CN110529072A - 一种直电式控制水下测试树 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种直电式控制水下测试树，其主要包括连接器与安全阀两部分，其中连接器由活动推环、球锁机构、电缆通道、湿接头以及空心轴电机组成；安全阀由活动推环、空心轴电机、电缆通道、球阀机构、齿轮齿条装置、缓冲装置组成。连接器中通过一个空心轴电机控制其内部球锁机构动作，实现测试管柱的断开或连接；安全阀中有两个球阀上下分布，均通过空心轴电机配合齿轮齿条控制其转动，实现封堵、剪切或开启。本发明通过空心轴电机对水下测试树中连接器与安全阀的控制，提高了整体控制及响应速度，克服了液压控制不足，更好地满足了深水油气测试作业对管柱安全控制的要求，保证了紧急情况下作业船、人员、设备和环境安全。
Description
技术领域
本发明涉及海洋油气开发领域，尤其涉及一种直电式控制水下测试树。
背景技术
随着当今社会工业的发展，人们对于资源的需求量也在不断地增加，陆地资源已经不足以满足人类对资源的需求量，故而从上世纪开始，人们就将目光转向了海洋资源的开采。在海洋资源的开采中，主要以深海油气的开采为主。特别是进入二十一世纪后，各国的石油天然气开发战略逐步转向海洋。不难预测，在未来的资源战争中，深水油气将会占有很大的比重。
在进行深水油气开发时，油气测试是其中一个必不可少的环节。在进行深水测试时，浮式平台或钻井船受风、浪、流等影响会发生升沉、纵摇、横摇等运动，与之相连的深水测试管柱也会随之运动。若遭遇恶劣海况，如台风、潮汐、海啸等，要求立即停止作业，并通过水下测试树封堵海底井口处测试管柱内高压流体，并迅速断开测试管柱，保证测试管柱安全，使平台或钻井船能快速撤离，以确保平台、工作人员和设备的安全。如果没能及时安全撤离，可能发生测试平台沉没等严重安全事故，威胁到工作人员的生命安全，导致巨大的设备及经济损失，并且会造成油气泄漏对海洋环境造成严重污染。
当前深水油气测试作业中所用水下测试树，主要是液压直接控制或电液联合控制方式，实质上其均包含液压控制模块，即通过液压管线内的液压控制水下测试树中的连接器和安全阀。但是在深水环境中长距离的液压管线控制，其响应时间有一定的滞后性，大大影响了钻井船的撤离效率，且其中液压油易发生泄漏，长时间后其自身压缩性还会造成管路变形；而当环境变化太大时油温和载荷变化较大，不易保持负载运动速度的稳定性；液压油的污染对液压系统的稳定性能影响非常显著，甚至有可能导致液压系统失效；液压油在管路中流动会产生压力损失，当管路较长时压力损失较大、传功效率降低。因此液压传动不宜用于远距离控制与传动，从而局限了水下测试树树的范围；且液压控制响应速度慢，不利于实现高效控制。
因此无论是液压控制还是电液控制，其所包含的液压控制方式都具有上述缺点。因此，需要设计一种不包含液压控制系统的水下测试树，即直接通过电缆控制的水下测试树装置，从而可以通过直电传输控制电机实现对于连接器、安全阀等运动的机构的控制，实现可靠封堵井底高压油气，且实现迅速断开测试管柱，以满足不同深水测试水深的变化和更好保障深水测试安全的要求。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有深水油气开发工具中所存在的问题及需求，提出一种直电式控制水下测试树，所述的直电式控制安全球阀满足了快速可靠封堵井下高压油气的要求；所述直电式控制连接器实现了测试管柱的快速断开；所述空心轴电机解决了水下测试树内过流通道较大、空间有限、电机尺寸结构限制的问题。
本发明采用如下技术方案：
一种直电式控制水下测试树，其特征在于：主要包括连接器与安全阀，其中连接器包括上部空心轴电机、上部空心轴电机转子、上部活动推环、上部管道外壳体、球锁机构、圆球锁芯、上部电缆及电缆通道、湿接头、上部管道内壳体，安全阀包括中部电缆及电缆通道、中部管道外壳体、中部活动推环、中部空心轴电机、中部空心轴电机转子、下部内管道、中部缓冲装置、中部齿轮齿条、中部球阀、下部空心轴电机、下部空心轴电机转子、下部活动推环、下部管道外壳体、下部齿条、下部齿轮、下部球阀、下部电缆及电缆通道、下部缓冲装置。连接器中上部空心轴电机一端与上部管道外壳体通过螺钉配合，另一端由上部空心轴电机转子与活动推环通过螺纹啮合配合，活动推环上端一面通过螺纹啮合配合上部空心轴电机转子，另一端连接球锁机构，球锁机构通过螺纹连接在管道内壳体上，下面则为安全阀部分，其中中部管道外壳体通过螺钉与中部空心轴电机相连；中部空心轴电机转子通过螺纹与中部活动推环相配合，中部活动推环与中部齿条通过螺钉相配合，中部齿条和中部齿轮啮合，中部齿轮通过键与中部球阀配合；下部管道外壳体通过螺钉与下部空心轴电机相连，下部空心轴电机转子通过螺纹与下部活动推环相配合；下部活动推环通过螺钉与下部齿条相配合，下部齿条与下部齿轮啮合，下部齿轮通过键与下部球阀配合。
采用上述结构，当连接器与安全阀进行工作连接时，上部空心轴电机接收到电信号后空心轴电机内部转子开始进行旋转，同时带动上部活动推环活动，上部活动推环向右推动并且带动球锁机构向右运动，推动力的作用下圆球锁芯开始向右运动，当圆球锁芯运动到中部管道外壳体时，由于中部管道外壳体的滚珠锁芯安装孔直径小于滚珠直径，则在上部活动推环的作用力下，将滚珠固定在中部管道外壳体的滚珠锁芯安装孔中，由此连接管道上部与中部，在球锁机构的导向作用下,连接器管道与安全阀管道相接，上部电缆及电缆通道通过湿接头与中部电缆及电缆通道实现对接，电力通过湿接头到达中部管道，再抵达中部空心轴电机和下部空心轴电机，当空心轴电机收到信号后开始工作，经螺纹带动中部活动推杆以及下部活动推杆，推杆由此进行轴向运动，下部活动推杆通过花键与齿条连接，齿条与球阀上齿轮啮合，在进行轴向运动的同时带动齿轮旋转，使得球阀旋转90°，并安装下部缓冲装置避免轴向力过大造成剧烈撞击，由此进行球阀的打开。
当紧急撤离时，首先中部空心轴电机和下部空心轴电机收到信号后反转，通过齿条齿轮配合关闭球阀，然后上部空心轴电机接到信号，上部空心轴电机转子逆向转动，上部活动推环在螺纹配合作用下，向上运动到上部空心轴电机限位处，上部空心轴电机进行空转，同时海平面向上提动作业机，球锁机构向上运动，在球锁机构的作用下滚珠从中部管道外壳体的滚珠锁芯安装孔里出来，并随着上部作用机向上运动，同时上部活动推环对滚珠进行限位。而且密封圈保证密封效果，使油液不容易泄露。
所述上部空心轴电机转动通过上部空心轴电机转子驱动活动推环向下移动，直至圆球锁芯连接器下部管道外壳体配合，由此连接管道上部与下部；当管道上部与管道下部断开时，所述活动推杆对圆球锁芯进行限位，防止圆球锁芯的滚珠脱离。
所述圆球锁芯置于球锁机构中；其中所述球锁机构上有一半球形凹槽，其最大距离略短于圆球锁芯的直径，使得圆球锁芯可在半球形凹槽中相对运动却又不会与半球形凹槽完全脱离；所述连接器下部管道外壳体有一相同半球形凹槽。
所述湿接头呈阶梯状，有电缆通道Ⅰ、电缆通道Ⅱ以及总电缆通道Ⅲ，通道与通道之间有绝缘层，湿接头连接上部电缆及中部电缆，经由中部电缆为中部空心轴电机供电，下部电缆为下部空心轴电机供电。
所述的齿轮齿条结构，其齿数设计满足在空心轴电机驱动下实现下部球阀的精准开闭，另一端设有花键与下部活动推环配合；
综上所述，本发明的优点为：
通过直电传输控制电机从而控制各开关部件运动，有效地提高了系统的工作效率与响应速度，有效地解决了液压控制中存在的控制与响应滞后的问题。实现对海底暗流以及突发性的气候恶劣的实时监测。
电控装置工作环境的要求低，不受场地限制，工作适用范围广。打破了液压控制中存在的高压环境要求的壁垒。
安全球阀的封堵和剪切作用，避免其他物质进入管道内，造成管道的堵塞，从而避免时间和资金成本的浪费。由于直电式控制的使用，没有了液压的参与。有效避免了液压油泄露到工作管柱中，保证了海底工作的正常进行。
提高装配的稳定性和精确度,同时减少了因电机转速过快而导致的电机发热对设备造成的损坏。而且此装置中装有缓冲装置，也有效地解决了电机惯性的问题。
附图说明
图1是为本发明直电式水下测试树结构剖面图
图2是为本发明水下测试树整体结构三维剖面图
图3是为本发明水下测试树空心轴电机立体剖面图
图4是本发明水下测试树圆球锁芯传动示意图Ⅰ
图5是本发明水下测试树圆球锁芯传动示意图Ⅱ
图6是为本发明水下测试树湿接头三维结构放大图
图7是为本发明水下测试树球阀传动立体示意图
图8是为本发明水下测试树连接器整体立体剖面图
图9是为本发明水下测试树球阀整体立体剖面图
1—上部空心轴电机，2—上部空心轴电机转子，3—上部活动推环，4—上部管道外壳体5—球锁机构，6—圆球锁芯，7—上部电缆及电缆通道，8—湿接头，801—湿接头外壁，802—湿接头内筒，803—总电缆通道Ⅲ，804—湿接头对接头，805—电缆通道Ⅰ，806—电缆通道Ⅱ，9—中部电缆及电缆通道，10—中部管道外壳体，1001—滚珠锁芯安装孔，11—中部活动推环，12—中部空心轴电机，13—中部空心轴电机转子， 14—下部内管道，15—中部缓冲装置Ⅰ，16—下部电缆及电缆通道，17—下部空心轴电机，18—下部空心轴电机转子，19—下部活动推环，20—下部管道外壳体，21—管道，22—下部齿条，2201—下部齿条齿数，2202—下部齿条齿杆，2203—花键，23—下部齿轮，24—下部球阀，25—下部缓冲装置，26—中部缓冲装置Ⅱ，27—中部齿轮齿条，28—中部球阀，29—垫片，30—密封圈，31—内管道，32—上部管道内壳体
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1至图9所示，一种直电式控制水下测试树，主要包括连接器与安全阀，其中连接器包括上部空心轴电机(1)、上部空心轴电机转子(2)、上部活动推环(3)、上部管道外壳体(4)、球锁机构(5)、圆球锁芯(6)、上部电缆及电缆通道(7)、湿接头(8)、上部管道内壳体(32)，安全阀包括中部电缆及电缆通道(9)、中部管道外壳体(10)、中部活动推环(11)、中部空心轴电机(12)、中部空心轴电机转子(13)、下部内管道(14)、中部缓冲装置(15)、下部电缆及电缆通道(16)、中部齿轮齿条(27)、中部球阀(28)、下部空心轴电机(17)、下部空心轴电机转子(18)、下部活动推环(19)、下部管道外壳体(20)、下部齿条(22)、下部齿轮(23)、下部球阀(24)、下部缓冲装置(25)。连接器中上部空心轴电机(1)一端与上部管道外壳体(4)通过螺钉配合，另一端由上部空心轴电机转子(2)与活动推环(3)通过螺纹啮合配合，活动推环(3)上端一面通过螺纹啮合配合上部空心轴电机转子(2)，另一端连接球锁机构(5)，当装置连接时，球锁机构(5)通过螺纹连接在上部管道内壳体(32)上，下面则为安全阀部分，其中中部管道外壳体(10)通过螺钉与中部空心轴电机(12)相连；中部空心轴电机转子(13)通过螺纹与中部活动推环(11)相配合，中部活动推环(11)与中部齿条(27)通过螺钉相配合，中部齿条(27)和中部齿轮(27)啮合，中部齿轮(27)通过键与中部球阀(28)配合；下部管道外壳体(10)通过螺钉与下部空心轴电机(17)相连，下部空心轴电机转子(18)通过螺纹与下部活动推环(19)相配合；下部活动推环(19)通过螺钉与下部齿条(22)相配合，下部齿条(22)与下部齿轮(23)啮合，下部齿轮(23)通过键与下部球阀(24)配合。
实施方式一：
当上部空心轴电机(1)接收到电信号后上部空心轴电机转子(2)开始进行旋转，同时带动上部活动推环 (3)活动，上部活动推环(3)向右推动并且带动球锁机构(5)向右运动，推动力的作用下圆球锁芯(6) 开始向右运动，当圆球锁芯(6)运动到中部管道外壳体(10)时(如图4)，由于中部管道外壳体(10) 滚珠锁芯安装孔(1001)直径小于滚珠直径，在上部活动推环(3)的作用力下，将圆球锁芯(6)固定在中部管道外壳体(10)的滚珠锁芯安装孔(1001)中，由此连接管道上部与中部，在球锁机构(5)的作用下, 连接器管道与安全阀管道相接，上部电缆及电缆通道(7)通过湿接头(8)与中部电缆及电缆通道(9) 实现对接，电力通过湿接头(8)到达中部电缆管道(9)，再抵达中部空心轴电机(12)和下部空心轴电机(17)，当中部空心轴电机(12)和下部空心轴电机(17)收到信息后开始旋转，经螺纹带动中部活动推杆(11)以及下部活动推杆(19)，推杆由此进行轴向运动，下部活动推杆(19)通过花键(2203)与齿条(22)连接(如图7)，齿条(22)与球阀上齿轮(23)啮合，在进行轴向运动的同时带动齿轮(22) 旋转(如图8)，通过计算，以合适的齿数比达到恰好使得球阀旋转90°，并安装下部缓冲装置(25)避免轴向力过大造成剧烈撞击，由此进行中部球阀(28)和下部球阀(24)的打开。
实施方式二：
当平台作业发生紧急情况的时候，首先中部空心轴电机(12)和下部空心轴电机(17)收到信号后逆向旋转，通过齿条齿轮配合关闭球阀，然后上部空心轴电机(1)接到信号，上部空心轴电机转子(2)逆向转动，上部活动推环(3)在螺纹约束作用下，向上运动到上部空心轴电机(1)限位处，上部空心轴电机(1) 进行空转，同时海平面向上提动作业机，球锁机构(5)向上运动，在球锁机构(5)的作用下圆球锁芯(6) 从中部管道外壳(10)的滚珠锁芯安装孔(1001)里滑出(如图5)，并随着上部作用机向上运动，同时上部活动推环(3)对圆球锁芯(6)进行限位。
本发明包括但不限于上述实施方式，任何符合本权利要求书或说明书描述，符合与本文所公开的原理和新颖性、创造性特点的方法、工艺、产品，均落入本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种直电式控制水下测试树，其特征在于：主要包括连接器与安全阀，其中连接器包括上部空心轴电机(1)、上部空心轴电机转子(2)、上部活动推环(3)、上部管道外壳体(4)、球锁机构(5)、圆球锁芯(6)、上部电缆及电缆通道(7)、湿接头(8)、上部管道内壳体(32)，安全阀包括中部电缆及电缆通道(9)、中部管道外壳体(10)、中部活动推环(11)、中部空心轴电机(12)、中部空心轴电机转子(13)、下部内管道(14)、中部缓冲装置(15)、中部齿轮齿条(27)、中部球阀(28)、下部空心轴电机(17)、下部空心轴电机转子(18)、下部活动推环(19)、下部管道外壳体(20)、下部齿条(22)、下部齿轮(23)、下部球阀(24)、下部电缆及电缆通道(16)，下部缓冲装置(25)。连接器中上部空心轴电机(1)一端与上部管道外壳体(4)通过螺钉配合，另一端由上部空心轴电机转子(2)与活动推环(3)通过螺纹啮合配合，活动推环(3)上端一面通过螺纹啮合配合上部空心轴电机转子(2)，另一端连接球锁机构(5)，球锁机构(5)通过螺纹连接在上部管道内壳体(32)上，下面则为安全阀部分，其中中部管道外壳体(10)通过螺钉与中部空心轴电机(12)相连，中部空心轴电机转子(13)通过螺纹与中部活动推环(11)相配合，中部活动推环(11)与中部齿条(27)通过螺钉相配合，中部齿条(27)和中部齿轮(27)啮合，中部齿轮(27)与中部球阀(28)的同轴配合；下部管道外壳体(10)通过螺钉与下部空心轴电机(17)相连，下部空心轴电机转子(18)通过螺纹与下部活动推环(19)相配合；下部活动推环(19)通过螺钉与下部齿条(22)相配合，下部齿条(22)与下部齿轮(23)啮合，下部齿轮(23)与下部球阀(24)同轴配合。
2.根据权利要求1所述的一种直电式控制水下测试树，其特征在于：所述的上部空心轴电机转子(2)设有螺纹，上述上部空心轴电机(1)转动通过上部空心轴电机转子(2)驱动活动推环(3)向下移动，直至圆球锁芯(6)与连接器下部管道外壳体(10)配合，由此连接管道上部与下部；当管道上部与管道下部断开时，所述活动推杆(3)对圆球锁芯(6)进行限位，防止圆球锁芯(6)的滚珠脱离。
3.根据权利要求1所述的一种直电式控制水下测试树，其特征在于：所述湿接头(8)呈阶梯状，分为湿接头外壁(801)与湿接头内筒(802)，用于连接电缆，所述电缆包括上部电缆及电缆通道(7)，和中部电缆通道(9)，其中电缆管线内有电缆通道Ⅰ(805)，电缆通道Ⅱ(806)和总电缆通道Ⅲ(803)，通道与通道之间有绝缘层，上部电缆管线(7)通过对接头(804)精准对接，与中部电缆(9)接通，经由中部电缆(9)为中部空心轴电机(12)供电，中部电缆分支到下部电缆(16)，下部电缆(16)为下部空心轴电机(17)供电。
4.根据权利要求1所述的一种直电式控制水下测试树，其特征在于：下部齿条(22)与下部齿轮(23)精准配合，下部空心轴电机(17)通过下部空心轴电机内设转子(18)与下部活动推环(19)配合，下部活动推环(19)与下部齿条(22)通过花键(2203)配合；驱动下实现下部球阀(24)的精准开闭，其中部球阀(28)的启闭与下部球阀(24)相同。
5.根据权利要求1所述的一种直电式控制水下测试树，其特征在于设有中部缓冲装置Ⅱ(26)和中部缓冲装置Ⅰ(15)，下部缓冲装置(25)，当下部空心轴电机(17)转动带动下部活动推环(19)向下运动，下部活动推环(19)带动下部齿条(22)运动，下部齿条(22)轴向运动带动下部齿轮(23)旋转，下部齿轮(23)带动球阀旋转，由此带动球阀(24)开启或者关闭。
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