CN108026916B - 泵腔室位置指示器 - Google Patents
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Abstract
公开一种具有位置指示器的泵。泵包括：泵壳体，其中，泵壳体包括设置在其中的柔性囊；第一流体区，其中，第一流体区可运行来允许第一流体流入和流出第一流体区；以及第二流体区，其中，第二流体区可运行来允许第二流体流入和流出第二流体区。泵进一步包括柔性位置指示器，它设置在第一流体区中且与柔性囊连通，其中，柔性位置指示器可运行来检测柔性囊的线性位置，以及其中，柔性囊在流体方面隔开第一流体区与第二流体区。
Description
优先权主张
本申请是要求2015年8月11日提交的美国临时专利申请No. 62/203,779的优先权的专利合作条约，该申请的全部公开内容通过引用而明确地结合在本文中。
背景技术
在海底钻探操作中，海床上的装备经由钻探立管而连接到平台或船上。立管典型地对在钻探操作中已经使用的钻探泥浆提供返回路径，以使泥浆回到船或平台。通常，通过立管返回的泥浆的密度可大于周围海水的密度，使得立管中的泥浆柱对海床中的岩层施加的压力大于在没有立管的情况下由海水施加的压力。
解决与岩层上的压力由于高密度钻探泥浆而增大相关联的问题的一种办法是使用双梯度钻探。在双梯度钻探中，可将泵放在海床上，而且例如可通过由海水提供功率的涡轮来对泵提供功率。泵用来通过将泥浆引导通过单独返回管线来隔开井与泥浆的流体静压力，从而允许用海水代替立管中的泥浆。
但是，为了使泵恰当地工作，操作者必须能够确定泵构件的位置，诸如例如，泵壳体内的柔性泵囊的位置。直到这一点，操作者就可控制泵，或一系列泵，以帮助控制井中的压力。在已知的泵中，典型地使用指示杆来测量这样的构件的位置，在以下更详细地描述指示杆的结构。
发明内容
本文公开了一种具有位置指示器的泵。泵包括泵壳体，其中，泵壳体包括设置在其中的柔性囊；第一流体区，其中，第一流体区可运行来允许第一流体流入和流出第一流体区；以及第二流体区，其中，第二流体区可运行来允许第二流体流入和流出第二流体区。泵进一步包括设置在第一流体区中且与柔性囊连通的柔性位置指示器，其中，柔性位置指示器可运行来检测柔性囊的线性位置，以及其中，柔性囊在流体方面隔开第一流体区与第二流体区。
本文另外公开了一种用于海底操作的双梯度钻探系统。钻探系统包括：水供应管线，其包括水供应管线入口和水供应管线出口；歧管入口，歧管入口与水供应管线处于流体连通；以及泥浆返回管线，其包括泥浆返回管线入口和泥浆返回管线出口。系统进一步包括泥浆导引管线，泥浆导引管线与泥浆返回管线处于流体连通；泵壳体，其中，泵壳体包括设置在其中的柔性囊，其中，柔性囊在流体方面隔开歧管入口与泥浆导引管线；以及柔性位置指示器，其设置在歧管入口附近且与柔性囊连通，其中，柔性位置指示器可运行来检测泵壳体内的柔性囊的线性位置。
本文进一步公开了一种用于检测泵壳体中的可移位构件的位移的方法。该方法包括以下步骤：将柔性位置指示器设置在泵壳体附近且与泵壳体中的可移位构件连通，可移位构件可运行来由于泵壳体中的流体移动而移位；允许柔性位置指示器响应于泵壳体中的可移位构件的移动而移位；检测柔性位置指示器的位移；以及监测泵壳体中的可移位构件的位置。
附图说明
参照以下描述、权利要求和附图，本公开的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解。但要注意的是，附图仅仅示出本公开的若干实施例，并且因此不认为附图限制本公开的范围，因为它可承认有其它同样有效的实施例。
图1是泥浆泵的示意图。
图2是泥浆泵的示意图，它描绘了对泥浆空间内的泥浆加压。
图3是本公开的泥浆泵的示意图。
图4具有换能器缆的位置指示器的图示说明。
图5是来自图4的套圈连接器的放大视图。
具体实施方式
图1和2中显示了泥浆泵的示意图。图1包括用于提升泵组件(未显示)的泵10的示例的侧视截面图。泵10包括大体空心的泵壳体12。显示了在壳体12内的柔性囊14的实施例，它分割壳体12内的空间，以在柔性囊14的一侧限定泥浆空间16，并且在柔性囊14的相反侧限定水空间18。柔性囊14在泥浆空间16和水空间18之间提供在流体方面密封的阻隔。
在图1的示例中，柔性囊14具有大体椭圆形形状和形成为通过侧壁的上部开放空间20。显示了上部开放空间20与形成为通过泵壳体12的侧壁的开口22同轴地对齐。盘状帽24栓接到开口22上，其中，帽24具有沿轴向向下垂悬的缘边26，缘边26同轴地插入开口22和上部开放空间20内。柔性囊14在其上部开放空间20附近的部分楔在缘边26和开口22之间，以在柔性囊14和泵壳体12之间形成密封表面。
在远离上部开放空间20的柔性囊14的下端上形成下部开放空间28，在图1的示例中，下部开放空间28与上部开放空间20同轴。显示了椭圆形缓冲器30同轴地设置在下部开放空间28中。缓冲器30包括上部节段32和下部节段34，它们以蛤壳状布置联接在一起，并且分别抵靠着下部开放空间28上的上部和下部径向表面密封。帽24和缓冲器30与柔性囊14的上部开放空间20和下部开放空间28的密封接合的组合，跨过柔性囊14的相反的表面有效地限定流阻隔件。
在图1的示例中进一步显示了轴向杆36，它同轴地附连到上部节段32上，并且沿轴向延伸远离下部节段34且通过开口22。杆36充当位置指示器，根据杆36在内壳体12的轴向位置，它可指示柔性囊14在壳体12内的位置。
仍然参照图1，显示了泥浆返回管线38具有入口端40和出口端42。泥浆返回管线38中的泥浆入口阀44提供从入口端40到泥浆导引管线46(显示为从泥浆返回管线38分出支路)的选择性流体连通。导引管线46附连到环形连接器48上，在示出的示例中，环形连接器48栓接到壳体12上。连接器48同轴地安装在开口50(显示为形成为通过壳体12的侧壁)上面，并且允许在泥浆空间16和泥浆返回管线38之间通过导引管线46连通。显示了泥浆出口阀52在泥浆返回管线38中，并且在泥浆返回管线38和出口端42之间提供选择性连通。
水可经由水供应管线54选择性地输送到水空间18中。水入口导引管线56具有与水供应管线54联接的端部和与安装到帽24上的歧管组件58附连的相反的端部。图1的歧管组件58的实施例包括安装到管状歧管入口62的自由端上的连接器60、环形本体64和管状歧管出口66，其中入口62和出口66安装在本体64的相反的侧向侧且与本体64处于流体连通。
连接器60对水入口导引管线56的端部提供通往歧管入口62的连接点，使得导引管线56与本体64处于流体连通。歧管本体64的下端联接到帽24上，并且歧管本体64的环带通过帽24中的与开口22对齐的孔而与水空间18处于流体连通。在歧管出口66的远离歧管本体64的端部上提供出口连接器68，出口连接器68的与和歧管出口66的连接部相反的端部附连到水出口导引管线70上。在与连接器68相反的端部上，水出口导引管线70附连到水排出管线72上。
显示在水入口导引管线56中的水入口阀74经由水入口导引管线56和歧管组件58提供从船(未显示)到水空间18的选择性水连通。显示在水出口导引管线70中的水出口阀76通过歧管组件58和水出口导引管线70来选择性地在水空间18和水排出管线72之间提供连通。
在图1的泵10的运行的一个示例中，泥浆入口阀44处于打开构造，使得泥浆返回管线38中的泥浆如箭头AMi指示的那样传送到泥浆返回管线38和泥浆导引管线46中。进一步在这个示例中，泥浆出口阀52处于关闭位置，从而使泥浆流转移到连接器48中，通过开口50，且进入到泥浆空间16中。如箭头AU示出的那样，柔性囊14由于泥浆流入而被推向沿远离开口50的方向，从而对水空间18内的水施加力。在该示例中，水出口阀76处于打开位置，使得被柔性囊14从水空间18中推出的水可如箭头AWo示出的那样流过歧管本体64和歧管出口66。在离开歧管出口66之后，水发送通过水出口导引管线70且进入到水排出管线72中。
在图2中示出对泥浆空间16内的泥浆加压的示例，其中，阀44、76处于关闭位置且阀74、52处于打开位置。在这个示例中，来自水供应管线54的加压水能够自由进入歧管组件58，其中如箭头AWi示出的那样，水转移通过开口22且进入到水空间18中。将加压水引入到水空间18中会沿箭头AD显示的方向推动柔性囊14。水空间18中的加压水将柔性囊14推向泥浆，这会对泥浆空间16中的泥浆加压且引导泥浆通过开口50。在离开开口50之后，加压泥浆流到导引管线46中，在那里加压泥浆如箭头AMo示出的那样通过打开的泥浆出口阀52而转移到泥浆返回管线38。因而，在水供应管线54中提供处于规定压力的水可使泥浆返回管线38内的泥浆充分地加压，以迫使泥浆流回到船(未显示)。
如上面论述和图1和2中显示的那样，轴向杆36附连到缓冲器30的上部节段32上，缓冲器30又附连到柔性囊14的下部开放空间28上。杆36的一个用途是充当位置指示器，它指示柔性囊14在壳体12内的位置。但是，与杆36相关联的一个问题在于，泵10的运行要求杆相对于壳体12和其它泵构件(包括歧管组件58的一部分)上下移动。
存在与杆36和在柔性囊14以及进而杆36向上和向下移动时可成为磨损点的其它泵构件相关联的接口。各个接口需要套管和/或其它机械零件来允许杆36相对于泵10的其它构件移动。另外，采用杆36作为指示器的新泵10的插入期可能较长，从而要求在最初小心谨慎地填充泵腔室，并且常常引导诸如柔性囊14缠绕在杆36周围的问题。
因此，以及如图3中显示的那样，本发明的一个实施例提供泵组件100，它具有图1和2中显示的一些构件。不存在杆36，而是显示了柔性缆136。如显示的那样，缆136延伸通过歧管组件58且可连接到缓冲器30的上部节段32上。
如显示的那样，缆136可充当柔性囊14的位置指示器，它具有优于杆36的惊人且意想不到的优点。不像具有大约1.375英寸的直径的杆36一样，缆136具有小得多的直径。在某些实施例中，缆136的直径为大约1/8英寸。在其它实施例中，缆136的直径为大约1/16英寸。不像杆36一样，缆136是柔性的，使得卷绕缆136而非从壳体12中收回杆36导致例如在歧管组件58中不占用那么多空间。
因为缆136的直径更小且是柔性的，所以在某些实施例中，缆136不像现有技术的实施例中的杆36那样需要那么多会遭受磨损和撕裂的构件和接口。在某些实施例中，使用缆136允许较少的接口层叠和较小的制造公差，因为套管和壳体12之间的接口、套管和杆36之间的接口，以及/或者壳体12和传感器之间的接口无需精微的控制。在某些实施例中，接口周围不再需要润滑。因此，泵组件100具有更长的使用期限。此外，柔性囊不太可能在缆136周围缠绕，而且缆136在柔性囊插入、泵腔室填充和压力测试期间对操作者的错误不那么敏感。
如显示的那样，缆136与歧管组件58同轴且延伸通过歧管组件58，并且可连接到缓冲器30的上部节段32上。但是，在其它实施例中，缆136可与柔性囊14的其它构件连通，并且将响应于缓冲器30和/或在泵壳体12中响应于流体流移动的其它构件的移动而移位。在其它实施例中，缆136不必与歧管组件58同轴，而且在一些实施例中，可使用不止一个缆来检测空心泵壳体12中的构件响应于流体流的某个位移。在某些实施例中，线性可变位移换能器(LVDT)可附连到缆136上。使用较大精度较小移动范围的换能器(例如LVDT)会提高位置测量的精度。
线材式线性传感器的实验
以下描述了新泽西州的东汉诺威CPI控制产品公司生产的CPI SL1200-506线性传感器的成功耐用性测试。CPI SL1200-506线性传感器在循环盐水测试槽中成功地运行了一百万个全冲程循环。在测试结尾时，测试单元恰当地工作。移除单元且拆下它供检查和分析。盐水浓度为每升水35克盐水。在将传感器浸入盐水中之前和在将传感器浸入盐水中不久之后，进行末端停止(end-stop)测量来确定线性传感器在25英寸冲程中的初始功能性。线性传感器的运行冲程长度为大约25英寸。测试期间的冲程距离是略微可变的，因为固定到气动促动器上的磁限开关的运行点有微小变化。
现在参照图4，显示了在目前描述的实验中使用的线性传感器的图示。传感器具有0.0027英寸每毫伏(0.068毫米每毫伏)(26.6英寸总范围/10.00伏)的分辨率。完全延伸的数据的最大变化为大约72毫伏。这相当于在一百万个循环里最大大约0.194英寸的误差。全部收回的数据的最大变化为大约245毫伏。这相当于一百万个循环里最大大约0.66英寸的误差。线性传感器400包括传感器壳体402、传感器罩板404、设置在传感器壳体402和传感器导管408之间的传感器本体406、与传感器导管408沿轴向对齐且设置在传感器导管408中的换能器缆410，以及套圈连接器412。
传感器壳体402进一步包括用于换能器缆410的卷轴组件414和导引辊416。在本公开的实施例中，套圈连接器412可以可移除地连接到缓冲器30的上部节段32上，而且随着水空间18被填充，换能器缆410将被拉出传感器导管408，从而允许检测线性传感器400的位移。备选地，随着泥浆空间16被填充而对柔性囊14施加压力，换能器缆410将收回到传感器导管408和传感器壳体402中，从而允许检测线性传感器400的位移。
在某些实施例中，传感器壳体402包括内部预张紧卷簧(未显示)，其中卷簧使缆410始终处于张紧状态中。张力不足以在物理上使柔性囊14移动。但是，当囊分别响应于水空间18被填充或者泥浆空间16被填充而朝泥浆空间16或朝水空间18被移动时，线材中的张力足以允许缆延伸(在囊朝泥浆空间16移动时)，以及使缆410充分快速地收回，从而防止缆410有松弛(在囊朝水空间18移动时)。
在测试期间，将换能器缆410上的端环重新设计成包括套圈连接器412，以避免缆磨损和断裂。图5显示了套圈连接器412的放大视图。如显示的那样，套圈连接器412包括螺纹418和缆连接器420。
单数形式“一”、“一种”和“该”包括复数所指物，除非上下文另有明确的规定。
在附图和说明书中，公开了用于检测泵壳体内的泵囊的位置的方法和系统的实施例，而且虽然采用了具体用语，但仅仅是在描述性意义上而非为了限制而使用用语。特别地参照这些示出的实施例来非常详细地描述了实施例。但明显的将是，在前述说明书中描述的本公开的精神和范围内可作出各种修改和改变，而且认为这样的修改和改变是本公开的等效方案和一部分。
Claims (20)
1.一种具有位置指示器的泵，所述泵的特征在于：
泵壳体(12)，其中，所述泵壳体(12)包括设置在其中的柔性囊(14)；
第一流体区(18)，其中，所述第一流体区(18)可运行来允许第一流体流入和流出所述第一流体区(18)；
第二流体区(16)，其中，所述第二流体区(16)可运行来允许第二流体流入和流出所述第二流体区(16)；以及
柔性位置指示器(136)，其设置在所述第一流体区(18)中且与所述柔性囊(14)连通，其中，所述柔性位置指示器(136)可运行来检测所述柔性囊(14)的线性位置，以及其中，所述柔性囊(14)在流体方面隔开所述第一流体区(18)与所述第二流体区(16)。
2.根据权利要求1所述的泵，其特征在于，所述柔性位置指示器(136)的特征进一步在于换能器缆(410)。
3.根据权利要求2所述的泵，其特征在于，所述柔性囊(14)可运行来当所述第一流体流到所述第一流体区(18)中时朝所述第二流体区(16)移动，其中，所述柔性囊(14)可运行来当所述第二流体流到所述第二流体区(16)中时朝所述第一流体区(18)移动，以及其中，所述柔性位置指示器(136)附连到所述柔性囊(14)上，并且根据所述柔性囊(14)的移动来移位。
4.根据权利要求2所述的泵，其特征在于传感器壳体(402)，其具有卷轴组件(414)和导引辊(416)，以存储和导引所述换能器缆(410)，其中，所述换能器缆(410)响应于张力，从所述传感器壳体(402)延伸和收回到所述传感器壳体(402)中，而不响应于压缩。
5.根据权利要求2所述的泵，其特征在于，所述换能器缆(410)其特征进一步在于套圈连接器(412)，并且所述柔性囊(14)包括缓冲器(30)，以及其中，所述套圈连接器(412)附连到所述缓冲器(30)上。
6.根据权利要求1所述的泵，其特征在于，所述泵进一步包括线性可变位移换能器(LVDT)(400)。
7.根据权利要求1所述的泵，其特征在于，所述第一流体包括海水，并且所述第二流体包括钻探泥浆。
8.一种用于海底操作的双梯度钻探系统，所述钻探系统包括：
水供应管线(54)，其包括水供应管线入口(56)和水供应管线出口(72)；
歧管入口(64)，所述歧管入口(64)与所述水供应管线(54)处于流体连通；
泥浆返回管线(38)，其包括泥浆返回管线入口(40)和泥浆返回管线出口(42)；
泥浆导引管线(46)，所述泥浆导引管线(46)与所述泥浆返回管线(38)处于流体连通；
泵壳体(12)，其中，所述泵壳体(12)包括设置在其中的柔性囊(14)，其中，所述柔性囊(14)在流体方面隔开所述歧管入口(64)与所述泥浆导引管线(46)；以及
柔性位置指示器(136)，其设置在所述歧管入口(64)附近且与所述柔性囊(14)连通，其中，所述柔性位置指示器(136)可运行来检测所述柔性囊(14)在所述泵壳体(12)内的线性位置。
9.根据权利要求8所述的钻探系统，其特征在于，所述柔性位置指示器(136)包括换能器缆(410)。
10.根据权利要求9所述的钻探系统，其特征在于，所述柔性囊(14)可运行来当水流到所述歧管入口(64)中时朝所述泥浆导引管线(46)移动，其中，所述柔性囊(14)可运行来当泥浆流到所述泥浆导引管线(46)中时朝所述歧管入口(64)移动，以及其中，所述柔性位置指示器(136)附连到所述柔性囊(14)上，并且根据所述柔性囊(14)的移动而移位。
11.根据权利要求9所述的钻探系统，其特征在于传感器壳体(402)，其具有卷轴组件(414)和导引辊(416)，以存储和导引所述换能器缆(410)，其中，所述换能器缆(410)响应于张力，从所述传感器壳体(402)延伸和收回到所述传感器壳体(402)中，而不响应于压缩。
12.根据权利要求9所述的钻探系统，其特征在于，所述换能器缆(410)的特征在于套圈连接器(412)，并且所述柔性囊(14)包括缓冲器(30)，以及其中，所述套圈连接器(412)附连到所述缓冲器(30)上。
13.根据权利要求8所述的钻探系统，其特征在于，所述系统包括线性可变位移换能器(LVDT)(400)。
14.根据权利要求8所述的钻探系统，其特征在于，所述水供应管线(54)包括海水，并且所述泥浆返回管线(38)包括钻探泥浆。
15.一种用于检测泵壳体中的可移位构件的位移的方法，所述方法的特征在于以下步骤：
将柔性位置指示器(136)设置在所述泵壳体(12)附近且与所述泵壳体(12)中的所述可移位构件连通，所述可移位构件可运行来由于所述泵壳体(12)中的流体移动而移位；
允许所述柔性位置指示器(136)响应于所述泵壳体(12)中的所述可移位构件的移动来移位；
检测所述柔性位置指示器(136)的位移；以及
监测所述泵壳体(12)中的所述可移位构件的位置。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述泵壳体(12)包括设置在其中的柔性囊(14)。
17.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述柔性位置指示器(136)包括换能器缆(410)。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，允许所述柔性位置指示器(136)响应于所述泵壳体(12)中的所述可移位构件的移动而移位的步骤响应于所述换能器缆(410)上的张力而非响应于压缩而进行。
19.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述泵壳体(12)的特征进一步在于线性可变位移换能器(LVDT)(400)。
20.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述泵壳体(12)中的所述流体移动包括所述泵壳体(12)的两个在流体方面隔开的腔室(16，18)中的至少两种不同的流体的移动。
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