减小地下安全阀中的杆活塞的挠曲的方法
【专利摘要】一种致动组件，包括：具有径向向外延伸的突部的套筒构件；以及具有轴线的活塞，该活塞以可操作方式连接到所述套筒构件的所述突部并且布置成在该套筒构件的所述突部上施加致动力以用于致动该套筒构件，该致动力关于所述轴线径向对准地定位或者定位在所述轴线的径向外侧。
【专利说明】减小地下安全阀中的杆活塞的挠曲的方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2011年6月2日申请的美国申请号13/151897的优先权，通过引用将其全文并入于此。
【背景技术】
[0003]压力控制活塞被用来操作钻井工业中的地下安全阀和其他系统。一些系统包括活塞来致动流动管从而打开封闭机构，比如挡板阀。通常，由于将封闭机构保持在打开位置上所必要的压力，活塞的圆周方向上未被支撑的长度可以导致活塞挠曲。由于活塞的轴线和流动管的与活塞上的接头接合的轴向表面之间存在径向偏移，通常加重挠曲，这导致活塞上存在弯矩。地下安全阀是井下系统中重要的装置，因此该工业热衷于这种安全阀操作中的任何改进。
【发明内容】
[0004]—种致动组件,包括:具有径向向外延伸的突部的套筒构件；以及具有轴线的活塞，该活塞以可操作方式连接到所述套筒构件的所述突部并且布置成在该套筒构件的所述突部上施加致动力以用于致动该套筒构件，该致动力关于所述轴线径向对准地定位或者定位在所述轴线的径向外侧。
[0005]一种致动组件，包括:套筒构件；以及具有轴线的活塞，该活塞以可操作方式连接到所述套筒构件并且布置成在该套筒构件上施加致动力以用于致动该套筒构件，该致动力在非平面的接触表面处施加。
[0006]—种致动元件的方法,包括:提供具有轴线的活塞；提供套筒构件；将所述活塞连接到所述套筒构件的径向向外延伸的突部上；以及通过经由所述活塞在所述套筒构件的所述突部上施加致动力来致动所述套筒构件，所述致动力关于所述轴线径向对准地定位或者定位在所述轴线的径向外侧。
【专利附图】
【附图说明】
[0007]如下的描述不应该被认为是以任何方式的限定。参照附图，类似的元件标记类似:
[0008]图1是致动组件的透视图；
[0009]图2是图1的组件的截面视图；
[0010]图3是用于图1的组件的接头元件的正面透视图；
[0011]图4是接头的背面透视图；
[0012]图5是活塞的透视图；
[0013]图6是安装在图5的活塞上的图4的接头的透视图；
[0014]图7是大体沿着图5中的线7-7截取的活塞的截面视图；
[0015]图8是根据这里所述的一个实施方式的稳定器的透视图；[0016]图9是固定连接到流动管的稳定器的截面视图；
[0017]图10是包括图1的组件的安全阀系统的截面视图；
[0018]图11是大体沿着图10中的线11-11截取的安全阀系统的截面视图；
[0019]图12是图10中圈起区域12-12的放大视图；
[0020]图13是图示了各个组件的活塞挠曲相对于控制管线压力的曲线图；
[0021]图14是正如这里描述的致动组件的另一个实施方式的截面视图；以及
[0022]图15是正如这里描述的致动组件的另一个实施方式的截面视图。
【具体实施方式】
[0023]这里参照附图通过示例和非限定形式给出所披露的装置和方法的一个或多个实施方式的详细描述。
[0024]现参见附图，图1图示了用于控制地下安全阀操作的组件10。该组件10包括活塞12，所述活塞12部分地容纳于壳体16的壁14内并且可以沿着轴线18滑动。在图1中示出的实施方式中，壳体16包括窗口 20，其中活塞12在圆周方向上、在窗口 20的第一端22与第二端24之间基本没有被支撑。应该理解的是，所述壁14包括分别在第一端22和第二端24上的第一孔和第二孔，所述活塞12可滑动地接合在这些孔中以用于沿其轴线18移动。
[0025]设置所述窗口 20例如是为了适应接头26和稳定器28相对于壳体16的移动。所述接头26布置在活塞12上并且为所述活塞12所用以经由稳定器28将力传递到套筒30。套筒30在图中是作为流动管示例性地示出，但是可以意识到基本上任何套筒、套筒的一部分等等都可以被活塞12加载以控制阀或其他装置的操作。所述阀或其他装置可以是可由活塞致动的任何种类的装置。稳定器28经由例如相应孔34中的螺栓、焊缝等等固定连接到套筒。这样，稳定器28起到了套筒的刚性径向延伸部的作用，以用于接收由活塞12经由接头26施加的力。套筒30借助活塞12实现的轴向致动(经由接头26和稳定器28)布直成根据已知的流动管和/或安全阀系统那样使挡板阀、球阀等打开。
[0026]从图2和3可以更清楚地看出接头26是如何接合稳定器28来传递力的。接头26包括自其延伸的一对突出部36，这些突出部36形成接触表面38。每个突出部36当在图2中的截面看时像一个半圆，当在图3中的透视图中看时是半个圆柱。由于突出部36是圆的，所以突出部36的正如沿着线40限定的轴向最外顶端或顶点基本上限定了接触表面38。线40垂直于轴线18。线40和轴线18 —起形成了平面42。稳定器28径向延伸穿过所述平面42 (从而穿过所述线40和轴线18)，从而接头26的接触表面38可以接合稳定器28。可以意识到在其他实施方式中，突出部36或者这里描述的任何这种突出部可以面对接头定位在稳定器上。
[0027]有利地,如图所示地,所述接触表面38与轴线18在相同的平面42内，因此由活塞施加的致动力Fa和由稳定器28施加的反作用力Fk与活塞12的轴线18对准。力Fa是可控的——例如通过以可操作方式连接到活塞12的外部控制管线或者用于活塞12的可以被供应加压流体或类似物的活塞腔室。在力Fa与Fk之间没有径向偏移(因为它们与轴线18对准)，这导致基本没有弯矩施加在活塞12上。因为存在两个分别位于活塞12相对两侧上的突出部36，所以应该指出的是，致动合力和反作用合力是在这两个突出部36之间的中点处与所述轴线18同轴对准的。[0028]本发明的目的是保持致动力和反作用力与活塞12的轴线18的对准。然而，可以意识到，由于制造公差、误差、元件在载荷下的移位等等，完美的对准并不总是可行或者甚至是不可能的。鉴于这里的描述，可以意识到的是，弯曲的、锥形的、带尖的等等的突出部尤其适合于减轻元件未对准而导致的任何问题，同时保持接触表面沿着基本垂直于轴线18并且在相同的平面内与轴线18对准。例如，每个突出部36的横截面形状可以是三角形、椭圆形、球形等等。设置锥形的、弯曲的等等的突出部，比如突出部36，有助于确保即便是接头26和/或稳定器28相对于彼此转动某一角度(或者以其他方式未对准，比如由于制造缺陷或公差)，接触表面38将仍然位于突出部36上，从而非常接近于保持与轴线18对准。
[0029]此外，接触表面不需要是连续的，而是例如可以由沿着线布置的多个点接触部(例如球形突出部)形成。更广泛地，可以意识到，可以通过多个突出部形成其他非平面的接触表面，并且意识到沿着线的布置仅是相对于现有系统提供优点的一个实施方式。“非平面接触表面”是指两个平面不匹配地接合以形成接触表面，并不是指接触表面不能在平面内形成。例如，多个点接触表面(例如来自于多个球形突出部)可以以某个样式布置(例如栅格)，以将接触表面形成为均位于平面内的多条线，但是由这些点接触部形成的表面是非平面的。
[0030]鉴于之前的描述，可以理解的是，尽管文中提到在一些实施方式致动力和/或反作用力“垂直于”轴线18或与轴线18 “在相同平面内对准”，但这并不总是可行的或者可以实现的，且至少可以预期某种程度的非对准。正如下文结合图15描述的，一些非对准实际上是理想的，以在某些条件下在一些实施方式中获得改进的结果。
[0031]下面主要参照图1-7。为了将接头26紧固在活塞12上，接头26由多个部件构成。例如包括突出部36的帽44可以经由螺栓48等固定地连接到底座46。底座46可以是圆弧形的，例如与套筒30的外径对应，以用于在径向方向上抵靠着套筒30支撑活塞12。形成有具有两个平的侧表面54的开口 50。平面54垂直于平面42。活塞12包括相对于接头26的平面54互补地形成的一对相应的平的凹口 56，使得杆12牢固地装在开口 50中，其中开口 50的平面54与活塞的平的凹口 56匹配地接合。在一个实施方式中，凹口 56被研磨得平坦。
[0032]正如图7的截面视图中示出的，凹口 56基本与活塞的轴线18等间隔地定位，其中活塞12的中心部没有从中移除材料。这样，与绕着整个圆周具有环形凹槽的一些已知的活塞相比，活塞12在活塞12的中心具有增加的刚度。由于凹口 56的形成还形成了一组支承表面58。这些支承表面在轴向方向上可与接头抵靠接合，以用于确保可以从活塞12向接头26传递高负载。在另一个实施方式中，活塞12可以形成为连续的杆，没有凹口 56或支承表面58，接头可以仅经由摩擦或干涉而紧固到活塞上一比如如果接头类似于两瓣式轴环。
[0033]在图8和9中更详细地示出了稳定器28。稳定器28包括开口 50，用于容纳可穿过其滑动的活塞12。正如上面讨论的，稳定器28旨在用作套筒30的刚性径向延伸部，在孔34中包括多个螺栓32以用于将稳定器28紧固到套筒30。稳定器还包括径向向内延伸的肩部62。该肩部62旨在接合套筒30上的唇缘64。便利地，所述肩部62在该肩部62与所述唇缘64接合时通过相对于套筒30设定稳定器28的合适位置而能够起到定位的功能。还有，该肩部62能够使现有的流动管与根据本发明的组件一起使用。即例如一些已知的流动管系统包括具有旨在与活塞的接头接合的圆周唇缘的流动管(这形成了之前提到的径向距离和弯矩)。当然，可以意识到在一些实施方式中不需要包括唇缘64和/或肩部62。
[0034]通过保持活塞12同轴地位于稳定器28的开口 60中可以实现活塞12的挠曲的甚至更大的减小。活塞12理论上应该能平滑地穿过所述开口 60滑动，因此活塞12与开口 60的未对准可以导致增加的摩擦和/或活塞12卡住、弯曲或者以其他方式被破坏。因为稳定器28固定地连接到套筒30，所以更牢固地设定套筒30的位置能够更好地实现活塞12与开口 60的对准。在图10-12中示出了用于保持套筒30的对中位置的配置的一个示例。示出的套筒30接合在壳体16内，其中正如上面所述，活塞12安装在壳体16的壁14内。在套筒30与壳体16之间沿圆周方向设置有一对对中环66,用于将套筒30在壳体16中对中。环66中的每一个可以是轴承、轴衬、与壳体16或套筒30整体成型的脊或者布置成将套筒30对中的任何其他元件。在示出的实施方式中，环66仅设置两个位置上，而不是沿着套筒30的整个长度设置，从而避免套筒30与壳体16之间的不必要的摩擦。可以意识到，对中环66不需要在圆周方向上是连续的，而是可以包括间断或者例如可以由围绕套筒30的圆周面的呈环形的多个分散的对中部构成。
[0035]基于图10-12可以意识到组件10的一些实施方式的进一步的细节。例如，可以看到活塞12位于壳体16的壁14中的第一活塞孔68和第二活塞孔70中。示出了一对动态密封件72，这些密封件72用于密封活塞12的端部。设置有密封件74来密封活塞孔70。在图10中还示出了挡板阀76，示出的挡板阀76由于套筒30的轴向位置而处于打开位置。在套筒30返回到其非致动位置后，挡板阀76会在销78上枢转从而阻挡套筒30的开口 80并防止流体流过套筒30。
[0036]为了防止套筒30上的扭矩，在圆周方向上使活塞20与由套筒30加载的阀机构对准以打开所述阀也是有利的。例如，假如使用挡板阀76，如果活塞12和挡板阀76的销78在圆周方向上没有对准，则流动管将承受更高的扭矩。为了确保这些元件的对准，活塞壳体与挡板壳体之间的螺纹连接件可以被定时或计时，从而当这些壳体固定在一起时所述销78和活塞12在圆周方向上基本对准。
[0037]进行了多个实验测试来量化在致动地下安全阀系统中的流动管时这里描述的各个特征对活塞挠曲的影响。图13显示了测试结果，图示了四个不同组件的活塞挠曲与施加在活塞上的控制管线压力之间的关系。第一条线82示出了正如在【背景技术】中讨论的具有用于接合流动管的已知活塞接头的现有活塞组件的性能。第二条线84示出了接合有稳定器比如稳定器28的系统的性能。第三条线86示出了同时包括稳定器(比如稳定器28)和具有用于接合该稳定器的横截面是半圆形的突出部的活塞接头(比如具有突出部36的接头26)的系统的性能。第四条线88示出了同时包括稳定器(比如稳定器28)、具有用于接合该稳定器的横截面是半圆形的突出部的活塞接头(比如具有突出部36的接头26)和围绕流动管在圆周方向上布置的用于将流动管对中的环(比如套筒30的环66)的系统的性能。因此可以看出这些特征中的每一个均显著减小了安全阀系统中活塞的挠曲量。
[0038]上面的实施方式描述了将接头推入稳定器中的活塞。图14示出了一种组件90，其中活塞12上的接头92布置成也拉动连接到套筒30的稳定器94。接头92和稳定器94在许多方面分别与接头26和稳定器28类似，除了接头92和稳定器94分别包括用于形成铰链100的臂96以及臂98 (从图中不可见的一个铰链100位于活塞12的另一侧上，类似于突出部36的布置)。每个铰链100包括销102以用于尤其是经由臂96和98将接头92接合到稳定器94。销102可以呈现条、块、杆等的形式。接头92在销102上施加致动力Fa，该致动力Fa由销102施加在稳定器94上。可以认识到，尽管致动力Fa存在两个分量，即分量Fai和Fa2，但是这些分量关于轴线18平衡，从而合力即致动力Fa沿着轴线18对准。正如上面指出的，活塞12的每个相对侧上有一个铰链100，从而也平衡在该方向上的力。因此,类似于上述实施方式，致动合力Fa和反作用合力Fk与活塞12的轴线18同轴地对准，从而避免活塞12上形成弯矩。
[0039]这些铰链可以完全或者至少部分地铰接，以能够实现接头92与稳定器94之间的一些相对运动，从而对缺陷、制造误差、由于载荷等导致的移位或转动进行补偿。在一个实施方式中，例如，稳定器94的臂98包括可转动的球座104，销102穿过该球座延伸，用于允许接头92与稳定器94之间在任何方向上的一些非对准。替代性地，销102可以固定地连接到接头92、稳定器94或者这二者。
[0040]在图15中示出了一种组件106。该组件106包括安装在活塞12上的接头108和固定到套筒30的稳定器110。接头108大体上类似于接头26，除了突出部112 (或者多个突出部112)定位在活塞12的轴线18的径向外侧而不是与轴线18对准之外。突出部112基本类似于上面讨论的突出部36，除了它们相对于轴线18的位置之外。在接头108与稳定器110之间形成接触表面114，使得致动力和反作用力Fa和Fk定位在所述轴线18的径向外侧。在一个实施方式中，稳定器110与稳定器28完全相同,在另一个实施方式中,稳定器110相对于稳定器28在径向上进一步延伸，从而与接头108的突出部114合适地接合。
[0041]对于精明的读者而言，基于上面披露的在致动力和反作用力？4和匕与活塞12的轴线18之间形成径向偏移与之前提到的这种径向偏移形成了增加活塞挠曲的力矩时的内容似乎是矛盾的。然而，可以意识到这些套筒致动活塞本质上通常倾向于在基本径向向外的方向上弯曲——这是由于例如系统的配置而造成。因此，致动力和反作用力Fa和Fk与活塞12的轴线18的对准将实际上消除了活塞上的一个弯矩源，但是将不能对来自于任何其他源的弯曲进行补偿。结果，在一些情形中，将致动力和反作用力Fa和Fk定位在活塞12的轴线18的径向外侧可以有利于形成相反的弯矩来抵消活塞上的其他弯矩，用于甚至进一步减小活塞12的挠曲。当然，形成太大的径向向外偏移可能导致径向向内挠曲，因此使接触表面38自所述轴线18偏移的距离(如果有的话)可以应该根据具体情况来确定。在识别到任何这样的力矩后，通过将这些绕活塞轴线的力矩的和设定为零并求解该偏移来确定这些突出部的偏移。例如，可以使用有限元分析、实验挠曲测试、或者其他方法来确定活塞上的其他力矩和力。
[0042]虽然已经参照示例性实施方式描述了本发明，但是本领域技术人员将会理解的是可以做出多种变化并且其元件可以用等价方式替换，而不脱离本发明的范围。此外，根据本发明的教导可以做出许多修改以适应特殊的情形或者材料而不脱离其实质范围。因此，本发明旨在并不局限于作为用于实施本发明而构想的最佳方式披露的特殊实施方式，而是本发明将包括落入权利要求范围内的所有实施方式。还有，在附图和描述中，已经披露了本发明的示例性实施方式，尽管可以使用的特殊的术语，但是除非另有指示它们仅以一般的和描述性的意思使用并且不是为了限制的目的，因此本发明的范围不是如此限定的。此外，术语第一、第二等的使用并不描述任何顺序或重要性，而是术语第一、第二等用于将元件彼此区分开。此外，术语一、一个等的使用并不表示数量的限定，而是表示存在所列项目的至少一个。
【权利要求】
1.一种致动组件,包括: 具有径向向外延伸的突部的套筒构件；以及 具有轴线的活塞，该活塞以可操作方式连接到所述套筒构件的所述突部并且布置成在该套筒构件的所述突部上施加致动力以用于致动该套筒构件，该致动力关于所述轴线径向对准地定位或者定位在所述轴线的径向外侧。
2.根据权利要求1所述的致动组件，其中该套筒构件是固定连接到该套筒构件的稳定器块。
3.根据权利要求1所述的致动组件，其中所述突部具有开口，用于可滑动地接收从中穿过的所述活塞。
4.根据权利要求1所述的致动组件，还包括所述活塞上的接头，所述接头以可操作方式布置成在该套筒构件的所述突部上施加致动力。
5.根据权利要求4所述的致动组件，其中所述接头包括相对于所述轴线自所述接头轴向延伸的至少一个突出部，所述至少一个突出部形成接触表面，所述致动力在所述接触表面处施加。
6.根据权利要求5所述的致动组件，其中所述至少一个突出部包括一对布置在所述活塞相对两侧上的突出部。
7.根据权利要求5所述的致动组件，其中所述接触表面沿着基本垂直于所述轴线的线形成。
8.根据权利要求4所述的致动组件，其中所述活塞包括至少一个平的凹口，以用于与所述接头的开口上的至少一个平面互补地接合。
9.根据权利要求8所述的致动组件，其中所述至少一个平的凹口包括一对相对布置的平的凹口，当所述活塞接合在所述接头中的开口中时，该对凹口与所述活塞的所述轴线等间隔隔开，所述至少一个平面包括用于与该对凹口匹配地接合的一对平面。
10.根据权利要求7所述的致动组件，其中所述线与所述轴线共面。
11.根据权利要求3所述的致动组件，其中所述套筒构件的突部的开口通过围绕套筒构件沿圆周方向布置的对中环而保持与活塞的所述轴线同轴。
12.根据权利要求1所述的致动组件，其中所述套筒构件是用于致动挡板阀的流动管。
13.—种致动组件,包括: 套筒构件；以及 具有轴线的活塞，该活塞以可操作方式连接到所述套筒构件并且布置成在该套筒构件上施加致动力以用于致动该套筒构件，该致动力在非平面的接触表面处施加。
14.根据权利要求12所述的组件，其中所述接触表面沿着一条线形成。
15.—种致动元件的方法,包括: 提供具有轴线的活塞； 提供套筒构件； 将所述活塞连接到所述套筒构件的径向向外延伸的突部上；以及 通过经由所述活塞在所述套筒构件的所述突部上施加致动力来致动所述套筒构件，所述致动力关于所述轴线径向对准地定位或者定位在所述轴线的径向外侧。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述突部是固定连接到该套筒构件的稳定器块。
17.根据权利要求15所述的方法，其中所述活塞包括用于施加致动力的接头。
18.根据权利要求15所述的方法，其中所述接头包括自其轴向延伸的至少一个突出部，该至少一个突出部形成接触表面，所述致动力在该接触表面处施加。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述接触表面形成为一条线。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述线与所述轴线共面并且基本垂直于所述轴线。
【文档编号】E21B19/16GK103649456SQ201280033863
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2012年5月31日 优先权日:2011年6月2日
【发明者】J·E·伯里斯, G·R·汤普森, D·Z·安德松, J·T·斯隆, B·A·皮普而斯, D·A·劳里, A·S·科格希尔 申请人:贝克休斯公司