CN112012668B - 一种深水油气完井作业管柱解脱封堵剪切一体化装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种深水油气完井作业管柱解脱封堵剪切一体化装置，该装置主要由解脱器与封堵剪切装置两部分组成，其中解脱器由C形环连接机构、机械解锁机构、环空加压解锁机构组成；封堵剪切装置由阀芯驱动机构组成。所述解脱器与封堵剪切装置内设液压油通道，用来控制装置的解脱、封堵和剪切。遇紧急情况时本发明可快速封堵高压油气、解脱油气管柱。本发明采用一种C形环锁紧方式，提高了连接的可靠性和解脱响应速度，解决了连接易失效、易自锁的问题；解脱器采用液压控制解脱，有多重解脱失效保护机制；封堵剪切装置采用单球阀滚珠结构，有效地减小了阀芯与阀座的摩擦力，避免了阀芯的磨损；可更换刃口阀芯结构提高了剪切性能和密封可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及一种深水油气完井作业管柱解脱封堵剪切一体化装置，属于海洋油气开发领域。
背景技术
在进行深水油气开发时，深水油气完井作业是其中一个必不可少的环节，在进行完井测试、中途测试、储层清洗、井筒排液替喷、水下完井安装以及其他修井作业时，若遭遇恶劣海况，如台风、潮汐、海啸等，要求立即停止作业、封堵住高压流体，并迅速断开深水作业管柱，保证作业管柱安全，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。所以需要一种解脱封堵装置来封堵住管柱内的高压油气、解脱作业管柱，以保证工作人员和设备安全的撤离。
现有解脱封堵装置的缺点如下
（1）当前深水油气完井作业中所用深水油气完井作业管柱封堵装置，其解脱器锁紧方式结构复杂、连接不可靠，容易出现解脱响应速度慢、解锁失效和自锁的问题；
（2）目前解脱器无解脱失效保护机制，发生液压解锁失效时管柱无法解脱，使平台或钻井船不能快速撤离；
（3）国外封堵剪切装置产品采用双球阀，响应时间较慢，阀芯转动时阀芯与阀座之间直接刚性接触，因此阀芯和阀座之间会发生剧烈的磨损，从而造成阀芯密封端盖面的磨损、影响密封性能，且液压能转化为球阀转矩的效率低、消耗功率大和阀芯启动初始摩擦力大的缺点;
（4）目前阀芯刃口和阀芯本体一体成型，刃口强度低、易缺损，刃口处容易发生切屑堆积,无法排出，造成阀芯转动时切屑刮伤密封面从而影响密封性能。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有深水油气开发封堵工具中所存在的问题及需求，提出一种深水油气完井作业管柱解脱封堵剪切一体化装置，解决了解脱响应速度慢和解脱易失效的问题，解决了深水作业管柱解脱时的液压控制解脱失效问题，解决了阀芯和阀座之间剧烈的磨损和液压能转化为球阀转矩的效率低的问题，解决了刃口处发生切屑堆积无法排出从而影响密封性能的问题，并且具有重新连接作业管柱的功能。
本发明专利解决其技术问题采用如下技术方案：一种深水油气完井作业管柱解脱封堵剪切一体化装置，其特征在于：主要包括解脱器与封堵剪切装置两部分，其中解脱器包括扭转外壳和解脱器连接外壳，扭转外壳和解脱器连接外壳之间通过螺纹连接，扭转外壳和解脱器连接外壳之间用剪切螺钉固定，滑动螺钉连接在扭转外壳上，滑动螺钉末端和解脱器连接外壳之间为间隙配合，解脱器连接外壳和解脱器上部外壳采用螺纹连接，解脱器上部外壳与提升环螺纹连接并用沉头螺钉固定，辅助活塞和活塞推环采用螺纹连接在一起并装配在解脱器中心体上，上端限位环、下端限位环依次通过螺纹连接在解脱器中心体上，密封套筒其下部台阶外内螺纹和解脱器中心体下部末端内螺纹相配合，C形环放置在扭转外壳下端台阶处，化学试剂注入阀装配在解脱器中心体上端的注入孔当中；封堵解脱部分包括密封短接，密封短接采用螺纹连接在封堵剪切壳体上端，阀芯上端中心体装配在封堵剪切壳体上，球阀密封座下凹槽与球阀机构支持体装配，球阀密封座上凹槽与阀芯上端中心体装配，阀芯开启活塞推环下端和阀杆保持环Ⅱ上端面配合，阀杆保持环Ⅰ和阀杆保持环Ⅱ用保持环固定螺钉连接，阀杆保持环Ⅱ下端面和阀芯关闭活塞推环上端面配合，球阀机构支持体上端和球阀密封座下端凹槽配合并有应急弹簧装配在两者中间，阀芯、阀杆和滚珠装配在球阀密封座中，封堵剪切壳体和端盖采用螺纹连接，封堵剪切壳体外表面装有液压通道堵头。
所述的一种深水油气完井作业管柱解脱封堵剪切一体化装置，其特征在于：所述扭转外壳其下端有剪切螺钉孔、环台阶、环空加压孔，上端有滑动螺钉孔、解脱器定位凹槽，所述扭转外壳和解脱器连接外壳连接螺纹为左旋螺纹连接，剪切螺钉将扭转外壳和解脱器连接外壳连接在一起。
所述的一种深水油气完井作业管柱解脱封堵剪切一体化装置，其特征在于：所述活塞推环下端推环挤压型面和C形环上端斜面接触，C形环安装在扭转外壳下端环台阶处。
所述的一种深水油气完井作业管柱解脱封堵剪切一体化装置，其特征在于：所述阀芯上设置有剪切刃口，阀芯本体和剪切刃口连接处开有排屑槽，其侧面加工有滚珠滑道，上部加工有管线容纳缺口。
所述的一种深水油气完井作业管柱解脱封堵剪切一体化装置，其特征在于：所述解脱器中心体其内部加工有解锁液压油通道、锁紧液压油通道、阀芯驱动液压油通道Ⅰ、阀芯驱动液压油通道Ⅱ、化学试剂注入通道。
所述的一种深水油气完井作业管柱解脱封堵剪切一体化装置，其特征在于：所述封堵剪切壳体其内部加工有阀芯开启液压油通道、阀芯关闭液压油通道，上部有卡环凹槽、定位凸起。
所述的一种深水油气完井作业管柱解脱封堵剪切一体化装置，其特征在于：所述球阀密封座上加工有密封座下端凹槽和密封座上端凹槽，并有连接两球阀密封座的密封座螺纹固定孔、密封座连接凹槽和密封座连接凸起，内部有半球形滚珠凹槽和阀杆滑动槽。
综上所述，本发明的有益效果为：
（1）发明通过设计一种C形环结构的连接方式，有效地提高了连接的可靠性和解脱响应速度，解决了解脱易失效、易自锁的问题；
（2）解脱方式上采用多重失效保护机制，常规作业时采用液压解锁，当出现液压解锁失效时可采用机械解锁方式和环空加压解锁两种方式，以确保测试管柱顺利解脱，从而及时撤离浮式平台,保证了深水作业过程的人员和设备安全;
(3)驱动机构采用了一种单球阀滚珠滑动的驱动结构，极大的减小了阀芯与阀座之间的摩擦力，有效的解决了阀芯和阀座之间的磨损造成的密封失效问题，球阀转动所需初始转矩小；
(4)封堵剪切装置的阀芯驱动机构其阀芯本体和阀芯刃口分开制造，阀芯刃口结构上设计为可更换式的剪切刃口，刃口部分采用高强度材料，刃口刀头设计为可更换式，阀芯本体上加工有排屑槽，可容纳切屑，避免切屑刮伤密封面，从而保证了密封性能。
附图说明
图1是本发明一种深水油气完井作业管柱解脱封堵剪切一体化装置装配图；
图2是本发明解脱时三维图；
图3是本发明机械解锁前后对比图；
图4是本发明解脱器部分三维剖视图；
图5是本发明解脱器中心体液压油通道三维剖视图；
图6是本发明解脱器液压驱动解脱前后对比图剖面图；
图7是本发明解脱器液压驱动连接前后对比图剖面图；
图8是本发明扭转外壳三维剖视图；
图9是本发明活塞推环三维剖视图；
图10是本发明C形环锁紧前后对比图；
图11是本发明液压驱动阀芯液压通道剖面图；
图12是本发明封堵剪切壳体液压油通道三维剖视图；
图13是本发明球阀驱动机构关闭和开启三维图对比图；
图14是本发明球阀驱动三维爆炸图；
图15是本发明球阀密封座三维图；
图16是本发明阀芯三维图；
1—端盖；2—阀芯；3—阀杆保持环Ⅰ；4—保持环固定螺钉；5—阀杆保持环Ⅱ；6—堵头；7—扭转外壳；8—活塞推环；9—滑动螺钉；10—剪切螺钉；11—解脱器连接外壳；12—解脱器上部外壳；13—沉头螺钉；14—提升环；15—解脱器中心体；16—化学试剂注入阀；17—密封短接；18—上端限位环；19—密封套筒；20—封堵剪切壳体；21—辅助活塞；22—下端限位环；23—C形环；24—阀芯上端中心体；25—阀芯开启活塞推环；26—阀杆；27—球阀密封座；28—滚珠；29—阀芯关闭活塞推环；30—应急弹簧；31—球阀机构支持体；1501—解锁液压油通道；1502—锁紧液压油通道；1503—阀芯驱动液压油通道Ⅰ；1504—阀芯驱动液压油通道Ⅱ；1505—化学试剂注入通道；701—剪切螺钉孔；702—滑动螺钉孔；703—环台阶；704—环空加压孔；705—解脱器定位凹槽；801—推环挤压型面；802—限位环形台阶；2001—阀芯开启液压油通道；2002—阀芯关闭液压油通道；2003—卡环凹槽；2004—定位凸起；2701—密封座下端凹槽；2702—密封座螺纹固定孔；2703—密封座连接凹槽；2704—滚珠凹槽；2705—密封座连接凸起；2706—密封座上端凹槽；2707—阀杆滑动槽；201—剪切刃口；202—排屑槽；203—滚珠滑道；204—管线容纳缺口；
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1~16所示，一种深水油气完井作业管柱解脱封堵剪切一体化装置，其特征在于：主要包括解脱器与封堵剪切装置两部分，其中解脱器包括扭转外壳7和解脱器连接外壳11，扭转外壳7和解脱器连接外壳11之间通过螺纹连接，扭转外壳7和解脱器连接外壳11之间用剪切螺钉10固定，滑动螺钉9连接在扭转外壳7上，滑动螺钉9末端和解脱器连接外壳11间隙配合，解脱器连接外壳11和解脱器上部外壳12采用螺纹连接，解脱器上部外壳12与提升环14螺纹连接并用沉头螺钉13固定，辅助活塞21和活塞推环8装配在解脱器中心体15上，上端限位环18、下端限位环22依次通过螺纹连接在解脱器中心体15上，密封套筒19其下部台阶外内螺纹和解脱器中心体15下部末端内螺纹相配合，C形环23放置在扭转外壳7下端台阶处，化学试剂注入阀16装配在解脱器中心体15上端的注入孔当中；封堵解脱部分包括密封短接17，密封短接17采用螺纹连接在封堵剪切壳体20上端，阀芯上端中心体24装配在封堵剪切壳体20上，球阀密封座27下凹槽与球阀机构支持体31装配，球阀密封座27上凹槽与阀芯上端中心体24装配，阀芯开启活塞推环25下端和阀杆保持环Ⅱ5上端面配合，阀杆保持环Ⅰ3和阀杆保持环Ⅱ5用保持环固定螺钉4连接，阀杆保持环Ⅱ5下端面和阀芯关闭活塞推环29上端面配合，球阀机构支持体31上端和球阀密封座27下端凹槽配合并有应急弹簧30装配在两者中间，阀芯2、阀杆26和滚珠28装配在球阀密封座27中，封堵剪切壳体20和端盖1采用螺纹连接，封堵剪切壳体20外表面装有液压通道堵头6。
所述的一种深水油气完井作业管柱解脱封堵剪切一体化装置，其特征在于：所述扭转外壳7其下端有剪切螺钉孔701、环台阶703、环空加压孔704，上端有滑动螺钉孔702、解脱器定位凹槽705，所述扭转外壳7和解脱器连接外壳11连接螺纹为左旋螺纹连接，剪切螺钉10将扭转外壳7和解脱器连接外壳11连接在一起。
所述的一种深水油气完井作业管柱解脱封堵剪切一体化装置，其特征在于：所述活塞推环8下端推环挤压型面801和C形环23上端斜面接触，C形环23安装在扭转外壳7下端环台阶703处。
所述的一种深水油气完井作业管柱解脱封堵剪切一体化装置，其特征在于：所述阀芯2上设置有剪切刃口201，阀芯2和剪切刃口201连接处开有排屑槽202，其侧面加工有滚珠滑道203，上部加工有管线容纳缺口204。
所述的一种深水油气完井作业管柱解脱封堵剪切一体化装置，其特征在于：所述解脱器中心体15其内部加工有解锁液压油通道1501、锁紧液压油通道1502、阀芯驱动液压油通道Ⅰ1503、阀芯驱动液压油通道Ⅱ1504、化学试剂注入通道1505。
所述的一种深水油气完井作业管柱解脱封堵剪切一体化装置，其特征在于：所述封堵剪切壳体20其内部加工有阀芯开启液压油通道2001、阀芯关闭液压油通道2002，上部有卡环凹槽2003、定位凸起2004。
所述的一种深水油气完井作业管柱解脱封堵剪切一体化装置，其特征在于：所述球阀密封座27加工有密封座下端凹槽2701和密封座上端凹槽2706，并有连接两个球阀密封座27的密封座螺纹固定孔2702、密封座连接凹槽2703和密封座连接凸起2705，内部有半球形滚珠凹槽2704和阀杆滑动槽2707。
本发明的工作流程如下：
若遭遇恶劣海况，如台风、潮汐、海啸等紧急情况时，高压液压油经阀芯关闭液压油通道2002和阀芯驱动液压油通道Ⅱ1504,驱动阀芯关闭活塞推环29推动阀杆保持环Ⅰ3上移，进一步推动阀杆26带动阀芯2转动，从而剪切连续管线。
封堵剪切完成后，开始解脱管柱，液压油进入解脱器中心体15的解锁液压油通道1501后，在液压力作用下活塞推环8上移，C形环23失去活塞推环8的限制，C形环23回复到锁紧前状态，此时C形环23断开与封堵剪切壳体的连接；当液压解锁机构失效时，可采用机械解锁的方式（如图3），扭转外壳7和解脱器连接外壳11采用左旋螺纹连接，封堵剪切壳体20上有定位凸起2004，起到固定扭转外壳7作用，解脱器连接外壳11转动使剪切螺钉10剪切断裂，然后解脱器连接外壳11及其上部管柱上提带动活塞推环8上移，C形环23失去活塞推环8的推力后恢复至初始状态，至此完成解锁；此外液压解锁机构失效时，还可采用环空加压解锁，所述解脱器连接外壳11下端有环空加压孔704（如图8），可以从外部注入高压流体使活塞推环8上移，从而使C形环23断开与封堵剪切壳体20的连接。
当紧急情况消除后，移动海上平台到适当的位置，借助水下机器人（ROV）下入本发明解脱器对准下部封堵剪切装置部分，接着地面控制液压系统注入高压液压油，液压油进入到锁紧液压油通道1502，其液压力作用在辅助活塞21上端面推动活塞推环8向下，进一步推动C形环23收紧从而锁紧封堵剪切壳体20，至此完成重连。完成连接后通过液压控制，将高压液压油注入液压油通道Ⅰ1503液压油流经阀芯开启液压油通道2001，其液压力作用在活塞推环25上，然后活塞推环25推动阀杆保持环Ⅱ5，阀杆保持环Ⅱ5进一步推动阀杆26下移并带动阀芯2转动完成阀芯2的开启（如图13）。
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 (7)
1.一种深水油气完井作业管柱解脱封堵剪切一体化装置，其特征在于：包括解脱器与封堵剪切装置两部分，其中解脱器包括扭转外壳(7)和解脱器连接外壳(11)，扭转外壳(7)和解脱器连接外壳(11)之间通过螺纹连接，扭转外壳(7)和解脱器连接外壳(11)之间用剪切螺钉（10）固定，滑动螺钉(9)连接在扭转外壳(7)上，滑动螺钉(9)末端和解脱器连接外壳(11)间隙配合，解脱器连接外壳(11)和解脱器上部外壳(12)采用螺纹连接，解脱器上部外壳(12)与提升环(14)螺纹连接并用沉头螺钉(13)固定，辅助活塞（21）和活塞推环（8）装配在解脱器中心体(15)上，上端限位环(18)、下端限位环(22)依次通过螺纹连接在解脱器中心体(15)上端和下端，密封套筒(19)其下部台阶外螺纹和解脱器中心体(15)下部末端内螺纹相配合，C形环(23)装配在扭转外壳(7)下端台阶上，化学试剂注入阀(16)装配在解脱器中心体(15)上端的注入孔当中；封堵解脱部分包括密封短接(17)，密封短接(17)采用螺纹连接在封堵剪切壳体(20)上端，阀芯上端中心体(24)装配在封堵剪切壳体(20)上，球阀密封座(27)下凹槽与球阀机构支持体(31)装配，球阀密封座(27)上凹槽与阀芯上端中心体(24)装配，阀芯开启活塞推环(25)下端和阀杆保持环Ⅱ(5)上端面配合，阀杆保持环Ⅰ(3)和阀杆保持环Ⅱ(5)用保持环固定螺钉(4)连接，阀杆保持环Ⅱ(5)下端面和阀芯关闭活塞推环(29)上端面配合，球阀机构支持体(31)上端和球阀密封座(27)下凹槽配合并有应急弹簧(30)装配在两者中间，阀芯(2)、阀杆(26)和滚珠(28)装配在球阀密封座(27)中，封堵剪切壳体(20)和端盖(1)采用螺纹连接，封堵剪切壳体（20）外表面安装有液压通道堵头（6）。
2.根据权利要求1所述的一种深水油气完井作业管柱解脱封堵剪切一体化装置，其特征在于：所述扭转外壳(7)其下端有剪切螺钉孔(701)、环台阶(703)、环空加压孔(704)，上端有滑动螺钉孔(702)、解脱器定位凹槽(705)，所述扭转外壳(7)和解脱器连接外壳(11)连接螺纹为左旋螺纹连接，剪切螺钉(10)将扭转外壳(7)和解脱器连接外壳(11)连接在一起。
3.根据权利要求1所述的一种深水油气完井作业管柱解脱封堵剪切一体化装置，其特征在于：所述活塞推环(8)上限位环形台阶（802）上端和辅助活塞（22）相接触，下端推环挤压型面(801)和C形环(23)上端斜面接触，C形环(23)安装在扭转外壳(7)下端环台阶(703)上。
4.根据权利要求1所述的一种深水油气完井作业管柱解脱封堵剪切一体化装置，其特征在于：所述阀芯(2)上设置有剪切刃口(201)，阀芯(2)和剪切刃口(201)连接处开有排屑槽(202)，其侧面加工有滚珠滑道(203)，上部加工有管线容纳缺口(204)。
5.根据权利要求1所述的一种深水油气完井作业管柱解脱封堵剪切一体化装置，其特征在于：所述解脱器中心体(15)其内部加工有解锁液压油通道(1501)、锁紧液压油通道(1502)、阀芯驱动液压油通道Ⅰ(1503)、阀芯驱动液压油通道Ⅱ(1504)、化学试剂注入通道(1505)。
6.根据权利要求1所述的一种深水油气完井作业管柱解脱封堵剪切一体化装置，其特征在于：所述封堵剪切壳体(20)其内部加工有阀芯开启液压油通道(2001)、阀芯关闭液压油通道(2002)，上部有卡环凹槽(2003)、定位凸起(2004)。
7.根据权利要求1所述的一种深水油气完井作业管柱解脱封堵剪切一体化装置，其特征在于：所述球阀密封座(27)加工有密封座下端凹槽(2701)和密封座上端凹槽(2706)，并有密封座螺纹固定孔(2702)、密封座连接凹槽(2703)和密封座连接凸起(2705)，内部有半球形滚珠凹槽(2704)和阀杆滑动槽(2707)。
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