用于碳氢化合物的提取井的安全阀的制作方法

本发明涉及一种安全阀，该安全阀用于碳氢化合物的提取井，诸如，例如石油和/或天然气的提取井。具体地说，本发明涉及一种安全阀，该安全阀要在称为“防喷器”(blow-outpreventers)或bop的常规安全系统下面或在生产十字件下方被安装在井头上。本发明将在钻探、生产和维护操作期间在紧急的情况下被使用。

背景技术：

碳氢化合物的提取井类似于具有大致圆形截面的管道，或者换句话说，长的管线。在钻探期间，地层流体被包含在地下岩石的孔隙中，它们受到地层压力并且通过反压力被保持在岩石中，该反压力由钻探泥浆施加在井孔的壁上。

如果地层流体从井向着表面不可控制地冒出，则将存在对应于钻探设备的所述流体的喷发(喷出)，该钻探设备通常位于井头上的表面。

目前用来防止喷出的系统普遍地在于安装防喷器或bop。bop由一定数量的称为“闸板”的装置组成，该装置被构造用来包围管状钻探材料。闸板装置能够通过由金属或弹性体材料制成的合适的元件在存在于它们的内部中的管状钻探材料上施加关闭和液压密封作用，而不必剪切管状钻探材料自身。如果管状材料不存在于bop中，则称为“盲板”的一些闸板装置关闭该井。可以被激活作为极端的可能性的其它闸板装置是所谓的“剪切闸板”(剪切)，该剪切闸板剪切钻探管道并且允许关闭和密封元件被插入。

目前，防喷器或bop存在着以下局限性：

-它们仅能够剪切钻探管道的本体；它们不能剪切所述管道的称为“工具接头”的端部，该端部相对于管道本体具有较大直径；

-在钻探阶段的结尾，它们需要维护和替代密封元件；

-在剪切闸板的情况下，剪切作用仅当管道居中在bop内时是最佳的。

在紧急情况下，bop也存在着另外的问题。如果钻柱被井压力向上压缩，或者如果它侧向地转向，例如，bop的剪切的类型可能不保证钻探管道的剪切和关闭元件的通过。此外，剪切闸板的通过设想该管道在截面完全压垮之后被切割，这仅发生在管道的中心部分中。最后，受到剪切闸板的切割边缘的作用的工具接头的区域倾向于以减小的压垮且以完全不可预见的断裂线而断裂。一些金属碎片因此可能保持被裹挟，其阻塞闸板装置并且因此阻止井的关闭。

技术实现要素：

因此，本发明的目标是提供一种用于碳氢化合物的提取井的安全阀，该安全阀能够解决现有技术的上述缺点，允许井在bop的可能故障之后被关闭。

更具体地说，本发明的一个目标是提供一种用于碳氢化合物的提取井的安全阀，该安全阀允许可能存在于安全阀中的管状材料被切割并且该井通过液压密封被关闭，允许随后施加合适的干预计划以便控制该井(如果bop已经被证明是无效的)。

本发明的另一个目标是提供一种用于碳氢化合物的提取井的安全阀，该安全阀能够与常规bop相比以更高的能力施加管状材料的剪切作用，考虑对应于所述bop目前没有预想到的井头产生的最差应力条件。具体地说，根据本发明的安全阀能够在其内部中切割/剪切许多各种不同的管状材料。

本发明的另一目标是提供一种用于碳氢化合物的提取井的安全阀，该安全阀能够相对于bop以更大的可靠性通过液压密封施加井的切割作用和关闭。

根据本发明的这些目标通过提供如权利要求1中指定的用于碳氢化合物的提取井的安全阀而实现。

本发明的另外特征在从属权利要求中被指示，从属权利要求是本描述的组成部分。

根据本发明的安全阀设置有其自身的控制单元和独立的供给。在剪切操作之后，所述安全阀能够关闭该井，产生液压密封。

安全阀的致动为可逆类型，以便允许井的恢复(如果这是可能的)。安全阀的致动(这总是发生在bop的致动之后并且如果它们的关闭作用和井的安全防护失败)可以在所谓的“反冲”阶段(流入来自地质构造的气体的井)期间，或可能在井的喷出期间被操作。在安装之后，安全阀也可以在生产阶段期间留在井头上，当bop已经被移除时，保持在生产十字件下方，因此在十字件自身可能损坏的情况下，降低环境危险。

通过切割尺寸大于管道本体的管状材料并且在紧急的操作条件下，例如管状材料在bop中，并且在由于井的压力推力的压缩下，或者管状材料随机地布置在安全阀内，根据本发明的安全阀能够起作用。

附图说明

根据参考所附示意图的以下说明性和非限制性描述，根据本发明的用于碳氢化合物的提取井的安全阀的特征和优点将显得更加显明，附图中：

图1是布置在水下井头上的根据本发明的安全阀和相关致动系统的示意图；

图2是根据本发明的安全阀的一个优选实施方案实例的剖视图；

图3是设置有相关压力补偿装置的图2的安全阀的剖视图；

图4是图2的安全阀的阻塞系统的剖视图；

图5和6是图2的安全阀的切割和关闭组的剖视图；

图7是图2的安全阀的密封机构的剖视图；

图8是图2的安全阀的保护元件的剖视图；

图9是图2的安全阀的压力补偿装置的剖视图；

图10a-10h分别示出用来获得井的关闭的图2的安全阀的致动程序的各种阶段；

图11a-11e分别示出使用图2的安全阀的井的再打开程序的各种阶段。

具体实施方式

具体地参考图1，这个图示出被设立用于水下井的钻探的普通的浮动钻探装置100。总体上以附图标记10指示的根据本发明的安全阀被安装在井的头部11上以便在钻探阶段期间允许安装总体上以附图标记200指示的防喷器或bop。在钻探的结尾，与被移除的bop200不同，安全阀10可以在井的整个操作时期内保持被安装。

具体地说，安全阀10被构造用来安装在井头11上并且包围插在该井内的管状材料12的一部分。管状材料12可以例如由与该井沿相同的轴向方向取向的所谓的“生产管”或“管柱”组成。管状材料12是内部空心的并且被设计用来包含和运输从该井被提取的流体和其它物质，具体地说，例如，碳氢化合物(石油或天然气)、水、淤泥、岩石碎片和/或陆地碎片。

安全阀10由远程动力和控制系统300操作，该远程动力和控制系统可以在离该井头11预定义的距离处安装在钻探施工场所(在陆地钻探的情况下)，或在海底上(在海上钻探的情况下)。如下面将更好地说明的那样，安全阀10的技术特征是：在安全阀10自身的操作寿命期间不需要维护。然而，远程动力和控制系统300可以被移除以实现编程的或偶然的维护。在海上钻探的情况下，远程动力和控制系统300和安全阀10之间的电和液压连接400可以使用称为“rov可配对连接器”的合适连接器通过水下rov(“远程操作的工具”)500被操作。

参考图2和3，这些图示出根据本发明的安全阀10的优选实施方案实例。安全阀10由以下主要部件组成：

-阻塞系统14和16；

-切割和关闭组18；

-密封机构20；

-保护元件22；以及

-压力补偿装置24。

阻塞系统14和16被构造用来保持要被切割的管状材料12相对于安全阀10被牢固地固定。

具体地说，阻塞系统14和16由至少一个上阻塞夹具14和至少一个下阻塞夹具16组成，该至少一个上阻塞夹具布置在切割和关闭组18上方，该至少一个下阻塞夹具布置在切割和关闭组18下方。上14和下16阻塞夹具因此在切割和关闭组18的部分上的管状材料12的切割作用期间具有保持管状材料12相对于安全阀10固定的功能。优选地设想由相应的阻塞元件38组成的两个上阻塞夹具14和两个下阻塞夹具16，该阻塞元件由相对的液压活塞40激活。应当指出，在本描述中，术语“上”和“下”应当被看作参考该井的形成方向(深入到地中)限定安全阀10的特定部件的位置。

切割和关闭组18被构造用来在该井的若干操作条件下剪切管状材料12。切割和关闭组18有利地由孔锯26组成，该孔锯由机动致动装置28旋转，该机动致动装置典型地由液压马达或者也由电马达组成。

在根据本发明的安全阀10的优选实施例的基础上，孔锯26被构造用来实现具有如下限定的直径和厚度的管状材料的切割：

-具有优选范围为1”至20”的外直径的壳体，其中壁厚度优选地达到大约20mm，

-具有优选范围为1”至10”的外直径的钻探管道，其中壁厚度优选地达到大约20mm，

-具有优选范围为1”至10”的外直径的工具接头，其中壁厚度优选地达到大约40mm，

-具有优选范围为1”至24”的外直径的保护套圈，其中壁厚度优选地达到20mm。

孔锯26被构造用来沿相对于管状材料12的形成方向大致正交的方向以受控制的模式移动。孔锯26的直线运动的控制功能由液压活塞30施加，该液压活塞被容纳在相应的气缸32内，该气缸操作性地连接到切割和关闭组18。液压马达28也被容纳在气缸32内，该液压马达通过传动轴34旋转孔锯26，该传动轴插在液压活塞30的杆54内。

具有大致圆柱形形式的可移动元件36滑动地插在切割和关闭组18内，该可移动元件至少部分地包围孔锯26并且能够与所述孔锯26沿相同的方向前进以与管状材料12相互作用。

如下面更详细地指定的那样，可移动元件36被构造用来邻接密封机构20的滑动关闭套圈62的密封部分64，以便实现安全阀10的中心孔的水密关闭并且从而实现井的水密关闭。

参考图4，这个图示出根据本发明的安全阀10的阻塞系统的单个阻塞夹具14。每一个阻塞夹具14或16由阻塞元件38组成，该阻塞元件能够通过干涉而接合管状材料12。阻塞元件38可以沿垂直于管状材料12的轴向方向的方向移动并且由液压地驱动的活塞40推动。优选地为螺钉机构的机构42被组装在活塞40后面，即，在相对于阻塞元件38的位置的相对位置中，这也允许在失去液压压力的情况下将所述活塞40阻塞在达到的位置中。

通过激活活塞40的流体的压力的作用，螺钉机构42可以在释放阶段中被致动。位置传感器44被组装在阻塞夹具14或16的后部部分中，即，在螺钉机构42后面，该位置传感器允许阻塞元件38的行程被精确地控制，以便为被包围在安全阀10内的管状材料12的部分确定中心。

活塞40的杆56的和阻塞元件38的密封件48和76通过弹性波纹管46而被保护以与井流体隔绝。这个弹性波纹管46允许活塞40的小的移动。以规则的时间间隔设置的所述移动是必要的，以便润滑密封件48和76，避免气缸上的擦伤(由于后者必须保持不活动持续极长的时间段)，并且也以便实现根据本发明的安全阀10的功能测试。当阻塞夹具14或16要被致动时，活塞40的力剪切保持杆56上的弹性波纹管46的元件，这继续引起管状材料12的阻塞所必要的其行程。

参考图5和6，这些图示出根据本发明的安全阀10的切割和关闭组18。切割和关闭组18包括孔锯26，该孔锯在可移动元件36内旋转。所述可移动元件36因此用作用于孔锯26的保护元件。孔锯26的旋转在衬套或轴承50上进行，该衬套或轴承通过油密封件52而被保护以与切割残渣隔绝。轴承50和油密封件52二者位于可移动圆柱形元件36上。切割和关闭组18的这个组装构造保证孔锯26仅受到扭矩，而其它可能载荷由可移动圆柱形元件36支承并且不引起传动轴34的弯曲。

孔锯26的旋转运动通过传动轴34由液压马达28供应，该传动轴在液压活塞30的杆54内旋转。在气缸32中滑动的液压活塞30推动杆54，而该杆54将直线前进运动赋予孔锯26和可移动圆柱形元件36。液压马达28优选地与液压活塞30成一体并且由一系列柔性套管58供给，所述一系列柔性套管在液压活塞30的平移运动期间跟随液压马达28自身。线性传感器60不断地提供在相应气缸32内的液压活塞30的位置。

在完成管状材料12的切割之后，可移动元件36前进远至行程端部，使得具有高的厚度的其关闭部分达到安全阀10的孔的中心。可移动元件36的关闭部分的厚度能够抵抗竖向推力，该竖向推力在安全阀10的中心孔内被施加并且是由于反冲压力。

参考图7，这个图示出根据本发明的安全阀10的密封机构20。密封机构20被构思用来通过液压密封实现井的关闭。密封机构20被构造用来包封安全阀10的中心孔内的管状材料12并且优选地布置在切割和关闭组18下方。在管状材料12已经被切割并且引起可移动圆柱形元件36被带到安全阀10的中心孔内之后，通过密封机构20的滑动关闭套管62获得液压密封。滑动关闭套圈62被向上推在可移动圆柱形元件36上，将形成在所述滑动关闭套圈62的上边缘上的密封部分64压在圆柱形元件36的圆柱形表面上。致动滑动关闭套圈62所必要的力由流体的液压压力提供，该流体被包含在位于密封机构20内的下推力室66中。

一旦已经达到关闭位置，滑动套圈62就通过一个或更多个阻塞销68被阻塞，以便在没有液压压力的情况下也将所述滑动套圈62保持在靠着圆柱形元件36的关闭位置中。阻塞销68通过一个或更多个对应的弹簧70被推到滑动关闭套圈62的对应凹槽中，并且当需要该滑动关闭套圈62的运动时，弹簧70通过相应的室72中包含的加压流体的推力被撤回。

参考图8和9，这些图分别示出根据本发明的安全阀10的保护元件22和压力补偿装置24。安全阀10也在钻探阶段和井的完成之后必须保持在生产十字件下方安装在井头11上持续其操作寿命的全部。在安全阀10内，在液压活塞30的杆54和传动轴34(该传动轴将旋转运动传递到孔锯26)的所有密封件上方的所有机械部件因此必须在该井的整个生产寿命期间保持被保护，首先免于钻探淤泥并且其次免于完井流体的作用。

由于上述原因，安全阀10设置有保护元件22，该保护元件由保护外罩或套筒组成，该保护外罩或套筒由具有减小的厚度的金属材料制成。保护外罩22被安装在管状材料12周围并且相对于它共轴。保护外罩22设置有密封环74，该密封环用来保持安全阀10的中心孔与其中容纳孔锯26的室相分离。这个室填充有惰性流体，该惰性流体通过压力补偿装置24被保持在与井相同的压力下。当井要被关闭时，孔锯26也切割金属保护外罩22。

参考图10a-10h，用来实现井的关闭程序的由安全阀10执行的阶段的操作顺序如下。第一阶段(图10a)提供上14和下16阻塞夹具的活塞40的致动。可以被独立地致动的上14和下16阻塞夹具将要被切割的管状材料12的部分布置在安全阀10的孔的中心中并且随后上紧管状材料12的所述部分，以便支承重压在管状材料12它自身上的轴向载荷。

液压马达28随后被致动(图10b)以便旋转孔锯26，直到达到名义旋转状态。通过测量供给液压马达28的流体的流率或者通过对应于液压马达28而布置的适当的旋转传感器，而对孔锯26的旋转状态加以控制。

一旦液压马达28已经达到最佳旋转状态，液压活塞30就被致动以便获得孔锯26的受控制的直线运动(图10c)。该控制基于借助线性传感器60的位置的测量并且通过调节致动流体到气缸32的供应流率而被实现。孔锯26的受控制的前进引起保护元件22的切割并且随后引起管状材料12的渐进切割(图10d)。

液压活塞30的行程继续，直到孔锯26和对应的可移动保护元件36达到相对于切割和关闭组18布置在其上的部分的管状材料12的相对部分(图10e)。在这个位置中，可移动保护元件36的关闭部分与安全阀10的中心孔对应。

一旦孔锯26和对应的可移动保护元件36已经达到相应的行程端部位置，就实现阻塞销68从滑动关闭套圈62撤回(图10f)。阻塞销68的撤回通过专用液压管路被获得，该专用液压管路将加压流体发送到室72中。该流体抵消弹簧70的作用并且因此使相应的阻塞销68移动离开滑动关闭套圈62。

到下推力室66中的加压流体的引入引起滑动关闭套圈62的因此向上运动(图10g)，直到它迫使密封部分64到可移动保护元件36上，关闭该井。滑动关闭套圈62的密封部分64可以被方便地推在形成在可移动保护元件36中的对应的凹部内，以便阻塞所述可移动保护元件36的任何可能轴向运动。

最后，从阻塞销68的液压致动管路移除压力，该阻塞销被相应的弹簧70推动，再进入滑动关闭套圈62的对应凹槽并且将滑动关闭套圈62自身阻塞在关闭位置中(图10h)。

参考图11a-11e，用来操作该井的再打开程序的由安全阀10执行的步骤的操作顺序如下。第一步骤在于致动上阻塞夹具14和下阻塞夹具16的活塞40以释放布置在管状材料12的切割部分上方和下方的钻探管道的段。管状材料的下段落到井中，而管状材料的上段可以从上方被移除。

滑动关闭套圈62的阻塞销68随后通过相应的液压致动管路向后移动(图11a)。通过调节上推力室78内的流体的流动，因此引起关闭套圈62的作为结果的向下运动(图11b)。

至此，压力可以从阻塞销68的液压致动管路被移除，该阻塞销被相应的弹簧70推动，再进入滑动关闭套管62的对应凹槽并且将滑动关闭套圈62自身阻塞在静止位置中(图11e)。

至此，液压活塞30可以被激活以便使孔锯26以受控制的模式向后移动(图11c)。该控制总是基于线性传感器60揭示的位置的测量并且通过调节致动流体到气缸32的供应流率而被致动。

液压活塞30的行程继续，直到孔锯26和相应的可移动保护元件36已经被引回到它们的座(图11d)。

因此可以看到，根据本发明的用于碳氢化合物的提取井的安全阀实现了上文述及的目标，特别地获得了下列优点：

-管状材料的切割作用基于切屑的移除，以因此相对于已知装置更多用途的方式，考虑要被切割的几何结构的多样性：从工具接头(小直径，大厚度)到壳体(大直径，小厚度)；

-产生明确定义的切割表面，以便不留下金属碎片，该金属碎片阻止关闭元件的后续通过：该金属碎片实际上被孔锯收集；

-在紧急条件下也能够操作管状元件的切割；

-保护活塞系统的密封件免受井流体侵蚀，因此避免密封件的维护并且使得所安装的安全阀在井的整个操作寿命持续期间都有效。

这样构思的根据本发明的用于碳氢化合物的提取井的安全阀可以在任何情况下经受许多改进型和变体，上述改进型和变体全部被包括在本发明的构思中；此外，所有细节可以由技术上等同的要素取代。实际上，所用的材料以及形状和尺寸可以根据技术要求变化。

本发明的保护范围因此由所附权利要求限定。