阀致动器的制造方法

文档序号:9650318
阀致动器的制造方法
【专利说明】

【发明内容】

[0001]本发明涉及阀致动器,具体而不排它地,该阀致动器用于致动安装在石油钻井以及/或者石油产品或者气体钻井以及/或者气体产品中使用的管件中的可旋转的阀构件。
[0002]通常利用具有位于最下端的钻头的被称为钻杆或者钻柱的钢管进行钻孔或钻井操作。钻柱包括首尾相连的一系列管段。
[0003]可以利用转台或者利用安装在钻杆的顶部的地上钻井马达(通常被称为“顶驱”)使整个钻柱旋转,或者可以利用安装在钻头正上方的钻柱中的流体动力马达使钻头独立于钻柱旋转。在进行钻井时,泥浆流用于将钻井过程造成的杂物运出钻孔。泥浆被向钻柱下栗送,穿过钻头,并且经由位于钻柱的外直径与钻孔之间的环形空间(通常称作环形域)回到表面。泥浆流还用于冷却钻头,并且用于使钻孔增压,因而充分防止来自被钻柱穿透的地层的流体流入物进入到钻孔中。泥浆是非常广义的钻井术语,在本上下文中用于描述钻井过程中使用的任何流体或者流体混合物,并且覆盖了从空气、氮气、空气或氮气中的雾化流体、带有空气或氮气的泡沫流体、充气流体或者硝化流体到具有固体颗粒的油和(或)水的重质混合物的宽广范围。
[0004]需要大量压力以沿此流径驱动泥浆,为了实现此目的,通常利用借助管与歧管连接至钻柱顶部的一个或多个容积式栗将泥浆栗送到钻柱中。
[0005]通过将泥浆栗送到位于钻柱最顶端的主要的、轴向通道中而使主要的泥浆流到井孔中,同时还公知,钻柱设置有从设置在钻柱侧面中的口延伸到主通道中的侧通道,从而泥浆能在钻柱顶部的替代位置被栗送到主通道中。
[0006]例如,在进行钻井并且钻孔越来越深时,需要增大钻柱的长度,这通常由如下操作实现:使顶驱从钻柱顶部脱离接合;将新的管段添加至钻柱;使顶驱与新的管段的自由端接合;然后重新开始钻井。因此,要理解的是,在此过程中泥浆向钻柱下栗送的操作停止。
[0007]由于多种原因,在钻井过程中使泥浆流动停止是有问题的,从而已经提出:通过设置通常位于每段钻柱中的侧通道而利于持续通过钻柱栗送泥浆。这是指,当钻柱顶部封闭,顶驱断开并且连接新的钻柱段的时候,泥浆能经由侧通道被栗送到钻柱中。
[0008]在US2158356中公开的这样一种系统中,在每段钻柱的顶部设置有用塞子封闭的侧通道以及阀构件,该阀构件可在第一位置与第二位置之间枢转,在上述第一位置中,钻柱的主通道开放,同时侧通道封闭;在上述第二位置中,主通道封闭同时侧通道开放。在钻井过程中,阀保持在第一位置中,但是当要增长钻柱长度的时候,从侧通道移除塞子,使从栗延伸的软管连接至侧通道,并且打开软管中的阀,从而开始泥浆经由侧通道栗送到钻柱中的操作。然后关闭位于从栗延伸到钻柱顶部的主软管中的阀,并且泥浆在侧通道处的压力使阀构件从第一位置移动至第二位置,因此封闭钻柱的主通道。
[0009]然后断开主软管,将新的管段安装在钻柱上,并且使主软管连接至新管段的顶部。打开主软管中的阀,使得重新开始泥浆栗送到钻柱顶部中的操作,并且封闭通向侧通道中的软管中的阀。进入钻柱顶部的泥浆产生的压力使阀构件回到其第一位置,这使得在没有泥浆从钻柱大量泄漏的情况下能从侧通道移除软管。
[0010]然后可以在此段钻柱下降到井中之前,例如通过焊接或者使塞子拧到侧通道中而永久密封侧通道。
[0011 ] 此过程通常被称作持续循环钻井。
[0012]在其他相似系统中,不是设置可操作成或者封闭钻柱的侧通道或者封闭钻柱的主通道的单个阀构件,而是公知设置两个分离的阀构件,g卩,可操作成封闭主通道的主阀构件与可操作成封闭侧通道的副阀构件。在此情况下,例如W02010/046653中公开的那样,分离的阀构件都可以具有其自己的致动机构。
[0013]W02012/085597中公开了另一另选布置,在该布置中,用于主阀构件的致动器与副阀构件结合。图la与图lb中示出了此布置。在此布置中,主阀构件16包括滚珠,该滚珠安装在钻柱10的主通道12中,并且该滚珠能绕大致垂直于钻柱的纵轴线的轴线在允许流体沿主通道12流动的开放位置与阻止流体沿主通道12流动的封闭位置之间旋转。利用也安装在钻柱10的主通道12内的、与钻柱10同轴的管式致动器18实现滚珠16在开放位置与封闭位置之间的旋转。致动器18连接至滚珠16,使得致动器18在钻柱10中的滑动运动使滚珠16在封闭位置与开放位置之间移动。致动器18还作用成在其沿钻柱滑动时堵塞或者启通侧通道14,并且构造成在主阀16处于封闭位置时打开侧通道14并且在主阀16处于开放位置时封闭侧通道14。
[0014]致动器18借助致动室38被水压促动,该致动室设置在致动器18与设置于钻柱10的壁中的衬套10a之间。致动室38在图lc中被最佳示出,并且仅包括位于两个部件18、10a之间的环形空间。两个口 40a、40b被设置成穿过钻柱10到此室38中,室38的每端有一个。第一口 40a最靠近致动器18的第二端18b (最接近主阀构件16)。
[0015]室38被安装在致动器18的外表面上的密封装置41分成两部分。在一个实施方式中,密封装置41包括两个0形环。密封装置41在允许致动器18在钻柱10内滑动的同时基本上阻止流体在室38的两部分之间流动。密封装置41确保:经第一口 40a进入此室38中的增压流体的流动使致动器18朝主阀构件16移动,同时经第二口 40b进入致动室38中的增压流体的流动沿反方向作用以抵消第一口 40a处的增压流体的影响。因而,致动器18作用成一个压力口 40a使致动器18朝主阀构件16移动而另一个压力口使致动器18远离主阀构件16移动的双动式活塞。换而言之,借助第一口 40a与第二口 40b的压力差操作致动器18。
[0016]图la示出了致动器18在增压流体供应至口 40b时被远离主阀构件16推动,使得致动器18封闭侧口 14,同时图lb示出了套管18在增压流体供应至口 40a时被朝主阀构件16推动,因而打开侧口 14。
[0017]W02012/085597中详尽地描述了这样的机构,借助这些机构,致动器套管18连接至滚珠16,使得致动器套管18的滑动移动使滚珠16旋转。还根据GB2413373、US3, 236,255、GB1416085、US3, 703,193 以及 US3, 871,447 公知多种相似的布置。
[0018]这些布置也可以用于控制通过侧通道的流体流动(被称为“亚栗送”),这用于紧急情况中以例如有助于提供控制由于从被井穿透的地层流入的流体进入井(称作“井涌”)弓丨起井孔压力突然激增所需的附加的泥浆压力。
[0019]本发明涉及一种另选构造的致动器组件,此致动器组件适于用在通过致动器套管相对于钻柱滑动而实现阀的操作的这样的阀布置中。
[0020]根据本发明的第一方面,提供一种流体压力操作的致动器组件,该致动器组件包括:管状本体,该管状本体具有壁,该壁具有内表面与外表面并且围绕基本平行于所述管状本体的纵轴线延伸的主通道;位于所述主通道中并且能沿所述主通道移动的致动器;形成在所述管状本体的所述壁与所述致动器之间的第一方向室;以及形成在所述管状本体与所述致动器之间的至少一个第二方向室,其中,所述致动器组件被构造成当所述第一方向室中的流体压力以预定量超过该第二方向室或每一第二方向室中的流体压力时,所述第一方向室中的所述流体压力在所述致动器上施加作用力,该作用力作用成相对于所述管状本体沿第一方向推动所述致动器,并且当该第二方向室或所述第二方向室中的至少一者中的流体压力以预定量超过所述第一方向室中的流体压力时,所述第二方向室中的所述流体压力在所述致动器上施加作用力,该作用力作用成相对于所述管状本体沿第二方向推动所述致动器,其特征在于,所述管状本体的外表面设置有:第一口,该第一口与穿过所述管状本体的所述壁从所述第一口延伸至所述第一方向室的通道连通;第二口,该第二口与穿过所述管状本体的所述壁从所述第二口延伸至该第二方向室或所述第二方向室之一的通道连通;以及第三口,该第三口与穿过所述管状本体的所述壁从所述第三口延伸至该第二方向室或者所述第二方向室中的另一者的通道连通,所述第一口位于第一平面上,所述第二口位于第二平面上,并且所述第三口位于第三平面上,所述第一平面、所述第二平面以及所述第三平面大体相互平行,并且所述第一平面位于所述第二平面和所述第三平面之间。
[0021]在一个实施方式中,所述管状本体的所述纵轴线基本正交于所述第一平面、所述第二平面以及所述第三平面。
[0022]在一个实施方式中,所述第一方向与所述第二方向中的一者或者两者基本平行于所述管状本体的所述纵轴线。
[0023]在一个实施方式中,所述第一方向与所述第二方向基本相反。
[0024]在一个实施方式中,所述致动器以所述致动器沿所述第一方向和所述第二方向的移动使主阀构件移动的方式连接至所述主阀构件。在此实施方式中,所述主阀构件能在所述主阀构件封闭所述管状本体的所述主通道的封闭位置与所述管状本体的所述主通道开放的开放位置之间移动。所述主阀构件的由所述致动器在所述第一方向与所述第二方向上的移动引起的所述移动可包括旋转。
[0025]在一个实施方式中,当所述致动器沿所述第一方向移动时所述主阀构件移动至所述封闭位置,并且当所述致动器沿所述第二方向移动时所述主阀构件移动至所述开放位置。
[0026]所述主阀构件可以包括球阀构件。
[0027]所述致动器可以借助轨与销布置连接至主阀构件,借此销从所述主阀构件和所述致动器中的一者延伸到设置在所述主阀构件和所述致动器中的另一者中的缝或槽中,当所述致动器在所述管状本体中滑动时所述销沿所述缝或槽移动,从而所述主阀构件旋转。
[0028]在一个实施方式中,所述管状本体设置有穿过所述管状本体的所述壁从所述管状本体的外部延伸到所述主通道中的侧通道,并且所述致动器能在所述致动器基本防止流体沿所述侧通道流动的封闭位置与允许流体沿所述侧通道流动的开放位置之间移动。在此情况下,所述致动器沿所述第一方向的移动可以使所述致动器进入所述开放位置,并且所述致动器沿所述第二方向的移动可以使所述致动器进入所述封闭位置。在主阀
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