专利名称：具有集成传感器的井下井阀及系统的制作方法
技术领域：
本实用新型通常涉及一种具有集成传感器的井下井阀及系统。
背景技术：
典型井包括例如用于隔离地层、预防井喷条件以及调节流量的各种
阀。在这点上，典型井可以包括用于调节产量的节流阀(choke valve) 或者套筒阀；为了防止井喷不能处于关闭位置的安全阀；和地层隔离阀， 所述地层隔离阀可以用于在钻井之后和完井作业能完成之前隔离地层。使 用各种不同的通讯媒介，例如液压控制线路、电线和井液，可以从地面远 程操作典型井的这些阀。但是，'这些节流阀，套筒阀，安全阀，地层隔离 阀不能方便确认井下状况、井阀的性能和井阀的状态，如井阀位置和井阀 密封状况。
实用新型内容
本实用新型的具有集成传感器的井下井阀和系统所要解决的技术问 题是便于使用者确认井下状况、井阀的性能和井阀的状态。
根据本实用新型的一个方面， 一种具有集成传感器的井下井阀包括管 状阀外壳、阀座、阔元件和传感器。所述阀座位于外壳的中心通路中并且 限定了阀座上面的中心通路的第一部分和阀座下面的中心通路的第二部 分。所述阀元件控制通过阀座的流量。所述传感器固定到外壳上以测量指 示阀状态的属性。
根据本实用新型的另一方面，系统包括管柱、阀和传感器。所述阀控 制位于阀上面的管柱的中心通路的一部分和位于阀下面的管柱的中心通 路的一部分之间的流量。所述传感器安装在阀附近以测量指示所述阀的状 态的属性。
本实用新型的有益技术效果是，利用本实用新型，可以测量井和井阀 的各种属性，这些属性的示数被传递到井的地面以便确认井下状况、井阀的性能和井阀的状态，具体也可以用于确认井阀位置和井阀密封状况。
本实用新型的优点和其它特征通过下面的附图、描述变得明显。
图l是根据本实用新型实施例的地层隔离阀的示意图； 图2是图示与根据本实用新型实施例的阔一起使用的传感器结构的示
意图3和4是图示根据本实用新型实施例的、用于检测阀操纵器的位置的 传感器的示意图5是说明使用根据本实用新型实施例的传感器来确认阀的位置和密 封的方法的流程图6是说明使用一个或者多个根据本实用新型实施例的传感器来确认 阀的状态的方法的流程图7是说明使用一个或者多个根据本实用新型实施例的传感器来确认 阀的完整性的方法的流程图8是说明使用一个或者多个根据本实用新型实施例的传感器来确定 阀的操纵器的操作次数的方法的流程图；和
图9是说明使用根据本实用新型实施例的传感器来评价阀的性能的方 法的流程图。
具体实施方式
本实用新型是一种具有集成传感器的井下井阀及用于该阀的系统，可 以测量井和井阀的各种属性，这些属性的示数被传递到井的地面以便确认 井下状况、井阔的性能和井阀的状态，具体也可以用于确认井阀位置和井 阀密封状况。
参考图l，根据本实用新型的地层隔离阀(FIV)(也称作"隔层阀") IO的实施例控制着到达阀下特定地层的通路。在这点上，当F1V IO处于打 开状态时(如在图l中所描述的)，FIV 10允许管柱例如示例性管柱30穿过 FIV IO到达在FIV IO之下的区域。当FIV IO处于关闭状态时，FIV IO把在 阀下面的区域和在FIV上面的区域之间的连通封锁起来。环形区域或者环
4形空间ll可以被封隔器(未在图l中显示)封锁起来，所述环形空间ll位
于FIV 10的外表面和井的生产管道9之间。
如在此描述的，FIV 10包括多个传感器50、 52、 54、 56、 60、 64和66， 所述传感器测量井和FIV IO的各种属性。如下面进一步所描述的，这些属 性的示数被传递到井的地面以便确认井下状况、FIV IO的性能和FIV的状 态。根据本实用新型的一些实施例，传感器50、 52、 54、 56、 60、 64和66 通常被固定到FIV 10的外壳19上，这意味着阀50、 52、 54、 56、 60、 64和 /或66可能与外壳19是一个整体，也可能位于外壳19的内部。
应该注意的是，在此描述FIV IO是为了描述根据本实用新型实施例的 示范性井下阀。然而，应该明白的是，根据本实用新型的其它实施例，不 同于FIV阀的阔也可以装有传感器。例如，根据本实用新型的其它实施例， FIV 10的球状元件22可以由另一个阀元件比如挡板元件替换。不管特定的 阀元件如何，阀元件控制通过阀的阀座的流量以控制在阀座上面的阀的中 心通路的第一部分和在阀座下面的阀的中心通路的第二部分之间的流体 连通。而且，根据本实用新型的其它实施例，不同于在此描述的那些机构 的机构可以用来控制FIVIO。这样，根据本实用新型的其它实施例，FIV10 可以由不同设计的FIV或者另外类型的阀(比如套管阀、节流阀、安全阀 等)替换。
应该注意的是，根据本实用新型的具体实施例，在其中配置有FIV 10 的井可以用在地下井或者水下井中。另外，根据本实用新型的其它实施例， FIV IO可以位于生产管道外面。
当FIV IO首先被放置在井下适当的位置时，球状元件22可以打开(或 者可选的，下行到井眼中)以允许管柱30穿过。可选地，FIV10可以与己 经通过球状元件22的管柱30—起下行。管柱30可以包括砾石填充工具以执 行井下砾石填充操作。在砾石填充操作完成后，管柱30可以从井中抽出。
在本实用新型的一些实施例中，在砾石填充操作完成之后，球状元件 (或者其它类型的关闭机构)22被关闭。在这点上，管柱30可以包括移位 工具16 (在管柱30的下端附近)来物理关闭球状元件22。更具体地，在管 柱30的下端收回到球状元件22上面之后，移位工具16的成型部分17可以用 来接合FIV 10，从而FIV 10可以以使球状元件22关闭的方式操作。在管柱30从井中抽出和砾石填充操作完成之后，可以在井下执行压力试验。当压 力试验完结时，环形空间压力可以用来再次打开球状元件22。
这样，通常，仅作为示例，球状元件22可以通过移位(或者其它机械 方法)工具16的作用关闭，以及可以经由环形空间(或者其它液压或者机 械方法)ll中的压力打开。
根据本实用新型的一些实施例，FIV IO包括两个标引机构(index mechanism) 15和20,用于防止球状元件22非故意的打开和关闭。标引机 构15经由环形空间11中的压力被压力驱动并且防止球状元件22在没有发 生预定次数的增压/减压循环的情况下非故意的打开。标引机构20经由移 位工具16和FIV IO之间的物理接触被驱动并且防止在没有预定接合形式的 情况下球状元件22非故意的关闭。如果没有标引机构20，移位工具16的移 动或者管柱30自身的移动可能非故意地接合FIV IO的关闭机构来关闭球状 元件22而导致球状元件22过早关闭，所述过早关闭的情况可能导致管柱30 堵在球状元件22中，从而阻止管柱30从井中移出。
FIV 10可以包括一个或者多个阀操纵器以便打开和关闭球状元件22。 对于在图l中示出和在此描述的具体实施例，FIV IO包括两个这样的阀操 纵器操纵器心轴12和球阀操纵器心轴14。应该注意的是，根据本实用新 型的具体实施例，阀可以包括单个操纵器或者可以包括两个以上的阀操纵 器。这样，其它的变化是可能的并且在附加的权利要求的保护范围之内。
操纵器心轴12构造成响应于施加的管压力(也就是在生产管柱16的中 心通路中的压力)向上移动(作为示例)且在压力释放时向下移动。操纵 器心轴12的行程由标引机构15限制直到管压力增加然后降低的循环出现 预定次数。在预定次数的循环之后，标引机构15允许心轴12向下行进以接 触与球阀操纵器心轴14连接的套爪(collet)致动器13。这个接触使得球 阀操纵器14向下行进，所述球阔操纵器14向下移动操作球状元件22以使球 状元件22打开。
为了通过移位工具16来关闭球状元件22，移位工具16的成型部分17接 合套爪致动器13以使套爪致动器13上下移动。在每一个上冲程，套爪致动 器13与心轴14脱离。当心轴14向上移动足够的距离时，球阀操纵器心轴14 关闭球状元件22。然而，球阀操纵器心轴14的向上行进受到标引机构20的限制直到移位工具16使套爪致动器13上下移动达到预定次数的循环。在达 到预定次数的循环之后，在致动器13下冲程，心轴14与套爪致动器13接合 并且在上冲程时保持与致动器13接合，从而允许移位工具16向上提升心轴 达到足够的距离以关闭球状元件22。
对于图1中描述的FIV 10的更多细节可以在2003年12月16日授权的、 题为"FORMATION ISOLATION VALVE"的美国专利No, 6662877中找到，所 述美国专利No. 6662877也转让给本申请的同一受让人，并且通过引用在此 全文并入。
参考图2，根据本实用新型的一些实施例，传感器50、 52、 54、 56、 60、 64和66形成为用于井的集成传感器结构90的一部分。在这点上，传感 器50、 52、 54、 56、 60、 64和66可以与遥测接口92连接以便从传感器50、 52、 54、 56、 60、 64和66传输测量的数据到地面数据采集系统计算机110 上。根据本实用新型的一些实施例，地面计算机110可以经由串行总线96 与遥测接口92连接。然而，应该注意的是在本实用新型的其它实施例中， 可以使用其它的遥测技术以便向井上传输传感器测量结果。而且，在本实 用新型的其它实施例中，根据本实用新型的一些实施例，每一个传感器50、 52、 54、 56、 60、 64和66可以直接与串行总线96连接，由此可以包括它自 己的遥测接口。
应该注意的是，井下设备可以包括与阀没有联系的附加传感器，所述 附加传感器通过附图标记100表示。例如，其它井下组件比如封隔器可以 包括传输数据到井的地面上的传感器，以及位于井下为了测量各种温度、 压力等的附加传感器。
根据本实用新型的一些实施例， 一个或者多个FIV IO的传感器可以用 来测量在球状元件22上面和下面的管状况。这样，结合图1参考图5，根据 本实用新型的一些实施例，方法150包括测量在球状元件22上面和下面的 静态和动态的井属性(步骤152)。根据步骤154，这些测量结果可以用于 确认阀位置和阀密封状况。
作为更加具体的示例，根据本实用新型的一些实施例，传感器50例如 可以用来测量在球状元件22上面的生产管柱16中的压力；和在球状元件22 上面的压力或者温度(如示例)，并且传感器52可以用来测量在球状元件22下面的压力或者温度(如示例)。如在图l中所示，根据本实用新型的一些实施例，传感器50和52可以集成起来，由此可以被安装到FIV IO的耐压 外壳19上。结合图1参考图6，作为另一个示例，FIV 10的一个或者多个传感器50、 52、 54、 56、 60、 64和66可以用于确定球状元件22是否完全打开、完全关 闭或者处于中间位置。在这点上，根据方法170，阀操纵器的位置被测量 (步骤174)，并且这些测量结果被用来确认FIV IO是否完全打开或者完全 关闭(步骤178)。作为更加具体的示例，根据本实用新型的一些实施例，传感器54测量 阀操纵器心轴14的位置。如所示的，根据本实用新型的一些实施例，传感 器54可以集成到外壳19中。传感器54的许多可能的实施例是可能的并且在 附加的权利要求范围之内。作为示例，图3描述传感器54的实施例，所述 传感器54的实施例包括线圈80，所述线圈80被集成在外壳19中以便测量球 阀操纵器心轴14的位置。在这点上，当标引机构20允许球阀操纵器心轴14 向下移动然后打开球阀元件22时，线圈80的磁通路由于心轴14的下端的存 在而改变，这指示完全打开状态。作为本实用新型的可能的实施例的另一示例，阀操纵器14的下端可以 包括突起86，如图4中所描述的，所述突起86位于外壳19的槽84中。在这 点上，当突起86到达槽84的端部时，突起86可以与电气/电子开关(未在 图4中显示)接触以指示球阀元件22的打开。应该注意的是，根据本实用新型许多不同的和可能的实施例，图3和4 描述了用来检测阀操纵器位置的传感器的许多可能的实施例中的两个。这 样，根据本实用新型的许多可能的实施例，其它机械的、电的、光学的装 置可以用来检测和确认阀操纵器的位置。参考图l，传感器56可以用于检测球阀元件22何时处于它的完全关闭 位置。在这点上，根据本实用新型的一些实施例，当球状元件22打开时， 传感器56可以与耐压外壳19集成并且位于套爪致动器心轴13上面的位置。 然而，当标引机构20允许套爪致动器心轴13向上移动以完全关闭球阀元件 22时，传感器56提供了这个位置的检测指示。根据本实用新型的许多不同 的可能的实施例，传感器56可以具有与传感器54相似的设计，然后可以采8用上面对传感器54所描述的任何形式。
结合图1参考图7，根据本实用新型的一些实施例，根据步骤182，方 法180包括使用一个或者多个传感器来测量控制液的属性(例如压力和温 度)。这样，对于在此描述的具体的FIV 10，可以使用一个或者多个传感 器来测量通过生产管柱16传输的液体的压力(作为示例)。由于这些测量， 测量结果可以用来确认FIV IO的完整性(步骤186)。这样，与可适用于使 用的特定阀一样， 一个或者多个传感器可以测量环形空间的压力和/或温 度、管压力或控制线。传感器提供数据以否认或者确认从表面施加的压力 是否正传输到阀而产生希望的操作。
作为将传感器应用到井下阀的又一个示例，方法190可以用于测量阀 操纵机构的工作位置。在这点上，结合图1参考图8，根据本实用新型的一 些实施例，方法190包括根据步骤194测量阔操纵器在阀上的操作次数。于 是根据步骤196，使用这些测量结果来确认阀的状态。这样，由于包含了 标引机构15和20，许多机械和/或压力循环可以用于打开和关闭球阀元件 22。在这点上，如上面所描述的，移位工具16可以用于经由多次上下机械 循环来关闭阔；并且管压力可以经由多次增压/减压循环来打开阀。由于 在井的地面上的操作员可能数不清机械或者加压循环的次数；没有出现足 够的机械运动或者加压/减压等来说明(account for)特定循环，等等， 在井的地面上确认是否已经执行了所述机械或者加压循环的次数可能是 困难的。
因为一个或者多个传感器用于测量在阀上的操作，于是循环次数可以 在地面上精确地确定。作为更加具体的示例，根据本实用新型的一些实施 例，FIV 10包括测量操纵器心轴12的位置的传感器64。在这点上，在每一 个压力循环上，心轴12的位置可能递增的变化，并且这个位置可以通过传 感器64检测出来，所述传感器64在操纵器心轴12的下端的下面嵌入在耐压 外壳19内。传感器64可以具有与上面论述的传感器54和56相似的设计。另 外，传感器66可以位于套爪致动器13的上端的上面以便计算致动器13的循 环。在这点上，在通过移位工具16的作用引起的每一个机械循环上，嵌入 在耐压外壳19里面的传感器66对每一个循环确认套爪致动器13何时到达 行程的最高点。结合图1参考图9，根据在此描述的本实用新型的实施例，通常可以使用上述全部传感器50、 52、 54、 56、 60、 64和66，通过将测量结果与预计 的或先前执行的、与按预期执行的阀有关的测量结果进行比较来评价井的 完整性。更具体地，方法200可以包括根据步骤204测量阀和井的属性，比 如利用传感器50、 52、 54、 56、 60、 64和66测量在此披露的属性。然后测 量结果与已知的或预计的测量结果比较(步骤208)，然后可以基于该比较 进行校正(步骤212)。例如，基于比较的结果，辅助或者临时工具可以下 行到井下和/或被操作。在这点上，使用该比较，可以识别井下阻塞、碎 片堆积、特定摩擦增加(friction adder)和其它井下问题，这些井下问 题可以潜在性地干扰FIV IO的正确操作。这样通过监控由传感器50、 52、 54、 56、 60、 64和66提供的信号，在井的地面上的遥控装置可以保证FIV 10 的正确操作并且提高查找整个井系统的故障的能力。尽管为方便描述本实用新型的示范性实施例使用了方位和方向术语 比如"上"、"下"、"垂直"等，但是应该明白的是，为了实施提出的实用 新型，这样的方向和方位不是必须的。例如，根据本实用新型的其它实施 例，操纵器心轴12可以构造成响应于施加的管压力向下移动且当压力释放 时向上移动。作为另一个示例，根据本实用新型实施例的阀可以位于横向 井眼中。这样，可以设想出许多变化并且这些变化在附加的权利要求的保 护范围之内。尽管参照几个实施例描述了本实用新型，但是本领域普通技术人员通 过本说明书可以对实施例做出很多修改和变化。且本实用新型的权利要求 覆盖所有的这些落入本实用新型的精神实质以及保护范围内的修改和变 化。
权利要求1、一种具有集成传感器的井下井阀，包括具有中心通路的管状阀外壳；阀座，所述阀座位于中心通路中，用来限定在阀座上面的中心通路的第一部分和在阀座下面的中心通路的第二部分；和控制通过所述阀座的流量的阀元件，其特征在于，所述井下井阀还包括固定到外壳上以测量指示阀状态的属性的传感器。
2、 根据权利要求l所述的具有集成传感器的井下井阀，其特征在于， 所述传感器一体地安装到外壳上。
3、 根据权利要求l所述的具有集成传感器的井下井阀，其特征在于， 所述传感器位于外壳之内。
4、 根据权利要求l所述的具有集成传感器的井下井阀，其特征在于， 所述阀包括安全阀。
5、 根据权利要求l所述的具有集成传感器的井下井阀，其特征在于， 所述阀包括地层隔离阀。
6、 一种系统，所述系统包括管柱，所述管柱包括中心通路；和阀， 用于控制管柱的位于阀上面的中心通路的一部分和管柱的位于阀下面的 中心通路的一部分之间的流量，其特征在于，所述系统还包括安装在所述 阀附近以测量指示阀的状态的属性的传感器。
7、 根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述阀包括外壳，且 所述管柱安装在外壳上。
8、 根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述阀包括位于中心 通路内的阀座，以限定在阀上面的中心通路的所述部分和在阀下面的中心 通路的所述部分。
9、 根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述阀包括地层隔离阀。
10、 根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述阀包括安全阀。
专利摘要一种具有集成传感器的井下井阀及用于该阀的系统。该阀包括管状阀外壳、阀座、阀元件和传感器。所述阀座位于外壳的中心通路中并且限定了阀座上面的中心通路的第一部分和阀座下面的中心通路的第二部分。所述阀元件控制通过阀座的流量。所述传感器固定到外壳上以测量指示所述阀的状态的属性。所述传感器可以测量井和井阀的各种属性，这些属性的示数被传递到井的地面以便确认井下状况、井阀的性能和井阀的状态，具体也可以用于确认井阀位置和井阀密封状况。
文档编号E21B34/00GK201288528SQ200820008480
公开日2009年8月12日 申请日期2008年3月21日 优先权日2008年3月21日
发明者戴维·麦卡文 申请人:普拉德研究及开发股份有限公司