CN114961642A - 一种全电控智能井下安全阀 - Google Patents

一种全电控智能井下安全阀 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种全电控智能井下安全阀，其主要包括上接头、下接头、磁激开关、上部电磁吸模块、中心流管、磁吸活塞环、下部电磁吸模块、回弹瓣阀机构、位移传感器、温压传感器、流量传感器、动力通信复合电缆接头组成。在两个电磁吸模块的磁吸辅助复位下，安全阀在紧急状况下关闭响应速度更快，提高了安全阀的可靠性；采用磁激开关，可快速地实现安全阀的开关，并自主维持开关状态，节约了控制系统能耗，解决了安全阀操作程序繁琐等问题；采用直接电控磁吸的方式，解决了安全阀下入深度受限问题；利用多类传感器提升安全阀的全电控智能化，实现了安全阀的参数实时监测和控制，降低了安全阀失效风险，提高了作业安全性，减少了整体作业成本。

Description

一种全电控智能井下安全阀
技术领域
本发明涉及石油工程领域，特别涉及一种全电控智能井下安全阀。
背景技术
井下安全阀是井下安全控制系统的重要组成部分，是一种在井口出现重大故障时自动关井的装置，具有保护设备，防止生产受损失和保护环境，防止由于油气喷出造成污染的作用。国内油田所用井下安全阀系统均为液控式井下安全阀，当安全阀开启时，地面液压控制系统向控制管线内注入高压液体，使安全阀板阀在活塞的间接推动下打开，并维持管线中的高压，使安全阀处于稳定开启状态；当发生紧急事故需要关闭流体通道时，地面液压系统泄去管线中的高压，安全阀板阀在弹簧力的作用下闭合，流体通道关闭。
但随着油气勘探开发区域进入更深处，长距离的液压管线控制，安全阀的启闭响应时间有一定的滞后性，安全阀下入深度受限，因此很难满足超深安装；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；液压操作程序较为复杂，当环境变化太大时不易保持负载运动速度的稳定性；液压油的污染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，从而局限了井下安全阀的范围；且液压控制响应速度慢，不利于实现高效控制。鉴于这些缺点，现已有人提出了电控式井下安全阀，而现有的电控井下安全阀，其整体上存在如下不足：
1.活塞是现有井下安全阀的执行机构，用来压缩弹簧推动中心管打开阀板；由于活塞直径大、质量大、在阀板关闭过程中，弹簧需要克服的活塞重力就大，所以仅靠弹簧回复力克服活塞重力，当活塞重力过大时，安全阀关闭较慢或不能正常关闭。
2.现有的井下安全阀结构复杂、传动迟滞、操作程序繁琐，控制系统能耗高；且成本高昂，经济效益低，当危险工况发生时，不能简便迅速地完成安全阀的关闭。
3.现有的电控磁耦合装置，耦合速度较慢；且当活塞推力过大时，磁环相互之间的吸引力无法保持，内外磁环会脱开，而不能开启安全阀。
4.随着油气田开发难度增加，特殊井结构越来越普遍，现有的井下安全阀并不能提供一种更加智能化更加灵活的方式来控制，油井的原油采收率较低，设备维护成本高，使用寿命短。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有相似结构及功能器在应用中所存在的问题，本发明提供一种全电控智能井下安全阀。在上部电磁吸模块、下部电磁吸模块的磁吸辅助复位下，安全阀在紧急状况下关闭响应速度更快，能快速切断生产通道，解决了安全阀关闭较慢或不能正常关闭等问题；采用磁激开关，可快速地实现安全阀的开关，并自主维持开关状态，节约了控制系统能耗，解决了安全阀操作程序繁琐等问题；采用直接电控磁吸的方式，解决了安全阀下入深度受限问题，同时克服了磁耦合装置在活塞推力过大时出现“脱靶”等缺陷；利用多类传感器提升安全阀的全电控智能化，实现了安全阀的参数实时监测和控制，降低了安全阀失效风险，提高了作业安全性，减少了整体作业成本。
(二)技术方案
一种全电控智能井下安全阀，由外部组件、磁激开关、上部电磁吸模块、下部电磁吸模块、回弹瓣阀机构组成；所述外部组件由上接头、下接头、阀壳、流量传感器、动力通信复合电缆接头、封盖、PLC控制器、温压传感器组成；所述磁激开关由磁吸活塞环、弹簧、止推轴承、中心流管、导向套筒、锁止套筒组成；所述上部电磁吸模块、下部电磁吸模块均由隔磁套环、环形线架、环形铁芯、环形线圈、外套筒组成；所述回弹瓣阀机构由阀座、板阀、位移传感器组成；所述上接头通过螺纹与阀壳连接，所述阀壳上设有通孔Ⅲ、通孔Ⅳ、台阶Ⅰ、台阶Ⅱ，所述中心流管装配在上接头和板阀之间，所述锁止套筒通过螺纹与上接头连接，所述导向套筒装配在锁止套筒和中心流管之间，所述上部电磁吸模块装配在上接头和台阶Ⅰ之间，所述磁吸活塞环通过螺纹与中心流管连接，所述磁吸活塞环与阀壳间隙配合，所述弹簧装配在中心流管和阀座之间，所述下部电磁吸模块装配在台阶Ⅱ和阀座之间，所述阀座通过螺纹与阀壳连接，所述下接头通过螺纹与阀壳连接，所述位移传感器安装在板阀上，所述流量传感器安装在下接头内侧壁上，所述温压传感器安装在下接头内。
所述上接头上端周向均布设有多个电连接孔Ⅰ，所述动力通信复合电缆接头安装在电连接孔Ⅰ内，所述上部电磁吸模块、下部电磁吸模块、位移传感器、流量传感器、温压传感器均通过所述动力通信复合电缆接头实现电连接。
所述上接头内壁上设有导向槽、通孔Ⅰ、凹槽Ⅰ，所述PLC控制器安装在凹槽Ⅰ内且其供电线从通孔Ⅰ穿出，所述封盖通过导向槽配合覆盖安装在上接头上。
所述下接头下端周向均布设有电连接孔Ⅱ、密封槽Ⅰ、通孔Ⅱ，所述位移传感器供电线从通孔Ⅱ穿出，所述多个流量传感器周向均布安装在下接头内侧壁上。
所述上部电磁吸模块、下部电磁吸模块供电线分别从通孔Ⅲ、通孔Ⅳ穿出。
所述中心流管上端设有密封槽Ⅱ、中端周向均布设有突起、斜槽、下端设有台阶Ⅲ。
所述导向套筒上设有导向斜面、导向块、凹槽Ⅱ，所述止推轴承安装于凹槽Ⅱ内。
所述锁止套筒上设有锁止斜面、滑槽。
(三)综上所述，本发明的有益效果为：
(1)在两个电磁吸模块的磁吸辅助复位下，安全阀在紧急状况下关闭响应速度更快，能快速切断生产通道。
(2)采用磁激开关，可快速地实现安全阀的开关，并自主维持开关状态，节约了控制系统能耗，解决了安全阀操作程序繁琐等问题。
(3)采用直接电控磁吸的方式，解决了安全阀下入深度受限等问题，同时克服了磁耦合装置在活塞推力过大时出现“脱靶”等缺陷，极大地提高了井下安全阀的可靠性。
(4)利用多类传感器提升安全阀的全电控智能化，实现了安全阀的参数实时监测和控制，降低了安全阀失效风险，提高了作业安全性，减少了整体作业成本。
附图说明：
图1为本发明一种全电控智能井下安全阀整体的剖面图；
图2为本发明上接头的立体半剖视图；
图3为本发明上接头的半剖视图和立体图；
图4为本发明下接头的立体剖面图；
图5为本发明阀壳的立体剖面图；
图6为本发明磁吸活塞环的立体剖面图；
图7为本发明中心流管的立体剖面图；
图8为本发明上部电磁吸模块或下部电磁吸模块的立体剖面图；
图9为本发明上部电磁吸模块和下部电磁吸模块轴向分布剖面图；
图10为本发明回弹瓣阀机构的立体图；
图11为本发明导向套筒的立体图；
图12为本发明锁止套筒的立体图；
图13为本发明磁激开关运动及锁止状态的立体图；
图14为本发明安全阀关闭及开启状态立体剖面图；
图中1、上接头；2、下接头；3、阀壳；4、磁吸活塞环；5、弹簧；6、止推轴承；7、中心流管；8、隔磁套环；9、环形线架；10、环形铁芯；11、环形线圈；12、外套筒；13、阀座；14、板阀；15、位移传感器；16、流量传感器；17、动力通信复合电缆接头；18、导向套筒；19、锁止套筒；20、封盖；21、PLC控制器；22、温压传感器；101、电连接孔Ⅰ；102、导向槽；103、通孔Ⅰ；104、凹槽Ⅰ；201、电连接孔Ⅱ；202、密封槽Ⅰ；203、通孔Ⅱ；301、通孔Ⅲ；302、通孔Ⅳ；303、台阶Ⅰ；304、台阶Ⅱ；701、密封槽Ⅱ；702、突起；703、斜槽；704、台阶Ⅲ；1801、导向斜面；1802、导向块；1803、凹槽Ⅱ；1901、锁止斜面；1902、滑槽。
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，而不能理解为对本发明的限制。
如图1-图14所示，一种全电控智能井下安全阀，由外部组件、磁激开关、上部电磁吸模块、下部电磁吸模块、回弹瓣阀机构组成；所述外部组件由上接头1、下接头2、阀壳3、流量传感器16、动力通信复合电缆接头17、封盖20、PLC控制器21、温压传感器22组成；所述磁激开关由磁吸活塞环4、弹簧5、止推轴承6、中心流管7、导向套筒18、锁止套筒19组成；所述上部电磁吸模块、下部电磁吸模块均由隔磁套环8、环形线架9、环形铁芯10、环形线圈11、外套筒12组成；所述回弹瓣阀机构由阀座13、板阀14、位移传感器15组成；所述上接头1通过螺纹与阀壳3连接，所述阀壳3上设有通孔Ⅲ301、通孔Ⅳ302、台阶Ⅰ303、台阶Ⅱ304，所述中心流管7装配在上接头1和板阀14之间，所述锁止套筒19通过螺纹与上接头1连接，所述导向套筒18装配在锁止套筒19和中心流管7之间，所述上部电磁吸模块装配在上接头1和台阶Ⅰ303之间，所述磁吸活塞环4通过螺纹与中心流管7连接，所述磁吸活塞环4与阀壳3间隙配合，所述弹簧5装配在中心流管7和阀座13之间，所述下部电磁吸模块装配在台阶Ⅱ304和阀座13之间，所述阀座13通过螺纹与阀壳3连接，所述下接头2通过螺纹与阀壳3连接，所述位移传感器15安装在板阀14上，所述流量传感器16安装在下接头2内侧壁上，所述温压传感器22安装在下接头2内。
所述上接头1上端周向均布设有多个电连接孔Ⅰ101，所述动力通信复合电缆接头17安装在电连接孔Ⅰ101内，所述上部电磁吸模块、下部电磁吸模块、位移传感器15、流量传感器16、温压传感器22均通过所述动力通信复合电缆接头17实现电连接。
所述上接头1内壁上设有导向槽102、通孔Ⅰ103、凹槽Ⅰ104，所述PLC控制器21安装在凹槽Ⅰ104内且其供电线从通孔Ⅰ103穿出，所述封盖20通过导向槽102配合覆盖安装在上接头1上。
可以理解的是，电缆随管柱下入，电缆既可为井下供电，又可传输信号。
具体来说，位移传感器15、流量传感器16、温压传感器22可随时将板阀14开关位置、井下温度、压力、流量等信号通过PLC控制器21进行数据处理分析及控制，并将监测结果实时传输至井口方便井口记录和操作，并通过组网传输到总控中心。
所述下接头2下端周向均布设有电连接孔Ⅱ201、密封槽Ⅰ202、通孔Ⅱ203，所述位移传感器15供电线从通孔Ⅱ203穿出，所述多个流量传感器16周向均布安装在下接头2内侧壁上。
可以理解的是，下接头2上设有电连接孔Ⅱ201，可为管柱下端设备供电。
所述上部电磁吸模块、下部电磁吸模块供电线分别从通孔Ⅲ301、通孔Ⅳ302穿出。
可以理解的是，所述上部电磁吸模块、下部电磁吸模块均由隔磁套环8、环形线架9、环形铁芯10、环形线圈11、外套筒12组成；所述磁吸活塞环4位于所述上部电磁吸模块和所述下部电磁吸模块之间。
具体来说，所述隔磁套环8可以屏蔽周向磁场，使得上部电磁吸模块、下部电磁吸模块只提供轴向磁场；所述上部电磁吸模块和下部电磁吸模块用于驱动所述中心流管7滑动，以使所述板阀14撑开或闭合；两个电磁吸模块起双重保护作用，即使一个失效，另一个也能保障工作的正常进行；所述磁吸活塞环4设有外壳和隔磁环，外壳可实现磁吸活塞环4的轻松安装和定位，保证磁吸活塞环4不易受碰撞损坏；隔磁环可以屏蔽周向磁场力，确保磁吸活塞环4只进行轴向滑动。
所述中心流管7上端设有密封槽Ⅱ701、中端周向均布设有突起702、斜槽703、下端设有台阶Ⅲ704。
所述导向套筒18上设有导向斜面1801、导向块1802、凹槽Ⅱ1803，所述止推轴承6安装于凹槽Ⅱ1803内。
所述锁止套筒19上设有锁止斜面1901、滑槽1902。
本发明的工作过程如下:
正常工作中，上部电磁吸模块用于产生对磁吸活塞环4的排斥力，下部电磁吸模块用于产生对磁吸活塞环4的磁吸力，从而驱动中心流管7轴向滑动，同时克服弹簧5的预紧力，驱动中心流管7上的突起702，推动导向套筒18沿轴向移动，导向套筒18上的导向块1802沿轴向移动离开滑槽1902，导向斜面1801驱动中心流管7上的斜槽703移动至锁止斜面1901上、止推轴承6随着导向套筒18的移动转动一定角度，最终导向斜面1801移动至锁止斜面1901顶端，此时磁激开关完成动作，实现自锁功能；安装弹簧5时存在预紧力，中心流管7以及导向套筒18不会被推动，同时，中心流管7撑开板阀14，井下安全阀将一直保持开启状态，位移传感器15、流量传感器16、温压传感器22可随时将板阀14开关位置、井下温度、压力、流量等信号通过PLC控制器21进行数据处理分析及控制，并将监测结果实时传输至总控中心。
当位移传感器15、流量传感器16、温压传感器22监测到井涌、井喷等危险工况时，位移传感器15、流量传感器16、温压传感器22所反馈信号通过PLC控制器21进行数据处理分析及控制，并将监测结果传输至总控中心发出警告信号，此时PLC控制器21控制上部电磁吸模块和下部电磁吸模块开启，中心流管7在上部电磁吸模块和下部电磁吸模块的磁吸作用下，克服弹簧5的预紧力，同时驱动中心流管7上的突起702，推动导向套筒18沿轴向移动，导向套筒18上的导向块1802沿轴向移动离开锁止套筒19，导向斜面1801驱动中心流管7上的斜槽703移动至滑槽1902上、止推轴承6随着导向套筒18的移动转动一定角度，最终导向斜面1801驱动中心流管7上的斜槽703移动至滑槽1902最顶端；此时，井下安全阀从开启状态转为关闭状态。
最后所应说明的是：以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应该理解：依然可以对本专利进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种全电控智能井下安全阀，由外部组件、磁激开关、上部电磁吸模块、下部电磁吸模块、回弹瓣阀机构组成；所述外部组件由上接头(1)、下接头(2)、阀壳(3)、流量传感器(16)、动力通信复合电缆接头(17)、封盖(20)、PLC控制器(21)、温压传感器(22)组成；所述磁激开关由磁吸活塞环(4)、弹簧(5)、止推轴承(6)、中心流管(7)、导向套筒(18)、锁止套筒(19)组成；所述上部电磁吸模块、下部电磁吸模块均由隔磁套环(8)、环形线架(9)、环形铁芯(10)、环形线圈(11)、外套筒(12)组成；所述回弹瓣阀机构由阀座(13)、板阀(14)、位移传感器(15)组成；所述上接头(1)通过螺纹与阀壳(3)连接，所述阀壳(3)上设有通孔Ⅲ(301)、通孔Ⅳ(302)、台阶Ⅰ(303)、台阶Ⅱ(304)，所述中心流管(7)装配在上接头(1)和板阀(14)之间，所述锁止套筒(19)通过螺纹与上接头(1)连接，所述导向套筒(18)装配在锁止套筒(19)和中心流管(7)之间，所述上部电磁吸模块装配在上接头(1)和台阶Ⅰ(303)之间，所述磁吸活塞环(4)通过螺纹与中心流管(7)连接，所述磁吸活塞环(4)与阀壳(3)间隙配合，所述弹簧(5)装配在中心流管(7)和阀座(13)之间，所述下部电磁吸模块装配在台阶Ⅱ(304)和阀座(13)之间，所述阀座(13)通过螺纹与阀壳(3)连接，所述下接头(2)通过螺纹与阀壳(3)连接，所述位移传感器(15)安装在板阀(14)上，所述流量传感器(16)安装在下接头(2)内侧壁上，所述温压传感器(22)安装在下接头(2)内。
2.根据权利要求1所述一种全电控智能井下安全阀，其特征在于：所述上接头(1)上端周向均布设有多个电连接孔Ⅰ(101)，所述动力通信复合电缆接头(17)安装在电连接孔Ⅰ(101)内，所述上部电磁吸模块、下部电磁吸模块、位移传感器(15)、流量传感器(16)、温压传感器(22)均通过所述动力通信复合电缆接头(17)实现电连接。
3.根据权利要求1所述一种全电控智能井下安全阀，其特征在于：所述上接头(1)内壁上设有导向槽(102)、通孔Ⅰ(103)、凹槽Ⅰ(104)，所述PLC控制器(21)安装在凹槽Ⅰ(104)内且其供电线从通孔Ⅰ(103)穿出，所述封盖(20)通过导向槽(102)配合覆盖安装在上接头(1)上。
4.根据权利要求1所述一种全电控智能井下安全阀，其特征在于：所述下接头(2)下端周向均布设有电连接孔Ⅱ(201)、密封槽Ⅰ(202)、通孔Ⅱ(203)，所述位移传感器(15)供电线从通孔Ⅱ(203)穿出，所述多个流量传感器(16)周向均布安装在下接头(2)内侧壁上。
5.根据权利要求1所述一种全电控智能井下安全阀，其特征在于：所述上部电磁吸模块、下部电磁吸模块供电线分别从通孔Ⅲ(301)、通孔Ⅳ(302)穿出。
6.根据权利要求1所述一种全电控智能井下安全阀，其特征在于：所述中心流管(7)上端设有密封槽Ⅱ(701)、中端周向均布设有突起(702)、斜槽(703)、下端设有台阶Ⅲ(704)。
7.根据权利要求1所述一种全电控智能井下安全阀，其特征在于：所述导向套筒(18)上设有导向斜面(1801)、导向块(1802)、凹槽Ⅱ(1803)，所述止推轴承(6)安装于凹槽Ⅱ(1803)内。
8.根据权利要求1所述一种全电控智能井下安全阀，其特征在于：所述锁止套筒(19)上设有锁止斜面(1901)、滑槽(1902)。
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