CN104653142A - 具有多个活塞的球面环形防喷器 - Google Patents

Abstract

一种防喷器组件，其大致配置成具有：上壳体；下壳体，具有多个内部互连的圆筒；单片式激励环；以及多个单独底盖板，全部包围下壳体柱腔以用于接纳井管。防喷器组件还具有多个环状活塞、随各活塞设置在各圆筒中的多个关联密封管、具有多个主密封肋条的主密封；适配器环以及各种专用及关联密封和螺纹附件。

Description

具有多个活塞的球面环形防喷器

技术领域

本文所公开的实施例大致涉及石油和天然气工业中在油井和天然气井钻探和研究期间使用的防喷器，以防止井身压力在因地层流体的流入或者其它未受控制状况引起的意外压力“跳动”的情况下逸入外部环境中。具体来说，本文所述的实施例涉及具有多个活塞和密封管(gland)的环形球面防喷器设计。

背景技术

良好控制是石油和天然气勘探的重要方面。例如，在钻探井时，安全装置必须到位，以防止从关联钻探操作的意外事件产生的、对设备以及更重要地对人员的损坏。由于喷出的安全条件和风险，称作防喷器(BOP)的装置安装在表面或者深水状况的海底的井口上方，以有效地密封井身，直到能够采取措施来控制跳动。防喷器是大型专用高压阀或者类似机械装置，通常冗余地以叠层安装，并且用来密封和控制井下压力，以及监测油井和天然气井，以便最终防止钻井操作期间液体和气体的未受控制流动。防喷器以多种样式、尺寸和额定压力出现，并且服务于各种功能的若干单独单元相结合以组成防喷器叠层。防喷器系统的功能的一部分包括但不限于将井产流体限制到井身，提供将流体加入井身的器件，允许可控容积的流体从井身被抽取，调节和监测井身压力，并且密封井口。

除了控制井下压力以及石油和天然气的流动之外，防喷器还预计防止管道、工具和钻探流体在喷出威胁时从井身喷出。防喷器对人员、钻塔和环境的安全性以及对井完整性的监测和维护是必不可少的。因此，预计防喷器是故障安全装置。频繁地提供相同类型的多个防喷器以获得冗余度、即故障安全装置的有效性的重要因素。

存在两种主要类型的防喷器，即环形和RAM。环形BOP通常就安装到BOP叠层的顶部。钻探人员则通常将预定数量的RAM BOP安装在环形防喷器下方。研制防喷器以应对钻探期间从储层发出的极端不稳定压力和未受控制流、通常称作地层跳动。跳动能够导致称作“喷出”的潜在灾难事件。如果检测到跳动，则环形通常首先封闭，以及如果环形将要失败，则RAM用作备用。在操作期间，BOP时常被损坏，以及在应对内部部件损坏、例如活塞时，修复是困难的(即使不是不可能的)。

在钻探典型高压井时，钻柱经过防喷器叠层朝石油和天然气储层安排路线。当钻探井时，钻探流体、即“泥浆”经过钻柱向下馈送到钻头、即“刀片”，并且在钻杆外部与壳体(作为井身的衬里的管道)之间的环状空隙、即环带中沿井身向上返回。钻探泥浆柱向下施加静水压力，以便中和来自被钻探地层的相反压力，从而允许钻探进行。当跳动发生时，钻塔操作人员或者自动系统闭合防喷器单元，从而密封环带，以停止流体流出井身。更密集泥浆然后沿钻柱向下循环到井身中、沿环带向上并且经过在BOP叠层的底座的阻塞线经过阻气门离开，直到克服井下压力。如果防喷器和泥浆没有限制跳动的向上压力，则喷出发生，潜在地使石油和天然气沿井身向上驰过管道，损坏钻塔，并且使井的完整性成为问题。

发明内容

按照本文所提供的防喷器的理论，一个实施例提供一种防喷器组件，其包括：外壳结构，其中外壳结构包括具有围绕下壳体的附连端圆周地设置的多个下壳体分叉保持凸耳的整体式下壳体，下壳体还包括多个内部流体互连的圆筒；多个环状活塞和密封管，接合下壳体中的多个液体互连的圆筒；单片式激励环，在一个端部具有碗，其中激励环在操作上围绕下壳体的一部分圆周地设置并且与多个环状活塞接合；上壳体，具有整体结构，其中具有用于与下壳体多个分叉保持凸耳的交错四分之一圈接合的多个上壳体分叉保持凸耳，上壳体还包括具有用于接纳定位在碗部分之上的主密封的球面凹型主腔的内顶，下壳体和上壳体在操作上封闭单片式激励环、环状活塞、密封管和密封；以及多个底板，用于将下壳体与外部环境密封。

在另一个实施例中，提供一种防喷器，其包括：下壳体，具有整体大致圆筒形状结构，其中具有多个分叉保持凸耳；多个内部流体互连的圆筒，在整体结构的平面表面中配置，其中各内部流体互连的圆筒包括专用圆筒流体通道，其中设置有圆筒壁的一部分；中心柱，限定用于接纳井管的中心腔，其中中心柱包括多个密封；以及设置在中心柱的远端的凸缘安装部分。

在又一个实施例中，提供一种防喷器，其包括：激励环，具有大致圆筒形单片式整体结构，其中具有加工到激励环的第一端部中的碗形表面开口；以及多个分叉跟形安装元件，加工到激励环的第二端部中。

附图说明

通过结合附图进行阅读，将会更好地了解以上概述以及以下详细描述。为了便于说明，本公开的某些实施例在附图中示出。但是，应当理解，本发明并不局限于所示的准确布置和工具。结合到本说明书中并且构成其部分的附图示出按照本发明的系统、设备和方法的实现，并且连同本描述一起用来说明按照本发明的优点和原理。

图1示出按照一个实施例的防喷器组件的透视图；

图2示出按照一个实施例所连接的防喷器组件的截面透视图；

图3A示出按照一个实施例、从图2所示旋转大约90度的防喷器组件的截面正视图；

图3B示出具有按照一个实施例所示的环状活塞及关联密封管的细节A的防喷器组件的截面正视图；

图3C示出按照一个实施例、如图3B所示的环状活塞和密封管的截面侧视图的细节A的特定示图；

图4示出与防喷器的一个实施例配合使用的激励环的截面图；

图5示出与防喷器的一个实施例配合使用的下壳体的截面图；以及

图6示出与防喷器的一个实施例配合使用的上壳体的截面图。

具体实施方式

在详细说明本发明的至少一个实施例之前，要理解，本发明并不局限于它在以下描述中提出或者在附图中示出的构造的细节以及部件的布置的应用。提供附图和书面描述，以指导本领域的技术人员进行和使用对其寻求专利保护的本发明。本发明适用于其它实施例并且能够按照各种方式来实施和执行。本领域的技术人员将会理解，为了清楚起见和便于了解，并非示出一商业实施例的所有特征。本领域的技术人员还将会理解，结合本发明的方面的实际商业实施例的开发将要求许多实现特定判定来取得本发明人的商业实施例的最终目标。虽然这些工作会是复杂和费时的，但是这些工作是获益于本公开的领域的技术人员例行任务。

另外，要理解，本文所采用的用语和术语是为了便于描述，而不应当被视作限制。例如，单数术语、例如“一”的使用不是意在限制项的数量。另外，非限制性地例如“顶”、“底”、“左”、“右”、“上”、“下”“向下”、“向上”、“侧”和“表面”等的关系术语在描述中为了对附图的具体参照的清楚而使用，而不是要限制本发明或者所附权利要求书的范围。此外，应当理解，本发明的特征的任一个能够单独地或者与其它特征结合使用。通过阅读附图和详细描述，本领域的技术人员将会清楚地知道本发明的其它系统、方法、特征和优点。预计所有这类其它系统、方法、特征和优点都包含在本描述之内，包含在本发明的范围之内，并且受到所附权利要求书保护。

现在将详细介绍按照附图所示的本发明的实现。为了便于阐述，本文所述的实施例引用术语“流体”，其表示气体、液体以及具有固体集料的液体溶液以及能够合理地预计流动的任何其它材料。

参照图1，通过非限制性示例并且按照本发明的实施例，示出防喷器组件1，其中防喷器组件1经过液压致动，并且总体设计是环形球面的。在描述防喷器组件1的本实施例的操作功能时，实行预期操作的液压流体量对“闭合”防喷器组件1的主密封25(参见图2和图3A)为大约4加仑以及对“开启”为大约3¹/₂加仑。此外，在本优选实施例中，能够接纳的井管的内径的范围能够从大约英寸5¹/₂至大约21¹/₄英寸。本实施例的制造中使用的所有金属部件(在可能的情况下而不受压力约束或其它操作原因限制)由市场销售的4130钢来制造和加工。本领域的技术人员将会知道，在考虑安全性以及操作范围能够从3000psi至20000psi的本实施例的高压工作容量时，能够使用钢或优选材料的其它直径、类型和厚度。

现在将参照如图2和图3A共同示出的截面图详细描述防喷器组件1，其中图3A与图2所示的视图相比，在视图中顺时针旋转大约90度。防喷器组件1包括多个组成部件，其经过多个环状活塞40(如图3C中具体详细示出)的实现和操作来提供油井和天然气井操作中的喷出保护，正如将进一步描述。防喷器组件1的外壳结构大致配置成具有：下壳体10，具有多个内部流体互连的圆筒160；上壳体5(也在图6中具体详细示出)；单片式激励环15(也在图4中具体详细示出)；以及多个单独底盖板65。防喷器组件1还包括：市场现货供应的主密封25，其中具有多个主密封肋条27；适配器环30；多个密封管45(也在图3C具体详细示出)，专用于各环状活塞40；以及各种专用和关联密封以及螺纹附件，其将在下文中随关联部件来详述。主密封定位在加工到激励环15的一端中的碗155之上。

共同参照图2、图3A和图6，防喷器组件1的本实施例包括上壳体5，其具有凹面内设计，以限定上壳体5的内顶28(其允许主密封25的接纳、固定和操作)中的球面或凹型主腔26。主腔26的内顶28的凹面设计提供用于主密封肋条27的主密封25的分叉的圆周封闭引导和完整性。主密封肋条27结合内顶28形状起作用，以便在感应井身因素要求对防喷器组件的封闭的需求时引起围绕并且接触到定位在下壳体柱腔130中的管道(未示出)的外径的密封封闭。上壳体5还包括一系列等距母螺纹连接9，以用于接纳用来提供预期天然气井或油井/钻探部件的附连和固定的上壳体螺栓8。还设置在上壳体5的上壳体附连端4中的是多个间隔开的单独加工分叉上壳体保持凸耳150，以用于与下壳体10的固定附连，正如下面将描述。分叉上壳体保持凸耳150在位置上按照围绕上壳体附连端4的外圆周的分叉间隔开凸出方式来加工，如图6所示。分叉上壳体保持凸耳150进行操作以便在配对时经由四分之一圈扭转来交织、锁定和固定下壳体10与上壳体5，因而将两者固定在一起。

共同参照图2、图3A和图5，防喷器组件1的本实施例包括具有整体结构设计的下壳体10，其提供并且包含整体防喷器组件1的功能部件和加工部分的多数。具体来说，下壳体10的整体结构限定大致圆筒形状，其具有下壳体凸缘75、多个加工分叉下壳体保持凸耳145、下壳体壁167、加工上座6、加工上台肩119、下座31、具有下壳体柱壁165(其限定下壳体柱腔130的内部区域)和下壳体柱壁密封166的下壳体柱164以及加工到圆筒平面表面163中的多个内部流体互连的圆筒160，其中各圆筒具有专用圆筒流体通道161。下面将进一步详述先前所述部件的每个其及整体功能。

上台肩密封120和适配器环上密封140用作泥浆和钻屑刮刀，并且设计成防止泥浆和钻屑进入多个柱形一次密封122中以及进入多个一次密封95中，并且因此延长每个的总体寿命。上台肩密封120经由多个上台肩密封保持螺栓105可移开地附连到并且圆周地搁置在上台肩119周围和之上，以及经由激励环15上的保持缘118进一步固定到位。具有多个适配器环一次密封95和多个适配器环二次密封100的适配器环30可移开地设置在围绕适配器环30的外径、并且覆盖与适配器环上密封140和适配器环一次密封95的下座31上，以便防止防喷器组件1中积聚的压力的外部逸出。

下壳体10进行配对，以供按照旋转锁定附连方式经由与以上所述加工到上壳体5中相似的多个间隔开和加工的分叉下壳体保持凸耳145与上壳体5和分叉上壳体保持凸耳150配合操作。但是，多个分叉下壳体保持凸耳145按照围绕下壳体附连端11的内圆周的以分叉间隔凸出的方式定位地加工，如图5所示。分叉下壳体保持凸耳145用来在配对时经由四分之一圈扭转来交织、锁定和固定下壳体10与上壳体5，以及上壳体5适当地定位在下壳体10的下座6上。分叉上壳体保持凸耳150和分叉下壳体保持凸耳145连接设置还允许室内及现场的快速拆卸和组装。

如图2、图3A和图5所示的下壳体10的本实施例准许所需液压流体经过两个一次供应端口、即开放端口305或者闭合端口310到多个内部流体互连的圆筒160中的流动供应。闭合端口310在各环状活塞40的底部或闭合侧中供应水压，以激活主密封25。当主密封25经过闭合端口310从液压流体压力来激活时，防喷器组件1闭合，并且井身被隔离，因而防止井身压力在主密封25之上迁移。当主密封25从开放端口305来激活时，液压流体压力被提供到环状活塞40的开放侧。下面将进一步描述开放和闭合功能。

如具体参照图5所示，在一优选实施例中，六(6)个内部流体互连的圆筒160加工到下壳体10的钢主体中。各内部流体互连的圆筒160加工成钻入圆筒平面表面163中，其位于下壳体壁167和下壳体主壁165所限定的径向区域中。内部流体互连的圆筒160的每个与相邻圆筒基本上等距间隔开。下壳体10中的各内部流体互连的圆筒160的流体互连性经由设置在内部流体互连圆筒160的每个的圆筒壁162的圆周部分之内的水平平面中的加工的圆筒流体通道161的实现来取得。

如图2、图3A和图3C所示，具有圆周通道86的密封管45，带有多个密封管密封85，设置在内部流体互连的圆筒160的远端部分，其中围绕密封管45的内部流体互连的圆筒160直径的远端部分具有比包围环状活塞40的内部流体互连的圆筒160的第一内径要大的第二直径。包围环状活塞40的圆筒160的这种较小内径部分用作阻挡缘146，并且防止密封管45在操作期间移动到包围环状活塞40的内部流体互连的圆筒160部分中。在所有操作期间，密封管45可移开地固定在静止位置，并且采用半抽头密封管插头60来附连到底盖板65。移开密封管45的唯一时间是用于环状活塞40或密封管45的修理或更换。密封管45也能够用作将水能提供到环状活塞40中的辅助入口。密封管45是提供环状活塞40的测试入口和隔离的主要部件。

如图3B和3C所示，提供隔离及测试插头168，以用于对单独内部流体互连的圆筒160或者环状活塞40进行压力测试。隔离及测试插头168能够在经由入口孔径115插入密封管测试插头腔55中时使用，以便将不可操作环状活塞40与防喷器组件1中的所有其它环状活塞40隔离，由此防止钻探操作的大量停机时间。在正常操作期间，隔离及测试插头168被移开并且不存在，以及由半抽头密封管插头60来取代，以供持续操作。图2和图3C示出密封管45的截面。密封管45具有穿过密封管45的内部的两个纵向密封管通道50。密封管通道50允许液压流体流到相同内部流体互连的圆筒160中的环状活塞40，以及允许液压流体流到圆筒壁162并且注入圆筒流体通道161中，由此提供上述内部流体互连的圆筒160的互连性。底盖板65定位在板通道66中，并且由多个螺纹紧固件、例如底盖板螺栓70可移开地附连到下壳体10中，以便将密封管固定到位并且提供环状活塞40和密封管45的简易入口供维护和/或移开。

内部流体互连的圆筒160的直径和腔长度是预定因素，并且基于通过操作必要性支配的防喷器组件1的总体大小和尺寸。各环状活塞40制作成具有预定直径的环状设计，以便提供内部流体互连的圆筒的内径中的正确固定。各环状活塞40的直径和厚度取决于总体防喷器组件1大小和设计的压力要求和其它规范。本领域的技术人员将会知道总体防喷器组件1大小要求，以及内部流体互连的圆筒160、环状活塞40和本文所述的所需的其它部件及关联尺寸确定在用于正确操作的钢的大小、长度、直径和类型方面能够改变，而没有背离本发明的范围和精神。本优选实施例能够在现场进行操作以提供防喷能力，其中少于六(6)个工作环状活塞40设置在内部流体互连的圆筒160中。但是，防喷对三(3)个或更少操作内部流体互连的圆筒160和/或环状活塞40严重减小或者受到威胁。

如图2、图3C和图4所示，环状活塞40通过活塞连接器90可移开地附连到激励环15的跟16的表面，以用于实现防喷器组件1的操作，以促进正确和充分的部件移动，供被定位在下壳体柱腔130中时最终封闭管道(未示出)周围的主密封25的主密封肋条27，并且因液压流体操作而经过闭合端口310来要求封闭。环状活塞40具有多个侧周边凹槽81，以用于接纳关联活塞密封80，以防止加压流体泄漏到内部流体互连的圆筒160的非预期部分中。

如图2和图3A所示，下壳体10和上壳体5还包围激励环15。激励环15(图4中详述)设置成使得按照围绕激励环15的远端的等距和间隔开的方式所分叉的至少三个跟16能够在功能上接合至少三(3)个、优选的六(6)个单独环状活塞40，其中内部流体互连的圆筒160和环状活塞40形成下壳体10中的蜂窝设计。激励环15跟16各经由活塞连接器90(其由公螺纹螺栓、密封和螺线组成)单独连接到跟16的伴随环状活塞40的一侧。活塞连接器90允许移开环状活塞40或激励环15的任一个。

现在将大致参照附图、具体参照图3A来描述防喷器组件1的闭合和开启操作。为了闭合防喷器组件1，液压流体压力主要经过闭合端口310来供应。所提供的水压对活塞闭合侧169施加压力，以使环状活塞40相对激励环15的跟16移动。水压所生成的力则将经由激励环15传递给主密封25。这将引起对防喷器组件1的主腔26的封闭，由此防止所有井身压力逸出。

为了开启防喷器组件1，水压主要经过开放端口305来供应。所提供的水压对活塞开放侧170施加力，以便使环状活塞40沿着朝密封管45的方向移动。由水压所生成的力则将传递给激励环15，并且将引起主密封25的开启，因此将开启防喷器组件1的主腔26。

本领域的技术人员将会知道，上述实施例并不局限于任何特定大小和防喷器的大小，而是将取决于特定应用和预计部件。本领域的技术人员将会理解，可对上述实施例进行变更，而没有背离其广义的发明概述。因此要理解，本文所公开的本发明并不局限于所公开的具体实施例，而是意在涵盖本发明的精神和范围之内的修改。

Claims (20)

1.一种防喷器组件，包括：

外壳结构，其中所述外壳结构包括：

整体式下壳体，具有围绕所述下壳体的附连端圆周式设置的多个下壳体分叉保持凸耳，所述下壳体还包括多个内部流体互连的圆筒；

多个环状活塞和密封管，接合所述下壳体中的所述多个流体互连的圆筒；

单片式激励环，在一个端部具有碗，其中所述激励环在操作上围绕所述下壳体的一部分圆周式设置并且与所述多个环状活塞接合；

上壳体，具有整体结构，其中具有用于与所述多个下壳体分叉保持凸耳交织四分之一圈接合的多个上壳体分叉保持凸耳，所述上壳体还包括具有球面凹型主腔的内顶，以用于接纳定位在所述碗部分之上的主密封，所述下壳体和上壳体在操作上包围所述单片式激励环、环状活塞、密封管和密封；以及

多个底板，用于将所述下壳体与外部环境密封。

2.如权利要求1所述的防喷器组件，其中，所述多个内部流体互连的圆筒还各包括专用圆筒流体通道，其中设置有各内部流体互连的圆筒的圆筒壁的一部分，所述圆筒流体通道准许各内部流体互连的圆筒的液压流体互连性。

3.如权利要求1所述的防喷器组件，其中，所述下壳体包括开放端口和闭合端口，以用于接纳液压连接，以便提供和释放液压流体，使所述环状活塞沿某个方向迫使所述激励环开启或闭合所述主密封。

4.如权利要求3所述的防喷器组件，其中，液压流体经过所述闭合端口流到所述密封管，其中各密封管还包括穿过所述密封直径的多个纵向密封管通道和围绕所述密封的圆周的圆周通道，所述纵向密封管通道和所述圆周通道的每个在设计和功能上组成成接纳液压流体流，以便作为响应而实行活塞和激励环沿某个方向的移动，以使所述密封闭合。

5.如权利要求1所述的防喷器组件，其中，所述多个内部流体互连的圆筒具有用于适当地接纳所述环状活塞的外径的第一内径以及用于接纳所述密封管的外径的第二较大内径，使得所述第一内径和所述第二内径的结点形成阻挡缘。

6.如权利要求5所述的防喷器组件，其中，所述密封管通过阻挡缘在位置上保持在各内部流体互连的圆筒的远端部分。

7.如权利要求6所述的防喷器组件，其中，所述密封管还包括密封管测试插头腔，用于接纳隔离及测试插头，其中所述隔离及测试插头提供对单独的内部流体互连的圆筒或环状活塞的现场操作压力测试。

8.如权利要求1所述的防喷器组件，其中，能够接纳的井管的内径尺寸的范围能够从大约英寸5¹/₂至大约21¹/₄英寸。

9.如权利要求1所述的防喷器组件，其中，高压工作容量的范围能够从3000psi至20000psi。

10.一种防喷器，包括：

下壳体，具有整体大致圆筒形状的结构，具有多个分叉保持凸耳；

多个内部流体互连的圆筒，在所述整体结构的平面表面中配置，其中各内部流体互连的圆筒包括专用圆筒流体通道，其中设置有圆筒壁的一部分；

限定中心腔的中心柱，用于接纳井管，其中所述中心柱包括多个密封；以及

设置在所述中心柱的远端的凸缘安装部分。

11.如权利要求10所述的防喷器，其中，所述下壳体具有围绕内圆周部分的加工上座，供上壳体的定位和保持。

12.如权利要求10所述的防喷器，其中，所述下壳体具有设置在下壳体柱壁的端部上的加工上台肩，其中所述加工上台肩接纳和定位供适配器环的保持。

13.如权利要求10所述的防喷器，其中，各圆筒流体通道是圆筒壁中的内部加工带槽大通道，使得各圆筒流体通道准许加压液压流体在所述多个内部流体互连的圆筒之间流动。

14.一种防喷器，包括：

激励环，具有大致圆筒形单片式整体结构，其中具有加工到所述激励环的第一端部中的碗形表面开口；以及

多个分叉跟形安装元件，加工到所述激励环的第二端部中。

15.如权利要求14所述的防喷器，其中，各分叉跟形安装元件具有多个螺纹连接，以用于接纳各分叉跟形安装元件上的可移开地附连的环状活塞。

16.如权利要求14所述的防喷器，其中，所述激励环包括在内径部分所形成的保持缘。

17.如权利要求16所述的防喷器，其中，所述保持缘接合上台肩密封供位置保持。

18.如权利要求14所述的防喷器，其中，所述大致圆筒形单片式整体结构具有被形成以用于在位置上和操作上与下壳体中心柱部分配对并且围绕下壳体中心柱部分的内径腔。

19.如权利要求14所述的防喷器，其中，所述激励环还包括多个密封通道，以用于接纳密封元件。

20.如权利要求14所述的防喷器，其中，所述激励环由4130钢来制造。