专利名称：井下安全阀的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于形成于地层中的井孔中的安全阀，这种安全阀包括一个阀体，该阀体具有一条流体通道，用于使烃类流体从地层经过井孔流到地面；一个封闭元件，可以相对于阀体在一个打开位置和一个关闭位置之间移动，在所说的打开位置流体通道是打开的，在所说的关闭位置封闭元件关闭流体通道。安全阀通过从地面控制来停止开采或在流动状态不合乎需要的情况下自动地停止开采。例如，在由于地面开采设备发生事故而造成烃类流体的流速增大的情况下，就会发生后一种情况，即自动停止开采。因此，通常的目的是要设置一种用于井孔的安全阀，以便一旦井孔内的流速达到一个选定的临界流速时，该阀就关闭。
然而，经验表明，通常，传统的安全阀在阀关闭时的流速精确度低。
本发明的发明目的是提供一种改进的井下安全阀，它克服了传统的井下安全阀的缺陷。
根据本发明，提供了一种用于形成于地层中的井孔中的安全阀，这种安全阀包括● 一个阀体，该阀体具有一条流体通道，用于使烃类流体从地层经过井孔流到地面；● 一个封闭元件，该封闭元件相对于阀体可以在一个打开位置和一个关闭位置之间移动，在所说的打开位置时流体通道打开，在所说的关闭位置时封闭元件关闭流体通道；● 一个驱动装置，用于选择性地使所说封闭元件受到一个选定大小的曳力作用，该曳力由流体的流束来施加，使得封闭元件从打开位置移动到关闭位置；● 控制装置，用于控制驱动装置，使得所说封闭元件受到所说的曳力作用。
通过选择性地使封闭元件受到曳力作用，就可以使作用于封闭元件上的合力产生一种阶梯变化，而不象传统安全阀中那样产生逐渐变化。于是，封闭元件根据作用力的阶梯变化来关闭流体通道。应当知道，曳力能直接作用到封闭元件上或直接作用到与封闭元件相连的拖曳表面上。
驱动装置可以适当地在第一模式和第二模式之间操作，在第一模式中，基本防止了流体的流动作用于封闭元件，在第二种模式中，流体的流动可以作用于封闭元件。
在一个优选的实施例中，封闭元件被设置在一管道中，并且在所说的第一模式中，驱动装置基本阻止了流体流入该管道中，在所说的第二模式中，驱动装置允许流体流入该管道中。
优选地是，驱动装置包括一个舌形阀，该舌形阀具有一个被设置在封闭元件上游的舌门元件，在所说的第一模式中，该舌门元件基本关闭所说管道，在所说的第二模式中，基本使所说管道打开。
下面将参照附图，通过举例的方式来详细描述本发明，在其中的附图中
图1示意性地表示出了根据本发明的井下安全阀的一个实施例的纵向剖面图；图2示意性地表示出了沿图1中的2-2的剖面图；图3示意性地表示出了沿图2中3-3的剖面图；图4示意性地表示出了沿图2中4-4的剖面图；图5示意性地表示出了根据本发明的井下安全阀的另一个实施例的详细情况；图6示意性地表示出了沿图5中6-6的剖面图。
在图1中，表示出了形成于地层中的一个井孔1，用于开采烃类气体。井孔1中利用一层水泥4固定有一个井下套管3。根据本发明的一个井下安全阀6被同心地设置在井下套管3中，并通过一个封隔器8被固定到套管上，其中的封隔器8阻止烃类气体绕过安全阀6。气体的流动方向由图中箭头9所示。
安全阀6包括一管道，该管道呈管状阀体10的形式，并具有许多气体入口和一个气体出口14，其中的这些气体入口以槽12的形式被设置在管状阀体中，其中的气体出口14通过一个阀口16与这些槽12流体连通。一个阀座17延伸在上游侧的阀口16周围。一个封闭元件18被设置在阀体10内，该封闭元件具有一个与阀座17配合的前部表面20。封闭元件18可以沿阀体10的轴向方向在一个打开位置和一个关闭位置之间移动，其中在所说的打开位置(如图1所示)时，前部表面20与阀座17分离，在所说的关闭位置时，前部表面20接触阀座17从而把阀关闭。在封闭元件18的外表面与阀体10的内表面之间具有一个小的径向间隙22。一根螺旋张力弹簧24被设置在管状阀体10内，该弹簧24的一端与封闭元件18连接，另一端与一个被设置在阀体内的止动元件26连接。止动元件26可以沿阀体10的轴向方向调节，以便调节弹簧24的张力。当处于息止位时，弹簧24把封闭元件18保持在打开的位置。
参照图2，阀体10的上游端设有一个驱动装置，该驱动装置呈舌形阀30形式，可以在一个关闭模式和一个打开模式之间操作，在所说的关闭模式时能基本防止气体流作用于封闭元件18，在所说的打开模式时允许气流流入阀体10并作用于封闭元件18。舌形阀30包括一个舌门主体31，该舌门主体31被设置在管状阀体10内并具有一流通口33和一个舌门元件32，该舌门元件32与一根转动轴34连接，转动轴34把舌门元件32分成具有不同表面积的部分36，37。为了描述这种结构，在图2中由附图标记38表示出了舌门元件的对称轴线39a与轴34的纵向轴线39b之间的偏心距。
参照图3，转动轴34穿过阀体31中的一个腔室40。轴34具有一个凸轮表面，该凸轮表面由轴的平面部分43形成，该平面部分43平行于舌门元件32延伸，并位于腔室40内。轴34的其余表面具有一个圆形断面。一个片簧42被设置在腔室40内，使片簧42的两端被固定到腔室40的壁面上，并且当舌门32处于关闭位置时该片簧42的中间部分完全与轴34的平面部分43接合。
片簧42和轴34形成一个用于抵抗由于流体作用于不同面积的表面部分36，37而导致的舌门元件32从关闭位置至打开位置的起始转动的系统。
参照图4，轴34穿入设置在阀体10外侧的槽44内。一个叶片元件46被设置在槽44内并被固定连接到轴34上，使得当舌门元件32处于关闭位置时，叶片元件46与流动方向9成一个选定的角度α(舌门元件32和片簧42由图4中的虚线所示)。
叶形元件46形成一个起动装置，用于当流速超过一个选定的临界流速时促使所说舌门元件的起始转动克服用于提供所说力矩的系统的作用力。
轴34还设置有一根螺旋弹簧48(图2)，该螺旋弹簧48把轴34偏压到这样一个位置，即，在这个位置处，舌门元件32处于关闭位置。
在正常操作期间，从地层开采出的烃类气体以一个正常的流速通过井下套管3沿方向9流入安全阀6。通过螺旋弹簧48的作用以及片簧42的作用使舌门元件32处于它的关闭位置，并且通过弹簧24的作用使封闭元件18处于它的打开位置。
舌门元件32可防止气流流入阀体10并作用于封闭元件18。此外，气流向叶形元件46作用一个曳力，倾向于使得叶形元件定向于气流方向，从而造成舌门元件32的起始转动。然而，只要流速不超过临界流速，这种定向就受到片簧42作用的抵抗。
气流经过槽12流向阀口16，并从那儿流向气体出口14。气体从气体出口14进一步通过井下套管3沿方向9流入地面处理设备(图中未示出)。
如果例如由于在地面上的处理设备中产生不合乎需要的压降而使流速超过临界流速，那么，作用于叶形元件上的曳力就增大，使叶形元件定向于气流方向，从而转动轴线43，舌门元件32抵抗片簧42的作用，偏压作用于轴34。随着轴34的转动，片簧42逐渐弯曲，直到片簧42抵靠在铰链轴34的圆柱形部分上。于是，片簧42就不再抵抗铰链轴34的进一步转动，作用于舌门元件32的气流提供了一个转动力矩，使得舌门元件32转动到它的打开位置。当舌门32处于它的打开位置时，气流被允许流入阀体10，并作用于封闭元件18。于是，封闭元件18受到一个曳力作用，这个曳力克服弹簧24的作用，使得封闭元件18移动到关闭位置。从而防止了气体进一步通过安全阀6。在没有气流的情况下，叶形元件46不再受曳力的作用，从而允许螺旋弹簧48把舌门32偏压回它的关闭位置。只要封闭元件18两侧的压差能防止封闭元件返回到它的打开位置，那么封闭元件18就保持在它的关闭位置。
当恢复开采时，地面设备的气压升高，从而弹簧24的弹力又把封闭元件18挤压到它的打开位置。
参照图5和图6，图中表示出了根据本发明的安全阀的另一个可选实施例的细节，除了起动装置是一个流体起动装置49而不是前面所指的叶形元件以外，这个可选实施例总体上类似于参照图1-4所描述的实施例。在图5中，表示出了这个可选实施例的上游端部，它包括阀壳10、舌形阀30、阀体31、舌门元件32、片簧42和螺旋弹簧48。
流体起动器装置49包括一个流体入口50、第一流体出口52、第二流体出口54。一个口56使得阀壳10的外部和第一出口52与第二出口54的连接处流体连通。第二出口54被设置成使得离开第二出口54的流体流动作用在表面部分36、37中较大的表面部分上。入口50、出口52、54和口56被这样设置，即，如果气流的流速未超过临界流速，那么，流进入口50的气流的一支流通过第一出口52离开设备49，如果气流的流速超过临界流速，那么该支流就通过第二出口54离开设备49。由于在更高的气流流速下，口56中的压力下降，从而使该支流被转向流入到第二出口54。
除了舌门元件的起始转动不是由叶形元件起动以外，这个可选实施例的正常操作类似于参照图1-4所描述的实施例的正常操作，而该可选实施例中，这种起始转动是由流体起动器49来起动的。
可以不是由片簧偏压作用在轴的凸轮表面上以便抵抗舌门元件的起始转动，而是把一个线圈激励元件来偏压作用在凸轮表面上以便抵抗舌门元件的起始转动。优选地是，如果向线圈提供电流，那么线圈激励元件就被偏压在凸轮表面上，如果不向线圈提供电流，那么线圈激励元件就从凸轮表面收回。
权利要求
1.一种用于成形于地层中的井孔中的安全阀，包括一个阀体，该阀体具有一条流体通道，用于使烃类流体从地层经井孔流到地面；一个封闭元件，相对于阀体可以在流体通道打开的打开位置和在封闭元件关闭该流体通道的关闭位置之间移动；一个起动装置，用于选择性地使封闭元件受到选定大小的曳力作用，该曳力作用是由流体的流动来施加的，从而使封闭元件从打开位置向关闭位置移动；控制装置，用于控制起动装置，使封闭元件受到所说的曳力的作用。
2.根据权利要求1所述的安全阀，其中，起动装置可以在第一模式和第二模式之间操作，在所说的第一模式中，基本防止了流体流动作用于封闭元件，而在第二种模式中，允许流体流动作用于封闭元件。
3.根据权利要求2所述的安全阀，其中，封闭元件被设置在一条管道中，在所说的第一模式中，起动装置基本防止了流体流入该管道，在所说的第二模式中，起动装置允许流体流入该管道。
4.根据权利要求3所述的安全阀，其中，起动装置包括一个舌形阀，该舌形阀具有一个被设置在封闭元件上游的舌门元件，该舌门元件可在舌门元件基本关闭所说管道的关闭位置与舌门元件使该管道基本打开的打开位置之间转动。
5.根据权利要求4所述的安全阀，其中，舌门元件可以绕着把该舌门元件分成不同表面积的部分的一轴线转动，控制装置包括用于把一个选定力矩施加到舌门元件上的系统，所说的力矩抵抗舌门元件由于流体的流动作用于舌门元件上而从关闭位置至打开位置的起始转动。
6.根据权利要求5所述的安全阀，其中，舌门元件被固定到一轴上，该轴可绕所说的转动轴线转动，所说的用于施加所说力矩的系统包括一个设置于所说轴上的凸轮表面，以及偏压作用于该凸轮表面的一弹簧驱动元件和偏压作用于该凸轮表面的一线圈激励元件中的一个。
7.根据权利要求6所述的安全阀，其中，凸轮表面包括所说轴的一个大致平坦的表面部分。
8.根据权利要求5至7之一所述的安全阀，其中，控制装置包括起动装置，用于促使所说的舌门元件的起始转动克服用于提供所说力矩的系统的作用力。
9.根据权利要求8所述的安全阀，其中，起动装置被用于当流体流速超过一个选定的临界流速时起动所说舌门元件的起始转动。
10.根据权利要求9所述的安全阀，其中，起动装置包括一个叶形元件，该叶形元件被可绕所述轴线转动地设置在流体流束中，并与舌门元件成一固定角度，从而当舌门元件处于关闭位置时，所说的叶形元件与流体流束不成一条直线。
11.根据权利要求9所述的安全阀，其中，起动装置包括一个流体起动装置，该流体起动装置具有一个流体入口、用于把进入所说流体入口的流体支流引入到舌门元件的所说部分中的一个上的第一出口、用于把所说支流引离该舌门元件的第二出口，和用于把所说支流从所说出口中的一个出口转向到所说出口中的另一个出口的装置。
12.一种基本上参照附图在前面所描述的安全阀。
全文摘要
一种用于成形于地层中的井孔中的安全阀,包括:一个阀体(6),该阀体具有一条流体通道,用于使烃类流体从地层经井孔流到地面;一个封闭元件(18),可相对于阀体在流体通道(12)打开的打开位置与封闭元件关闭该流体通道的关闭位置之间移动;一个起动装置(30),用于选择性地使封闭元件(18)受到一个选定大小的曳力作用,该曳力作用是由流体流束来施加的,从而使封闭元件从打开位置移动到关闭位置。安全阀还包括控制装置(46),用于控制起动装置,使得封闭元件受所说的曳力作用。
文档编号E21B34/08GK1375035SQ00813101
公开日2002年10月16日 申请日期2000年9月21日 优先权日1999年9月21日
发明者威廉默斯·H·P·M·海吉南 申请人:国际壳牌研究有限公司