CN105051317B - 具有感应剪断钻杆的装置的防喷器 - Google Patents
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Abstract
感应剪切可用来在海下井处切割钻杆。电磁环用来构建到海底处的防喷器(BOP)中。电磁环产生穿过钻杆的磁场，并且可传送充分的能量以改变金属钻杆的状态以剪切该钻杆。在剪切钻杆之后，钻杆可被密封以防止井内物的进一步泄露。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求2013年03月15日提交的美国专利申请No.13/844,057的优先权，而美国专利申请No.13/844,057要求了2012年10月23日提交的美国临时专利申请No.61/717,480的优先权，这两者通过引用的方式全部结合于本文中。
技术领域
本发明涉及钻井设备，尤其是涉及防喷器。
背景技术
防喷器是布置在水下井上的装置，用来防止灾难性井喷。尤其是，防喷器设计为用来防止井内物泄露到海中的最后防线。解决这种问题的防喷器中的两元件系统包含了：环形防喷器，它是一种橡胶装置，用来关闭和完全切断空的或者钻进的孔；以及致动闸芯，其设计为关闭裸井或围绕固定的管道尺寸闭合。某些致动闸芯可具有剪切管道的能力，必要时用于紧急断开连接。这两个装置的致动包括液压系统和运动元件。密封住井是灾难性井喷时优选的解决方案，但是对于紧急断开连接情况，执行钻杆(drilling pipe)的切断或者剪断。
管道剪切是一种对于处理钻井船舶和平台上紧急状况的重要活动。海底上的防喷器可包括用来当出现需要快速动作的紧急状况时执行管道剪切的装置。管道剪切通常通过机械装置得到实施，例如管道剪切闸芯。然而，剪切闸芯受限于他们所能切断的管道厚度。当紧急状况出现并且井内物通过钻杆逃逸的时候，必需立即行动来保护人员生命和保护环境。
发明内容
感应剪切可用来在海下井处切割钻杆。电磁环可构建到海底处的防喷器 (BOP)中。电磁环产生了穿过钻杆(dirllpipe)的磁场，并且可将足够的能量传送来改变金属钻杆的状态以剪切该钻杆。
根据一个实施方式，一种设备包括夹钳，其可调整以在管道周围打开和关闭，嵌入在夹钳中形成线圈的金属线，以及连接到金属线的电源。电源可构造为将电力施加到金属线，以通过感应加热该管道，从而剪切该管道。
按照另一个实施方式，一种设备包括感应加热线圈，其构造为围拢在钻杆上，以及感应电源，其连接到感应加热线圈上。
根据另一实施方式，一种设备包括用于感应地剪切钻杆的装置，以及连接到感应剪切装置的电源。
上述内容相当广泛的略述了本发明的特征和技术优点，以使得随后进行的本发明的详细说明可以得到更好的理解。本发明的另外的特点和优点将在下面进行描述，其形成了本发明权利要求的主题。对于本领域技术人员将知晓的是，所公开的概念和特定实施方式可容易地用作改进或者设计用来实现本发明的相同目的其他结构的基础。本领域技术人员还将意识到这些等同的结构并不脱离开本发明的精神和范围，正如所附加的权利要求所说明那样。新的特征被认为是本发明的特点，关于其结构和操作方法，以及进一步的目的和优点，将参照附图思考时从下面描述更好的理解。然而将明确理解的是，这些附图中的每一个是仅仅为了说明和描述的目的，而并不是用来对本发明的范围进行限定。
附图说明
为了更加完全的理解所公开的系统和方法，现在参考与所附附图相结合的下列描述。
图1是说明防喷器(BOP)设计的示意图，其具有根据本发明的一个实施方式的感应剪切。
图2是根据本发明的一个实施方式的压缩套(gripping ring)的透视图，其具有两个或者更多叠置刀片，其通过旋转机构可接合在钻杆上。
图3是根据本发明的一个实施方式的具有嵌入式金属线用于感应剪切钻杆的剪切环的剖视图。
图4是根据本发明一个实施方式的感应剪切操作的示意图。
图5是说明根据本发明的一个实施方式的电磁剪切钻杆的剖视图。
图6是说明根据本发明的一个实施方式的具有感应加热线圈的防喷器的实施的框图。
图7是说明根据本发明的一个实施方式的感应线圈致动的俯视图。
图8是说明根据本发明的一个实施方式的感应地切割钻杆的方法的流程图。
图9是说明根据本发明的一个实施方式的各种管道直径的加热速率的图表。
具体实施方式
图1是说明根据本发明的一个实施方式的具有感应剪切的防喷器(BOP) 的示意图。钻井系统100可包括提升器102，其围绕在钻杆104周围。钻井流体 (未示出)可向下通过钻杆104而被泵送。钻井流体和切屑可通过钻杆104与提升器102之间的空间而返回。该系统100还可包括防喷器106，感应加热线圈 112，以及附设在海底附近的管道夹紧保持装置108。提升器102可通过表层套管110进行围绕。井(未示出)可位于海底之下，且钻杆104延伸到井中。
在某些情况下，可能必需的是密封提升器102以及钻杆104。例如，如果提升器102内的流体压力超过一定极限，则出现紧急情况，导致了井内物通过钻杆104和/或提升器102而逃逸。在另一实施例中，提升器102和/或钻杆104可在修理期间密封到系统100的设备。
钻杆104和/或提升器102的密封可通过管道剪切来实现。钻杆104和/或提升器102可通过电磁感应剪切来剪切。在电磁感应下，电流流过导体，以产生电磁(EM)场。电磁场可被引导穿过钻杆104和/或提升器102，并且钻杆104 和/或提升器102可传导来自电磁场的能量。因而，电力从导体传送到了钻杆104 和/或提升器102，而在导体和钻杆104和/或提升器102之间没有物理接触。随着钻杆104和/或提升器102从电磁场接收能量，钻杆104和/或提升器102的温度可升高。当钻杆104和/或提升器102的一部分达到熔点的时候，钻杆104和/ 或提升器102的该部分改变状态为液体，从而导致了钻杆104和/或提升器102 的剪切。
钻杆104和/或提升器102的感应剪切的一个优点是减少了活动部件的数量。通过减少了剪切期间活动的机械部件的数量，该剪切的完成时间也减少了。在某些实施方式中，剪切时间可以是几秒钟那么少。另外，钻杆104和/或提升器 102的感应剪切导致了干净的窄圆周切口。
感应加热线圈112可构造为一圈叠置的刀片，它们可围绕钻杆104和/或提升器102打开和闭合。图2是根据本发明的一个实施方式的具有两个或者更多叠置刀片的压缩套的立体图，这些刀片通过旋转机构可接合在钻杆上。刀片 202A、202B、和202C可以如下方式叠置，即允许刀片202A-C围绕钻杆104 展开和收缩。刀片202A-C的展开和收缩可通过附接到刀片202A-C的旋转机构(未示出)而得到实现。当旋转机构沿一个方向转动时，叠置刀片202A-C可闭合在钻杆104上。当旋转机构沿其他方向转动时，叠置的刀片202A-C可远离钻杆104打开。在这种结构中，叠置刀片围绕钻杆闭合，以产生电磁场，该电磁场延伸贯穿钻杆到第二刀片中的导体。
刀片202A-C可用作电的导体，以在钻杆104周围产生电磁场来剪切该钻杆 104。附加的成圈的刀片可包含在由刀片202A-C所限定的容积内。图3是根据本发明一个实施例的剪切环的剖视图，这些剪切环具有嵌入的金属线，用来对钻杆进行感应剪切。第二和第三组刀片304和306可分别以类似于刀片202A-C 的方式叠置。这些刀片304和306可在钻杆104处提供额外的电流和磁场，来剪切钻杆104。刀片304和306还可在沿着钻杆104在不同位置处提供电流和磁场，以允许操作者决定剪切钻杆104的位置。
用于产生电磁场的导体可以是刀片202A-C。例如，金属线可通过从刀片的一侧延伸到刀片的相反侧而形成线圈。导体还可以是嵌入在刀片202A-C中的金属线(未示出)。刀片202A-C可具有嵌入在最靠近钻杆104的刀片202A-C的表面附近的金属线。当刀片202A-C围绕钻杆104闭合以用于感应剪切时，导体可比钻杆104小5cm。绝缘材料，例如胶质玻璃，可用在刀片202A-C与钻杆 104之间的夹钳末端处，以防止导体的过分热力学加热。
产生电磁场的线圈的圈数可以随着施加到线圈的电压而改变，以改变感应地从电源传送到管道的电力的量。根据一个实施方式，圈数可介于3和5圈之间，并且所传送的总电力可介于10千瓦和500千瓦之间。
在一个实施方式中，剪切环还可与压缩套(未示出)协作地工作。压缩套(gripping ring)可包括一个或多个叠置的刀片，这些刀片附连到旋转机构。
根据一个实施方式，在电磁感应期间，钻杆可处于机械张力下。机构可构建在防喷器(BOP)中或者水下附连到钻杆的另一个模块，以将张力施加到该钻杆。可替代地，附连到钻杆的钻井船或者钻井平台可施加张力。
图4是根据本发明的一个实施方式的感应剪切操作的示意图。感应包括通过将交流电(AC)电流传送穿过感应线圈404所导致的加热，所述感应线圈例如为水冷铜螺旋线圈，其产生了在线圈404中和/或周围循环的的磁场。当导电材料402(例如钻杆)布置在线圈404内时，磁场406可进入到材料402并且产生了感应涡流。由于材料402的阻力，涡流在钻杆中产生焦耳加热。当材料402 包括磁性材料的时候，材料402可给予感应器40中快速变化的磁场406提供阻力。例如，钢钻杆可对磁场406提供阻力，以增强磁场406的感应。
图4中所描述的感应剪切可应用于剪切钻杆。感应加热可提供一种用于切割钻杆的方法，例如在紧急情况下，而且能够重新形成该钻杆。例如，感应环可加热钻杆，例如在切割区域下方加热到钢的高温奥氏体阶段(大约850℃)，在这种阶段中钢的屈服强度下降，例如到几个ksi，此时可替换的装置，例如较大磁脉冲或者简单机械装置，可使该钻杆卷边并且密封。根据一个实施方式，卷边和密封可通过电磁脉冲形成。
图5是说明根据本发明的一个实施方式的钻杆的电磁剪切的横截面。在存在支撑线圈套管的情况下，钻杆514可布置在电磁感应线圈510内部。钻杆514 的压缩和之后的剪切可发生在控制电源502的开关504(例如电容器组)被打开并且快速变化的磁场通过线圈512放电时。然后，电流可在钻杆514中被感应出。由钻杆14所感应的相反磁场可使钻杆514从线圈512中退出，使得钻杆514 向内变形。在持续一段时间后，钻杆514的变形可剪切该钻杆514。以高达900 英尺/秒(fps)的速度产生高达且超过50每平方英寸的千磅数(ksi)的压力可。在一个实施方式中，第二感应线圈(未示出)可将钻杆514的局部区域加热到高温钢相位，使其具有仅仅2到3ksi的强度，从而使得钻杆514在其自身上向内折叠以密封钻杆514。
图6是说明根据本发明的一个实施方式的具有感应加热线圈的防喷器的实施的框图。钻井系统600可包括感应加热线圈608。线圈608可通过导体电连接到感应电源602，该电源可位于钻井船上。线圈608包括海底系统中的存储系统，用于保护的目的直到使用线圈602为止。尽管描述为位于钻井船上，但是电源602也可位于BOP处的海底。线圈608可从存储位置被致动到加热位置以加热钻杆，例如图 2-3中所示。
系统600也可包括从钻井船到海底系统的电导体604。导体604可从电源 602将电力供给到加热线圈608。电力例如可提供作为来自感应电源602的高频大电流电，或者作为来自加热线圈608附近的海底感应电源的三相480VAC电。导体604可以被水冷以及分离，并且被屏蔽以避免意外的RF加热。该系统600 可还包括钻杆夹紧保持装置610，其在剪切和分离之后确保了钻杆管呈线型。该系统600还可包括剪切装置606，在这种情况下加热线圈608可用来加热钻杆，以通过降解钻杆的钢性质来促进弱化。
图7是说明根据本发明的一个实施方式的感应线圈致动的俯视图。感应线圈可开始于第一位置702，例如当被存储或者未被使用时。当指令接合钻杆706 时，感应线圈可移动到第二位置704。在该位置704，电流可施加到感应线圈，以开始钻杆706的剪切。
图8是示出根据本发明的一个实施方式的感应地切割钻杆的方法的流程图。当钻杆的感应剪切是需要的时候，将电力从电源施加到线圈的一个过程是使来自电源的功率斜坡上升。增强电力供应，而不是全功率激活，可减小以高功率水平激活管剪切产生的问题。在块802，连接到感应加热线圈的电源可以第一速度升高到钻杆的第一温度。例如，一个过程可以包括使电力供应以第一线速度从零升高到钻杆的温度达到700摄氏度。然后，在块804，电力供应可以第二更快的速度升高到目标温度，例如剪切钻杆的温度。从零电力升高到达到剪切钻杆的功率水平的过程可花费少于30秒，或者在某些实施方式中少于5秒。用于电磁感应的电源可以是水下并且附连到模块的蓄电池。电源的操作以及电磁感应的应用可通过控制器得到实现。在块806，可对钻杆的剪切进行检测，并且在块808，可密封该钻杆。图8的方法可编程在连接到BOP的控制器中，用于控制感应线圈和钻杆的剪切。
图9是说明根据本发明的一个实施方式的不同管径的加热速度的图表。图9 的图表包括线902、904、906、908、910、912、和914，示出了分别对于具有直径5″和壁厚0.362″，直径5.5″和壁厚0.75″，直径6.63″和壁厚0.813″，直径 10.75″和厚壁0.558″，直径8.5″和壁厚0.75″，直径6.25″和壁厚1.063″，以及直径14.0″和壁厚0.75″的管，在不同电力水平下的加热速度。
虽然本发明及其优点已经被详细描述，但是应知晓的是各种变化，替换以及改变可以在没有脱离所附的权利要求所限定的公开内容的精神和范围的情况下进行。此外，本发明的范围并不是限制于说明书中所描述的过程、机器、制造、事物的组分、装置、方法以及步骤的特定实施方式。本领域技术人员将轻易地从本发明的公开中理解，根据本发明可以利用现有的或者之后研发出来的公开、机器、制造、事物的组成、装置、方法或步骤执，执行了与本文描述的对应实施例基本上相同的功能或者获得了基本相同的结果。因此，后附权利要求旨在将这些过程、机器、制造、事物的组成、装置、方法或步骤包括在其范围内。
Claims (19)
1.一种防喷器（BOP），其包括：
多个传导部分，其构造成围绕钻杆布置，该多个传导部分中的每一个相对于所述钻杆在存储位置与闭合位置之间可移动，在所述闭合位置中，所述传导部分在径向上更靠近所述钻杆，在所述多个传导部分中的每个处于所述闭合位置时但不是在所述多个传导部分中的每个处于存储位置时，所述多个传导部分配合以限定围绕所述钻杆的感应加热线圈；以及
感应电源，其构造成给所述感应加热线圈供电以加热所述钻杆。
2.如权利要求1所述的防喷器，还包括夹紧保持装置，其构造成连接到所述钻杆。
3.如权利要求1所述的防喷器，其中所述多个传导部分中的每一个连接到多个刀片中的一个；且
当所述多个传导部分处于所述闭合位置时，所述多个刀片中的每一个与所述多个刀片中的相邻一个部分地叠置。
4.如权利要求3所述的防喷器，还包括第二多个传导部分，其构造成围绕所述钻杆布置，该第二多个传导部分中的每个相对于所述钻杆在存储位置与闭合位置之间可移动，在所述闭合位置中，所述传导部分在径向上更靠近所述钻杆；
其中，在所述第二多个传导部分中的每个处于所述闭合位置时但不是在所述第二多个传导部分中的每个处于存储位置时，所述第二多个传导部分配合以限定围绕所述钻杆的第二感应加热线圈。
5.如权利要求1所述的防喷器，还包括控制器，其构造成连接到所述感应电源并将电力从所述感应电源引导至所述感应加热线圈。
6.如权利要求5所述的防喷器，其中所述控制器构造为：
使所述感应电源以第一线速度升高到第一电力水平；以及
使所述感应电源以第二线速度升高到第二电力水平。
7.如权利要求1所述的防喷器，还包括张紧机构，其构造成连接到所述钻杆，且当连接到所述钻杆时，所述张紧机构在所述感应加热线圈加热所述钻杆的同时将张力施加到所述钻杆。
8.如权利要求1所述的防喷器，还包括密封机构，其构造为在通过所述感应加热线圈切割所述钻杆之后连接到所述钻杆以密封所述钻杆。
9.如权利要求1所述的防喷器，还包括水冷导体，其构造为将所述感应电源连接到所述感应加热线圈。
10.如权利要求1所述的防喷器，其中所述感应加热线圈构造成剪切所述钻杆。
11.一种防喷器（BOP），其包括：
夹钳，其包括多个夹钳构件，该多个夹钳构件构造成围绕管闭合，该多个夹钳构件中的每个相对于所述管在打开位置和闭合位置之间可移动，在所述闭合位置中，所述夹钳构件在径向上更靠近所述管，且每个夹钳构件包括传导部分；
其中，当所述多个夹钳构件中的每个处于闭合位置时，所述传导部分配合以限定围绕所述管的一个或多个线圈，以及
其中所述一个或多个线圈构造成连接到电源，所述电源构造为将电力供应给所述一个或多个线圈，以通过感应加热该管。
12.如权利要求11所述的防喷器，其中所述多个夹钳构件中的每个包括刀片；且
当所述多个夹钳构件处于闭合位置时，该刀片中的每个与所述刀片中的相邻一个部分地叠置。
13.如权利要求11所述的防喷器，还包括控制器，其构造成连接到所述电源且该控制器构造为：
使所述电源以第一线速度升高到第一电力水平；以及
使所述电源以第二线速度升高到第二电力水平。
14.如权利要求11所述的防喷器，其中所述电源构造成位于所述夹钳附近。
15.如权利要求11所述的防喷器，其中所述一个或多个线圈构造成剪切所述管。
16.一种防喷器（BOP），其包括：
感应剪切装置，其包括多个传导部分，所述多个传导部分相对于钻杆在打开位置和闭合位置之间可移动，其中所述多个传导部分在所述闭合位置径向上更靠近所述钻杆且构造成用于感应地剪切钻杆；以及
电源，其构造成向所述传导部分供电。
17.如权利要求16所述的防喷器，还包括用于控制从所述电源被供应给所述感应剪切装置的电力的装置。
18.如权利要求16所述的防喷器，还包括用于在利用所述感应剪切装置剪切所述钻杆之后密封所述钻杆的装置。
19.如权利要求16所述的防喷器，其中所述感应剪切装置包括多个刀片，每个刀片相对于所述钻杆在打开位置和闭合位置之间可移动，在所述闭合位置中，所述刀片在径向上更靠近所述钻杆。
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