CN107109914B - 用于减少流体锤击的压力调节器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种减少BOP系统中的液压冲击的方法，所述BOP系统包括压力调节器和调节器活塞，所述压力调节器具有输入口和输出口，所述调节器活塞基于经由导向口(pilot port)施加到所述调节器活塞的液压压力的变化在打开位置与关闭位置之间移动。所述方法包括：启动功能部件；以及在执行执行所述功能部件时时监测所述功能部件的状态，以预测所述功能部件临近结束其循环的时间。所述方法还包括：当所述功能部件达到预定状态时，通过所述导向口调整所述调节器活塞上的所述液压压力，以逐渐地在所述打开位置与所述关闭位置之间移动所述调节器活塞，从而以受控的方式减少流过所述流体通道的流体流，从而减小液压冲击。

Description

用于减少流体锤击的压力调节器
技术领域
本说明书中所公开的实施例大体上涉及压力调节器。确切地说，本说明书中所公开的实施例涉及压力调节器，其中流量受导向压力控制。
背景技术
钻井系统通常用于开采地球中的石油、天然气和其他地下资源。这些钻井系统可以根据所需资源的位置而设置在陆地上或海上。此外，此类系统包括控制钻井或抽采操作的各种部件，例如阀。通常，这些部件中的一些部件通过压力变化进行控制，例如，由液压控制系统提供的液压变化。
在一些此类系统中，液压压力调节器可用于以所调节的工作流体压力向下游部件例如电磁阀或BOP闸板提供流体。一种常用类型的液压压力调节器具有控制活塞，所述控制活塞响应于调节器内的压力大小而来回移动，以打开和关闭调节器的供给口和排放口。随着调节器中的控制活塞向关闭位置移动，关联功能部件(function)中的操作活塞对应地向关闭位置移动，并且流量的突然减少可能导致下游部件中的振动。所述振动被称为流体锤或者水锤。所述振动可以导致设备退化，并且随时间的推移，可能导致设备故障和其他问题。
发明内容
本发明的一个实施例提供一种减少BOP系统中的液压冲击的方法，所述BOP系统包括压力调节器和调节器活塞，所述压力调节器具有输入口和输出口，所述调节器活塞基于经由导向口施加到所述调节器活塞的液压压力的变化在打开位置与关闭之间移动，所述打开位置在所述输入口与所述输出口之间建立流体通道，以便流体可以在两者之间移动，并且所述关闭位置将所述流体通道切断。所述方法包括以下步骤：启动功能部件，以及在执行所述功能部件时监测所述功能部件的状态，以预测所述功能部件临近结束其循环的时间。所述方法进一步包括：将关于所述功能部件的所述状态的信息传输到控制器，所述控制器控制经由所述导向口施加到所述调节器活塞的液压压力量；以及确定所述功能部件在结束其循环之前达到预定状态的时间。此外，所述方法包括在所述功能部件达到所述预定状态时，经由所述导向口调整所述调节器活塞上的液压压力，以开始将所述调节器活塞向关闭位置移动。
本发明的一个替代实施例包括一种通过压力调节器打开和关闭流体流动通道的方法。所述方法包括以下步骤：在所述压力调节器的外壳上的离散位置处提供输入口和输出口以及导向口；以及在所述外壳内提供调节器活塞。所述调节器活塞能够在所述外壳内沿所述调节器活塞的纵轴移动，并且具有允许流体流通过所述调节器活塞的中空部分。所述调节器活塞在所述中空部分至少部分与所述输入口和输出口对准时处于打开位置，以便流体在所述输入口与输出口之间流动，并且在所述中空部分不与所述输入口和输出口对准时处于关闭位置。所述方法进一步包括以下步骤：通过调整调节器活塞上的液压压力来控制所述调节器活塞在打开位置与关闭位置之间的移动，所述液压压力经由所述导向口提供。
本发明的另一个实施例提供一种减少液压冲击的压力调节器，用于控制BOP组套上的功能部件，所述压力调节器包括外壳和调节器活塞，所述外壳具有输入口、输出口和导向口，所述调节器活塞具有中空部分并且被所述外壳围绕。所述调节器活塞能够在外壳内在打开位置与关闭位置之间移动，所述调节器活塞在所述中空部分将所述输入口与所述输出口连接时处于打开位置，以允许所述输入口与所述输出口之间压力连通，并且在所述中空部分与所述输入口或输出口中的一者或者两者不对准时处于关闭位置，以使所述输入口与所述输出口之间不存在压力连通。此外，所述调节器活塞的一部分与所述导向口压力连通，以使所述导向口中受控的压力变化使所述调节器活塞在所述打开位置与所述关闭位置之间移动，反之亦然。
附图说明
阅读本发明的非限定实施例的以下详细说明并且查看附图可更好地理解本发明，在附图中：
图1示出根据本发明一个实施例的压力调节器的等距视图；
图2示出根据本发明一个实施例的BOP组套的侧视图，其中所述BOP组套包括图1中的压力调节器；
图3示出沿图1线3-3截取的图1压力调节器的截面图，其中调节器活塞处于打开位置中；
图4示出沿图1线3-3截取的图1压力调节器的截面图，其中调节器活塞处于关闭位置中；
图5A是已知功能部件在其冲程期间的位置的图形表示；
图5B是在图5A功能部件的冲程期间的压力的图形表示，包括液压冲击；
图6是液压回路图，其中包括根据本发明一个实施例的压力调节器；
图7是示出使用本发明一个实施例中的压力调节器控制的功能部件的活塞的图形表示；
图8A是示出当导向压力设定在预定水平时，本发明的压力调节器中的流体流量与导向压力之间的关系；
图8B是示出当导向压力设定在图8A中所示值的替代预定水平时，本发明的压力调节器中流体流量与导向压力之间关系的图表；
图8C是示出当导向压力设定在图8A和8B中所示值的替代预定水平时，本发明的压力调节器中流体流量与导向压力之间关系的图表；以及
图8D是示出当导向压力设定在图8A-8C中所示值的替代预定水平时，本发明的压力调节器中流体流量与导向压力之间关系的图表。
具体实施方式
参考以下优选实施例和附图说明可进一步了解本发明的以上方面、特征和优势，其中在附图中，类似的参考数字表示类似的元件。下文涉及本发明的多个示例性实施例。所公开的实施例不得解释成或者以其他方式用于限制本发明，包括权利要求书的范围。此外，所属领域中的普通技术人员可认识到，以下说明拥有广泛应用，并且关于任何实施例的讨论仅用于对所述实施例进行示例性说明，并且并不暗示本发明，包括权利要求书的范围限于所述实施例。
现在参见附图，图1示出了根据本发明一个示例性实施例的压力调节器10。压力调节器10包括调节器主体12以及一系列端口，如下文进一步详述。
图2又示出了BOP组套组件16，包括所述压力调节器10附接到的底部海洋隔水管总成(lower marine riser package，LMRP)17，以及下部组套(lower stack)19。除其他部件之外，LMRP 17包括控制箱21，用于控制BOP组套16组件的部件。LMRP将流体从隔水管(未图示)通过控制箱21输送到下部组套19。
下部组套19包括典型BOP特征，例如框架18，所述框架具有位于下端处的井口连接器20，用于连接到海底井口组件(未图示)。通常，钻孔穿过BOP组套组件16，包括下部组套19，其中所述钻孔可以包括管道。剪切闸板外壳22通常设置在管道闸板外壳24的上方。剪切闸板22包括剪切闸板块(未图示)，所述剪切闸板块设置成在紧急情况下关闭钻孔并且剪断所述管道，以密封所述钻井。管道闸板外壳24包括管道闸板块(未图示)，所述管道闸板块设置成关闭所述钻孔并且围绕所述管道进行密封，从而密封环绕所述管道的环带。在图2中所示的实施例中，有多组闸板外壳。
在一些实施例中，本发明的压力调节器10可以液压连接到剪切和/或管道闸板外壳，以提供液压压力以关闭所述剪切和/或管道闸板块，如下文进一步详述。压力调节器10还可以用于液压地控制BOP组套的其他部件，例如节流阀和压井阀。
现参见图3，其中示出了根据本发明一个或多个实施例的压力调节器10的截面图。压力调节器10包括调节器主体12。调节器活塞26可滑动地设置在调节器主体12内。在图3中，调节器活塞26图示成由两个单独的部分构成。此设计允许在制造过程中简便地组装。在其他实施例中，调节器活塞可以由单个部件或者两个以上的部件构成。调节器活塞26经由通道30与调节器主体12的出口28以及入口31流体连通。出口28又与功能部件例如一对BOP闸板或阀连通。压力调节器10的一个目的是帮助维持出口28处的恒定压力。入口31与流体供应系统例如液压系统或累积器连通。
调节器活塞26包括内部通道32，所述内部通道又包括纵向活塞孔通道34以及与纵向活塞孔通道34相交的横向活塞孔通道36。调节器主体12还可以包括调节器盖38，所述调节器盖附接到并且密封调节器主体12的端部。一个调节器盖38具有延伸到调节器主体12中的突起40。所述突起是中空的，并且包围纵向盖孔通道42以及与纵向盖孔通道42相交的横向盖孔通道44。纵向盖孔通道42可以与纵向活塞孔通道34同轴。如图所示，纵向活塞孔通道34的直径足以接纳突起40的至少一部分的插入，以便当调节器主体12完全组装时，调节器活塞26围绕突起40的一部分。调节器活塞26能够相对于突起40轴向移动，并且调节器活塞26与突起40之间的接口通过调节器活塞轴承46引导。突起40的端部敞开，以便流体能够在纵向活塞孔通道34与纵向盖孔通道42之间自由流动。
除上述之后，调节器10还包括导向口47，所述导向口控制与调节器活塞26的内部通道32相对的调节器活塞26的一端上的液压压力。所述液压压力可以通过将流体经由导向口47引入邻近调节器活塞26端部的空间49中而升高，并且通过从空间49去除流体而降低。导向口47的一个目的是帮助通过升高或降低调节器活塞26上的液压压力使调节器活塞26在打开位置与关闭位置之间移动。
另外如图3中所示，调节器10可以视情况包括压力回读口51，所述压力回读口旨在提供通向外壳12内部的通道，以读取外壳12内部的压力读数，所述压力读数可用于帮助确定经由导向口47提供给空间49的适当压力。压力调节器10还包括排放口53。有时，出口28中的压力可能超出空间49中的导向压力。当此情况发生时，出口28中的所述高压可以使调节器活塞26进一步向关闭位置移动，直到横向活塞孔通道36部分与排放口53对准。所述对准允许流体经由排放口53从调节器排出，直到出口28中的压力恢复到空间49中的导向压力，并且调节器活塞26返回到图4中所示的关闭位置。
现在将参考图3和图4描述调节器10的功能。在附图中，图3示了出调节器10，其中活塞处于打开位置(其中流动通道在入口31和出口28之间沿流动通道30打开)。如上所述，调节器活塞26与调节器主体12的出口28处于恒定流体连通状态，不论其在调节器外壳12内的位置。在图3的打开位置中，横向活塞孔通道36也经由通道30与入口31流体连通。通常，调节器活塞26处于打开位置，因为出口28处的压力低于期望值。要补救此压力不足，入口31处的流体可以以高于出口28处期望压力的压力提供。
例如，在图3中所示的示例性实施例中，如果出口28处的压力小于3000psi，并且操作员期望将出口28处的压力提高到3000psi，则可以在入口31处以高于3000psi的压力提供流体。在本实施例中，入口31处的较高压力可提高出口28处的压力。
现在参见图4，调节器活塞26图示成处于关闭位置(入口31与出口28之间不存在流动通道)。在所述关闭位置中，横向活塞孔通道36不与入口31对准，以便只有进入或离开纵向活塞孔通道34或横向活塞孔通道36的流体通道穿过出口28。调节器活塞26在图3中的打开位置与图4中的关闭位置之间的移动可通过降低与调节器活塞26的端部相邻的空间49中的液压压力来执行。液压压力的降低可以通过经由导向口47去除空间49中的流体来实现。
在调节器活塞26从打开位置向关闭位置移动时可能发生的一个问题是功能部件中发生液压冲击或者水锤。当运动状态下的流体被强制突然停止或更改方向时，将发生水锤现象。图5A和5B是分别示出一些已知系统的功能部件在关闭过程中的位置和压力梯度，并且旨在示出本发明所解决的水锤问题。尽管图5A和5B中所示的水锤是在功能部件本身中发生的，但是功能部件中的操作活塞的移动对应于并且受控于调节器10中的调节器活塞26的移动。
现在参见图5A，其中从功能部件随时间变化所处的位置的角度，示出了一些已知功能部件的冲程。如图所示，在启动所述功能部件之前，其位置是静止的，如该图表中的部分50所示。在图表的部分52中，功能部件的位置随着所述功能部件从打开位置，即线55所指示的位置向关闭位置，即线57所指示的位置移动而改变。当所述功能部件到达关闭位置时，所述功能部件的操作活塞几乎会突然立即停止移动。冲程结束时发生的这种突然停止图示成出现在关闭位置57中的锐角59。
图5B中的图表示出了在图5A的整个冲程期间，与所述功能部件相对应的压力，包括在许多已知系统中发生的水锤现象。确切地说，该图表中的部分74示出了当功能部件点火时所述功能部件中的流体压力。在此阶段中，所述功能部件刚开始移动。该图表中的部分76示出了当功能部件启动时所述调节器中的流体压力。如图所示，在此阶段中，所述压力低于上一阶段，但仍然稳定。该图表中的部分80示出了通常在功能部件完成时通常发生的情况。随着功能部件完成，所述功能部件突然向关闭位置移动并且压力开始骤升，然后振荡，直到达到平衡。这就是水锤，并且它能够损坏BOP系统的部件。
一种减少或消除BOP系统部件中的水锤的方式是在冲程的一部分期间，更好地控制调节器10中的调节器活塞26在打开位置与关闭位置之间移动，因为调节器活塞26的所述移动与功能部件中的操作活塞的移动相对应。这可以使用由控制器56(如图6中所示)控制的导向口47实现。根据本发明的一个示例性实施例，图6中的液压回路58的图设计成模拟BOP控制系统，并且用于示出可以如何构造和运作导向口47和控制器56以控制阀59或其他BOP部件。控制器56可以是能够接收数据并且使用逻辑生成输出信号的任何装置。例如，控制器56可以是可编程逻辑控制器(PLC)。
如图6中所示，用于驱动阀59(或下部BOP组套16中的其他功能部件)的液压流体存储在储液器60中。所述流体使用泵62泵送到调节器10。储液器60与调节器10之间的流体流动速率可以使用流量计64进行测量，并且其压力可以使用压力传感器66进行测量。可以提供累积器68以根据需要补充流量。尽管出于简明目的仅示出单个累积器68，但是本发明的系统中可使用任意数量的累积器。
调节器10可以如图3和图4中所示进行构造，并且调节器活塞26在调节器10内的位置可以使用连接到控制器56和导向口47的一对阀70、71进行控制。在实践中，控制器56接收与功能部件的状态相关的数据，如下文进一步详述，并且确定是否经由导向口47向调节器10添加流体，从而将调节器活塞26向打开位置推动，或者经由导向口47从调节器10中去除流体，从而将调节器活塞26向关闭位置移动。例如，阀71可以打开以从来源73向调节器10的导向口47供应流体，以提高调节器10的空间49中的压力。或者，阀70可以打开以将流体从调节器10的空间49排出，以降低调节器10中的压力。
当调节器活塞26处于打开位置中时，流体经由出口28流出调节器10，并且流向阀59或其他功能部件。所述流体的压力可以使用压力传感器72进行测量。
为避免调节器10中在功能部件点火之后出现水锤，控制器56可以接收关于离开调节器10的流体的压力信息，以及关于阀59或者与其相关的功能部件的位置信息。随着阀59接近其关闭位置，并且/或者关联功能部件接近结束其冲程，控制器56可以开始降低空间49中的液压压力，从而在所述功能部件完全完成之前，开始执行将调节器活塞26移动到关闭位置的过程。通过这种方式，控制器56可以在功能部件完成时逐渐减少通过调节器的流体流量，并且避免通过调节器10的流体流突然停止。由于调节器活塞26向关闭位置的移动与阀59的移动相对应，并且转而与由调节器10控制的关联功能部件向关闭位置的移动相对应，因此，所述功能部件在其循环结束时的逐渐移动将相应地导致穿过功能部件的流量逐渐减少，从而减少功能部件中的水锤。控制器56可以通过专门针对由调节器10调节的特定功能部件定制的算法进行控制。
图7中的图表示出了当使用本发明的调节器10执行功能部件时所述功能部件的位置。图7中的图表可以与图5A中的图表进行比较，以显示已知系统(如图5A中所示)与本发明的实施例的系统(如图7中所示)之间的差异。在图7中，图表的部分50'示出了在功能部件点火之前所述功能部件的稳定位置。该图表中的部分52'示出了在功能部件启动时所述功能部件的位置。如图所示，在此阶段中，所述功能部件以相对稳定的速度移动穿过其冲程的第一部分。
但是当功能部件在例如线78所指示的时间完成之前，控制器56(在功能部件执行期间接收关于所述功能部件的状态的信息)开始使用导向口47将调节器10中的调节器活塞26向关闭位置移动。这样可允许当功能部件接近完成时逐渐减少通过调节器10的流速，并且相应减慢所述功能部件。最后，该图表中的部分54'示出了当功能部件完成时关闭位置的稳定状态。显然，在时间78与时间57'之间，即在功能部件开始减慢的时间与功能部件完成的时间之间，功能部件的位置逐渐减慢。结果是冲程的结束由曲线59'限定，这与图5A中的角度59所指示的突然停止相反。通过避免在冲程结束时突然停止，可以减少或消除水锤。
本发明的一个惊人特征在于，仅经由导向口47调整空间49中的液压压力将使调节器活塞26移动并且减小通过调节器10的流速。此特征的优势在于，可简化调节器10操作期间调节器活塞26移动的控制，因为操作员只需控制进入导向口47的压力以控制调节器活塞26。尽管仅导向压力即可使调节器活塞26向关闭位置移动，但是在一些实施例中，还可以使用弹簧或其他装置帮助移动调节器活塞26。
图8A-8D是示出调节器10中导向压力与流速之间的相关性的相关实验结果。当然，通过调节器10的流速与调节器活塞26的位置直接相关，所述调节器活塞的位置由导向压力控制。图8A示出了当导向压力设定在相对较高值(4,000psi)时，流速也维持在高值(约400GPM)。但是如图8B、8C和8D中的图表所示，随着导向压力降低，流速也降低。例如，图8B中的1250psi的导向压力与低于350GPM的流速相对应。类似地，图8C中的1000psi的导向压力与约275GPM的流速相对应，并且750psi的导向压力与仅约175GPM的流速相对应。
尽管已相对于有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于本发明的所属领域中的技术人员应认识到，可以在不脱离本说明书中所述的本发明的范围的前提下设计其他实施例。因此，本发明的范围仅由随附的权利要求书限定。

Claims (18)

1.一种减少BOP系统中的液压冲击的方法，所述BOP系统包括压力调节器和调节器活塞，所述压力调节器具有输入口和输出口，所述调节器活塞基于经由导向口施加到所述调节器活塞的液压压力的变化在打开位置与关闭之间移动，所述打开位置在所述输入口与所述输出口之间建立流体通道，以便流体能够在两者之间移动，并且所述关闭位置将所述流体通道切断，所述方法包括：
(a) 启动功能部件；
(b) 在执行所述功能部件时监测所述功能部件的状态，以预测所述功能部件临近结束其循环的时间；
(c) 将关于所述功能部件的所述状态的信息传输到控制器，所述控制器控制经由所述导向口施加到所述调节器活塞的液压压力量；
(d) 在所述功能部件的循环结束之前，确定所述功能部件达到预定状态的时间；以及
(e) 当所述功能部件达到所述预定状态时，通过所述导向口调整所述调节器活塞上的所述液压压力，以开始将所述调节器活塞向所述关闭位置移动。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述调节器活塞通过降低经由所述导向口施加到所述调节器活塞的所述液压压力量来向所述关闭位置移动。
3.根据权利要求1所述的方法，其中步骤（e）进一步包括使用阀控制经由所述导向口施加的所述液压压力量。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述功能部件是选自由以下项构成的群组的功能部件：阀和防喷器闸板。
5.根据权利要求1所述的方法，进一步包括以下步骤：经由压力回读口确定调节器外壳中邻近所述入口处的压力。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述控制器处理关于所述功能部件的所述状态的所述信息，并且使用算法确定何时开始调整所述调节器活塞上的所述液压压力。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述出口中的所述压力大体等于所述导向口中的所述压力。
8.一种通过压力调节器打开和关闭流体流动通道的方法，所述方法包括：
(a) 在所述压力调节器的外壳上的离散位置提供输入口和输出口，以及导向口；
(b) 在所述外壳内提供调节器活塞，所述调节器活塞能够沿所述调节器活塞的纵轴在所述外壳内移动，并且具有允许流体流通过所述调节器活塞的中空部分，所述调节器活塞在所述中空部分至少部分与所述输入口和输出口对准时处于打开位置，以便流体在所述输入口与输出口之间流动，并且在所述中空部分不与所述输入口和所述输出口对准时，处于关闭位置；
(c) 通过调整调节器活塞上的液压压力来控制所述调节器活塞在打开位置与关闭位置之间移动，所述液压压力经由所述导向口提供；
所述方法进一步包括以下步骤：
(d) 启动功能部件；
(e) 在执行所述功能部件时监测所述功能部件的状态，以预测所述功能部件临近结束其循环的时间；
(f) 当所述功能部件达到所述预定状态时，通过所述导向口调整所述调节器活塞上的所述液压压力，以开始将所述调节器活塞向所述关闭位置移动。
9.根据权利要求8所述的方法，进一步包括以下步骤：
(g) 将关于所述功能部件的所述状态的信息传输到控制器，所述控制器控制通过所述导向口施加到所述调节器活塞的液压压力量；
(h) 在所述功能部件的循环结束之前，确定所述功能部件达到预定状态的时间。
10.根据权利要求8所述的方法，其中步骤（f）进一步包括使用阀控制经由所述导向口施加的所述液压压力量。
11.根据权利要求8所述的方法，其中所述功能部件是选自由以下项构成的群组的功能部件：阀和防喷器闸板。
12.根据权利要求8所述的方法，进一步包括以下步骤：通过压力回读口确定所述外壳中邻近所述入口处的压力。
13.根据权利要求9所述的方法，其中所述控制器处理关于所述功能部件的所述状态的所述信息，并且使用算法确定何时开始调整所述调节器活塞上的所述液压压力。
14.根据权利要求8所述的方法，其中所述出口中的所述压力大体等于所述导向口中的所述压力。
15.一种减少液压冲击的压力调节器，用于控制BOP组套上的功能部件，所述压力调节器包括：
外壳，所述外壳具有输入口、输出口和导向口；
调节器活塞，所述调节器活塞具有中空部分并且被所述外壳围绕，所述调节器活塞能够在所述外壳内在打开位置与关闭位置之间移动，所述调节器活塞在所述中空部分将所述输入口与所述输出口连接时处于所述打开位置，以允许所述输入口与所述输出口之间压力连通，并且在所述中空部分与所述输入口或输出口中的一者或者两者不对准时处于所述关闭位置，以使所述输入口与所述输出口之间不存在压力连通；
所述调节器活塞的一部分与所述导向口压力连通，以使所述导向口中受控的压力变化使所述调节器活塞在所述打开位置与所述关闭位置之间移动，反之亦然；
进一步包括控制器，所述控制器接收关于受所述压力调节器控制的所述功能部件的所述状态的数据，并且随着所述功能部件临近完成时逐渐调整所述调节器活塞在所述打开位置与所述关闭位置之间的位置，以减小液压冲击。
16.根据权利要求15所述的压力调节器，其中所述功能部件是选自由以下项构成的群组的功能部件：阀和防喷器闸板。
17.根据权利要求15所述的压力调节器，其中所述出口中的所述压力大体等于所述导向口中的所述压力。
18.根据权利要求15所述的压力调节器，进一步包括压力回读口，所述压力回读口测量所述外壳中邻近所述入口处的压力，并且将关于所述压力的数据发送到所述控制器。
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