CN101529048A - 带有故障保护特征的井下液压控制系统 - Google Patents

Abstract

一种井下安全阀控制系统，旨在实现正常的打开关闭操作以及在关键系统元件失效时实现故障保护操作。该系统具有来自地面的单个控制管线(20)，控制管线在井下安全阀处呈支路分开并到达两个分离的活塞腔室(64，46)的一端，两个活塞腔室对齐并且与管路压力隔开。一腔室中的活塞(36)大于另一腔室中的活塞，活塞(36，52)相互连接以串联运动。该不平衡系统活塞的每侧具有安装其上的密封件(38，54)，另一侧具有连接其上并从腔室伸出的连杆(40，56)。跨接管线(68)在每个腔室中的密封件之间的位置连接所述腔室(48，62)并具有大的贮存器(70)。跨接管线(68)填充可压缩流体。四个密封件中任一失效都会发生阀的故障保护关闭。

Description

带有故障保护特征的井下液压控制系统

技术领域

本发明的领域是用于井下工具(例如是井下安全阀、球阀、滑动衬套或封隔开的管线悬挂器)的对管路压力不敏感的控制系统，尤其是涉及这样的系统，该系统在元件出现故障的情况下允许安全阀进入故障保护模式。

背景技术

井下安全阀是用在井中以在无法控制的条件下将井关闭以确保地面人员的安全并且防止财产的损失和污染。一般来说，这些阀包括一挡板，所述挡板是闭合元件并且被枢转地安装以在打开与关闭位置之间转动90度。称作“流体管道”的空心管被向下送进，抵靠所述挡板，以使挡板转动到所述流体管道后方的位置并使挡板离开其基座。此即打开位置。当流体管道收回时，所述挡板由安装在其枢转杆上的弹簧推动以转动到与形状相似的基座相抵靠的关闭位置。

所述流体管道由液压控制系统操作，所述液压控制系统包括从地面延伸到活塞一侧的控制管线。增大控制管线中的压力会使活塞沿一个方向移动并由此使所述流体管道移动。这种移动要对抗一闭合弹簧，该闭合弹簧的尺寸一般制作成能够抵消所述控制管线内的流体静压力、要在相反的方向上移动的活塞密封件上的摩擦损失以及元件的重量，使流体管道向上并远离所述挡板移动从而所述挡板能够关闭。

通常地，在所述液压控制系统中处于故障模式的情况下，以及在正常操作期间控制管线压力损失或消失的情况下，使所述挡板处于关闭的位置是理想的。在过去，对于满足对管路压力不敏感控制系统(尤其是在设置在深处的安全阀应用场合)中的正常模式和故障模式需求的需要提出了挑战。结果提出了多种方法，这些方法通过增加零部件以使得不论哪个密封件失效均能确保获得故障安全位置，给设计添加了复杂性。一些这样的系统使用了多个导向活塞和多个加压气体贮存器，而其它的一些则需要多个来自于地面的控制管线以部分地补偿来自于控制管线流体静压力的压力。这些尝试的一些现有的示例可以在美国专利6427778和6109351中看到。

尽管做了这些尝试，但是使设置在深处的安全阀的管路压力不敏感控制系统更简单、具有增强的可靠性和降低的生产成本仍然是待完成的目标。本发明引入了一种大大简化的具有更少泄漏路径和移动元件的设计。其具有连接到地面的单个控制管线，并且大大减小了单一管线中的控制管线流体静压力的影响；该设计具有一对相对的活塞，两活塞具有不同的直径并且在分开的壳体内串联地移动。每个活塞的一侧为控制管线压力，每个活塞的另一侧经由贮存器内的可压缩流体相互流体连通，不过也可以遇见到其它类型的流体。从结合附图对优选实施方式的描述并结合对所附的完全确定本发明范围的权利要求的进一步理解中将会使本发明的这些以及其它方面对本领域技术人员来说更显而易见。

发明内容

一种井下安全阀控制系统，其旨在实现正常的打开和关闭操作以及如果关键的系统元件失效时实现故障保护操作。其具有来自于地面的单个控制管线，该控制管线在井下安全阀处呈支路分开并到达两个分离的活塞腔室的一端，两个腔室优选地是对齐的。在一个腔室中的活塞大于另一个腔室中的活塞，所述活塞相互连接以便于串联运动。每个活塞具有安装其上的密封件，并且具有连接其上的并从腔室伸出的连杆。跨接管线在每个腔室的密封件之间的部位连接所述腔室，并且具有贮存器。所述跨接管线可以填充有可压缩的或者其它类型的流体。四个密封件任何一个失效都会发生阀的故障保护关闭。

附图说明

图1是处于挡板关闭位置的控制系统的系统布局图。

具体实施方式

为便于理解本发明，将示意性地示出所述井下安全阀，因为本发明的重点在于操作该阀的控制系统。在图1中示出了在销12上枢转的挡板10。流体管道14具有凸块16，该凸块16在被接触以后使得所述流体管道14移动抵靠所述挡板10以使所述挡板10从图示的位置转动到其转过90度的打开位置。在图示的位置中，所述挡板10由通常安装在所述销12上的弹簧(未示出)保持抵靠在互补的基座(未示出)上。闭合弹簧18偏压所述凸块16，并且由此使流体管道14远离所述挡板10，以允许所述挡板转动90度回到关闭位置。此外，这些示意性示出的元件包括公知的井下安全阀的基本元件并且提供了本发明在相关控制系统中的连接关系。

所述控制系统的目的是在图示的关闭位置与使用先前描述过的备用元件实现的打开位置之间操作所述挡板10。控制管线20从示意性图示的地面22延伸。控制管线20分支成控制管线段24和26。活塞壳体28和30优选地是对齐的。控制管线段26延伸入壳体28上的入口32中。控制管线段24延伸入壳体30上的入口34中。

壳体28中的活塞36具有上部控制腔室密封件38和连杆40，所述连杆40穿过开口42并且具有上部管线密封件44。活塞36将壳体室分为腔室46和48。腔室46是高压腔室，与入口32流体连通，而腔室48是低压腔室，与端口50连通。

壳体30具有活塞52，活塞52具有下部控制腔室密封件54和连杆56。连杆56通过开口58伸出壳体30，所述开口58使用下部管路压力密封件60密封。活塞52将壳体30分为腔室62和64，腔室62是低压腔室，腔室64是高压腔室。控制管线段24通过入口34进入腔室64。腔室62具有端口66。

在上下文中，连杆40与其密封件44的组合尺寸以及连杆56与其密封件60的组合尺寸对管路压力或压力平衡的“不敏感性”被定义为它们面积的接近程度，其可以包括差不多10％的面积差异。

端口50和66由管线68连接，所述管线68还包括较大容积的贮存器70。当这些元件装配好时，例如在地面上对管线68和贮存器70优选地填充以诸如空气或氮气之类的可压缩流体。也可以使用其它流体或流体类型。

虽然可以使用连接器72，但它不是必要的。连接器72可以使杆40和56相互容易装配。使杆40和56相互容易装配的一种方法是在连接器72上设置T形端，该T形端可以滑入杆56的端部上的相配的接收部中。连接器72的另一端可以通过螺纹连接或销连接或者其它方式固定到杆40上，其它的例子包括但不限于球/窝或者U型接头结构。这种特征允许了连杆40和56具有符合优选制造公差的预定的不对齐量。在连杆40或56中或者在连接器72中还可以存在更大的偏移量。

在优选的实施方式中，活塞36和52是连杆活塞，其在轴向上对齐以便于连杆40和56彼此连接。活塞36的直径大于活塞52的直径，这其中的原因将在描述操作过程和各种故障模式的时候解释。虽然优选的是连杆活塞，但是可以使用其它类型的活塞，例如环状活塞。因为活塞的直径是不相等的，所以活塞向着挡板10的给定距离的移动将减小腔室48的体积而使腔室62的体积增加。由于当活塞沿朝向挡板10的方向移动时，跨接管线68中的可压缩流体因为体积减小而压力增加，这将导致腔室48和腔室62中的压力增强。贮存器70的设置将使这种阻止控制系统正常操作的压力峰值降到最小。借助贮存器70，由于活塞移动所导致的体积减小在腔室48和62中增大的压力可以忽略不计。

尽管只有单个的控制管线20从地面22向下延伸，但是因为相同的流体静压力在腔室46中向下作用活塞36上并且在腔室64中向上作用于活塞52上，所以减小了控制管线流体静压力的影响。由于在密封件44和60等尺寸的情况下管路压力得到平衡，所以进一步减小了打开所述阀所需的控制压力。因此，控制压力在将弹簧压缩以打开所述阀之前不需要克服管路压力。因为活塞36和52具有不同的直径，所以它们上的合力是作用在它们的面积之差上的流体静压力，这种面积之差刻意地设计成相当小。而正是活塞面积的这种差异使得当管线20中的压力升高时产生这样的合力：该合力使活塞移向挡板10，通过使肩部74接合到凸块16上并克服弹簧18的力来打开所述阀。弹簧18要设计成克服如上面解释的流体静压合力、活塞与连杆密封件的摩擦力、以及活塞及其连杆的重力；还要考虑安全系数而设计得更强劲一些。

因此，要打开所述挡板10，管线20中的压力要增强以克服弹簧18的阻力，肩部74向下推压凸块16，驱动流体管道14抵靠挡板10并使挡板10转动90度，远离其基座(未示出)到达移动后的流体管道14后方的位置。要正常关闭所述挡板10的话，将管线20中压力减小，以使弹簧18能克服如上面描述过的流体静压力、摩擦力和重力，从而驱动流体管道14退回，流体管道14的退回使得挡板弹簧(未示出)能够使所述挡板转动90度到达抵靠其基座(未示出)的关闭位置。

故障模式可以以如下四种方式中的一种发生，这四种方式取决于四个密封件38，44，60或54中哪个密封件开始泄漏。如果密封件38泄漏，腔室46中的压力即管线20中的控制管线压力从腔室46连通到腔室48，使得活塞36处于压力平衡状态。腔室48还通过跨接管线68与腔室62连通。这样使腔室62中具有来自于支路26的压力，并且腔室64中具有来自于支路24的相同的压力。此时活塞52处于压力平衡状态。由于两活塞处于压力平衡状态，所以弹簧18通过使流体管道14向上移动而使挡板10关闭。

如果密封件54失效，则来自于控制管线20的压力通过支路24进入两个腔室64和62内，使活塞52处于压力平衡状态。由于跨接管线68，腔室62中的压力与腔室48是相同的。因此腔室48中具有来自于支路24的压力，同时与支路24中压力相同的压力通过支路26到达腔室46。两活塞同样处于压力平衡状态，弹簧18使流体管道14向上移动，允许挡板10转动90度到达其图1中所示的关闭位置。

如果密封件44失效，管路压力会进入腔室48并且通过跨接管线68也进入腔室62。如果泄漏足够大，则即使是借助管线20中施加的压力，由于腔室48和62中的管路压力将会形成不平衡的合力，直到管路压力达到某一值，由活塞36与52的尺寸差异造成的不平衡压力使活塞向上移动到关闭的位置，再结合弹簧18，弹簧18会使流体管道14向上移动以使挡板10转动90度到达其关闭位置。

如果密封件60失效，管路压力会通过跨接管线68直接进入两个腔室62和48。会得到与如上面描述的当密封件44失效时一样的结果。

本领域的技术人员将会认识到该系统以非常简单的设计提供了故障保护操作。单个控制管线分成支路并连入高压腔室内，这些高压腔室与管路压力隔离并由不同尺寸的相对的活塞构成，从而允许来自于控制管线流体静压力的合力非常小。该压力可以由适当尺寸的复位弹簧18来抵消，所述复位弹簧18的尺寸不需要设计成抵消所有的控制管线流体静压力，并且不需要补偿阀上的管路压力，因为这种设计通过使内密封件44和60处的管路压力平衡而消除了这种需要。出于同样原因，活塞尺寸上的差异允许控制管线中的施加压力达到使两活塞上的不平衡力足以克服复位弹簧18的力，从而将挡板打开。跨接管线69连接低压腔室48和62以便于活塞36和52的串联运动，并且如果密封件38或54失效时用作使活塞两侧压力均等的管线。如果密封件44或60任一个失效，管路压力进入两低压腔室48和62，由于活塞36大于活塞52，在向上的方向上作用有不平衡的合力，所以使两活塞向上移动，所述挡板10可以关闭。当活塞移动以使挡板10打开时，由于腔室48与62之间的总的体积减小而显著增加的压力被贮存器70消除。贮存器70相对于管线68的大体积以及在挡板打开操作期间的体积的减小量防止了压力增强，这样，如果发生了压力增强，则由于相同的原因会阻止阀的打开，因为密封件44或60的泄漏会将控制系统移动到挡板关闭的位置。

虽然阐述了一对连杆活塞，但是可以使用多对。可以全部使用环状活塞，或者部分使用环状活塞，将其与连杆活塞连接。可选地，凸块16可以直接连接到连杆40或56以便于流体管道沿反过来的方向运动。

虽然结合井下安全阀描述了所述控制系统，但是该控制系统可以用于其它的井下工具，其中，最终受控元件不同于流体管道驱动的挡板(其只是本发明的特殊实施方式)。所述活塞可以移动例如套管或者滑片或者包装元件之类的一些最终受控元件。

上面的描述是对优选实施方式的说明，本领域技术人员在不脱离本发明的前提下可以做出许多修改，本发明的范围是由下面的权利要求的文字上的等效的范围确定的。

Claims (29)

1.一种具有受控元件的安装于井下管路的工具，包括：

延伸到井下的单个控制管线，该控制管线分成支路以将控制管线压力传递到至少一对活塞，所述活塞沿至少第一方向串联地运动以便于使所述受控元件运动。

2.根据权利要求1所述的工具，其中：

所述活塞沿与所述第一方向相反的第二方向串联地运动。

3.根据权利要求2所述的工具，其中：

所述活塞具有不同的尺寸。

4.根据权利要求3所述的工具，其中：

所述活塞分别布置在分离的壳体中，每个活塞具有延伸出所述壳体的连接构件，使得所述连接构件能够在所述壳体的外部连接。

5.根据权利要求4所述的工具，其中：

大活塞包括活塞密封件和间隔开的连接构件密封件，所述大活塞的活塞密封件将第一壳体分成大活塞高压腔室和大活塞低压腔室，所述大活塞的连接构件密封件防止井下管路压力进入所述大活塞低压腔室；

小活塞包括活塞密封件和间隔开的连接构件密封件，所述小活塞的环形密封件将第二壳体分成小活塞高压腔室和小活塞低压腔室，所述小活塞的连接构件密封件防止井下管路压力进入所述小活塞低压腔室。

6.根据权利要求5所述的工具，其中：

所述大活塞低压腔室和所述小活塞低压腔室流体连通。

7.根据权利要求6所述的工具，其中：

所述流体连通还包括贮存器的体积，所述贮存器的体积的尺寸设计成能减小由于活塞运动导致低压腔室体积减小而增大的压力。

8.根据权利要求7所述的工具，其中：

所述贮存器含有可压缩的流体。

9.根据权利要求6所述的工具，其中：

所述大活塞高压腔室和所述小活塞高压腔室与所述控制管线流体连通。

10.根据权利要求9所述的工具，其中：

任一个活塞密封件的失效使所述大、小活塞处于使所述大、小活塞远离所述受控元件的压力平衡状态。

11.根据权利要求9所述的工具，其中：

任一个连接构件密封件的失效产生来自所述井下管路的泄漏，在所述活塞上形成来自于管路压力的合力以使所述活塞远离所述受控元件。

12.根据权利要求11所述的工具，其中：

所述合力源自连接构件密封件失效时进入所述低压腔室内的管路压力。

13.根据权利要求1所述的工具，其中：

每个所述活塞均包括活塞密封件，并且所述活塞分别布置在分离的壳体内，所述壳体配置成如果任一个所述活塞密封件失效则所述活塞处于压力平衡状态。

14.根据权利要求13所述的工具，其中：

所述活塞通过自每个活塞延伸并延伸到所述壳体外部的连接构件连接，每个连接构件还包括位于所述连接构件从所述壳体伸出位置处的连接构件密封件以阻止管路压力，其中，在任一个所述连接构件密封件失效时，来自于所述低压腔室内的管路压力的合力作用在所述活塞上以使所述活塞远离所述受控元件。

15.根据权利要求14所述的工具，其中：

所述活塞具有不同的尺寸。

16.根据权利要求15所述的工具，其中：

每个活塞将其壳体分成低压腔室和与控制管线流体连通的高压腔室，所述低压腔室相互连通。

17.根据权利要求16所述的工具，其中：

所述低压腔室含有可压缩流体，该可压缩流体的压力显著低于所述控制管线中的流体静压力。

18.根据权利要求17所述的工具，其中：

所述腔室之间的流体连通包括贮存器，所述贮存器具有比所述低压腔室大的体积。

19.根据权利要求1所述的工具，其中：

所述活塞分别布置在分离的壳体中且还包括自各个壳体延伸的连接构件以在所述壳体之间连接。

20.根据权利要求19所述的工具，其中：

所述连接构件是对齐的，并且所述活塞具有不同的尺寸。

21.根据权利要求1所述的工具，其中：

所述活塞分别位于分离的壳体中，每个活塞的一侧流体连通到所述控制管线，另一侧暴露于管路压力且压力平衡。

22.根据权利要求4所述的工具，其中：

所述连接构件是借助管路压力的作用而达到平衡的。

23.根据权利要求4所述的工具，其中：

所述连接构件在所述壳体的外部成为一体。

24.根据权利要求4所述的工具，其中：

所述连接构件是通过所述壳体外部的连接件连接的。

25.根据权利要求4所述的工具，其中：

所述连接构件或者对齐或者不对齐。

26.根据权利要求1所述的工具，其中：

所述工具包括井下安全阀，所述受控元件包括被偏压的流体管道，该流体管道能够通过所述活塞移动以打开挡板。

27.根据权利要求5所述的工具，其中：

所述工具包括井下安全阀，所述受控元件包括被偏压的流体管道，该流体管道能够通过所述活塞移动以打开挡板。

28.根据权利要求11所述的工具，其中：

所述工具包括井下安全阀，所述受控元件包括被偏压的流体管道，该流体管道能够通过所述活塞移动以打开挡板。

29.根据权利要求14所述的工具，其中：

所述工具包括井下安全阀，所述受控元件包括被偏压的流体管道，该流体管道能够通过所述活塞移动以打开挡板。