CN101646839A - 不受管压影响的控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种能够和单一的控制管线(10)一起用于井下安全阀的控制系统。操作活塞(16)受到两个阀板之间的流管(32)作用，该活塞具有几乎相同的密封圈(42，26)，使活塞不受管压的影响。控制系统的密封圈(18)通过活塞安装在上阀板内，并且控制系统的密封圈和上阀板内的管压密封圈之间的通道(4)连接于下阀板内的可压缩流体储存器(38)，该储存器也通过管压密封圈使之不受管压影响。活塞的运动压缩储存器中的流体。储存器还可包括弹簧(52)以使活塞和流管返回某一位置以关闭安全阀。一备用系统(56)可以在主系统发生故障时启动。

Description

不受管压影响的控制系统

技术领域

本发明涉及一种用于井下阀的控制系统，特别是不受管压影响的、用于井下安全阀的控制系统。

背景技术

井下安全阀用于在发生失控情况下关闭油井，以确保地面人员的安全、防止财产损失和环境污染。通常这些阀包括有压板，该压板是闭合元件，并枢轴安装，以在打开和关闭位置之间进行90度转动。将称为流管的空心管抵靠着压板向下促动，以将该压板旋转至空心管之后并离开其承座的位置。该位置为打开位置。当流管回撤，压板在弹簧推动下旋转至抵靠类似成型的承座的关闭位置，该弹簧安装在其枢杆上。

通过液压控制系统操控流管，该控制系统包括从地表到活塞一侧的控制管线。增加控制管线的压力，使活塞朝一个方向移动，流管也跟着移动。活塞的运动与闭合弹簧的运动相反，也就是说，闭合弹簧的大小通常设置成抵消控制管线的流体静压力、活塞密封圈的摩擦损失和将在相反方向中移动的组件的重量，使流管可以向上运动而离开压板，从而该压板能够摆动着关闭。

通常情况下，在液压控制系统发生故障时、在失去或除去控制管线压力时的正常运行期间，期望压板处于关闭位置。为满足正常模式和故障模式的要求，需要不受管压影响的控制系统，特别是在深井安全阀应用中，在过去这是一挑战。研究结果存在多种解决方式，这些方式由于包括一些特征而增加了设计的复杂性，所述特征不管是在密封圈失效或者是连接件失效情况下均确保实现失效的安全位置。这样的系统中的一些系统具有多层布置的(overlays)引导活塞和多个加压气体储存器，另外一些系统则需要多个控制管线，以从地表弥补部分来自控制管线液压的压力。这些研究中最近的一些例子，可以从USP6427778和USP6109351中看到。

尽管用于深入地下的装置的安全阀不受管压影响的控制系统的研究取得了进展，但在诸如结构更简单、增强可靠性、降低生产成本等等方面，仍需要继续研究。本发明提供了一种系统，具有单一的控制管线，该控制管线作用于在间隔的阀板间延伸的活塞，以此其在管压作用下能够充分达到压力平衡。每一个阀板具有一管压密封圈，而活塞使得控制管线压力密封圈位于上阀板内。上阀板上的密封圈之间有一通道，该通道优选延伸穿过活塞至一储存器，该储存器内保持有优选接近大气压力的可压缩气体。活塞的运动压缩储存器内的流体，并且压缩作用于流管的关闭弹簧。可选择地，弹簧或/和其类似物可直接作用于活塞，使活塞推动流管移动，以此关闭阀门。当主要系统失效时，备用系统可以使失效后压力达到平衡，该备系统可由同一或另一分离的控制管线控制，使阀能够持续的工作。

本领域技术人员可借助于下面的最佳实施例和附图理解本发明的细节，并将认识到本发明的整个保护范围由权利要求限定。

发明内容

控制系统能够和单一控制管线一起用于井下安全阀。操作活塞受到两个阀板之间的流管作用，该活塞具有几乎相同的密封圈，使活塞不受管压的影响。控制系统的密封圈通过活塞安装在上阀板内，并且控制系统密封圈和上阀板内的管压密封圈之间的通道连接于下阀板内的可压缩流体储存器，通过一管压密封圈，该储存器也不受管压影响。活塞的运动压缩储存器内的流体。储存器还能够包括弹簧，以使活塞和流管返回某一位置以关闭阀门。备用系统可以在主系统发生故障时启动。

附图说明

图1是本发明控制系统的示意图。

具体实施方式

图1示出了用于井下设备，优选用于井下安全阀(SSSV)的控制系统。单一的控制管线10延伸到上阀板14内的第一连接部12，上阀板14是井下安全阀外壳(图中未示出)的一部分。活塞16带有密封圈18，以限定可变容积20，该可变容积20的一部分由上阀板14的内表面22限定。所述内表面22限定了其中设置密封圈26的密封孔24。密封圈26跨接了从所述内表面22到活塞16之间的空隙28。活塞16具有抵接流管32的肩部30，以抵抗闭合装置的作用而将流管32往下推，该闭合装置典型地是弹簧，如在箭头34所示位置。流管32通常是指用于井下工具的操作机构，特别是SSSV的具体实施例中的流管。本领域的技术人员可以知道，当流管32被往下推动时，将SSSV上的压板(图中未示出)打开。若闭合弹簧34直接施加压力到流管32上，则在来自控制管线10的压力下，活塞16上单一的肩部30足以将流管32往下移动，并在移去控制管线10的压力后，足以将流管32往上移动，从而闭合弹簧或其它类似物可直接向上推动流管32以使压板关闭。

活塞16延伸到下阀板36内，该下阀板36限定具有壁40的腔室38，在该腔室38内，密封圈42布置在密封孔44内，以跨接间隙46。通道48从密封圈18和26之间的间隙28延伸至腔室38。优选地，该通道穿过活塞16并且可以通过阀体管道，或者通过其他可替换通道以连接间隙28和腔室38。

优选地，密封圈26和密封圈42的尺寸几乎相同，从而活塞16在任一方向的运动受区域50内管压的影响很小或不受影响。在该内容下，术语“几乎相同”可限定为如下的情况：即油管密封圈直径的差别不足以使打开压力或关闭压力中的不利增大超过25％。因为通道48的作用，密封圈26和42承受管压50减去了腔室38内相当低的压力而得到的相当高的压差。该压差帮助缝隙28和48密封。

当往下移动流管32使安全阀打开时，由于密封圈18与活塞16一起向靠近密封圈26移动，因此，通向腔室38的通道48的存在使得上述移动得以实现，因为通道48和腔室38优选地包括(至少部分包括)可压缩流体，并且，与很容易便超过20000PSI的管压50相比，优选地处于相当低的压力。除了用于克服活塞16运动的密封阻力之外，控制管线10用于移动活塞16所需的力主要是克服直接作用在流管上的闭合装置34，这是一种选择。另一种选择是，布置在腔室38内的弹簧或其类似装置52能够完成关闭，该弹簧或类似装置52能直接作用于活塞16，从而取代作用于流管32上的弹簧或类似装置34。还有另一种选择是，在流管和活塞两个位置均可具有弹簧或其类似装置，从而关闭力作用在流管32和活塞16上。弹簧52优选波浪型的弹簧，但也可使用类似的能量储存装置。腔室38内的优选压力是大气压或者接近大气压的气压，但是达个压力能够更高一些，并高到足以用作为作用在活塞16上的部分或全部关闭力。这里要涉及一种折衷，因为同样希望在密封圈26和42之间能够有更大的压差，以便提高空隙28和46之间的密封性能。在任何用于流管32的关闭力都来自腔室38的情况下，另一个肩部54能够用于向上推动流管32，以使安全阀关闭。

通常的操作只不过是施加压力到控制管线10上，以使活塞16逆着关闭力而移动，所述关闭力来自关闭装置34，或来自弹簧52，或来自二者，或来自腔室38内的压力。活塞16的运动仅仅减少了腔室38的容积，并且压缩了腔室38内的流体。为正常地关闭该阀，简单地减少控制管线10内的压力，闭合装置起作用，并使活塞16和流管32进行反向运动。

密封圈26或42失效将使腔室38内具有管压，以对抗控制管线10内的控制管线压力。在具有极高管压50的应用场合中，在腔室20内的该控制管线压力通常是不相匹配的，这样在来自腔室38的更大作用力下，或者仅在弹簧34或52的关闭力下，活塞将向上移动。一旦活塞16由于密封圈26或42的密封失效而达到平衡，进一步施加控制管线压力将不能重新打开安全阀。若密封圈18失效，控制管线10的压力在腔室20和38之间实现平衡，安全阀在弹簧34或52的作用下关闭，并且不能被重新打开。

一旦密封圈产生如上所述的失效，就有必要设置一个备用系统，如附图标记56所指示的，优选与如上所述的系统相同，并且工作方式相同。系统56能够连接到控制管线10上，或者通过经过安全膜58的独立控制管线连接到控制管线10上，设置该安全膜58的压力高于进行前述控制系统的操作所需的正常压力。可选地，当控制管线10内的压力升高导致安全膜破裂之后，一过滤器60能够用于容纳安全膜的碎片。因此，如果主控制系统以上述方式失效，则安全膜58可被破坏，系统56可以取代失效的原始系统。由于已经建立的压力平衡已达到使安全膜58破裂的点而能够使该安全阀操作，因此，没有压力作用在初始的系统上，而实际上不再移动活塞16。另一种选择是，安全膜58和过滤器60可以除去，该备用系统可以由控制管线10开始始终一前一后操作，该控制管线10分出支线来服务于备用单元。可替代地，再设置一套从地面到安全膜58、过滤器60和备用操作系统56的第二单独的控制管线。如果一套系统如上所述失效，不再起作用，将促动另一套系统，继续以正常的方式操作。

本领域技术人员将意识到，本发明的系统较为简单，其特征在于活塞不受管压50的影响。不受管压影响的同时，还具有这样的特征，即具有仅以3个密封圈的简单设计形成的可压缩流体存储空间。它还提供了一种选择，即具有直接作用在活塞16上而不是流管32的闭合装置，使得设计更紧凑，并可能允许更大口径阀门，尽管压力等级可达20000PSI以上。由于结构的紧凑，使得还有放置备用系统的空间，若原始系统密封失效，可选择采用该备用系统。

上述描述是对优选实施例和各种可选实施例的说明，并不是本发明最宽范围的具体表达，本发明最宽的范围由下面的从属权利要求进行限定，并适当考虑到其充分发挥字面和等效的意义。

Claims (22)

1、一种用于井下工具中的操作机构的控制系统，其包括：

具有一通道和至少一个控制管线接头的工具壳体；

至少一个活塞，该活塞具有：与所述控制管线接头流体连通的第一部分，受所述通道作用处于压力平衡的第二部分，以及至少部分限定了与所述通道隔离的一容积可变腔室的第三部分。

2、如权利要求1所述系统，其中：

所述活塞的所述第二部分包括在所述活塞与所述工具壳体之间的上、下密封圈，该上、下密封圈基本相同。

3、如权利要求2所述系统，其中：

所述上、下密封圈一侧受所述通道作用，另一侧受所述容积可变腔室作用。

4、如权利要求3所述系统，其中：

所述上、下密封圈之一受到所述容积可变腔室的作用通过所述活塞实现。

5、如权利要求3所述系统，其中：

所述上、下密封圈之一受到所述容积可变腔室的作用通过所述工具壳体实现。

6、如权利要求3所述系统，其中：

所述活塞还包括活塞密封圈，所述的受到所述容积可变腔室的作用是通过从所述活塞密封圈与所述上、下密封圈之一之间开始的通道实现的。

7、如权利要求6所述系统，其中：

所述活塞密封圈安装在所述活塞上，并更靠近所述上密封圈。

8、如权利要求1所述系统，其中：

所述容积可变腔室还至少部分包括可压缩流体。

9、如权利要求1所述系统，其中：

所述容积可变腔室还包括作用在所述活塞上的偏压部件。

10、如权利要求9所述系统，其中：

所述偏压部件包括至少一个弹簧。

11、如权利要求1所述系统，其中：

所述活塞包括至少一个抵接流管的肩部，用于在至少一个与偏压力相反的方向上移动所述流管。

12、如权利要求11所述系统，其中：

所述偏压力作用在所述流管上。

13、如权利要求11所述系统，其中：

所述偏压力作用在所述活塞上。

14、如权利要求11所述系统，其中：

所述偏压力作用在所述流管和所述活塞上。

15、如权利要求1所述系统，其中：

所述至少一个控制管线接头只包括一个控制管线接头；所述至少一个活塞只包括一个活塞。

16、如权利要求1所述系统，其中：

所述至少一个活塞包括至少两个活塞，其中至少一个活塞与所述控制管线接头选择性连通。

17、如权利要求16所述系统，其中：

所述选择性连通包括响应于施加的压力使一可破裂部件破裂。

18、如权利要求17所述系统，该系统还包括：

用于收集所述可破裂部件的碎片的过滤器。

19、如权利要求1所述系统，其中：

所述至少一个活塞包括至少两个活塞，该至少两个活塞总是与所述控制管线接头连通，以便一前一后地操作。

20、如权利要求8所述系统，其中：

当所述接头中的压力减少到预定值时，所述可压缩流体受到压力的作用而足以使所述活塞朝着所述控制管线接头移动。

21、如权利要求3所述系统，其中：

所述密封圈之一受到所述容积可变腔室的作用通过所述活塞外侧的通道实现。

22、如权利要求1所述系统，其中：

所述至少一个活塞包括至少两个活塞，所述至少一个控制管线接头包括至少两个控制管线接头，每个活塞分别与相应的一个控制管线接头连通。

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