CN111335841A - 防喷器 - Google Patents
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Abstract
一种防喷器以及封闭钻机孔的方法。防喷器具有包含孔的主体；通道，其横向于所述孔；剪切装置，位于所述通道内；以及储能器，当其被激活时，将剪切装置沿通道推进并穿过所述孔一关闭钻井孔防止井喷。
Description
技术领域
本发明涉及一种防喷器。特别地，本发明涉及用于油井或气井的防喷器，但并非仅仅限于此。
背景技术
用于油井或气井的防喷器（BOPs）防止称为井喷的潜在灾难性事件发生，井喷时，来自井库的高压和不受控流体可以将管道（例如钻管和井套管）、工具和钻井液喷出钻井孔。井喷对钻井人员、钻机和环境存在严重的安全隐患，且成本极高。
通常BOPs具有柱塞，液压推动该柱塞穿过钻井孔以将钻井孔封闭。在某些情况下，这些柱塞具有硬化的钢剪以穿过可能在钻井孔中的钻柱。
许多液压致动柱塞的一个问题是它们需要大量的液压力来使柱塞相对于钻井孔内的压力移动，并剪切通过钻柱。
液压致动活塞的另一个问题是液压力通常由防喷器产生，如果输送所述液压力的液压线受损，会使防喷器容易发生故障。另外的问题可包括由于在流动钻井孔中柱塞相对慢的关闭动作从而引起剪切和密封表面的侵蚀，在重压下，剪切通过钻具接头、钻铤、大直径的管件和偏心钻柱也会给液压致动活塞带来问题。
通常而言，一旦柱塞封闭了钻井孔，即意味着井已经受到控制，柱塞缩回或钻出，从而可以重新钻孔。
将清楚地理解，本文中涉及背景材料或信息的任何参考文献，或现有出版物，无论在澳大利亚还是在其他国家，不构成承认任何材料、信息或出版物是本领域公知常识的一部分，或者是其他可接受的现有技术。
发明目的
本发明的目的是克服或至少解决一个或多个上述问题和/或为消费者提供有用的或商业的选择。
发明内容
在一种形式中，虽然不一定是唯一或者最广泛的形式，本发明公开了一种防喷器，包括：
包含孔的主体；通道，其横向于所述孔；剪切装置，位于所述通道内；以及储能器，当其被激活时，将剪切装置沿通道推进并穿过所述孔。
优选地，所述剪切装置具有主体部分，主体部分有效封闭钻井孔，并防止大量钻井孔流体穿过钻井孔。优选地，所述剪切装置具有密封面，该密封面具有足够的长度和厚度，与孔密封装置接合以防止钻井孔流体通过。优选地，所述剪切装置具有一剪刃，所述剪刃可以剪切通过钻井孔内的管段。所述剪刃通常由非常坚硬的材料如金属合金或陶瓷合金组成。
优选地，所述防喷器还包括保持装置，所述保持装置将所述剪切装置保持在通道内的预定位置，直到有足够的力施加于所述剪切装置。优选地，所述保持装置包括剪切销。
优选地，所述剪切装置在所述主体部分的外缘中具有两个狭槽，其适于与止动机构接合。
优选地，所述剪切装置在其主体部分的上表面具有至少一个压力均衡通道。
优选地，所述储能器包括化学推进剂。例如，化学推进剂可以为爆燃储能器。或者所述储能器可以为药包储能器。优选地，所述储能器由引发器激活。例如，所述引发器可以为雷管。所述储能器通常包含在弹药筒内。或者，所述储能器可以包含在所述剪切装置一部分内。
优选地，所述通道与孔横向相交。优选地，所述通道具有两个部分，第一部分位于孔的第一侧边，第二部分位于孔的第二侧边。优选地，所述剪切装置最初位于孔第一侧边的通道第一部分内。优选地，所述通道包括在通道的第一部分中处于剪切装置初始位置和孔之间的空间。优选地，位于剪切装置初始位置和孔之间的空间长至少为所述孔直径的一半。进一步优选，位于剪切装置初始位置和孔之间的空间长大于所述孔的直径。优选地，位于剪切装置初始位置和孔之间的空间没有液体存在。进一步优选，位于剪切装置初始位置和孔之间的空间充满气体。优选地，所述通道具有安装在所述通道内的衬垫，所述衬垫在其自身和所述剪切装置之间提供紧密的公差配合。
通道通常和孔流体密封阻隔。优选地，使用密封件将通道和孔流体密封阻隔。优选地，所述密封件为同轴的。优选地，所述密封件以圆筒的形式在孔的方向延伸。密封件通常采用足够坚固能承受钻井孔和通道之间的压力差的材料。密封件在被剪切装置剪切前防止钻井孔流体进入通道内。
优选地，所述防喷器还包括止动机构。优选地，所述止动机构位于通道内。优选地，所述止动机构位于孔的第二侧边的通道的第二部分内。优选地，所述止动机构为吸能机构的形式，所述吸能机构适于一旦剪切装置被推进穿过孔而吸收所述剪切装置的能量。
优选地，所述吸能机构具有前部（即，朝向所述剪切装置）、后部以及位于所述前部和所述后部之间的吸能材料主体。
优选地，吸能机构所处的通道部分具有比剪切装置最初位于的通道部分更大的横截面。
优选地，所述吸能机构的前部适于与所述剪切装置连接。
优选地，位于所述吸能机构后部后面（即，吸能装置相对于剪切装置的另一侧）的通道内填充有液压流体。优选地，所述吸能机构的后部为可在通道内滑动的滑动活塞。
优选地，所述防喷器还包括孔密封装置，适于一旦剪切装置穿过孔，则在孔和剪切装置之间进行密封。优选地，所述孔密封装置具有密封环，适于压靠在剪切装置的密封面。优选地，密封环与孔同轴定位，具有比孔更大的直径。
优选地，所述防喷器连接于现有的井口。进一步优选，防喷器连接在现有井口和一个或多个标准防喷器之间。
优选地，所述防喷器能够在高达18,000英尺的盐水中操作。 优选地，防喷器能够承受高达20,000PSI的井筒压力。更优选地，防喷器能够承受高达30,000PSI的井筒压力。然而，应当理解的是，防喷器同样能够在海平面上或海拔高度上操作。例如，防喷器可以用作表面防喷器或在陆地钻机上使用。
在另一种形式中，本发明公开了一种钻机包括本说明书中所述的防喷器。
在另一种形式中，本发明公开了一种深水钻井船，其包括本说明书中所述的钻机和防喷器。
在另一种形式中，本发明涉及一种使用防喷器主体部分封闭钻井孔的方法，所述方法包括以下步骤：
激活储能器以将剪切装置沿着横向于孔的通道推进，使得所述剪切装置穿过钻井孔以阻止钻井孔流体流过钻井孔。
优选地，所述方法包括：所述剪切装置被推进穿过将通道和孔流体密封阻隔的密封件。
优选地，所述方法包括：所述剪切装置行进到位于通道内的吸能机构中。
通常当储能器被激活时，这导致气体快速膨胀，使得所述剪切装置沿通道加速，赋予剪切装置以动能。优选地，所述剪切装置沿位于剪切装置初始位置和孔之间的空间的通道加速。通常，施加于剪切装置上的动能足以在有或者没有来自作用于剪切装置的储能器的压力辅助下剪切可能存在于钻井孔中的任何元素。
优选地，激活储能器的步骤包括：通过应答压力信号的引发器激活储能器。例如，化学推进剂可以通过应答液压信号或者电信号的引发器激活。化学推进剂也可以以不安全方式被激活。例如，化学推进剂可以通过应答压力信号缺失的引发器激活。
优选地，所述方法包括保持剪切装置，直到储能器发生充分的膨胀。例如，保持装置以剪切销形式呈现，保持剪切装置直到储能器被激活后发生充分的膨胀（如热气），这帮助剪切装置在穿过钻井孔或者接触密封件之前快速加速。
优选地，所述方法包括利用位于通道内的衬垫在快速加速期间引导剪切装置。
优选地，所述方法还包括将活化的储能器排入钻井孔中。例如，一旦剪切装置的主体部分已经足够远离孔，残留的热膨胀气体（来自激活的储能器）可以通过至少一个位于主体部分上表面的均衡通道排入钻井孔中，以此除去剪切装置沿通道继续前进的推动力。
优选地，所述方法包括吸收剪切装置的动能。优选地，吸能材料吸收剪切装置的动力能。所述吸能材料通常为适于以当其从所述剪切装置吸收能量时以预定的速度逐渐“变皱”，最后使剪切装置停止。
优选地，所述吸收剪切装置动能的步骤包括液压消散动能。例如，如果通过“变皱”吸能材料消散部分动能，剪切装置中依旧存在残留动能时，存在于吸能机构后面通道内的液压流体将防止剪切装置超过其阻止钻井孔流体穿过钻井孔所处的位置。
优选地，所述方法包括将孔和剪切装置密封面密封以阻止钻井孔流体通过防喷器。通常，孔密封装置由外部液压力致动。优选地，外部液压力牢固地将密封环压靠在剪切装置的密封面以形成密封防止钻井孔流体进一步通过防喷器。可以理解为，如果剪切装置要从孔中被拉出，密封环通常从剪切装置的密封面缩回。
优选地，所述方法包括将剪切装置拉离孔。一旦井控被重新建立，通常进行将剪切装置拉力孔的步骤，这样井控或恢复操作就可以继续进行。通常通过排放通道内至少一部分液压流体来将剪切装置拉离孔。通常，当液压流体从通道内排放，吸能机构作为活塞用将剪切装置拉离孔。
通过以下详细描述，本发明的其它形式和/或方面将变得显而易见。
附图说明
为了帮助理解本发明，使本领域的技术人员能够将本发明付诸实践，将仅通过参考附图的示例来描述本发明的优选实施例，其中：
图 1 示出了根据本发明实施例的防喷器的剖视图；
图 2 示出了在被激活之前的防喷器的横截面视图；
图 3 示出了已经被激活的防喷器的横截面视图；
图 4 示出了具有沿通道加速的剪切装置的防喷器的横截面视图；
图 5 示出了具有刺穿密封件的剪切装置的防喷器的横截面视图；
图 6 示出了具有穿过孔的剪切装置的防喷器的横截面视图；
图 7 示出了具有与吸能机构接触的剪切装置的防喷器的横截面视图；
图 8 示出了具有吸收剪切装置动能的吸能机构的防喷器的横截面视图；
图 9 示出了具有将剪切装置拉离孔的吸能机构的防喷器的横截面视图；
图 10 示出了剪切装置的爆炸图。
附图详细描述
参考图1，图中示出了根据本发明实施例的防喷器100的剖视图。防喷器100具有包含孔112的主体1，防喷器100 还具有横向于孔112的通道114。具有剪刃118的剪切装置116位于孔112第一侧边120的通道114中。以化学推进剂122形成呈现的储能器位于剪切装置116和端盖124之间。化学推进剂122用于将剪切装置116沿通道114推进并穿过孔112，下面将更详细地描述。
以圆筒126形式呈现的密封件将通道114与孔112流体密封阻隔。
以吸能机构128 形式呈现的止动机构位于孔112的第二侧边130中的通道114中，吸能机构128具有朝向剪切装置116的前部132、后部134 以及位于前部132和后部134之间的吸能材料主体136。吸能机构128用于吸收剪切装置116的动能，下面将更详细地描述。吸能机构128的后部134为滑动活塞，其可在孔112第二侧边130中的通道114内滑动。如图1所示，所述孔112第二侧边130中的通道114具有比孔112第一侧边120中的通道114更宽的横截面。位于吸能机构128的后部134和端盖138之间的部分通道114填充有液压流体。
现在将参照图 2-8 来阐述防喷器100的操作。
参照图2，图中示出了在被激活之前防喷器 100 的横截面视图。如图2所示，化学推进剂122和剪切装置116位于孔112的第一侧边120中的通道114内。
图2还示出了用于激活化学推进剂122的雷管140 形式的引发器。图2还示出了将通道114与孔112流体密封阻隔的圆筒126。
孔112周围设有孔密封装置 142，下面将更详细地描述。
吸能机构128 位于孔112的第二侧边130中的通道114内。
图3示出了防喷器100的横截面视图，其中化学推进剂122已被雷管140激活，剪切装置116通过剪切销（未示出）保持在适当位置直到激活化学推进剂122后发生了充足的热气体膨胀。
图4示出了防喷器 100 的横截面视图，其中激活化学推进剂122后发生了充足的热气体膨胀以剪切剪切销（未示出）。在该阶段，剪切装置116沿通道114朝向圆筒126和孔112加速。
图5示出了防喷器100的横截面视图。在该阶段，剪切装置116开始剪切圆筒126。剪切装置也将剪切任何钻井孔管件、工具、钻柱以及其它存在于钻井孔中的类似物。孔112的第一侧边120中的通道114包括通道衬垫（未示出）。所述通道衬垫在其自身和剪切装置116之间提供紧密的公差配合。该衬垫控制来自化学推进剂122放热反应的热膨胀气体旁通，并在快速加速和剪切阶段中引导剪切装置116。
图6示出了防喷器100的横截面视图。在该阶段，剪切装置116剪切通过圆筒126以及任何其它可能位于孔112中的物质。剪切装置116上部具有通道（未示出），使得一旦剪切装置116充分穿过孔112，来自化学推进剂 122 的膨胀气体将排入钻井孔中。
图7示出了防喷器 100 的横截面视图，其中剪切装置116与吸能机构128的前部132连接。连接机构（未示出）将剪切装置116连接于吸能机构122 的前部132。
图8示出了防喷器 100 的横截面视图，其中吸能机构128的吸能材料主体136吸收剪切装置116的动能后已经压缩到预定量。吸能机构128的后部134与端盖138之间的通道114中的液压流体消散剪切装置 116的剩余能量。
吸能机构128将剪切装置116保持在当剪切装置116的密封面（未示出）与孔密封装置142充分对准的位置。一旦剪切装置116与孔密封装置142充分对准，孔密封装置142将牢固地将密封环（未示出）压靠在剪切装置116的密封面（未示出）上，以阻止钻井孔流体流过孔112，保护井。一旦井处于安全状态，就可以进行井控操作（如阻流和取消操作）。
一旦重新建立井控，防喷器100可以如图 9 所示去激活。在图9中，孔密封装置142将密封环（未示出）从剪切装置116的密封面（未示出）缩回，然后吸能机构128的后部134与端盖138之间的通道114中的液压流体被排出，沿通道114拉动吸能机构128，连接于吸能机构128前部132的剪切装置116被拉离孔112。
图10示出了剪切装置116的爆炸图，剪切装置116具有剪刃170，其由诸如金属合金或陶瓷合金之类的非常硬的材料制成，可以剪切穿过可存在于钻井孔中的管状物。剪刃170具有围绕其侧部和后表面延伸的肋部172。在组装的形式中，肋部172位于剪切装置116的槽174中。剪切装置116具有主体部分174，其在操作中封住钻井孔，并防止大量的钻井孔流体穿过钻井孔。
剪切装置116可选地具有密封面178，该密封面 178 适于与孔密封装置接合以防止钻井孔流体通过。如图10所示，所述密封面位于剪切装置116的上部，所述密封面178可选地置于所述剪切装置的下部或上部中的至少一个。在优选的形式中，密封面178设置在剪切装置116至少一个下部。
剪切装置116具有两个狭槽180，其适于与吸能机构128啮合并且优选地附接至吸能机构128。
本发明的一个优点在于，可以在不需要产生液压力以液压推动柱塞穿过钻井孔以封闭钻井孔的情况下致动防喷器。取而代之的是，封闭钻井孔所需的能量包含在防喷器的储能器中。
通过剪切销将剪切装置116保持在适当位置的优点在于，一旦由化学推进剂122的膨胀气体产生足够的力，有助于该剪切装置沿着通道114快速加速。
具有将通道114与孔112流体密封阻隔的圆筒126的优点是，剪切装置116可以沿着通道114加速而不受钻井孔流体或者其它液体的阻扰，直到剪切装置116开始剪切圆筒126。
使用吸能机构128的优点在于，剪切装置116的过剩动能不直接传递到防喷器 100的结构部分。
将连接到吸能机构128前部132上的剪切装置116拉出孔112的优点在于，剪切装置116不需要钻出孔以使钻井孔重新运作。
前述实施例仅用于说明本发明的原理，本领域技术人员将容易想到各种修改和变化。本发明能够以各种方式和其它实施方案实施。例如，来自一个实施例的各个特征可以与另一个实施例相结合，还应理解，这里使用的术语是为了更好地描述，而不具有限制性。
在本说明书和权利要求（如果有的话）中，所述词语"包含"及其派生词包括"包括"和"含有"，包括所述整数中的每一个，但不排除包括一个或多个另外的整数，除非所述上下文另有指示。
Claims (10)
1.一种防喷器，包括：
包含孔的主体；
通道，其横向于所述孔；
剪切装置，位于所述通道内；以及
储能器，当其被激活时，将所述剪切装置沿通道推进并穿过所述孔；以及
止动机构，装有吸能材料，以使所述剪切装置逐渐停在所述通道中。
2.根据权利要求1所述的一种防喷器，其特征在于，当所述剪切装置逐渐停止在所述通道时，所述吸能材料适于变皱。
3.根据权利要求1所述的一种防喷器，其特征在于，所述止动机构沿着所述通道设置。
4.根据权利要求1所述的一种防喷器，其特征在于，在所述剪切装置的一部分穿过所述孔时，所述剪切装置阻止所述流体流过所述孔。
5.根据权利要求1所述的一种防喷器，其特征在于，所述剪切装置具有剪刃，所述剪刃能剪切所述孔内的管段。
6.根据前述任一权利要求所述的一种防喷器，其特征在于，还包括保持装置，所述保持装置将所述剪切装置保持在通道内，直到储能器的气体膨胀。
7.一种操作具有主体的防喷器的方法，该主体包括孔，该方法包括以下步骤：
激活储能器以将剪切装置沿着横向于所述孔的通道推进，使得所述剪切装置横穿所述孔推进，以剪切可能存在于所述孔中的任何装置；以及
通过一个装有吸能材料的止动机构，所述剪切装置逐渐地停止在所述通道中。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述吸能材料适于随着所述剪切装置逐渐停止而变皱。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述止动机构沿着所述通道设置。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括当所述剪切装置的一部分穿过所述孔时，阻止流体流过所述孔。
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