CN104541019A - 安全阀控制系统及使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种安全阀控制系统，其包括可以包括远程操作的控制组件、第一传感器、阀组件和与控制组件连通的压缩机组件。响应于从第一传感器接收的一个或多个信号，控制组件可操作以对泵和阀组件进行致动来提供流体，以致动安全阀进入开启和关闭位置。操作方法可以包括在检测控制系统物理性质的同时，将安全阀保持在开启或关闭位置；将对应于被检测物理性质的信号传送给控制系统；以及响应于被检测物理性质和预设条件的对比而自动关闭或打开安全阀。

Description

安全阀控制系统及使用方法
技术领域
本发明的实施例涉及用于油井和气井的井口控制系统。具体的，本发明的实施例涉及用于表面和表面下安全阀的紧急关闭控制系统的系统和方法。本发明的实施例还涉及泄压阀控制系统的系统和方法。
背景技术
井口系统可用于以安全且有效的方式控制从油井和气井提取的流体的流动。井口系统可以包括各种流动控制装置，例如阀，流动控制装置可操作地控制经过与井口系统相连接的管道系统的流体流动。流体能够经由管道系统而被引导到井口系统的下游以进行处理和/或储存。
井口系统可以包括被连接到管道系统的表面和表面下安全阀，如果井内或者井口系统的下游位置发生紧急情况，可操作该安全阀以关闭经过管道系统的流体流动。现有技术的安全阀通常与管道系统流体连通，并且利用管道系统内的流体而运行。例如，管道系统内的压力可以被直接结合到安全阀中以驱动阀进入开启位置，从而允许流体流动经过该系统。如果发生紧急情况，例如安全阀的下游管道系统的破裂或者井内压力的下降，当管道系统的压力下降时，安全阀内的压力也下降。安全阀构造为在其内的压力降低到低于最小压力之后移动进入关闭位置，从而关闭经过管道系统的流体流动并且关闭井口系统。一些安全阀还可配备有泄压阀，该泄压阀可操作以阻止压力进入阀并且排出阀内的压力，从而允许阀移动进入关闭位置。
现有技术的安全阀系统有众多缺点。一个缺点包括安全阀对管道系统内流体压力的依赖。这些安全阀不能按照期望单独运行。另一个缺点包括安全阀的常规手动维护以确保安全阀是充分运转的。另一个缺点包括当把安全阀内的流体排到大气中时对环境的潜在污染。
在一些钻井操作中，例如当进行压裂(fracking)操作时，大容量加压流体被泵送至汇流管(manifold)，这将流体引导到一个或者多个井而压裂下面的构造。如果经过流动或者流体管路的流动和/或井中的流动经历中断或者变得堵塞，那么高压流体量导致流体管路、井和井场周围任意其他设备的严重故障，甚至可能危害井场的工人。传统泄压阀系统在检测故障方面效率低、反应时间慢和/或仅仅用一次，如果操作时需要全部替换。
因此，需要新的改善安全控制阀系统，该控制阀系统是独立(selfreliant)的、可以被远程操作并且实时监控，并且如果发生紧急情况或者当需要的时候，该控制阀系统可以自动关闭井口系统和/或对井口系统泄压。
发明内容
在一个实施例中，提供一种用于控制被连接到井场处的流动管的安全阀的控制系统。控制系统包括外壳。控制系统还包括布置在外壳内的控制器组件。控制器组件构造为接收来自被连接到流动管的传感器的信号，其中信号对应于测量的物理性质。而且，控制系统包括布置在外壳内的阀组件，阀组件与所述控制器组件连通。控制系统还包括设置在外壳中并与控制器组件连通的压缩机组件。此外，控制系统包括布置在外壳内的电源。电源构造为向控制器组件、阀组件和压缩机组件供电。控制器组件可操作使压缩机组件向安全阀提供气动流体以将安全阀致动到开启位置，其中，控制器组件可操作使阀组件将安全阀致动到关闭位置。
在一个实施例中，提供一种用于控制被连接到井场处流动管的安全阀的方法。该方法包括将控制系统定位在安全阀附近的步骤。控制系统具有布置在控制系统外壳内的控制器组件、压缩机组件和电源。该方法还包括将来自压缩机组件的气动流体供给安全阀以开启安全阀。该方法还包括在控制器组件中接受对应于流动管中感测的物理性质的信号的步骤。此外，该方法包括响应于感测物理性质和预设条件的对比而关闭安全阀的步骤。
在一个实施例中，用于控制被连接到井场处的流动管的安全阀的控制系统可以包括，构造成接收来自被连接到流动管的传感器的信号的控制器组件，其中，该信号对应于测量的物理性质；与控制器组件连通的阀组件；以及与控制器组件连通的流体驱动组件，其中控制器组件可操作以对流体驱动组件进行致动而将流体供给安全阀以将安全阀致动到第一位置，其中控制器组件可操作以致动阀组件而将安全阀致动到第二位置。
在一个实施例中，用于控制被连接到井场处流动管的安全阀的方法包括，提供用于定位在安全阀附近的控制系统，其中控制系统包括外壳、控制器组件、流体驱动组件和阀组件；使用流体驱动组件将流体提供给安全阀以将安全阀致动到第一位置；使用控制器组件监控流动管中的物理形状；以及基于监控的物理性质和预定条件的对比，使用控制器组件对阀组件进行致动，以将安全阀致动到第二位置。
在一个实施例中，用于控制被连接到井场处流动管的安全阀的方法可以包括，提供用于定位在安全阀附近的远程可操作控制系统；使用控制系统将安全阀致动到关闭位置；在保持安全阀在关闭位置的同时，使用与控制系统连通的传感器监控流动管内的流体压力；以及当监控的流体压力达到或超过预定流体压力时使用控制系统将安全阀致动到开启位置以减小流动管中的流体压力。
附图说明
便于以能够详细理解本发明的上述特征的方式，本发明的更具体的描述(简单总结如上)可以参照实施例，一些实施例在附图中进行阐述。然而，应当注意，附图仅仅阐述本发明的典型实施例，因此不应当被理解为限制本发明的范围，因为本发明可以允许其他等同实施例。
图1示出了根据一个实施例的井口控制系统。
图2示出了根据一个实施例的安全阀控制系统。
图3示出了根据一个实施例的表面安全阀。
图4是闸门阀、致动器、机械超驰控制装置和安全模式指示器的剖面图。
图5是在手动操作机械超驰控制装置之后闸门阀的剖面图。
图6是在自动操作致动器之后在开启位置的闸门阀的剖面图，且安全模式指示器指示该闸门阀是在安全模式下运行。
图7是在自动操作致动器之后在开启位置的闸门阀的剖面图，机械超驰控制装置被部分地致动，且安全模式指示器指示该闸门阀不是在安全模式下运行。
图8是沿图4中剖面线8-8的机械超驰控制装置的截面图。
图9是在致动器的自动操作之后在开启位置的闸门阀的剖面图。
图10A-10H和图11-11D示出了根据一个实施例的阀组件。
图12是在故障安全开启位置的阀的剖面图。
图13示出了根据一个实施例的安全阀控制系统。
图14示出了根据一个实施例的井控制系统。
图15示出了根据一个实施例的井控制系统。
具体实施方式
图1示出了根据一个实施例的油/气井的井口控制系统100。井口控制系统100构造为控制从储层经过主钻井孔105采收流体(例如碳氢化合物)。井口控制系统100包括具有一系列阀和流动控制装置的树状物110、通过管道115与树状物100连通的表面安全阀120以及通过管道125与树状物100连通的表面下安全阀130。表面下安全阀130还可以与用于从油/气井采收油和/或气的井生产流动管145连通。表面安全阀120还可以与表面生产流动管135连通，该流动管用于将任何采收的流体引导到井口控制系统100的一个或者多个下游位置以进一步加工和/或储存。在一个实施例中，安全阀120、130可以包括气动或液压致动阀。在一个实施例中，安全阀120、130可以包括使用液压液运行的气动阀。安全阀120、130的每一者可以包括独立紧急关闭(“ESD”)控制系统，分别确定为部件200、300和700，其(1)可操作以自动关闭安全阀120、130；(2)可操作以远程地实时连续监控和/或操作(开启和关闭)；以及(3)可操作以一直检验安全阀120、130和控制系统的各种其他部件的操作条件/特性。
ESD控制系统200、300可以是“独立的”，这意味着该控制系统关闭油/气井的操作不依赖于任何外部气动源、液压源、机械源或者电气源。例如，如果表面安全阀120下游的生产流动管有破裂，和/或如果在表面下安全阀130处的井的压力有损失，那么ESD控制系统200、300可操作以有效关闭安全阀120、130，从而关闭油/气井，并且在没有任何额外外部气动源、液压源、机械源或者电气电源的帮助下向合适人员发出已经发生关闭的警报。对于操作安全阀120、130必要的所有操作流体和机构被保持在ESD控制系统200、300内，以便不污染环境以及来自油/气井的任何流体和/或气体在没有任何外部依赖时被有效容纳在其中。
图2示出了根据一个实施例的ESD控制系统200。本文描述的ESD控制系统200的实施例同样适用于ESD控制系统300(且反之亦然)。ESD控制系统200可以包括支撑控制器组件220、电源230、泵组件240、流体容器250、阀组件260和太阳能板组件270的外壳210。ESD控制系统200还可以包括监控和/或测量一个或多个物理性质的一个或多个传感器/装置280、282、284、286和288(在下文中进一步描述)。在实施例中，可以被把ESD控制系统200构造为控制一个或者多个阀(例如流动控制阀或节流阀)，上述阀与阀120、130的流动管相连通以控制经过井口控制系统100的流体流动。
外壳210可以包括任何结构支撑元件(例如防爆容器)，使外壳210内容纳的部件免受损害及外部因素影响。通过通风孔和/或安装在外壳210内或穿过外壳210的独立太阳能供电风扇提供对外壳210的适当通风。外壳210还可以包括访问板或门以易于访问外壳的内部，并且外壳210可以构造为连接到树状物110或分别连接到表面安全阀120和表面下安全阀130。可以在外壳210上为外壳210(以及外壳210内的部件)和安全阀120与130、太阳能板组件270以及传感器280之间的流体和/或电连接提供一个或多个汇流组件212、214、216。在一个实施例中，汇流组件216包括太阳能转换充电装置。在一个实施例中，ESD控制系统200、300的结构部件尽量由不锈钢制成。
控制器组件220可以被布置在外壳210内并且可以包括微处理器单元222、显示器224和键盘226。在一个实施例中，控制器组件220可以是不受天气影响的，并且可以必要时极为安全地向ESD控制系统200、300的一个或多个部件供电。在一个实施例中，控制器组件220可以被定位在外壳210的外部和/或邻近外壳210。微处理器单元222可以包括可编程逻辑控制器，包括与一个或多个传感器/装置280、282、284、286和288以及泵和阀组件240、260通信的监控和数据获取系统(SCADA)。微处理器单元222包括电流调节器以提供控制器组件220和控制系统的各个部件之间的低电流传送。监视传感器(watchdog sensor)可以用于监控微处理器单元222的操作并且在发生故障时提供警报。控制器组件220可操作以利用远离井口控制系统100的计算机系统150(例如台式计算机、笔记本计算机或者个人数字助手(PDA))来发送和接收信号。在一个实施例中，可以通过有线的和/或无线的遥测方式(包括但不限于电线、光纤线缆、射频、红外线、微波、卫星和/或激光通信)在控制器组件220和计算机系统150之间发送和/或接收信号。以这种方式，可以在相对于井口控制系统100的现场或场外的一个或多个位置而远程监控并且操作ESD控制系统200、300、700。在一个实施例中，ESD控制系统200、300、700可以构造为在井口控制系统100的现场手动和/或远程操作。在一个实施例中，控制器组件220可以被编程具有一个或者多个触发点(例如上游和/或下游高和/或低压力点)，触发点将一旦感知压力在触发点的范围外就自动触发ESD控制系统200、700的操作。在一个实施例中，控制器组件220可以构造为具有本领域公知的“主/从”的轮询协议或“主/主”的轮询协议，以根据需要得到并且传达关于ESD控制系统200、700的信息。
在一个实施例中，控制器组件220可以与被连接到如图1所示的表面生产流动管135的压力传感器280通信。压力传感器280可以测量流动管135内的压力并且将与测量的压力对应的信号传送给控制器组件220。压力传感器280可以被连接在井口控制系统100内的各个其他位置，例如在树状物110或者管道115、125上。在一个实施例中，传感器280可以被用于测量流体流速或检测硫化氢。在一个实施例中，一个或多个传感器280可以被用于测量和/或检测在井口控制系统100处的额外的井的特性，并且通过与测量或检测结果相对应的信号将测量的/检测的井的特性传送给控制器组件220以与一个或多个预定条件相比较。
对于压力传感器280，可以通过控制器组件220记录信号和/或将信号传送给计算机系统150以提供对流动管135内的压力的实时监控。测量的压力被显示在显示器224上和/或计算机系统150的显示器上。响应于测量的压力，控制器组件220构造为分别操作与其连接的安全阀120、130。例如，控制器组件220可以被用于控制泵组件240和阀组件260，将来自流体容器250的流体供给表面安全阀120以打开阀。一旦接收到来自控制器组件220的信号，阀组件260被构造为打开由表面安全阀120和流体容器250之间的管211、213、215界定的回路，以允许泵组件240将来自流体容器250的加压流体引导到表面安全阀120，从而打开表面安全阀120。表面安全阀120可以保持在开启位置，与此同时压力传感器280连续监控流动管135内的压力。控制器组件220可被编程以使得一旦接收来自压力传感器280的与大于或小于预定条件(例如，预先设置的压力范围)的压力测量结果相对应的信号，就关闭表面安全阀120。可以通过使用键盘226和显示器224的手动键入，将预先设置的压力范围输入到控制器组件220中。还可以将预先设置的压力范围从计算机系统150远程输入到控制器组件220。当从压力传感器280接收到流动管135内的压力下降到在微处理器单元222内储存的预先设置的压力范围之外的信号时，控制器组件220可以自动控制阀组件260和/或泵组件240以将来自表面安全阀120的流体返回到流体容器250中。阀组件260构造为一旦接收来自控制器组件220的信号，打开由表面安全阀120和流体容器250之间的管211、217界定的回路，以允许加压流体排放到流体容器250，从而关闭表面安全阀120。在一个实施例中，由表面安全阀120产生的关闭压力可以被用于迫使流体进入流体容器250。对流动管135内的压力的连续实时监控可以被用于检验表面安全阀120已经被关闭。
ESD控制系统200、300、700可以在任何时候被调节，并且可以被配置为在任何时候手动和/或远程关闭井口控制系统100。具体地，使用显示器224和键盘226而手动地和/或通过计算机系统150而远程地对微处理器单元222编程使其具有一个或者多个预先设置的条件。可以在任何时候改变预先设置条件。当从各种传感器/装置和/或计算机系统150中的一个或多个接收到比较起来与预先设置的条件相矛盾的信号时，控制器组件220可操作以自动关闭与其连接的安全阀120、130。当信号高于预先设置的条件或当信号低于预先设置的条件时，控制器组件220是可操作的。ESD控制系统200、300、700的连续实时监控可以被用于一直检验井口控制系统100的操作条件/特性。
在一个实施例中，ESD控制系统200、300、700可以传送表示井口控制系统100已经被关闭的听觉、视觉或其他类似类型的感官信号。在一个实施例中，控制器组件220可以把信号发送到计算机系统150，该信号可以被转换为警报以将该关闭告知操作者。在一个实施例中，控制器组件220可以发送信号以触发指示装置282(例如布置在外壳120内部或者外部的视觉和/或听觉警报器)，以将该关闭告知特别靠近井口控制系统100的操作者。
在一个实施例中，ESD控制系统200、300、700可以包括紧急关闭装置284，其手动地和/或远程可操作以自动发出警报并且向控制器组件220发送信号以关闭井口控制系统100。在一个实施例中，ESD控制系统200、300、700可以包括感应热的消防设置286，并且当测量的热量超过某个温度时该消防装置自动发出警报且通过控制器组件220关闭井口控制系统100。在一个实施例中，ESD控制系统200、300、700可以包括防侵入装置288，其在被自动激活时(例如试图偷窃或者控制系统遭受某种类型的结构损伤)，发出警报并且通过控制器组件220关闭井口控制系统100。在一个实施例中，传感器282、284、286、288中的一个或多个可用于检测硫化氢(H2S)、其他气体和蒸汽、和/或与阀120、130流体连通的一个或多个储藏箱内的流体的物位。使用控制器组件220通过计算机系统150对装置284、286、288中的每一者连续实时监控以检验井口控制系统100的操作条件/特性。
电源230向控制器组件220和泵组件240供电。电源230可操作以将低电流(安培)提供给控制器组件220和/或泵组件240。在一个实施例中，电源230可以包括本质安全的电池，例如12或24伏特的直流防爆电源。在一个实施例中，电源230可以包括监视传感器232以通过控制器组件220向计算机系统150传达电源故障。监视传感器232还可以发出听觉或视觉警报以告知在现场的操作者电源230很低和/或故障。控制器组件220可以被构造为一旦接收到来自传感器232的信号就自动关闭井口控制系统100。在一个实施例中，电源230可以是由太阳能板组件270支撑的(可再充电的)电源。太阳能板组件270可以包括与外壳210的外部连接的一个或多个太阳能板272以消耗来自太阳的光能而发电。太阳能板272可以被连接到ESD控制系统700中外壳730的外部。本质安全的电压控制器274可以在合适的电压下(例如12或24伏特)将电流传递给电源230，电源230反过来向控制器组件220和/或泵组件240供电。在一个实施例中，太阳能板组件270构造为用每天大约两小时的阳光向ESD控制系统200、300、700提供足够电力以开闭安全阀120、130十次或更多次。
在一个实施例中，泵(或流体驱动)组件240可以包括每一者都被放置在防爆外壳210内的本质安全的电机242和泵244。泵244可以包括具有大约100-10,000psi范围的旋转柱塞泵。泵组件240可以泵送来自流体容器250的气动和/或液压流体以致动与流体容器250连接的安全阀120、130。
在一个实施例中，流体容器250可以构造成储存足以激励与其连接的安全阀120、130的工作流体。工作流体可以包括空气、水、丙二醇和本领域公知的其他的阀工作流体。在一个实施例中，流体容器250可以包括物位计252(例如视镜)以指示流体容器250中流体的物位。流体容器还可以包括物位传感器252，其与控制器组件220通信并且可操作以实时监控流体容器250的流体物位。假如，例如由于流体的蒸发，流体物位下降到预设限值以下，那么物位传感器252可以提供警报以警告在井口控制系统100的现场的操作者和/或通过控制器组件220和计算机系统150警告远程位置的操作者。控制器组件220一旦接收到来自物位传感器252的信号就可以自动关闭井口控制系统100。
在一个实施例中，阀组件260可以包括一个或多个(本质安全)阀262以控制并且引导泵组件240、流体容器250和与其连接的安全阀120、130之间的通信。一个或多个阀262可以包括电磁阀、换向阀(shuttlevalves)和/或可操作以开闭泵组件240、流体容器250和与其连接的安全阀120、130之间的流体回路的其他任何类型的阀。阀组件260可以包括内部泄压阀和/或回路以快速从安全阀120、130向流体容器250排出流体以确保安全阀120、130的快速关闭。阀组件260可以包括一个或多个计量器，例如可以被目视检查以监控阀组件260流体管道中压力的压力计量器264。在一个实施例中，可以将压力计量器264构造为当安全阀120、130的致动器中的压力达到预定的压力设定值时关闭泵组件240。可以如上所述通过控制器组件220控制一个或多个阀262。
在一个实施例中，可以通过外壳210、730的前板来安装显示器224和/或一个或多个计量器以指示各个阀内以及与ESD控制系统200、300、700和井口控制系统100流体连通的管道内的压力。
图3示出了根据一个实施例的表面安全阀120。表面安全阀120可以包括阀致动器122以在开启位置和关闭位置之间移动闸门阀124。通过管201将来自ESD控制系统200的流体容器250的加压流体或来自ESD控制系统700的加压流体供应给阀致动器122的腔123。可以使用偏压元件127(例如布置在阀致动器122内的弹簧)在偏压元件的力超过阀致动器腔123的流体压力时关闭闸门阀124。阀致动器122还可以包括顶轴126，其用于通过手轮128的转动而手动驱动阀致动器122以开闭闸门阀124。顶轴126还可以用作视觉指示以确定闸门阀120是否在开启或关闭位置。例如，当顶轴126从阀致动器122的上端完全伸出时，闸门阀124可能在关闭位置，当顶轴126从阀致动器122的上端缩回时，闸门阀124可能在开启位置。
在一个实施例中，ESD控制系统200、300、700可以包括位置指示组件290，位置指示组件290可操作以基于顶轴126的位置来指示表面安全阀120是否在开启或关闭位置(包括两者之间的任何部分开启/关闭位置)。如图3所示，当顶轴126在完全伸出位置时，表面安全阀120在关闭位置。当表面安全阀120开始打开并且被手动或自动地移动到开启位置，顶轴126将缩回到阀致动器122的上端内。位置指示组件290可以包括可操作以检测顶轴126的伸出与缩回的一个或多个传感器292。传感器292可以将与测量的位置相对应的信号传给控制器组件220，然后控制器组件220可以将信号发送给计算机系统150并且在显示器上显示测量的位置。以这种方式，操作者可以连续监控并且一直检验表面安全阀120的位置。位置指示组件290还可以用于在其他ESD控制系统200、700部件中的一个开始关闭井口控制系统100的情况下，验证表面安全阀120被关闭。在一个实施例中，传感器292可以包括可操作以检测顶轴126的磁性材料的磁性传感器。例如，一个或多个传感器292可以布置在闸门阀124的开启和关闭期间沿顶轴160的纵向冲程的各个位置。当顶轴160完全伸出时，所有传感器292可以检测轴的磁性材料，从而指示闸门阀124被关闭。然而，当顶轴160完全缩回时，只有与阀致动器122的上端最接近的传感器292可以检测轴的磁性材料，从而指示闸门阀124被打开。在一个实施例中，传感器292可以包括本领域公知的其他类型的位置传感器以监控并且测量顶轴126的位置。
在一个实施例中，ESD控制系统200、300、700可以被用于使安全阀120、130执行部分冲程。在一个实施例中，控制器组件220可以被构造为控制泵组件240和阀组件260以供给安全阀120、130一定量的工作流体，以部分地开启安全阀。在一个实施例中，控制器组件220可以被构造为控制泵组件240和阀组件260以从安全阀120、130返回一定量的工作流体而部分地关闭安全阀。控制器组件220可以被编程以在预定量的时间或其他条件之后，自动执行安全阀120、130的部分冲程。控制器组件220可以手动地和/或远程地操作，以在需要时执行与其连接的安全阀的部分冲程。位置指示组件290的传感器292可以被用于基于顶轴126的位置，监控并且检验安全阀120、130的部分冲程。安全阀120、130的部分冲程有助于防止/消除从其流经的流体在阀内聚积碎屑，这在必要时可能会防止阀的完全开启和/或关闭。
在一个实施例中，ESD控制系统200、300、700可以被构造为在开启或关闭井口控制系统100时，进行特定顺序地开启和关闭安全阀120、130。在一个实施例中，ESD控制系统200、300、700任一者可以首先开始表面安全阀120的关闭或开启，然后开始表面下安全阀130的关闭或开启。在一个实施例中，ESD控制系统200、300、700任一者可以首先开始表面下安全阀130的关闭或开启，然后开始表面安全阀120的关闭或开启。在一个实施例中，如果ESD控制系统200、700组件中的一个开始关闭，那么控制器组件220可以自动地向计算机系统150发送信号，然后计算机系统150自动地向ESD系统300的控制器组件发送信号以开始表面下安全阀130的关闭。在ESD控制系统300经过计算机系统150检验表面下安全阀130的关闭之后，另一个信号可以被发送到ESD控制系统200、700以接着开始表面安全阀120的关闭。如果要求表面安全阀120的关闭在表面下安全阀130的关闭之前，那么可以用ESD控制系统300开始进行相反的过程。
在一个实施例中，控制具有多个阀(包括表面安全阀和表面下安全阀)的井口控制系统的方法包括：用太阳能板组件发电，将产生的电力传送给控制器组件和泵组件，泵组件将工作流体供给阀，控制组件可操作以监控油/气井和井口控制系统中的各种条件。控制器组件可以被用于手动地、远程地、自动地和/或响应于被编程在控制器组件内的一个或多个预定条件地控制泵组件和阀的操作。太阳能板组件可以提供给电源或直接提供到泵组件以操作泵组件的电机，电机继而操作泵组件的泵。电机可以被控制器组件控制。控制器组件可以包括微处理器和与其相关的设备、电路、装置、开关等等。由太阳能板组件产生的电力可以储存在电源中，例如储存在一个或多个电池设备以供在需要时使用。被储存的电力的使用和流动可以由控制器组件控制和/或监控。泵组件可以在低压或高压下供应工作流体(液压和/或气动)以操作被控制器控制的两个安全阀之一。预设条件可以包括流体流动参数、流动管道条件、警报、紧急情况和/或井口控制系统的部件(包括阀和控制器组件)的侵入。
来自太阳能板组件的电力的电压可以由电压控制器控制，电压控制器具有传感器并且如果超过或没有提供预设电压就提供警示信号、警报信号和/或关闭信号。可以提供一个或多个传感器检测在被使用的任何或所有流动管道内的、和/或在流体容器内的可获得工作流体的量和/或压力，(多个)传感器向控制器组件提供以指示流体体积和/或流体压力的信号。响应于信号，控制器组件可以操作一个或多个阀和/或关闭井口控制系统。控制器组件可以向其他装置发出信号，例如泵组件或阀组件，以增加一些或所有流动管道内的流体压力和/或流体量。传感器在检测到火时向控制器组件发出信号并且提供火警报。控制器组件可以将火警报信号提供给远程位置和/或操作阀以关闭井口控制系统。可以在井口控制系统的紧邻区域提供警报、侵入等等的信号并且通过公知的传输方法将信号提供到远程位置。
控制器组件可操作以监控井口控制系统的各个部件并且采用本质安全的部件。单个控制器组件可操作以控制表面安全阀、表面下安全阀、以及与井口控制系统通信的一个或多个额外的阀。控制器组件可操作以控制具有电动潜水泵的表面下安全阀。控制器组件可操作以使用与其互联的开关、电话、收音机、SCADA、DCS和/或卫星信号来远程关闭井口控制系统。可以使用一个或多个传感器检测油/气井中的和/或井口控制系统处的危险气体并且作为回应产生警报信号。替换太阳能板组件或者除太阳能板组件之外，可以使用热电发电机(thermoelectric generator)。预设条件可以包括以下条件中的一个或多个：火或危险气体的出现、被不希望的人或动物侵入、故意破坏、损坏、或者在井口控制系统中使用的仪器的毁灭、或过低到过高的流体压力、流体体积、电力电流或电压。在一个实施例中，控制系统的各个部件可以是不受天气影响的并且是“本质安全的”，即各个部件要求大大减小的电力水平并且因此最小化电火花和爆炸的风险，例如小于100毫安。
图4是机械超驰控制装置400、致动器401、闸门阀402和安全模式指示器403的剖面图。致动器401耦合到闸门阀402的阀体404上。阀盖组件(bonnet assembly)可以提供闸门阀402和致动器401之间的分界面。在闸门阀402的自动运行期间，液压或气动压力进入由致动器401的盖408和隔板410界定的致动器401的腔406中，隔板410被定位在操作元件412上。操作元件412响应于腔406内的液压或气动压力并且逆着由弹簧418施加的偏置力而移动。连接到闸门阀402的滑动闸门416上的阀杆414响应于操作元件412的移动而移动。以这种方式，致动器401的自动操作在图4所示的关闭位置和图6中所示的开启位置之间移动闸门阀402的滑动闸门416。
在一个实施例中，致动器401可以从在美国专利No.6,450,477中详细描述的气动和液压致动器选择，通过引用将其全部内容结合在这里。致动器401可以从工业中已知的用于通过自动操作将闸门阀402的滑动闸门416在开启位置和关闭位置之间移动的任何其他致动器中选择。
当使用致动器401的自动操作，弹簧418的偏置力被构造为作为故障安全机构(fail-safe mechanism)起作用。当致动器401中的压力被不经意地或其他方式移除时，弹簧418将闸门阀402移动到图4所示的故障安全关闭位置或图12所示的故障安全开启位置。尽管机械超驰控制装置400在发生故障(例如失去压力)的时候可以提供额外机制以对闸门阀402进行致动，但是还可能使故障安全机构失效。机械超驰控制装置400可以防止弹簧418将闸门阀402移动到故障安全关闭位置或故障安全开启位置。当故障安全机构未被机械超驰控制装置所失效并且未被防止或避免移动到故障安全关闭位置或故障安全开启位置时，闸门阀402在安全模式下运行。因此，安全模式指示器403构造为提供信号(例如视觉指示)，该信号通知阀操作者该阀在安全模式或不在安全模式下运行。来自安全模式指示器403的信号还可以告知(1)在致动器内发生压力损失时阀将移动到故障安全关闭位置或故障安全开启位置，(2)阀已被自动致动进入开启位置，和/或(3)机械超驰控制装置不会使故障安全机构失效或干涉故障安全机构。
如图4所示，机械超驰控制装置400连接到致动器401以提供手动操作，用于在开启和关闭位置之间移动滑动闸门416。机械超驰控制装置400包括顶轴460、用于顶轴460的手动转动的杆(例如手轮500)、具有从其穿过的纵向孔的外壳450、被转动地锁定到外壳450上的传动套筒504以及顶密封盒550。外壳450穿过致动器401的盖408中的孔452。由具有增大外径的外壳450的一部分形成的肩部454提供用于将外壳450定位在盖408的孔452中的止挡部。可以通过已知方式(例如螺纹或通过焊接)将外壳450固定到盖408上。
外壳450包括上孔509、内部肩部511、顶孔510和底孔512。内部肩部511定位在上孔509下面，顶孔510定位在内部肩部511下面，以及底孔512定位在顶孔510下面。底孔512的内径大于顶孔510。将锥形肩部515放置在顶孔510和底孔512之间的分界面上。
顶密封盒550定位在上孔509内，并且可以作为单个单元而被移除替换而不需要拆卸开致动器401或机械超驰控制装置400。优选地，顶密封盒550由塑料类材料(例如Delrin)形成并且通过至少一个保持环552(优选为不锈钢)被保持在合适位置。在不需要拆卸开致动器401的情况下能够到达保持环552的能力，允许从外壳450的顶部移除保持环552，从而允许移除和替换顶密封盒550。顶密封盒550包括双往复顶轴密封件556和双静密封件558以确保密封完整性和长寿命。顶密封盒550结合有杆擦拭器554以保持轴密封区域下面没有灰尘、油脂以及其他污染物而使顶轴密封件556有更长的寿命。优选地，杆擦拭器554由Molythane 90制成。这些及其他密封件可以是T型密封件或其他基本为弹性体的密封件(例如O型圈密封件)。
顶轴460延伸穿过外壳450的纵向孔、顶密封盒550和传动套筒504。内部肩部511的内径比顶轴460的外径大，但是比传动套筒504的外径小。内部肩部511允许顶轴460穿过其进行轴向运动，与此同时为传动套筒504提供后止挡件。顶轴460还可以包括构造来与传动套筒504的上部肩部接合的肩部以防止顶轴460从传动套筒504的上端移除。
传动套筒504定位在外壳450中并且在顶孔510和底孔512中是可移动的。传动套筒504包括与顶轴460的外表面上的传动螺纹514相应的螺纹孔516。在一个实施例中，传动螺纹514是能够在载荷下起作用的英制梯形(Acme)螺纹，并且每英寸包括小数量的螺纹(例如5个)以减小手动操作致动器401所需要的功。传动螺纹514允许利用手轮500对顶轴460进行无辅助转动。螺纹接合允许外壳450内顶轴460和传动套筒504之间的相对轴向运动。传动套筒504的上部的外径与外壳450的顶孔510的内径基本相同。在传动套筒504的上部的外径上提供一个或多个密封件518(例如O型圈)以形成与外壳450的顶孔510的密封接合。在传动套筒504的上部的内径上提供一个或多个密封件519(例如O型圈)以形成与顶轴460的密封接合。
在一个实施例中，传动套筒504的下端构造为相对于外壳450的底孔512轴向地运动，与此同时被相对于外壳450而转动地锁定。可以使用在致动器401自动运行期间防止传动套筒504转动并且同时允许传动套筒504(和顶轴460)在外壳450内轴向地运动的任何已知的转动锁定元件。图8通过显示在图4中断面线8-8处的横截面的一个实施例而示出了新的转动锁定元件。图8示出了传动套筒504的下端的外径，传动套筒504的外径具有与外壳450的内径的椭圆形状相对应的椭圆形状。该椭圆形直径提供将传动套筒504转动地锁定到外壳450且不阻止传动套筒504相对于外壳450轴向运动的物理干涉。可以通过本领域技术人员公知的多种方法建立传动套筒504的外径和外壳450的孔以允许相对轴向运动的同时防止相对转动运动。在一个实施例中，传动套筒504的下部可以具有延伸到在外壳450的底孔512内形成的一个或多个相应纵向槽中的一个或多个花键，以允许相对轴向运动但是防止相对转动运动。在一个实施例中，可以用延伸穿过底孔512和传动套筒504的相应纵向槽的销而将传动套筒504的下部用键固定到底孔512。
联接组件458防止固定到操作元件412的保持螺母462和顶轴460之前的纵向分离，同时将顶轴460的转动运动与致动器401和闸门阀402分开。联接组件458包括凹联接器(female coupler)464和滚珠轴承468。顶轴460的下端围绕保持螺母462的上端转动并且倚靠滚珠轴承468。顶轴460上的底肩部472通过凹联接器464固定为抵靠滚珠轴承468，滚珠轴承468被定位在保持螺母462的上端上。凹联接器464被连接到保持螺母462的上端，并且包括与顶轴460的底肩部472接合的上肩部以防止轴与保持螺母462分离并因此而与致动器401和闸门阀402分离。顶轴460相对于保持螺母462自由地转动，且在使用机械超驰控制装置400时消除扭矩传到阀杆414、滑动闸门416和/或致动器401的部件。
本发明的实施例不要求联接组件将操作元件412与顶轴460连接。机械超驰控制装置400的顶轴460接触并且直接把力施加到致动器401的一部分上，例如保持螺母462或操作元件412，这依靠所使用的致动器的类型。例如，顶轴460的末端可以直接接触保持螺母462的上端。实心保持螺母462可以包括单独的锁定装置以防止由于顶轴460在手动操作机械超弛控制装置400期间转动而使保持螺母462从操作元件412上螺旋松脱。或者，可以提供其他公知的转动隔离装置以防止顶轴460的转动转移到致动器401和闸门阀402内的其他部件上。
参照图6，腔610形成在顶密封盒550和传动套筒504之间的外壳450内。通过顶密封盒550、上孔509和顶轴460之间的接合而在上端密封腔610，并且通过传动套筒504、顶孔510和顶轴460之间的接合在下端密封腔610。如图6所示，当将传动套筒504移动到底孔512中时可以在腔610和致动器401之间建立流体连通。具体地，移动传动套筒504的密封件518经过锥形肩部515进入底孔512中，从而解除与顶孔510的密封接合。当把传动套筒504放置到底孔512中并且在腔610和致动器401之间建立流体连通时，闸门阀402在安全模式下运行。当闸门阀402在安全模式下运行时，通过故障安全机构可以将阀移动到故障安全关闭位置(如图4所示)或故障安全开启位置(如图12所示)，而不需要来自机械超驰控制装置400的干涉。
当阀在安全模式下运行时，安全模式指示器403与阀操作者通信。安全模式指示器403包括被连接到外壳450上的指示装置600(例如传感器)。指示装置600通过定位成穿过外壳450的孔615而与腔610流体连通。腔610中的压力可以用于对指示装置600进行致动而把信号传给阀操作者。
在一个实施例中，当腔610在第一压力时，指示装置600可以将第一信号传给阀操作者以指示阀不在安全模式运行。当腔610在不同于第一压力的第二压力时，指示装置600可以把不同于第一信号的第二信号传给阀操作者以指示阀在安全模式运行。如图6所示，腔610中的压力可以是在腔610和致动器401之间建立流体连通时被引导到致动器401中的压力。腔610中的压力经过孔615被传给指示装置600以对指示装置600进行致动。在一个实施例中，第一压力和/或第二压力可以在约0PSI(磅/平方英寸)到约80PSI、150PSI或更大的范围内。在一个实施例中，第一信号和/或第二信号可以是视觉指示(例如彩色光或标记)、听觉指示和本领域技术人员所知的任何其他类型的信号。
在一个实施例中，指示装置600可以是任何可以用于指示腔610内压力变化的商业传感器(例如压力传感器)。在一个实施例中，指示装置600可以是通过Norgen Ltd.商业获得的Rotowink指示器。Rotowink指示器是用于对气动或流压回路进行视觉监控的被气压致动的弹簧承载装置。该装置在可以从任何角度观察的转动球上使用两种对比色(例如，黑、红、黄、绿)以指示压力的存在与否。
现在对图4、5、6、7、12所示的本发明的操作进行描述。图4示出了闸门阀402在故障安全关闭位置。弹簧418提供构造为使阀杆414、操作元件412、顶轴460和传动套筒504以向上方向偏置的力，从而将滑动阀门416定位到关闭位置。使滑动阀门416就位于关闭位置，限制顶轴460和传动套筒504的向上轴向运动。机械超驰控制装置400在未被致动位置并且不干涉闸门阀402的关闭。弹簧418的偏置将顶轴460抬高到延伸位置，提供闸门阀402在关闭位置的视觉指示。安全模式指示器403可以提供以下第一视觉指示：闸门阀402未被自动致动进入操作安全模式和/或腔610未被加压或已经经历压力变化。
图12示出了闸门阀402在故障安全开启位置。弹簧418提供构造为使阀杆414、操作元件412、顶轴460和传动套筒504以向上方向偏置的力，从而将滑动阀门416定位到开启位置。使滑动阀门416就位于开启位置，限制顶轴460和传动套筒504的向上轴向运动。机械超驰控制装置400在未被致动位置并且不干涉闸门阀402的开启。弹簧418的偏置将顶轴460抬高到延伸位置，提供闸门阀402在开启位置的视觉指示。安全模式指示器403可以提供以下第一视觉指示：闸门阀402未被自动致动进入操作安全模式和/或腔610未被加压或已经经历压力变化。
图5示出了使用机械超驰控制装置400手动操作致动器401之后在开启位置的闸门阀402。为了使用机械超驰控制装置400将滑动阀门416移动到开启位置，阀操作者手动转动手轮500以提供顶轴460的转动。手轮500的转动使顶轴460转动以使顶轴460向前经过传动套筒504，越过传动螺纹514的长度。当顶轴460转动时，顶轴460向前经过传动套筒504直到传动螺纹514的上部位于传动套筒504的螺纹孔516的下部。在手动操作期间，内部肩部511提供阻止传动套筒504相对于外壳450运动的后止挡件。手轮500的手动转动机械地使顶轴460向前经过外壳450以直接或间接地轴向移动阀杆414而使闸门阀402处于开启位置。逆着弹簧418的偏置而机械驱动顶轴460，从而压缩弹簧418。手动操作期间顶轴460降低到缩回位置并且提供闸门阀402在开启位置的视觉指示。闸门操作者还可以检查安全模式指示器403以确定闸门阀402是否在安全模式下操作。在由手动操作将闸门阀402操作从故障安全关闭位置(如图4所示)到开启位置(如图5所示)之间，腔610内的压力不应当明显变化。因此，安全模式指示器403将未被闸门阀402的机械操作改变的相同第一视觉指示传达给阀操作者。因此，安全模式指示器403可以指示闸门阀402不在安全模式下操作、未被自动致动、已(至少部分地)使用机械超驰控制装置400被致动和/或可以被防止移动到故障安全关闭位置或故障安全开启位置。
图6示出了自动操作致动器401后处于开启位置的闸门阀402。将压力引导进入致动器401的腔406内以克服弹簧418的偏置并且使顶轴460、传动套筒504、操作元件412和阀杆414以朝下方向运动而使滑动闸门416处于开启位置。将顶轴460和传动套筒504一起在外壳450的孔内轴向移动，直到将传动套筒504上的密封件518移动经过锥形肩部515并且进入底孔512中。在腔610和腔406之间建立流体连通。将腔406中的压力通过孔615连通到指示装置600，从而对指示装置600进行致动。腔610中的压力变化对安全模式指示器403进行致动以传送与第一视觉指示不同的第二视觉指示。由于自动操作期间顶轴460还降低到缩回位置并且提供闸门阀402在开启位置的视觉指示，则阀操作者可以使用安全模式指示器403以确定闸门阀402是否在安全模式下操作。因此，第二视觉指示可以指示闸门阀402在安全模式下操作、未被机械致动、已被自动致动和/或一旦致动器401中压力释放就将移动到故障安全关闭位置或故障安全开启位置。当在安全模式下操作时，传动套筒504的上端位于与外壳450的内部肩部511相距至少X距离处。在该位置，机械超驰控制装置400不会使故障安全机构失效或干涉故障安全机构。当释放致动器401中压力时，传动套筒504位于与内部肩部511相距足够的距离处以便不限制顶轴460的向上轴向运动并因此不限制阀杆414和滑动闸门416的向上轴向运动。以这种方式，闸门阀416可能移动到故障安全关闭位置或故障安全开启位置。
图7示出了自动操作致动器401且机械超驰控制装置400进行部分操作之后在开启位置的闸门阀402。在自动操作闸门阀401之前和/或之后，可以至少部分地、不经意地或以其他方式对机械超驰控制装置400进行致动。如果已经一次或多次转动手轮500，则顶轴460和传动套筒504以图7所示相对于彼此移动到偏移位置。当在偏移位置时且如果阀被自动致动，则传动套筒504的上端会位于和内部肩部511相距Y距离处，这将阻止闸门阀402移动到故障安全关闭位置或故障安全开启位置。在一个实施例中，距离Y可以是小于图6中距离X的任何距离。当释放致动器401中的压力时，传动套筒504的上端在滑动闸门416关闭之前停在内部肩部511上，并且限制对将滑动闸门416移动到故障安全关闭位置或故障安全开启位置而言必要的向上轴向运动。根据传动套筒504和顶轴460之间的偏移量，可以使滑动闸门416处于部分开启/关闭位置。此外，当闸门阀416被自动致动并且传动套筒504位于与内部肩部511相距Y距离处时，腔610通过密封件518和519保持与腔406流体连通隔离。机械超驰控制装置400的任何轻微致动都可能偏移顶轴460和传动套筒504而足以在自动致动期间阻止密封件518移动经过锥形肩部515。
由于在图7中顶轴460仍旧能够视觉指示阀402在开启位置，所以阀操作者还可以检查安全模式指示器403以确定闸门阀402是否在安全模式操作。腔610内压力不应当明显变化，这是因为腔通过密封件518和519与腔406隔离。因此，安全模式指示器403把未被闸门阀402的自动致动改变的相同的第一视觉指示传达给阀操作者。因此，安全模式指示器403可以指示闸门阀402不在安全模式下操作、已(至少部分地)使用机械超驰控制装置400被致动和/或可以被防止移动到故障安全关闭位置或故障安全开启位置。虽然对致动器401加压，但是阀操作者可以使手轮500转动而将传动套筒504推动到底孔512直到闸门阀402在安全模式操作。阀操作者可以转动手轮500，直到安全模式指示器403从第一视觉指示变化到第二视觉指示(例如当在腔406和腔610之间建立流体连通时)以确保闸门阀402在安全模式下操作。或者，阀操作者可以释放致动器401中的压力以允许传动套筒504停在内部肩部511上，并且之后转动手轮500将机械超驰控制装置400移动到未被致动位置以便顶轴460和传动套筒504不在上述偏移位置。可以再次自动对致动器401进行致动以便安全模式指示器403指示阀在安全模式操作。
图9示出了根据一个实施例自动操作致动器401之后在开启位置的闸门阀402。图9中所示的闸门阀402、致动器401和机械超驰控制装置400每一者包括上文针对图4-8所述的实施例。图9还示出了设置成穿过顶轴460的孔462、置于顶轴460下端且与孔462连通的止回阀464、以及连接到顶轴460以在顶轴460下端支撑止回阀464的保持元件466。在一个实施例中，可以用本领域技术人员所知的任何方式将孔462布置成穿过顶轴460以允许腔610和腔406之间的流体连通。在一个实施例中，止回阀464可以是本领域技术人员所知的任何类型的阀(例如单向阀)，其可操作地控制以任何方向经过孔462的流体流动。在一个实施例中，保持元件466可以是本领域技术人员所知的任何类型的元件(例如保持环)，其可操作地保持止回阀462与顶轴460和/或孔462接合。可以把图9所示的顶轴460用于针对图4-8所述的任何实施例中。
操作中，孔462构造为减小置于腔610中任何流体压力，这将引起压力锁(pressure lock)并防止故障安全机构关闭闸门阀402。例如，当闸门阀402在如图9所示的安全模式下操作时，腔610与致动器401的腔406流体连通并填充有加压流体。当减小腔406中压力时，弹簧418开始将闸门阀402移动到如图4所示的关闭位置，并且一旦密封件518与顶孔510内表面接合则腔610被密封。经过孔462将任何保存在腔610中的流体释放到腔460中。在一个实施例中，可以在流体自身压力下和/或当通过传动套筒504经弹簧418朝向肩部511运动而减小腔610的体积从而对流体加压时，迫使流体经过孔462和止回阀464。止回阀464可以允许流体从顶轴460的上端流动经过孔462进入腔406，并且防止流体流动进入孔462并且因此从顶轴460的下端进入腔610。在一个实施例中，顶轴460可以包括位于邻近止回阀464出口的一个或多个端口468以帮助将流体压力排出到腔406。在一个实施例中，将一个或多个密封件519放置在顶轴460和传动元件504之间，以防止任何不期望的泄露路径在闸门阀402操作期间将流体连通到孔402。
在一个实施例中，可以将本文针对图1-3和13描述的ESD控制系统200、300、700和本文针对图4-9描述的机械超驰控制装置400、致动器401、闸门阀402和/或安全模式指示器402结合使用。在一个实施例中，可以将图2所示的压力传感器280连接到外壳450，类似于图6、7和9示出的指示装置600。压力传感器280通过孔615可操作地测量腔610中的压力并且将与测量的压力相对应的信号发送给控制器组件220。之后控制器组件220可以通过有线或无线遥测术将信号发送给计算机系统150，以用于实时监控和显示测量的压力。以这种方式，可以将ESD控制系统200、300、700用于远程监控并确认闸门阀402是否在上述安全模式下操作。
图10A-10H和11-11D示出根据一个实施例的阀组件1000。图10A-10H分别示出阀组件1000的俯视立体图、左视图、仰视立体图、主视图、俯视图、右视图、仰视图和右视图。图11示出了阀组件1000的俯视图，图11A-11D分别示出阀组件1000的剖视图A-A、B-B、C-C和D-D。阀组件1000可以作为上述阀组件260使用。阀组件1000包括第一主体部分1010、第二主体部分1015、第一底座1020和第二底座1030。第一和第二主体部分1010、1015可以由单件材料形成，或者可以包括连接在一起的两件分离的材料。第一和/或第二底座1020、1030可拆卸地固定到第一主体部分1010以用于访问闸门1055，闸门1055可移动地放置在第一主体部分1010中以控制经过该闸门的流体流通。可以对第一和第二主体部分1010、1015提供有用于将阀组件1000固定于外壳210内和/或固定到ESD控制系统200、300的一个或多个部件的一个或多个安装孔1011、1012、1013。第一主体部分1010可以包括用于接收来自泵组件240的流体的第一流体入口1040。第一流体入口1040可以包括流体路径1041，流体路径1041被布置为邻近第一底座1020且穿过第一主体部分1010从第一端到第二端。可选择地提供第二和第三流体入口1042、1045(第三流体入口被布置穿过第一底座1020)以接收来自泵组件240的流体。正如所描述的，可选择的第二和第三流体入口1042、1045用一个或多个密封元件封堵，但是包括与第一流体入口1040的流体路径1041连通的流体路径。第一主体部分1010还包括用于将流体引导至表面安全阀和/或表面下安全阀120、130的致动器以对阀进行致动的第一流体出口1050。第一流体出口1050还可以包括布置为邻近第二底座1030且穿过第一主体部分1010从第一端到第二端的流体路径1051。第一主体部分1010还可以包括从第一底座1020延伸到第二底座1030的流体路径1052以提供第一流体入口1040和第一流体出口1050之间的流体连通。可以将闸门1055布置在第一和第二底座1020、1030之间的流体路径1052内，以控制第一流体入口1040、第一流体出口1050和第二底座1030的如下所述第一泄压出口1060之间的流体连通。可以在第一主体部分1010中形成一个或多个加工孔1051、1052(描述为被塞住)以形成布置为穿过本文所述主体的流体路径。
操作中，流体可以流经流体入口1040、1042、1045中至少一个并穿过闸门1055之后经过流体出口1050，该闸门被布置在第一和第二底座1020、1030之间的第一主体部分1010的流体路径1052内。在流体流经阀组件1000到阀120和/或130的致动器的同时，第一主体部分1010内的压力迫使闸门1055封闭与第一泄压出口1060的连通。第一泄压出口1060提供与流体容器250的流体连通，使得在操作期间有需要时排出第一主体部分1010和阀致动器内的流体。还可以提供第二泄压出口1070以快速从第一主体部分1010和阀致动器释放出流体。第二泄压出口1070可以包括与第一流体入口1040的流体路径1041相交的流体路径1071，但是还包括管道泄压阀，假如第一主体部分1010的压力超过预定压力时，该管道泄压阀将来自流体路径的流体释放到流体容器250。压力切换端口1019可以设置成穿过第一主体部分1010并与第一流体出口1050的流体路径1051相交。压力切换端口1019可以作为将第一主体部分1010中压力与一个或多个感应器/传感器连通的装置，感应器/传感器与ESD控制系统200、300和/或控制器组件220、320通信。使用由感应器/传感器经压力切换端口1019测量的压力，控制器组件220、320可以有选择地控制(例如，打开或关闭)泵组件240、340以对如本文所述的阀120、130进行致动。
第二主体部分1015可以包括将流体从第一流体入口1040的流体路径1041引导经过流体路径1091到达控制阀组件(例如电磁阀组件)的流体控制出口1090。电磁阀组件还可以与控制器组件220、320连通以控制阀组件1000的操作(例如，开启和关闭)，从而根据需要控制对阀120、130的致动。第二主体部分1015还包括第二流体控制出口1080，将来自第二主体部分1015的流体路径的流体经过流体路径1081和控制阀组件而释放到达流体容器250。当控制阀组件被致动而将流体压力释放(dump)至流体容器250时，第一流体入口1040的流体路径1041中的压力释放和第一流体出口1050的流体路径1051的背压可以将闸门1055移动到第一主体部分1010内的位置，在该位置第一主体部分1010和阀致动器中的流体经第一泄压出口1060、第二泄压出口1070和/或第二流体控制出口1080而被快速释放到流体容器250。以这种方式，有选择地将阀组件1000用于提供和保持在阀120、130的一个或多个阀致动器中的流体，并且用于将来自阀致动器的流体有选择地释放和倾倒至流体容器250。
图13示出了根据一个实施例的ESD控制系统700。本文描述的ESD控制系统700的实施例适用于ESD控制系统300。为了方便，与ESD控制系统200部件类似的ESD控制系统700中的部件将以相同数字标号标明。ESD控制系统200可以包括用于支撑控制器组件220、电源230、压缩机(或流体驱动)组件740、止回阀715、压力开关710、过滤器/干燥器组件705和太阳能板组件270的外壳730。在一个实施例中，可以将控制器组件220和/或其他任何部件布置在外壳730的邻近和/或外部。
ESD控制系统700可以是“独立”或“单独单元”，意味着ESD控制系统700不依赖用于其关闭油/气井操作的任何外部气动、液压、机械或电力源。换言之，电源230、压缩机组件740和其他组件在外壳730内并且因此ESD控制系统700是一体便携单元。例如，如果表面安全阀120下游的生产流体管有破裂，和/或如果在表面下安全阀130处井压力有损失，则ESD控制系统700可操作有效关闭安全阀120、130，从而关闭油/气井，并且警告合适人员已经发生关闭，而不需要任何额外外部电源(例如外部压缩机或电机)的帮助。
ESD控制系统700还可以包括用于监控和/或测量本文描述的一个或多个物理性质的一个或多个传感器/装置280、282、284、286和288。可以将ESD控制系统700构造为控制与阀120、130的流动管连通的一个或多个阀(例如流动控制阀或节流阀)以控制经过井口控制系统100的流体流动。ESD控制系统700还可以包括在管211中的快速排放阀725。快速排放阀725是被构造成将气动流体排放到外壳730外部区域的手动阀。此外，可以将止回阀715放置在管211内。止回阀715是允许流体以一个方向从压缩机组件744到阀120流动并且限制反向流体流动的阀。
外壳730可以包括用于保护存储在该外壳内的部件不受损害及外部元件影响的任何结构支撑元件(例如防爆容器)。可以通过通风孔和/或安装在外壳730内或穿过外壳730的独立太阳能功能风扇对外壳730进行适当通风。外壳730还可以包括易于进入外壳内部的访问板或门，还可以构造为连接到树状物110或各个表面安全阀和表面下安全阀120、130。在一个实施例中，ESD控制系统700的结构部件可以尽可能由不锈钢制造。控制器组件220可以被布置在外壳730内并且可以包括微处理器单元222、显示器224和键盘226。在一个实施例中，控制器组件可以是不受天气影响的，并且是本质安全的以向ESD控制系统700的一个或多个组件提供所需电力。微处理器单元222可以包括可编程逻辑控制器，包括与一个或多个传感器/装置280、282、284、286以及压缩机组件740和阀组件710、720连通的监控和数据获取系统(SCADA)。
在一个实施例中，压缩机组件740可以包括本质安全的电机742和压缩机744，将每一者放置在防爆外壳730中。如本文公开的，压缩机组件740可以提供来自外壳730外面位置的气动流体以对致动与其连接的安全阀120、130。气动流体可以是外壳730外部的外围流体(例如空气)。在一个实施例中，压缩机组件740可以具有并联的多个压缩机和/或电机。
在一个实施例中，气动流体可以由位于外壳730外部的可选容器735提供。可以将容器735连接到过滤器/干燥器组件705而将流体供应给压缩机组件740。还可以将容器连接到阀组件720和/或阀725而接收从系统排出的流体。容器735可以包括物位计(例如视镜)以指示容器735中流体的物位。容器735还可以包括与控制器组件220通信且可操作以实时监控容器735内液体物位的物位传感器。假如流体物位由于例如流体蒸发而低于预定极限值(例如，预设极限值)，那么物位传感器可以提供警报提醒在井口控制系统100现场的操作者和/或通过控制器组件220和计算机系统150提醒在远程位置的操作者。控制器组件220可以在从物位传感器接收到信号后自动关闭井口控制系统100。
如本文公开的，可以记录来自压力传感器280的信号和/或将该信号通过控制器组件220传送至计算机系统150以提供对流动管135中压力的实时监控。可以将测量的压力显示在显示器224和/或计算机系统150的显示器150上。响应于测量的压力与一个或多个预定条件的对比，控制器组件220构造为操作与其连接的各个安全阀120、130。例如，可以使用控制器组件220引导压缩器组件740以将气动流体(例如外围空气)提供到表面安全阀120以打开阀。一旦接受到来自控制器组件220的信号，阀组件720构造为打开由表面安全阀120和过滤器/干燥器组件705之间的管211、215界定的回路，以允许压缩机组件740将来自进入过滤器/干燥器组件705流体的流体引导至表面安全阀120，从而打开表面安全阀120。在压力传感器280连续监控流动管135中压力的同时，可以将表面安全阀120保持在开启位置。可以对控制器组件220编程以一旦接收来自压力传感器280的信号便关闭表面安全阀120，该信号对应于大于或小于预设压力范围的压力测量结果。可以通过使用键盘226和显示器224手动输入将预设压力范围输入到控制器组件220。还可以将预设压力从计算机系统150远程输入控制器组件220。当接收到来自压力传感器280的表示流动管135中压力降低到存储在微处理器单元222中的预设压力范围外的信号时，控制器组件220可以自动引导压缩机组件740停止向表面安全阀120供应加压流体和/或允许阀组件720排出气动流体，从而关闭表面安全阀120。可以使用对流动管135中压力的连续实时监控来验证表面安全阀120已经被关闭。
可以向控制器组件220和压缩机组件740提供来自电源230的电力。电源230可操作将低电流(amp)流动提供给控制器组件220和/或压缩机组件740。控制器组件220构造为控制压力开关710，压力开关可以被视觉检查以监控管211中压力。在一个实施例中，可以将压力开关710构造为当安全阀120、130的致动器中压力达到预定压力设置时关闭压缩机组件740。
图14示出了用于进行井孔操作(例如破裂操作)的井场处井控制系统800。可以将井控制系统800构造为具有本文所述控制系统200、300、700中的一个或多个。井控制系统800包括流体供应装置810(例如容器或箱体)或包括用于存储流体的存储罐的运载工具。提供泵820或其它流体驱动组件，用于将来自流体供应装置810的流体泵送到井中。具体地，将来自流体供应装置810的流体经过流动或流体管811泵送到汇流管830，该汇流管将加压流体通过流体管831、832、833、834分别引导至一个或多个井口840、841、842、843。正如所述，井口840可以控制加压流体流入与地层(formation)860相交的井850以进行现有技术中公知的压裂操作。
流体管812与泵820下游位置处的流体管811流体连通。流体管812还可以与流体供应装置810或与任何其他容器类型组件流体连通。安全阀120与流体管812连接(in-line)以控制从流体管811到流体供应装置810的流体。安全阀120构造为故障安全开启泄压阀或故障安全关闭泄压阀，并且可使用控制系统200、300、700中的一个或多个操作。安全阀120使用气动/液压工作流体是可操作的，可以从控制系统200、300、700内部或外部的流体容器(如本文所述)和/或从流体供应装置812直接或经过流体管中的一个而供应该流体。传感器280(例如压力传感器)测量流体管812中的压力并且将测量的特征传送给控制系统200、300、700的控制器组件，该组件将测量的特征和一个或多个预定条件进行对比。计算机系统150使用本文所述的控制系统200、300、700使远程监测、控制和操作安全阀120成为可能。
在一个实施例中，可以提供一个或多个流体管812用于流体管811、831、832、833、834(包括汇流管和/或井口)和流体供应装置810或其他流体容器之间的流体连通。在一个实施例中，一个或多个安全阀120和/或控制系统200、300、700可以提供与流体管811、831、832、833、834(包括汇流管和/或井口)中一个或多个的连接。在一个实施例中，可以提供一个或多个传感器280以测量流体管811、831、832、833、834(包括汇流管和/或井口)中一个或多个的物理性质(例如，压力、温度、流率、流量等)。
操作中，可以泵820被致动而把流体从流体供应装置810经过流体管811泵送到汇流管810。可以使用由控制系统200、300、700引导的工作流体致动安全阀进入关闭位置以防止或基本限制流体流经流体管812。因此，可以把加压流体从汇流管810引导经过流体管831、832、833、834至井口840、841、842、843进行压裂操作，例如在井层860中。可以使用计算机系统150远程连续监控安全阀120。传感器280还可以连续监控和测量流体管811中的物理性质(例如流体压力)并且将测量的物理性质传送给控制系统200、300、700以用于与一个或多个预定条件进行比较。假如流体管811中的压力超过预定条件(被编程到控制系统的控制器组件中)，则控制系统可操作从将安全阀120保持在关闭位置的状态释放工作流体，并且安全阀120可操作以自动移动进入开启位置(例如通过弹簧418或其他偏置元件)以减小流体管811中的压力并且将加压流体通过流体管812而倾泻到流体供应装置810或其他容器。因此，井控制系统800可操作以防止会导致故障的流体管811、831、832、833、834(包括汇流管和/或井口)的过高压力或其他条件。
在移除任何对流动到井口的限制而所需的任何补救操作之后，控制系统200、300、700可操作以致动安全阀120进入关闭位置以继续一个或多个井口操作。井控制系统800的优点包括快速、有效和反复减小高流体体积、流动和压力以防止井口系统的故障的能力。额外优点包括远程监控和控制系统800的能力。
在一个实施例中，可以将控制系统200、300、700构造为在特定条件下(例如设定压力)致动安全阀120，该压力低于流体管、汇流管和/或井口中的一个或多个的额定工作压力。假如流体管内压力达到或超过预定压力(由传感器280测量)，则控制系统200、300、700将致动安全阀120进入开启位置以解除过高流体压力。在一个实施例中，可以将控制系统200、300、700构造为具有预定条件(例如重置压力)。例如，假如由于故障对安全阀120进行致动，控制系统200、300、700可以防止安全阀120的操作返回关闭位置直到传感器280测量到流体管内预设重置压力。
在一个实施例中，可以将控制系统200、300、700构造为在预计到故障时对安全阀120进行致动。例如，控制系统200、300、700可以包括用于产生对应于流体流量、流速、压力等的波信号的电子波发生器，该发生器由控制器组件监控任何变化或波动，以表明井控制系统800内一个或多个点的故障。假如表示有故障，则控制系统200、300、700可操作安全阀120以使其进入开启位置。
在一个实施例中，控制系统200、300、700可以监控、追踪并且记录安全阀120的操作和/或传感器280的测量。在一个实施例中，可以将控制系统200、300、700构造为具有用于安全阀120的独立、手动或直接操作的一个或多个机械和/或电子超驰控制装置。在一个实施例中，可以将传感器280连接到安全阀120以监控阀致动器内的工作压力，这将帮助确定阀的寿命、致动所需的力和是否需要维修。
在一个实施例中，可以将控制系统200、300、700构造为触发或致动一个或多个警报或警告(听觉/视觉)以指示潜在或实际故障；已经致动安全阀120；和/或已经检测到一个或多个其他条件，例如H2S(或其他有害气体)、火和/或对控制系统的损害。在一个实施例中，可以经过计算机系统150传送警报或警告。在一个实施例中，可以将控制系统200、300、700构造为假如已经致动安全阀120则防止远程操作，并且可以要求手动重新设置系统。
在一个实施例中，控制系统200、300、700可以包括用于追踪控制系统和安全阀的位置的地理定位系统，使用计算机系统100显示、监控以及追踪该位置。在一个实施例中，控制系统200、300、700可以储存与具体井口操作有关的信息，包括维修和操作历史、员工接触信息和/或安全阀的状态。在一个实施例中，可以将控制系统200、300、700构造为在预定时间范围内开启和/或关闭安全阀120。在一个实施例中，可以将控制系统200、300、700构造为以一个或多个预定时间间隔致动安全阀120。
图15示出了根据一个实施例的井控制系统800。井控制系统800包括闸门阀402和阀控制器401，它们的操作在上文已针对至少图4-12描述。导阀870(或其他功能类似类型的机械、电子和/或液压传感器)可以连接到阀致动器401，并且可操作来控制经过流体管872在阀致动器401和流体容器875之间的流体连通。可以提供泵876将来自容器875的致动器流体泵送到阀致动器401以致动阀402进入关闭位置。
一旦对导阀870进行致动，致动器流体可以从阀致动器401释放返回容器875，使得阀402可以自动地偏置进入开启位置。可以通过流体压力经与流体管811连通的流体管871而致动导阀870。假如被引导至井口840-843的流体压力超过预定量，则流体压力致动导阀870(经过流体管871)以将来自阀致动器401的致动器流体释放到容器875(经过流体管872)，从而自动地将阀402偏置到故障安全开启位置以释放过多流体压力返回如上所述的流体供应装置810(经过流体管812)。
在一个实施例中，导阀870在未被致动位置或第一位置时可以作为止回阀或单向阀操作，以在防止致动器流体流出阀致动器401的同时，允许致动器流体被泵送进入阀致动器401。当导阀870在被致动位置或第二位置时，致动器流体可以流出阀致动器401到容器875。导阀870可以监控并连通流动管811和830-834中任何一个内的流体压力。在一个实施例中，可以通过作用在如上所述操作元件412上的偏置元件418迫使致动器流体进入容器875。
尽管上述是针对本发明的实施例，但是可以不脱离本发明基本范围而得出本发明的其他和更多实施例，本发明的范围由权利要求确定。

Claims (21)

1.一种用于控制被连接到井场处的流动管的安全阀的控制系统，所述控制系统包括：
控制器组件，所述控制器组件构造为接收来自被连接到所述流动管的传感器的信号，其中所述信号对应于测量的物理性质；
阀组件，所述阀组件与所述控制器组件连通；以及
流体驱动组件，所述流体驱动组件与所述控制器组件连通，其中，所述控制器组件能够操作以对所述流体驱动组件进行致动而向所述安全阀供应流体以将所述安全阀致动到第一位置，以及其中，所述控制器组件能够操作以对所述阀组件进行致动而将所述安全阀致动到第二位置。
2.根据权利要求1所述的系统，还包括用于支撑所述控制器组件、所述阀组件和所述流体驱动组件的外壳。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，从布置于所述外壳外面的容器供应流体。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述流体驱动组件是压缩机，并且流体是气动流体。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述流体驱动组件是泵，并且所述流体是液压流体。
6.根据权利要求1所述的系统，还包括用于向所述控制器组件、所述阀组件和所述流体驱动组件供电的电源。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一位置是关闭位置并且所述第二位置是开启位置。
8.根据权利要求1所述的系统，还包括用于支撑所述流体驱动组件的外壳和被连接到所述外壳的过滤器，所述过滤器对通过所述流体驱动组件进入所述外壳的流体进行过滤。
9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述流体是环境空气。
10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器组件能够操作以将与所述测量的物理性质对应的信号传送到远程计算机系统。
11.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器组件是可编程逻辑控制器，以及其中所述阀组件能够操作以从所述安全阀释放或返回流体，以将所述安全阀致动到所述第二位置。
12.一种用于控制被连接到井场处的流动管的安全阀的方法，所述方法包括：
提供具有外壳、控制器组件、流体驱动组件和阀组件的控制系统；
使用所述流体驱动组件向所述安全阀供应流体以将所述安全阀致动到第一位置；
使用所述控制器组件监控所述流动管中的物理性质；以及
基于对监控的物理性质和预定条件的比较，使用所述控制器组件对所述阀组件进行致动，以将所述安全阀致动到第二位置。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述流体是布置在所述外壳外部的气动流体，所述方法还包括当所述气动流体通过所述流体驱动组件而进入所述外壳时过滤所述气动流体。
14.根据权利要求12所述的方法，其中，所述流体是布置在所述外壳内的容器中的气动流体，所述容器与所述流体驱动组件流体连通。
15.根据权利要求12所述的方法，还包括使用传感器测量所述物理性质，所述传感器被构造为将与测量的物理性质对应的信号传送给所述控制器组件。
16.根据权利要求12所述的方法，其中，所述第一位置是关闭位置并且所述第二位置是开启位置。
17.根据权利要求12所述的方法，其中，所述流体是气动流体，以及其中，所述流体驱动组件是压缩机。
18.根据权利要求12所述的方法，其中，所述流体是液压流体，以及其中所述流体驱动组件是泵。
19.根据权利要求12所述的方法，还包括将来自所述控制器组件的信号传送给远程计算机系统，其中，所述信号对应于所述安全阀的操作特性。
20.根据权利要求12所述的方法，还包括通过将来自远程计算机系统的信号传送给所述控制器组件而对所述安全阀进行致动。
21.一种用于控制经过井场处的流动管的流体流动的方法，所述方法包括：
提供具有安全阀、阀致动器和传感器的控制系统；
通过将致动器流体供应到所述阀致动器而将所述安全阀致动到关闭位置；
在保持所述安全阀在所述关闭位置的同时使用所述传感器监控所述流动管内的流体压力；
使用所述流动管内的流体压力对所述传感器进行致动，从而从所述阀致动器释放所述致动器流体并且将所述安全阀移动到开启位置以减小所述流动管内的流体压力。
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