CN103975121B

CN103975121B - 具有耦合组件的油管挂

Info

Publication number: CN103975121B
Application number: CN201280058580.9A
Authority: CN
Inventors: 罗伯特·约翰逊
Original assignee: Aker Subsea AS
Current assignee: Aksheng Co Ltd
Priority date: 2011-11-30
Filing date: 2012-11-22
Publication date: 2016-09-28
Anticipated expiration: 2032-11-22
Also published as: WO2013079390A2; US9145754B2; NO334302B1; NO20111652A1; BR112014013146B1; GB201410077D0; US20140345873A1; BR112014013146A2; MY168050A; WO2013079390A3; GB2514019B; GB2514019A; CN103975121A

Abstract

一种油管挂(1)，其坐落在管状元件(101)中，具有用于在油管挂(1)和元件之间液压耦合的耦合组件(11)。耦合元件(17)在外部耦合位置和内部非耦合位置之间径向移动。具有接触表面(25f)的致动元件(25)将向外的致动力施加到耦合元件的内部致动表面(17a)上。致动元件包括受到来自致动装置(27)的向外力的两个致动部分(25x、25y)。接触表面(25f)距致动部分具有一段距离。致动元件在径向向外方向移动，使得在接触表面(25f)的径向移动停止之后，两个致动部分(25x、25y)中的至少一个的移动停止。当耦合元件(17)到达耦合位置时，接触表面(25f)的移动暂停。

Description

具有耦合组件的油管挂

本发明涉及具有耦合组件的油管挂，其适合于与在管状元件比如采油树(Xmastree)的内表面上的相对设置的配对物建立液压耦合。

背景

在石油工业中，特别是在海底领域，提供能够远程地连接和断开电连接和流体连接的装置是常见的。例如，液压连接和通道被用于控制压力并提供装备的机械移动，例如锁存器和阀门的锁定和解锁。此外，电连接和连通路径被提供用于例如对温度和压力的测量。

这种远程(无人驾驶或甚至无人ROV)建立的连接的例子是在坐落在采油树(XT)的四通(spool)中的油管挂和XT本身之间的连接。专利公布US 6158716描述了具有多个径向致动耦合元件的油管挂(TH)。在径向向外面向的侧面上，耦合元件具有适合与在XT四通中设置的面向配对物啮合(即邻接)的接口。随着TH坐落在XT四通中，耦合元件径向移入与配对物啮合以建立密封的液压耦合。耦合元件的液压通道的末端和面向的配对物是对齐的，并且建立了环绕所述面向的通道末端的周边密封。附图3中的附属物来自US 6158716并显示了设置在油管挂中的耦合元件(20)。

在专利公布U S6158716中描述的解决方案的密封通过推动密封承载部(耦合元件20)抵住面向部分的密封表面(参见现有技术图3的密封表面203)来建立。由于可以出现在与海底油井相关联的设备中的大量压力，这两个面向部分以相当大的力互相推动以确保适当的密封。这种力需要高于下阈限以确保密封功能，以及低于上阈限以保持相关联部分的机械完整性。因此需要一种解决方案，其提供在选择的力上限和力下限之间的预张力。

当径向推动耦合元件进入与配对物的密封啮合时的另一个目的是使用耦合元件的轴向中心上的合力在严格的径向方向推动它。也就是说，需要确保密封表面以穿过密封表面区域的平均压力压紧面向的配对物。

发明

根据本发明的第一方面，提供了一种油管挂，其适合于坐落在管状元件例如采油树中，并且包括适合于在油管挂和管状元件之间建立液压耦合的耦合组件。根据本发明，耦合组件包括适合于在外部耦合位置和内部非耦合位置之间径向移动的耦合元件。术语径向是相对于管状元件和/或油管挂自身的轴向延伸中心轴线的。耦合元件呈现有外部表面，该外部表面适合于在被迫抵住管状元件的相对的且向内面向的表面时建立与管状元件的相对的且向内面向的表面的所述液压耦合。所述管状元件的向内面向的表面很可能是连接到管状元件的组件的表面，例如在管状元件的壁中设置的穿透器。耦合元件包括适合于与管状元件中的液压通道对齐的液压通道。耦合元件包括径向内部致动表面。

此外，根据本发明，耦合组件也包括具有接触表面的致动元件，该接触表面适合于将致动力在径向向外方向施加到内部致动表面上。致动元件呈现长形形状并且包括两个致动部分，这两个致动部分适合于受到来自致动装置的径向向外定向的力。接触表面设置成距所述致动部分两者具有一定距离。致动元件适合于以这样的方式在径向向外方向移动，使得在接触表面的径向移动已经停止之后，两个致动部分中的至少一个的移动将停止。当耦合元件到达耦合位置时，接触表面的移动暂停。

致动元件因此将作为保持径向向外定向的力施加到耦合元件上的弹簧片起作用。如本领域的技术人员将理解的，预载将由弹簧刚度确定。

接触表面和两个致动部分之间的距离优选地是沿着轴向方向的距离。然而，该距离也可以是在切线方向。

在术语致动元件的长形形状被理解为相对于其在径向和/或切线方向的延伸是足够细的其横截面的形状的情况下，这使得致动元件是柔性的。致动元件的柔性具有当接触表面的移动已经暂停的时候使得一个所述致动部分的移动成为可能的功能。这种附加移动将导致耦合元件在径向向外方向的预载，即朝向面对的管状元件。因此，致动元件可以例如是柔性的棒状组件或柔性的板状组件。

在一个实施方式中，致动元件包括两个平行的倾斜表面，其适合于沿着致动装置的两个面向的倾斜表面同时滑动。在这种方式下，致动元件不改变其方向。当其通过与致动装置啮合而径向向外移动时，其将仅仅改变其位置。严格来说，然而，由于以上所述的预载功能，致动元件的两个致动部分将比其接触表面移动更远一点。

致动元件的接触表面或耦合元件的内部表面可以呈现球形或凸形的弯曲形状。优选地，耦合元件呈现这样的表面。如将在下述实施方式的例子中进一步描述的，这些特征确保在致动元件和耦合元件之间的力的中心定位。这将进一步确保在耦合元件和管状元件的面向的表面之间的均匀的力分布。

在耦合位置中，致动装置的两个支撑表面能适合于邻接致动元件的相对设置的且平行延伸的致动表面。在每个致动部分上设置了所述平行延伸的致动表面中的一个。在这个实施方式中，致动装置的支撑表面和致动元件的致动表面优选与油管挂的轴向延伸的中心轴线平行。这样，将不会在致动装置和致动元件之间产生轴向定向的力。

根据实施方式，以这种方式设计耦合组件，即在耦合组件的第一致动期间，致动元件适合于当两个致动部分中的至少一个在接触表面的移动停止之后进行移动一段距离时，以弹性和塑性方式变形。这种特征使得致动元件当被首次使用时适合于耦合组件和管状元件的其它部分。

尽管根据本发明的油管挂在与海底油井的连接中具有特别的优点，但是如本领域技术人员理解的，它也可以结合陆上油井使用。

实施方式的例子

尽管以上描述了本发明的主要特征，但是实施方式的更多详细例子将通过参考附图进行描述，其中：

图1示出了根据本发明的在非耦合位置的设置有耦合组件的油管挂的下面部分；

图2示出了图1的部分，然而其中耦合组件在耦合位置；

图3是根据现有技术的耦合组件的透视图；

图4是根据本发明的在非耦合状态的耦合组件的部分的放大横截面视图；

图5是在图4中示出的耦合组件在非耦合状态的更详细的横截面视图；

图6是与图5相同的横截面视图，然而耦合组件处于中间状态；

图7是与图5和图6相同的横截面视图，然而耦合组件处于耦合状态；

图8是主体的可移动致动部分的独立横截面视图；

图9是耦合组件的致动元件的独立横截面视图；

图10是耦合组件的耦合元件的放大的横截面视图；

图11是耦合组件的支撑环的内表面的侧视图；

图12是耦合组件的部分的透视剖视图；

图13是在耦合状态的耦合组件的部分的横截面侧视图；以及

图14是在非耦合状态的与图13相同的视图。

图1示出了根据本发明的设置有耦合组件11的油管挂(TH)1(实际上它是油管挂的穿透器组件或下部分，然而本文为简单起见，它指的是油管挂)。耦合组件11具有围绕TH 1的圆周延伸的支撑环13。支撑环13具有多个孔15，其在径向方向延伸穿过支撑环13。在支撑环13的孔15内，存在设置的耦合元件17。耦合元件17适于在支撑环13的孔15内在径向方向来回滑动。主体19穿过支撑环13延伸。主体19的上端被连接到TH的另外部分(未示出)。支撑环13以这种方式往复悬挂在主体19上，即支撑环13和主体19能在轴向方向相对于彼此移动。这种移动发生在耦合组件11的耦合和解耦期间。

在图1中所示的油管挂1的下面部分，存在定向套筒118。

当TH 1被设置在管状元件例如XT(未在图1和图2中示出)的四通内时，耦合元件17将被在径向向外方向推动并与面向的配对物(参见图4到图6)密封接触。当TH 1将被取出时，耦合元件17将在径向向内方向返回，以防止它们在TH 1被取出时接触管状元件(例如XT四通)的任何部分。图1示出了在非耦合状态的耦合组件11，即在耦合元件17位于缩回位置中的情况下。耦合元件17在所述径向方向的移动过程将在下文进一步阐述。

图2示出了与图1相同的部分，然而是在耦合组件位于耦合位置的情况下，即在径向延伸位置。在耦合位置，主体19相对于支撑环13位于比在图1中所示的非耦合位置中低的位置。

在图1和图2中也示出了多个液压线路(管道)21，其从TH 1的下部部分延伸到耦合元件17。液压线路21的一部分被设置在定向套筒118中的切口23中。液压线路21是足够柔性以允许耦合元件17在耦合和解耦期间的径向移动。

图3是现有技术解决方案(US 6158716的图12)的透视图。如同根据本发明的耦合组件11，现有技术解决方案具有带孔的支撑环(30)。在每个孔中存在适于在径向方向被推出的耦合元件(20)以产生与面向的配对物的密封耦合。此外，如同根据本发明的耦合组件11，在图3中示出的现有技术适合于当耦合元件位于耦合位置时，在径向方向保持耦合元件上的预载。然而，在现有技术解决方案中，预载基于摩擦，而在根据本发明的耦合组件11中使用了另一项技术。对于现有技术预载解决方案的解释指的是公布。根据本发明的解决方案将在以下进行描述。

将耦合元件17移动和预载到耦合位置的过程将参考图4到图7进行描述。图4显示了耦合组件11(左侧)的部分的横截面侧视图，耦合组件11已经坐落在海底油井的XT(右侧)的四通101的内部。也示出了油管挂1的上部1a的部分。在四通101中具有通孔103，带有液压通道107的穿透器105设置在通孔103中。在穿透器105的径向内侧(在图4中的左手侧)，穿透器105显示由密封表面111包围的通道口109。TH1中的耦合组件11的目的是将耦合元件17从在图4中示出的缩回的非耦合位置径向向外移动和预载到延伸的耦合位置，在延伸的耦合位置中，耦合元件17邻接和密封穿透器105的密封表面111。

液压线路21从耦合元件17向下延伸。液压线路21与耦合元件17内的液压通道21a连通。当TH1已坐落时，耦合元件口21b与穿透器105的通道口109对齐，并面向穿透器105的通道口109。因此，当耦合元件17径向向外(向着图4中的右侧)移动时，将在液压线路21和穿透器105中的液压通道107之间建立液压连通。

在耦合元件17径向向内处设置了致动元件25，且在致动元件25径向向内处是以轴向可移动致动部27形式的致动装置。在这个实施方式中，轴向移动的致动部27是主体19的一部分。也在图4中(也在图1中)示出了是多个螺旋弹簧29中的一个，其目的将在下文进行进一步解释。

图5、图6和图7分别显示了在非耦合状态、中间状态和在耦合状态的耦合组件11的部分的放大视图。首先参考图5，当TH 1坐落在XT的四通101中时，支撑环坐落表面13a将啮合四通坐落肩部101a。这阻止支撑环13在四通101内进一步向下移动。TH 1的主体19然而将持续在四通101内进一步向下移动。这种进一步移动将使轴向可移动致动部27沿着致动元件25的内表面向下滑动。致动元件25在轴向方向固定，但是能在径向方向移动以推动并使耦合元件17径向向外移动。在图4和图5中，轴向可移动致动部27还没有相对于致动元件25移动，致动元件25因此在径向内部位置中。因此，耦合元件17没有在耦合位置中。耦合元件17具有适于邻接穿透器105的密封表面111的外部表面17b。如从图5中出现的，外部表面17b还没有接触到密封表面111。

在图6中示出的中间状态中，然而，轴向可移动致动部27已经相对于支撑环13和致动元件25向下移动一段距离。在这个移动期间，致动元件25的第一倾斜表面25c和第二倾斜表面25d沿着轴向可移动致动部27的面向的和实质上平行的倾斜表面27c、27d滑动。致动元件25的径向向外定向的移动已经使耦合元件17移动到与穿透器105的面向的密封表面111邻接。应当注意，在耦合元件17和致动元件25之间实质上不存在相互的移动，因为它们直到此点已经在径向方向一起移动。致动元件25具有接触表面25f，其邻接耦合元件17并将径向定向的力传输到耦合元件17上。

仍参考在图6中示出的中间状态，尽管耦合元件17已经移动成邻接穿透器105的密封表面111，但是致动元件25的第一致动表面25c和第二致动表面25d仍然一直没有滑动直到到达第一倾斜表面27和第二倾斜表面27d的末端。因此，随着轴向可移动致动部27持续向下移动，致动元件25的上部分和下部分被径向向外推动一段附加距离。

参考在图7中显示的耦合状态，当致动元件25的第一倾斜表面25c和第二倾斜表面25d滑动超出轴向可移动致动部27的面向的第一倾斜表面27c和面向的第二倾斜表面27d时，致动元件25的第一致动表面25a进入与轴向可移动致动部27的面向的第一支撑表面27a的接触。相应地，第二致动表面25b进入与致动部27的第二支撑表面27b的接触。在致动元件25上，第一致动表面25a被设置在致动元件25的上部第一致动部分25x中，而第二致动表面25b被设置在下部第二致动部分25y中。致动元件25的第一倾斜表面25c和第二倾斜表面25d也分别设置在第一致动部分25x和第二致动部分25y中。邻接耦合元件17(即邻接耦合元件内表面17a，参见图10)的接触表面25f设置在致动元件25的中间部分，并具有到第一致动部分25x和第二致动部分25y两者的一段距离。

本领域的技术人员通过参考图4到图7将领会到，致动元件25的第一致动表面25a和第二致动表面25b已经在径向移动的距离比接触表面25f已经在径向移动的距离要远。这导致耦合元件17在径向向外方向上的预张紧。在耦合状态，致动元件25将因此起到预载弹簧片的作用。

为清楚起见，图8和图9示出了使得各种表面的位置更加可视化的轴向可移动致动部27和致动元件25的独立横截面视图，在轴向可移动致动部27的中间部分，存在向外面向的钝化表面27e。相应地，在致动元件25的中间部分，存在向内面向的钝化表面25e。应当注意，在耦合元件17的致动期间，即致动元件25从图5的非耦合状态移动到图7的耦合状态期间，致动元件25实质上没有改变其定向，仅仅改变其位置。即，它没有枢转。如上所述，然而，其形状在预载功能期间轻微改变，然而仅仅以弹性方式。

可以设想在第一组装期间能够塑性变形的致动元件(以弹簧片的形式)。在这种情况下，塑性变形可以说明和采纳每个独特的油管挂的个体耐受性。然后必须确保致动元件具有在被塑性变形后具有足够的保持弹性范围的能力。

图10示出了与致动元件25的接触表面25f相接触的耦合元件17的原理图。耦合元件17在其径向内表面上设置有以耦合元件内表面17a的形式的内部致动表面，耦合元件内表面17a邻接接触表面25f。耦合元件内表面17a具有实质上在耦合元件内表面17a的中心部分处的适于接触致动元件25的接触表面25f的球形表面或弧形表面。这个特征确保从致动元件25到耦合元件17上的力保持实质上在耦合元件内表面17a的中心部分处，即使在这两部分之间应该存在角度的小的改变。此外，这个特征确保从耦合元件17到穿透器105的密封表面111上的合力也将实质上位于中心部分。这提供了在适于密封在耦合元件17和穿透器105之间的耦合的密封表面(或密封件)上的力的平均分布。

代替使得耦合元件内表面17a成为球形形状或弧形，应该使得致动元件的接触表面25f成为弧形或球形。然而，然后必须确保接触表面25f的顶点将确实在其中心部分接触耦合元件17。

环绕耦合元件口21b可以设置适于密封穿透器105的密封表面111的密封件。

图11显示了耦合组件11的一些部分，从支撑环13的径向内部可以看出。在图11的右手边，可以看到耦合元件17是如何设置在支撑环13的孔15中的且能够在径向方向移动一定距离的。也表示了在耦合元件17中的液压通道21a，并且耦合元件17中的液压通道21a具有到液压线路21的连接。径向在耦合元件17内，显示了致动元件25。除了显示的三个耦合元件17之外，也显示了电气耦合器117。这个耦合器然而没有被致动其它耦合元件17的种类的致动元件啮合。为了举例说明目的，在这个附图中移除了一个致动元件25。

进一步到图11的左侧，存在示出的两个附加致动元件25。在这个视图中，可以看到它们在它们的上端设置有两个突出的销31。每个突出销31延伸进固定槽(retaininggroove)33，其确保致动元件25将不会在轴向方向移动，但允许其在径向方向移动。固定槽33由支撑环13的一部分和固定元件35构成，固定元件35用螺栓固定到支撑环13。缩回部件37连接到主体19。缩回部件37被设置为在油管挂1的取出期间径向向内拉动耦合元件17和致动元件25。这将在下文根据参考图13和图14进行论述。

图12是耦合组件11的部分的放大的透视剖视图。在其它附图中也进行显示的多个螺旋弹簧29被偏置以保持耦合组件11处于非耦合状态(参见附图5)。这样，当油管挂1没有坐落在四通101中时，耦合元件17处于支撑环13的孔15内的缩回位置。

图13和图14示出了当主体19相对于支撑环13向上移动时耦合元件17是如何缩回到非耦合状态的。这种功能类似于在现有技术公开US6158716(参见本申请的图3)中描述的功能。存在连接到主体19的缩回部件37，缩回部件37从主体19延伸出去。缩回部件37呈现倾斜的缩回表面37a，倾斜的缩回表面37a适于当主体19相对于支撑环13向上移动时啮合耦合元件17的面向倾斜表面。这种在主体19和支撑环13之间的相互移动由功能性地设置在支撑环13和主体上部法兰19a之间的螺旋弹簧29提供。因此，当取出油管挂1时，不需要冒着任何耦合元件17仍在延伸位置(耦合位置)的风险。图13示出了在耦合位置中的耦合元件17，图14示出了在缩回位置中的耦合元件17。优选地，在致动元件25的任何一边上设置一个缩回表面37a。

根据本发明的油管挂1的耦合组件11可以具有一个耦合元件17或多个耦合元件17，例如2个、3个或5个，甚至更多。此外，它可以是适于海底油井的油管挂1。然而，油管挂1也可以适于陆上油井。

代替致动部27相对于致动元件25的轴向移动，还可以设想正切方向的移动。例如，在致动元件内径向地设置的致动环可以设置有倾斜表面，当致动环相对于支撑环绕着中心轴线旋转时，该倾斜表面啮合致动元件。致动元件25’的功能表面(25a’、25b’、25c’、25d’)然后将被沿着水平面进行设置，即垂直于管状元件(或四通101)的轴线的平面。

也可以设想另一个致动元件(25)，其被制成在径向向外方向枢转以将力和移动施加到耦合元件上。致动元件然后将被从枢转部分和致动部分内推动，并从这两部分之间的一部分将力施加到耦合元件上。

Claims

1.一种油管挂(1)，其适于坐落在管状元件(101)中并包括适合于在所述油管挂(1)和所述管状元件(101)之间建立液压耦合的耦合组件(11)，其中，所述耦合组件(11)包括：

-耦合元件(17)，其适合于在外部耦合位置和内部非耦合位置之间径向地移动，所述耦合元件(17)呈现有外部表面(17b)，所述外部表面(17b)适合于在被迫抵住所述管状元件(101)的相对且向内面向的表面(111)时与所述管状元件(101)的相对且向内面向的表面(111)建立所述液压耦合，因为所述耦合元件(17)包括适合于与所述管状元件(101)中的液压通道(107)对齐的液压通道(21a)，并且其中所述耦合元件(17)包括径向内部致动表面(17a)；

-致动元件(25)，其具有接触表面(25f)，所述接触表面(25f)适合于将致动力在径向向外方向施加到所述径向内部致动表面(17a)上；

其特征在于：

-所述致动元件(25)呈现长形形状并包括两个致动部分(25x、25y)，所述两个致动部分(25x、25y)适合于受到来自致动装置(27)的径向向外定向的力；

-所述接触表面(25f)设置成距所述致动部分(25x、25y)两者在轴向方向上或在切线方向上具有一定距离；以及

-所述致动元件(25)适合于在径向向外方向移动，使得在所述接触表面(25f)的径向移动停止之后，所述两个致动部分(25x、25y)中的至少一个的移动停止，其中，当所述耦合元件(17)到达所述外部耦合位置时，所述接触表面(25f)的移动被暂停。

2.根据权利要求1所述的油管挂，其特征在于：所述致动元件(25)包括两个平行的倾斜表面(25c、25d)，所述两个平行的倾斜表面(25c、25d)适合于沿着所述致动装置(27)的两个面向的倾斜表面(27c、27d)同时滑动。

3.根据权利要求1或2所述的油管挂，其特征在于：所述致动元件(25)的所述接触表面(25f)或所述耦合元件(17)的所述径向内部致动表面(17a)呈现球形或凸形的弯曲形状。

4.根据权利要求1所述的油管挂，其特征在于：在所述外部耦合位置中，所述致动装置(27)的两个支撑表面(27a、27b)适合于邻接所述致动元件(25)的相对地设置的且平行延伸的致动表面(25a、25b)，在每个致动部分(25x、25y)上设置了所述平行延伸的致动表面(25a、25b)中的一个。

5.根据权利要求4所述的油管挂，其特征在于：所述致动装置(27)的所述支撑表面(27a、27b)和所述致动元件(25)的所述平行延伸的致动表面(25a、25b)与所述油管挂(1)的轴向延伸中心轴线平行。

6.根据权利要求1所述的油管挂，其特征在于：在所述耦合组件(11)的第一致动期间，所述致动元件(25)适合于当所述两个致动部分(25x、25y)中的至少一个在所述接触表面(25f)的移动已经停止之后进行移动一段距离时，以弹性和塑性方式变形。