CN108699897A - 用于井压控制设备的压力辅助马达操作的冲头致动器 - Google Patents

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Abstract

一种用于致动井压控制装置中的冲头的装置包括连接到冲头的致动器杆。致动器杆可在壳体内移动，以将冲头延伸到壳体中的通孔中。驱动螺杆可旋转地连接到致动器杆。驱动螺杆横向于致动杆定向。至少一个马达可旋转地连接到驱动螺杆。

Description

用于井压控制设备的压力辅助马达操作的冲头致动器
背景技术
本公开一般涉及通过地下地层钻井的领域。更具体地，本公开涉及用于控制来自这种井筒的流体释放的装置，这种设备称为防喷器(BOP)。
本领域已知的防喷器具有一组或多组相对的“冲头”，其被向内推入连接到井口的壳体中，以便在某些条件下或在某些井眼构造操作期间液压地关闭井眼。壳体可以密封地连接到井顶部的井口或套管法兰。当向内推动时，冲头可以密封穿过BOP的管柱和/或在没有管道时(或当管道存在但必须切割或“剪切”时相互密封。冲头的运动由液压操作的致动器执行。
用于海上作业的本领域已知的防喷器可以连接到水体底部的井口，例如湖泊或海洋。在这样的BOP中，可以从水面上方的钻井单元供应电力，该钻井单元可以通过靠近BOP的马达操作的泵转换成液压动力。还可能存在液压油箱，其具有在BOP附近的压力下的液压流体，以便在液压泵或驱动马达失效的情况下提供必要的液压以关闭冲头。
在授予Berkenhof等人的美国专利No.6,554,247中描述了典型的液压致动BOP。
附图说明
图1示出了从浮动钻井平台海洋钻井的实例，其中防喷器安装在井口上。
图2示出了根据本发明的井压控制装置的示例性实施例的侧视图。
图3示出了如图1中的装置的示例性实施例的俯视图。
具体实施方式
提供图1以示出可以使用根据本发明的各个方面的井压控制装置的钻井的示例性实施例。图1示出了漂浮在水体113上并配备有根据本发明的装置的钻井船舶110。井口115位于海底117附近，其限定了底部地层118的上表面或“泥线”。钻柱119和相关的钻头120悬挂在安装在船舶上的井架121上并延伸到井筒122的底部。一段结构套管127从井口115延伸到井筒122上方的底部沉积物中的选定深度。同心容纳钻柱119是立管123，其位于防喷器组124的上端和船舶110之间。球形接头125位于立管123的每一端。
位于立管123的上部附近的是侧向出口126，其将立管连接到流动管线129。出口126设置有节流阀28。流动管线129向上延伸到船舶110上的分离器131，因此提供了从立管123通过流动管线129到船舶110的流体连通。在钻井船舶上还有一个压缩机132，用于将加压气体输送到气体注入管线133，其从钻井船舶向下延伸并进入流动管线129的下端。前述部件可以用于所谓的“双梯度”钻井，其中将返回的钻井液改进和/或泵送到船舶110可以在立管123中提供较低的流体静压力梯度，相比较如果是在钻井液在返回到船舶110时没有如此改进或泵送的情况。为了限定本发明的范围，这种流体压力梯度修改在某些实施例中不需要使用。这里公开的示例性实施例旨在仅用作示例，并且不以任何方式限制本发明的范围。
为了控制立管123内的钻井液的流体静压力，在某些实施例中，钻井液可以通过流动管线129返回到船舶110。与正常的海上钻井操作一样，钻井液循环通过钻柱119钻到钻头210。钻井液离开钻头并通过由钻柱119和井筒122限定的环形空间返回到立管123。然后发生与正常钻井操作的偏离。钻井液保持在上球形接头125和出口126之间的某个高度，而不是将钻井液和钻孔的钻屑通过立管返回钻井船舶。该流体水平与立管中的钻井液所需的流体静压力有关，其不会破坏沉积地层118，但仍能保持良好的控制。
在这样的实施例中，钻井液可以通过侧向出口126从立管123中抽出并通过流动管线129返回到船舶110。控制从立管抽出的流体的速率的节流阀128供给钻井液到流动管线129。来自压缩机132的加压气体沿气体注入管线133向下输送并注入流动管线129的下端。注入的气体与钻井液混合形成由气体、钻井液和钻屑组成的减轻的三相流体。气化流体的密度基本上小于原始钻井液的密度，并具有足够的“升力”以流向表面。
图2示出侧视图并且图3示出了根据本发明的各个方面的示例性井压控制装置8的俯视图。井压控制装置可以是防喷器(BOP)，其包括壳体10，壳体10具有通孔11，用于钻井中使用的井管部件的通过并完成地下井筒。为了清楚说明，BOP的功能部件仅在壳体10的一侧示出。应当理解，BOP的一些示例性实施例可包括与壳体10连接的基本相同的功能部件，与在图2和图3中示出的那些完全相反。
通孔11可以通过冲头12向内移动进入通孔11而关闭以通过流体。在某些实施例中，包括仅在壳体10的一侧上的功能部件，冲头，当完全伸入通孔11时，可以如闸阀的方式完全关闭并密封通孔11。在BOP的其他实施例中，其中基本相同的部件设置在壳体10的相对侧上，当冲头12完全伸入时，可以接触从壳体10的另一侧进入通孔11的相对的冲头(图中未示出)。在本示例性实施例中，冲头12可以是所谓的“盲”冲头，当通孔11中不存在井筒管状设备时，其密封将通孔11封闭以流动流体。在某些实施例中，冲头可以是所谓的“剪切”冲头，其可以操作为切断设置在通孔11中的井筒管，使得当在不可能发生移除管时，BOP可以在紧急情况下密封关闭。在其他实施例中，冲头12可以是“管”冲头，其构造成密封地接合井筒管的外表面，例如钻杆的一段，使得当管设置在通孔中而不需要切断管时，井筒可以关闭以便流体逸出。
冲头12可以连接到冲头轴14。冲头轴14朝向通孔11纵向移动以关闭冲头12，并且纵向地远离通孔移动以打开冲头12。冲头轴14可以密封地、可滑动地与壳体10接合，当井压控制装置8设置在海上钻井作业中的水体底部时，使得通常被称为“阀帽”16的隔室可以保持在表面大气压力下和/或在诸如环境海水压力的压力下排除流体的进入。
冲头轴14可以联接到致动器杆14A。在本实施例中，致动器杆14A可以是螺旋千斤顶，其可以是圆柱形带有螺旋形螺纹形成于其外表面上。在本示例性实施例中，致动器杆14A可包括与致动器杆14A的螺纹接合的循环滚珠螺母(图中未清晰示出)。如果使用，蜗轮18可以放置成与滚珠螺母旋转接触，或者与致动器杆14A旋转接触。在某些实施例中，行星辊类型的其他形式可用于将致动器杆14A连接到蜗轮18。蜗轮18的旋转将引起致动器杆14A的向内或向外移动，并且相应地移动冲头轴14和冲头12。
蜗轮可以通过至少一个，并且在本实施例中，相对的一对马达30旋转。(多个)马达30可以是，例如，电动马达、液压马达或气动马达。
致动器杆14A的向外纵向端可以与扭矩制动器22接触。扭矩制动器22可以是将致动器杆14A旋转地锁定到扭矩制动器22的另一侧上的活塞20的任何设备。活塞20可设置在气缸25中，气缸25与阀帽16液压隔离。活塞20的一侧可暴露于外部压力源24，例如但不限于，当压力控制装置8设置在水体底部时，来自蓄压器或压力瓶的压力、加压气体或环境海水压力的液压。活塞20的另一侧可以暴露于减压26，例如真空或大气压力，使得活塞20的向内运动基本上不受气缸25的这种部分中的气体或液体的压缩的阻碍。活塞20的另一侧可以与扭矩制动器22接触。另一个扭矩制动器22可以固定地安装在气缸25上。
在本示例性实施例中，压力传感器21可以安装在活塞20和扭矩制动器22之间。压力传感器21可以是，例如设置在两个止推垫圈之间的压电元件。压力传感器21可以产生与由活塞和致动器杆14A施加在冲头12上的力的大小相对应的信号，以打开或关闭冲头12。可以使用如图2所示的另一个压力传感器40。在某些实施例中，致动器杆14A或活塞20的纵向位置可以通过线性位置传感器23测量，例如线性可变差动变压器或通过形成在活塞20的外表面中的螺旋槽和可变磁阻效应传感器线圈(未示出)。
如在图2中可以观察到的那样，(多个)马达30可以具有手动操作结构31，例如六角扳手或其他扭矩传递结构，以在马达故障的情况下使蜗轮16能够旋转。扭矩传递结构31可以通过马达旋转，例如，如果这种操作变得必要的话在远程操作的车辆(ROV)上旋转。
具体参见图2，在某些实施例中，井压控制装置8可以以“闭环”模式操作，由此可以将指令发送到装置8以打开冲头12或关闭冲头。为此目的，控制器37可以是任何形式的微控制器、可编程逻辑控制器或类似的过程控制设备，可以与压力传感器21和线性位置传感器23进行信号通信。来自控制器37的控制输出可以功能性地连接至(多个)马达30。当控制器37接收到命令以关闭冲头12时，控制器37将操作(多个)马达30以使蜗轮16旋转并使致动器杆14A使冲头12朝向通孔移动。作用在活塞20的另一侧上的流体压力将增加由致动器杆14A施加的力的量，该力大大超过单独由(多个)马达30的旋转施加的力。当由压力传感器21测量的压力增加时，并且当线性位置传感器23测量结果表明冲头12完全伸入通孔11中时，控制器37可以停止(多个)马达30的旋转。反向过程可以是当传感器测量结果表示冲头12完全打开时，用于打开冲头12并停止(多个)马达30的旋转。以这种方式，可以执行打开和关闭冲头12，而无需用户监视任何测量结果并手动操作控制器；在将打开或关闭命令传送到控制器37之后，可以完全自动化冲头12的打开和关闭。
虽然已经对有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于本发明的本领域技术人员将理解，可以设计出不脱离本文所公开的本发明的范围的其他实施例。因此，本发明的范围应仅由所附权利要求限制。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种用于致动井压控制装置中的冲头的装置，包括：
连接到冲头的致动器杆，致动器杆可在壳体内移动，以将冲头延伸到壳体中的通孔中；
驱动螺杆，旋转地连接到致动器杆上，驱动螺杆横向于致动器杆定向；
至少一个电动机，可旋转地连接到驱动螺杆；和
活塞，所述活塞设置在所述致动器杆的与所述冲头相对的纵向端部处，所述活塞暴露于所述活塞的与所述致动器杆相对的一侧的流体压力源。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，流体压力源包括液压流体压力。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述流体压力源包括气动压力。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述流体压力源包括水体底部的环境水压。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，活塞的与流体压力源相对的一侧的至少一部分暴露于真空。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，致动器杆包括螺旋千斤顶。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，螺旋千斤顶通过循环滚珠螺母与驱动螺杆旋转接触。
8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述至少一个马达包括电动马达。
9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述至少一个马达包括液压马达。
10.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述至少一个马达包括气动马达。
11.根据权利要求1所述的装置，还包括压力传感器，所述压力传感器布置成测量施加到致动器杆的纵向力。
12.根据权利要求1所述的装置，还包括线性位置传感器，所述线性位置传感器布置成测量所述致动器杆的纵向位置。
13.根据权利要求12所述的装置，还包括控制器，所述控制器与所述纵向位置传感器进行信号通信，并且具有与所述至少一个马达进行信号通信的控制输出，所述控制器配置为根据线性位置传感器的测量结果操作所述马达以自动完全打开所述冲头或自动完全关闭冲头。
14.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述至少一个马达包括驱动结构，以使马达能够通过外部驱动设备旋转。
15.如权利要求14所述的装置，其特征在于，所述外部驱动设备包括遥控的车辆。
16.如权利要求1所述的装置，还包括扭矩制动器，其功能性地连接在致动器杆和壳体之间。
17.根据权利要求16所述的装置，还包括活塞，所述活塞设置在所述致动器杆的与所述冲头相对的纵向端部，所述活塞暴露在其与致动器杆相对一侧的流体压力源上，并且还包括连接在活塞和壳体之间的扭矩制动器。

Claims (18)

1.一种用于致动井压控制装置中的冲头的装置，包括：
连接到冲头的致动器杆，致动器杆可在壳体内移动，以将冲头延伸到壳体中的通孔中；
驱动螺杆，旋转地连接到致动器杆上，驱动螺杆横向于致动器杆定向；和
至少一个电动机，可旋转地连接到驱动螺杆。
2.根据权利要求1所述的装置，还包括活塞，所述活塞设置在所述致动器杆的与所述冲头相对的纵向端部处，所述活塞暴露于所述活塞的与所述致动器杆相对的一侧的流体压力源。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，流体压力源包括液压流体压力。
4.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述流体压力源包括气动压力。
5.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述流体压力源包括水体底部的环境水压。
6.如权利要求2所述的装置，其特征在于，活塞的与流体压力源相对的一侧的至少一部分暴露于真空。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，致动器杆包括螺旋千斤顶。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，螺旋千斤顶通过循环滚珠螺母与驱动螺杆旋转接触。
9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述至少一个马达包括电动马达。
10.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述至少一个马达包括液压马达。
11.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述至少一个马达包括气动马达。
12.根据权利要求1所述的装置，还包括压力传感器，所述压力传感器布置成测量施加到致动器杆的纵向力。
13.根据权利要求1所述的装置，还包括线性位置传感器，所述线性位置传感器布置成测量所述致动器杆的纵向位置。
14.根据权利要求13所述的装置，还包括控制器，所述控制器与所述纵向位置传感器进行信号通信，并且具有与所述至少一个马达进行信号通信的控制输出，所述控制器配置为根据线性位置传感器的测量结果操作所述马达以自动完全打开所述冲头或自动完全关闭冲头。
15.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述至少一个马达包括驱动结构，以使马达能够通过外部驱动设备旋转。
16.如权利要求15所述的装置，其特征在于，所述外部驱动设备包括遥控的车辆。
17.如权利要求1所述的装置，还包括扭矩制动器，其功能性地连接在致动器杆和壳体之间。
18.根据权利要求17所述的装置，还包括活塞，所述活塞设置在所述致动器杆的与所述冲头相对的纵向端部，所述活塞暴露在其与致动器杆相对一侧的流体压力源上，并且还包括连接在活塞和壳体之间的扭矩制动器。
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