CN101238269A - 用于闸板防喷器的杆状锁 - Google Patents

Abstract

一种用于液压地密封井筒的防喷器(100)，包括：壳体(102)，配置用于定位在井口上面并围绕钻柱(112)；多个闸板(120)，垂直于钻柱的轴线(114)定位，用于接合钻柱(112)，并在闸板处于关闭位置中时，液压地隔离井筒和钻柱(112)之间的环状空间(116)；以及滚子锁(350、250)，围绕每个闸板(120)的推杆(326，226，126)定位，所述滚子锁配置用于将闸板(120)保持在关闭位置中。

Description

用于闸板防喷器的杆状锁

技术领域

本发明主要涉及一种用于防喷器的锁定机构，所述防喷器用于石油勘探和获取工业中。更具体地，本发明涉及一种防止不希望出现的闸板型的防喷器的推杆的反向的滚子锁机构。

背景技术

井筒被深深地钻入地壳以获取在下面的地层埋藏的油气沉淀物。典型地，这些井筒由这样的设备钻出，所述设备在称为钻柱的长集束或者柱的端部旋转钻头。因为在这样的操作中所涉及的能量和摩擦，钻井液(通常称为钻井泥浆)用于当钻头切削下面的岩石地层时，润滑和冷却钻头。进而，钻井泥浆能够执行将钻头切削物从井筒的底部移出到表面的辅助功能。典型地，钻井泥浆在高压下通过钻柱的中心孔被传递给钻头。从这里，钻头上的喷嘴将受压的泥浆引导到钻头上的刀具，在所述钻头上，受压的泥浆清洗和冷却钻头。当所述液流通过钻柱的中心孔在井下传递时，流体回到在钻柱部件的外部和所切割的井筒之间形成的环状空间的表面上。因此，钻井泥浆的静水柱典型地从所述表面延伸到被切削的孔的底部。

当井筒被钻到表面以下几千英尺时，钻井泥浆的静水柱也用于帮助防止井筒的井喷(blowout)。经常，埋藏在地下地层中的碳氢化合物和其他流体存在于巨大的压力下。在没有任何流体控制措施的情况下，来自这种断裂的地层的流体可以像喷泉一样喷出井筒并将碳氢化合物和其他不希望的流体喷涌入大气。来自钻井泥浆柱的几千英尺的液压头帮助防止井筒在正常条件下井喷。然而，在一定的不可预见的情况下，钻头将遇到受压的地层的洞穴，并将使得井筒“突跳”或经历压力的迅速增加。因为地层的突跳是不可预见的，且将导致灾难，所以现今的使用中，称为防喷器(“BOP’s”)的流体控制装置在大多数钻井平台上是强制安装的。

防喷器是配置用于密封围绕钻柱的环状空间的装置。一种最普通类型的防喷器被称为闸板型(ram-type)防喷器。闸板型防喷器包括安装在井口顶上的大壳体，所述井口包括大通路，钻柱(和连接到那里的任何部件)能通过所述通路。壳体也包括两个或更多个闸板以及井口，所述闸板位于与钻柱和井口的轴线基本正交的平面上，所述活塞配置用于在缩回和延伸位置之间移动。配置闸板的端部，以使得，当闸板延伸时，它们在通过其设置的钻柱周围提供完整的环形液压密封。

最初参照图1，示意性地示出典型的闸板型BOP 100。所示的闸板型BOP 100包括主壳体102、两个或更多个活塞闸板壳体104以及用于连接其他井口部件(未示出)的顶部拧紧凸缘106和底部拧紧凸缘108。优选地构建闸板型防喷器100，以使得通常圆柱形通孔110允许油田管道112无阻碍地沿着钻柱轴线114通过。油田管道112典型地是钻柱的部件并可以包括，但不限于钻管、钻环、测量工具、盘管或钢缆。在正常条件下，通孔110是开口的且未受阻碍，以使得流体通过在管路112的外轮廓和通孔110的内轮廓之间形成的环状空间116。当下面的井筒将关闭以使得BOP100下面的流体不在与BOP100上面的井筒相通时，闸板组件118被启动以在孔110和管路112之间提供环状空间116的360°密封。

每个闸板组件118包括密封闸板120，所述密封闸板具有通过推杆126与液压活塞124相连的引导边沿122。引导边沿122被优选成形，以使得其与油田管道112的外轮廓相符，以使得可以在其之间形成严密封。通过推杆126与密封闸板120相连的液压活塞，由外部液压源(未示出)启动以将引导边沿122与管路112接合，并将环状空间116的密封起来。尽管典型地可以存在两个闸板组件118，每个具有与引导边沿122对应的半圆轮廓，但是应当理解，闸板型BOP100可以采用三个或更多个闸板组件118，所述闸板组件118具有用于引导边沿122的对应的环形部分，以关闭和密封环状空间116。

为了将环状空间(annulus)116密封起来，受压的流体被施加到液压口128，所述液压口与闸板壳体104的贮水槽130相通。贮水槽130中压力的增加压迫活塞124的后表面132，使得活塞124、杆126、和闸板120被朝向管路112推动。与贮水槽130相通的压力越高，通过杆126传递给闸板120的载荷也越大。为了使驻塞120缩回离开环状空间116，降低至端口128的压力，而活塞124能够缩回进贮水槽130。活塞124的缩回可以通过使用缩回弹簧(未示出)、液压缩回或通过任何其他本领域中公知的其他装置进行协助。尤其是，缩回端口129可以用于给缩回贮水槽131提供液压通道，以使得液压的增加使活塞124产生位移以缩回闸板120。

在闸板120被延伸而引导边沿122与油田管道112接合的情况下，强液压密封防止流体通过环状空间116逃逸出井筒。只要保持贮水槽130中的液压，闸板120将继续密封环状空间116。然而，存在需要保持环状空间密封而不管闸板型BOP100的操作能力的情况。例如，需要在一旦钻井平台位置上出现动力故障时，保持密封的完整性。另外，如果井筒被关闭的时间被延长，则在这段时间中保持液压不总是可靠的或明智的。因此，用于将液压闸板120“锁定”在曾经启动的位置上在油田中是很需要的。

用于将液压闸板120锁定在合适的位置上的前一种方法涉及将机械螺钉紧固以将活塞124锁定在曾经在贮水槽130中的位移的位置上。这种螺钉或者被手动或通过动力装置紧固，并将有效地将闸板120、推杆126和活塞124锁定在合适的位置上。然而，可达性的关注使得这种方案没有被充分地优化。尤其，在深海设施中，这些锁定螺钉必须通过远程操作车或通过电气的致动器启动。同样，它们在几百英尺或更深的深度下的可靠性是值得怀疑的。另外，在基于陆地的钻井平台上，典型地，BOP100位于钻井平台底的下面。这样，接合和脱离锁定螺钉需要相当的时间，一旦出现紧急情况，该时间不总是可获得的。

用于锁定液压闸板的另外的方案可以将推杆126锁定在合适的位置上。以前，棘齿外形(例如，授予Robert的美国专利No.3,941,141，在此以引用的方式并入本文中)已经被结合匹配锁合部件在推杆126的外部轮廓上使用，以将推杆126保持在合适的位置上。此外，各种内螺纹机构(例如，授予Ellison的美国专利No.4,052,995和授予Olson的美国专利No.4,076,208，两者在此都以引用的方式并入本文中)已经用于将推杆126固定在使用的位置上，由此推杆126被螺纹结合而对应的止动螺母装置将推杆126锁定在合适的位置上。最后，各种楔入的方案(例如，授予Abbe的美国专利No.4,305,565和授予Williams的美国专利No.4,969,390，两者在此都以引用的方式并入本文中)已经被提出用于将推杆126锁定在合适的位置上。尽管有希望，但是由于这些方案在与推杆126接合并将推杆126锁合在合适的位置上之前，表现出沿相反方向的小滑移或“游隙”量(称为反冲)，所以这些方案中的每一个都由许多没有被充分优化的因素所考虑。一旦出现对于井筒的高压“突跳(kick)”，甚至与推杆126相连的闸板120的极微小的位移也可能导致井筒流体的灾难性的释放。

因此，在工业中，设备长期需要迅速地、确实地和坚固地将闸板型防喷器锁定在接合位置中的设备，在锁定发生之前，具有最小的操作交互并具有闸板的最小“窜动(backslash)”。

发明内容

在一个实施例中，防喷器包括：壳体，配置用于定位在井口上面并围绕钻柱；多个闸板，垂直于钻柱的轴定位；以及滚子锁，围绕每个闸板的推杆定位。闸板可以配置用于接合钻柱，并在闸板处于关闭位置上时，液压地将井筒和钻柱之间的环状空间从位于壳体上的部件分离。滚子锁可以配置用于将闸板保持在关闭位置中。

在一个方面，本发明涉及一种将与防喷器使用的锁定设备。在一个实施例中，所述锁定设备包括多个球形锁定元件，所述球形锁定元件用于接合并限制与防喷器的闸板相连的推杆的移动。所述锁定设备也可以包括多个球形锁定元件的容器，其中每个容器包括倾斜表面，当操作闸板被推开时，所述倾斜表面配置用于推动球形锁定元件与推杆形成有压力的接触。另外，锁定设备也可以包括释放架(release cage)，当操作闸板将被打开时，所述释放架缩回并保持球形锁定元件进入容器，并引导其脱离与推杆的有压力的接触。

在一个方面，本发明涉及一种用于锁定防喷器的闸板的方法。所述方法可以包括，将球形锁定元件定位在位于邻近闸板的推杆的容器的内部，其中所述容器包括倾斜表面，当操作闸板被推开时，所述倾斜表面配置用于使球形锁定元件与推杆接合。所述方法还可以包括以球形锁定元件的有压力的接合锁定推杆。所述方法还可以包括借助释放架，将球形锁定元件缩回入它们各自的容器中以解除对闸板的锁定。

本发明的其他方面和优势从下列表述和所述权利要求中显而易见。

附图说明

图1是闸板型防喷器的示意剖视图；

图2是根据本发明的实施例的推杆保持器的示意图；

图3是根据本发明的实施例的推杆保持器的示意图。

具体实施方式

在此参照图2，示出根据本发明的实施例的推杆锁250的示意图。在该实施例中，推杆锁250优选地位于在围绕推杆226的固定位置上的活塞闸板壳体(例如，图1的104)内。推杆锁250需要配置用于允许推杆226沿着锁定方向254位移，而不允许推杆226沿着解锁方向254的位移。推杆锁250包括主体256，在所述主体256中形成一个或更多个滚子容器。示出包括深部260的滚子容器258，所述深部260通过倾斜表面264延伸到浅部262。

同样，当需要选择地锁定推杆226时，每个滚子容器258配置用于将滚子266保持和设置在容器258内和从容器258展开。尤其是，当滚子266位于深部260内时，在滚子和推杆226之间基本没有接触出现，但是当滚子266沿着倾斜表面264移动时，推杆226被逐渐地被滚子266和表面264锁定为约束。进而，一旦被这样锁定，还增加了沿着解锁方向254的推杆226上的载荷，以趋于使得滚子266与倾斜表面264接触，从而对推杆226压缩得更紧，导致更强的锁定位置。推杆226沿着锁定方向252的位移趋于将滚子266朝向主体256的深部260滚上倾斜表面264，以使得杆226沿着锁定方向252自由移动。

进而，推杆锁250的保持器架268将滚子266保持在容器258内，并配置用于在推杆226待释放时，将滚子266取回到深部260。保持器架268优选地包括邻近滚子266的狭槽(未示出)，以允许保持器架268在不干涉滚子与推杆226的接合的情况下，使滚子266产生位移。在滚子266是球形滚子的情况下，狭槽可以是纵向狭槽或匹配滚子266的外部轮廓的球形部分。可选地，在滚子266是圆柱形的情况下，狭槽可以宽度与滚子266大致相同的横向槽狭。不考虑构造，当推杆226将沿着解锁方向254产生位移时，保持器架268沿着方向270产生位移，以将滚子266沿着倾斜表面264向上取回，并使滚子266进入深部260，而与推杆226的外部表面的接合相远离。保持器架268可以被偏压，以使得滚子266沿着相反方向270偏压，并被偏压到推杆226中。可选地，架268可以不被偏压，而使得推杆226的移动成为造成滚子266与其接合的唯一的力。

应当理解，用于使保持器架产生位移或偏压的本领域内公知的任何装置都可以采用，所述装置包括，但不限于，液压管路、弹簧和张力电缆。尤其是，当液压被施加到与其连接的液压致动器上时，保持器架可以被构建成可被位移。进而，如果液压装置用于将推杆226缩回入解锁方向254，则控制系统(未示出)可以用于将这种液压引导到保持器架致动器、推杆牵引器，或这两者。可选地，用于释放推杆锁250的液压系统可以与沿着解锁方向254使推杆226产生位移的液压系统区分开。

进而，应当理解，倾斜表面264可以是本领域内公知的各种类型中的任意一种。尤其是，表面264可以仅仅是平坦表面或可以形成轮廓以符合球形滚子266的外形。进而，尽管滚子266被一般性地描述，但是应当理解，它们可以被构建成球形的或圆柱形的装置，并可以以各种硬度和摩擦值构建，以便于推杆226和倾斜表面264之间的接触和接合。

在此参照图3，示出根据本发明的实施例的推杆锁350的示意图。类似于图2的推杆锁250，图3的推杆锁350优选地位于在围绕推杆326的固定位置上的活塞闸板壳体304内。尽管示出单个推杆锁350，但是应当理解，多个杆锁350可以径向地和轴向地围绕推杆326。

推杆锁350需要配置用于允许推杆326沿着锁定方向352产生位移，而限制推杆326沿着解锁方向354产生的位移。推杆锁350包括主体356，在所述主体中，形成两组滚子容器358A、358B。类似于图2的容器258，当推杆326沿着解锁方向354产生位移时，内滚子容器358A形成轮廓使滚子366A形成与推杆326的接合。同时，当主体356沿着解锁方向354产生位移时，外滚子容器358B形成轮廓以使得滚子366B形成与外损耗增强板380的接合。因此，对于关于和沿着推杆326的每个位置，一个滚子366A与推杆326卡紧，而另一个滚子366B与磨耗增强板380卡紧以抵抗推杆326沿着解锁方向354的位移。同样，对于沿着解锁方向354的每个增加的位移，图3的推杆326将经历两倍于在单滚子构造(例如图2)中推杆所经历的径向压力的径向压力。

另外，内、外保持器架368A、368B将滚子366A、366B保持在容器358A、358B内，并在一旦需要缩回推杆326的情况下，允许杆锁350被释放。正如图2的保持器架268，保持器架368A、368B允许滚子366A、366B通过狭槽或通过其的其他形式的孔(未示出)接触推杆326和磨耗增强板380。如前所述，在滚子366A、366B是球形的情况下，在保持器架368A、368B中的这种孔可以成纵向狭槽或者球形部分的形式，或者如果滚子366A、366B是圆柱形的，则所述在保持器架368A、368B中的这种孔可以是横向狭槽。示出一对偏压弹簧382、384结合主体356和保持器架368A、368B工作，以缺省将滚子366A、366B推入与推杆326和磨耗增强板380的锁定接合。当内保持器架368A被相对于壳体304固定时，弹簧382沿着箭头352方向推动主体以使得倾斜表面364A推动滚子366A形成与推杆326的接触。同样，在主体356和外保持器架368B之间的弹簧384沿着箭头352的方向推动架368B和滚子366B，以使得倾斜表面364B推动滚子366B与磨耗增强板380形成接触。

为了将滚子366A、366B从它们与推杆326和磨耗增强板380的接合释放出来，采用解锁机构386。解锁机构386可以以任何方式构造，但是优选地配置用于将滚子366A、366B缩回进它们各自的容器358A、358B，以使得推杆326可以沿着解锁方向354缩回。图3的解锁机构386被示出位于壳体304的凹槽388内。围绕机构386的液压密封390确保当液压被增加到液压端口392时，机构386沿着354的方向产生位移，以使得推力面394与外保持器架368B的对应的负载台肩396接合。当至端口392的压力被有效地提升时，弹簧384和382被压缩，以使得滚子366A、366B被保持在凹槽358A、358B内以能够使得推杆326被缩回。一旦推杆326被缩回，至端口392的压力可以被释放，以使得推杆326可以迅速地被接合并保持在合适的位置上，而不需要任何的辅助锁定步骤。在其普通的平衡状态下，杆锁组件350即使在一旦液压动力全部损失时，也能在没有任何追加步骤的情况下阻止推杆326的脱离接合。

本发明的杆锁组件250和350表现出超过当前可获得的锁定机构的优势。尤其是，杆锁组件250、350能够几乎立即固定推杆226、326，且具有很小或没有窜动或滑移。进而，由于杆锁组件250、350缺省时锁定，所以它们被公开为“失效保护”装置。一旦推杆226、326被延伸，就没有将推杆226、326锁定在合适的位置上所需要的确认步骤。杆锁组件250、350自动地接合并抵抗推杆226、326的脱离。由于接合杆锁250、350不需要外部动力源，所以它们的有效性不因为动力失效而受损。相反，脱离接合杆锁250、350仅需要液压动力(或其他)。最终，当杆锁250、350配置用于接合推杆226、326的光滑的外部轮廓时，在推杆226、326上不需要阻碍特征。以前的方案需要特定的轮廓，所述特定的轮廓能够阻碍推杆226、326操作和接合。

尽管本发明已经相对于有限数量的实施例进行描述，但是本领域内的从本发明获益的技术人员应当理解，可以设计不偏离在此公开的本发明的保护范围的其他实施例。相应地，本发明的保护范围应当仅由所附的权利要求限定。

Claims (21)

1.一种用于液压地密封井筒的防喷器，包括：

壳体，所述壳体被配置用于定位在井口上面并围绕钻柱；

多个闸板，垂直于钻柱的轴线定位，所述闸板配置用于接合钻柱，并在闸板处于关闭位置时，液压地将井筒和钻柱之间的环状空间与位于壳体上的部件隔离；以及

滚子锁，所述滚子锁围绕每个闸板的推杆定位，所述滚子锁配置用于将闸板保持在关闭位置中。

2.根据权利要求1所述的防喷器，其中所述滚子锁包括多个与倾斜表面接触的球形滚子，所述倾斜表面配置用于当闸板从钻柱移动离开时，将球形滚子推动与推杆进行受压接合。

3.根据权利要求2所述的防喷器，其中所述球形滚子和倾斜表面允许闸板移动与钻柱接合。

4.根据权利要求2所述的防喷器，其中所述滚子锁包括释放架，所述释放架配置用于将球形滚子取出与推杆的受压接合，以允许闸板移动离开关闭位置。

5.根据权利要求4所述的防喷器，其中所述释放架也配置用于将球形滚子保持在包含倾斜表面的成形槽内。

6.根据权利要求2所述的防喷器，其中所述倾斜表面包括平坦表面。

7.根据权利要求2所述的防喷器，其中所述倾斜表面包括成形表面。

8.根据权利要求1所述的防喷器，其中所述滚子锁包括多个与倾斜平面接触的圆柱形滚子，所述倾斜平面配置用于当闸板移动远离钻柱时，将圆柱形滚子推入与推杆进行受压接合。

9.根据权利要求1所述的防喷器，其中所述滚子锁包括释放机构，所述释放机构允许闸板从关闭位置位移。

10.根据权利要求1所述的防喷器，其中所述滚子锁包括释放机构，所述释放机构当液压被用于缩回活塞时被启动。

11.一种与防喷器使用的锁定设备，包括：

多个球形锁定元件，所述球形锁定元件用于接合并限制与防喷器的闸板相连的推杆的移动；

用于球形锁定元件的多个容器，每个容器包括倾斜表面，当操作闸板被推开时，所述倾斜表面配置用于推动球形锁定元件与推杆进行受压接触；以及

释放架，当操作闸板被打开时，所述释放架缩回并保持球形锁定元件至容器中，且将它们引导出与推杆的受压接触。

12.根据权利要求11所述的锁定设备，其中所述球形锁定元件允许当与推杆接触时，操作闸板沿着关闭的方向移动。

13.根据权利要求11所述的锁定设备，其中所述容器的倾斜表面是平坦表面。

14.根据权利要求11所述的锁定设备，其中所述容器的倾斜表面是成形表面。

15.根据权利要求14所述的锁定设备，其中所述成形表面对应于球形锁定元件。

16.根据权利要求11所述的锁定设备，其中所述容器包括凹槽，所述球形锁定元件可以完全地缩回离开推杆进入所述凹槽。

17.根据权利要求11所述的锁定设备，其中当没有管状物体延伸通过防喷器时，所述释放架防止球形锁定元件的损失。

18.一种用于锁定防喷器的闸板的方法，包括：

将球形锁定元件定位在位于邻近闸板的推杆的容器的内部，其中所述容器包括倾斜表面，当操作闸板被推开时，所述倾斜表面配置用于使球形锁定元件与推杆接合；

以球形锁定元件与推杆的受压接合锁定推杆；以及

借助释放架，将球形锁定元件缩回入它们各自的容器中以解除对闸板的锁定。

19.根据权利要求18所述的方法，还包括：

以释放架将球形锁定元件保持在容器中，其中释放架包括孔，所述孔允许球形锁定元件与推杆接触而不会掉出容器。

20.根据权利要求18所述的方法，其中所述释放架是单个部件，配置用于将所有球形锁定元件缩回入它们各自的容器。

21.根据权利要求18所述的方法，其中所述释放架由多个部件组成，每个部件配置用于将一个或更多个球形锁定元件缩回入它们各自的容器中。

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