CN102713133A

CN102713133A - 水下罩

Info

Publication number: CN102713133A
Application number: CN201180005442XA
Authority: CN
Inventors: 亚尔莫·凯卡赖宁
Original assignee: Aker Subsea AS
Current assignee: Aker Solutions AS
Priority date: 2010-01-07
Filing date: 2011-01-07
Publication date: 2012-10-03
Anticipated expiration: 2031-01-07
Also published as: WO2011084067A1; BR112012016708A2; GB2488723A; GB201210727D0; NO332601B1; AU2011204030A1; US8950474B2; BR112012016708B1; NO20100012A1; US20120285699A1; GB2488723B; MY167027A; AU2011204030B2; CN102713133B

Abstract

罩(100)包括适合于嵌入水下井元件(200)的孔(203)中的托管架，所述托管架包括锁紧工具(101)，用于锁定到所述孔(203)中的轮廓(207)，该锁紧工具包括多个锁紧爪(101)，锁紧爪(101)呈现有大倾斜面(101a)和小倾斜面(101b、101c)，并且锁紧爪(101)适合于通过致动套筒(109)而在径向方向上被致动。小倾斜面被槽分开，大倾斜面布置在该槽中，其中布置在致动套筒上的凸轮(131)适合于延伸到所述槽中；或小倾斜面被布置在锁紧爪上的凸轮分开，大倾斜面(131a)布置在该凸轮上，该凸轮适合于延伸到致动套筒的槽中。

Description

水下罩

本发明涉及水下井元件中的孔的封闭。具体地，本发明可以以布置在圣诞树型物(Xmas tree)的套管(spool)上的树型罩的形式被采用。

背景

在油气井领域中，已知有多种方式用于对管状井元件的孔例如圣诞树型物的孔进行密封。例如，对于水下井来说已知的是，将树型罩布置在圣诞树型套管(Xmas tree spool)的顶部上。树型罩包括托管架(stinger)，托管架嵌入到圣诞树型物的孔中。在一些情况下，圣诞树型套管包括生产孔(production bore)和较小的环形孔。此外，一些圣诞树型物用于注入井，注入井用于将流体注入到井孔内。树型罩然后可包括两个托管架，两个托管架之一嵌入到这些孔中的每个孔中。

还已知用其他孔屏障装置(bore barrier arrangement)例如设置有锁紧工具的插塞来密封孔。欧洲专利申请EP 0687801描述了具有金属对金属密封的金属线插塞(wireline plug)，该金属线插塞布置成被锁定在具有内部锁紧凹槽的孔中。插塞具有锁紧键(4)，锁紧键(4)被布置成与孔的锁紧凹槽接合。轴向可运动的扩张器套筒(3)在其轴向地运动时提供锁紧键的径向运动。扩张器套筒和锁紧键设置有不同倾斜度的滑动面，依赖于所接合的倾斜面提供与扩张器套筒的轴向运动距离有关的不同径向运动距离。

为了将托管架或罩锁定在适当位置，已知设置径向地可运动的爪(dog)，该爪可与孔中的内锁紧轮廓接合。为了使爪径向地运动，已知沿着其内面滑动锁紧套筒。锁紧套筒通常具有倾斜面，当套筒向下移动时，倾斜面使爪径向地向外运动。然而，为了使该锁紧套筒向下运动，通常使用一种工具，该工具在使套筒运动之前必须被固定到井装置。这将阻止该工具在向下推动锁紧套筒时向上运动。

锁紧套筒的运动通常通过运转工具(running tool)中的液压活塞或通过由ROV致动设备提供线性运动来提供。

本发明

根据本发明，提供了一种罩，其包括托管架，该托管架适合于嵌入到水下井元件的孔中，所述托管架包括锁紧工具，用于锁定到所述孔中的内部轮廓。锁紧工具包括多个锁紧爪(locking dog)，锁紧爪呈现有大倾斜面和小倾斜面，并且锁紧爪适合于通过致动套筒而在径向方向上被致动。根据本发明，

-小倾斜面被一槽分开，大倾斜面布置在该槽中，其中布置在致动套筒上的凸轮适合于延伸到所述槽中；或者

-小倾斜面被布置在锁紧爪上的凸轮分开，大倾斜面布置在该凸轮上，该凸轮适合于延伸到致动套筒的槽中。

优选地，密封装置在适合于比所述锁紧工具更远地延伸到所述孔中的位置处直接地或间接地连接到致动套筒。

在有利的实施方式中，罩适合于使得致动套筒能够以三个运动阶段来运动。第一阶段包括通过与大倾斜面接合使锁紧爪运动。第二阶段包括使密封装置运动到所述孔中的密封表面的区域中。第三阶段包括通过与小倾斜面接合而进一步在径向方向上推动锁紧爪。在该实施方式中，第二阶段在第一阶段后。此外，第三阶段在第二阶段后，或第三阶段与第二阶段同时发生。因此，在该实施方式中，第一运动阶段可适合于锁紧爪的大的运动，而无显著阻力，然而，第三阶段适合于通过在致动套筒的运动路径末端处施加的显著力而将锁紧爪推动到其锁紧位置中。

罩可有利地包括生产孔托管架和环形孔托管架，在两个托管架中，仅生产孔托管架设置有锁紧工具。

罩可包括紧急释放套筒，紧急释放套筒布置在用于将紧急释放锁紧装置维持在锁紧位置的一位置中。紧急释放套筒适合于被拉出所述位置，并且在被拉出所述位置时，通过拉动罩，锁紧工具可解除与所述内部轮廓的锁紧接合。该特征在由于某些原因致动套筒不能被致动的情况下是有利的。

此外，罩可包括密封座(seal holder)，该密封座呈现有具有朝向压力侧成凸形的中间段，中间段被外周部分包围，外周部分布置成用于支撑密封装置，密封装置用于倚着孔中的密封表面密封。中间段适合于在其凸侧上受到压力时将径向力施加到外周部分上。

优选地，根据本发明的罩包括用于将旋转致动器的旋转运动转变成致动套筒的轴向运动的工具。致动套筒适合于提供锁紧工具的径向运动。

大倾斜面相对于轴向方向具有的角度比小倾斜面具有的角度大。因此，相对于致动套筒的移动距离，沿大倾斜面移动致动套筒比沿小倾斜面产生锁紧爪的更长的径向移动。此外，在给定的作用于致动套筒上的轴向力的情况下，相比于与大倾斜面接合将在锁紧爪上产生的径向力，与小倾斜面的接合将在锁紧爪上产生更大的径向力。

优选地，小倾斜面被一槽分开，大倾斜面布置在该槽中。优选地，从致动套筒延伸到槽中的凸轮结构可接合大倾斜面。该特征产生相对于致动套筒的对锁紧爪的侧向支撑。可选择地，小倾斜面被布置在锁紧爪上的凸轮结构分开，大倾斜面布置在该凸轮结构上。优选地，该凸轮结构将延伸到致动套筒上的相应的槽中。

根据本发明的第二方面，提供了用于保持密封装置的密封座。密封装置适合于倚着水下井元件例如圣诞树型物的孔中的面向密封表面密封。密封座呈现有中间段，中间段被外周部分包围，外周部分布置成用于支撑所述密封装置。根据本发明的第二方面，中间部分呈现有朝向压力侧的凸形状，其中中间部分适合于在其凸侧上受到压力时将径向力施加到外周部分上。

实施方式的示例

上面已描述了本发明的主要特征，在下面将参考附图给出示例性实施方式的更详细的且非限制性的描述，在附图中：

图1是根据本发明的树型罩的横截面图，该树型罩被布置在水下圣诞树型物的内孔中；

图2是图1中的锁定到圣诞树型物的树型罩的横截面图；

图3是图1和图2中的树型罩的横截面图，该树型罩被锁定到圣诞树型物且其中两个密封装置被设置在密封位置；

图4是用于将树型罩锁定到圣诞树型物的锁紧爪的透视图；

图5是图4中的锁紧爪的横截面图；

图6是图4中的锁紧爪的另一横截面图；

图7是致动套筒的部分横截面图；

图8a是致动套筒的一部分、凸轮和锁紧爪的透视图；

图8b是无锁紧爪的与8a相对应的透视图；

图9是适合于具有生产孔和环形孔的圣诞树型物的树型罩的横截面图；

图10是布置在树型罩上的紧急释放工具的主视图；

图11是图10中的紧急释放工具的透视图；

图12是在被拉出而与圣诞树型物脱离接合的过程中的释放工具和树型罩的横截面图；以及

图13是密封座的部分横截面图。

图1示出根据本发明的树型罩100的横截面图。树型罩100坐落在水下圣诞树型物的树型套管201的孔203中。树型罩100停靠在圣诞树型物孔(Xmas tree bore)203的内部的降落肩部(landing shoulder)205上。

树型罩100具有多个锁紧爪101，锁紧爪101可径向地运动到树型套管201的面向内部锁紧凹槽207。爪101的径向运动通过致动套筒109的向下运动来提供。这将在下面更详细地描述。此外，致动套筒109与旋转致动器111螺纹接合。即，在致动套筒109和旋转致动器111之间的带螺纹的界面113包括相互接合的螺纹。当旋转致动器111旋转时，致动套筒109将根据旋转方向而在轴向方向上向上或向下运动。在其上部部分，旋转致动器111呈现有旋转界面115，旋转界面115适合于与例如扭矩工具或ROV旋转工具(未示出)对接。

为了阻止树型罩100由于旋转致动器111的旋转而导致的旋转，销和孔布置(未示出)可优选地布置在树型套管201的顶部。从树型罩100延伸到树型套管201中的孔中的销将阻止树型罩100的旋转。

在一个实施方式中(稍后参考图9所描述的)，树型罩100可包括用于树型套管200中的环形孔的托管架104。环形托管架104的下部部分然后可有利地充当抗旋转工具，因为当树型罩100下落时，托管架104将略微地延伸到环形孔中。

还可布置用于将旋转致动器111的旋转运动转变成致动套筒109的轴向运动的其他工具，代替带螺纹的界面113。这样的工具可例如是滚柱丝杆组件(roller screw assembly)。

在致动套筒109的下端，布置有密封座117。布置到密封座117的是聚合物密封装置119和金属对金属密封装置121。在图1示出的密封装置119、121的位置下方，XT孔203呈现有构成孔密封表面209的变窄部分。如通过下面的描述将明了的，当致动套筒109向下运动时，密封装置119、121将运动到密封表面209的区域中。虽然从图1中不易于看见，但圣诞树型套管201的内孔203的孔直径在密封表面209处比在所述密封表面上方的在图1示出的密封装置119、121的位置处略小。因此，当密封装置119、121进入密封表面209的区域时，密封装置119、121将被致动，即被置于密封状态。

树型罩100还包括保持板123、紧急释放套筒125和紧急释放开口环127。紧急释放布置将在下面进一步描述。

现参考图2，其是与图1相对应的横截面图，但其中致动套筒109已轴向地向下运动第一距离。该运动借助于扭矩工具(未示出)来提供，其中扭矩工具用于通过与旋转界面115接合而使旋转致动器111旋转。可使用其他提供旋转的工具优选ROV工具来代替扭矩工具。锁紧爪101现已运动到树型套管201的面向内部锁紧轮廓207。此外，金属对金属密封装置121已进入圣诞树型孔203的密封表面209的区域。如将在下面更进一步详细描述的，锁紧爪101现已通过与布置在致动套筒109上的多个凸轮131滑动接合而运动。凸轮131已倚着锁紧爪101的大倾斜面101a滑动。大倾斜面101a具有相对于轴向和径向方向45度的倾斜度。这确保了锁紧爪101在致动套筒109的每次轴向运动时相对大的径向运动。在大倾斜面101a下面是垂直面101d。

现参考图3，在图3中，致动套筒109已向下运动到其最低位置。为聚合物密封装置119和金属对金属布置121的两种密封装置现已运动到密封表面209的区域中，且因此处于密封位置。此外，锁紧爪101已运动更小的径向距离，进入内部锁紧轮廓207中。现将参考图4描述该后一种运动。

图4是多个锁紧爪101中的透视图。如上表明的，锁紧爪101呈现有大倾斜面101a，大倾斜面101a优选具有相对于轴向或径向方向约45度的倾斜度。另外，锁紧爪101呈现有分别的上部小倾斜面101b和下部小倾斜面101c。上部小倾斜面101b和下部小倾斜面101c均被槽分成左部分和右部分，所述大倾斜面101a和垂直面101d布置在该槽中。布置在致动套筒109上的凸轮131适合于在该槽内与大倾斜面101a接合。槽和凸轮装置为锁紧爪101提供侧向支撑。

为了阐述大倾斜面101a和小倾斜面101b、101c之间的大的倾斜度差异，图5和图6示出在图4中示出的锁紧爪101的横截面图。图5的横截面穿过大倾斜面101a和垂直面101d，然而图6的横截面穿过上部小倾斜面101b和下部小倾斜面101c。

本领域技术人员将领会，本文描述的锁紧爪101在与其他方式的致动结合方面也是适合的，例如致动套筒的液压致动。

虽然锁紧爪101的大倾斜面101a与布置到致动套筒109的凸轮131接合，但上部小倾斜面101b和下部小倾斜面101c分别与上部倾斜的致动套筒面109b和下部倾斜的致动套筒面109c接合。这些面在图7中示出，图7示出无凸轮131的致动套筒109。

锁紧爪101的径向运动和致动套筒109的轴向运动分别包括三阶段。第一阶段包括锁紧爪101通过大倾斜面101a而实现的大距离的径向运动。在该第一阶段，需要很小的力使锁紧爪101径向地运动。该第一阶段将树型罩100锁定到树型套管201。这能够使第二阶段发生。在第二阶段，密封装置119、121被推动到孔203的密封表面209的区域中。密封表面209的该区域具有比孔203在密封表面209上方所具有的直径小的直径。在该第二阶段期间，为了能够将密封装置119推动到该区域中，锁紧爪101将树型罩100维持在其适当位置中，而不管密封装置119、121和树型套管201之间的垂直力。密封件现被嵌入到密封表面209的区域中。在之后的第三阶段，致动套筒109进一步向下运动。在该运动期间，上部倾斜的致动套筒面109b和下部倾斜的致动套筒面109c与锁紧爪101的相对的上部小倾斜面101b和下部小倾斜面101c接合。锁紧爪101然后仅运动小的距离，便进入锁紧轮廓207中，然而因为锁紧爪101可能已与锁紧轮廓207的面接触，所以要用非常大的力。该较大的力通过上部小倾斜面101b和下部小倾斜面101c的小得多的倾斜度来提供。

应注意到，还可仅使用一个小倾斜面，来代替上部小倾斜面和下部小倾斜面。有利的倾斜角度可以是相对于轴向方向为4度，但还可以更大或甚至更小。

还可设想如上描述的第二阶段和第三阶段同时发生。即，使锁紧爪101运动最后的力-需要的距离(last force-requiring distance)，并同时将密封装置119、121推动到密封表面209的区域中。

图8a是示出锁紧爪101相对于致动套筒109和凸轮131的位置的透视图。在该位置中，运动处于第一阶段，即，锁紧爪101通过大倾斜面101a和接合凸轮131而运动。

图8b是凸轮131被紧固到致动套筒109时的致动套筒109的透视图。凸轮131具有倾斜面131a，倾斜面131a布置成与锁紧爪101的大倾斜面101a接合。此外，凸轮131具有垂直面131d，垂直面131d布置成在第二阶段期间沿着相对地布置的垂直面101d滑动。本领域技术人员可分别选择垂直面131d的长度或凸轮131的高度，以与嵌入到树型套管201的孔203的密封表面209的区域中的所需距离相应。凸轮131可例如通过简单的螺栓连接而被安装到致动套筒109以及从致动套筒109拆卸掉。

根据本发明的树型罩100还可包括两个托管架，用于进入到圣诞树型物中的两个分离的孔中。图9示出适合于进入生产孔(例如图1示出的孔203)和环形孔(未示出)的树型罩100的横截面图。因此，在图9中示出的树型罩100具有生产孔托管架102和环形孔托管架104。优选地，环形孔托管架104通过第二旋转致动器133的旋转运动而进入环形孔中，第二旋转致动器133通过带螺纹的界面135而与托管架自身接合。因此，通过旋转第二旋转致动器133，环形托管架104嵌入到圣诞树型物的环形孔(未示出)中。这应在生产孔托管架102已被锁定在孔203即生产孔中之后进行。环形托管架104不需要被锁定在环形孔中，这是因为树型罩100自身通过上面描述的锁紧爪101而被锁定在圣诞树型物上。保持板123维持两个托管架作为一个树型罩结构。环形托管架104呈现有用于在环形孔密封的密封装置137。

在图9中示出的树型罩100具有环形托管架定向突出部(annulusstinger orientation nose)138，其布置成略微地延伸到环形孔的上部部分中，从而使环形托管架104与环形孔(未示出)的轴向中心对准。同时，环形托管架定向突出部138将充当树型罩100的抗旋转工具。

在下面，将描述根据本发明的用于紧急释放树型罩100的工具和方法。图10和图11示出根据本发明的树型罩100的顶部，紧急释放工具300布置在树型罩100的顶部上。树型罩100包紧急释放套筒125(还见图1)和树型罩上部主体139。在图10和图11中，紧急释放工具300布置在树型罩的顶部上。一对接合销301插入穿过紧急释放套筒125中相应的孔125a，以及穿过上部主体139中的槽139a。

接合销301均连接到释放工具罩303。

现还参考图12。在紧急释放工具300的顶部，其包括钩状物305，用于向上拉动工具(在图10和图11中未示出)。通过拉动释放工具罩303，且因此向上拉动接合销301，紧急释放套筒125将被向上拉动。紧急释放套筒125的这种运动将使得开口环127(图1和图12)运动脱离与树型罩100的内部紧急释放锁紧轮廓141接合。这致使上部主体139、旋转致动器111和因此使致动套筒109相对于锁紧爪101和圣诞树型套管201向上运动，而不使旋转致动器111旋转。

在图12中，致动套筒109已被提升一段距离使得锁紧爪101开始向内径向地运动，从而使树型罩100从圣诞树型套管201释放。该动作通过在使接合销301运动成与紧急释放套筒125和上部主体139接合后，拉动紧急释放工具300的顶部处的钩状物305来进行。如通过关于图1和图10所领会的，拉动钩状物305将首先释放紧急释放开口环127，并且其后使上部主体139向上运动。

可能的环形托管架104还将被拉出环形孔，这是因为其未锁定在环形孔中，如在本文的实施方式中示出的。

因此，如果由于一些原因，树型罩100不能通过旋转致动器111的旋转而释放，可通过将紧急释放工具300安装在树型罩100上并且通过简单地向上拉动紧急释放工具300而释放树型罩100。

还可设想，如本文描述的，锁紧爪101、致动套筒109和凸轮131与用于使致动套筒在锁紧方向上运动的其他工具一起布置。如在本领域中普遍且为本领域技术人员所已知的，这样的工具可例如包括液压致动器。

现参考图1和13，在树型罩100的下部部分，其呈现有密封座117。根据特别优选的实施方式，密封座117包括中间段117a，中间段117a被密封座117的外周部分117b围绕。密封装置119、121关于外周部分117b而布置。根据本发明的一个方面，密封座117的中间段117a是弯曲的且凸形部分面向密封座117的压力侧。因此，当受到XT孔203中的压力时，中间段117a将略微地弯曲。因此，弯曲将引起外周部分117b被倚着XT孔203的表面推动，从而增强密封装置119、121的密封作用。

本领域技术人员将领会，密封座117的优点还将存在于应对孔进行密封的其他布置中。

Claims

1.一种罩(100)，其包括托管架，所述托管架适合于嵌入水下井元件(200)的孔(203)中，所述托管架包括锁紧工具(101)，用于锁定到所述孔(203)中的内部轮廓(207)，所述锁紧工具(101)包括多个锁紧爪(101)，所述锁紧爪(101)呈现有大倾斜面(101a)和小倾斜面(101b、101c)，并且所述锁紧爪(101)适合于通过致动套筒(109)而在径向方向上被致动，其特征在于，

-所述小倾斜面(101b、101c)被一槽分开，所述大倾斜面(101a)布置在所述槽中，其中布置在所述致动套筒(109)上的凸轮(131)适合于延伸到所述槽中；或者

-所述小倾斜面(101b、101c)被布置在所述锁紧爪(101)上的凸轮(131)分开，所述大倾斜面(131a)布置在所述凸轮(131)上，所述凸轮(131)适合于延伸到所述致动套筒(109)的槽中。

2.根据权利要求1所述的罩(100)，其特征在于，密封装置(119、121)在适合于比所述锁紧工具(101)更远地延伸到所述孔(203)中的位置处直接地或间接地连接到所述致动套筒(109)。

3.根据权利要求1或2所述的罩(100)，其特征在于，所述罩(100)适合于以三个运动阶段来运动所述致动套筒(109)，在所述三个运动阶段中：

-第一阶段包括通过与所述大倾斜面(101a)接合来运动所述锁紧爪(101)；

-第二阶段包括使所述密封装置(110、121)运动到所述孔(203)中的密封表面(209)的区域中；以及

-第三阶段包括通过与所述小倾斜面(101b、101c)接合而进一步在径向方向上推动所述锁紧爪(101)；

其中

-所述第二阶段在所述第一阶段后；并且

-所述第三阶段在所述第二阶段后或所述第三阶段与所述第二阶段同时发生。

4.根据前述权利要求中任一项所述的罩(100)，其特征在于，所述罩(100)包括生产孔托管架(102)和环形孔托管架(104)，在该两个托管架(102、104)中，仅所述生产孔托管架(102)设置有锁紧工具(101)。

5.根据前述权利要求中任一项所述的罩(100)，其特征在于，所述罩(100)包括紧急释放套筒(125)，所述紧急释放套筒(125)布置在用于将紧急释放锁紧装置(127)维持在锁紧位置的一位置中，其中所述紧急释放套筒(125)适合于被拉出所述位置，并且在被拉出所述位置时，通过拉动所述罩(100)，所述锁紧工具(101)能够解除与所述内部轮廓的锁紧接合。

6.根据前述权利要求中任一项所述的罩(100)，其特征在于，所述罩(100)包括密封座(117)，所述密封座(117)呈现有具有朝向压力侧成凸形的中间段(117a)，所述中间段(117a)被外周部分(117b)包围，所述外周部分(117b)布置成用于支撑密封装置(119、121)，所述密封装置(119、121)用于倚着所述孔(203)中的密封表面(209)密封，其中所述中间段(117a)适合于在其凸侧上受到压力时将径向力施加到所述外周部分(117b)上。