CN105408578A - 阀致动器 - Google Patents

Abstract

一种流体压力操作的致动器组件，该致动器组件包括：管状本体(110)，该管状本体具有壁，该壁具有内表面与外表面并且围绕基本平行于所述管状本体的纵轴线延伸的主通道(112)；位于所述主通道中并且能沿所述主通道移动的致动器(118)；形成在所述管状本体的所述壁与所述致动器之间的第一方向室(138a)；以及形成在所述管状本体与所述致动器之间的至少一个第二方向室(138b，138c)，其中，所述致动器组件构造成当所述第一方向室中的流体压力以预定量超过该第二方向室或每个所述第二方向室中的流体压力时，所述第一方向室中的所述流体压力在所述致动器上施加作用力，该作用力作用成相对于所述管状本体沿第一方向推动所述致动器，并且当该第二方向室或所述第二方向室中的至少一者中的流体压力以预定量超过所述第一方向室中的流体压力时，所述第二方向室中的所述流体压力在所述致动器上施加作用力，该作用力作用成相对于所述管状本体沿第二方向推动所述致动器，其特征在于，所述管状本体的外表面设置有：第一口(140a)，该第一口与穿过所述管状本体的所述壁从所述第一口延伸至所述第一方向室的通道(139a)连通；第二口(140b)，该第二口与穿过所述管状本体的所述壁从所述第二口延伸至该第二方向室或所述第二方向室之一的通道(139b)连通；以及第三口(140c)，该第三口与穿过所述管状本体的所述壁从所述第三口延伸至该第二方向室或者所述第二方向室中的另一者的通道(139c)连通，所述第一口位于第一平面上，所述第二口位于第二平面上，并且所述第三口位于第三平面上，所述第一平面、所述第二平面以及所述第三平面大体相互平行，并且所述第一平面位于所述第二平面和所述第三平面之间。

Description

阀致动器

发明内容

本发明涉及阀致动器，具体而不排它地，该阀致动器用于致动安装在石油钻井以及/或者石油产品或者气体钻井以及/或者气体产品中使用的管件中的可旋转的阀构件。

通常利用具有位于最下端的钻头的被称为钻杆或者钻柱的钢管进行钻孔或钻井操作。钻柱包括首尾相连的一系列管段。

可以利用转台或者利用安装在钻杆的顶部的地上钻井马达(通常被称为“顶驱”)使整个钻柱旋转，或者可以利用安装在钻头正上方的钻柱中的流体动力马达使钻头独立于钻柱旋转。在进行钻井时，泥浆流用于将钻井过程造成的杂物运出钻孔。泥浆被向钻柱下泵送，穿过钻头，并且经由位于钻柱的外直径与钻孔之间的环形空间(通常称作环形域)回到表面。泥浆流还用于冷却钻头，并且用于使钻孔增压，因而充分防止来自被钻柱穿透的地层的流体流入物进入到钻孔中。泥浆是非常广义的钻井术语，在本上下文中用于描述钻井过程中使用的任何流体或者流体混合物，并且覆盖了从空气、氮气、空气或氮气中的雾化流体、带有空气或氮气的泡沫流体、充气流体或者硝化流体到具有固体颗粒的油和(或)水的重质混合物的宽广范围。

需要大量压力以沿此流径驱动泥浆，为了实现此目的，通常利用借助管与歧管连接至钻柱顶部的一个或多个容积式泵将泥浆泵送到钻柱中。

通过将泥浆泵送到位于钻柱最顶端的主要的、轴向通道中而使主要的泥浆流到井孔中，同时还公知，钻柱设置有从设置在钻柱侧面中的口延伸到主通道中的侧通道，从而泥浆能在钻柱顶部的替代位置被泵送到主通道中。

例如，在进行钻井并且钻孔越来越深时，需要增大钻柱的长度，这通常由如下操作实现：使顶驱从钻柱顶部脱离接合；将新的管段添加至钻柱；使顶驱与新的管段的自由端接合；然后重新开始钻井。因此，要理解的是，在此过程中泥浆向钻柱下泵送的操作停止。

由于多种原因，在钻井过程中使泥浆流动停止是有问题的，从而已经提出：通过设置通常位于每段钻柱中的侧通道而利于持续通过钻柱泵送泥浆。这是指，当钻柱顶部封闭，顶驱断开并且连接新的钻柱段的时候，泥浆能经由侧通道被泵送到钻柱中。

在US2158356中公开的这样一种系统中，在每段钻柱的顶部设置有用塞子封闭的侧通道以及阀构件，该阀构件可在第一位置与第二位置之间枢转，在上述第一位置中，钻柱的主通道开放，同时侧通道封闭；在上述第二位置中，主通道封闭同时侧通道开放。在钻井过程中，阀保持在第一位置中，但是当要增长钻柱长度的时候，从侧通道移除塞子，使从泵延伸的软管连接至侧通道，并且打开软管中的阀，从而开始泥浆经由侧通道泵送到钻柱中的操作。然后关闭位于从泵延伸到钻柱顶部的主软管中的阀，并且泥浆在侧通道处的压力使阀构件从第一位置移动至第二位置，因此封闭钻柱的主通道。

然后断开主软管，将新的管段安装在钻柱上，并且使主软管连接至新管段的顶部。打开主软管中的阀，使得重新开始泥浆泵送到钻柱顶部中的操作，并且封闭通向侧通道中的软管中的阀。进入钻柱顶部的泥浆产生的压力使阀构件回到其第一位置，这使得在没有泥浆从钻柱大量泄漏的情况下能从侧通道移除软管。

然后可以在此段钻柱下降到井中之前，例如通过焊接或者使塞子拧到侧通道中而永久密封侧通道。

此过程通常被称作持续循环钻井。

在其他相似系统中，不是设置可操作成或者封闭钻柱的侧通道或者封闭钻柱的主通道的单个阀构件，而是公知设置两个分离的阀构件，即，可操作成封闭主通道的主阀构件与可操作成封闭侧通道的副阀构件。在此情况下，例如WO2010/046653中公开的那样，分离的阀构件都可以具有其自己的致动机构。

WO2012/085597中公开了另一另选布置，在该布置中，用于主阀构件的致动器与副阀构件结合。图1a与图1b中示出了此布置。在此布置中，主阀构件16包括滚珠，该滚珠安装在钻柱10的主通道12中，并且该滚珠能绕大致垂直于钻柱的纵轴线的轴线在允许流体沿主通道12流动的开放位置与阻止流体沿主通道12流动的封闭位置之间旋转。利用也安装在钻柱10的主通道12内的、与钻柱10同轴的管式致动器18实现滚珠16在开放位置与封闭位置之间的旋转。致动器18连接至滚珠16，使得致动器18在钻柱10中的滑动运动使滚珠16在封闭位置与开放位置之间移动。致动器18还作用成在其沿钻柱滑动时堵塞或者启通侧通道14，并且构造成在主阀16处于封闭位置时打开侧通道14并且在主阀16处于开放位置时封闭侧通道14。

致动器18借助致动室38被水压促动，该致动室设置在致动器18与设置于钻柱10的壁中的衬套10a之间。致动室38在图1c中被最佳示出，并且仅包括位于两个部件18、10a之间的环形空间。两个口40a、40b被设置成穿过钻柱10到此室38中，室38的每端有一个。第一口40a最靠近致动器18的第二端18b(最接近主阀构件16)。

室38被安装在致动器18的外表面上的密封装置41分成两部分。在一个实施方式中，密封装置41包括两个O形环。密封装置41在允许致动器18在钻柱10内滑动的同时基本上阻止流体在室38的两部分之间流动。密封装置41确保：经第一口40a进入此室38中的增压流体的流动使致动器18朝主阀构件16移动，同时经第二口40b进入致动室38中的增压流体的流动沿反方向作用以抵消第一口40a处的增压流体的影响。因而，致动器18作用成一个压力口40a使致动器18朝主阀构件16移动而另一个压力口使致动器18远离主阀构件16移动的双动式活塞。换而言之，借助第一口40a与第二口40b的压力差操作致动器18。

图1a示出了致动器18在增压流体供应至口40b时被远离主阀构件16推动，使得致动器18封闭侧口14，同时图1b示出了套管18在增压流体供应至口40a时被朝主阀构件16推动，因而打开侧口14。

WO2012/085597中详尽地描述了这样的机构，借助这些机构，致动器套管18连接至滚珠16，使得致动器套管18的滑动移动使滚珠16旋转。还根据GB2413373、US3,236,255、GB1416085、US3,703,193以及US3,871,447公知多种相似的布置。

这些布置也可以用于控制通过侧通道的流体流动(被称为“亚泵送”)，这用于紧急情况中以例如有助于提供控制由于从被井穿透的地层流入的流体进入井(称作“井涌”)引起井孔压力突然激增所需的附加的泥浆压力。

本发明涉及一种另选构造的致动器组件，此致动器组件适于用在通过致动器套管相对于钻柱滑动而实现阀的操作的这样的阀布置中。

根据本发明的第一方面，提供一种流体压力操作的致动器组件，该致动器组件包括：管状本体，该管状本体具有壁，该壁具有内表面与外表面并且围绕基本平行于所述管状本体的纵轴线延伸的主通道；位于所述主通道中并且能沿所述主通道移动的致动器；形成在所述管状本体的所述壁与所述致动器之间的第一方向室；以及形成在所述管状本体与所述致动器之间的至少一个第二方向室，其中，所述致动器组件被构造成当所述第一方向室中的流体压力以预定量超过该第二方向室或每一第二方向室中的流体压力时，所述第一方向室中的所述流体压力在所述致动器上施加作用力，该作用力作用成相对于所述管状本体沿第一方向推动所述致动器，并且当该第二方向室或所述第二方向室中的至少一者中的流体压力以预定量超过所述第一方向室中的流体压力时，所述第二方向室中的所述流体压力在所述致动器上施加作用力，该作用力作用成相对于所述管状本体沿第二方向推动所述致动器，其特征在于，所述管状本体的外表面设置有：第一口，该第一口与穿过所述管状本体的所述壁从所述第一口延伸至所述第一方向室的通道连通；第二口，该第二口与穿过所述管状本体的所述壁从所述第二口延伸至该第二方向室或所述第二方向室之一的通道连通；以及第三口，该第三口与穿过所述管状本体的所述壁从所述第三口延伸至该第二方向室或者所述第二方向室中的另一者的通道连通，所述第一口位于第一平面上，所述第二口位于第二平面上，并且所述第三口位于第三平面上，所述第一平面、所述第二平面以及所述第三平面大体相互平行，并且所述第一平面位于所述第二平面和所述第三平面之间。

在一个实施方式中，所述管状本体的所述纵轴线基本正交于所述第一平面、所述第二平面以及所述第三平面。

在一个实施方式中，所述第一方向与所述第二方向中的一者或者两者基本平行于所述管状本体的所述纵轴线。

在一个实施方式中，所述第一方向与所述第二方向基本相反。

在一个实施方式中，所述致动器以所述致动器沿所述第一方向和所述第二方向的移动使主阀构件移动的方式连接至所述主阀构件。在此实施方式中，所述主阀构件能在所述主阀构件封闭所述管状本体的所述主通道的封闭位置与所述管状本体的所述主通道开放的开放位置之间移动。所述主阀构件的由所述致动器在所述第一方向与所述第二方向上的移动引起的所述移动可包括旋转。

在一个实施方式中，当所述致动器沿所述第一方向移动时所述主阀构件移动至所述封闭位置，并且当所述致动器沿所述第二方向移动时所述主阀构件移动至所述开放位置。

所述主阀构件可以包括球阀构件。

所述致动器可以借助轨与销布置连接至主阀构件，借此销从所述主阀构件和所述致动器中的一者延伸到设置在所述主阀构件和所述致动器中的另一者中的缝或槽中，当所述致动器在所述管状本体中滑动时所述销沿所述缝或槽移动，从而所述主阀构件旋转。

在一个实施方式中，所述管状本体设置有穿过所述管状本体的所述壁从所述管状本体的外部延伸到所述主通道中的侧通道，并且所述致动器能在所述致动器基本防止流体沿所述侧通道流动的封闭位置与允许流体沿所述侧通道流动的开放位置之间移动。在此情况下，所述致动器沿所述第一方向的移动可以使所述致动器进入所述开放位置，并且所述致动器沿所述第二方向的移动可以使所述致动器进入所述封闭位置。在主阀构件也按上述设置的情况下，所述致动器沿所述第一方向的移动可以使所述致动器进入所述开放位置并且使所述主阀构件进入所述封闭位置，而所述致动器沿所述第二方向的移动使所述致动器进入所述封闭位置并且使所述主阀构件进入所述开放位置。

从所述第三口开始的所述通道可以连接至从所述第二口到该第二方向室或者所述第二方向室之一中的所述通道。

所述第一方向室以及该第二方向室或者每一第二方向室可以形成在位于所述致动器的外表面与所述管状本体的所述壁的内表面之间的空间中。所述空间可以绕所述致动器的整个周长延伸。所述空间可以通过密封装置被分成所述第一方向室与所述第二方向室，所述密封装置在允许所述致动器沿所述管状本体的所述主通道移动的同时基本阻止流体在这些室之间流动。所述空间可以通过密封布置被分成所述第一方向室与两个第二方向室，所述密封布置在允许所述致动器沿所述管状本体的所述主通道移动的同时基本阻止流体在这些室之间流动。所述第一方向室可以位于所述两个第二方向室之间。在此情况下，从所述第一口、所述第二口以及所述第三口到各自的室中的所述通道基本垂直于所述管状本体的所述纵轴线延伸穿过所述管状本体。另选的是，从所述第一口、所述第二口以及所述第三口到各自的室中的所述通道中的至少一个通道基本与所述管状本体的所述纵轴线成小于90度的角延伸穿过所述管状本体。

在一个实施方式中，所述致动器组件被构造成使得：如果所述第一方向室中的压力等于该第二方向室或两个第二方向室中的压力，那么不存在作用在所述致动器上的合力；如果所述第一方向室中的压力超过该第二方向室或两个第二方向室中的压力，那么存在作用在所述致动器上沿所述第一方向推动所述致动器的合力；并且如果所述第一方向室中的压力小于该第二方向室或任一第二方向室中的压力，那么存在作用在所述致动器上沿所述第二方向推动所述致动器的合力。

在一个实施方式中，所述致动器组件被构造成当所述第一方向室中的压力等于该第二方向室或两个第二方向室中的压力时，存在作用在所述致动器上的合力。

在此情况下，所述致动器组件可以构造成所述合力趋于沿所述第二方向推动所述致动器。

现在将参照附图，仅以实施例的方式描述本发明的实施方式，在附图中：

图2a与图2b示出了通过根据本发明的致动器组件的一个实施方式的一部分的纵剖面图，图2a中致动器已经沿第二方向进行了移动，图2b中致动器已经沿第一方向进行了移动；

图3a与图3b示出了通过根据本发明的致动器组件的另选实施方式的一部分的纵剖面图，图3a中致动器已经沿第二方向进行了移动，图3b中致动器已经沿第一方向进行了移动；以及

图4a与图4b示出了通过根据本发明的致动器组件的另选实施方式的一部分的纵剖面图，图4a中致动器已经沿第二方向进行了移动，图4b中，致动器已经沿第一方向进行了移动。

现在参照图2a与图2b，这些图示出了流体压力操作的致动器组件，该致动器组件包括：管状本体110，该管状本体具有围绕大致平行于管状本体110的纵轴线延伸的主通道112的壁；致动器118，该致动器位于主通道112中并且可沿主通道112移动；形成在管状本体110的壁与致动器118之间的第一方向室138a与第二方向室138b。管状本体110可以是钻柱的一部分，或者可以包括用于安装在钻柱中的子构件。

在此实施方式中，管状本体110与致动器118两者均为具有大致圆形截面的管状。第一方向室138a与第二方向室138b形成在位于致动器118的外表面与管状本体110的内表面之间的围绕致动器118的环形空间中。此空间通过密封装置141被分成第一方向室138a与第二方向室138b，密封装置141充分阻止流体在室138a、138b之间流动。致动器118的外表面与管状本体110的内表面之间设置有另外两个密封装置118a、130a，所述环形空间的每端有一个。

在此实施方式中，密封装置118a、130a以及141均包括一对大致圆形的O形环，O形环位于围绕致动器118的外表面的圆周槽中。但是，应理解，本发明不限于使用此特定类型的密封装置，还可以使用这样的其他类型的密封装置，这些密封装置允许致动器118在管状本体110中滑动，同时基本阻止流体在致动器118与管状本体110之间流动。密封装置可以等同地安装在管状本体110上，而不安装在致动器118上。

管状本体110设置有：第一口140a，该第一口与从第一口140a穿过管状本体110的壁延伸至第一方向室138a的第一控制通道139a连通；第二口140b，该第二口与从第二口140b穿过管状本体110的壁延伸至第二方向室138b的第二控制通道139b连通；以及第三口140c，该第三口与从第三口140c穿过管状本体110的壁延伸至第二控制通道139b的第三控制通道139c连通。在此实施例中，第一和第二控制通道139a、139b大体垂直于管状本体110的纵轴线延伸穿过管状本体的壁。第三通道139c相对于管状本体的纵轴线以小于45度的角倾斜。在此实施例中，第一控制通道139a和第二控制通道139b是共面的，因而在图2a与图2b中所示的剖面图中能看到这两者。第三控制通道139c必需沿不同平面延伸，因此在这些图中由虚线示出。

第一口140a、第二口140b以及第三口140沿管状本体110的纵轴线间隔开，使得如果第一口140a被看作是位于第一虚拟平面，第二口140b被看作是位于第二虚拟平面并且第三口140c被看作是位于第三虚拟平面，第一平面、第二平面以及第三平面基本相互平行并且基本正交于管状本体110的纵轴线，那么第一平面位于第二平面和第三平面之间。

该致动器组件被构造成：当第一方向室138a中的流体压力超过第二方向室138b中的流体压力时，第一方向室138a中的流体压力在致动器118上施加作用力，该作用力作用成在第一方向上沿管状本体110中的主通道112推动致动器118；并且当第二方向室138b中的流体压力超过第一方向室138a中的流体压力时，第二方向室138b中的流体压力在致动器118上施加作用力，该作用力作用成在相反的第二方向上沿管状本体110中的主通道112推动致动器118。

在此实施例中，这通过为管状本体110的内部设置内直径增大部分110a而实现。在此部分110a的每一端处，管状本体110的内表面形成肩110b、110c，管状本体110的内直径在这些肩处略微减小。致动器118基本比内直径增大部分110a长，并且在内直径增大部分110a的任一侧致动器118的外直径都小于管状本体110的内直径。第一方向室138a与第二方向室138b形成在致动器118与内直径增大部分110a之间，密封装置141向致动器118的外表面外延伸以与管状本体110的内直径增大部分110a的内表面接合。因此，第一方向室138a形成在致动器118的外表面、第一肩110b、管状本体110的内直径增大部分110a的一部分以及密封装置141之间。类似地，第二方向室138b形成在致动器118的外表面、第二肩110c、管状本体110的内直径增大部分110a的一部分以及密封装置141之间。

当增压流体供应至第一口140a时，流体压力推动密封装置141远离第一肩110b以增大第一方向室138a的容积。因此，致动器118被沿第一方向推动。类似地，当增压流体供应至第二口140b或者第三口140c时，第二方向室138b中的流体压力推动密封装置141远离第二肩110c以增大第二方向室138b的容积。因此，致动器118被沿第二方向推动。因此，致动器118作用成第一口140a使致动器18在第一方向上沿管状本体110中的主通道112移动(此实施例中向图2a和图2b中的左方)而第二口140b或者第三口140c使致动器118在第二方向上沿管状本体110中的主通道112移动(此实施例中向图2a和图2b中的右方)的双动式活塞。

应理解是的，此实施方式由于设置有第三口140c而区别于WO2012/085597以及GB2413373中描述的现有技术的致动器。因为当管状本体110的外部遭受压力差时第三口140c能帮助防止致动器118的不期望移动，所以第三口140c会是有利的。这在管状本体是钻柱的一部分或者是安装在钻柱中的子构件以及钻柱用于控制压力钻井(MPD)的情况下尤为重要。

在传统的钻井流体系统中，仅存在一个钻井流体梯度，并且可由静压头以及与动力系统关联的任何摩擦力描述钻柱中两点之间的压差。控制压力钻井(MPD)是这样一种钻井形式，在这种形式的钻井中，通过包括液面维持、有效的流体密度操控、施加背压以及这些操作与其他操作的潜在组合的多种方法来维持井底压力(BHP)。在离岸应用中，旋转控制装置(RCD)的使用越来越普遍以满足深水环境中MPD井的要求。

RCD在使得钻柱能根据钻井需要旋转的同时夹在钻柱周围从而在钻柱周围的环形区中产生主流体压差(通常RCD下方有更高的压力)。RCD旨在作为钻井操作过程中使钻井孔的一部分与另一部分隔离的一种手段，并且能根据用途(为了双梯度钻井(DGD)或者对立管环形区施加背压的目的或者其他目的)在立管钻柱中的任一点处插入。

因此，RCD造成了井的整个压力分布的不规则或者不连续，这在实践中可能意味着当钻柱插入到井中时，钻柱上的一点仅行经6英寸或不到6英寸就可能经历500磅/平方英寸以上的压力骤增。此压差会从钻柱元件下方起作用，即，高压区低于低压区。但是，压差也可能从上方起作用，例如如果立管与RCD构造成更有助于井控。

WO2012/085597中描述的阀组件在传统的单流体梯度环境中是可靠的，因为第一口40a与第二口40b之间的距离相当短。这意味着当钻柱的包含这些口40a、40b的部分前进到井中时，环形区中的压力梯度引起的跨过这些口的任何压力差是微不足道的，不足以使致动器18移动。但是，如果钻柱经受不连续的压力梯度(例如由RCD引起的不连续的压力梯度)，那么情况就不同了。在使用RCD的情况下，可能在立管中存在这样的点，当钻柱的包括口40a、40b的部分穿过此点时可能从该点上方或下方出现压力差，该压力差超过了致动器18的致动压力。因此，这可能使致动器套管18发生意外移动。如下文将描述的那样，第三口140c的设置会防止此现象发生。

为了实现此目的，在使用中，致动器118应布置成其默认位置或者静止位置如图2b中所示，并且借助增压流体的供应适应第二口140b以及/或者第三口140c。当管状本体110穿过诸如由RCD引起的不连续的压力时，如果管状本体110的示出在图2a与图2b的左手侧的部分首先遭遇高压，那么第二口140b遭受高压(此高压也连通至第三口140c)，同时第一口140a处于低压。第二口140b与第三口140c处的高压会作用成将致动器118维持在静止/默认位置。随着管状本体110继续通过不连续的压力，那么第一口140a也会遭受高压，但是由于此高压被第二口140b和第三口140c处的相同的高压抵消，致动器118不会移动。当不连续的压力消失时，所有三个口140a、140b、140c处的压力基本相等。

类似地，如果管状本体110的示出在图2a与图2b的右手侧的部分首先遭遇高压，那么第三口140c遭受高压(此高压也连通至第二口140b)，同时第一口140a处于低压。第二口140b与第三口140c处的高压会作用成将致动器118维持在静止/默认位置。随着管状本体110继续通过不连续的压力，那么第一口140a也会遭受高压，但是由于此高压被第二口140b和第三口140c处的相同的高压抵消，致动器118仍不会移动。

因此，致动器118不会由于不连续的压力而从其默认或者静止位置移动，无论管状本体110的哪端首先遭受高压，致动器组件都能因此应付来自上方或下方的压力差而不会意外致动。

尽管不是本发明必不可少的，但是在此实施方式中，管状本体110设置有从本体110的外部延伸至主通道112中的侧通道114。致动器118设置有另一密封装置130b，该密封装置提供致动器118与管状本体110之间的基本流密密封以确保当致动器处于封闭位置(图2b中所示)时，致动器基本防止流体沿侧通道114流动。

在此实施例中，此另一密封装置130b包括两个密封件，每个密封件都基本是圆形的O形环，这些O形环位于围绕致动器118的外表面的圆周槽中。该另一密封装置130b与设置成保持第一方向室138a中的流体压力的密封装置130a间隔开，使得当致动器118处于封闭位置时侧口114位于两个密封装置130a、130b之间。同样应理解，本发明不限于使用此特定类型的密封装置，可以使用其他类型的密封装置，这些密封装置允许致动器118在管状本体110中滑动，同时基本阻止流体在致动器118与管状本体110之间流动。

在此实施方式中，致动器118从封闭位置到开放位置的移动包括沿第一方向的移动，如上所述，通过将增压流体供应至第一口140a实现此沿第一方向的移动。相应地，致动器118从开放位置到封闭位置的移动包括沿第二方向的移动，如上所述，通过将增压流体供应至第二口140b或者第三口140c实现此沿第二方向的移动。这意味着当致动器118位于封闭位置时，即便当管状本体110穿过诸如RCD在控制压力钻井的情形下造成的不连续的压力时，致动器118也被维持在此位置。因此，可以避免在管状本体穿过不连续的压力时流体经由侧口114泄漏出管状本体110的主通道112外。

图2a示出了致动器118在增压流体供应至第一口140a时已被沿第一方向推动，因而打开侧口114，而图2b示出了致动器118在增压流体供应至第二口140b或者第三口140c时已被沿第二方向推动，从而致动器118封闭侧口114。

但是，要理解的是，致动器组件同样可以构造成相反的情况也是合适的，即，致动器118从封闭位置到开放位置的移动包括沿第二方向等的移动，使得致动器118在管状本体穿过不连续的压力时达到开放位置或者维持在开放位置。

在一个实施方式中，致动器118以致动器118沿第一方向与第二方向的移动使主阀构件(未示出)移动的这种方式连接至主阀构件。主阀构件可以在主阀构件封闭管状本体110的主通道112的封闭位置与管状本体110的主通道112开放的开放位置之间移动。致动器118沿第一方向与第二方向的移动引起的主阀构件的移动可以包括旋转，并且主阀构件可以是球阀。

在一个实施方式中，致动器118借助轨与销布置连接至阀构件，借此，销从阀构件和致动器中的一者延伸到设置在阀构件和致动器中的另一者中的缝或槽中，当致动器118在管状本体110中滑动时销沿缝或槽移动，从而阀构件旋转。WO2012/085597、GB2413373、US3,236,255、GB1416085、US3,703,193以及US3,871,447中描述了多种可行的机构，致动器118可以借助这些机构连接至主阀构件，使得致动器118的滑动运动使主阀构件旋转。

在优选的实施方式中，当致动器118沿第一方向移动(如上所述，通过增压流体供应至第一口140a而实现此移动)时，主阀构件移动至其封闭位置。相应地，当致动器118沿第二方向移动(如上所述，通过增压流体供应至第二口140b或者第三口140c而实现此移动)时，主阀构件移动至其开放位置。这意味着当管状本体110穿过诸如RCD在控制压力钻井的情形下造成的不连续的压力时，主阀构件被促使进入其开放位置或者被维持在其开放位置。因此，可以避免主阀构件在管状本体110穿过不连续的压力时意外封锁管状本体110的主通道112。这在组件用于控制压力钻井中的钻柱时尤其有利，因为封闭主阀的操作制止钻井流体沿钻柱向下流动，这可能导致潜在的粘附以及井控问题并且可能以显著的成本迫使井起钻。

致动器118不仅能利于贯通管状本体110的侧口114的开放或封闭或者利于控制主阀构件开放或封闭，而且致动器118能做到这二者。换言之，可提供侧口114和上述的主阀构件二者。在此情况下，组件有利地构造成致动器118沿第一方向的移动使致动器118进入开放位置中并且使主阀构件进入封闭位置中，而致动器118沿第二方向的移动使致动器118进入封闭位置中并且使主阀构件进入开放位置中。

图3a与图3b中示出了致动器组件的另选的实施方式。在此实施方式中，设置有两个第二方向室138b、138c，第二口140b使管状本体110的外部与第一个第二方向室138b连接，并且第三口140c使管状本体110的外部与第二个第二方向室138c连接。第一方向室138a位于两个第二方向室138b、138c之间。在此实施方式中，从第一口140a、第二口140b以及第三口140c到相应的室138a、138b、138c中的通道基本垂直于管状本体110的纵轴线延伸通过管状本体110。

同样，在此实施方式中，管状本体110与致动器118两者均为具有大体圆形截面的管状。第一方向室138a与第二方向室138b、138c形成在位于致动器118的外表面与管状本体110的内表面之间的围绕致动器118的环形空间中。此空间通过三个密封装置141、143、145被分成第一方向室138a与两个第二方向室138b、138c，密封装置141、143、145基本阻止流体在室138a、138b、138c之间流动。同样，致动器118的外表面与管状本体110的内表面之间设置有另外两个密封装置118a、130a，环形空间的每端有一个。

如前述一样，在此实施方式中，密封装置118a、130a、141、143、145均包括一对大致圆形的O形环，O形环位于围绕致动器118的外表面的圆周槽中。但是，应理解，本发明不限于使用此特定类型的密封装置，而是还可以使用任何其他类型的密封装置，这些密封装置允许致动器118在管状本体110中滑动，同时基本阻止流体从室138a、138b、138c流动。密封装置可以等同地安装在管状本体110上，而不是安装在致动器118上。

同样，该致动器组件构造成：当第一方向室138a中的流体压力超过第二方向室138b、138c两者中的流体压力时，第一方向室138a中的流体压力在致动器118上施加作用力，该作用力作用成在第一方向上沿管状本体110中的主通道112推致动器118；并且当第二方向室138b、138c中的任一者中的流体压力超过第一方向室138a中的流体压力时，该第二方向室138b、138c中的流体压力在致动器118上施加作用力，该作用力作用成在相反的第二方向上沿管状本体110中的主通道112推致动器118。

在此实施例中，这通过管状本体110的内部设置两个内直径增大部分110a、110a’而实现。在这些部分110a、110a’的每一端处，管状本体110的内表面形成肩110b、110c、110d、110e，管状本体110的内直径在这些肩处略微减小。致动器118基本比内直径增大部分110a、110a’这二者加起来要长，并且在内直径增大部分110a、110a’的两侧致动器118的外直径都小于管状本体110的内直径。第一方向室138a与第二方向室138b、138c形成在致动器118与内直径增大部分110a、110a’之间，两个密封装置141、145向致动器118的外表面外延伸以与管状本体110的内直径增大部分110a、110a’的内表面接合，一个密封装置位于内直径增大部分110a、110a’的一者中。中间密封装置143与管状壁110的内表面的位于两个内直径增大部分110a、110a’之间的部分接合。

如在图2a与图2b中所示的实施方式中一样，第一方向室138a形成在致动器118的外表面、第一肩110b、中间密封装置143、管状本体110的第一内直径增大部分110a的一部分以及密封装置141之间。类似地，第一个第二方向室138b形成在致动器118的外表面、端部密封装置118a、第二肩110c、管状本体110的第一内直径增大部分110a的一部分以及密封装置141之间。第二方向室138c形成在致动器118的外表面、中间密封装置143、第三肩110d、管状本体110的第二内直径增大部分110a’的一部分以及密封装置145之间。

当增压流体供应至第一口140a时，流体压力推动密封装置141远离第一肩110b以增大第一方向室138a的容积。因此，致动器118被沿第一方向推动。类似地，当增压流体供应至第二口140b时，第一个第二方向室138b中的流体压力推动密封装置141远离第二肩110c以增大第二方向室138b的容积。因此，致动器118被沿第二方向推动。而且，当增压流体供应至第三口140c时，第二个第二方向室138c中的流体压力推动密封装置145远离第三肩110d以增大第二个第二方向室138c的容积。因此，致动器118作用成第一口140a使致动器118在第一方向上沿管状本体110中的主通道112移动(此实施例中向图3a和图3b中的左方)而且第二口140b或者第三口140c使致动器118在第二方向上沿管状本体110中的主通道112移动(此实施例中向图3a和图3b中的右方)的双动式活塞。换言之，第一口140a、第二口140b以及第三口140c处的流体压力的作用与联系图2a与图2b描述的实施方式中的作用完全相同，并且在前的实施方式的任何或者所有附加特征都可以应用至此实施方式。

图4a与图4b中示出了本发明的又一另选实施方式。本实施方式与参照图3a和图3b描述的实施方式非常相似，其相似之处在于本实施方式也具有第二个第二方向室138c，其差异在于室138a、138b、138c的顺序。虽然在图3a与图3b的实施方式中，第一方向室138a位于两个第二方向室138b、138c之间，但是在此另选实施方式中，两个第二方向室138b、138c彼此相邻。这样第一口140a可以位于第二口140b与第三口140c所在的虚拟平面之间的虚拟平面上，通向第一方向室138a的控制通道139a与通向第二个第二方向室138c的控制通道139c穿过管状本体110的壁斜对角地延伸。在此实施例中，通向第一个第二方向室138b的控制通道139b基本垂直于管状本体110的纵轴线穿过管状本体110延伸。

在此实施例中，通过管状本体110的内部设置有三个内直径增大部分110a、110a’、110a”实现这些室的此布置。在这些部分110a、110a’、110a”的每一端处，管状本体110的内表面形成肩110b、110c、110d、110e，管状本体110的内直径在这些肩处略微变化。管状本体110在第一内直径增大部分110a与第三内直径增大部分110a”的内直径小于管状本体110在第二内直径增大部分110a’的内直径。第二内直径增大部分110a’直接位于第一内直径增大部分110a与第三内直径增大部分110a”之间。

致动器118基本比所有内直径增大部分110a、110a’、110a”加起来要长，并且在这些内直径增大部分110a、110a’、110a”的任一侧致动器118的外直径都小于管状本体110的内直径。第一方向室138a与第二方向室138b、138c形成在致动器118与内直径增大部分110a、110a’之间，三个密封装置141、143、145向致动器118的外表面外延伸以与管状本体110的内直径增大部分110a、110a’、110a”的内表面接合，一个密封装置位于内直径增大部分110a、110a’、110a”之一中。密封装置141与第一内直径增大部分110a接合，中间密封装置143与第二内直径增大部分110a’接合，并且最后的密封装置145与第三内直径增大部分110a”接合。

与图3a和图3b中所示的布置相比，第一方向室138a形成在致动器118的外表面、中间密封装置143、管状本体110的第三内直径增大部分110a”的一部分、末端肩110e以及密封装置145之间。类似地，第一个第二方向室138b形成在致动器118的外表面、第二肩110c、端部密封装置118a、管状本体110的第一内直径增大部分110a的一部分以及第一密封装置141之间。第二个第二方向室138c形成在致动器118的外表面、肩110d、第一密封装置141、管状本体110的第二内直径增大部分110a’的一部分以及中间密封装置143之间。

当增压流体供应至第一口140a时，流体压力推动密封装置143远离第一肩110d以增大第一方向室138a的容积。因此，致动器118被沿第一方向推动。类似地，当增压流体供应至第二口140b时，第一个第二方向室138b中的流体压力推动密封装置141远离肩110c以增大第二方向室138b的容积。因此，致动器118被沿第二方向推动。而且，当增压流体供应至第三口140c时，第二个第二方向室138c中的流体压力推动密封装置143远离肩110b以增大第二个第二方向室138c的容积。因此，致动器118作用成第一口140a使致动器18在第一方向上沿管状本体110中的主通道112移动(此实施例中向图4a和图4b中的左方)而且第二口140b或者第三口140c使致动器118在第二方向上沿管状本体110中的主通道112移动(此实施例中向图4a和图4b中的右方)的双动式活塞。换言之，第一口140a、第二口140b以及第三口140c处的流体压力的作用与关于图2a与图2b描述的实施方式中的作用完全相同，并且在前的实施方式的任何或者所有附加特征都可以应用至此实施方式。

当管状本体110穿过例如由RCD引起的不连续的压力时，如果管状本体110的示出在图3a、3b、4a与图4c的左手侧的部分首先遭遇高压，那么第二口140b遭受高压，同时第一口140a和第三口140c处于低压。第二口140b处的高压会仅作用成将致动器118维持在其静止/默认位置。随着管状本体110继续穿过不连续的压力，那么第一口140a也会遭受高压，但是由于此高压被第二口140b处的相同的高压抵消，致动器118不会移动。最后，第三口140c也遭受高压，从而所有三个口140a、140b、140c处的压力基本相等。

类似地，如果管状本体110的示出在图3a、3b、4a与图4c的右手侧的部分首先遭遇高压，那么第三口140c遭受高压，同时第一口140a和第二口140b处于低压。第三口140c处的高压会仅作用成将致动器118维持在其静止/默认位置。随着管状本体110继续通过不连续的压力，那么第一口140a也会遭受高压，但是由于此高压被第三口140c处的相同的高压抵消，致动器118仍不会移动。最后，第二口140b也遭受高压，从而所有三个口140a、140b、140c处的压力基本相等。

在穿过诸如RCD(绕管状本体110密封以维持RCD每侧的不连续的压力)之类的装置时，联系图3a、3b、4a与图4c描述的实施方式优于联系图2a和图2b描述的实施方式。在使用图2a和图2b中所示的实施方式的情况下，当第二口140b和第三口140c中的一者在RCD一侧遭受高压时，如果RCD密封装置未封闭第二口140b和第三口140c中的另一者，那么这些口为穿过RCD的流体流提供流路。当第三口140c连接至第二个第二方向室138c时不会发生上述情况。

在本发明的上述实施方式中，致动器组件构造成第一方向室138a和第二方向室138b、138c是压力平衡的。这意味着如果第一方向室138a中的压力等于第二方向室138b、138c中的一者或两者中的压力，那么不存在作用于致动器118上的合力，如果第一方向室中的压力超过第二方向室中的一者或两者中的压力，那么存在作用于致动器118上、沿第一方向推动致动器118的合力，并且如果第一方向室138a中的压力小于第二方向室138b、138c中任一者中的压力，那么存在作用于致动器118上、沿第二方向推动致动器118的合力。这通过以如下方式构造第一方向室138a和第二方向室138b、138c而实现：使得第一方向室138a的垂直于第一方向的截面的面积等于该第二方向室或每一第二方向室138b、138c垂直于第二方向的截面的面积。

在图2a和图2b中所示的实施方式中通过确保部分围绕第二方向室138b的肩110c的深度基本等于部分围绕第一方向室138a的肩110b的深度而实现上述构造。在图3a与3b中所示的实施方式中通过确保部分围绕第一个第二方向室138b的肩110c、部分围绕第一方向室138a的肩110b的深度、部分围绕第二个第二方向室138c的肩110d的深度基本相等而实现上述构造。

然而，不需要一定是上述情况，致动器组件可以构造成非压力平衡型式，从而当第一方向室138a中的压力等于第二方向室或两个压力方向室中的压力时，存在作用在致动器118上的合力。

在此情况下，优选存在沿第二方向推动致动器118的合力。如果是这种情况，那么要理解，要使致动器118沿第一方向移动就必须相对于该第二方向室或者两个第二方向室138b、138c中的流体压力增大第一方向室138a中的流体压力，使得第一方向室138a中的流体压力以预定裕度超过该第二方向室或者两个第二方向室138b、138c的流体压力。而且，一旦致动器118沿第一方向移动，第一方向室138a中的流体压力一下降到预定裕度设定的水平以下，即使第一方向室138a中的流体压力仍超过该第二方向室或者两个第二方向室138b、138c中的流体压力，致动器118仍会被沿第二方向推回。

这通过以如下方式构造第一方向室138a和第二方向室138b、138c而实现：使得第一方向室138a的垂直于第一方向的截面的面积小于该第二方向室或者每一第二方向室138b、138c的截面的面积。

在图2a和图2b中所示的实施方式中，可以通过增大部分围绕第二方向室138b的肩110c的深度(通过减小管状本体110在内直径增大部分110a外侧的肩110c那侧的内直径，并且减小致动器118的在两个室138a、138b之间的密封装置141的第二方向室138b侧的外直径)实现使第一方向室138a的截面面积相对于第二方向室138b的截面面积相对减小的一种方式。在图3a和图3b中所示的实施方式中，可以通过增大部分围绕第一个第二方向室138b的肩110c的深度(通过减小管状本体110在内直径增大部分110a外侧的肩110c那侧的内直径，并且减小致动器118的在位于两个室138a、138b之间的密封装置141的第二方向室138b侧的外直径)并且增大部分围绕第二个第二方向室138c的肩110d的深度(通过增大管状本体的第二内直径增大部分110a’的内直径)实现使第一方向室138a的截面面积相对于第二方向室138b的截面面积相对减小的一种方式。

当在本说明书与权利要求中使用时，术语“包括”及其变型指包括具体特征、步骤或者整体。这些术语不应理解成排除存在其他特征、步骤或者部件。

以具体形式或者根据用于执行本公开的功能的装置，或者用于获得本公开的结果的方法或过程表述的前面描述中公开的特征、或者所附的权利要求、或者附图适当时可以单独地或者以这些特征的任何组合使用从而以多种形式实现本发明。

Claims (26)

1.一种流体压力操作的致动器组件，该致动器组件包括：管状本体，该管状本体具有壁，该壁具有内表面与外表面并且围绕基本平行于所述管状本体的纵轴线延伸的主通道；位于所述主通道中并且能沿所述主通道移动的致动器；形成在所述管状本体的所述壁与所述致动器之间的第一方向室；以及形成在所述管状本体与所述致动器之间的至少一个第二方向室，其中，所述致动器组件被构造成当所述第一方向室中的流体压力以预定量超过该第二方向室或每一第二方向室中的流体压力时，所述第一方向室中的所述流体压力在所述致动器上施加作用力，该作用力作用成相对于所述管状本体沿第一方向推动所述致动器，并且当该第二方向室或所述第二方向室中的至少一者中的流体压力以预定量超过所述第一方向室中的流体压力时，所述第二方向室中的所述流体压力在所述致动器上施加作用力，该作用力作用成相对于所述管状本体沿第二方向推动所述致动器，

其特征在于，所述管状本体的外表面设置有：第一口，该第一口与穿过所述管状本体的所述壁从所述第一口延伸至所述第一方向室的通道连通；第二口，该第二口与穿过所述管状本体的所述壁从所述第二口延伸至该第二方向室或所述第二方向室之一的通道连通；以及第三口，该第三口与穿过所述管状本体的所述壁从所述第三口延伸至该第二方向室或者所述第二方向室中的另一者的通道连通，所述第一口位于第一平面上，所述第二口位于第二平面上，并且所述第三口位于第三平面上，所述第一平面、所述第二平面以及所述第三平面大体相互平行，并且所述第一平面位于所述第二平面和所述第三平面之间。

2.根据权利要求1所述的流体压力操作的致动器组件，其中，所述管状本体的所述纵轴线基本正交于所述第一平面、所述第二平面以及所述第三平面。

3.根据前述权利要求中的任一项所述的流体压力操作的致动器组件，其中，所述第一方向与所述第二方向中的一者或者两者基本平行于所述管状本体的所述纵轴线。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的流体压力操作的致动器组件，其中，所述第一方向与所述第二方向基本相反。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的流体压力操作的致动器组件，其中，所述致动器以使得所述致动器沿所述第一方向和所述第二方向的移动使主阀构件移动的方式连接至所述主阀构件。

6.根据权利要求5所述的流体压力操作的致动器组件，其中，所述主阀构件能在所述主阀构件封闭所述管状本体的所述主通道的封闭位置与所述管状本体的所述主通道开放的开放位置之间移动。

7.根据权利要求5或6所述的流体压力操作的致动器组件，其中，所述主阀构件的由所述致动器在所述第一方向及所述第二方向上的移动引起的所述移动包括旋转。

8.根据权利要求5、6或7所述的流体压力操作的致动器组件，其中，当所述致动器沿所述第一方向移动时所述主阀构件移动至所述封闭位置，并且当所述致动器沿所述第二方向移动时所述主阀构件移动至所述开放位置。

9.根据权利要求5、6或7所述的流体压力操作的致动器组件，其中，所述主阀构件包括球阀构件。

10.根据权利要求5至9中的任一项所述的流体压力操作的致动器组件，其中，所述致动器借助轨与销布置连接至主阀构件，借此销从所述主阀构件和所述致动器中的一者延伸到设置在所述主阀构件和所述致动器中的另一者中的缝或槽中，当所述致动器在所述管状本体中滑动时所述销沿所述缝或槽移动，从而所述主阀构件旋转。

11.根据前述权利要求中的任一项所述的流体压力操作的致动器组件，其中，所述管状本体设置有穿过所述管状本体的所述壁从所述管状本体的外部延伸到所述主通道中的侧通道，并且所述致动器能在所述致动器基本防止流体沿所述侧通道流动的封闭位置与允许流体沿所述侧通道流动的开放位置之间移动。

12.根据权利要求11所述的流体压力操作的致动器组件，其中，所述致动器沿所述第一方向的移动使所述致动器进入所述开放位置，并且所述致动器沿所述第二方向的移动能使所述致动器进入所述封闭位置。

13.根据从属于权利要求5至10中的任一项的权利要求11或12所述的流体压力操作的致动器组件，其中，所述致动器沿所述第一方向的移动能使所述致动器进入所述开放位置并且使所述主阀构件进入所述封闭位置，而所述致动器沿所述第二方向的移动使所述致动器进入所述封闭位置并且使所述主阀构件进入所述开放位置。

14.根据前述权利要求中的任一项所述的流体压力操作的致动器组件，其中，从所述第三口开始的所述通道连接至从所述第二口到该第二方向室或者所述第二方向室之一中的所述通道。

15.根据前述权利要求中的任一项所述的流体压力操作的致动器组件，其中，所述第一方向室以及该第二方向室或者每一第二方向室形成在位于所述致动器的外表面与所述管状本体的所述壁的内表面之间的空间中。

16.根据权利要求15所述的流体压力操作的致动器组件，其中，所述空间绕所述致动器的整个周长延伸。

17.根据权利要求15或16所述的流体压力操作的致动器组件，其中，所述空间通过密封装置被分成所述第一方向室与所述第二方向室，所述密封装置在允许所述致动器沿所述管状本体的所述主通道移动的同时基本阻止流体在这些室之间流动。

18.根据权利要求15或16所述的流体压力操作的致动器组件，其中，所述空间通过密封布置被分成所述第一方向室与两个第二方向室，所述密封布置在允许所述致动器沿所述管状本体的所述主通道移动的同时基本阻止流体在这些室之间流动。

19.根据权利要求18所述的流体压力操作的致动器组件，其中，所述第一方向室位于所述两个第二方向室之间。

20.根据权利要求18所述的流体压力操作的致动器组件，其中，从所述第一口、所述第二口以及所述第三口到各自的室中的所述通道基本垂直于所述管状本体的所述纵轴线延伸穿过所述管状本体。

21.根据权利要求18所述的流体压力操作的致动器组件，其中，从所述第一口、所述第二口以及所述第三口到各自的室中的所述通道中的至少一个通道基本与所述管状本体的所述纵轴线成小于90度的角延伸穿过所述管状本体。

22.根据前述权利要求中的任一项所述的流体压力操作的致动器组件，其中，所述致动器组件被构造成使得：如果所述第一方向室中的压力等于该第二方向室或两个第二方向室中的压力，那么不存在作用在所述致动器上的合力；如果所述第一方向室中的压力超过该第二方向室或两个第二方向室中的压力，那么存在作用在所述致动器上沿所述第一方向推动所述致动器的合力；并且如果所述第一方向室中的压力小于该第二方向室或任一第二方向室中的压力，那么存在作用在所述致动器上沿所述第二方向推动所述致动器的合力。

23.根据权利要求1至19中的任一项所述的流体压力操作的致动器组件，其中，所述致动器组件被构造成当所述第一方向室中的压力等于该第二方向室或两个第二方向室中的压力时，存在作用在所述致动器上的合力。

24.根据权利要求23所述的流体压力操作的致动器组件，其中，所述致动器组件被构造成所述合力趋于沿所述第二方向推动所述致动器。

25.一种基本如参照附图所述并且如附图所示的流体压力操作的致动器组件。

26.本文以及/或者附图中描述的任何新颖特征或者特征的新颖组合。