用于在紧急情况下的提取井的阀组件和控制方法

摘要

公开了一种用来提取碳氢化合物的井的安全阀，该安全阀允许可能存在于安全阀中的管状钻探材料的切割和通过液压密封的该井的关闭，在BOP将被证明是无效的情况下实现井的适当控制干预程序的后续应用。公开了一种用来提取碳氢化合物的井的安全阀，该安全阀能够以比常规BOP高的能力实现管状材料的切割作用，考虑对应于所述BOP目前没有预见的井口产生的最差的应力情况。具体地说，该安全阀能够在其内部中切割/剪切许多各种不同的管状元件。安全阀组件(AV)包括阀本体(2)，在阀本体中形成有通道导管(24)，通道导管优选是直的，被构造用来被生产和/或钻探管路横穿。用于冲头(4)和反冲头(3)的外壳存在于阀本体(2)中，被布置成正好彼此相对，其共同纵向轴线A2与阀的纵向轴线A1大致垂直；阀组件(AV)设置有：冲头(4)，该冲头沿与管道的纵向轴线A1相交的轴线A2在外壳中以受控制的方式直线地滑动；和反冲头(3)，该反冲头被布置成与冲头(4)正好相对，沿与管道的纵向轴线A1相交的轴线A2在外壳中以受控制的方式直线地滑动。所述冲头(4)和反冲头(3)被构造成允许反冲头(3)在其内部中滑动地接纳冲头(4)以便产生两个不同的剪切平面；反冲头(3)被构造成具有空心部分，该空心部分适合于在剪切操作期间在直线运动中滑动地接纳冲头(4)和管状材料的部分。为了使剪切过程更有效，阀组件(AV)可以设置有上和下切开系统，该上和下切开系统在剪切过程期间切开管状元件26的表面，产生优选的断裂平面。

说明书

技术领域

本发明涉及用于在紧急情况下控制提取井的阀组件和相关方法，具体地说，它涉及一种阀组件，该阀组件用来在起因于提取井的不受控制的喷发(喷出)或来自于储层构造的暂时过压(反冲)的紧急情况下管理该井，诸如例如用来提取碳氢化合物(石油和/或气体)的井。

背景技术

以渐增的深度在海上区域中探索的油气工业的发展趋势结果导致有必要保证接近4000米深度的海或洋底部上的井口的安全水平的不断提高；在这些深度在紧急情况下的干预的能力和有效性代表使技术面向安全方案的将来的必要性和挑战，该安全方案集成安装在生产十字件上的防喷器(Blow-Out Preventers,BOP)和井口内的已有安全阀的目前能力。

目前，防喷器是被冗余地安装用来在紧急情况下保证有效干预的装置。

BOP的主要功能是：控制井流体的体积，钻探管道定中心，关闭和密封井。可以主要地区分两种BOP：环形的和闸板式的。然而，环形装置采用具有环形形式的井的关闭和流体的体积的控制元件，闸板装置实现由金属或弹性体材料制成的门或闸刀机构，该门或闸刀机构能够在该阀内存在或不存在管状材料的情况下施加关闭和液压密封作用。称为“剪切闸板”的特别BOP可以在接合在BOP的阀本体中的管状材料上引起剪切应力以便剪切它们并且获得希望的结果。

井喷防止系统通常由一系列冗余的BOP组成，该一系列冗余的BOP利用各种功能系统(环形的和闸板)来保证更大的有效性。由于专用的致动和液压控制装置，BOP的干预时间范围通常为数十秒至数分钟。

虽然由BOP形成的屏障代表关于紧急事件的重要的安全装置，但它们的功能上的一些局限可以被检测。

接合在BOP中的剪切钻探管道的能力被限制并且不包括相对于杆它们自身具有更大厚度和直径的杆之间的连接部件(工具接头)的剪切。该BOP必须被维持并且密封件在钻探操作的结尾被取代。在通过引起剪切应力的系统(剪切闸板)的剪切的情况中，钻探管道上的切割作用被施加以便保证杆的两个部分的分离和井的后续关闭(如果杆相对于阀的通道管道处于居中位置)。在钻柱被井的压力压缩或侧向转向的情况中，其剪切风险将是不完全的或具有变形的残余材料，该变形的残余材料不允许通过密封元件的该井的后续关闭阶段。切割元件的通道使得该杆在仅出现在杆的中心部分中的该部分的完全压垮之后被剪切。

受到切割元件的作用的工具接头的区域倾向于在减小的压垮下断裂并且具有不可预见的断裂线；因此，一些金属碎片可能保持被俘获，阻塞剪切元件的行程并且因此阻止该井的关闭。

发明内容

本发明的目标是提供一种阀，该阀克服现有技术的缺点，允许井被关闭，即使在BOP的可能的无效干预之后。

根据本发明，提供一种用于碳氢化合物的提取井的安全阀，该安全阀允许可能存在于安全阀中的管状钻探材料被切割和通过液压密封的井的关闭。

根据本发明，提供一种用于碳氢化合物的提取井的安全阀，该安全阀能够以比常规BOP高的能力施加管状材料的剪切作用，考虑对应于所述BOP目前没有预见的井口产生的最差的应力情况。具体地说，根据本发明的安全阀能够在其内部中切断许多各种不同的管状元件，其中：壳体，该壳体具有的外直径的优选范围为1”至20”，具有的壁厚度优选地达到大约20mm；钻探管道，该钻探管道具有的外直径的优选范围为1"至10”，具有的壁厚度优选地达到大约20mm；和工具接头，该工具接头具有的外直径的优选范围为1”至10”，具有的壁厚度优选地达到大约40mm。

本发明的第一目标因此涉及一种安全阀组件AV，该安全阀组件包括阀本体2，在该阀本体中存在通道导管24，该通道导管优选是直的，被构造用来被生产和/或钻探管路穿过，该生产和/或钻探管路被设计用来通过管状元件26包含和运输要从地下储层被提取的提取流体或其它流体，所述阀组件AV设置有：冲头4，该冲头沿轴线A2以受控制的模式直线地滑动，该轴线A2相交管道的纵向轴线A1；和反冲头3，该反冲头被布置成与冲头4沿直径相对，沿所述轴线A2以受控制的模式直线地滑动，所述阀组件AV的特征在于该反冲头3被构造成具有空心部分，该空心部分适合于在剪切操作期间在直线运动中在其内部中滑动地接纳管状材料的部分和该冲头4，以便产生两个不同的剪切平面。

本发明的第二目标涉及一种提取井，如下面描述的那样，该提取井包括本发明的第一目标的阀组件AV。

本发明的另一个目标涉及一种在紧急情况下用来管理提取井的方法，如下面描述的那样，该提取井包括阀组件AV。

本发明的另外特征在从属权利要求中被指示，从属权利要求是本描述的组成部分。

附图说明

根据参考附图的非限制性实施例例子的以下描述，本发明的特征和优点将显得显明，其中：

图1是包括布置在水下井口上的根据本发明的安全阀的钻探系统和对其运行有用的相关辅助系统的示意图；

图2是以剖视图示出安全阀的若干部分，为了清楚起见移除多个部件的轴测视图，该轴测视图示出阀本体，具有相关致动机构的冲头和反冲头；

图3是以剖视图示出安全阀的若干部分，为了清楚起见移除多个部件的轴测视图，该轴测视图示出阀本体，具有相关致动机构的冲头和反冲头，切开装置和相关致动机构；

图4是以剖视图示出安全阀的若干部分，为了清楚起见移除多个部件的视图，该视图示出阀本体，具有相关致动机构的冲头和反冲头，切开装置和相关致动机构；

图5是以剖视图示出安全阀的若干部分，为了清楚起见移除多个部件的视图，该视图具体地示出液压杆的密封件的弹性保护波纹管和关闭套圈的阻塞销；

图6是以剖视图示出安全阀的若干部分，具有关于剪切冲头的细节，为了清楚起见移除多个部分的视图，该视图示出用于关闭套圈的密封件的剪切冲头中的座的细节；

图7是以剖视图示出安全阀的若干部分的视图，该视图示出压力补偿装置的功能，其中多个部分为了清楚起见被移除；

图8A-G示出用来获得提取井的关闭的图2的安全阀的致动程序的各种阶段。

具体实施方式

具体地参考图1，这个图示出被设立用于水下井的钻探的普通的浮动钻探装置100。总体上以附图标记AV指示的根据本发明的安全阀组件被安装在井口上以便在钻探阶段期间允许安装总体上以附图标记200指示的防喷器(BOP)。该井口可以为任何类型。更具体地说，该井口可以包括导体管道600，该导体管道被粘结或不管怎样被锚固或固定到其中存在要被开采的地下储层的海底或其它地质构造，其中管道600处于所述海床或其它地质构造的表面附近；如图1中示出的那样，锚固管道600的端部可以从海底出现或突出。生产十字件也可以为已知类型。在钻探的结尾，与被移除的BOP 200不同，安全阀组件AV可以保持安装持续该井的整个操作时期。在安装之后，在生产阶段期间，安全阀组件也可以留在井口上，当BOP已经被移除时，维持在生产十字件之下。

具体地说，安全阀组件AV被构造用来允许管状元件26的通过，该管状元件典型地为金属的，至少部分地被包含在该井内并且与井自身沿相同的轴向方向取向。管状元件26是内部空心的并且被设计用来包含和运输通过该井被提取的流体和其它物质，具体地说，例如，碳氢化合物(石油或天然气)、水、泥浆、岩石碎片和/或泥土碎片。安全阀组件AV由远程动力和控制系统300操作，该远程动力和控制系统可以在离该井预设定的距离处安装在钻探施工场所(在岸上钻探的情况中)、或在海底上(在海上钻探的情况中)。如下文中更清楚地说明的那样，安全阀组件AV的技术特征是，在安全阀组件AV自身的操作寿命期间不需要维护。然而，远程动力和控制系统300可以被移除以实现编程的或偶然的维护。在海上钻探的情况中，远程动力和控制系统300和安全阀组件AV之间的电和液压连接400可以使用称为“ROV可配对连接器”的连接器通过水下ROV(“远程操作的工具”)500被实现。

在本描述中，措辞“下”和“上”分别指示更靠近和更远离在其中操作提取井的储层的位置。

参考图2、3和4，这些图示出根据本发明的安全阀组件AV的优选实施例例子，该安全阀组件包括阀本体2，在该阀本体中存在通道导管24，该通道导管优选是直的，被构想用来被生产和/或钻探管路横穿，该生产和/或钻探管路被设计用来通过管状元件26包含和运输提取流体，该提取流体诸如例如要从地下储层被提取的石油，油，水，泥浆，岩石碎片和/或泥土碎片，天然气，或其它流体。阀本体2设置有上和下可分离连接装置，该上和下可分离连接装置优选地为带凸缘的连接器32，用来允许安全阀组件AV与生产十字件和井口的连接。用于冲头4和反冲头3的外壳在阀本体2中被获得，被布置成正好彼此相对，其共同纵向轴线A2大致垂直于该阀的纵向轴线A1；安全阀组件AV设置有冲头4，该冲头在外壳中沿与管道的纵向轴线A1相交的轴线A2以受控制的模式直线地滑动；安全阀组件AV设置有反冲头3，该反冲头被布置成沿直径与冲头4相对，在外壳中沿与管道的纵向轴线A1相交的轴线A2以受控制的模式直线地滑动。所述冲头4和反冲头3连同相应的致动机构通过优选地带凸缘的可分离的接头29被组装在阀本体2上。冲头4被构造用来抵抗由于井流体的压力的竖直推力而不引起显著的弯曲。

安全阀组件AV的特征在于冲头4和反冲头3被构造成允许反冲头3将冲头4滑动地接纳在其内部中以便产生两个不同的剪切平面；反冲头3被构造成具有空心部分，该空心部分适合于在剪切操作期间在直线运动中接收冲头4和管状材料的部分。

管状元件26可以是所谓的壳体、生产管道或包括钻探管道和工具接头的管柱(按技术行话)。

在本发明的一个优选实施例中，冲头4和反冲头3在与管状元件26接触的部分中具有“V”形构造，以便当所述冲头接合管状元件时施加上述管状元件的定中心功能。

在一个优选实施例中，冲头4和反冲头3通过相应的液压活塞9和10而被致动。

在另一个优选实施例中，冲头4和反冲头3在操作阶段中通过相应的位置传感器13和14而被控制。

如从图2可以看到的那样，在阀本体2中可以识别以下两个平面：

-上切割平面TS，该上切割平面大致垂直于阀的纵向轴线A1并且包含冲头4的上侧；

-下切割平面TI，该下切割平面大致垂直于阀的纵向轴线A1并且包含冲头4的下侧。

为了使剪切过程更有效，在一个优选实施例中，阀组件AV可以设置有上切开系统，该上切开系统切开管状元件26的表面，平行于上切割平面TS的上切开平面IS中包含的所述凹口以沿轴线A1的方向测量的离开TS的最大距离位于TS上方，该最大距离的优选范围为0.1mm至10mm。

在另一个优选实施例中，阀组件AV可以设置有下切开系统，该下切开系统切开管状元件26的表面，平行于下切割平面TI的下切开平面II中包含的所述凹口以沿轴线A1的方向测量的离开TI的最大距离位于TI下方，该最大距离的优选范围为0.1mm至10mm。

为了这个目的，对于切割平面TS和TI中的每一个切割平面而言，至少一个雕刻机7被安装在阀组件AV上；雕刻机被构造成具有刀具保持器杆11，该刀具保持器杆优选地具有矩形截面，沿与轴线A1大致垂直的轴线直线地滑动并且位于切开平面IS、II上。刀具28被安装在刀具保持器杆11上。阀本体2设计成具有腔23，该腔适合于让雕刻机7通过，以实现刀具28与管状元件26的表面的接触。

在一个优选实施例中，雕刻机在管状元件26的表面上产生优选地具有三角形形式的切口，所述切口具有的穿透深度的优选范围为0.1mm至5mm。

在本发明的一个优选实施例中，阀组件AV为每一个切割平面(上和下)设置有六个雕刻机，这些雕刻机相对于包括轴线A1和轴线A2的平面而言呈镜像地布置。

在一个优选实施例中，雕刻机7通过相应的液压活塞8被致动。

在另一个优选实施例中，雕刻机7在操作阶段中通过相应的位置传感器12被控制。

在本发明的一个优选实施例中，冲头4被构造用来切开在平面TS上的管状元件26的表面；在本发明的另一种优选构造中，冲头4被构造用来切开在平面TI上的管状元件26的表面。

在本发明的一个优选实施例中，反冲头3被构造用来切开在平面IS上的管状元件26的表面；在本发明的另一种优选构造中，反冲头3被构造用来切开在平面II上的管状元件26的表面。

在本发明的一个优选实施例中，可以由冲头4和反冲头3施加在管状元件26上的力的优选范围为30000kN至40000kN；由每一个雕刻机7施加的力的优选范围为3000kN至10000kN。

在本发明的一个优选实施例中，液压活塞8、9和10的杆30的密封件31通过弹性波纹管6被保护以免受井流体侵蚀，该弹性波纹管优选是金属的或由PTFE制成。弹性波纹管6允许相关活塞的小的运动。以规则的时间间隔(以大约1-2个月的量级)设定的所述运动可用于润滑密封件31，在长的时间段(井的勘探阶段和生产阶段)上防止粘附且保证必要的可靠性。在阀的致动的情况中，活塞8、9或10的力剪切波纹管6到杆30的固定元件，然后继续它们的行程以便施加特定的功能。

在本发明的一个优选实施例中，关闭套圈5的室21和22和保护波纹管6限制的体积填充有惰性流体并且通过压力补偿装置16、17被保持在与穿过阀本体2的井流体相同的压力。压力补偿装置的使用也被构想用于保护波纹管6，该保护波纹管被安装用来保护雕刻机7的液压活塞8的杆30的密封件。这个系统允许密封件与井流体隔离，避免损坏保护波纹管6。

参考图7，在管状元件26的剪切和管状部分27的移除之后，反冲头3被撤回在开始位置中，而冲头4处于完全接合通道导管24的部分的运行结束位置。具有液压密封件的阀的关闭，通过包括关闭套圈5的机构而被实现，该关闭套圈呈大致圆柱形，沿阀本体2的轴线A1滑动并且优选地布置在冲头4下面。在撤回下雕刻机7之后，关闭套圈5被推动而邻接冲头4，迫使密封衬垫15位于冲头4的凹部18中。为了这个目的，凹部18存在于冲头4的下表面中，保证用于关闭套圈5的正确的座。一旦关闭套圈5已经接合在其中，凹部18也具有阻挡冲头4沿轴线A2的平移运动的功能。用以移动和密封关闭套圈5所需的力，通过液压地加压布置在通道导管24和关闭套圈5的外表面之间的室21而被提供。

一旦已经达到关闭位置，关闭套圈5就通过一个或更多个阻塞销19被阻塞在密封位置中，以便在没有液压压力的情况下也保持所述关闭套圈5邻接在位于冲头4中的密封凹部18上。阻塞销19通过一个或更多个对应的弹簧20被推到关闭套圈5中的对应的凹槽中，并且当需要所述套圈的运动时，阻塞销19借助于通过特定的回路所施加的液压压力而被撤回，该特定的回路(由于它有利地与所述销连通)允许它们克服弹簧20的力而被撤回。布置在通道导管24和关闭套圈5的外表面之间的室22的加压，允许关闭套圈5向下滑动运动而变得脱离凹部18。液压室21和22彼此不连通。

在本发明的一个优选实施例中，阀组件AV被设计用来安装在被达到4000m深的水头淹没的海床上。

参考图8A-G，阀组件AV的关闭过程包括以下阶段：

-由于冲头4和反冲头3的“V”形构造，相对于通道导管24为管状元件26定中心；为了这个目的，通过向着管状元件26以受控制的模式滑动地移动反冲头3而致动该阀，直到在反冲头3和管状元件26的表面之间形成接触(图8B)；而反冲头3被保持在适当位置中，冲头4随后向着管状元件26以受控制的模式滑动地移动直到在冲头4和管状元件26的表面之间形成接触(图8C)；

-切开管状元件26；为了这个目的，在两个冲头3和4与管状元件26接触的情况下，力在冲头4和反冲头3的那部分上被施加在管状元件26上，以便实现管状元件26的表面上的切开；同时，雕刻机7选择性地移动靠近管状元件26，直到它们接触并且随后通过施加受控制的力，它们切开管状元件26的表面以便产生管状部分的弱化区域，弱化区域在剪切期间有利于断裂的受控制的传播。雕刻机7可以在剪切过程中以一数量被选择性地接合，该数量取决于穿过阀本体2的管状元件26的直径；

-剪切管状元件26；为了这个目的，反冲头3保持在适当位置中以便对抗切割力，而冲头4增加被施加在管状元件26上的力直到达到剪切接合在该阀中的管状元件所必要的剪切应力。当管状材料26的断裂被触发时，由冲头3施加的力达到其最大值，这个力随后在剪切过程期间减小；

-移除管状部分27(图8D-E)；为了这个目的，反冲头3保持在与管道26的接触位置中直到由冲头4施加的力达到其最大值，反冲头3随后根据轴线A2直线地撤回，允许冲头3前进且管状部分27被移除；

-中断通过阀组件(AV)的流体的流动(图8E)；为了这个目的，前进直到其行程端部的冲头4完全阻塞阀本体2的内部通道部分；

-在阀组件(AV)内产生液压密封(图8F)；为了这个目的，在通过通过专用回路施加的液压压力撤回下雕刻机7和阻塞销19之后，该专用回路(由于它有利地与所述销连通)允许它们被撤回，克服弹簧20的力；关闭套圈5向着冲头4被推动邻接，迫使密封衬垫15位于冲头4的凹部18中；凹部18形成在冲头4的下表面中，保证用于关闭套圈5的正确的座。

-阻塞关闭套圈5(图8G)；为了这个目的，阻塞销19通过一个或更多个对应的弹簧20被推到关闭套圈5的对应的凹槽中，从专用的液压回路移除压力；

-从阀本体2取出管状元件26的上剪切部分；为了这个目的，上雕刻机7被撤回以允许管状元件26的脱离。

安全阀的致动为可逆类型以允许该井的恢复(如果这是可能的)。

阀组件AV的再打开过程包括以下阶段：

-打开阀组件AV的液压密封；为了这个目的，专用液压回路通过阻塞销19的运动被加压，其效果是不阻塞所述销，室22然后被加压，允许关闭套圈5向下滑动运动以变得脱离凹部18。

-将冲头4撤回到最初位置中，释放通道导管24。

因此可以看到，根据本发明的用于提取碳氢化合物的井的安全阀实现了上文述及的目标，获得了许多优点，其中包括：

-由于切口的存在的优选断裂平面的发展而促进的管状元件的剪切动作，因此相对于已知装置具有更多的功能，考虑到要被切割的几何结构的多样性：从工具接头到壳体；

-产生限定的剪切表面，以便避免产生金属碎片——金属碎片会阻止关闭元件的后续通过；

-也能够实现临界条件下的管状元件的剪切；

-保护活塞杆的密封件免受井流体侵蚀，因此避免了密封件的维护，并且使得被安装的安全阀在井的整个操作寿命期间保持有效。

这样构思的本发明的用来提取碳氢化合物的井的安全阀可以在任何情况下经受许多修改和变化，所有修改和变化被包括在该发明构思中；此外，所有细节可以由技术上等同的要素取代。实际上，所用的材料以及形状和尺寸可以根据技术要求变化。

本发明的保护范围因此由所附权利要求限定。