, действующая вдоль трубокабеля 28 и направленная противоположно усилию инжектора Fa. Эта противодействующая сила Fc вызывает спиральное изгибание трубокабеля 28, показанный на фиг. 4. Трубокабель 28 начинает спирально изгибаться внутри первого и второго переходных участков 56, 60 конической формы и прохода 58 среднего диаметра. Переходные участки 56, 60 конической формы на обоих концах участка 58 среднего диаметра исключают любые резкие изменения внутреннего диаметра прохода, окружающего трубокабель 28, тем самым минимизируя концентрацию напряжений и исключая вероятность изгибаний трубокабеля 28 вплоть до излома в переходных областях. По мере спирального изгиба трубокабеля 28 последний воздействует на внутреннюю поверхность участка 58 среднего диаметра с силой, достаточной для возникновения значительных сил трения. Эти силы трения противодействуют усилию Fa ввода инжектора. Участок 58 среднего диаметра выполнен таким образом, чтобы максимально увеличить трение и, следовательно, силу противодействия. В трубокабеле 28 фактически создается небольшая нагрузка, возникающая внутри второго переходного участка 60 конической формы. Эта небольшая нагрузка вызывает значительный спиральный изгиб трубокабеля 28 внутри участка 58 среднего диаметра, что имеет следствием возникновение значительных сил трения. Эти силы трения противодействуют усилию Fa инжектора вблизи прохода 54 малого диаметра. Авторы заявки установили, что в процессе работы трубокабель 28 эффективно поддерживается на всем протяжении участков конической формы и внутренних участков 58 уменьшенного диаметра, размеры которых выбираются для предотвращения катастрофического повреждения вследствие спирального изгиба.
Как указано в настоящем описании, переходные участки 56, 60 конической формы и участок 58 среднего диаметра находятся внутри вставки 48, которая располагается внутри участков 34, 36 временной технологической арматуры. Тем не менее, следует иметь в виду, что данная конкретная конструкция представлена лишь в качестве примера и что описанный внутренний профиль устройства 18 для противодействия изгибаниям может быть реализован другими способами.
Специалистам в данной области будет ясно, что в представленных в настоящем описании примерах и вариантах выполнения конструкций, соответствующих изобретению, возможно выполнение многочисленных модификаций и изменений, и что настоящее изобретение ограничено лишь приведенной ниже формулой изобретения и любыми эквивалентами последней.