CN107709697B

CN107709697B - 环空隔离阀组件

Info

Publication number: CN107709697B
Application number: CN201680039187.3A
Authority: CN
Inventors: 拉斯·提姆贝里德·兰德赫姆; 克里斯特·博兰德; 克里斯·奥里亚洛; 格雷格·皮特里
Original assignee: Aker Solutions AS
Current assignee: Aker Solutions AS
Priority date: 2015-07-03
Filing date: 2016-06-27
Publication date: 2020-11-03
Anticipated expiration: 2036-06-27
Also published as: NO343298B1; AU2016291085B2; GB2556722B; RU2720114C2; GB2556722A; BR112018000075B1; CN107709697A; GB201800439D0; NO20150862A1; US20180187513A1; BR112018000075A2; US10697270B2; RU2018102962A; WO2017007332A1; RU2018102962A3; MY190774A; AU2016291085A1

Abstract

一种环空隔离阀组件(1)，其是油管悬挂器组件(100)的一部分，其具有阀孔(5)和滑动套筒(11)，该阀孔(5)具有流体口(9)，该滑动套筒(11)布置在阀孔(5)中并且具有轴向延伸的套筒孔(13)。滑动套筒(11)具有面向径向的套筒端口(17)。液压活塞(21)功能性地连接到滑动套筒(11)。滑动套筒(11)包括与面向径向的套筒端口(17)流体连通的面向轴向的流体端口(47)。

Description

环空隔离阀组件

技术领域

本发明涉及与水下井组件(subsea well assembly)的油管悬挂器(tubinghanger)相关联的环空隔离阀组件(annulus isolation valve assembly)。环空隔离阀适于打开和关闭，以便与水下井的油管环空进行流体连通，并且在关闭时构成井屏障。

背景

已知多种环空隔离阀设计。有时将环空隔离阀称为油管环空阀或环空接入阀(annulus access valve)等。当水下采油树没有安装在油管悬挂器上方时，环空隔离阀布置在油管悬挂器中，构成油管环空与环境之间的井屏障。当水下采油树安装在油管悬挂器上方时，环空隔离阀应打开，使油管环空与采油树之间的流体路径打开。

在国际申请公开WO0173256中示出了一种设计。在此，油管悬挂器具有闸阀形式的环空隔离阀。闸门适于在打开阀和关闭阀位置之间沿竖直方向往复运动。流体路径与闸门的往复方向交叉地延伸，并且通过移动闸门而打开和关闭。

在专利公开US6840323中示出了不同的设计。在此，阀套的孔内布置有固定的阀座。通过移动阀套，固定的阀座相对于阀套从大直径部分移动到小直径部分。当在小直径部分中时，固定的阀座抵靠阀套密封，从而关闭流体路径。值得注意的是，流体流过阀套孔。而且，流体直接与阀座的密封件和相对的阀套孔密封表面接触地流动。

美国专利公开US5706893公开了另一种设计。该阀类似于闸阀，其中闸门从中央布置并且旋转的阀套水平伸出。闸门具有孔口，该孔口在处于打开位置时与竖直流动路径对齐，并且该孔在处于关闭位置时从竖直流动路径被移除。

WO2010022170描述了一种设计，其中轴向移动的阀套与流动孔平行布置。阀套是中空的并且呈现上部孔口和下部孔口。在第一(打开)轴向位置中，上部孔口与流动端口对齐，该流动端口与流动孔连通，而下部孔口与油管环空连通。在第二(关闭)轴向位置中，上部孔口和下部孔口都与圆柱形壁对齐，阀套被支撑在该圆柱形壁内。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种环空隔离阀组件，其是油管悬挂器组件的一部分，该环空隔离阀组件(AIV组件)包括具有流体口(fluid mouth)的阀孔。AIV组件还包括布置在阀孔中并具有轴向延伸的套筒孔的滑动套筒。滑动套筒包括面向径向的套筒端口。液压活塞功能性地连接到滑动套筒。根据本发明的第一方面，滑动套筒包括与该面向径向的套筒端口流体连通的面向轴向的流体端口。

环空隔离阀组件是油管悬挂器组件的一部分是指环空隔离阀组件是油管悬挂器的集成部分，例如集成在油管悬挂器主体内，或者环空隔离阀组件可以附接到油管悬挂器主体，例如在油管悬挂器主体下方。

当套筒端口与流体口对准或至少流体连通时，环空隔离阀组件将处于打开模式或位置。因此，滑动套筒可以滑入这种打开模式并且可以从这种打开模式滑出，从而打开和关闭环空隔离阀。

当阀组件处于打开模式时，穿过阀组件的流体路径延伸穿过滑动套筒。特别地，穿过滑动套筒的流体路径在面向轴向的端口和面向径向的端口(套筒端口)之间延伸。结果，流体中的压力将对滑动套筒施加力。因此，操作者将能够通过控制进入面向轴向的端口的流体中的压力来致动滑动套筒的移动。

有利的是，AIV组件还包括主液压打开室和主液压关闭室。

优选地，套筒端口在轴向方向上布置在该面向轴向的流体端口和封闭的套筒端部部分之间。然后，辅助液压关闭室由至少封闭的套筒端部部分、阀孔的第一端部和阀孔限定。

也就是说，辅助液压关闭室可以有利地由封闭的套筒端部部分和阀孔的第一端部轴向地限定，并且由阀孔的壁径向地限定。

还可以设想其中主液压关闭室和辅助液压关闭室交换位置的实施方案。在这样的实施方案中，封闭的套筒端部部分与阀孔的第一端部之间的室将是主液压关闭室，其将在正常使用期间由操作者使用。

在一些实施方案中，AIV组件可以以竖直或倾斜的方向布置。然后，阀孔的第一端部是下部阀孔端部。而且，固定的插入套筒延伸到套筒孔中并界定主液压打开室的壁部分。液压活塞是从滑动套筒径向突出出来的环形部。

在特定实施方案中，活塞补偿器与主液压关闭室或辅助液压关闭室流体连通。而且，活塞补偿器包括位置指示装置。

利用这样的实施方案，操作者能够通过检查位置指示装置来确立滑动套筒的位置。

在一个实施方案中，阀孔的第一端部在阀主体中，该阀主体附接到油管悬挂器组件的主体的下部部分。阀主体可以优选通过螺栓附接到油管悬挂器的主体，因此是容易地可拆卸的。

根据本发明的第二方面，提供了一种将油管悬挂器组件的环空隔离阀组件从关闭模式转换到打开模式的方法，其中油管悬挂器组件在水下采油树下方安装在水下井口组件中。环空隔离阀组件构成了油管环空和水下采油树的环空孔之间的封闭件，其中该方法包括以下步骤：

a)排空主液压关闭室；

b)在水下采油树的环空孔中施加流体压力，由此将环空隔离阀组件的滑动套筒从关闭位置向下推动到打开位置。

当安装在水下井口组件中时，油管悬挂器组件通常安装在井口内或井口与水下采油树之间的油管头短节(tubing head spool)中。

步骤a)还可包括排空辅助液压关闭室。

根据本发明的第三方面，提供了一种确定或验证在水下采油树下方安装在井口组件中的油管悬挂器组件的环空隔离阀组件的打开模式的方法。环空隔离阀组件具有液压关闭室和液压打开室。方法包括以下步骤：

a)通过在液压打开室中施加液压压力使滑动套筒从关闭位置移动到打开位置之后，使液压关闭室通风；

b)然后密封液压关闭室；

c)在液压打开室中施加液压压力，同时监测液压关闭室中的流体压力。

为了执行该方法，可以在步骤c期间将压力计布置在测量液压关闭室的流体压力的位置。如果测得的压力变化超过阈值，则表示滑套没有达到打开位置。如果压力变化低于阈值，则表示滑动套筒未移动，因此表示液压打开室的重复加压未影响滑动套筒。这进一步表示滑动套筒处于打开位置。

附图说明

以上概括地描述了本发明，下面给出了实施方案的示例。参照附图来讨论该实施方案，其中：

图1是包括处于关闭模式的根据本发明的环空隔离阀组件的油管悬挂器组件的横截面图；

图2是沿垂直于图1所示的视图的方向看到的图1中所示的油管悬挂器组件的横截面图；

图3是与图1相同的视图，然而示出了处于打开模式的环空隔离阀组件；

图4是与图2相同的视图，然而示出了处于打开模式的环空隔离阀组件；

图5是以关闭模式示出的前述附图中所示的环空隔离阀组件的放大横截面视图；

图6是与图5相对应的环空隔离阀组件的放大截面图，然而其以打开模式示出；

图7是包括根据本发明的环空隔离阀组件的油管悬挂器组件的另一实施方案的透视图；

图8是穿过图7所示的油管悬挂器组件的横截面图；

图9是穿过图8所示的油管悬挂器组件的另一横截面图，该横截面图是沿着与图8中的方向垂直的方向看到的并且示出了处于关闭模式的环空隔离阀组件；

图10是对应于图9的视图的放大横截面图，然而示出处于打开模式的环空隔离阀组件；

图11是根据特定实施方案的辅助液压关闭通道的示意图；并且

图12是安装在海床上的井口内的油管悬挂器组件的原理图。

具体实施方式

图1是油管悬挂器100的横截面侧视图。油管悬挂器100通常构造成井口组件(未示出)的一部分，该井口组件包括水下井的顶部上的井口和井口上方的水下采油树。图1所示的油管悬挂器100将在采油树下方安置在井口组件中，例如在井口中或井口和采油树之间的油管头短节中。在使用时，生产油管将从油管悬挂器向下悬垂到水下井中。

在油管悬挂器100中布置有生产孔101。而且，邻近生产孔101，在油管悬挂器主体中具有环空接入孔103。环空接入孔103提供了在油管悬挂器100下方的生产油管环空与油管悬挂器上方的采油树之间的流体连通。

当采油树安置在油管悬挂器100的上方时，托管架(stinger)(未示出)从采油树向下延伸并延伸到布置在油管悬挂器100的上部部分中的托管架接口12中。

当采油树未安装在油管悬挂器100上方时，必须关闭油管环空的接入。因此，环空隔离阀(AIV)组件1布置在环空接入孔103内。

图2示出了与图1中所示的相同的油管悬挂器100，其是在垂直于图1所示的视图的方向上看到的穿过AIV组件1的侧视横截面图。AIV组件1包括支撑在阀孔5中的滑动套筒11。滑动套筒11适于在阀孔5内在打开和关闭位置之间轴向移动。即，当滑动套筒11处于打开位置时，AIV组件1处于打开模式，而当滑动套筒11处于关闭位置时，AIV组件1处于关闭模式。这在以下将更加详细地描述。

当分别在打开位置和关闭位置之间移动时，滑动套筒11在打开与下部阀通道10的流体连通和关闭与下部阀通道10的流体连通之间改变。下部阀通道10构成通向油管环空的流体路径的至少一部分。

尽管图1和图2示出了处于关闭模式的AIV组件1，但是图3和图4的对应视图分别示出了处于打开模式的AIV组件1。如技术人员将理解的，在图3和图4中，与图1和图2中的位置相比，滑动套筒11处于较低的位置。

现在参考图5和图6的放大横截面图，以更详细地描述根据本发明实施方案的AIV组件1的功能。

图5描绘了环空隔离阀(AIV)组件1，如图1和图2中的关闭模式中所示。

在油管悬挂器主体3内布置有阀孔5。阀孔5具有封闭的下部端部7。在下部端部7上方的某轴向距离处，阀孔5具有两个流体口9。流体口9经由下部阀通道10与环空流体连通。在所示实施方案中，AIV组件1包括两个流体口9，该两个流体口9与滑动套筒11的相应套筒端口17对齐。在其他实施方案中，可以只有一个流体口9和端口17的配对，或者甚至多于两个配对。

在阀孔5内布置有滑动套筒11。滑动套筒11适于在阀孔5内沿轴向(竖直)方向往复运动。滑动套筒11具有套筒孔13和下部套筒端部15。在下部套筒端部15上方某距离处，贯通的套筒端口17布置在套筒孔13中。在图5中，套筒端口17与阀孔5的壁部分对齐。通过使滑动套筒11轴向向下移动，套筒端口17可以与流体口9对齐。该位置示出在图6中。当处于这个对齐的位置时(图6)，AIV组件1处于打开模式，允许接入油管环空。

在所示实施方案中，在套筒端口17的下方，滑动套筒11具有下部套筒部分19，该下部套筒部分19是整块的(massive)(没有孔)。因此，下部套筒部分19是封闭的套筒端部部分。在套筒端口17上方，套筒孔13向上延伸。在套筒孔13的上部部分处布置有液压活塞21，该液压活塞从套筒孔壁23径向向外突出。液压活塞21可沿着作为阀孔5的加宽部分的液压室孔25在上部位置和下部位置之间移动。

固定的插入套筒27固定到油管悬挂器100的主体3，该插入套筒27延伸到套筒孔13中一段距离。固定的插入套筒27具有内孔，该内孔在两个轴向端部是开口的。此外，固定的插入套筒27平行于液压室孔25轴向地延伸。套筒孔13的上部部分构成面向轴向的流体端口47。当处于打开模式时，环空流体可以穿过面向轴向的流体端口47流过AIV组件。如图5所示，固定的插入套筒27穿过面向轴向的流体端口47延伸到套筒孔13中。

现在参考图6，示出了AIV组件1的打开模式。AIV组件1具有主液压打开室29，该主液压打开室29由液压室孔25和固定的插入套筒27径向地限定，并且由液压活塞21和固定的插入套筒27的上肩部31轴向地限定。

再次参见图5，主液压关闭室33径向地限定在液压室孔25与滑动套筒11之间，并由液压活塞21和活塞安置肩部(piston landing shoulder)37轴向地限定在阀孔5中。

主液压关闭通道35穿过油管悬挂器100的主体3通向主液压关闭室33。相应地，主液压打开通道39通向主液压打开室29。因此，通过将加压液压流体施加到相应的主液压室29、33，操作者能够在打开位置和关闭位置(分别为图6和图5)之间致动AIV组件1。双向密封件(bi-directional seals)41适当地布置在滑动套筒11的外表面和阀孔5之间。在套筒孔和固定的插入套筒27之间也设置有密封件41。双向密封件41可以包括一对相反指向的单向密封件。技术人员将能够根据需要提供适当类型的密封件。

液压流体可以以各种方式供应，例如利用ROV(遥控操作装置)、SCM(水下控制模块)或利用其他接口。

通常，当竖直的采油树(未示出)布置在油管悬挂器100上方时，希望AIV组件1处于打开位置或模式。而且，当竖直的采油树被移除时，希望AIV组件1保持关闭，构成井屏障。

因此，关闭AIV组件1的能力是至关重要的。因此，布置了冗余的辅助关闭装置。在阀孔5的下部端部7和下部套筒端部15之间布置有辅助液压关闭室43。辅助液压关闭通道45提供液压流体源与辅助液压关闭室43之间的流体连通。因此，如果由于某种原因，操作者不能通过使用主装置(即通过向主液压关闭室33施加液压压力)来关闭AIV组件1，则他可以通过在辅助液压关闭室43内施加液压压力来致动滑动套筒11。

相应地，存在打开AIV组件1的冗余或辅助装置，以防备操作者由于某种原因无法通过在主液压打开室29内施加液压压力来打开AIV组件1。作为用于沿轴向向下方向致动滑动套筒11的辅助装置，他可以排空主液压关闭室33和辅助液压关闭室43。然后他可以在套筒孔13内施加流体压力。由于套筒端口17面向径向方向，而面向轴向的流体端口47面向轴向方向，因此套筒孔13内的流体压力会将向下指向的力施加到滑动套筒11上。因此，滑动套筒11可向下移动到打开位置(图6)，其中套筒端口17与阀孔5的流体口9对齐。为了防止主液压打开室29中的真空阻碍滑动套筒11朝向打开位置的移动，可以有利地使该室通风(ventilate)。

在上面参考图1至图6所讨论的实施方案中，AIV组件1被嵌入在油管悬挂器100的主体3内。下面参照图7至图10描述了AIV组装体1的另一实施方式。在该实施方案中，AIV组件1被外部地安装在油管悬挂器100的主体3下方。

图7的透视图示出了具有主体3和生产孔101的油管悬挂器100。阀主体49螺栓连接到主体3的下部部分，该阀主体49通过螺栓51螺栓连接到主体3。图8的横截面图描绘了图7中所示的油管悬挂器100。这里，油管悬挂器100的上部部分中的托管架接口12在轴向上远离AIV组件1。

在该第二实施方案中示出的AIV组件1的功能对应于上面参照图1至图6讨论的实施方案的功能。AIV组件1具有在阀孔5内往复运动的滑动套筒11。图9的截面图示出处于上部位置的滑动套筒11，该上部位置是关闭位置。图10的横截面图示出处于下部位置的滑动套筒11，该下部位置是打开位置。

对应于所讨论的第一实施方案，AIV阀1的该实施方案也具有主液压关闭室33、主液压打开室29以及辅助液压关闭室43。而且，通过排空液压室，操作者可以使用套筒孔13内的压力将滑动套筒向下移动到打开位置。

销51被固定在阀孔5的下部端部7处，并且向上延伸到滑动套筒11中的销接纳孔53中。如从图8的截面图中看到的，销51和销接纳孔53相对于阀孔5和滑动套筒11不同心地定位。在该实施方案中，阀孔5和滑动套筒11是同心设计的。因此，销51防止滑动套筒11在阀孔5内旋转。防止这种旋转是为了确保套筒端口17将与流体口9正确对齐。

但是，在上面讨论的实施方案中，参照图1至图6，阀孔5和滑动套筒11以不同心的横截面布置，其防止滑动套筒11的旋转。

在上述两个实施方案中，套筒端口17和流体口9都布置在倾斜的流体路径的相应端部处。然而，也可以将套筒端口17和流体口9设计成径向延伸的流体路径的端部。

图11示出了可与AIV组件1关联的可能特征。如上所讨论的，辅助液压关闭通道45连接到辅助液压关闭室43(参见例如图5)。当滑动套筒11向下移动到打开位置时(图6)，辅助液压关闭室43内的液压流体被移除并且必须被容纳在辅助液压关闭室43的外部。为此目的，活塞补偿器55连接到辅助液压关闭通道45，以容纳所述液压流体。根据这个实施方案，活塞补偿器55设置有指示装置，在这里是指示销57的形式。指示销57的位置将取决于从辅助液压关闭室43中驱逐的液压液体的量。因此，通过检查指示销57的位置，操作者可以确认AIV组件1的位置，即，它处于打开模式还是关闭模式。

仍然参考图11，在辅助液压关闭通道45中还布置有辅助液压关闭通道阀59。辅助液压关闭通道阀59可以关闭，以便将AIV组件1锁定在关闭模式，因为辅助液压关闭室43内的液压流体将使滑动套筒11依据流体静力学而锁定在关闭位置。在图11中还示出了适于与ROV接合的ROV面板61。

相应地，液压通道阀可以有利地布置在主液压关闭通道35和主液压打开通道39中。这样的阀通常是适于将液压流体保持在其各自的液压室(例如室43、33、29)内的止回阀。此外，当水下采油树安置在油管悬挂器100上方时，这些止回阀将打开，致使能够通过液压流体控制采油树中的功能。

图12是具有安置在其上的水下采油树的水下井口组件的示意图。井口71安装在海床73上。油管悬挂器组件100已经安置在井口71内。油管悬挂器组件100具有生产孔101。在生产孔101的下方有生产管75，该生产管延伸到水下井77中。生产管路75的外部是油管环空79。如图12中示意性所示，AIV组件1布置成与油管环空79流体连通。在油管悬挂器组件100的顶部上，安置有具有生产孔和环空孔的竖直水下采油树81以及相关联的阀门。如本领域技术人员所知，油管悬挂器组件的生产孔101可以设置有用于关闭生产孔的阀门、塞子型材或其他装置。应注意的是，图12仅仅是非限制性示意性原理图，以便在使用环境中示出AIV组件1。

Claims

1.一种环空隔离阀组件(1)，所述环空隔离阀组件是油管悬挂器组件(100)的一部分，所述环空隔离阀组件包括

-阀孔(5)，其具有流体口(9)；

-滑动套筒(11)，其布置在所述阀孔(5)中并具有轴向延伸的套筒孔(13)，其中所述滑动套筒(11)包括面向径向的套筒端口(17)，所述滑动套筒(11)被适配成在所述阀孔(5)内在打开位置和关闭位置之间移动，当所述滑动套筒(11)处于所述打开位置时，所述环空隔离阀组件(1)处于打开模式，而当所述滑动套筒(11)处于所述关闭位置时，所述环空隔离阀组件(1)处于关闭模式；

-液压活塞(21)，其连接到所述滑动套筒(11)，用于引起所述滑动套筒(11)在所述打开位置和所述关闭位置之间移动；

其中，所述滑动套筒(11)包括面向轴向的流体端口(47)，所述面向轴向的流体端口(47)与所述面向径向的套筒端口(17)流体连通，当所述环空隔离阀组件(1)处于打开模式时，环空流体能够穿过所述面向轴向的流体端口(47)流过所述环空隔离阀组件(1)。

2.根据权利要求1所述的环空隔离阀组件(1)，其特征在于，所述环空隔离阀组件还包括主液压打开室(29)和主液压关闭室(33)，用于致动所述液压活塞(21)，以引起所述滑动套筒(11)在所述打开位置和所述关闭位置之间移动。

3.根据权利要求2所述的环空隔离阀组件(1)，其特征在于，所述面向径向的套筒端口(17)在轴向方向上布置在所述面向轴向的流体端口(47)和封闭的套筒端部部分(19)之间，其中辅助液压关闭室(43)由所述封闭的套筒端部部分(19)、所述阀孔(5)的第一端部(7)和所述阀孔(5)限定。

4.根据权利要求3所述的环空隔离阀组件(1)，其特征在于，所述环空隔离阀组件(1)布置成具有竖直或倾斜的定向，并且所述阀孔(5)的所述第一端部(7)是下部阀孔端部，其中固定的插入套筒(27)延伸到所述套筒孔(13)中并界定所述主液压打开室(29)的壁部分，并且其中所述液压活塞(21)是从所述滑动套筒(11)径向向外突出的环形部。

5.根据权利要求3或权利要求4所述的环空隔离阀组件(1)，其特征在于，活塞补偿器(55)与所述主液压关闭室(33)或所述辅助液压关闭室(43)流体连通，且所述活塞补偿器(55)包括位置指示装置(57)。

6.根据权利要求3或权利要求4所述的环空隔离阀组件(1)，其特征在于，所述阀孔(5)的所述第一端部(7)在阀主体(49)中，所述阀主体(49)附接到所述油管悬挂器组件(100)的主体(3)的下部部分。

7.一种将油管悬挂器组件(100)的环空隔离阀组件(1)从关闭模式转换到打开模式的方法，所述油管悬挂器组件(100)在水下采油树下方安装在水下井口组件中，所述环空隔离阀组件(1)构成油管环空与水下采油树的环空孔之间的封闭件，所述环空隔离阀组件(1)是根据权利要求2所述的环空隔离阀组件(1)，其中所述方法包括以下步骤：

a)排空所述主液压关闭室(33)；

b)在所述水下采油树的所述环空孔中施加流体压力，由此将所述环空隔离阀组件(1)的所述滑动套筒(11)从所述关闭位置向下推动到所述打开位置。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述面向径向的套筒端口(17)在轴向方向上布置在所述面向轴向的流体端口(47)和封闭的套筒端部部分(19)之间，其中辅助液压关闭室(43)由至少所述封闭的套筒端部部分(19)、所述阀孔(5)的第一端部(7)和所述阀孔(5)限定，并且

所述步骤a)还包括以下步骤：

-排空所述辅助液压关闭室(43)。

9.根据权利要求7或权利要求8所述的方法，其特征在于，所述步骤a)还包括：

-使所述滑动套筒(11)的所述面向径向的套筒端口(17)移动到与下部阀通道(10)流体连通的位置，所述下部阀通道(10)与所述油管环空连通。

10.一种确定在水下采油树下方安装在井口组件中的油管悬挂器组件(100)的环空隔离阀组件(1)的打开模式的方法，所述环空隔离阀组件(1)是根据权利要求3所述的环空隔离阀组件(1)，所述方法包括以下步骤：

a)在将所述滑动套筒(11)从所述关闭位置移动到所述打开位置之后，使所述主液压关闭室(33)和所述辅助液压关闭室(43)通风；

b)然后密封所述主液压关闭室(33)和所述辅助液压关闭室(43)；

c)在所述液压打开室(29)中施加液压压力，同时监测所述主液压关闭室(33)和所述辅助液压关闭室(43)中的流体压力。