用于调节油井的控制机构的装置、系统和过程的制作方法
本公开总体涉及在井位和/或井场生产烃类。本公开尤其涉及一种用于调节油井的控制机构的装置、系统和过程。
背景技术：
石油烃流体通常是从提供地下岩层与地面井口之间的流体连通的油井中采出的。为了提高效率并减少与单个油井的勘查、钻探、维护和生产相关的成本，在单个井场上可布置许多井口。但是，每个油井在给定时间可能有不同的作业要求。在特定井场上开发的油井的数目可能导致井场变为一个很复杂且繁忙的场所，其中有许多不同的油井服务公司在不同的时间对不同的油井进行不同的油井作业。复杂且繁忙的井场会导致沟通问题，进而导致错误和事故的发生。
技术实现要素：
本公开的实施例涉及一种用于调节井场上的一个或多个井口控制机构(例如井口阀门)的位置的装置、系统和过程。本公开的一些实施例为用户提供了间接控制井口控制机构的位置的能力，该能力在本文中可称为间接控制或联锁。间接控制最终需要用户物理地使井口控制机构的致动器致动，例如移动控制杆，拨动开关和/或按下按钮，以使井口控制机构改变位置。本公开的一些实施例为用户提供了直接控制井口控制机构的位置的能力，该能力在本文中可称为直接控制。直接控制最终不需要用户物理地使井口控制机构的致动器致动，因为用户可直接并(可选远程地使井口控制机构致动，例如通过控制器电路进行。本公开的一些实施例涉及用于收集关于井场的一个或多个井的作业状态的信息并使用该信息调节一个或多个井口控制机构的位置的不同方式。可使用多个不同类型的传感器收集信息，该信息允许用户评估使一个或多个井口控制机构致动是否安全。
本公开的一些实施例涉及一种用于通过间接控制来调节井口控制机构的位置的阀门位置调节器装置。该装置包括可操作地连接至用于井口阀门的致动器的框架，其中，该致动器控制井口阀门是处于打开位置、关闭位置还是这两个位置之间。所述装置还包括可移动主体，该可移动主体配置为在第一位置与第二位置之间移动，并且可改变井口阀门位置。当该可移动主体处于第一位置时，所述致动器是可致动的；而当该可移动主体处于第二位置时，所述致动器被物理地干涉而不能致动，并且井口阀门位置不能改变。
本公开的一些实施例涉及一种用于调节井口控制机构的系统。该系统包括阀门位置调节器和阀门致动面板。该阀门位置调节器配置为在第一位置与第二位置之间移动，以物理地干涉控制机构的致动。该阀门致动面板从动力源获得动力，并且包括致动器，该致动器配置为调节流向阀门位置调节器的动力，以使阀门位置调节器在第一位置与第二位置之间移动。
本公开的一些实施例涉及一种用于调节井口控制机构的系统。该系统包括致动器系统和控制器电路。所述致动器系统配置为直接使井口控制机构以及可操作地连接至该致动器系统的控制器电路致动，并且所述控制器电路配置为用于向该致动器系统发送调节命令。
本公开的一些实施例涉及一种用于通过间接控制来调节一个或多个井口阀门的过程。该过程包括：接收基于流体的信息、基于物体的信息或阀门位置信息中的一种或多种信息的步骤；以及评估是需要锁定还是解锁井口阀门的致动器的调节器以避免事故。
本公开的一些实施例涉及一种用于通过直接控制来调节井口控制机构的位置的阀门位置调节器装置和系统。该装置包括至少一个可直接改变井口控制机构的位置而无需任何其他步骤来改变位置的机构。
本公开的一些实施例涉及一种用于通过直接控制来调节井口控制机构的位置的过程。该过程包括至少一个直接改变井口控制机构的位置的步骤。其他过程包括至少一个通过间接控制来间接改变井口控制机构的位置的步骤。
本公开的一些实施例涉及一种用于调节井口控制机构的过程。该过程包括以下步骤：接收基于流体的信息或基于物体的信息；以及评估井口控制机构是否可被致动。
本公开的一些实施例涉及一种用于调节井口控制机构的过程。该过程包括以下步骤：锁定井口控制机构，使其无法致动；以及执行握手协议，以确定锁定的井口控制机构是否可释放然后致动。
本公开的一些实施例涉及一种用于通过直接控制来调节井口控制机构的位置的过程。该过程包括至少一个直接改变井口控制机构的位置的步骤。其他过程包括至少一个通过间接控制来间接改变井口控制机构的位置的步骤。
在不受任何特定理论的束缚的基础上，本公开的实施例为井口或井场处的一个或多个操作人员提供了一种装置、系统和过程，利用该装置、系统和过程可调节井口控制机构(例如井口阀门)的致动。在一个或多个井口处调节井口控制机构的致动可有助于避免在井位和/或井场发生事故。这样的事故的例子可包括在对井口进行操作时井口阀门在错误的时间打开或关闭。例如，在本公开的一些实施例中，所述装置提供物理干涉，该物理干涉需要阀门操作人员采取至少一个额外的步骤以确保在油井作业期间在给定时间安全地使给定阀门致动。在本公开的一些实施例中，关于在井口处、井口内或附近正发生的情况的信息为阀门操作人员提供了进一步的信息，以确保在油井作业期间的给定时间安全地使给定的井口阀门致动。在给定的井场上有多种作业的情况下，本公开的一些实施例允许将来自一个或多个井口的信息提供给一个或多个用户，以免在给定时间对给定井口的给定井口控制机构进行不安全的致动。对井口控制机构的不安全致动可能导致在缆线、连续油管或其他井下工具上关闭井口阀门，这可能导致费用高昂的停工和打捞作业。在关闭的井口阀门上有很高的压差以及有高压流体流过打开的井口阀门时(这两种情况在诸如压裂等井场作业期间都有可能发生)，也可能发生井口控制机构的不安全致动。在油井作业期间井口控制机构的不安全致动会使高压流体从压力围阻装置逸出和/或损坏井位和/或井场的导管设施，并使人员处于危险之中。通过将给定井口阀门锁定在适当的位置直到能采取一个或多个验证步骤来确保安全地使阀门致动为止，本公开的装置、系统和过程能避免井口控制机构的不安全致动。使位于井口或井场的其他位置的井口控制机构在给定位置致动可包括物理地干涉阀门的致动，或者通过气动、液压或电子系统远程地使阀门致动。在本公开的一些实施例中，井口控制机构的致动可经由控制器电路和可选的握手协议自动地进行。
本公开的一些实施例涉及一种用于调节井口控制机构的位置的位置调节器装置，从而通过改变井口控制机构的位置可控制通过、去往或来自井口的流体的流动；打开或关闭流过、流向或来自井口的一段的流体流动路径；并在井口的两段或多段之间实现压力围阻。
所述装置包括：可操作地连接至阀门的致动器的框架，其中，该致动器控制阀门是处于打开位置、关闭位置还是这两个位置之间；以及配置为在第一位置与第二位置之间移动的可移动主体，当该可移动主体处于第一位置时，致动器是可致动的，而当该可移动主体处于第二位置时，致动器被物理地干涉而不能致动。
在本公开的一些实施例中，所述可移动主体是细长主体，它配置为通过延伸到第二位置并阻止致动器的至少一部分的致动来物理地干涉致动器。
在本公开的一些实施例中，所述可移动主体是用于通过移动到第二位置并遮住控制机构来物理地干涉致动器的盖子。
本公开的一些实施例涉及一种用于调节井口控制机构的位置的系统。该系统包括一种装置，该装置包括：可操作地连接至阀门的致动器的框架，其中，该致动器控制阀门是处于打开位置、关闭位置还是这两个位置之间；以及配置为在第一位置与第二位置之间移动的可移动主体，当该可移动主体处于第一位置时，致动器是可致动的，而当该可移动主体处于第二位置时，致动器被物理地干涉而不能致动；以及配置为在第一位置与第二位置之间移动所述可移动主体的致动系统。
在本公开的一些实施例中，所述致动系统是气动型致动系统、液压型致动系统、电子型致动系统、以及它们的组合之中的一种。
在本公开的一些实施例中，所述系统还包括用于检测井口内的第一条件并产生基于条件的信息信号的传感器。
在本公开的一些实施例中，所述传感器是压力传感器，所述第一条件是与井口流体连通的导管内的流体压力，并且所述基于条件的信息信号是基于流体的信息信号。
在本公开的一些实施例中，所述传感器是配置为检测井口的一部分内是否存在物体的传感器组件，并且所述基于条件的信息信号是基于物体的信息信号。
在本公开的一些实施例中，所述传感器是配置为检测井口控制机构的位置的传感器组件，并且所述基于条件的信息信号是基于位置的信息信号。
在本公开的一些实施例中，所述传感器组件包括磁场发生器和磁传感器。
在本公开的一些实施例中，所述系统还包括可附着到可穿过井口的物体上的可检测信号发生器，其中所述传感器组件配置为检测由该可检测信号发生器产生的可检测信号。
在本公开的一些实施例中，所述系统还包括可附着到井口的一段上的可检测信号发生器，其中所述传感器组件可附着到可穿过井口的物体上，并且所述传感器组件配置为检测由该可检测信号发生器产生的可检测信号。
在本公开的一些实施例中，所述传感器是位置传感器，其被配置为检测调节通过、去往或来自井口的流体的流动的阀门的位置，并且所述基于条件的信息是基于位置的信息信号。
在本公开的一些实施例中，所述系统还包括控制器电路，该控制器电路用于接收基于条件的信息信号，并且生成并向用户界面发送代表所述基于条件的信息信号的显示命令。
在本发明的一些实施例中，所述控制器电路还产生用于使可移动主体在第一位置与第二位置之间致动且反之亦然的阀门位置调节器命令。
本公开的一些实施例涉及一种用于调节井口控制机构的过程。该过程包括以下步骤：接收基于流体的信息、基于物体的信息或基于位置的信息之中的一种或多种；以及评估是否可锁定或解锁井口附近的阀门。
在本公开的一些实施例中，所述过程还包括锁定井口控制机构的步骤。
在本公开的一些实施例中，所述过程在改变井口控制机构的位置的任何步骤之前还包括满足握手协议的要求的步骤。
本公开的一些实施例涉及另一种用于调节井口控制机构的系统。该系统包括：阀门位置调节器，该阀门位置调节器配置为在第一位置与第二位置之间移动，以物理地干涉控制机构的致动；阀门致动面板，该阀门致动面板从动力源获得动力，并且包括阀门，该阀门配置为调节流向阀门位置调节器的动力，以使阀门位置调节器在第一位置与第二位置之间移动。
在本公开的一些实施例中，所述系统还包括一个或多个导管，所述导管用于将来自动力源的动力传递至阀门致动面板，并将来自阀门致动面板的动力传递至阀门位置调节器。
在本公开的一些实施例中，所述动力源是液压动力源、气动动力源、电子动力源、或者它们的组合之中的一种。
在本公开的一些实施例中，所述系统还包括控制器电路，该控制器电路用于控制阀门致动面板的阀门的位置，以调节流向阀门位置调节器的动力。
在本公开的一些实施例中，所述系统还包括传感器，该传感器配置为向控制器电路发送基于物体的信息，以调节流向阀门位置调节器的动力。
在本公开的一些实施例中，所述系统还包括传感器，该传感器配置为向控制器电路发送基于流体的信息，以调节流向阀门位置调节器的动力。
在本公开的一些实施例中，所述基于流体的信息是基于压力的信息或基于流量的信息。
在本公开的一些实施例中，所述系统还包括与控制器电路可操作地通信的用户界面装置。
本公开的一些实施例涉及另一种用于调节井口控制机构的系统。该系统包括：配置为直接使井口控制机构致动的致动器系统；以及控制器电路，该控制器电路可操作地连接至该致动器系统，并且用于向该致动器系统发送调节命令。
在本公开的一些实施例中，所述系统还包括与控制器电路可操作地通信的用户界面。
在本公开的一些实施例中，所述系统还包括一个或多个配置为向控制器电路和/或用户界面提供基于物体的信息的传感器。
在本公开的一些实施例中，所述系统还包括一个或多个配置为向控制器电路和/或用户界面提供基于位置的信息的传感器。
在本公开的一些实施例中，所述致动器系统包括电子致动器，该电子致动器可操作地联接至井口控制机构，以使井口控制机构致动。
在本公开的一些实施例中，所述致动器系统包括阀门面板，该阀门面板包括阀门，该阀门可在控制器电路的指令下致动，从而当该阀门打开时，动力流体可使井口控制机构致动，而当该阀门关闭时，井口控制机构被锁定在一位置。
在本公开的一些实施例中，所述动力流体是液压动力流体或气动动力流体。
在本公开的一些实施例中，所述井口控制机构是以下装置之中的一种或多种：抽汲阀(swabvalve)、泵送阀(pump-downvalve)、液压主阀(hydraulicmaster-valve)、侧口阀(sideportvalve)、拉链歧管阀(zippermanifoldvalve)、回流阀(choke)、泵送阀和防喷器(blowoutpreventer)。
附图说明
通过在下文中参照附图给出的详细说明，本公开的这些和其他特征将变得更加明显，在附图中：
图1是包括四个井口的示例性井场的示意图；
图2示出了本公开的实施例的与杠杆阀结合使用的示例性第一阀门位置调节器机构，其中图2a示出了可操作地连接至杠杆阀的第一阀门位置调节器机构的等距视图；并且图2b是第一阀门位置调节器机构的分解等距视图；
图3示出了本公开的实施例的与手轮阀结合使用的示例性第二阀门位置调节器机构，其中图3a示出了可操作地连接至手轮阀的第二阀门位置调节器机构的等距视图；并且图3b是第二阀门位置调节器机构的分解侧立面图；
图4示出了本公开的实施例的示例性第三阀门位置调节器机构，该第三阀门位置调节器机构与按钮控制的阀门控件和/或开关控制的阀门控件结合使用，其中图4a示出了处于锁定位置的第三阀门位置调节器机构的等距视图；图4b示出了处于解锁位置的第三阀门位置调节器机构的等距视图；并且图4c是该阀门位置调节器机构的分解等距视图；
图5示出了本公开的实施例的与井场上的井口结合使用的示例性井口识别器，其中图5a示出了可操作地连接至安装框架的井口识别器的等距视图；并且图5b是井口识别器的分解等距视图；
图6是本公开的实施例的示例性传感器组件的等距视图；
图7示出了本公开的实施例的与安装支架结合使用的连接器，其中图7a是连接器和安装支架的分解侧立面图；并且图7b是连接器和安装支架的分解等距视图；
图8示出了由图7的安装支架和连接器支撑的图6的传感器阵列，其中图8a示出了处于打开位置的可安装在井口的传感器；并且图8b示出了处于关闭位置的可安装在井口的传感器；
图9示出了两个示例性井口，这两个井口流体连接至液压压裂拉链歧管，并且图6的传感器组件联接至其中一个井口；
图10是表示本公开的用于调节一个或多个井口的一个或多个井口控制机构的一个实施例的示例性原理图；
图11是表示本公开的用于调节一个或多个井口的一个或多个井口控制机构的另一个实施例的示例性原理图；
图12是表示本公开的用于调节一个或多个井口的一个或多个井口控制机构的其他实施例的两个示例性原理图；其中图12a示出了一个实施例，图12b示出了另一个实施例；
图13是表示本公开的用于调节一个或多个井口的一个或多个井口控制机构的其他实施例的两个示例性原理图；其中图13a示出了一个实施例，图13b示出了另一个实施例；
图14是表示本公开的用于调节一个或多个井口的一个或多个井口控制机构的另一个实施例的示例性原理图；
图15是表示可在本公开的一个或多个实施例中用于调节一个或多个井口控制机构的液压回路的示例性原理图；
图16示出了本公开的一个或多个实施例的用于调节两个井口的井口控制机构的示例性控制器电路；
图17示出了表示本公开的多个实施例的用于在锁定位置与解锁位置之间移动阀门位置调节器机构的硬件结构和过程逻辑流程的示例性原理图，其中图17a示出了示例性硬件结构；并且图17b示出了用于调节单井的控制机构的示例性处理逻辑流程；
图18示出了表示本公开的多个实施例的用于在锁定位置与解锁位置之间移动阀门位置调节器机构的示例性系统的示例性原理图，其中图18a示出了该系统的示例性结构；并且图18b示出了该系统的微控制器电路和/或计算装置示例性硬件结构；
图19示出了表示本公开的多个实施例的用于在锁定位置与解锁位置之间移动阀门位置调节器机构的示例性过程的原理图，其中图19a示出了与锁定机构的控制器有关的过程中的示例性步骤；图19b示出了与由传感器组件提供的信息有关的过程中的示例性步骤以及手动选择油井的步骤；图19c示出了与图19b所示的步骤有关的过程中的示例性步骤以及由一个或多个压力传感器提供的信息；并且图19d示出了本公开的实施例的与图19c所示的步骤有关的过程中的示例性步骤以及由一个或多个油井标识器提供的信息；
图20是表示本公开的实施例的与非磁性、缆线支撑的工具结合使用的用于使锁定机构在锁定位置与解锁位置之间移动的示例性过程的示意图；和
图21是表示本公开的实施例的包括授权循环的示例性过程的示意图。
具体实施方式
本公开的实施例涉及一种用于调节生产石油烃流体(例如液体、气体、以及它们的组合)的油井的控制机构的装置、系统和过程。该油井提供地下岩层与油井的井口段所在地面之间的流体连通。所述井口可位于陆地上或海上平台上。所述地下岩层是烃类流体源，该烃类流体可沿油井向上流动，以在井口处产出。多个不同的控制机构调节通过油井的烃类流体的流动。例如，油井内的一系列阀门可打开和关闭，以控制烃类流体流过油井的不同井段。置于井口上、井口内或井口附近的阀门主要用于控制烃类和其他流体流过、流入或流出井口。每个阀门的位置由阀门致动器控制。一些阀门致动器可置于井口上，用于直接控制阀门；另一些阀门致动器可置于远离井口的地点，用于间接控制阀门。阀门致动器可通过手动、液压、气动或电子致动的控制机构之中的一种或多种来控制阀门的工作位置。
本公开的一些实施例涉及一种装置，该装置配置为通过在第一位置与第二位置之间移动该装置的可移动主体来控制井口阀门的致动。当该装置处于第一位置时，阀门致动器是可致动的(即，解锁)，并且，通过使阀门致动器致动，能够通过进一步的步骤来改变井口阀门的位置。当该装置处于第二位置时，阀门致动器被所述可移动主体物理地干涉而不能致动(即，锁定)。当该装置处于第二位置时，阀门致动器被锁定，井口阀门不能被致动，并且该阀门被保持在打开位置、部分地打开的位置或关闭位置。
本公开的一些实施例涉及一种系统，该系统包括阀门位置调节器装置和致动系统。所述致动系统配置为使所述装置在第一位置与第二位置之间致动，当所述装置处于第一位置时，阀门致动器是可致动的(即，未锁定)，而当所述装置处于第二位置时，阀门致动器被物理地干涉而不能致动(即，锁定)。当所述装置处于第二位置时，阀门致动器被锁定，阀门不能被致动，并被保持在打开位置、部分地打开的位置或关闭位置。
在本公开的一些实施例中，所述系统还包括一个或多个用于提供基于流体的信息、基于物体的信息、阀门位置信息、或者它们的组合的传感器。该信息可用于使用户确定何时可将控制井口阀门的致动的阀门调节器装置在第一位置与第二位置之间沿任何一个方向移动。在本公开的一些实施例中，所述一个或多个传感器可向控制器电路发送信息，该控制器电路可以是计算装置，例如服务器计算机或客户端控制器电路。所述控制器电路可向带有用户显示器的计算装置发送显示命令，以允许用户可视化来自所述一个或多个传感器的信息。在本公开的一些实施例中，所述控制器电路还可向一个或多个阀门致动器控制系统发送致动命令，以使可移动主体在第一位置与第二位置之间移动，以改变通过、去往或来自期望的井口的流体的流动。
本公开的一些实施例涉及一种系统，该系统包括一个装置和一个致动系统。所述装置配置为通过物理地干涉阀门致动器的运动来控制阀门的致动。所述致动系统配置为使所述装置在第一位置与第二位置之间致动，当所述装置处于第一位置时，阀门致动器是可致动的(即，未锁定)，而当所述装置处于第二位置时，阀门致动器被物理地干涉而不能致动(即，锁定)。当所述装置处于第二位置时，阀门致动器被锁定，阀门不能被致动，并被保持在打开位置、部分地打开的位置或关闭位置。
本公开的一些实施例涉及一种系统，该系统包括一个致动系统和一个或多个用于提供基于流体的信息、基于物体的信息或它们的组合的传感器。所述系统还可包括致动系统，其被配置为使一个或多个阀门在打开位置与关闭位置之间致动以调节通过、去往或来自井口的流体的流动。在本公开的一些实施例中，所述一个或多个阀门可全部同时地在打开位置与关闭位置之间一起移动，或者所述致动系统可使所述一个或多个阀彼此独立地移动。所述来自一个或多个传感器的信息可用于使用户或控制器电路确定何时可在打开位置与关闭位置之间移动阀门或反之。在本公开的一些实施例中，所述一个或多个传感器可向控制器电路发送信息，该控制器电路可以是计算装置，例如服务器计算机或客户端控制器电路。所述控制器电路可向带有用户显示器的计算装置发送显示命令，以允许用户可视化来自所述一个或多个传感器的信息。在本公开的一些实施例中，所述控制器电路还可向致动器系统发送致动命令，以使阀门在打开位置与关闭位置之间移动，以改变通过、去往或来自井口的流体的流动。
除非另行限定，否则在本文中所用的所有技术和科学术语具有本公开所属领域的普通技术人员所通常理解的含义。
在本文中所用的术语“大约”指大致与给定值相差+/-10％。应理解，无论是否具体提及，在本文中提供的任何给定值中始终包含这种差异。
在本文中所用的术语“蓄能器(accumulator)”指井位上的用于关闭阀门和防喷器的设备。蓄能器通常具有四个部件：液压泵、液压罐、用于存储液压能的蓄能瓶、以及用于调节液压设备的阀门。蓄能器也可称为关闭站或关闭单元。
在本文所用的术语“巴克斯代尔(backsdale)”指蓄能器上的一种阀门，该阀门是针对最大限度地减少泄漏的目的设计的可旋转液压剪切阀。
在本文中所用的术语“防喷器”或“bop”指形成采油树的一部分并用于实现对来自油井的流体流的控制的一个或多个阀门。
在本文中所用的术语“采油树(christmastree)”指包括一个或多个防喷器的阀门、仪表和节流阀的组件，它们是构成油井的地面部分的井口的一部分，采油树可用于控制通过、去往或来自油井的流体的流动和控制井口的不同段之间的压力，并且可包括压裂头和/或压裂树。
在本文中所用的术语“导管(conduit)”指可从一个位置向另一位置传送和/或传递流体、压力、电力、电信号/命令、或它们的组合中的一个或多个的物理结构。这种导管的一些非限制性示例包括管道、配管、丝、线或缆。
在本文中所用的术语“顾问”指勘探和生产石油公司的代表，该代表常驻井场并被正式授权对井场的作业程序做出决定。
在本文中所用的术语“回流管线(flow-backline)”指用于将流体从一个或多个井口输送到一个或多个分离器的流体导管。
在本文中所用的术语“压裂(frac)”可与“压裂(frack)”和“水力压裂(hydraulicfracture)”互换使用，它指将高压流体引入油井的地面部分中以使其流入地下岩层的过程。该地下岩层包含或邻近烃流体源，并且该高压流体具有足够高的压力压裂地下岩层，从而提高地下岩层的渗透性。地下地层的渗透性的提高能增加通过油井回采到地面的烃类流体的产量。
在本文中所用的术语“液压闩锁组件(hydrauliclatchassembly)”指一种用于将缆线连接至油井同时使工人与井位的危险区域保持安全距离的远程锁定装置。
在本文中所用的术语“液压动力单元”或“hpu”是一种用于提供加压的液压流体/油以移动液压设备的井位设备。液压动力单元由内燃机、电力发动机或其他类型的发动机提供动力。
在本文中所用的术语“锁定装置”指一种用于调节井口控制机构的致动(打开和关闭)以调节通过、去往和来自井口的流体的流动和/或压力的装置和/或系统。
在本文中所用的术语“润滑器”指连接至防喷器的顶部的高压管段，该润滑器包括允许将井下工具引入到井口的加压部分中的压力控制机构。
在本文中所用的术语“泵送”指使用流体泵将流体从地面向下输送至油井内，以便于通过缆线部署的井下工具通过油井的非垂直部分(通常多次地)移动到井下。
在本文中所用的术语“泵送管线”指用于将流体从泵送泵输送至井口的流体导管。
在本文中所用的术语“钢丝线(slickline)”指提供对部署在油井中的井下工具的机械控制但通常不包含用于电子数据传输的导线的磁性或非磁性的钢材的缆线。
在本文中所用的术语“井口(wellhead)”指位于油井的地面端的包含采油树并且至少部分地为地面端下方的油井提供物理支撑的设备和组件。
在本文中所用的术语“油井作业”指在井位和/或井场发生的任何作业，包括但不限于：钻井过程、增产作业、修井作业、打捞作业、连续油管(coiledtubing)作业、缆线作业、钢丝线作业、编织线作业、测井作业、打孔作业、压裂作业、油井维护作业、井口维护作业、泵送作业、压井作业、关井作业、油/气生产作业、以及它们的组合。
在本文中所用的术语“井口控制机构”指可针对以下目的致动的任何机构，例如井口阀门、bop、节流阀、拉链歧管阀或其他机构：调节流体通过、去往或来自井口段的流动；打开或关闭流过、流向或来自井口段的流体的流动路径；以及在井口的两段或多段之间实现压力围阻。
在本文中所用的术语“井口技术人员”指使井位上的阀门致动的人员，无论所述阀门是液压致动还是手动致动的。
在本文中所用的术语“井口阀门”指位于井口上或井口附近的用于调节通过、去往或来自井口段的流体的流动和/或压力的任何阀门。
在本文中所用的术语“井场(wellpad)”指邻近一个或多个地质构造并且在该处对两个或更多油井和/或气井进行油井作业的物理地点。对于本公开的目的来说，术语“井场”也可指“井位(wellsite)”，所述“井位”是在该处仅对单个油井进行作业的物理地点，并且应理解，井场可位于地面上或海上平台的表面上。
在本文中所用的术语“缆线(wireline)”指被支撑在地面上并用于将工具(例如打孔枪、测井工具、塞板等)下到井眼中以及从井眼中取出的缆。缆线可实现对部署在井中的井下工具的机械控制。缆线还可在地面与井中部署的井下工具之间传导电信号。
在本文中所用的术语“缆线监管人员”指监管缆线作业的人员。
在本文中所用的术语“拉链歧管”指用于将高压水力压裂流体从流体源输送并导引导多井井场的一个或多个油井中的歧管。拉链歧管可包括调节歧管内的流体流的液压致动阀门或手动致动阀门。拉链歧管也可与术语“压裂管线”或“干线”互换使用。
现在将参照图1至图21说明本公开的实施例。
图1示出了包括四个油井的示例性井场10，这些油井分别以井口12、14、16和18表示。每个井口12、14、16和18流体连接至压裂拉链歧管920，该压裂拉链歧管920通过泵导管920a与一个或多个高压流体泵(未示出)流体连通。拉链歧管920通过一个或多个输入导管922与每个井口12、14、16、18流体连通。从拉链歧管920流向每个井口12、14、16、18的流体的流动由一系列拉链歧管阀923控制。
每个井口12、14、16、18还通过导管112与泵送导管110流体连通。泵送导管110提供加压流体，用于将各种工具向下泵送到井口12、14、16、18中，例如与连续油管配套的工具、与缆线配套的工具等。
每个井口12、14、16、18还通过回流导管122与回流管线120流体连通。例如，在压裂作业之后，流体从井口12、14、16、18通过回流管线120流回一个或多个分离器。
在导管922、112、122流体连接至井口12、14、16、18的每一点处，设有控制该连接点处的流体连通的井口控制机构，例如井口阀门。通常，这些井口阀门(包括拉链歧管阀923)在蓄能器132的控制下被液压致动(为清晰起见，在图1中未示出将蓄能器132可操作地连接至每个阀门的导管)。蓄能器132包括多个阀门致动器，这些阀门致动器控制从蓄能器132流向每个井口阀门和来自蓄能器132的液压流体的流动。蓄能器132通常由液压动力单元(未示出)驱动。
在一些井场处，可手动地以液压或气动方式使井口阀门致动，或者通过一个或多个电子电机使井口阀门致动。在这些井场中，可能不需要蓄能器132，但是仍然需要布置在井场10周围的控制每个阀门和拉链歧管阀923的致动的致动器。
图2示出了一个示例性阀门组件200，该阀门组件包括杠杆阀204和阀门位置调节器210。在图2的非限制性示例中，杠杆阀204包括致动器206和阀体208。图2中示出的致动器206是杠杆臂，可使该杠杆臂在第一位置与第二位置之间致动，以打开或关闭可布置在阀体208内的井口阀门(未示出)或者可布置在远离阀体208的位置的井口阀门。例如，井口阀门可以是球阀，并且致动器206的运动可使球阀移动，以允许、限制或阻止流体流过阀门。本领域技术人员应理解，井口阀门可以是任何其他类型的阀门，包括但不限于：蝶形阀、闸阀、具有阀瓣和阀杆的阀门、或者可使致动器206(例如阀臂)致动的任何其他类型的阀门。
阀体208可与蓄能器132流体连接，或者直接位于井口上或位于输送流过、流向或来自井口阀门的流体的任何流体导管上。致动器206的致动会允许、限制或阻止至少一部分流体流过、流入或流出井口阀门。
本领域技术人员应理解，在本公开的一些实施例中，阀体208也可控制发送至井口阀门的电子信号(而不是流体流)，从而致动器206的致动会导致井口阀门的远程致动。
如图2b所示，阀门位置调节器210配置为物理地干涉致动器206的运动。该物理干涉防止致动器206沿一个、两个或更多方向运动，这会将井口阀门锁定在打开位置或关闭位置。本领域技术人员应理解，当井口阀门被锁定在打开位置时，所述打开位置包括部分地打开的位置或完全打开的位置。在图2b中所示的非限制性示例中，阀门位置调节器210包括框架212，该框架212支撑配置为可在第一位置与第二位置之间移动的可移动主体218。框架212可连接至杠杆阀204，从而当可移动主体218处于第一位置时将可移动主体218置于致动器206附近。可使用一个或多个定距板217来确保致动器206与可移动主体218之间的适当距离。当可移动主体218处于第一位置时，致动器206处于解锁位置，并且可使井口阀门致动。当可移动主体218处于第二位置时，可移动主体218物理地干涉并阻止致动器206沿一个、两个或更多方向运动。当可移动主体218处于第二位置时，致动器206处于锁定位置。
在图2所示的非限制性示例中，可移动主体218是细长构件，该细长构件可移动到不会物理地干涉致动器206的运动的第一位置。可移动主体218可延伸到第二位置，并且通过阻止致动器206沿至少一个方向的运动而物理地干涉致动器206的运动。在此实施例中，可认为可移动主体218像门栓一样工作。
框架212还可包括连接板221，该连接板可限定一个或多个孔口，每个孔口用于接收穿过其中的连接器，以将阀门位置调节器210连接至杠杆阀204。本领域技术人员应理解，可使用多种其他方法将阀门位置调节器210可释放地或以其他方式连接至杠杆阀204。
框架212可还包括支撑可移动主体208的可调节组件220。可调节组件220配置为调节可移动主体218相对于致动器206的位置。例如，当框架212连接至杠杆阀204时，框架212的位置可相对于阀体208可释放地固定，但是可调节组件220的位置可通过释放一个或多个将可调节组件220连接至框架212的连接器来改变。
阀门位置调节器210还可包括壳体214，该壳体容纳主体致动器216和可移动主体218。壳体214由可调节组件220支撑。壳体214还可包括视觉指示器219，该视觉指示器219使用户知晓可移动主体218是处于第一位置、第二位置、还是第一位置与第二位置之间。
主体致动器216可以是能够在第一位置与第二位置之间移动可动主体218的任何类型的致动器。在本公开的一些实施例中，主体致动器216是手动操作的机构(例如滑动件)，或者主体致动器216可以是气动、液压或电动的。壳体214还可限定一个或多个孔口(未示出)，这些孔口提供通向其中的主体致动器216的致动器动力管线(即，气动管线，液压管线和/或电气管线)的通路。
在本公开的一些实施例中，阀门位置调节器210是簧压型的，在默认状态下将可移动主体218移动至第二位置。在用户想要将可移动主体218移动至打开位置时，例如在确定可安全地移动致动器206时，可接合主体致动器216，以将可移动主体218移动至第一位置。
如图2b所示，阀门位置调节器210可选地包括应急旁路系统211，该应急旁路系统211包括可移除的锁定销213和枢转销215。在发生紧急情况并且可移动主体被锁定在不合要求的位置(视情况而定是第一位置还是第二位置)时，操作人员可移除锁定销213。这样，壳体214可在枢转销215上枢转并向远离致动器206的方向枢转，从而不论可移动主体210处于哪个位置，都可对该紧急情况做出响应使致动器致动。
图3示出了另一个示例性阀门组件300，该阀门组件300包括手轮阀304和阀门位置调节器310。在图3的非限制性示例中，手轮阀304包括可旋转致动器306和阀体308。图2所示的可旋转致动器306是可旋转手轮，该可旋转手轮可在第一位置与第二位置之间可旋转地致动，以便打开或关闭位于阀体308内或远离阀体308的井口阀门(未示出)。例如，所述井口阀门可以是蝶形阀、闸阀、具有阀瓣和阀杆的阀门、或者可由可旋转致动器306致动的任何其他类型的阀门。
在本公开的一些实施例中，阀体308可与井口或输送流过、流向或来自井口的流体的任何流体导管连接。可旋转致动器306的致动会允许、限制或阻止至少一部分流体流过、流入或流出井口。本领域技术人员应理解，在本公开的一些实施例中，可旋转致动器306还可控制一个控制系统，例如液压控制系统、气动控制系统、电子控制系统或它们的组合，以控制井口阀门的致动。
如图3所示，阀门位置调节器310配置为物理地干涉可旋转致动器306的运动。该物理干涉阻止可旋转致动器306沿一个方向或两个方向运动，这会将阀门锁定在打开位置、关闭位置、或打开位置与关闭位置之间。在图3b中所示的非限制性示例中，阀门位置调节器310包括框架312，该框架312支撑配置为可在第一位置与第二位置之间移动的可移动主体318。框架312可连接至手轮阀304，从而当可移动主体318处于第一位置时将可移动主体318置于可旋转致动器306附近。当可移动主体318处于第二位置(如图3a所示)时，可移动主体318物理地干涉并阻止可旋转致动器306沿一个、两个或更多方向运动。例如，在处于第二位置时，可移动主体318物理地干涉可旋转致动器306的任何进一步旋转，以防止其沿方向x运动。在本公开的一些实施例中，可移动主体318可被移动到第二位置，并且物理地干涉可旋转致动器306沿方向y的任何进一步旋转。在本公开的一些实施例中，可移动主体318可物理地干涉可旋转致动器306沿任何方向的旋转。例如，在可移动主体306被移动至第二位置时，它可被由可旋转致动器306的一部分306a限定的孔口307接收。在其他示例中，可移动主体306的形状可使其在处于第二位置时接收可旋转致动器306的部分306a的至少一部分(例如具有叉状端)，从而可移动主体306物理地干涉可旋转致动器306沿两个方向的运动。
在图3所示的非限制性示例中，可移动主体318是可缩回到第一位置的细长构件，在该第一位置，可移动主体318不物理地干涉可旋转致动器306的运动。可移动主体318可延伸至第二位置并物理地干涉可旋转致动器306的运动。
框架312还可包括连接板321，该连接板可限定一个或多个孔口，每个孔口用于接收穿过其中的连接器，以将阀门位置调节器310连接至手轮阀304。本领域技术人员应理解，可使用多种其他方法将阀门位置调节器310可释放地或以其他方式连接至手轮阀304。
框架312还可包括连接至连接板321的可调节组件320。可调节组件320配置为接收可移动主体318并将其保持在所需位置，从而当可移动主体318处于第一位置时，可旋转致动器306可旋转，而当可移动主体318处于第二位置时，可旋转致动器306的运动受到可移动主体318的物理干涉。
在本公开的一些实施例中，阀门位置调节器310还可包括主体致动器316，该主体致动器可以是能够在第一位置与第二位置之间移动可移动主体318的任何类型的致动器。在本公开的一些实施例中，主体致动器316是手动操作的机构(例如滑动件)，或者主体致动器316可以是气动、液压或电动的。
图4示出了示例性的按钮控制的阀门控件(valvecontrol)402a和开关控制的阀门控件402b，它们均包括阀门位置调节器410。按钮控制的阀门控件402a包括按钮致动器406a，该按钮致动器406a应理解为包括触敏按钮或触摸屏，它可操作地连接至井口阀门(未示出)，当按钮致动器406a被致动(即，被触摸、向内推动和/或向外拉动)时，该井口阀门可移动，从而允许、限制或阻止至少一部分流体流过、流入或流出井口(未示出)。开关控制的阀门控件402b包括开关致动器406b，该开关致动器可操作地连接至井口阀门，当按钮致动器406a被移动(即，被向上和向下推动)时，该井口阀门可移动，从而允许、限制或阻止至少一部分流体流过、流入或流出井口(未示出)。例如，由按钮致动器406a和开关致动器406b控制的井口阀门可以是蝶形阀、闸阀、具有阀瓣和阀杆的阀门、或任何其他类型的阀门。
本领域技术人员应理解，在本公开的一些实施例中，按钮控制的阀门控件402a和开关控制的阀门控件402b还可控制一个控制系统，例如液压控制系统、气动控制系统、电子控制系统或它们的组合，以控制井口阀门的致动。
阀门位置调节器410包括可在第一位置(图4b)与第二位置(图4a)之间移动的可移动主体418。在第一位置，用户可接近按钮致动器406a和/或开关致动器406b中的任何一个并使其致动。在第二位置，用户被物理地干涉，不能接近按钮致动器406a和/或开关致动器406b中的任何一个并使其致动。可移动主体418可在第一位置与第二位置之间旋转、枢转、或滑动，或者以任何其他适当的方式移动。
在图4的非限制性示例中，阀门位置调节器410被示为包括主体致动器416，该主体致动器配置为在第一位置与第二位置之间移动可移动主体418。在本公开的一些实施例中，主体致动器416是手动操作的机构，或者主体致动器416可以是气动、液压或电动的。
在本公开的一些实施例中，阀门位置调节器410可包括安全特征，该安全特征在可移动主体418移动至第一位置时减少或避免挤压用户身体部位的情况的发生。例如，弹簧417可预加载有预定的力，以减小为了将可移动主体418移动至第一位置的目的能施加的力的大小。弹簧417可以是扭力弹簧、板簧、或者能提供该安全特征的任何其他类型的弹簧。
在本公开的涉及包括主体致动器416的阀门位置调节器410的实施例中，联接器419可配置为通过弹簧417或不通过弹簧417将主体致动器416可操作地连接至可移动主体418。
本公开的一些实施例涉及一种井口识别器500，该井口识别器配置为允许操作人员在井场识别特定井口，使得信息可与可对井口和/井口下的油井执行的任何特定油井作业相互参照。
在图5的非限制性示例中，井口识别器500包括可安装框架502和位置传感器504。可安装框架502可通过一个或多个紧固件506可释放地安装到井口的一部分(例如扶手)上，所述一个或多个紧固件506被接收在由可安装框架502限定的配套紧固件孔口508内。可安装框架502还限定位置传感器接收套510，该位置传感器接收套配置为可释放地接收位置传感器504的传感器部分514。可安装紧固件502还可包括用于将位置传感器504的该部分可释放地保持在位置传感器接收套510内的可释放保持机构512。
可以在井口上(可选地在不同位置)可释放地安装一个或多个可安装框架502。每个可安装框架502配置为产生独特的信号，例如磁性签名、电子签名或其他类型的签名。在本公开的一些实施例中，接收套510配置为产生独特信号。当井口正在接受特定作业(例如压裂作业、缆线作业、连续油管作业或其他适用的作业)时，位置传感器504可插入到接收套510中，并且该井口的独特信号会被位置传感器504接收。
位置传感器504可包括配置为检测由可安装框架502产生的独特信号的传感器部分514。为了保持保真度并减少错误标识符信号的产生，传感器部分514可能需要与接收套510紧密地物理邻近。在本公开的一些实施例中，传感器部分514必须被至少部分地接收在接收套510内，以便检测由可安装框架502产生的独特信号。在检测到该独特信号时，发送器部分516可产生并发送标识符信号，该标识符信号被传送给用户，例如传送给用户可访问的控制器电路，使得用户知晓井场正在接受哪种具体的井口作业。发送器部分516可通过导线518发送标识符信号，或者可无线地发送。可选地，位置传感器504可包括手柄520，以便于操作。
在本公开的一些实施例中，可安装框架502还可限定一个或多个系绳孔口522，所述系绳孔口用于接收从中穿过的系绳的一部分，以提供用于将可安装框架502固定至井口的支撑。
在本公开的一些实施例中，井口识别器500可包括不同类型的位置传感器504，该位置传感器还可配置为根据可从井口获得的不同类型的信息来检测哪个井口正在接受作业。此类信息的例子包括但不限于：压力信息、光学信息、射频识别信息、超声信息、全球定位信息、数字罗盘信息、或者它们的组合。
本公开的一些实施例涉及一个或多个可检测井口内的条件、与该井口相关联的导管内的条件、该井口下方的油井内的条件、或者它们的组合以产生基于条件的信息信号的传感器。在本公开的一些实施例中，所述基于条件的信息信号是与物体在井口内或其下方的油井内的位置相关的基于物体的感测信息。所述基于物体的信息可基于在井口内检测到的物体的位置、油井内的物体的位置、井口控制机构的位置、或者它们的组合。在本公开的一些实施例中，所述基于条件的信息信号是与井口内的流体的条件、与井口相关联的导管内的流体的条件、井口下方的油井内的流体的条件、或者它们的组合相关的基于流体的感测信息。所述基于流体的感测信息可基于流体压力、流速、或者它们的组合。
图6示出了传感器组件600的一个实施例，该传感器组件配置为连接至井口以检测物体何时通过包含传感器组件600的给定井口段，以产生基于物体的感测信息。传感器组件600包括连接器602、安装框架604和传感器阵列606。
图7a和图7b分别示出了连接器602的一个非限制性示例，该连接器是具有内孔的管状构件(在图6中示出)。连接器602配置为可与井口同轴地连接，从而连接器602的内孔与井口的中心孔流体连通。当连接器602与井眼同轴地连接时，被引入到连接器602上方的井口中的任何流体或物体会穿过井口的中心孔，并穿过连接器602的内孔。连接器602具有第一端602a、第二端602b、以及限定在这两端之间的中央部分608。连接器602的内孔可在端部602a、602b之间延伸，并配置为连接至井口的一部分。例如，第一端602a可包括第一螺纹连接器(例如销式螺纹连接)，第二端602b可包括第二螺纹连接器(例如盒式螺纹连接)，或相反。本领域技术人员应理解，端部602a、602b可包括不同类型的连接器，这些连接器允许连接器602连接至井口的一部分，以使它们流体连通，这种连接器可包括但不限于：法兰连接、夹紧连接、螺纹连接、以及它们的组合。
在本公开的一些实施例中，端部602a、602b和连接器608由不同的材料制成。例如，端部602a、602b可由一种或多种铁磁材料制成，而连接器608可由一种或多种非铁磁材料制成，或者相反。
安装框架604包括支架，该支架由至少两个支架部件610a、610b组成，支架部件610a、610b配置为围绕连接器608彼此配合。例如，两个支架部件610a、601b可以是c形的，具有配置为基本上对接连接器608的外表面的内表面。两个支架部件610a、610b还配置为与一个或多个支架连接器612配合，所述一个或多个支架连接器612可通过由支架部件610a、610b之中的一个或两个限定的一个或多个支架连接器孔口614接收。每个支架连接器612可被接收在一个支架部件610a中的支架连接器孔口614内以及另一个支架部件610b中的支架连接器孔口614内，以使两个支架部件610a、610b彼此可释放地配合并且围绕连接器608。
每个支架部件610a、610b可限定一个安装座接收槽614，每个安装座接收槽配置为在其中可释放地接收安装座616。例如，第一安装座616a可被可释放地接收在支架部件610a内，而第二安装座616b可被可释放地接收在支架部件610b内。在本公开的一些实施例中，安装座接收槽614沿直径方向彼此相对，使得接收在其中的每个安装座616a、616b也沿直径方向彼此相对。安装座616a、616b可分别限定至少一个安装座连接器孔口618，每个安装座连接器孔口618配置为在其中接收安装座连接器620。安装座连接器620可插入到配套的安装座连接器孔口618中并穿过该安装座连接器孔口618进入支架部件610a、610b的一部分中，从而每个安装座616a、616b被可释放地接收在一个安装座接收槽614中。
图8a和图8b分别示出了包括第一部分606a和第二部分606b的传感器阵列606。第一部分606a可由第一安装座616a可枢转地支撑，而第二部分606b可由第二安装座616b可枢转地支撑。第一部分606a和第二部分606b可在第一位置(参见图8a)与第二位置(参见图8b)之间枢转。在第一位置，两个部分606a、606b彼此断开，并且传感器阵列606仍然安装在连接器608周围但不能操作。在第二位置，两个部分606a、606b围绕连接器608彼此连接，并且传感器阵列606可操作。
当处于第二位置时，传感器阵列606可通过产生磁场并检测连接器608的内孔内的铁磁性物体何时接近、穿过或远离连接器608的内孔内的磁场而操作。在本公开的一些实施例中，传感器阵列606还可检测和/或测量物体的尺寸，至少包括连接器608的内孔内的物体的直径和长度。
在本公开的一些实施例中，传感器阵列606可以是如以下任何一个文献中所述的传感器：美国专利9,097,813；美国专利10,221,678；以及美国专利9,909,411，这些文献的完整公开内容通过引用结合在此。
在本公开的一些实施例中，传感器阵列606包括一个或多个磁体形式的一个或多个磁场发生器、以及一个或多个磁场传感器。所述一个或多个磁场发生器配置为产生至少部分地延伸到连接器602的内孔中的磁场。在本公开的一些实施例中，所述一个或多个磁场发生器配置为在传感器阵列606处于第二位置时产生磁场。
所述一个或多个磁场发生器产生至少部分地横跨传感器阵列606的整个内孔的磁场，但优选产生基本上横跨传感器阵列606的整个内孔的磁场。所述磁场可由从每个磁场发生器的北极离开并返回到每个相应磁场发生器的南极的磁场线表示。磁极之一可面对传感器阵列606的内孔。当磁场线从北极返回南极时，它们会穿过所述内孔。磁场线可利用无限多个可能的返回路径从北极返回南极，并且其中一些路径穿过一个或多个磁场传感器。磁场传感器产生与穿过它的磁场的强度有关的电信号。换句话说，来自每个磁场传感器的电输出信号与穿过每个磁场传感器的磁场线的数量相关。其中一些返回路径的磁阻率低于其他路径的磁阻率，这会导致较多的磁场线通过这些路径返回。
当能够扰动或改变磁场的一个或多个特性的物体朝着传感器阵列606和磁场移动，穿过传感器阵列606和磁场，或向远离传感器阵列606和磁场的方向移动时，该物体通过改变一些磁场线经行路径的磁阻率而扰动或改变磁路。这种扰动可能改变通过某些路径返回的磁场线的数量。某些改变的路径是穿过一个或多个磁场传感器的路径，这会改变穿过一个或多个磁场传感器的返回磁场线的数量，而这又引起这些一个或多个磁场传感器的输出的变化。
如果在传感器阵列606中使用多个磁场发生器，那么磁场发生器可构造为使得每个磁体的相同磁极面向传感器阵列606的内孔。磁场发生器产生与面对传感器阵列606的中心的磁极对应的磁场。在磁场发生器的前面，该磁场在限定内孔的传感器阵列606的内壁上或附近最强，并且磁场强度可从每个磁场发生器向远侧减小。使用多个磁场发生器可产生基本上均匀且均匀分布的磁场，该磁场至少部分地横跨传感器阵列606的内孔，并且在一些实施例中基本上横跨传感器阵列606的内孔。
所述磁场传感器用于检测磁场的一种或多种特性，例如场强、磁通量、极性等。所述磁场传感器可配置为检测磁场中或传感器阵列606的中心处的变化。在本公开的一些实施例中，所述磁场传感器可置于铁磁棒上，该铁磁棒可向磁场传感器吸引磁场。
磁场的一种或多种特性(例如磁通密度)的这种变化被磁场传感器检测。当物体在传感器阵列606的内壁附近最靠近特定磁场传感器时，指向该特定磁场传感器的大部分磁场都被引向该物体，这导致该特定磁场传感器检测的磁场强度较小。当物体向远离特定磁场传感器的方向移动时，磁场传感器检测到的磁场强度会急剧增大，这取决于铁磁物体表面的距离。通过观测由特定磁场传感器检测到的磁场强度，能确定铁磁物体的表面与磁场传感器之间的距离。
磁场传感器读取的绝对磁场强度取决于传感器阵列606中的磁场发生器的强度。但是，传感器阵列606中的磁场强度的变化可归因于铁磁物体的存在，并且这些变化的幅度可取决于铁磁物体的尺寸和/或材料特性及其在传感器阵列606中的位置。
本领域技术人员应理解，传感器阵列606可检测的物体的类型包括可在一种或多种不同的油井作业期间引入井口的铁磁物体。
本领域技术人员还应理解，如上所述，配置为与井口连接以检测物体何时穿过包含传感器组件600的给定井口段的传感器组件600不仅限于磁传感器。例如，传感器组件600可包括可配置为检测物体何时穿过给定井口段的其他类型的传感器，包括但不限于：声传感器、超声传感器、振动检测传感器、以及x射线型传感器。
图9示出了包括第一井口902a和第二井口902b的井场900的一部分。井口902a、902b还分别包括在采油树中布置在井场900的一部分的表面上方的许多相同的部件。在此将参照第一井口902a说明采油树的部件，但是应理解，除另有明示外，第二井口902b的采油树包括相同的部件。
第一井口902a的采油树包括上部904和下部906。上部904位于井场900的该部分的表面的远侧，而下部906位于该表面的近侧。上部904配置为接收穿过其中的油井作业设备的一个或多个部件。例如，可将连续油管、缆线、钢丝线、编织线、接合油管、油管和其他部件插入上部904中，并引入井口902a的下部和地面下的油井中。反之，可从地面下的油井中取回部件，并使其穿过井口902a、902b的下部和上部。在包括传感器组件600的井口中，穿过上部904的部件还可穿过连接器608的内孔。
采油树可还包括一个或多个井口阀门，例如但不限于：抽汲阀907(也称为顶部阀)、泵送阀908、液压主阀910、手动主阀912、以及一个或多个侧口阀914。可根据使用液压动力、气动动力、电子动力或者它们的组合的控制系统中的一种或多种来手动操作、远程操作和/或自动操作采油树部件使其致动。
图9示出了两个井口902a、902b通过与在翼阀908的位置处或周围与井口902a、902b连接的输入导管922流体连通而与液压压裂拉链歧管920流体连通。辅助输入导管112和压裂输出导管122(在图1中示出)也可在翼阀908的位置处或周围与每个井口902a、902b流体连通。翼阀908的致动可决定井口902a、902b是与压裂输出导管924还是与辅助输入导管112流体连通。拉链歧管阀923的致动可决定井口902a、902b是否与压裂输入导管922流体连通。
在压裂作业期间，高压泵(未示出)可与拉链歧管920流体连通，以通过输入导管922将高压流体输送到井口902a、902b中。
如图9中所示，井场900的一部分上的压裂导管内的阀门的致动可通过包括一个或多个阀门位置调节器、一个或多个压力传感器950和/或一个或多个传感器组件600的系统来调节。
所述一个或多个压力传感器950配置为检测与它们可操作地联接的的导管内的任何流体的状态(或没有流体的状况)，以产生基于流体的感测信息。例如，压力传感器950a可布置为检测拉链歧管920内的流体压力，压力传感器950b可布置为检测每个输入导管922内的流体压力，压力传感器950c可布置为检测侧端口914(该侧端口可与油井套管和井眼油管之间的环形空间流体连通)内的流体压力，压力传感器950d可布置为检测输送导管110和/或辅助输入导管112内的流体压力。本领域技术人员应理解，在井口的润滑器内、在传感器阵列600内、在位于拉链歧管920内或下游的两个阀门之间(例如在阀门910与阀门912之间)也可布置一个或多个压力传感器950。
所述一个或多个压力传感器950配置为分别产生被传送至计算装置和/或控制器电路(未示出)的压力信号，从而用户会接收到关于哪个井口902a、902b可能正在接受水力压裂油井增产处理的基于流体的信息。可通过有线连接或无线连接将该流体信号传送至计算装置和/或控制器电路。所述基于流体的信息可以是基于压力的信息和/或基于流量的信息。利用这种基于流体的信息，可避免用户使有很大压差的任何闭合阀门不安全地致动，并且可避免用户使有高压流体从中流过的任何开启阀门不安全地致动。此外，利用来自所述一个或多个压力传感器950的基于流体的信息，用户能够：确认压裂导管的压力测试；在压裂操作期间监控并记录压裂管道内的压力；在使压裂导管内的任何闭合阀门致动之前确保这种闭合阀门达到压力平衡并且不承受很高的压差；确认所需的阀门在压裂导管内可操作且处于正确位置；检测压力泄漏；接收关于阀门的潜在物理故障的警报；或者它们的组合。在本公开的一些实施例中，传感器950可以是一个或多个流体压力传感器，这些流体压力传感器可操作地联接至导管，以检测其中的流体的压力。所述一个或多个流体压力传感器可以是但不限于：单点绝对压力传感器；差压传感器；表压传感器；压电式压力传感器；应变计式压力传感器；电容式压力传感器；电感式压力传感器；电阻式压力传感器；线性电压差动变送器；光学式压力传感器；光纤式压力传感器；表面声波传感器；布里奇曼压力表；以及它们的组合。
在本公开的一些实施例中，传感器950可以是一个或多个流体流量传感器，这些流体流量传感器可操作地联接至导管以检测其中的流体的流速，以产生基于流体的感测信息。例如，传感器950可以是一个或多个流量计，这些流量计被置于导管内以检测流体流量，以评估哪个井口902正在接受流体处理。所述一个或多个流体流量传感器可以是但不限于：涡轮式流量传感器；光学式流量传感器；光纤式流量传感器；电磁式流量传感器；电阻温度检测器式传感器；椭圆齿轮流量传感器；超声波流量计；涡街流量传感器；文丘里管流量传感器；以及它们的组合。
在本公开的一些实施例中，传感器950可以是一个或多个压力传感器和一个或多个流体流量传感器。
在本公开的一些实施例中，可包括其他传感器951，这些传感器用于提供基于物体的感测信息，例如通过评估井下作业工具在油井内所处的深度或在井口内所处的位置来进行。其他传感器951可产生从油井作业工具衍生的感测信息，这种感测信息是基于物体的感测信息的一个子集。这种传感器951的一些例子可包括对缆线、钢丝线、编织线或连续油管的卷轴或其他装置的转数进行计数以估算缆线、钢丝线、编织线或连续油管以及与之相连的钻井工具在油井内的深度的计数传感器。这种传感器951的其他例子可包括在支撑点或位于卷轴与井口之间的其他可旋转支撑构件处测量缆线、钢丝线或编织线的张力和/或可操作地连接至缆线、钢丝线或编织线的井下作业工具的深度的计数传感器(也可称为测头)。
这种传感器951的另一些例子包括可检测由可检测信号发生器产生的可检测信号以产生基于物体的感测信息的传感器。在本公开的一些实施例中，传感器951可操作地联接至井口的一部分或邻近井口，并且所述可检测信号发生器可附着到可穿过井口的物体上。例如，所述系统可包括射频识别(rfid)系统，并且传感器951是rfid传感器(例如rfid接收器)，并且rfid信号发生器(例如rfid发射器)可附着到物体上。所述物体可以是井筒的一部分(例如套管接箍定位器)、井筒的任何其他部分、缆线的一部分、钢丝线的一部分、编织线的一部分、连续油管的一部分、或油井作业工具。传感器951可检测何时该可检测信号发生器向其接近，以确定该缆线、钢丝线、连续油管部分或其上部署的工具在油井内的位置。本领域技术人员应理解，传感器951可附着到所述物体上，并且可检测信号发生器可以可操作地联接至井口。除了rfid之外，传感器951也可以是配置为检测由物体发送的信号的任何类型的传感器，例如，传感器951可以是磁传感器、超声传感器、光传感器、声传感器、或者它们的组合。
在本公开的一些实施例中，由传感器951获得的基于物体的感测信息可以是由缆线车或连续油管车的其他系统捕获的数据的一部分。
传感器951还可与缆线润滑器的工具收集器关联起来(例如通过附着在工具收集器上)，以检测何时将油井作业工具从油井拉出并向上经过工具收集器。例如，传感器951可检测工具收集器何时关闭，然后打开，然后再次关闭，并且该模式指示油井作业工具已被从油井拉出并且到达工具收集器上方。
在本公开的一些实施例中，传感器951还可以可操作地与井口的一段(例如井口上的润滑器)联接，并且传感器951配置为检测物体(例如管的一部分(例如套管接箍定位器)、管的一段、缆线、钢丝线、编织线的一部分、连续油管的一部分，包括发射器)何时进入或穿过相关的井口段。例如，所述物体和发射器可产生可被一个或多个传感器951检测到的可检测信号，例如rfid信号、磁信号、超声信号、光信号、声信号、或者它们的组合，以提供基于物体的信息，以使用户知晓物体何时接近一个或多个传感器951。在本公开的一些实施例中，传感器951也可以是一个或多个光学传感器，这些光学传感器用于检测井位上的物品的位置，例如用于检测井口阀门的位置或润滑器的操作位置。本领域技术人员应理解，传感器951可包括物体的一部分，并且所述可检测信号可由井口的一部分产生。
图9还示出了井口902b的上部904包括传感器组件600，从而用户界面和/或控制器电路可接收关于可能正在穿过井口902b的一段的物体的基于物体的信息。图9还示出了一个或多个传感器950a、b、c和d在井场900的一部分上的示例性位置。
图10是表示用于调节一个或多个井口的井口控制机构的系统3000的原理图，该井口控制机构在图10至图13中一般以附图标记3008表示。例如，该井口控制机构可以是但不限于：抽汲阀907、泵送阀908、液压主阀910、一个或多个侧口阀914、一个或多个拉链歧管阀923、回流阀、泵送阀、以及任何其他阀门。在本公开的一些实施例中，该井口控制机构可以是防喷器或节流阀。
系统3000包括阀门致动面板3004以及一个或多个阀门位置调节器3010。本领域技术人员应理解，阀门位置调节器3010可以是上述阀门位置调节器210、310和410之中的任何一个。阀门致动面板3004可经由一个或多个导管3013与动力源3006可操作地连通。该动力源3006可以是液压动力流体源或气动动力流体源。所述一个或多个导管3013可将动力流体(液压流体或气动流体)导引至阀门致动面板3004的一个或多个阀门3009。阀门致动面板3004还包括一个或多个致动器3007，每个致动器3007与一个或多个阀门3009之中的一个相关联。例如，所述一个或多个导管3013可分为第一导管30131、第二导管30132、以及任意数量的其他导管3013n。第一导管30131将动力流体从动力源3006导引至阀门致动面板3004的第一阀门30091。例如，所述一个或多个致动器3007可分别是开关，从而当开关30071被致动时，第一阀门30091可在打开位置与关闭位置之间移动。如图10所示，阀门位置调节器30101可操作地联接至蓄能器132，以调节蓄能器132的致动器的致动。当第一阀门30091关闭时，动力流体不会通过第一阀门30091。当第一阀门30091打开时，动力流体可沿着导管30151导引至阀门位置调节器30101，并且所述动力可为阀门位置调节器30101充能。然后，充能的位置调节器30101可使阀门位置调节器30101的可移动主体在第一位置与第二位置之间移动，如上文中关于阀门位置调节器210、310和410的部分所述。在本公开的一些实施例中，所述一个或多个阀门位置调节器3010的可移动主体被偏置为处于第二位置，从而一个或多个阀门3008被锁定在适当位置。当阀门位置调节器30101的可移动主体移动到第一位置时，蓄能器132的致动器可被直接致动，该致动器的致动使液压流体沿着导管30171流动，从而打开或关闭井口控制机构30081。
本领域技术人员应理解，系统3000可调节一个或多个井口902的不止一个井口控制机构3008。如此，所述一个或多个导管3013可包括另外的导管30132和3013n。下标“n”用于表示对构成系统3000一部分的其他部件的数量没有预定限制。另外的导管30132-n可将动力流体从动力源3006导引至阀门致动面板3004。阀门致动面板3004可包括控制另外的阀门30092-n的打开和关闭位置的另外的开关30072-n。系统3000还可包括将来自打开的阀门30092-n的动力导引至另外的阀门位置调节器30102-n以调节另外的阀门30082-n的致动的另外的导管30152-n。
如图10所示，系统3000还可包括将动力流体从阀门致动面板3004直接导引至不属于蓄能器132的一部分的阀门位置调节器30103的一个或多个导管30153。阀门位置调节器30103可调节一个或多个另外的井口控制机构30083的致动，例如一个或多个井口阀门和/或一个或多个拉链歧管阀门923的致动。
图11是表示包括与上文中相对于系统3000说明的部件相似(即使不完全相同)的部件的系统3000a的原理图。这两个系统3000、3000a之间的主要区别在于，系统3000a还包括控制器电路3003和一个或多个传感器600、950或951。所述一个或多个传感器600、950、951与控制器电路3003可操作地联接，控制器电路3003可容纳在壳体3002内，或者不容纳在壳体3002内。在采用壳体3002时，壳体3002保护控制器电路3003不受井场900处或附近的元件和条件的影响。
如上所述，一个或多个传感器组件600可包括能够检测在井口902a或井口902b的给定段内是否存在物体的任何类型的传感器。一个或多个传感器950可提供关于在井场900的一部分上的一个或多个流体传导导管内的关于压力和/或流体流速的基于流体的感测信息。本领域技术人员应理解，一个或多个传感器950可检测一个或多个流体导管内的流体流和/或流体流的变化。如上所述，一个或多个传感器951还可提供从油井作业工具衍生的感测信息。
如下文中所详述，控制器电路3003配置为通过有线信号传输装置或无线信号传输装置(在图11中总体示为3001)从一个或多个传感器600、950、951接收感测信息。在接收到感测信息时，控制器电路3003会处理该感测信息，然后产生命令信号，该命令信号被传送至可容纳在阀门致动面板3004内的一个或多个开关，这些开关统称为3007。该命令信号可使一个或多个开关3007致动，并调节上文中所述的阀门3009之中的一个或多个的致动。例如，如果任何感测信息(例如来自传感器600或传感器951的信息)表明在井口内有物体、或在井场900的一部分内存在导致不能安全地打开或关闭阀门的压力状况、或者油井内的油井作业工具所处的深度导致不能安全地使井场900的该部分的控制机构致动，那么控制器电路3003会发送一个命令信号，该命令信号使一个或多个开关3007致动，从而使一个或多个阀门位置调节器3010之中的任何一个都不能从第二位置移动至第一位置。或者，如果一个或多个阀门位置调节器3010已处于第二位置，那么控制器电路3003会发送保持不变的命令信号，或者控制器电路3003不会发送任何命令信号，从而使控制机构保持在锁定状态。在感测信息变为表明在井口内未检测到物体、或压力状况允许安全地打开阀门、或者已经从井口移除了油井作业工具的情况下，控制器电路3003可发送一个命令信号使一个或多个开关3007致动，从而使一个或多个阀门位置调节器3010之中的一个或多个能够从第二位置移动至第一位置。当阀门位置调节器3010移动至第二位置时，一个或多个井口控制机构3008被解锁，并且可被致动。
图12示出了本公开的实施例的另外两个示例性系统。图12a示出了表示包括与上文中相对于系统3000a说明的部件相似(即使不完全相同)的部件的系统3000b的原理图。两个系统3000a、3000b之间的主要区别在于，系统3000b还包括用户界面960，该用户界面960可用通过有线或无线连接与控制电路3003可操作地联接从而允许在它们之间传输信息的作用户界面。在本公开的一些实施例中，控制电路3003可产生表示接收到的感测信息的显示信号。在本公开的一些实施例中，如上所述，用户界面960可在用户的控制下向控制电路3003发送命令信号，以调节一个或多个阀门位置调节器3010的致动。如下文所进一步说明，在本公开的一些实施例中，用户界面960可参与可选的握手协议2030(如下文所进一步说明)，该协议调节用户界面960通过向控制电路3003发送命令来指挥控制电路3003能力，或调节控制器电路3003通过向任何开关3007发送命令来指挥开关3007的能力，使得阀门位置调节器3010只有在握手协议的要求得到满足时才在第一位置与第二位置之间移动。
在本公开的一些实施例中，用户可使用任何或全部感测信息来确定何时应将所述井场900部分上的一个或多个阀门锁定在给定位置，或者何时应解锁这些阀门以允许井口控制机构3008在打开位置与关闭位置之间致动。
图12b示出了包括与上文中相对于系统3000b说明的部件相似(即使不完全相同)的部件的另一个系统3000e的原理图。两个系统3000b、3000e之间的主要区别在于，系统3000e不包括通过有线信号传输装置或无线信号传输装置(如图12a所示)传输的来自一个或多个传感器600、950、951的传感信息。在使用系统3000e时，用户可依靠其他井场协议来确定何时向控制器电路3003发送命令以使阀门3009之中的一个或多个致动。
本领域技术人员应理解，本公开的其他实施例可涉及一种包括如上所述的用户界面960、阀门致动面板3004和蓄能器132的系统，并且用户界面960配置为在没有感测信息3001或控制器电路3003的情况下调节一个或多个开关3007的位置和/或一个或多个阀门3009的位置。
图13示出了本公开的实施例的两个示例性系统。图13a示出了包括与上文中相对于系统3000b说明的部件相似(即使不完全相同)的部件的系统3000c的原理图。两个系统3000b、3000c之间的主要区别在于，系统3000c不包括液压或气动驱动的阀门致动面板3004。相反，系统3000c由电力驱动，并且包括电子开关面板3018，该电子开关面板3018可容纳在壳体3014内，该壳体3014还可容纳控制器电路3003。控制器电路3003和电子开关面板3018可通过导管3019可操作地联接，该导管可在它们之间传输命令信号。电子开关面板3018包括可操作地连接在一条或多条总线中的一个或多个硬件部件，这些部件包括但不限于下列部件中的一种或多种：继电器、变压器、熔断器、断路器、可选的加热器单元、电子电源的输入(未显示)、以及通信部分。所述一个或多个通信部分配置用于无线通信、以太网通信、光纤通信、以及所有其他类型的适用通信协议。
在本公开的一些实施例中，电子开关面板3018还可包括另一个控制器电路(未示出)，该控制器电路允许与一个或多个另外的电子开关面板3018可操作地连接，使得两个或更多电子开关面板3018可操作地联接(例如以菊花链的方式联接)，以实现模块化并增加可由系统3000c调节的阀门位置调节器3010的数量。
电子开关面板3018配置为经由一个或多个导管3021可操作地联接至蓄能器132上的一个或多个致动器3011。一个或多个致动器3011可以分别是可操作地联接至一个或多个阀门位置调节器3010之中的每一个的可移动构件的电子电机或螺线管。例如，如果感测信息向控制器电路3003传达可安全地使阀门30081致动的信息，那么控制器电路3003可向电子开关面板3018发送一个命令信号，该电子开关面板3018又经由导管30211将该命令信号，传递至致动器30111，以将阀门位置调节器30101的可移动主体从第二位置移动至第一位置。当该可移动主体处于第一位置时，蓄能器132的阀门致动器可被直接致动，以使井口控制机构30081致动。
图13b示出了包括与上文中相对于系统3000c说明的部件相似(即使不完全相同)的部件的另一个系统3000f的原理图。两个系统3000c、3000f之间的主要区别在于，系统3000f不包括通过有线信号传输装置或无线信号传输装置(如图13a所示)传输的来自一个或多个传感器600、950、951的传感信息3001。
本领域技术人员应理解，本公开的其他实施例可涉及一种包括如上所述的用户界面960、电子开关面板3018和蓄能器132的系统，并且用户界面960配置为在没有感测信息3001或控制器电路3003的情况下调节一个或多个开关3007的位置和/或一个或多个阀门3009的位置。
图14是表示包括与上文中相对于系统3000c说明的部件相似(即使不完全相同)的部件的系统3000d的原理图。两种系统3000c、3000d之间的主要区别在于，系统3000d不包括物理地干涉蓄能器132上的致动器的直接物理致动的阀门位置调节器3010。相反，系统3000d提供对结合到一个或多个井口中或结合到井场上的压裂导管中的一个或多个井口控制机构3038的直接控制。
如上所述，控制器电路3003可从一个或多个传感器600、950、951接收感测信息，控制器电路3003使用这些传感器来评估使一个或多个井口控制机构3038致动是否安全。在控制器电路3003确定能安全地使一个或多个井口控制机构3038(例如井口控制机构30381)致动的情况下，控制器电路3003会产生一个命令信号，该命令信号通过导管3011传送至容纳致动器30071的开关箱3019。在接收到该命令信号时，致动器30071可使阀门30091致动。阀门30091会允许来自提供气动动力流体或液压动力流体的动力流体源132的动力流体通过。在阀门30091致动时，动力流体可沿导管30151流动，并直接使井口控制机构30381致动。
在本公开的一些实施例中，作为由源132提供的动力流体的替代或补充，系统3000d的控制器电路3003可经由一个或多个导管3040和一个或多个致动器3034直接使一个或多个井口控制机构3038致动。例如，根据接收到的感测信息，控制器电路3003可产生一个命令信号，该命令信号经由导管30401传送到致动器30341。致动器30341可以是电机、螺线管或其他类似的电子装置，它可直接使井口控制机构30381在打开位置与关闭位置之间致动。在控制器电路3003根据接收到的感测信息确定不能安全地打开或关闭一个或多个井口控制机构3038之中的一个或多个的情况下，控制器电路3003会发送保持不变的命令信号，或者控制器电路3003不会发送任何命令信号，以使一个或多个井口控制机构3038不移动并被锁定。
本领域技术人员应理解，本公开的其他实施例可涉及一种包括用户界面960的系统，该用户界面960配置为提供对一个或多个井口控制机构3038的直接控制，例如经由一个或多个致动器3034提供这种直接控制。
图15是表示一个包括系统3000d的一部分的示例性阀门控制系统的原理图。如图所示，蓄能器132可经由导管3013向开关3032提供液压动力，该开关3032配置为将液压动力的至少一部分导引至阀门3009(示出了30091、30092、3009n)之中的一个或多个，这些阀门的位置由一个或多个开关3007(示出了30071、30072、3007n)控制。一个或多个阀门3009的位置决定液压动力向一个或多个致动器3034(示出了30341、30342、3034n)流动，而该流动又可调节一个或多个井口控制机构3038(示出了30381、30382、3038n)的位置。
图16示出了另一个示例性系统3000f，该系统3000f配置为经由导管3013a从蓄能器132a接收液压动力，并且用于调节一个或多个井口902(示出了902a和902b)上的一个或多个井口控制机构的位置。系统3000f包括控制器电路3003(如本文所述)、阀门致动面板3004(如本文所述)、以及一系列导管3060，这些导管将液压流体导引至一个或多个井口902a和/或902b上的一个或多个井口控制机构或压裂流体导管系统上的阀门923。如图16所示，控制器电路3003可经由管道3001从传感器组件600或传感器951接收感测信息，以指示在井口902a内是否存在物体。本领域技术人员应理解，系统3000f还可包括另外的传感器(例如另外的传感器600、950或951、或它们任何组合，如上所述)，以向控制器电路3003提供感测信息。根据接收到的感测信息，控制器电路3003可将从蓄能器132a接收的液压流体沿着连接至顶部阀的导管30601、连接至主阀的导管30602、或连接至一个或两个侧口阀的导管30603和/或导管30604之中的任何一个导引至井口902a。控制器回路3003还可经由连接至顶部阀的导管30605、连接至主阀的导管30606、或连接至一个或两个侧口阀的导管30607和/或导管30608将液压流体导引至井口902b(或可存在于适用的井场上的任何其他井口)。控制器回路3003还可将液压流体引导到至少包括导管920和920a的压裂流体导管系统上的阀门923之中的一个或多个。通向上述一个或多个井口控制机构的液压流体流提供对所述阀的直接控制，因为它使阀门在第一位置与第二位置之间致动，以调节至少通过、去往或来自井口902a和902b的流体的流动。
本领域技术人员应理解，系统3000f可改装到现有的井场上，而无需在蓄能器132a上添加任何阀门位置调节器。相反，液压流体被加压并导引至阀门致动面板3004，该阀门致动面板然后可在控制器回路3003的控制下导引液压流体的流动，以直接使一个或多个相应的阀门致动。本领域技术人员还应理解，蓄能器132a也可以是气动动力源或电动动力源，并且一个或多个导管3060相应地配置为导引气动动力流体或电力。在电力的情况下，阀门致动面板3004被电子阀门面板3018代替，并且相应的井口控制机构被直接地以电子方式致动。
图17示出了可在井场控制系统的一个实施例中用于调节一个或多个阀门位置调节器(如上所述)的使用的硬件结构和逻辑流程图。如图17a所示，此实施例中的系统包括微控制器1002，该微控制器通常包括一个或多个控制电路(在上文中称为控制器电路3003)，这些控制电路配置为从一个或多个传感器组件1004(例如传感器组件504、600、950和/或951)接收感测信息(包括数据)，以获得基于流体的信息和/或基于物体的信息，并控制一个或多个可操作地联接至井口控制机构的致动器1006(例如阀门位置调节器210、310和/或410的致动器)，或者致动器1006可直接使井口控制机构致动，例如经由致动器3034之中的一个或多个来进行。
微控制器1002可包括耦合至存储器和一个或多个输入/输出接口的处理结构，以与一个或多个传感器组件1004和一个或多个调节器1006通信。微控制器1002可执行管理程序或操作系统(例如实时操作系统)，以管理各种硬件组件并执行各种任务。
如图17b所示，当在井口上进行油井作业2002并根据从一个或多个传感器组件1004接收的传感器数据确定已检测到在井眼2004中存在某种形式的物体(例如在井中有油井作业工具)时，微控制器1002控制给定井口上的一部分或全部阀门位置调节器1006，使其移动至和/或保持在锁定位置2006，从而在井中存在工具时使得给定井口上的所有阀门的位置都无法改变。当根据从传感器组件1004接收的传感器数据确定工具已从井中移出井眼2008时，微控制器1002控制阀门位置调节器移动至解锁位置2010，然后可使井口上的一个或多个阀门直接致动。如本文所述，作业2002的例子包括油井作业。
如果正对给定的井口进行水力压裂作业2012并且一个或多个传感器950检测到给定导管(例如输入导管922)内的流体压力(或流体流量，视情况而定)发生变化(即，超过阈值2014)，那么可将井口上的一部分或全部阀门位置致动器1006移动至和/或保持在锁定位置2016，从而在对给定的井口进行水力压裂作业时使得井口上的所有阀门的位置都无法改变。在本公开的一些实施例中，若由压力传感器950a在拉链歧管920处检测到的流体压力大约等于在井口902a的输入导管922处检测到的流体压力，则表明井口902a正在接受压裂作业2012。当检测到的压力小于阈值2018时，可解锁2011阀门并直接使其致动。
或者，该系统可不包括用户界面或提供基于流体的信息或基于物体的信息的任何传感器。相反，该系统可依赖于操作人员的观测来做出适当的决定。例如，当在井口上进行作业2002并且根据操作人员的观测结果确定在井中有工具时，可将给定井口上的一部分或全部阀门位置调节器移动至和/或保持在锁定位置，从而在井中有工具时使得给定井口上所有阀门的位置无法改变。在工具已从井中移除时，阀位调节器可移动至解锁位置，并且可使一个或多个阀门致动。
图18示出了本公开的一些实施例的系统的硬件结构和软件结构。
与图17a所示的实施例相比，图18所示的实施例中的微控制器1002还包括联网模块1008，该联网模块用于通过网络(未示出，例如互联网、局域网(lan)、广域网(wan)、城域网(man)等)经由适当的有线和无线网络连接与一个或多个用户界面或客户端计算装置1010(例如台式计算机、膝上型计算机、平板计算机、智能手机，个人数字助理(pda)等)通信，所有这些装置都可以视为上述的用户界面960。在微控制器1002与各种传感器组件1004和调节器1006通信并执行复杂的应用程序的实施例中，微控制器1002可具有复杂的硬件和软件结构，并且可被视为服务器计算机。
虽然微控制器1002的硬件和软件结构通常具有更适合于实时处理的特征和功能，但是在多个实施例中，微控制器1002可具有类似于客户端计算装置1010的硬件和软件结构，或者与之相比可具有简化的硬件和软件结构。
如图18b所示，通常，微控制器1002和客户端计算装置1010可包括处理结构1022、控制结构1024、存储器或存储装置1026、联网接口1028、坐标输入装置1030、显示输出装置1032、以及其他输入和输出模块1034和1036，这些装置和模块都通过系统总线1038在功能上互连。根据具体实现方式，微控制器1002不一定包括所有上述组件(例如坐标输入装置1030和/或显示输出装置1032)，并且可包括适合于油井作业的其他组件。
处理结构1022可以是一个或多个单核或多核计算处理器，例如
控制结构1024可包括用于协调控制器电路和用户界面的各种硬件组件和模块的操作的多个控制电路，例如图形控制器、输入/输出芯片组等。
存储器1026可包括多个存储器单元，这些存储器单元可由处理结构1022和控制结构1024访问，以读取和/或存储数据，包括输入数据以及由处理结构1022和控制结构1024产生的数据。存储器1026可以是易失性和/或非易失性、非移动或移动存储器，例如ram、rom、eeprom、固态存储器、硬盘、cd、dvd、闪存等。在使用时，通常出于不同的使用目的将存储器1026划分为多个部分。例如，存储器1026的一部分(在本文中称为存储存储器)可用于长期数据存储，例如存储文件或数据库。存储器1026的另一部分可用作在处理期间存储数据的系统存储器(在本文中称为工作存储器)。
联网接口1028包括一个或多个联网模块，这些联网模块用于使用适当的有线或无线通信技术(例如以太网、
显示输出装置1032可包括一个或多个用于显示图像的显示模块、例如监视器、lcd显示器、led显示器、投影仪等。显示输出装置1032可以是处理器和/或用户界面的物理集成部分(例如膝上型计算机或平板计算机的显示器)，或者可以是与处理器和/或用户界面的其他组件物理地分开但功能上耦合的显示装置(例如台式计算机的监视器)。
坐标输入装置1030可包括由一个或多个用户用于输入坐标数据的一个或多个输入模块，例如触敏屏幕、触敏白板、轨迹球、计算机鼠标、触摸板、或其他人机接口装置(hid)等。坐标输入装置1030可以是处理器和/或用户界面的物理集成部分(例如膝上型计算机的触摸板或平板计算机的触摸屏)，或者可以是与处理器和/或用户界面的其他组件物理上分开但功能上耦合的显示装置(例如计算机鼠标)。坐标输入装置1030可与显示输出装置1032集成在一起，以形成触敏屏幕或触敏白板。
微控制器1002和客户端计算装置1010还可包括其他输入装置1034，例如键盘、麦克风、扫描仪、摄像头等。微控制器1002和客户端计算装置1010可还包括其他输出装置1036，例如扬声器、打印机等。在本公开的一些实施例中，至少一个处理器和/或用户界面还可包括定位组件，或者与该定位组件在功能耦合，例如用于确定其位置的全球定位系统(gps)组件。
系统总线1038将上述各种组件互连起来，使它们能够在彼此之间发送和接收数据以及控制信号。
在本公开的一些实施例中，所述系统可以是部分地自主工作的，从而将来自一个或多个传感器1004(例如一个或多个流体压力传感器、一个或多个流体流量传感器、磁传感器组件、阀门位置传感器、油井作业工具位置传感器、以及它们的组合)的信息发送至微控制器1002。然后，微控制器1002会评估接收到的感测信息，并将接收到的信息与可存储在微控制器的存储器1026上或者可基本上同时接收的其他感测信息和/或操作信息进行比较。根据存储在存储器中的一系列指令，微控制器1002可产生一个或多个阀门位置调节器命令，该命令被发送至一个或多个致动系统，以将一个或多个阀门位置调节器的可移动主体从锁定位置移动至解锁位置，或者反向移动。或者，微控制器1002可向一个或多个致动器3034发送一个或多个阀门位置命令，以提供对井口控制机构的直接控制。所述系统还可包括超控功能，从而一个或多个用户可对从微控制器1002发送的一个或多个命令进行超控。
图19a是可在包括用户界面的系统(例如平板计算机、移动计算机、台式计算机等)的实施例中使用的逻辑流程图，该用户界面可用于辅助调节可操作地连接至井场900上的一个或多个阀门但不包括用于向用户提供基于流体的信息或基于物体的信息的传感器的一个或多个阀门位置调节器的位置。如该逻辑流程图所示，在作业(修井作业2020或压裂作业2032)期间，操作人员可选择要控制的井口2022/2034，然后锁定该井口上的相关联的阀门2024/2036的位置。操作人员可能需要执行选择油井阀门以进行解锁2026/2038的附加步骤，并等待握手协议2030的要求得到满足，然后才能实际地进行解锁2028/2029。握手协议2030要求一组人员(或对井场作业有更高作业权限的人员)确认一个或多个阀门位置调节器可移动至解锁位置2028/2029或者可直接控制井口控制机构并使其致动(例如通过一个或多个致动器3034进行)。为此，每个人员必须主动与系统交互(通常通过他们自己的用户界面或其他方式)，以发送确认信号。当控制器电路3003或主用户界面960(视情况而定)接收到所有必要的确认信号时，握手协议2030的要求得到满足。用户可通过控制每个阀门位置调节器的主体致动器或一个或多个致动器3034来利用用户界面960的控制特性，以移动一个、一部分或所有阀门位置调节器。例如，用户界面960可以是计算机，该计算机可向液压泵、气动泵和/或电机发送操作指令，以将每个阀门位置调节器的可移动主体在第一位置与第二位置之间移动。或者，用户界面可指示何时可安全地将阀门位置调节器在第一位置与第二位置之间手工地移动。作为另一种替代方案，用户界面可产生命令，以通过一个或多个致动器3034直接使一个或多个井口控制机构致动。
图19b是可在包括用户界面的系统的实施例中使用的逻辑流程图，该用户界面可辅助调节可操作地联接至井场900上的一个或多个井口控制机构的一个或多个阀门位置调节器的位置，或者该用户界面可通过一个或多个致动器3034控制一个或多个井口控制机构。该系统包括至少一个基于物体的传感器600或传感器951，该传感器用于通过用户界面向用户提供基于物体的信息。例如，在作业(例如修井作业2040或压裂作业2054)期间，操作人员可选择油井2042/2056来锁定相应的井口控制机构，并且，若基于物体的信息表明井眼中有工具2044，则相应的井口控制机构会被保持在锁定状态2046。只有在根据基于物体的信息检测到井眼2048中没有工具时，才能解锁相应的井口控制机构2050。可选地，可首先实施握手协议2030，然后在握手协议2030条件得到满足时可解锁任何适用的井口控制机构。在本公开的一些实施例中，如果仅向用户界面发送基于物体的信息，那么在解锁2060之前(可选地，要满足握手协议2030的条件)，可一直锁定未被选择并且可能正在接受作业2054的全部油井。
图19c是可在本公开的一个实施例中使用的逻辑流程图，该实施例包括与图20b所示的实施例相同的特征，但是其附加优点是具有一个或多个提供基于压力的信息的压力传感器，因而在压裂作业2074期间，若在接受压裂作业2074的油井中检测到压力大于阈值2078，则阀门会被锁定2080，直到检测到压力小于阈值2082为止。然后可将阀门解锁2084，可选地，要满足授权循环2030的条件。在另一个修井作业2062期间，步骤2064、2066、2068、2070和2072可与上文中参照图19b所述的步骤相同。
图19d是可在包括用户界面的井场控制系统的一个实施例中使用的逻辑流程图，该用户界面可辅助调节可操作地联接至井场900上的一个或多个阀门的一个或多个阀门位置调节器的位置。该系统包括至少一个用于提供基于压力的信息的压力传感器950、以及至少一个用于通过用户界面向用户提供基于物体的信息的传感器阵列600。该系统还包括至少一个井口标识器500。在作业(例如修井作业2086或压裂作业2100)期间，可布置井位置传感器，以便用户检测2088/2102哪个井正在接受适用的操作。如果正在发生油井作业并且基于物体的信息表明井眼2090中有工具，那么所有阀门都会被直接或间接地锁定在位置2092，直到基于物体的信息表明已从井眼2094中取出工具并且可解锁相应的井口控制机构(可选地，要满足握手协议2030的条件)。如果正在发生压裂作业2100并且基于流体的信息表明所选井口正在大于阈值2104的压力下接收加压的压裂液，那么相应的井口控制机构会被锁定在位置2106，直到基于流体的信息表明压力低于阈值2108并且可解锁2110阀门(可选地，要满足握手协议2030的条件)。
图20是在井口上进行作业期间使用非铁磁性物体(例如不锈钢缆线)时可在一个系统实施例中使用的逻辑流程图。在该系统中，可将另外的传感器(未示出)可操作地联接至用于将缆线和相关的通过缆线连接的工具移入和移出井口的缆线卷轴或缆线车。所述另外的传感器可确定缆线卷轴的旋转方向，并由此向用户界面提供基于缆线方向的信息。当通过缆线连接的工具(该工具至少部分地由铁磁材料制成)朝着由传感器组件600产生的磁场移动，穿过该磁场，或朝远离该磁场的方向移动时，传感器组件600会根据该工具的实测直径提供基于物体的信息。基于方向的信息和基于直径的信息使用户能够确定该非铁磁性物体何时已被移出井口。
图21示出了可选的握手协议2030的一个示例性实施例，为了满足条件，缆线、连续油管或管道起下作业单元的操作人员、压裂作业的操作人员、以及井口上的所有阀门的操作人员都会接收到发起者信号。在接收到发起者信号时，任何动作(例如锁定或解锁一个或多个阀门)都必须经过三类操作人员之中的每一类操作人员根据其作业进行批准，然后才能进行。可选地，在所有三类操作人员均已批准一项动作时，可将批准信号请求发送给石油公司顾问(在井场具有最高作业权限的人员)，然后由该代表提供最终批准动作，该最终批准操作然后允许直接或间接地解锁一个或多个井口控制机构并使其致动。
在本公开的一些实施例中，一个或多个井口控制机构可包括位置传感器，该位置传感器可产生基于位置的信息信号，该信号被传送至控制器电路3003和/或用户界面960。所述基于位置的信息信号表明井口控制机构是处于打开位置、关闭位置、还是打开位置与关闭位置之间的位置。该信息可发送至控制器电路3003和/或用户界面690，以向操作者提供基于阀门位置的信息。所述位置传感器可以是但不限于：光学传感器；超声传感器；线性电压差动变送器；霍尔效应位置传感器；光纤传感器；电容型位置传感器；涡流型位置传感器；电势型位置传感器；电阻型位置传感器；以及它们的组合。所述基于位置的信息信号是基于物体的感测信息的一个子集。
在本公开的一些实施例中，上文所述的系统内的一部分、大多数或所有阀门位置调节器默认处于锁定位置，因而若不与系统交互并满足任何可选的握手协议2030，则没有任何人能直接或间接地使任何井口控制机构致动。
本领域技术人员应理解，给定井场上的用户可由在给定时段内进行的油井作业的类型决定。当然，用户和用户类型在井场的寿命期内可能会发生变化，并且在本文中考虑到的用户类型包括：缆线车操作人员、连续油管车操作人员、压裂中心操作人员、井口技术人员、泵送操作人员、压力测试操作人员、压力控制设备操作人员、回流操作人员、以及至少一明在井场具有较高作业权限的人员(例如经理)。每个设备操作人员可以是本公开的系统的用户，以改善这些操作人员之间的沟通，以在根据对井口进行的作业确定不能安全地开始或停止流过井口的流体的流动或通过井口的物体的移动时避免阀门致动。
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