CN111201366B - 用于井压力控制装置的动剪切闸板 - Google Patents
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Abstract
防喷器具有主体，所述主体具有通孔。壳体安装在主体上，并限定了连接到通孔并横向于通孔的通道。隔离环切割器初始地围绕通孔设置，并关闭流体流动的通道。隔离环切割器可沿通道移动，并具有与通孔重合的开口。活塞和闸门设置在与隔离环切割器间隔开的通道中。推进剂装料设置在在活塞和端部之间。
Description
技术领域
本公开涉及井压力控制装置的领域，即防喷器(BOP)。更具体地说，本公开涉及用于所谓的“剪切闸板”的致动闸板，当在地下井有工具、管道或其他设备阻止用于关闭BOP的其他设备的正常操作时，该致动闸板用于关闭BOP。
背景技术
与油气井等一起使用的防喷器(BOP)被提供用于降低称为井喷的潜在灾难性事件的风险，其中高井压力和由此导致的从地下地层流入井内的不受控制的流动会将管状产品(例如钻杆和井套管)、工具和流体排出井外。井喷对钻井人员、钻机和环境造成严重的安全隐患，并且控制、维修和补救由此造成的损害的成本可能会极其昂贵。通常，BOP具有由致动器打开和关闭的“闸板”。最常见的致动器类型是通过液压操作，将关闭元件推过BOP壳体(自身密封耦接到井)中的通孔以关闭井。在某些类型的BOP中，闸板具有淬火钢剪，以切割需要关闭防喷器时可能在井中的钻柱或其他工具或设备。
许多液压致动闸板的局限性在于，它们需要大量的液压力来移动闸板，以抵抗井筒内的压力，并且在剪切闸板的情况下，其随后切穿通孔内的物体。
液压致动闸板的另一个局限性是，液压力通常在远离BOP的位置上产生(需要从压力源到闸板的液压管路)，如果输送液压力的液压管路损坏，BOP容易无法关闭。与液压致动闸板相关的进一步局限性可能包括由于闸板在流动井筒中的相对缓慢的关闭动作而导致的切割和密封表面腐蚀。在重型压缩下切割工具接头、钻铤、大直径管件和偏心管柱也可能给液压致动闸板带来问题。
与液压致动的剪切闸板BOP相关的进一步局限性是，切割刀片是不对称的，这导致在剪切动作期间产生分离力。
针对液压BOP的许多局限性，已经提出了烟火致动BOP，此类BOP包括KineticPressure Control Limited的No.WO 2016/176725号国际申请公开中所述的防喷器。例如在前述公开中公开的基于烟火的BOP的局限性在于，剪切元件必须切穿隔离环才能剪切位于通孔内的设备。隔离环被制成为笨重的厚元件，以排除压力下井流体进入烟火装料和井筒压力下的剪切存储空间。因此，隔离环的存在可显著增加所需的剪切能，以确保剪切闸板的正常功能。此外，隔离环在剪切时可能会产生额外的碎屑，这可能会损坏BOP内的密封装置。
发明内容
根据本公开的一个方面的防喷器具有主体，所述主体具有通孔。壳体安装在主体上，并限定了连接到通孔并横向于通孔的通道。隔离环切割器初始地围绕通孔设置，并关闭流体流动的通道。隔离环切割器可沿通道移动，并具有与通孔重合的开口。活塞和闸门设置在与隔离环切割器间隔开的通道中。推进剂装料在活塞和端部之间。
在一些实施例中，防喷器进一步包括设置在靠近主体的壳体中的能量吸收元件。
在一些实施例中，防喷器进一步包括在壳体中的限制件，该限制件布置成停止活塞和闸门的运动，直到来自推进剂装料的气体压力达到选定的阈值为止。
在一些实施例中，限制件包括剪切销。
在一些实施例中，隔离环切割器包括形成在开口的圆周中的切割边缘。
在一些实施例中，防喷器进一步包括密封件，该密封件设置在主体中并且与通孔同轴，该密封件布置成当闸门移动到横向与密封件相邻的位置时关闭通孔防止流体流动。
在一些实施例中，在闸口和隔离环切割器之间的预引发间隔可以在通孔的直径的1/8至1/2之间，或者可以大于通孔的直径的1/2。
在一些实施例中，隔离环切割器的质量小于活塞和闸门的总质量的20％。
在一些实施例中，隔离环切割器的质量小于活塞和闸门的总质量的10％。
在一些实施例中，隔离环切割器包括钢和陶瓷中的至少一种。
在一些实施例中，陶瓷包括金属碳化物。
根据本公开的另一方面的用于关闭井的方法包括致动布置在防喷器中的推进剂装料，该防喷器具有耦接到井的主体并且包括通孔、安装至主体的壳体(所述壳体限定连接至通孔并横向于通孔的通道)、隔离环切割器(所述隔离环切割器初始地设置在通孔周围并关闭流体流动的通道，隔离环切割器可沿通道移动并具有与通孔重合的开口，)、设置在与隔离环切割器隔开的压力室中的活塞和闸门，其中推进剂装料被设置在活塞和端部之间。来自致动的推进剂装料的气体压力将活塞、闸门和隔离环切割器移入通孔，从而切割位于通孔中的设备。因此，通道被密封以防止与通孔的流体连通。
一些实施例进一步包括通过接触设置在壳体中邻近主体的能量吸收元件来使活塞减速。
一些实施例进一步包括限制活塞和闸门的运动，直到来自推进剂装料的气压达到选定的阈值为止。
在一些实施例中，通过选择剪切销的性能来设置所选阈值。
在一些实施例中，隔离环切割器包括形成在开口的圆周中的切割边缘。
在一些实施例中，隔离环切割器的质量小于活塞和闸门的总质量的20％。
在一些实施例中，隔离环切割器的质量小于活塞和闸门的总质量的10％。
在一些实施例中，隔离环切割器包括钢和陶瓷中的至少一种。
在一些实施例中，陶瓷包括金属碳化物。
附图说明
图1示出了根据本公开的BOP的示例实施例的剖视图。
图2示出了图1的BOP的平面图。
图3示出了图1装料引发前的剖视图。
图4示出了当来自装料的气体压力超过选定阈值时剪切元件的操作的引发。
图5示出了在挤压开始时减慢动能闸门的挤压核心。
图6示出了在挤压结束时动能闸门的位置。
具体实施方式
参考图1，示出了根据本公开的防喷器100(BOP)的示例实施例的正剖视图。防喷器100具有主体5，该主体具有通孔7。防喷器100还具有横向于通孔7定向的通道8。隔离环切割器4流体地密封通道8，该通道从通孔7延伸到压力壳体10中。隔离环切割器4位于主体5的内部，并具有在致动BOP 100之前围绕通孔7居中的开口(见图2，元件4A)。参见图2的平面图。切割边缘(见图2中的4A)可以形成在隔离环切割器4中的开口的圆周上。活塞1和闸门3布置在压力壳体10中。闸门3可以是平板，例如，由钢制成，其形状使得能够沿着通道8纵向运动，并且其作用方式与闸门阀中的闸门相同，以关闭通孔7，这将进一步解释。装料9可以以热量和/或冲击引发的化学推进剂的形式，位于活塞1和与主体5相对的压力壳体10的纵向端部的端盖11之间。装料9可以被引发、燃烧或反应以产生高压气体，该高压气体继而推动活塞1并因此推动闸门3穿过压力壳体10并进入隔离环切割器4。来自活塞1和闸门3的动能传递到隔离环切割器4，以沿着通道8并穿过通孔7推动隔离环切割器4。另外，闸门3和隔离环切割器4在穿过通孔7时可以保持紧密接触，从而允许来自膨胀气体的力在剪切过程中继续作用于活塞1和闸门3，并作用于隔离环切割器4，以增加剪切效率，这将在下面更详细地描述。
在一些实施例中，闸门3与隔离环切割器4之间的预引发间隔可以在通孔7的直径的1/8至1/2之间，或者可以大于通孔7的直径的1/2。
能量吸收元件2形式的制动机构位于压力壳体10内在活塞1和阀盖6之间。能量吸收元件2可以由可压碎的材料制成，适于吸收活塞1和闸门3的动能，这将在下面更详细地描述。
现在将参照图2说明防喷器100的操作，该图是防喷器100在被启动之前的横截面图。如在图2中可以看到的，装料9、活塞1和闸门3位于通孔7的第一侧上；可以在CL观察到通孔7的中心线。
图2还示出了适于激活(activate)装料9的引发器12。图2还示出了隔离环切割器4，其将通道8与通孔7流体密封。围绕通孔7，通孔密封件13可以设置在闸门3的下平面下方，这将在下面更详细地说明。
能量吸收元件2可以位于通道8内的在通孔7的与活塞1和闸门3相同的一侧。
图3示出了防喷器100的横截面图，其中装料9尚未被引发器12激活。活塞1和闸门3通过一个限制件(例如，剪切销)(未显示)作用在活塞1上，以抵抗来自装料9的气体压力即将产生的力而固定就位，直到装料9激活后来自装料9的气体已产生足够的压力(即当压力达到选定阈值时)为止。如果仅使用单个剪切销或类似设备，则限制件可以固定活塞1或闸门3。
图4示出了防喷器100的横截面图，其中在装料9被活化以使剪切销(未示出)断裂之后，发生了热气的充分膨胀。在这一阶段，活塞1和闸门3沿着通道8朝隔离环切割器4和通孔7加速。一旦在闸门3和隔离环切割器4之间形成接触，动能就从活塞1和闸门3转移到隔离环切割器4，从而将隔离环切割器4推入通孔7中。闸门3在穿过通孔7时可以保持与隔离环切割器4紧密接触，从而增加了隔离环切割器4在剪切过程中能够施加的力。当隔离环切割器4横穿通孔7时，在剪切过程中活塞1后面的膨胀气体可以继续作用在活塞1上。因此，提供了超过由活塞1和闸门3的动能产生的力的附加力。隔离环切割器4将剪切通孔7中存在的任何井筒管件、工具或其他物体。
隔离环切割器4的材料可以包括诸如高强度钢和某些陶瓷(例如金属碳化物，例如碳化钨)之类的坚硬材料。陶瓷可用于隔离环切割器4的整个结构，或者可作为涂层施加到高强度材料例如钢的基底上。
在一些实施例中，隔离环切割器4和闸门3之间的配合面可以被成形为提供均匀的负载。图4示出了隔离环切割器4的几何形状(平面)和闸门3上的相应几何形状(也是平面)是互补的，从而减少了点载荷并允许更均匀的应力分布。也可能在隔离环切割器4和闸门3上提供具有相似半径的弯曲表面，或者提供平坦表面和相似半径的弯曲表面的组合(未示出)。
图4示出，在本实施例中，隔离环切割器4的尺寸远小于闸门4和活塞1。当行进组件(闸门4和活塞1)撞击隔离环切割器4时，这在减小冲击负荷方面可能是有利的。在一些实施例中，隔离环形切割器4的质量小于(行进组件)活塞1和闸门3的质量的20％。在一些实施例中，隔离环切割器4的质量小于行进组件质量的10％。
图5示出了防喷器100的横截面图。在这个阶段，隔离环切割器4已经剪切过可能位于通孔7中的任何东西。活塞1的前面现在已开始接触能量吸收元件2，此时处于其最小挤压状态。隔离环切割器4现在已经开始接触位于隔离环切割器4前面的通道中的能量吸收元件2的能量吸收材料(未单独示出)。
图6示出了防喷器100的横截面图，其中，能量吸收元件2的能量吸收材料的主体已皱缩至预定量，从而吸收了活塞1和闸门3的动能。位于通道8中的能量吸收材料(未单独示出)也已皱缩到预定量，吸收了隔离环切割器4的动能。
能量吸收元件2将闸门3保持在这样的位置，使得闸门3上的密封面(未示出)与密封件13基本对准。当发生这种对准时，密封件1将横向地压靠在闸门3上的密封面(未示出)上，以阻止井流体流过通孔7，从而安全地关闭井。
一旦安全地关闭了井，即可着手井流体压力控制操作(例如节流和压井操作)。一旦井流体压力控制已经重新建立，防喷器100就可以重新打开，例如通过缩回闸门3以打开通孔7。例如，液压流体15可以被引入活塞1的前面与阀盖6之间，以使活塞1从通孔7缩回。
闸门3可以可选地具有密封面(未单独示出)，该密封面适于与通孔密封件13接合，以防止井筒流体从通孔7进入通道8。密封面(未示出)可以可选地存在于闸门3的下表面部分或上表面部分中的至少一个上。在示例实施例中，密封面(未示出)可以被提供在闸门3的至少下表面部分上。
根据本发明制造的BOP的可能的优点在于，防喷器可以被致动而无需产生液压力以将闸板液压地推过通孔以封闭通孔。取而代之的是，关闭井筒所需的能量包含在需要该能量的防喷器的装料中。
通过剪切销将活塞1和闸门3固定到位的一个可能优点是，一旦装料9的膨胀气体产生足够的力，这有助于活塞1和闸门3沿通道8快速加速。
隔离环切割器4将通道8与通孔7流体密封的一个可能优点是，活塞1和闸门3可以沿着通道8加速，不受井流体或其他液体的阻碍，直到活塞1和闸门3接触隔离环切割器4。
使用能量吸收元件2的可能优点是，闸门和活塞的多余动能不会直接传递到防喷器100的结构部分中。
与活塞1和闸门3一起使用隔离环切割器4的可能优点是，除了可能位于通孔中的物品之外，不需要剪切单独的隔离环。另一个可能的好处是，剪切单独的隔离环不会产生可能会对密封性能产生负面影响的碎片。
尽管上面仅详细描述了几个示例，但是本领域技术人员将容易理解，在这些示例中可以进行许多修改。因此，所有这样的修改旨在被包括在如所附权利要求所限定的本公开的范围内。
Claims (15)
1.防喷器(100)，包括：
具有通孔(7)的主体(5)；
横向于通孔(7)的通道(8)；
设置在通道(8)中的环切割器(4)，其配置成将环切割器上的开口(4A)定位成与通孔(7)重合；
其特征在于，闸门(3)设置成与环切割器(4)分开并间隔开，并配置成沿通道(8)移动；和
装料(9)配置为激活以推动闸门(3)沿通道(8)与环切割器(4)接触，从而使环切割器穿过通孔(7)。
2.根据权利要求1所述的防喷器(100)，进一步包括能量吸收元件(2)，所述能量吸收元件配置成允许闸门(3)在闸门被推进移动后逐渐静止。
3.根据权利要求2所述的防喷器(100)，其中所述能量吸收元件(2)配置成在允许所述闸门(3)静止时皱缩。
4.根据权利要求1所述的防喷器(100)，其中所述环切割器(4)包括形成在其开口(4A)表面上的切割边缘。
5.根据权利要求1所述的防喷器(100)，进一步包括密封件(13)，所述密封件用于限制通孔(7)和通道(8)之间的流体流动。
6.根据权利要求1所述的防喷器(100)，其中所述闸门(3)与所述环切割器(4)之间的预引发间隔至少等于所述通孔(7)的直径的1/2。
7.一种操作防喷器(100)的方法，所述防喷器具有主体(5)，所述主体具有通孔(7)，所述方法包括：
致动装料(9)以沿主体(5)中横向于通孔(7)的通道(8)推动闸门(3)移动，
其特征在于，所述闸门(3)从与设置在所述通道(8)中的环切割器(4)分离和间隔开的位置推进，至所述闸门与环切割器接触的位置，所述环切割器上的开口(4A)与通孔(7)重合；以及
允许推进的闸门(3)使环切割器(4)移动穿过通孔。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述防喷器(100)包括能量吸收元件(2)，所述能量吸收元件配置成允许闸门(3)在闸门被推进移动后逐渐静止。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述能量吸收元件(2)配置成在允许所述闸门(3)静止时皱缩。
10.根据权利要求7所述的方法，进一步包括限制所述闸门(3)的移动，直到来自所述装料(9)的气压达到选定的阈值为止。
11.根据权利要求7所述的方法，其中所述环切割器(4)包括形成在其开口(4A)表面上的切割边缘。
12.根据权利要求7所述的方法，进一步包括允许所述闸门(3)通过所述通孔(7)以限制在所述通孔中的流体流动。
13.根据权利要求7所述的方法，其中所述防喷器(100)包括密封件(13)，以限制在所述通孔(7)与所述通道(8)之间的流体流动。
14.根据权利要求7所述的方法，其中所述闸门(3)与所述环切割器(4)之间的预引发间隔至少等于所述通孔(7)的直径的1/2。
15.根据权利要求7所述的方法，进一步包括使所述环切割器(4)移动通过所述通孔(7)以切割位于所述通孔中的设备。
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