CN108291433A - 改进型全封闭剪切闸板 - Google Patents
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Abstract
一种系统包括防喷器(BOP)，所述防喷器包括剪切闸板组件。所述剪切闸板组件包括：第一剪切闸板块，其具有第一前端；第一刀片，其具有第一前面且从所述第一剪切闸板块延伸；面部螺栓通路，其延伸到所述剪切闸板块的所述前端中；面部螺栓，其定位在所述面部螺栓通路内，被配置成将所述第一刀片连接到所述第一剪切闸板块；以及第一密封密闭件，其由所述第一剪切闸板块围封。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求2015年11月9日提交的美国临时专利申请第62/252,913号的优先权，所述申请的全部内容以引用的方式并入本发明中。
技术领域
本发明中所公开的主题的实施例大体上涉及油气井，且尤其涉及用于将用于油气井中的防喷器(BOP)的改进型全封闭剪切闸板。
背景技术
防喷器(BOP)通常用于海底钻井操作中，以保护油井免于井中发生压力激增(pressure surges)。通常，BOP包括与中心孔对准的一系列闸板(rams)。钻管延伸穿过中心孔且进入BOP下方的井。每一组闸板通常定位成一个闸板在中心孔的任一侧上。一些闸板被设计成在闭合时抵靠钻柱密封，但并不切割钻柱。其它闸板包括刀片，且被设计成在闸板闭合以完全密封井的顶部时剪切钻柱(和中心孔中的任何其它物体)。这些闸板被称为剪切闸板(shear rams)。
典型的BOP包括延行穿过(runs through)BOP且连接到井孔(wellbore)的孔。管道和工具通过BOP中的孔引入到井孔中。通常，全封闭剪切闸板包括在BOP堆叠中，且用于在孔内部剪切管道或工具，在所述孔内必须有压力密闭(containment of the pressure)，例如在井中的非预期压力激增会危害钻井平台或其它井场上的人员的情况中。
全封闭剪切闸板(blind shear rams)通常包括剪切闸板块，其在BOP上安装在外壳(housing)或罩盖(bonnet)内部。剪切闸板块具有刀片，其朝向孔附接到所述块的前端。当激活剪切闸板时，活塞推动外壳内的剪切闸板块，从而致使剪切闸板块和刀片跨越孔闭合，同时剪切孔中的任何管道、工具或其它物件并密封井。随着剪切闸板闭合，剪切闸板块和刀片会暴露于井孔压力，所述压力可能非常高，例如大于15,000磅/平方英寸(psi)。
一些现有剪切闸板设计利用螺栓(bolts)或其它紧固件(fasteners)来将闸板刀片附接到剪切闸板块。通常，此类螺栓穿过刀片的正面(front face)进入块中。然而，针对紧固件钻取穿过刀片面的孔可能会降级刀片，且可能会引入应力路径。另外，将紧固件定位在刀片上要求在刀片上交错(staggering)螺栓的高度，这会导致在压力下螺栓中的应力分布不均匀。结果，螺栓常会在高于约15,000psi的压力下断裂。
然而，在当今的油气行业中，钻井操作正移动到越来越深的水中，这会在井孔中带来越来越高的压力。举例来说，常见的是BOP放置在其压力大于15,000psi，且甚至高达约20,000psi或更大压力的井的顶部上，由此超出了已知BOP全封闭剪切闸板的操作约束条件。为BOP提供适于承受高压和腐蚀性深水环境的改进型全封闭剪切闸板可以是有用的。
发明内容
根据一个或多个实施例，一种系统包括防喷器(BOP)，所述防喷器包括剪切闸板组件。所述剪切闸板组件包括：第一剪切闸板块，其具有第一前端；第一刀片，其具有第一前面且从所述第一剪切闸板块延伸；面部螺栓通路，其延伸到所述剪切闸板块的所述前端中；面部螺栓，其定位在所述面部螺栓通路内，被配置成将所述刀片连接到所述第一剪切闸板块；以及第一密封密闭件，其由所述第一剪切闸板块围封(encapsulated)。
附图说明
并入本说明书中且构成本说明书的部分的附图说明一个或多个实施例，且与所述描述一起解释这些实施例。在附图中：
图1是根据本发明的实施例的附接到井口的BOP堆叠组件的透视图；
图2是根据本发明的实施例的包括被剪切的管道的处于闭合位置的上部和下部全封闭剪切闸板的透视图；
图3A是根据本发明的实施例的剪切闸板块和刀片的透视图；
图3B是根据本发明的实施例的沿着线3B-3B截取的图3A的剪切闸板块和刀片的横截面侧视图；
图4是根据本发明的实施例的剪切闸板块和刀片的透视图；
图5是根据本发明的实施例的剪切闸板块和刀片的透视图；
图6是根据本发明的实施例的剪切闸板块和刀片的透视图；以及
图7是根据本发明的实施例的剪切闸板块和刀片的透视图。
具体实施方式
当参考优选实施例的以下描述和附图考虑时，将进一步了解本发明实施例的前述方面、特征和优势，其中参考标号表示相似的元件。在描述附图中所说明的技术的优选实施例时，为清楚起见将使用特定术语。然而，所述技术并不意图限于所使用的特定术语，且应理解，每一特定术语包括以类似方式操作从而实现类似目的的等效物。
在图1中，示出了典型的海底BOP组件，其包括下部堆叠组件2和上部堆叠组件4，或下部海洋隔水管总成(lower marine riser package，LMRP)。上部堆叠组件4可包括例如隔水管适配器(riser adapter)6、环状防喷器8、10、控制装置(control pods)11和扼流压井管线(choke and kill lines)13。下部堆叠组件2可包括下端处具有井口连接器14以用于连接到海底井口组件(未示出)的框架12，以及液压蓄能器(hydraulic accumulators)15。通常，孔延行穿过BOP组件，包括穿过上部堆叠组件2和下部堆叠组件4，所述孔可包含管道。剪切闸板外壳16通常在下部堆叠组件上定位于管道闸板外壳18、20、22上方。剪切闸板外壳16包含附接到上部刀片28和下部刀片30的剪切上部闸板剪切块24和剪切下部闸板剪切块26(图2中示出)。每一管道闸板外壳18、20和22包括管道闸板块(未示出)，其在配合面上具有半圆形凹陷以用于围绕管道的不同大小范围闭合。在打开时，剪切闸板块和管道闸板块定位在孔的任一侧上。在闭合时，剪切闸板刀片28、30密封孔。如果管道存在于孔中，那么剪切闸板刀片28、30将剪切管道。
现参考图2，示出了从剪切闸板外壳16去除且处于闭合位置的上部剪切闸板块24和下部剪切闸板块26。上部剪切闸板块24具有界定面或前端(forward end)32的侧表面。上部刀片(upper blade)28安装到上部闸板块24的前端32。上部刀片28具有前面(forwardface)36，其具有上部边缘38和下部前边缘40。出于本发明的目的，参考闸板块和相关联部件，术语“前”将意指从上部剪切闸板块24的前端32朝向刀片28的面36。在图2中示出的实例中，相比于上部边缘38，上部刀片28的下部前边缘40从上部剪切闸板块24的前端32向前延伸较远。上部刀片28的面36也可大体上凹入(concave)或会聚(converging)，从而导致面36的中心相对于面36在外端42、44处的较向前部分凹陷。当然，可利用上部刀片28的不同形状。如可看出，当剪切闸板块24、26闭合时，刀片28、30重叠，由此剪切在闸板块24、26之间定位于BOP的孔中的管道46。
参考图3A和3B，示出了根据本发明的实施例的上部剪切闸板块24和刀片28的透视图(图3A)和横截面侧视图(图3B)。为更好地理解本发明技术所提供的优势，理解在闭合剪切闸板期间作用于上部剪切闸板块24和刀片28上的力是有用的。随着上部剪切闸板块24向前移动以闭合，在上部刀片28下方的流体在上部刀片28的底部上施加朝上力F，所述力可能非常高，在一些情况下超出15,000psi或20,000psi。此朝上力F，且特定来说为朝上力F的作用在刀片28的下部前边缘40处或附近的部分会致使刀片旋转远离上部剪切闸板块24，并在上部刀片28与上部剪切闸板块24之间的界面处产生围绕一个或多个紧固件48(例如，附接螺栓或带帽螺钉(cap screws))的力矩M。本发明的实施例的特征通过例如改进例如紧固件48的定向和上部剪切闸板块24与刀片28之间的界面的轮廓的事物，增大上部剪切闸板块24和刀片28耐受高压的能力。
举例来说，在图3A和3B的实施例中，上部刀片28使用数个紧固件48附接到上部剪切闸板块24，所述紧固件成角度地插过上部剪切闸板块24的上部表面，并且通过上部刀片28的背表面50进入上部刀片28。通过刀片28的背表面50进行刀片28到上部剪切闸板块24的此种紧固是有利的，这是因为减少或免除使用增大数量的紧固件来穿过刀片28的面36，且由此强化了刀片28并减少通过刀片28的可能应力路径。在图3A和3B中，用于将上部刀片28附接到上部剪切闸板块24的紧固件48的数量可包括5个或更多个紧固件48，但可在不脱离本发明的实施例的精神和范围的情况下使用更多或更少个螺栓。紧固件48可由例如高强度合金的高强度材料或可能并不脆性或并不易于开裂或显著降级的各种其它材料制成。举例来说，使紧固件48成角度地穿过上部剪切闸板块24并且进入刀片28的背部的优势在于紧固件48可在刀片28的中间或上部部分中接合刀片28的背部，其中刀片28与正被剪切的管道几乎没有接触。相比于在刀片28的下部部分处进行附接，这能减少作用于紧固件48上的剪切力。
图3B中还描绘上部剪切闸板24的上部唇缘52，其在上部刀片28的一部分上向前延伸。此上部唇缘52有助于减少上部刀片28的旋转，所述旋转可由刀片下面的压力诱发，如上文所论述。将上部唇缘52放置在刀片28上方有助于阻挡刀片28的旋转，借此减少紧固件48处的力矩M的量值。这是有利的，因为其减少了紧固件48和上部刀片28上的应力，借此降低了紧固件48或刀片28将断裂或弯曲的可能性。
图3A和3B中还描绘在上部刀片28下方从上部剪切闸板24延伸的下部唇缘54，和定位于上部刀片28与下部唇缘54之间的密封件56。在将上部刀片28附接到上部剪切闸板24期间，随着紧固件48被拧紧，上部刀片28被朝向下部唇缘54牵拉，借此供能密封件56并在密封件56上产生紧密控制。
在某些实施例中，刀片28可用以包围密封件56。接着利用例如紧固件28(例如，或带帽螺钉或螺栓)将刀片28维持就位。然而，如可了解，由于压力测试(例如，大于15,000psi或大于20,000psi)期间的高负载，紧固件28(例如，附接螺栓或带帽螺钉)可包括使用高扭矩以保持附接到上部剪切闸板块24的刀片28。如关于图4到7将进一步了解，与刀片28包括密封件56相反，通过将上部剪切闸板24的前部延伸为包括密封件56，可从刀片28和紧固件48，且引申开来可从上部剪切闸板块24和BOP剪切闸板组件2、4去除高负载需求(high loaddemand)。
举例来说，在某些实施例中，如将进一步了解，上部剪切闸板块24可完全围封密封件56。这可允许上部剪切刀片块24耐受更高的硫化氢(H2S)浓度，以及更高的压力(例如，大于15,000psi或大于20,000psi)。本发明技术还可减少刀片28的剪切螺栓上目前需要的高预载(high preload)，且可免除例如数个紧固件48(例如，附接螺栓或带帽螺钉)。另外，本发明的实施例可通过减少例如螺栓转矩要求来减少刀片28内的高应力区域。此外，本发明的实施例甚至可在例如刀片28在操作剪切期间受损时维持密封件56。
在记住前述内容后，图4描绘根据本发明技术的全封闭剪切闸板58的等角视图(isometric view)。举例来说，如所说明的，与被包括为刀片28的部分相反，密封件56(例如，侧向T型密封件)例如由上部剪切闸板块24围封(encapsulated)。以此方式，可减少紧固件48(例如，附接螺栓或带帽螺钉)的数量。实际上，通过提供密封件56(例如，侧向T型密封件)由上部剪切闸板块24围封且因此免除对刀片28来包围密封件56存在任何依赖于的本发明技术，上部剪切闸板块24和刀片28，且引申开来整个BOP剪切闸板组件2、4可更适于在国家腐蚀工程师协会(NACE)环境或其它腐蚀性深水环境(例如，压力大于15,000psi或大于20,000psi)内利用。具体来说，本发明中称作“NACE环境”的环境可指设备或其它资产可由于环绕的环境条件而经受腐蚀或任何其它降级的任何环境(例如，深水环境、地下环境等等)。另外，通过将密封件56(例如，侧向T型密封件)包括为上部剪切闸板块24的部分(例如，与被包括为刀片28的部分相反)，可减少螺栓的数量，且因此也可减少用于保持刀片28的任何高螺栓预载负载(high-bolt preload load)。
举例来说，图5描绘根据本发明技术的全封闭剪切闸板58的俯视图。在某些实施例中，根据将密封件56(例如，侧向T型密封件)包括为上部剪切闸板块24的部分的本发明技术(例如，与被包括为刀片28的部分相反)，可仅利用2个紧固件48(例如，附接螺栓或带帽螺钉)来将刀片28连接到剪切闸板块24(例如，与如关于图3A的实施例所示的至多5个或更多个紧固件48相反)。
类似地，图6示出全封闭剪切闸板58的另一实施例，其中出于简明和清晰的目的，未描绘全封闭剪切闸板58的一个或多个引导臂。具体来说，图6示出全封闭剪切闸板58的另一视图，其中密封件56(例如，侧向T型密封件)由上部剪切闸板块24围封(例如，与包括为刀片28的部分相反)。在图6中所示实施例的替代实施例中，上部剪切闸板块24可被机器加工成允许附接板促进t型密封件的安装。在此实施例中，附接板可位于密封件56(例如，侧向T型密封件)后方。
图7描绘根据本发明技术的实施例的全封闭剪切闸板58的横截面图。如所描绘，密封件56(例如，侧向T型密封件)由上部剪切闸板块24围封(例如，与被包括为刀片28的部分相反)。举例来说，如图7中进一步描绘的，下部唇缘54在刀片28下方从上部剪切闸板块24延伸，且连同下部唇缘54包围密封件56。如先前提到的，以此方式，可减少紧固件48(例如，附接螺栓或带帽螺钉)的数量。实际上，通过提供密封件56(例如，侧向T型密封件)由上部剪切闸板块24围封，并且因此免除了对刀片28包围密封件56存在任何依赖的本发明技术，上部剪切闸板块24和刀片28，且引申开来整个BOP剪切闸板组件2、4可更适于用在NACE环境或其它腐蚀性和深水环境(例如，H2S环境和包括大于15,000psi或大于20,000psi的压力的环境)内。另外，通过将密封件56(例如，侧向T型密封件)包括为上部剪切闸板块24的部分(例如，与被包括为刀片28的部分相反)，可减少紧固件28(例如，附接螺栓或带帽螺钉)的数量，且因此也可减少或大体上免除用于保持刀片28的任何高螺栓预载负载。
本发明的实施例的技术效果包括待用作防喷器(BOP)的部分的改进型全封闭剪切闸板组件，与包括为全封闭剪切闸板组件的刀片的部分相反，其包括作为全封闭剪切闸板组件的剪切闸板块的部分的密封件。实际上，通过提供密封件(例如，侧向T型密封件)由上部剪切闸板块围封，且因此免除对刀片包围密封件存在任何依赖的本发明技术，上部和下部剪切闸板块与刀片，且引申开来整个BOP剪切闸板组件可更适于用于NACE环境或其它腐蚀性和深水环境(例如，H2S环境和包括大于15,000psi或大于20,000psi的压力的环境)内。另外，通过将密封件(例如，侧向T型密封件)包括为上部剪切闸板块的部分(例如，与被包括为刀片的部分相反)，可减少紧固件(例如，附接带帽螺钉或螺栓)的数量，且因此也可减少用于保持刀片的任何高螺栓预载负载。
所公开的示范性实施例提供改进型全封闭剪切闸板。然而，应理解，本说明书并不意图限制本发明。相反地，示范性实施例意图涵盖替代方案、修改和等效物，所述内容包括在如由所附权利要求书界定的本发明的精神和范围内。此外，在示范性实施例的详细描述中，阐述众多具体细节以便提供对所要求保护的本发明的全面理解。然而，所属领域的技术人员将理解，可在不具有此类具体细节的情况下实践各种实施例。
虽然本发明的示范性实施例的特征和元件是在特定组合的实施例中描述，但可在不具有所述实施例的其它特征和元件的情况下单独使用每个特征或元件，或者可在具有或不具有本发明中所公开的其它特征和元件的情况下以各种组合使用每个特征或元件。
本书面描述使用所公开主题的实例以使所属领域的技术人员能够实践本发明，包括制作和使用任何装置或系统并且执行任何并入的方法。主题的可获专利范围由权利要求书界定，并且可包括所属领域的技术人员所想到的其它实例。此类其它实例意图涵盖在权利要求书的范围内。
Claims (20)
1.一种系统，包括：
防喷器(BOP)，其包括剪切闸板组件，其中所述剪切闸板组件包括：
第一剪切闸板块，其具有第一前端；
第一刀片，其具有第一前面且从所述第一剪切闸板块延伸；
面部螺栓通路，其延伸到所述剪切闸板块的所述前端中；
面部螺栓，其定位在所述面部螺栓通路内，被配置成将所述第一刀片连接到所述第一剪切闸板块；以及
第一密封密闭件，其由所述第一剪切闸板块围封。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一密封密闭件由所述第一剪切闸板块围封，使得所述第一刀片并不包括所述第一密封密闭件。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，由于所述第一密封密闭件由所述第一剪切闸板块围封，所述第一刀片的抗破坏性增加。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一密封密闭件由所述第一剪切闸板块围封，以增加所述剪切闸板组件对硫化氢(H2S)的抗性。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一密封密闭件包括侧向T型密封件。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一刀片由在所述第一刀片的背侧上的一个或多个紧固件连接到所述第一剪切闸板块。
7.根据权利要求1所述的系统，包括：
第二剪切闸板块，其具有后端；以及
第二刀片，其具有第二前面且从所述第二剪切闸板块延伸。
8.根据权利要求7所述的系统，包括第二密封密闭件，其中所述第二密封密闭件由所述第二剪切闸板块围封。
9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述剪切闸板组件包括高强度合金钢。
10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一剪切闸板块和所述第一刀片被配置成耐受大于大约15,000磅/平方英寸(psi)的压力，这是由于所述第一密封密闭件由所述第一剪切闸板块围封。
11.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一剪切闸板块和所述第一刀片被配置成耐受大于大约20,000磅/平方英寸(psi)的压力，这是由于所述第一密封密闭件由所述第一剪切闸板块围封。
12.一种防喷器BOP系统，包括：
全封闭剪切闸板组件，其包括第一全封闭剪切闸板块，所述第一全封闭剪切闸板块包括前端；
第一刀片，其包括第一前面且从所述第一剪切闸板块延伸；以及
第一密封件，其由所述第一全封闭剪切闸板块完全围封。
13.根据权利要求12所述的BOP系统，其中，所述第一刀片由在所述第一刀片的背侧上的一个或多个紧固件连接到所述第一剪切闸板块。
14.根据权利要求12所述的BOP系统，包括：
第二全封闭剪切闸板块，其包括后端；以及
第二刀片，其包括第二前面且从所述第二全封闭剪切闸板块延伸。
15.根据权利要求14所述的BOP系统，包括第二密封件，其中所述第二密封件由所述第二全封闭剪切闸板块完全围封。
16.根据权利要求12所述的BOP系统，其中，所述第一密封件由所述第一全封闭剪切闸板块围封，以增加所述全封闭剪切闸板组件对硫化氢(H2S)的抗性。
17.一种在防喷器BOP中使用的剪切闸板组件，包括：
上部剪切闸板块，其具有前端；
上部刀片，其具有第一面且大体上从所述上部剪切闸板块延伸；
多个面部螺栓通路，其延伸到所述上部剪切闸板块的所述前端中；
面部螺栓，其位于所述多个面部螺栓通路中的每一个中且将所述上部刀片紧固到所述上部剪切闸板块；
第一密封件，其由所述第一剪切闸板块包围；
下部剪切闸板块，其具有后端；
下部刀片，其具有第二面且大体上从所述下部剪切闸板块延伸；以及
第二密封件，其由所述下部剪切闸板块包围。
18.根据权利要求17所述的剪切闸板组件，其中，所述第一密封件和所述第二密封件分别由所述上部剪切闸板块和所述下部剪切闸板块包围，使得所述上部刀片和所述下部刀片都不包括所述第一密封件或所述第二密封件。
19.根据权利要求17所述的剪切闸板组件，其中，所述第一密封件和所述第二密封件由所述上部剪切闸板块和所述下部剪切闸板块包围，以增大所述上部剪切闸板块和所述下部剪切闸板块对硫化氢(H2S)的抗性。
20.根据权利要求17所述的剪切闸板组件，其中，所述上部剪切闸板块和下部剪切闸板块被配置成分别耐受大于大约15,000磅/平方英寸(psi)的压力，这是由于所述第一密封件由所述上部剪切闸板块包围且所述第二密封件由所述下部剪切闸板块包围。
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