专利名称：三阀式防喷装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及内部防喷装置；更特别地涉及具有改进的可靠性和耐 久性的三阀式内部防喷装置。
背景技术：
内部防喷装置(IBOPs)是设计成能在高压钻进应用中卸压和防 止喷射的球阀。然而，由于流下的高速泥浆和IBOP阀的周期性静水 压试验，这些防喷装置在常常暴露于高达16，000psi压力下的领域中经 常失效。这些流体静压给阀施加大载荷，从而导致它们失效。典型地，防喷装置包括双阀结构，该结构包括两个单独的组件， 即上防喷装置和下防喷装置，每个防喷装置具有单个的防喷装置阀。 由于所用极高压力和非常频繁使用的原因，需要两个阀的冗余结构， 这些阀被接通作为泥浆防'减(saver)阀。令人遗憾的是，这些阀上的 密封受到高应变和使用的影响，频繁发生故障。在发生故障，即，如 果这些阀中的单独一个失效或必须更换整个装置，或者装置在进行修 理时必须停止的话，总是需要使用备用阀。由于在钻进现场费时费钱 的原因，所有这些选择方案都不特别吸引人。令人遗憾的是，因为一 些顶驱系统中的尺寸约束，人们认为将附加的冗余阀插在上、下IBOP 组件之间是不可行的。因此，需要提供一种改进的内部防喷装置，其具有改进的耐久性 和冗余性。发明内容本发明涉及一种具有改进的耐久性的三阀式内部防喷装置，以及 其在钻进应用中的使用。在一个实施例中，三阀式内部防喷装置包括单个本体，所述单个 本体包括三个单独的防喷球阀和容纳于内部的球阀座。在另一个实施例中，球阀和球阀座沿泥浆流动方向成阶梯状，使 得暴露于泥浆流中的球阀边缘从球阀座边缘缩入。在仍然另一个实施 例中，内部防喷装置涂覆有碳化钨。在这一实施例中，碳化鵠涂层覆 盖球阀或阀座之一的边缘。在一个实施例中，每一球阀包括具有中心通道的管状组件，中心 通道内安装有上、下阀座。球可旋转地容纳在上、下阀座之间，并且包括外表面和中心开口，其中所述中心开口包括底切部(undercut), 对外表面和底切部均施加保护涂层。在另一个实施例中，每一球阀包括具有中心通道的管状组件，中 心通道内安装有上、下岡座。球可旋转地容纳在上、下阀座之间，并 且包括中心开口和上接触表面，所述上接触表面与上阀座的接触表面 相接触。中心开口包括位于球上端的上部底切部。对球的上接触表面 和上部底切部均施加保护涂层。
当结合附图考虑时，本发明的这些及其他特征和优点将通过参考 下列详细说明而得到更好的理解，其中图1是根据本发明示例性实施例的内部防喷装置连同顶部驱动系 统和钻柱的示意性侧视图，所述内部防喷装置在钻进操作期间可以附 接到所述钻柱上；图2a是传统双阀式内部防喷装置的实施例的横截面视图；图2b是根据本发明的整体三阀式内部防喷装置的实施例的横截 面视图；图3是图2b所示三阀式防喷装置的一个实施例中的球阀及阀座的 横截面视图；图4是本发明一个实施例的内部防喷装置的球与上阀座的接触部 分的放大图，其中为清楚起见省略保护涂层；图5是本发明一个实施例的内部防喷装置的球与下阀座的接触部 分的放大图，其中为清楚起见省略保护涂层；图6是本发明的一个实施例的内部防喷装置的球的示意图，所述 球具有用于接收保护涂层的底切部，其中为清楚起见省略保护涂层； 以及图7是图6所示球的示意图，其中，保护涂层附着到球的外表面 和底切部上(注意，该图未按比例绘制，为清楚起见，保护涂层尺寸夸大)；和图8是根据本发明整合有致动器的整体三阀式内部防喷装置的实 施例的横截面视图。
具体实施方式
本发明涉及具有增强的可靠性和耐久性的整体三阀式内部防喷装 置或IBOP。图1显示了根据本发明的示例性实施例的三阀式内部防喷装置 10。内部防喷装置IO提供压力止回阀以防止油气井的爆裂在钻进操作 期间造成背压积聚。在一个实施例中，内部防喷装置IO螺紋连接到钻 柱16上，并且在钻进操作期间由顶部驱动系统18驱动。如图2a所示，传统的IBOP包括两个单独的组件，即上部管状组 件lla和下部管状组件llb，每个组件具有设置在其内部的单个防喷 阀12a和12b。这些组件可以在钻进操作期间与适当的管件16a和16b 成直线地螺紋连接。相反，根据本发明的IBOP,如图2b所示，设计成能提供整体三 阀式卸压组件10以防止在钻进期间由背压积聚造成油井喷射。在图 2b所示实施例中，以横截面视图显示了本发明的三阀式防喷装置。如 图所示，组件10包括三个串联设置、用于将压力流体在喷射位置转移 的球阀12a到12c，其布置并旋转保持在相应的球座13a到13c中。 尽管使用单个的整体式本体来保持全部三个阀，为清楚起见，我们将 本体分成由金属套25c隔开的上部25a和下部25b。本发明的IBOP的下部25b包括单阀12c，通过使下阀座24c的下端定位成与中心通 道下部25b中的金属套25c的肩部27c邻接；使球20c的下端定位成 与下阀座24c的上端邻接；以及将上阀座22c的下端放置成与球20c 的上端邻接来形成上述单阀12c。在一个实施例中，上阀座22c包括 螺紋21，其螺紋接合阀组件12c的中心通道中的螺紋22c,从而防止 自身、球20c和下阀座24c的竖向位移。类似的结构用于中心通道上 部25a中的阀12a和12b，只是4吏用可插入座圏9b代替下阀12b的上 阀座，并且使用第二可插入座圏9b代替上阀12a的下阀座，使得座團 9a和9b在IBOP的上部中心通道25a内直接彼此邻接。这种结构在 发生故障时允许拆下上阀12a和下阀12b。图3-7详细阐述了一个示例性阀的结构的详细视图。例如，图3 显示了根据本发明的示例性球阀的分解图。如图所示，每个阀12包括 阀组件13，所述阀组件13具有安装在其内部的上阀座22和下阀座24。 上阀座22安装在阀组件13内的螺紋接头21中，下阀座24安装抵靠 阀组件13中的肩部27。球20可旋转地容纳于上阀座22和下阀座24 之间。阀组件13、上阀座22和下阀座24共同构成每个球阀12。每个 阀12安装在中心通道内，并且阀12的每个球20、阀座22和24均具 有轴向彼此对齐、并与中心通道25的纵向轴线对齐的中心开口 36、 38和40。如箭头所示，在操作期间，当所有的阀打开时，钻进泥浆通 过每个阀开口 36、 38和40向下流动，从而产生通过IBOP的泥浆流 动路径。为了改进钻进泥浆通过内部防喷装置IO的流体流动，在例如图3 所示的一个实施例中，球20的中心开口 38的直径也可以制造成略大 于上岡座22的中心开口 36的直径(参见图4);并且下阀座24的中 心开口 40的直径可以制造成略大于球20的中心开口 38的直径(参见 图5)。在这种结构中，钻进泥浆能够从上阀座22内的中心开口 36顺 利流向球20的略大一些的中心开口 38，以及从球20内的中心开口 38 顺利流向下阀座24的略大一些的中心开口 40。另外，这种布置减少 了泥浆流对上部球接合部50的沖击(因为，接合部50从上阀座22的中心开口 36插入)，从而进一步减小了上部球接合部50上的保护涂 层40剥离的可能性。在另一个实施例中，本发明的IBOP设计还可以包括用于球的碳 化钨覆盖边缘。在这个实施例中，通过在不落下边缘的情况下将碳化 物涂层从球面均匀地覆盖到孔中，以改进传统设计中缺少碳化鴒的球 边缘的缺陷。因此，碳化物涂层在覆盖其的两端平滑地延伸到孔中， 从而确保泥浆流不会腐蚀和剥离易损边缘处的涂层。图4和5显示了 图3中圆形标记4和5所示阀座的接触表面的分解图。如图4和5所 示，当球20、阀座22和24如上所述地定位时，球20具有与上阀座 22的接触表面28相接触的上接触表面26;和与下阀座34的接触表面 32相接触的下接触表面30。为了减少这些表面之间的磨损，每个接触 表面26、 28、 30和32涂覆有保护涂层(例如在图7中显示为保护涂 层40)。保护涂层可以通过任何合适的涂覆方法进行涂覆，并且保护 涂层可以是适合于减少磨损的任何涂层。例如，在一个实施例中，保 护涂层是例如碳化鴒的硬质保护涂层。如上所述，现有技术的内部防喷装置的问题在于，保护涂层施加 到球的外表面上，但是不延伸到球的中心开口中。因此，涂层经常在 球的外表面和球的中心开口之间的接合部位处从球阀上剥离。如图6 所示，在根据本发明的一个实施例中，底切部51和53分别切入球20 的上端和下端，从而在球20的每个端部产生周向槽。这些底切部51 和53允许保护涂层40 (如上所述)施加到球20的外表面55上；包 覆球20的外表面55和中心开口 38之间的接合部位50;并且附着到 底切部51和53上。这种结构减少了保护涂层40在接合部位50和52 处剥离(这在现有技术中是成问题的)的可能性。在所示实施例中，例如图6所示，每个底切部51和53包括纵向 部分51L和53L以及横向部分51T和53T。如图所示，纵向部分51L 和53L与球20的中心开口 38大体上平行地延伸，并且从中心开口 38 略孩i向内地延伸，从而形成比中心开口 38略大一些的开口。横向部分 51T和53T界定了底切部51和53的深度。在优选实施例中，底切部51和53的深度由保护涂层40的希望厚度所控制。这是由于使保护涂 层40的外表面与中心开口 38的内表面齐平的需求。这种齐平结构有 助于防止保护涂层40从底切部51和53上剥离。仅仅举例来说，在一 个实施例中，底切部51和53的深度和保护涂层的厚度均为在大约 0.008英寸到0.010英寸范围内。本发明的阀除了在耐久性方面的这些改进之外，还由于存在辅助 或备用泥浆防溅阀，使得本发明的IBOP的三阀性质导致可靠性提高。 总之，在三个阀处于操作状态的正常运转期间，对井的正常操作而言 只需要两个阀，即，用于切断泥浆流的下IBOP阀12c，和作为泥浆 防溅装置的上IBOP阀12a或12b。然而，因为频繁使用，上IBOP 阀12a的密封会非常迅速地磨损，从而需要拆下并更换上IBOP阀， 并且切断井操作。本发明的辅助的上IBOP阀12b作为备用，从而直 到上IBOP阀或泥浆防溅阀磨损才需要切断井操作。为了确保本发明的三阀式IBOP的正常操作，在一个实施例中， 每个上IBOP阀具有单独的致动器80a和80b。如图8所示，在一个 实施例中安装阀的致动器，使得一对曲柄81同心安装在第一阀12a 的本体上，从而使IBOP可以关闭阀。例如通过与远程控制器信号联 通的液压缸或气缸，可以使这些曲柄实现远程控制。因为对于IBOP 的正常操作而言，每次只需要驱动两个上IBOP阀之一，这个实施例 中的第二上IBOP阀具有机械锁82，使得它在不解除锁定的情况下不 能致动。因此，当有必要转换到备用上IBOP阀时，曲柄和机械锁被 切换，并且备用或辅助的上IBOP阀变成可远程控制的泥浆防賊阀。尽管此处公开了特定实施例，但是应该认识到，本领域的技术人 员可以设计可选的三阀式内部防喷装置系统和方法，它们在字面上或 等效原理上均落入下列权利要求的范围内。
权利要求
1.一种三阀式内部防喷装置，包括单个管状本体，其具有上端和下端，每个端部具有能够附接在钻柱内的接头；串联设置在所述管状本体中的至少三个球阀，每个球阀包括包括中心通道的管状组件；安装在所述管状组件中的上阀座；安装在所述管状组件中的下阀座；能够旋转容纳在所述上阀座和下阀座之间、并且包括外表面和中心开口的球。
2. 如权利要求1所述的三阀式内部防喷装置，其中，所述中心开 口包括底切部。
3. 如权利要求1所述的三阀式内部防喷装置，还包括施加到球的 外表面和底切部上的保护涂层。
4. 如权利要求3所述的三阀式内部防喷装置，其中，所述保护涂 层包括能够减少球和阀座之间磨损的硬质保护涂层。
5. 如权利要求3所述的三阀式内部防喷装置，其中，所述保护涂 层包括碳化鴒。
6. 如权利要求1所述的三阀式内部防喷装置，其中，所述上阀座 包括与管状组件的中心通道和球的中心开口轴向对齐的中心开口 ；其 中，所述球的中心开口大于所述上阀座的中心开口。
7. 如权利要求6所述的三阀式内部防喷装置，其中，所述下阀座 包括与管状组件的中心通道和球的中心开口轴向对齐的中心开口；其 中，所述下阀座的中心开口大于所述球的中心开口。
8. 如权利要求2所述的三阀式内部防喷装置，其中，所述底切部 位于球的上端。
9. 如权利要求8所述的三阀式内部防喷装置，还包括位于球下端 的底切部，其中，对球的外表面、上部底切部和下部底切部均施加保护涂层。
10. 如权利要求1所述的三阀式内部防喷装置，其中，每个球阀还包括用于打开和关闭阀的致动器。
11. 如权利要求11所述的三阀式内部防喷装置，其中，每个致动 器为自动的。
12. 如权利要求12所述的三阀式内部防喷装置，其中，所述致动 器通过液压或压缩空气控制器进行远程控制。
13. 如权利要求10所述的三阀式内部防喷装置，其中，每个致动 器能够机械锁定以防止远程致动。
14. 一种三阀式内部防喷装置，包括单个管状本体，其具有上端和下端，每个端部具有能够附接在钻 柱内的接头；串联设置在所述管状本体中的至少三个球阀，每个球阀包括 包括中心通道的管状组件； 安装在所述管状组件中的上阀座； 安装在所述管状组件中的下阀座；能够旋转容纳在上下阀座之间的球，该球包括外表面、中心 开口和与上阀座的接触表面相接触的上接触表面，其中，所述中心开口包括位于球上端的上部底切部；以及施加到球的上接触表面和上部底切部上的保护涂层。
15. 如权利要求14所述的三阀式内部防喷装置，其中，所述保护 涂层包括能够减少球和岡座之间磨损的硬质保护涂层。
16. 如权利要求14所述的三阀式内部防喷装置，其中，所述保护 涂层包括碳化鴒。
17. 如权利要求14所述的三阀式内部防喷装置，其中，所述上阀 座包括与管状组件的中心通道和球的中心开口轴向对齐的中心开口 ； 其中，所述球的中心开口大于所述上阀座的中心开口。
18. 如权利要求17所述的三阀式内部防喷装置，其中，所述下阀 座包括与管状组件的中心通道和球的中心开口轴向对齐的中心开口 ；其中，所述下阀座的中心开口大于所述球的中心开口。
19. 如权利要求14所述的三阀式内部防喷装置，其中，所述球包 括与下阀座的接触表面相接触的下接触表面；其中，所述中心开口包 括位于球下端的下部底切部；其中，对球的上、下接触表面以及上、 下底切部均施加保护涂层。
20. 如权利要求14所述的三阀式内部防喷装置，其中，每个球阀 还包括用于打开和关闭阀的致动器。
21. 如权利要求20所述的三阀式内部防喷装置，其中，每个致动 器为自动的。
22. 如权利要求21所述的三阀式内部防喷装置，其中，所述致动 器通过液压或压缩空气控制器进行远程控制。
23. 如权利要求20所述的三阀式内部防喷装置，其中，每个致动 器能够机械锁定以防止远程致动。
全文摘要
本发明提供了一种具有整体结构的三阀式内部防喷装置，每个阀包括具有中心通道的管状组件，其中，上下阀座安装在所述中心通道内。球可旋转地容纳在上下阀座之间，并且包括外表面和中心开口，其中所述中心开口可以包括底切部。还可以给球的外表面和底切部施加保护涂层以提高每个阀的耐久性。
文档编号E21B21/00GK101268249SQ200680034601
公开日2008年9月17日 申请日期2006年7月17日 优先权日2005年8月9日
发明者D·B·梅森, L·韦尔斯, P·D·塞纳维拉特纳 申请人:瓦克I/P公司