CN108412458B - 一种双向可控深水环空圈闭压力泄压装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种双向可控深水环空圈闭压力泄压装置及方法，其包括装置本体，所述装置本体上直接间隔设置有四根筋；还包括设置在所述装置本体筋上的内向泄压阀机构、外向泄压阀机构、流道过滤网和流道保护薄片；在所述装置本体上，上部与所述筋的连接位置处设置有上通孔，下部设置有变截面通孔；每根所述筋内均沿纵向设置有通孔，该通孔与所述装置本体上的上通孔和变截面通孔连通；且每根所述筋上、下两端沿横向分别设置有贯通的孔道。本发明能够双向控制环空圈闭压力、降低深水油气开发成本、提供控制范围大、控制级别可调、工作可靠、操作简单、使用寿命长。
Description
技术领域
本发明涉及一种石油天然气测试和生产过程中压力控制领域，特别是关于一种双向可控深水环空圈闭压力泄压装置及方法。
背景技术
目前，随着油气资源的需求量的逐年增加，从中浅海到深海、超深海，已成为全球油气勘探的必然趋势。深水区域蕴藏着巨大的油气资源，对于油气能源的发展起到关键作用，每口深水油气井的投入巨大，所以每口井的井筒全生命周期完整性都关系着深水油气田的高效开发，所以一种新的井筒完整性控制方法及装置对整个深水钻井和完井工程乃至石油工业都有着重要作用。
当一口油井或气井测试及生产时，井底高温油/气会将热量传递给各层套管，而井筒中的流体受热会发生膨胀，当流体在圈闭空间中时，流体膨胀产生巨大压力作用在与其接触的管壁上，如果不及时采取措施，圈闭环空产生的高压将挤毁套管，造成巨大经济损失。因此，深水套管间的环空圈闭压力的存在对油气井的正常生产会造成巨大危害。
大多数陆地油田和近海油田采油树均在水面以上，可通过与地面连接的套管头释放压力。在深水区域，只有生产油管和生产套管之间的圈闭压力可以通过上述方法释放，但是外部套管间的环空压力却不能用上述方法。目前国内外公开的深水环空圈闭压力泄压装置方法包括增强套管强度、单向消除环空、释放圈闭压力、平衡膨胀体积及隔断热传递过程，但是这些方法都不能彻底解决多环空复杂交替变化的压力对井筒完整性的伤害，不能同时实现圈闭压力多级调节双向泄压。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种双向可控深水环空圈闭压力泄压装置及方法，其结构紧凑、操作简单，能够双向控制环空圈闭压力、降低深水油气开发成本，提供控制范围大、控制级别可调、工作可靠，使用寿命长。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种双向可控深水环空圈闭压力泄压装置，其特征在于：该装置包括装置本体，所述装置本体上直接间隔设置有四根筋；还包括设置在所述装置本体筋上的内向泄压阀机构、外向泄压阀机构、流道过滤网和流道保护薄片；在所述装置本体上，上部与所述筋的连接位置处设置有上通孔，下部设置有变截面通孔；每根所述筋内均沿纵向设置有通孔，该通孔与所述装置本体上的上通孔和变截面通孔连通；且每根所述筋上、下两端沿横向分别设置有贯通的孔道。
进一步，所述流道过滤网包括第一过滤网和第二过滤网；所述第一过滤网设置在每根所述筋上端的孔道两侧，且所述第一过滤网与所述孔道之间设置有所述流道保护薄片；位于每根所述筋下端的孔道两侧设置有所述第二过滤网，所述第二过滤网紧贴所述孔道。
进一步，所述流道保护薄片包括第一保护薄片和第二保护薄片；所述第一保护薄片设置在每根所述筋上端的孔道与所述第一过滤网之间；所述第二保护薄片设置在所述第二过滤网外侧。
进一步，所述内向泄压阀机构包括孔端面固定底座、止回阀固定座、止回阀底座、第一泄压阀外壳、第一弹簧、止回阀半球体、第二泄压阀外壳、第一滑动阀、顶针和第二弹簧；在每根所述筋的通孔两端内分别设置有所述孔端面固定底座；在该通孔内，所述止回阀固定座、止回阀底座和第一泄压阀外壳与所述通孔都通过螺纹连接；所述第一泄压阀外壳的第一端紧邻所述筋上端的所述孔端面固定底座，所述止回阀固定座第一端远离所述孔端面固定底座并靠近所述装置本体的所述上通孔，所述止回阀底座第一端设置在所述止回阀固定座的第二端，所述止回阀底座第二端紧邻所述装置本体的所述上通孔；位于所述止回阀底座与所述止回阀固定座之间设置有所述第一弹簧和止回阀半球体；所述第二泄压阀外壳第一端焊接在所述第一泄压阀外壳的第二端；所述第二泄压阀外壳第二端内设置有所述第一滑动阀，位于所述第一滑动阀端部螺纹连接有所述顶针，所述顶针端部靠近所述止回阀固定座第一端；由所述第一泄压阀外壳、第二泄压阀外壳、孔端面固定底座和第一滑动阀构成空腔，在该空腔内设置有所述第二弹簧。
进一步，所述第二泄压阀外壳与所述第一滑动阀之间设置有第一密封圈。
进一步，所述孔端面固定底座与所述筋之间通过螺纹和定位螺栓连接。
进一步，所述外向泄压阀机构包括破裂片、第二滑动阀和第三弹簧；所述破裂片通过螺纹连接在所述筋的通孔内，且所述破裂片远离所述筋下端的孔端面固定底座；所述第二滑动阀上的周向间隔设置有变截面凹槽，且所述第二滑动阀第一端与所述破裂片接触；位于所述第二滑动阀第二端与所述筋的下端的孔端面固定底座之间，设置有所述第三弹簧。
进一步，位于所述第二滑动阀与所述通孔之间设置有第二密封圈。
一种如上述装置的双向可控深水环空圈闭压力泄压方法，其特征在于包括以下步骤：1)将泄压装置安装在井下套管柱上，根据工作工况的要求，当泄压装置处在钻井作业和固井作业时，内向泄压阀机构和外向泄压阀机构都不需要打开；2)当泄压装置处在测试或生产阶段时，该泄压装置所处位置的内环空和外环空压力需要控制；
当需要外环空向内环空泄压时，外环空流体压破第一保护薄片，流体进入内向泄压阀机构内，流体压力作用在顶针和第二泄压阀外壳有效截面上压缩第二弹簧，顶针与止回阀固定座分离，外环空流体作用在止回阀半球体上，并压缩第一弹簧，外环空流体通过止回阀底座上的流道流向内环空，达到双级外环空流体压力泄压的目的；
当需要内环空向外环空泄压时，内环空流体压破破裂片，直接作用在第二滑动阀有效截面上，迫使带有变截面凹槽的第二滑动阀滑动，使装置本体上的变截面通孔与筋上的下端孔道连通，内环空流体压破第二保护薄片，内环空流体流向外环空，实现了多级控制的内环空流体压力泄压的目的。
进一步，当需要泄掉的压力较大时，多级控制内环空流体压力和外环空流体压力的方法包括改变第一保护薄片、第二保护薄片和破裂片的强度，改变第二弹簧、第一弹簧和第三弹簧的刚度，改变向外泄压流道的有效截面积。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：本发明能够双向控制环空圈闭压力，降低深水油气开发成本，提供控制范围大、控制级别可调，工作可靠、操作简单、使用寿命长。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为图1的A-A剖视图；
图3为图1的B-B剖视图；
图4为图1的C-C剖视图。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图1～图4所示，本发明提供一种双向可控深水环空圈闭压力泄压装置，其包括装置本体1，以及设置在装置本体1上的内向泄压阀机构、外向泄压阀机构、流道过滤网和流道保护薄片。装置本体1的上、下连接端面都设置有连接用的内螺纹，在装置本体1上直接间隔设置有四根筋2，内向泄压阀机构、外向泄压阀机构、流道过滤网和流道保护薄片均设置在筋2上。在装置本体1上，上部与筋2的连接位置处设置有上通孔，下部设置有变截面通孔。每根筋2内均沿纵向(装置本体1的长度方向)设置有通孔，该通孔与装置本体1上的上通孔和变截面通孔连通；且每根筋2上、下两端沿横向分别设置有贯通的孔道。
流道过滤网包括第一过滤网3和第二过滤网4。第一过滤网3设置在每根筋2上端的孔道两侧，且第一过滤网3与孔道之间还设置有流道保护薄片；位于每根筋2下端的孔道两侧设置有第二过滤网4，第二过滤网4紧贴孔道。
流道保护薄片包括第一保护薄片5和第二保护薄片6。第一保护薄片5设置在每根筋2上端的孔道与第一过滤网3之间；第二保护薄片6设置在第二过滤网4外侧。
如图1～图4所示，内向泄压阀机构包括孔端面固定底座7、止回阀固定座8、止回阀底座9、第一泄压阀外壳10、第一弹簧11、止回阀半球体12、第二泄压阀外壳13、第一滑动阀14、顶针15、第一密封圈16和第二弹簧17。在每根筋2通孔两端内分别设置有孔端面固定底座7。在通孔内，止回阀固定座8、止回阀底座9和第一泄压阀外壳10与通孔都通过螺纹连接；第一泄压阀外壳10的第一端紧邻筋2上端的孔端面固定底座7；止回阀固定座8第一端远离孔端面固定底座7并靠近装置本体1的上通孔；止回阀底座9第一端设置在止回阀固定座8的第二端，止回阀底座9第二端紧邻装置本体1的上通孔。位于止回阀底座9与止回阀固定座8之间设置有第一弹簧11和止回阀半球体12。第二泄压阀外壳13第一端焊接在第一泄压阀外壳10的第二端。第二泄压阀外壳13第二端内设置有第一滑动阀14，位于第一滑动阀14端部螺纹连接有顶针15，顶针15端部靠近止回阀固定座8第一端；且第二泄压阀外壳13与第一滑动阀14之间设置有第一密封圈16。由第一泄压阀外壳10、第二泄压阀外壳13、孔端面固定底座7和第一滑动阀14构成空腔，在该空腔内设置有第二弹簧17。
上述实施例中，孔端面固定底座7与筋2之间通过螺纹和定位螺栓18连接。
如图1～图4所示，外向泄压阀机构包括破裂片19、第二滑动阀20、第二密封圈21和第三弹簧22。破裂片19通过螺纹连接在筋2通孔内，且破裂片19远离筋2下端的孔端面固定底座7。第二滑动阀20上的周向间隔设置有变截面凹槽，且第二滑动阀20第一端与破裂片19接触；位于第二滑动阀20与通孔之间设置有第二密封圈21。位于第二滑动阀20第二端与筋2下端的孔端面固定底座7之间，设置有第三弹簧22。
上述各实施例中，第一滑动阀14、破裂片19、第二弹簧17、第三弹簧22和第二滑动阀20安装在筋2的通孔内同一轴线上。
如图1～图4所示，基于上述装置，本发明还提供一种双向可控深水环空圈闭压力泄压方法，其包括以下步骤：
1)通过装置本体1两端的内螺纹，将该泄压装置安装在井下套管柱上，根据工作工况的要求，当泄压装置处在钻井作业和固井作业时，内向泄压阀机构和外向泄压阀机构都不需要打开，并且通过流道过滤网、流道保护薄片及破裂片19保证在钻井和固井作业时向泄压阀机构和内外泄压阀机构不打开和防止流道堵塞。
2)当泄压装置处在测试或生产阶段时，该泄压装置所处位置的内环空和外环空压力需要控制；
当需要外环空向内环空泄压时，外环空流体压破第一保护薄片5，流体进入内向泄压阀机构内，流体压力作用在顶针15和第二泄压阀外壳13有效截面上压缩第二弹簧17，顶针15与止回阀固定座8分离，外环空流体作用在止回阀半球体12上，并压缩第一弹簧11，外环空流体通过止回阀底座9上的流道流向内环空，达到双级外环空流体压力泄压的目的。
当需要内环空向外环空泄压时，内环空流体压破破裂片19，直接作用在第二滑动阀20有效截面上，迫使带有变截面凹槽的第二滑动阀20滑动，使装置本体1上的变截面通孔与筋2上的下端孔道连通，内环空流体压破第二保护薄片6，内环空流体流向外环空，实现了多级控制的内环空流体压力泄压的目的。
上述步骤中，当泄压装置需要泄掉的压力较大时，多级控制内环空流体压力和外环空流体压力的方法包括改变第一保护薄片5、第二保护薄片6和破裂片19的强度，改变第二弹簧17、第一弹簧11和第三弹簧22的刚度，改变向外泄压流道的有效截面积。
上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构、尺寸、设置位置及形状都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。
Claims (6)
1.一种双向可控深水环空圈闭压力泄压装置，其特征在于：该装置包括装置本体，所述装置本体上直接间隔设置有四根筋；还包括设置在所述装置本体筋上的内向泄压阀机构、外向泄压阀机构、流道过滤网和流道保护薄片；在所述装置本体上，上部与所述筋的连接位置处设置有上通孔，下部设置有变截面通孔；每根所述筋内均沿纵向设置有通孔，该通孔与所述装置本体上的上通孔和变截面通孔连通；且每根所述筋上、下两端沿横向分别设置有贯通的孔道；
所述流道过滤网包括第一过滤网和第二过滤网；所述第一过滤网设置在每根所述筋上端的孔道两侧，且所述第一过滤网与所述孔道之间设置有所述流道保护薄片；位于每根所述筋下端的孔道两侧设置有所述第二过滤网，所述第二过滤网紧贴所述孔道；
所述流道保护薄片包括第一保护薄片和第二保护薄片；所述第一保护薄片设置在每根所述筋上端的孔道与所述第一过滤网之间；所述第二保护薄片设置在所述第二过滤网外侧；
所述内向泄压阀机构包括孔端面固定底座、止回阀固定座、止回阀底座、第一泄压阀外壳、第一弹簧、止回阀半球体、第二泄压阀外壳、第一滑动阀、顶针和第二弹簧；在每根所述筋的通孔两端内分别设置有所述孔端面固定底座；在该通孔内，所述止回阀固定座、止回阀底座和第一泄压阀外壳与所述通孔都通过螺纹连接；所述第一泄压阀外壳的第一端紧邻所述筋上端的所述孔端面固定底座，所述止回阀固定座第一端远离所述孔端面固定底座并靠近所述装置本体的所述上通孔，所述止回阀底座第一端设置在所述止回阀固定座的第二端，所述止回阀底座第二端紧邻所述装置本体的所述上通孔；位于所述止回阀底座与所述止回阀固定座之间设置有所述第一弹簧和止回阀半球体；所述第二泄压阀外壳第一端焊接在所述第一泄压阀外壳的第二端；所述第二泄压阀外壳第二端内设置有所述第一滑动阀，位于所述第一滑动阀端部螺纹连接有所述顶针，所述顶针端部靠近所述止回阀固定座第一端；由所述第一泄压阀外壳、第二泄压阀外壳、孔端面固定底座和第一滑动阀构成空腔，在该空腔内设置有所述第二弹簧；
所述外向泄压阀机构包括破裂片、第二滑动阀和第三弹簧；所述破裂片通过螺纹连接在所述筋的通孔内，且所述破裂片远离所述筋下端的孔端面固定底座；所述第二滑动阀上的周向间隔设置有变截面凹槽，且所述第二滑动阀第一端与所述破裂片接触；位于所述第二滑动阀第二端与所述筋的下端的孔端面固定底座之间，设置有所述第三弹簧。
2.如权利要求1所述装置，其特征在于：所述第二泄压阀外壳与所述第一滑动阀之间设置有第一密封圈。
3.如权利要求1所述装置，其特征在于：所述孔端面固定底座与所述筋之间通过螺纹和定位螺栓连接。
4.如权利要求1所述装置，其特征在于：位于所述第二滑动阀与所述通孔之间设置有第二密封圈。
5.一种如权利要求1所述装置的双向可控深水环空圈闭压力泄压方法，其特征在于包括以下步骤：
1)将泄压装置安装在井下套管柱上，根据工作工况的要求，当泄压装置处在钻井作业和固井作业时，内向泄压阀机构和外向泄压阀机构都不需要打开；
2)当泄压装置处在测试或生产阶段时，该泄压装置所处位置的内环空和外环空压力需要控制；
当需要外环空向内环空泄压时，外环空流体压破第一保护薄片，流体进入内向泄压阀机构内，流体压力作用在顶针和第二泄压阀外壳有效截面上压缩第二弹簧，顶针与止回阀固定座分离，外环空流体作用在止回阀半球体上，并压缩第一弹簧，外环空流体通过止回阀底座上的流道流向内环空，达到双级外环空流体压力泄压的目的；
当需要内环空向外环空泄压时，内环空流体压破破裂片，直接作用在第二滑动阀有效截面上，迫使带有变截面凹槽的第二滑动阀滑动，使装置本体上的变截面通孔与筋上的下端孔道连通，内环空流体压破第二保护薄片，内环空流体流向外环空，实现了多级控制的内环空流体压力泄压的目的。
6.如权利要求5所述方法，其特征在于：当需要泄掉的压力较大时，多级控制内环空流体压力和外环空流体压力的方法包括改变第一保护薄片、第二保护薄片和破裂片的强度，改变第二弹簧、第一弹簧和第三弹簧的刚度，改变向外泄压流道的有效截面积。
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