CN106567939A - 具有液压密封和远程操作压裂管组的可编程液压闸阀 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于控制流体流动的闸阀系统，包括具有流体能够流经其中的膛的阀主体。该系统可包括液压密封组合件，以用于形成相对阀的闸的紧密密封。可编程逻辑控制器(PLC)还可控制闸和液压密封组合件的操作，以及可远程自动控制frac管组以进行远程操作。

Description

具有液压密封和远程操作压裂管组的可编程液压闸阀

相关申请的交叉引用

不适用。

关于联邦资助研发声明

不适用。

致密光盘引用附录

不适用。

技术领域

以下描述涉及流体控制阀。例如，流体控制阀可包括液压致动密封组件，以用于防止碎屑、化学品和沙子进入液压压裂设备(hydraulicfracturing equipment)和阀的内部主体空腔。闸和密封组件可由可编程逻辑控制器远程自动致动。

背景技术

工业管道依靠许多类型的阀，但是到目前为止最流行的是闸阀，其用于期望防止或允许流体以高流量系数(C_v)流经管道的应用中。闸阀在预期最小流量限制时是特别有用的。闸阀通过具有平面构件、闸(其在阀的空腔中移动)进行操作。闸能够在闸阀中平移，使得闸中的开口与闸阀的流动通道(即，闸阀允许流体经过它从一侧流动到另一侧的开启位置)对齐。但是，如果闸平移到某个位置以使得闸中的开口与流动通道、即闭合位置充分未对齐和未配准，则经过闸的流量被阻塞，使得流体不会从闸阀的一侧传递到另一侧。

使闸在阀中平移的一种常见方式是通过手动旋转手轮。手轮通常附连到闸阀系统中的螺纹区，使得当轮转动时，它使附连到闸的杆移动，以在阀主体壳体中线性平移。当闸到达闸阀中的其运动区域的一端时，它处于开启位置；当它到达另一端时，它处于闭合位置。

使闸在阀中平移的另一种方式是通过使用液压致动装置。通过液压致动装置，液压压力能够用来开启和闭合闸阀。在需要大量力以开启或闭合阀时，例如当闸处于阀的一侧与另一侧之间的较高压力差之下时，这是特别有用的。液压和电动或其他电致动装置提供在转动手轮所需的力较大的情况下操作阀的方式。这些类型的致动装置在要求自动化的情况下是合乎需要的。

闸阀、例如frac管组中使用的压裂(或frac)阀和其他关联高压阀必须在高压下或者以高压来操作。另外，frac阀有时因压住frac阀的开启和闭合闸的高压而要求高转矩以迫使闸开启和闭合。frac管组阀在压裂过程期间通过经过闸与阀孔径之间的连接泄漏的碎屑经常填充有碎屑，从而使阀闸变为无法完全开启或闭合，造成危险或者不安全环境。

虽然frac管组阀和配件在参数之内和之外紧密控制，但是必须存在宽松或者不严格容差，以便使frac阀闸移动进和出阀主体空腔。相应地，由于这类宽松容差，闸在处于开启位置或闭合位置的同时无法正确和充分地密封或者安置于一侧或两侧上。相反，容差和包装或密封可宽松地配合闸面，但是可能过于宽松，并且因而易于准许化学品或碎屑在压裂过程期间进入阀主体空腔。这引起操作问题，其包括不能完全闭合闸、不能完全开启闸，或者通过腐蚀、冲洗座等损坏闸的密封表面。

此外，frac管组通常在高压条件下操作。操作员通常使用手动和液压致动机构的组合来控制闸的开启和闭合。另外，操作员可基于每个阀中的闸的位置来控制frac管组的各单独frac阀中的其他组件的致动。例如，操作员通常可需要参阅frac阀中的闸的位置，以便控制frac阀中使用的密封组件的操作。

发明内容

在一个方面，闸阀系统(gate valve system)包括：阀主体(valve body)，具有配置成允许流体经过阀主体的膛(bore)；闸(gate)，设置在空腔中，并且包括配置成允许流体通过的通路；闸致动机构(gateactuation mechanism)，配置成致动闸，以用于充分(substantially)准许或阻止流体流动；密封组合件(seal assembly)，与闸相邻，配置成被致动以用于压缩在闸上；以及可编程控制器，配置成控制闸致动机构和密封组合件的致动。

在另一方面，闸阀系统包括：阀主体，包括配置成允许流体经过阀主体的膛；闸，设置在空腔中，并且包括配置成允许流体通过的通路；闸致动机构，配置成致动闸，以用于充分准许或阻止流体流动；密封组合件，与闸相邻，配置成被致动以用于压缩在闸上；以及开关机构，用于检测闸致动机构和闸的位置。

在又一方面，使用具有闸和密封组合件的闸阀的方法包括使用液压致动器将闸致动到全开位置，使用第一开关来检测闸的全开位置，并且响应全开位置的检测而将密封组合件致动到密封位置。

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，附图中示出本公开的某些实施例。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和设备的实现，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是示出具有液压致动器、主阀和机械指示开关的闸阀组合件的示例的简图。

图2是示出包括液压密封、阀座、阀闸和指示杆的闸阀组合件的示例的截面图的简图。

图3是示出包括到液压密封空腔和单独液压密封机构的液压供应端口的阀主体区的示例的简图。

图4是示出包括到液压密封机构的液压供应端口的阀主体的示例的截面图的简图。

图5是示出液压供应的示例的简图以及用于操作包括液压密封机构和可编程逻辑控制器的闸阀的控制图。

图6是示出用于液压压裂操作的现有技术frac管组的示例的简图。

图7是示出包括液压密封机构和可编程逻辑控制器、用于液压压裂操作的远程操作frac管组的示例的简图。

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组件的布置的应用。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。本发明适用于其他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开发人员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”、“一个”的使用不是意在限制项的数量。另外，非限制性地诸如“顶部”、“底部”、“左”、“右”、“上”、“下”、“向下”、“向上”、“侧”之类的关系术语的使用为了清楚起见而具体参照附图用于本描述中，而不是意在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可单独地或者与其他特征结合使用。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他系统、方法、特征和优点。预计所有这类其他系统、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。

现在将详细参照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适当预计流动的任何材料。

参照作为非限制性示例并且按照本发明的实施例的图1，示出闸阀系统100。闸阀系统100包括阀主体110，其在阀主体110的相对端具有一对凸缘210、220。凸缘210、220设计成在凸缘表面215、225上接纳凸缘密封(未示出)、非限制性地例如金属垫片，以便使闸阀系统100连接到具有凸缘的其他组件。虽然这个实施例示出凸缘类型连接，但是提供连接的其他方式是本领域已知的，并且能够设计为适合于阀主体110和相关设备。阀主体110还具有顶阀面115和底阀面125，以便根据需要附连附加组件，以形成闸阀系统100。闸阀系统100还包括第一阀帽130，其可拆卸地附连到阀主体110的顶阀面115。闸阀系统100还包括第二阀帽140，其附连到阀主体110的底阀面125。闸阀系统100还包括连接到第一阀帽130的液压致动机构150以及连接到第二阀帽140的检测机构160。液压致动机构150包括用于开启闸阀系统100的开启液压供应端口152以及用于闭合闸阀系统100的液压供应端口154。本领域的技术人员将会知道，各种市场销售检测机构能够适合与闸阀系统100配合使用。

第一和第二阀帽130、140是可拆卸和可互换的。在现在作为美国专利No.9091351所发布的美国专利申请No.13/762005中针对阀帽130、140的结构和可互换性提供了进一步描述，通过引用将其结合于此以用于所有目的。

在这个示例中，检测机构160包括具有开启限位开关164和闭合限位开关166的指示杆162。开启限位开关164在被激活时能够向操作员或者可编程逻辑控制器(PLC)600(参见图5)发信号通知关于闸阀系统100的闸400(参见图2和图4)处于不阻塞流体流动的完全开启位置。类似地，闭合限位开关166在被激活时能够向操作员或PLC发信号通知关于闸400处于阻塞流体流动的完全闭合位置。将结合如图5所提供的PLC 600和液压密封操作更详细说明开启限位开关164和闭合限位开关166的说明以及与PLC 600的交互。

图2是示出包括液压密封组合件500、液压密封膛505、液压密封注入端口510、阀密封515、阀座520、阀闸400和指示杆162的闸阀组合件100的截面图的简图。阀密封515又可称作焦环。

阀主体110包含主体膛200，流体在闸阀系统100处于开启配置时能够穿过其中，使得对凸缘210与凸缘220之间的流体流动不存在充分限制。阀主体110还包含围绕空腔中心线320的主阀空腔260。空腔中心线320经过阀主体110的中心并且经过顶阀面115和底阀面125。主阀空腔260围绕空腔中心线320是对称的，并且设置成与主体膛200垂直，由此准许闸400在阀主体110中行进。

现在参照图2，示出阀主体110的截面图，其中阀主体110还包括两个基本上相同的液压密封组合件500。各液压密封组合件500由用于由液压压力激活的闸密封515以及用于响应闸密封515的致动而压靠阀闸400的闸座520来组成。阀主体110包括水平加工膛505或袋，以用于安装液压密封组合件500。注入端口510在阀组合件100中加工，以从外部源注入压力，以便传递到液压密封组合件500中供激活。虽然为了简洁起见而示出两个注入端口510，但是能够使用任何数量的注入端口510。

图3是示出包括其外表面上的两个注入端口510的闸阀组合件100的示例的外部视图的简图。参照图2和图3，注入端口510配置成连接到液压供应，其将控制液压密封组合件500的致动，以用于在阀闸400处于闸闭合位置时相对阀闸400来密封阀座520。密封位置又可称作液压密封组合件500的闭合位置。另外，在将阀闸400开启到闸开启位置之前，使用注入端口510去除膛505中的压力允许阀座520返回到非密封或液压密封组合件500的开启位置，其不干扰阀闸400的移动。

图4是示出包括液压注入端口510和液压密封组合件500的阀主体110的示例的截面图的简图。阀座密封515安装到阀座520的背面上。两个阀座520安装到两个内袋膛505中。两个阀座520形成朝阀主体110的中心并且相对阀闸400向内移动的活塞效应。例如，当外部压力经过位于阀主体110中的注入端口510来注入并且注入密封组合件袋膛505时，压力由阀密封515来保持，并且传递到阀座520的背面。阀座520上的外加力将阀座520压到阀闸400上，从而创建压力密封区。当注入压力经过阀主体110上的注入端口510来施加时，没有压力能够进入主阀空腔260，因而防止阀闸400操作或移动。

图5是示出包括用于控制液压供应605的压力以开启和闭合阀闸400的液压致动机构150的端口(分别为152和154)和液压密封组合件500的注入端口510的PLC 600的闸阀组合件100的示例的简图。另外，PLC 600包括信号接收单元620，以用于检测用于确定如上所述的阀闸400的开启和闭合位置的开启限位开关164和闭合限位开关166。PLC 600还包括面板610，其允许操作员监测阀闸400或液压密封组合件500致动过程的自动控制，或者手动忽略两个或任一个过程的致动机构。

在开启闸阀100的示例中，在阀闸400从闭合位置行进到开启位置之前，经过PLC 600的控制起作用，对液压致动机构150的液压供应压力设置延迟，因而在液压密封组合件500与阀闸400接合的同时防止阀闸400的任何过早移动。应当理解，当液压密封膛505被加压时，接合液压密封组合件500。液压致动机构150是驱动机构，其将阀闸400从闭合移动到开启或者反之。时间延迟提供关于液压密封组合件500内部的压力耗尽或零化的操作保证。这将在位于液压面板610上的压力计(未示出)中指示。在该时间延迟之后，将液压供应压力路由到液压致动机构150的开放端口，因而开启闸阀100。在闸阀100到达全开位置之后，来自指示杆162中的位置接近限位开关的信号发送给电磁阀，以允许对液压密封组合件500的液压压力供应被接合。

在闭合闸阀100的示例中，在阀闸400开始从开启行进到闭合之前，对液压致动机构150的液压供应压力设置延迟，因而在液压密封组合件500与阀闸400接合的同时防止闸的任何过早移动。应当理解，当液压密封膛505被加压时，接合液压密封组合件500。时间延迟提供关于液压密封组合件500内部的压力耗尽或零化的操作保证。这将在位于液压面板610压力表上的压力计(未示出)中指示。在该时间延迟之后，将液压供应压力路由到液压致动机构150的闭合端口，因而闭合闸阀100。在闸阀100到达全闭位置之后，来自指示杆162的位置接近限位开关的信号发送给电磁阀，以允许对液压密封组合件500的液压压力供应被接合。

在一个方面，液压密封组合件500仅当液压密封膛505被加压时才接合。液压密封组合件500在液压密封膛505中的压力耗尽或者为零时脱离。当接合液压密封组合件500时，它将创建座520与闸400之间的极紧密密封，因而防止任何碎屑、化学品或沙子进入液压压裂设备和阀的内部主体空腔。

图6是示出已知frac管组10的示例的简图。图7是示出按照本公开、使用包括PLC 600的闸阀100远程操作frac管组700的示例的简图。在石油和天然气工业中，模拟承载油和天然气地层或储层的最常见和流行实践其中之一是液压压裂方法。这种模拟方法要求流体到地层中的极高压力注入。人员安全因高压力注入而始终受到极大关注。相应地，远程控制液压供应和控件以及闸阀100的依次操作降低和防止操作人员在使用现有技术frac管组10中通常遇到的安全问题。

远程操作液压frac管组700、液压密封组合件500的依次操作以及液压控制系统和PLC 600的设计将调节液压供应压力对主液压致动机构150和液压密封组合件500的输出，如上所述。相应地，这允许远程控制frac管组700，并且防止对操作人员的任何安全问题。

预计用于闸阀系统100中的流体材料的腐蚀性质以及所指定的额定压力在确定用来形成闸阀系统100的材料中起作用。在石油和天然气工业中，常见腐蚀流体包括二氧化碳、氯化物、甲烷和硫化氢。对于使闸阀系统100遭受这类流体的应用中，闸阀系统100能够从众所周知的耐腐蚀材料、例如具有高镍含量的那些材料来制作。示范和非限制性材料可包括因科镍合金(例如Inconel 625)、双相钛或者其他双相材料。在具有较小尺寸的闸阀系统100中，整个闸阀系统100可从耐腐蚀材料来制作。但是，随着闸阀系统100变大，仅使用这些专业耐腐蚀材料来制作闸阀系统100可能不是经济上可行的。在这种情况下，标准材料、例如AISI 4130可用作外部材料，其分别对阀主体110以及第一和第二阀帽130、140提供支承。为了满足耐腐蚀规范，镍基材料可分别镶嵌在主体膛200、第一和第二阀帽130、140、闸400以及与腐蚀流体相接触的其他区域内部。此外，在闸阀系统100中使用一种以上耐腐蚀材料会是有益的。材料的选择是通常已知并且由本领域的技术人员应用的设计和制造性决定，而不是限制本发明。本领域的技术人员将会知道，本发明并不局限于任何特定材料，以及对材料的引用仅作为石油和天然气工业中的典型闸阀系统100的示范公开来提供。

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，而是意在涵盖如所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围之内的修改。

Claims (20)

1.一种闸阀系统，包括：

阀主体，包括配置成允许流体经过所述阀主体的膛；

闸，设置在所述空腔中，并且包括配置成允许流体通过的通路；

闸致动机构，配置成致动所述闸，以充分准许或阻止流体流动；

密封组合件，与所述闸相邻，配置成被致动以用于相对所述闸进行压缩；以及

可编程控制器，配置成控制所述闸致动机构以及所述密封组合件的致动。

2.如权利要求1所述的闸阀系统，还包括在所述阀主体中形成的用于包含所述密封组合件的加工膛或袋。

3.如权利要求1所述的闸阀系统，还包括设置在所述阀主体的外表面上的液压供应端口，以用于向所述密封组合件供应液压流体。

4.如权利要求1所述的闸阀系统，其中，所述可编程控制器配置成指示用于确定所述密封组合件的位置的、所述闸阀的膛中的压力量。

5.如权利要求1所述的闸阀系统，其中，所述可编程控制器配置成指示用于确定所述闸阀的位置的、到所述闸致动机构的液压供应量。

6.如权利要求1所述的闸阀系统，还包括阀帽，其可拆卸地耦合到所述阀主体面，并且包括连接端，其中所述阀帽的内侧包括适合与所述闸的一端配合的弯曲表面。

7.如权利要求6所述的闸阀系统，还包括第二阀帽，其可拆卸地耦合到所述阀主体的第二面，其中所述第二阀帽的内侧包括适合与所述闸的另一端配合的弯曲表面。

8.如权利要求7所述的闸阀系统，其中，所述第一阀帽的内侧和所述第二阀帽的内侧的每个都是弓形凹顶。

9.如权利要求7所述的闸阀系统，还包括检测机构，其在操作上定位并且通过所述第二阀帽中的孔可拆卸地连接到所述闸，由此所述检测机构指示所述闸在所述阀主体中的位置。

10.如权利要求9所述的闸阀系统，其中，所述检测机构和所述闸致动机构的附连与所述第一阀帽和所述第二阀帽在操作上是可互换的。

11.如权利要求1所述的闸阀系统，还包括用于指示所述闸在所述阀主体中的位置的检测机构。

12.如权利要求11所述的闸阀系统，其中，所述检测机构包括用于检测所述闸的全开位置的第一开关、和用于检测所述闸的全闭位置的第二开关，并且配置成响应所述第一开关被激活而向所述可编程控制器传送第一信号、以及响应所述第二开关被激活而向所述可编程控制器传送第二信号。

13.如权利要求1所述的闸阀系统，其中，所述闸致动机构能够被移开，而不影响所述阀主体的密封能力。

14.如权利要求1所述的闸阀系统，其中，所述密封组合件包括与所述闸的第一面相邻的第一密封以及与所述闸的第二面相邻的第二密封。

15.一种闸阀系统，包括：

阀主体，包括配置成允许流体经过所述阀主体的膛；

闸，设置在所述空腔中，并且包括配置成允许流体通过的通路；

闸致动机构，配置成致动所述闸，以充分准许或阻止流体流动；

密封组合件，与所述闸相邻，配置成被致动以用于相对所述闸进行压缩；以及

开关机构，用于检测所述闸致动机构和所述闸的位置。

16.如权利要求15所述的闸阀系统，其中，所述开关机构包括用于检测所述闸的全开位置的第一开关和用于检测所述闸的全闭位置的第二开关，并且配置成响应所述第一开关被激活而传送第一信号以及响应所述第二开关被激活而传送第二信号。

17.如权利要求16所述的闸阀系统，还包括可编程控制器，以用于响应从所述开关机构接收所述第一信号或者所述第二信号而控制所述密封组合件的致动。

18.一种使用包括闸和密封组合件的闸阀系统的方法，所述方法包括：

使用液压致动器将所述闸致动到全开位置；

使用第一开关来检测所述闸的全开位置；以及

响应检测全开位置而将所述密封组合件致动到密封位置。

19.如权利要求18所述的方法，还包括：

将所述密封组合件致动到非密封位置；

通过确定所述闸阀系统中的压力来检测非密封位置；

响应检测非密封位置而将所述闸致动到全闭位置；

使用第二传感器来检测所述闸的全闭位置；以及

响应检测全闭位置而将所述密封组合件致动到密封位置。

20.如权利要求19所述的方法，其中，响应检测非密封位置而致动所述闸包括在从检测非密封位置开始的一段时间之后致动所述闸。