CN107002480A

CN107002480A - 改进的全封闭剪切闸板

Info

Publication number: CN107002480A
Application number: CN201580054692.0A
Authority: CN
Inventors: J.A.布勒克; B.S.巴克; D.朝胡里; R.L.斯特林菲洛
Original assignee: Hydril USA Manufacturing LLC
Current assignee: Hydril USA Distribution LLC
Priority date: 2014-10-07
Filing date: 2015-09-23
Publication date: 2017-08-01
Anticipated expiration: 2035-09-23
Also published as: US20160097250A1; US9822602B2; NO20170617A1; CN107002480B; WO2016057221A1; BR112017007002A2

Abstract

一种用在BOP组套中的剪切闸板组件。所述剪切闸板组件包括闸板块，所述闸板块设置在所述剪切闸板壳体内且具有面向孔腔的前端，所述闸板块能够在打开位置和关闭位置，所述闸板块在所述打开位置从所述孔腔缩回，所述闸板块在所述关闭位置向所述孔腔伸出。所述叶片具有前表面、后表面、下剪切边缘和上边缘，所述叶片通过紧固件附接至所述闸板块的所述前表面，所述紧固件相对于所述闸板块的上表面成角度穿过所述闸板块的一部分延伸到所述叶片的所述后表面中，所述叶片的所述后表面成角度，以便所述后表面垂直于所述紧固件的纵轴。

Description

改进的全封闭剪切闸板

背景技术

1.发明领域

本技术涉及油气井，并且确切地说，涉及一种用于防喷器(BOP)的改进的全封闭剪切闸板。

2.相关领域简述

典型的BOP包括穿过所述BOP并且与井口相连的孔腔。管道和工具通过所述BOP中的孔腔进入所述井口。一般来说，全封闭剪切闸板包括在BOP组套中，且在孔腔内的压力控制是必要时，例如，钻井内的意外压力涌动会对钻井装置或其他钻井区域上的人员产生危险时，所述全封闭剪切闸板在孔腔内剪切管道或工具。

全封闭剪切闸板通常包括安装在BOP上的壳体或阀盖内的剪切闸板块。所述剪切闸板块具有附接至其前端、朝向所述孔腔的叶片。当驱动所述剪切闸板时，活塞推动所述壳体内的所述剪切闸板块，使所述剪切闸板块和叶片跨所述孔腔关闭，同时剪切所述孔腔中的任何管道、工具或其他物体并将钻井密封。由于所述剪切闸板关闭，所述剪切闸板块和叶片暴露在井眼压力下，所述压力可能非常高，例如超过15,000lbs/in²。

一些现有剪切闸板设计利用螺栓或其他紧固件将闸板叶片附接至剪切闸板块。通常这些螺栓穿过所述叶片的前表面进入所述闸板块中。然而，这可能会出现问题，因为穿过叶片表面钻出用于紧固件的孔腔会弱化所述叶片，并且可能引入应力通路。另外，所述紧固件在所述叶片上的定位需要交错所述叶片上的螺栓的高度，导致在压力下，所述螺栓中的应力出现不均匀分布。因此，螺栓通常高于约15,000lbs/in²的压力下断裂。

然而，在现今的石油和天然气行业中，孔腔操作逐渐在更深的水下进行，导致井眼中压力更高。例如，BOP通常安置在压力高于15,000lbs/in²，甚至高于约20,000lbs/in²或更大压力的钻井顶部，从而超过已知BOP全封闭剪切闸板的操作限制。

发明内容

本说明书中公开一种用在防喷器(BOP)组套中的剪切闸板组件，所述剪切闸板组件具有剪切闸板壳体和孔腔。所述BOP的所述孔腔配置成在所述BOP附接至井口时与井眼对准。所述剪切闸板组件包括闸板块，所述闸板块设置在所述剪切闸板壳体内且具有面对所述孔腔的前端。所述闸板块能够打开位置与关闭位置之间移动，所述闸板块在所述打开位置从所述孔腔缩回，所述闸板块在所述关闭位置向所述孔腔伸出。

所述闸板块组件还包括叶片，所述叶片具有前表面、后表面、下剪切边缘和上边缘。所述叶片通过紧固件附接至所述闸板块的所述前端。在一些实施例中，所述紧固件可以相对于所述闸板块的上表面成角度延伸穿过所述闸板块的一部分并到达所述叶片的所述后表面。在其他实施例中，所述紧固件可穿过所述叶片延伸到所述闸板块中。在进一步的实施例中，所述叶片的所述后表面可以成角度，以便所述后表面垂直于所述紧固件的纵轴。

本说明书中还公开了本发明的替代实施例，其中，上唇缘从所述闸板块的上部向所述孔腔延伸，所述上唇缘接触所述叶片，以减少在所述闸板块从所述打开位置向所述关闭位置移动时，所述叶片相对于所述壳体的旋转，从而减小所述紧固件内的应力。此外，在其他示例性实施例中，所述闸板块组件可包括下唇缘，所述下唇缘从所述闸板块的下部向所述孔腔延伸，所述唇缘与所述叶片隔开一定间隙。密封件可设置在所述下唇缘和所述叶片之间的所述间隙中，用于密封所述闸板块与所述叶片之间的接口。

附图说明

阅读以下非限定性实施例的描述并且查看附图之后，可更好地理解本发明，在附图中：

图1是附接到井口的BOP组套组件的透视图；

图2是处于关闭位置中的上下全封闭剪切闸板的透视图，其中包括所剪切的管道；

图3A是根据本发明一个实施例的剪切闸板块和叶片的透视图；

图3B是沿线3B-3B截取的图3A中的剪切闸板块和叶片的截面侧视图；

图4A是根据本发明另一个实施例的剪切闸板块和叶片的透视图；

图4B是沿线4B-4B截取的图4A中的剪切闸板块和叶片的截面侧视图；

图5A是根据本发明又一个实施例的剪切闸板块和叶片的透视图；

图5B是沿线5B-5B截取的图5A中的剪切闸板块和叶片的截面侧视图；

图6A是根据本发明一个替代实施例的剪切闸板块和叶片的透视图；以及

图6B是沿线6B-6B截取的图6A中的剪切闸板块和叶片的截面侧视图。

具体实施方式

参考以下优选实施例和附图可进一步了解本发明的前述方面、特征和优势，在附图中，类似参考数字表示类似的元件。描述附图中所示的本发明的优选实施例时，为清晰起见，将使用特定术语。然而，本发明并非意图限制于所使用的特定术语，且应了解，每个具体术语都包括以类似方式操作以实现类似目标的等效物。

图1中示出了典型的海底BOP组件，所述典型海底BOP组件包括下组套组件2和上组套组件4或下海底立管总成(LMRP)。例如，上组套组件4可包括立管转接器6、环形防喷器8、10、控制舱11和节流压井管线13。下组套组件2可包括框架12，所述框架在下端设有井口连接器14，用于连接到海底井口组件(未示出)和液压蓄能器15。一般来说，孔腔穿过BOP组件，包括穿过上组套组件4和下组套组件2，其中孔腔可包括管道。剪切闸板壳体16一般位于所述下组套组件上的管道闸板壳体18、20、22的上方。剪切闸板壳体16包括上剪切闸板块24和下剪切闸板块26，所述上剪切闸板块和下剪切闸板块附接至上叶片28和下叶片30(如图2所示)。每个管道闸板壳体18、20、22包括管道闸板块(未示出)，所述管道闸板块在配对面上设有半圆形凹槽，用于围绕不同尺寸范围的管道进行封闭。当打开时，所述剪切和管道闸板块位于所述孔腔的任一侧上。当关闭时，剪切闸板叶片28、30封闭所述孔腔。如果所述孔腔内存在管道，剪切闸板叶片28、30将剪切所述管道。

现在参考图2，其中图示了从剪切闸板壳体16拆除并且处于关闭位置的上剪切闸板块24和下剪切闸板块26。上剪切闸板块24具有限定表面或前端32的侧表面。上叶片28安装到上闸板块24的前端32。上叶片28具有前表面36，所述前表面具有上边缘38和前下边缘40。就本发明而言，关于闸板块和相关联部件所用的术语“前”应该表示从上剪切闸板块24的前端32朝向叶片28的表面36。在图2中所示的实例中，上叶片28的前下边缘40从上剪切闸板块24的前端32向前延伸的距离比上边缘38更远。上叶片28的表面36一般还可是凹面或收缩面，使表面36的中心相对于表面36的外端42、44处的更向前部分凹进。当然，上叶片28可使用不同的形状。可以看出，当关闭剪切闸板块24、26时，叶片28、30重叠，从而剪切位于BOP孔腔中的闸板块24、26之间的管道46。

参考图3A和3B，其中图示了根据本发明一个实施例的上剪切闸板块24和上叶片28的透视图(图3A)和截面侧视图(图3B)。为更好地了解本发明所提供的优势，理解在关闭剪切闸板期间作用于上剪切闸板块24和叶片28上的力将有所帮助。随着上剪切闸板块24向前移动以关闭，上叶片28下方的流体向上叶片28的底部施加向上的力F，该力可能非常高，在一些情况下超过15,000lbs/in²。该向上的力F，并且确切地说，所述向上的力F中作用在叶片28的前边缘40处或附近的部分，驱使所述叶片转动远离上剪切闸板块24，并且在上叶片28与上剪切闸板块24之间的接口处产生围绕紧固件48的力矩M。本发明的特征在于，例如，通过改进紧固件的定向以及闸板块24与叶片28之间接口的轮廓等，增强上剪切闸板块24和叶片28承受高压的能力。

例如，在图3A和图3B所示的实施例中，上叶片28使用多个紧固件48附接至上剪切闸板块24，所述多个紧固件以一定角度从上剪切闸板块24的上表面插入并穿过上叶片28的后表面50进入上叶片28中。穿过叶片的后表面50将叶片28紧固到上剪切闸板块24是有利的，因为这样可减少或消除紧固件穿过叶片28的表面36的需要，从而加固了叶片28并减少了穿过叶片28的可能的应力通路。在图3A和3B中，用于将上叶片28附接到上剪切闸板块24的紧固件48的数量是五个，但可在不偏离本发明的精神和范围的前提下，使用更多或更少的螺栓。所述紧固件可由非脆性和不易破裂的高强度材料制成。将紧固件成角度地穿过上剪切闸板块24并进入叶片28的后部中一个优势在于，紧固件48可在叶片28的中部或上部接合叶片28的后部，其中叶片28与所剪切的管道接触极少。与在叶片28的下部进行附接相比，这样可减少作用在所述紧固件上的剪切力。

图3B中还所示了在上叶片28的一部分之上延伸的上剪切闸板24的上唇缘52。该上唇缘52有助于减少上叶片28的旋转，如上所述，该旋转可由所述叶片下方的压力引起。将上唇缘52设置在叶片28上方有助于阻止叶片28的旋转，从而减少了紧固件48处的力矩M的大小。这样是有利的，因为可减小紧固件48和上叶片28上的应力，从而降低所述紧固件或叶片断裂或弯曲的可能性。

图3A和3B中还示出了在上叶片28下方从上剪切闸板24延伸的下唇缘54以及设置在上叶片28与下唇缘54之间的密封件56。在将上叶片28附接至上剪切闸板24的期间，随着紧固件48的拧紧，上叶片28将拉向下唇缘54，从而向密封件56提供能量并且在密封件56上形成紧固力。

图4A和4B示出了根据本发明另一个实施例的上剪切闸板块24和上叶片28的透视图(图4A)和截面侧视图(图4B)。可以看出，该实施例包括一些类似于图3A和3B所示实施例的特征。例如，紧固件48以一定角度从上剪切闸板块24插入并且进入上叶片28的后表面150中。类似地，上剪切闸板块24包括上唇缘52和下唇缘54以及密封件56。每个这些特征执行与上文相对于图3A和3B所述的功能类似的功能，并且是有利的，因为这些特征允许上剪切闸板块24和叶片28更好地承受来自叶片28下方的高压力F，尤其是在所述剪切闸板关闭期间。

另外，图4A和4B所示实施例包括的特征在于，叶片28的后表面150成角度，以便所述后表面基本垂直于紧固件48的纵轴。叶片28的成角度后表面150与上剪切闸板块24的类似成角度表面58相对应。上剪切闸板块24的成角度表面58以类似方式作用于上唇缘52上，因为它可减少叶片28的旋转，从而进一步降低作用在紧固件48上的力矩M。这是有利的，因为这样可以进一步减小紧固件48和上叶片28上的应力，从而进一步降低所述紧固件或叶片断裂或弯曲的可能性。

图5A和5B示出了根据本发明又一个实施例的上剪切闸板块24和上叶片28的透视图(图5A)和截面侧视图(图5B)。可以看出，该实施例包括一些类似于图3A、3B、4A和4B所示实施例的特征。例如，紧固件48以一定角度从上剪切闸板块24插入到上叶片28的后表面150中。类似地，上剪切闸板块24包括下唇缘和密封件56。另外，叶片28的后部150成角度，以便所述后部150的至少一部分基本垂直于紧固件48的纵轴。每个这些特征执行与上文相对于图3A、3B、4A和/或4B所述功能类似的功能，并且是有利的，因为它们允许上剪切闸板块24和叶片28更好地承受来自叶片28下方的高压作力F，尤其是在所述剪切闸板关闭期间。

另外，图5A和5B所示的实施例包括的特征在于，上唇缘152的厚度t大于上述实施例中的上唇缘52的厚度。另外，上唇缘152与叶片28的上边缘38向前延伸的距离大致相同，并且所述上唇缘沿着叶片28的上边缘38的轮廓延伸并具有下表面160，所述下表面在叶片28顶部的一部分之上向前和向下倾斜。上唇缘152的增加的厚度以及其向叶片28的上边缘38的进一步延伸，有助于进一步限制叶片28相对于上剪切闸板块24的旋转，从而进一步减小紧固件48上的力矩以及紧固件48和叶片28中的对应应力。另外，上唇缘152的向上和向下倾斜的下表面160有助于进一步将叶片28固定至上剪切闸板块24，并减少或消除叶片28沿任何方向相对于闸板块24的旋转。

图6A和6B示出了根据本发明一个替代实施例的上剪切闸板块24和上叶片28的透视图(图6A)和截面侧视图(图6B)。可以看出，该实施例包括一些类似于上述实施例的特征。例如，上剪切闸板块24包括下唇缘154和密封件156。每个这些特征执行与上文参照上述实施例所述的功能类似的功能，并且是有利的，因此这些特征允许上剪切闸板块24和叶片28更好地承受来自叶片28下方的高压力F，尤其是在所述剪切闸板关闭期间。

在图6A和6B所示的实施例中，下唇缘154在上叶片28下方从上剪切闸板24延伸并分层，分别具有不同厚度的第一部分154a和第二部分154b。还提供位于上叶片28和下唇缘54之间的密封件156。下唇缘的第一部分154a从上剪切闸板块24的前表面32向前延伸并且接触叶片28的底部129的至少一部分。下唇缘的第一部分154a的厚度可大于下唇缘的第二部分154b的厚度，并且提供针对叶片28向上旋转的一定阻力，从而有助于减小紧固件148内的剪切应力。下唇缘的第二部分154b执行与图3A和3B所示的下唇缘54类似的功能，也就是说，向密封件156提供能量。具体来说，在将上叶片28附接到上剪切闸板24期间，随着紧固件148拧紧，上叶片28将拉向下唇缘54(包括下唇缘的第二部分154b)，从而向密封件156提供能量并且在密封件156上形成紧固力。

另外，如图所示，将下唇缘的第一部分154a设置成抵靠叶片28的底部129的至少一部分，可允许叶片28的后部从密封件156处后移，从而降低所述密封件在闸板块24与叶片28之间向上挤出的趋势。这有助于降低上剪切闸板块24与叶片28之间的流体泄漏的可能性。

图6A和6B还示出了穿过叶片28的前表面36延伸到剪切闸板块24中的紧固件148。在图6A和6B中，五个紧固件148图示为从叶片28插入，但可使用更多或更少的紧固件。另外，在一些实施例中，外部紧固件可大于内部紧固件，以补偿可能作用在叶片28的外部上的较大压力。这样的配置也可能是有利的，以便内部紧固件不干扰所述叶片28的剪切区域。

另外，随着紧固件148扭转，叶片28向下唇缘54夹紧，从而向叶片28、下唇缘54与剪切闸板块24之间的密封件56提供能量并且压缩所述密封件。如图所示，紧固件148可以以相对于叶片28的一定角度插入，以便叶片28中的孔洞不会位于发生剪切的叶片28的下部中，从而减小紧固件148上的剪切应力。这种设计降低了紧固件148和叶片28上的应力，从而降低了断裂的可能性。

如上述实施例中的各种组合所述和所示，本发明的每个特征均可增强在剪切闸板关闭时，剪切闸板块24和叶片28承受高于15,000lbs/in²的井眼压力的能力。实际上，本说明书中所示和所述的闸板块和叶片设计可提高剪切闸板承受高达约20,000lbs/in²的压力或更大压力的能力。另外，当剪切孔腔中的管道或其他物体时，本发明的剪切闸板组件可承受高达约1,900,000lbs的剪切力。

尽管仅以一些形式图示或描述了本发明，但所属领域中的技术人员应显而易见地了解，本发明并不限于此，而是可在不偏离本发明的范围的前提下易于进行各种修改。此外，应该了解，以上公开的实施例仅用于说明本发明的原理和应用。相应地，在不偏离由随附权利要求书限定的本发明的精神和范围的前提下，可对说明性实施例做出各种修改且可设计其他布置。

Claims

1.一种用在防喷器(BOP)组套中的剪切闸板组件，所述剪切闸板组件具有剪切闸板壳体和孔腔，所述BOP的所述孔腔配置成在所述BOP附接到井口时，与井眼对准，所述剪切闸板组件包括：

闸板块，所述闸板块设置在所述剪切闸板壳体内且具有面向所述孔腔的前端，所述闸板块能够在打开位置和关闭位置移动，所述闸板块在所述打开位置从所述孔腔缩回，所述闸板块在所述关闭位置向所述孔腔伸出；

叶片，所述叶片具有前表面、后表面、下剪切边缘和上边缘，所述叶片通过紧固件附接至所述闸板块的所述前端，所述紧固件相对于所述闸板块的上表面成角度延伸穿过所述闸板块的一部分且到达所述叶片的所述后表面中，所述叶片的所述后表面成角度，以便所述后表面垂直于所述紧固件的纵轴。

2.根据权利要求1所述的剪切闸板组件，进一步包括：

上唇缘，所述上唇缘从所述闸板块的上部向所述孔腔延伸，所述上唇缘接触所述叶片，以减少在所述闸板块从所述打开位置向所述关闭位置移动期间，所述叶片相对于所述壳体的旋转，从而减小所述紧固件内的应力。

3.根据权利要求2所述的剪切闸板组件，其中，所述上唇缘与所述叶片的所述上边缘从所述闸板块的所述前端向前延伸的距离大体相同，并且所述上唇缘具有下唇缘表面，所述下唇缘表面接触所述叶片并在所述叶片的一部分之上向所述叶片的所述下剪切边缘向下倾斜。

4.根据权利要求1所述的剪切闸板组件，进一步包括：

下唇缘，所述下唇缘从所述闸板块的下部向所述孔腔延伸，所述唇缘与所述叶片隔开一定间隙；以及

密封件，所述密封件设置在所述下唇缘与所述叶片之间的所述间隙中，用于密封所述闸板块与所述叶片之间的接口。

5.一种用在防喷器(BOP)组套中的剪切闸板组件，所述剪切闸板组件具有剪切闸板壳体和孔腔，所述BOP的所述孔腔配置成在所述BOP附接至井口时，与井眼对准，所述剪切闸板组件包括：

闸板块，所述闸板块设置在所述剪切闸板壳体内且具有面向所述孔腔的前表面，所述闸板块能够在打开位置与关闭位置之间移动，所述闸板块在所述打开位置从所述孔腔缩回，所述闸板块在所述关闭位置向所述孔腔伸出；

叶片，所述叶片具有前表面、后表面、下剪切边缘和上边缘，所述叶片通过紧固件附接至所述闸板块的所述前表面；以及

上唇缘，所述上唇缘从所述闸板块的上部向所述孔腔延伸，所述上唇缘接触所述叶片，以减少在所述闸板块从所述打开位置向所述关闭位置移动时，所述叶片相对于所述壳体的旋转，从而减小所述紧固件内的应力。

6.根据权利要求5所述的剪切闸板组件，其中，所述紧固件相对于所述闸板块的上表面成角度延伸穿过所述闸板块的一部分且到达所述叶片的所述后表面中。

7.根据权利要求6所述的剪切闸板组件，其中，所述紧固件延伸到所述叶片的上部中相对于所述叶片的所述下剪切边缘更靠近所述上边缘处。

8.根据权利要求6所述的剪切闸板组件，其中，所述叶片的所述后表面成角度，以便所述后表面垂直于所述紧固件的纵轴。

9.根据权利要求5所述的剪切闸板组件，其中，所述紧固件延伸穿过所述叶片并进入所述闸板块的所述前表面中，所述紧固件具有可变的横截面积，以补偿根据每个紧固件相对于所述叶片的位置而可能作用于所述每个紧固件上的更大或更小的剪切力。

10.根据权利要求9所述的剪切闸板组件，其中，所述紧固件在相对于所述叶片的所述下剪切边缘更靠近所述上边缘处延伸穿过所述叶片的上部。

11.根据权利要求5所述的剪切闸板组件，其中，所述上唇缘与所述叶片的所述上边缘从所述闸板块的所述前表面向前延伸的距离大体相同，且所述上唇缘具有下唇缘表面，所述下唇缘表面接触所述叶片并且在所述叶片的一部分之上向所述叶片的所述下剪切边缘向下倾斜。

12.根据权利要求5所述的剪切闸板组件，进一步包括：

13.一种用在防喷器(BOP)组套中的剪切闸板组件，所述剪切闸板组件具有剪切闸板壳体和孔腔，所述BOP的所述孔腔配置成在所述BOP附接至井口时，与井眼对准，所述剪切闸板组件包括：

叶片，所述叶片具有前表面、后表面、下剪切边缘和上边缘，所述叶片通过紧固件附接至所述闸板块的所述前表面；

密封件，所述密封件设置在所述下唇缘和所述叶片之间的所述间隙中，用于密封所述闸板块与所述叶片之间的接口。

14.根据权利要求13所述的剪切闸板组件，其中，所述紧固件相对于所述闸板块的上表面成角度延伸穿过所述闸板块的一部分且到达所述叶片的所述后表面中。

15.根据权利要求14所述的剪切闸板组件，其中，所述紧固件延伸到所述叶片的上部中相对于所述叶片的所述下剪切边缘更靠近所述上边缘处。

16.根据权利要求14所述的剪切闸板组件，其中，所述叶片的所述后表面成角度，以便所述后表面垂直于所述紧固件的纵轴。

17.根据权利要求13所述的剪切闸板组件，其中，所述紧固件延伸穿过所述叶片并且进入所述闸板块的所述前表面，所述紧固件具有可变的横截面积，以补偿根据每个紧固件相对于所述叶片的位置而作用于所述每个紧固件上的更大或更小的剪切力。

18.根据权利要求17所述的剪切闸板组件，其中，所述紧固件在相对于所述叶片的所述下剪切边缘更靠近所述上边缘处延伸穿过所述叶片的上部。

19.根据权利要求13所述的剪切闸板组件，进一步包括：

20.根据权利要求19所述的剪切闸板组件，其中，所述上唇缘与所述叶片的所述上边缘从所述闸板块的所述前表面向前延伸的距离大体相同，且所述上唇缘具有下唇缘表面，所述下唇缘表面接触所述叶片并且在所述叶片的一部分之上向所述叶片的所述下剪切边缘向下倾斜。