改进的防喷器的制作方法

本公开涉及一种防喷器。特别地，尽管不是排它地，本公开涉及一种用于油井或气井的防喷器。

背景技术：

用于油井或气井的防喷器(bop)是用于防止潜在的称为井喷的灾难性事件，其中来自地下地层的高压和/或不受控制的流动可以将管道(例如钻杆和井套管)、工具和流体吹出井眼。井喷对在井、钻机和环境附近工作的人员造成严重的安全危害，并且可能代价及其严重。

本领域已知的bop具有在延伸到bop壳体中时使井眼闭合的撞锤(ram)。液压地将这种撞锤推入壳体中，进而横穿井眼以关闭井眼。在一些情况下，撞锤具有硬化的钢剪，以在需要关闭井时切断可能在井眼中的钻柱或其他工具。

液压致动的撞锤需要大量的液压力来使撞锤抵抗井眼内的压力并切断钻柱或其他工具。

这种液压力通常远离防喷器产生，使得如果输送液压力的液压管线损坏，则防喷器易于失效。其他考虑因素可包括切割表面和密封表面的腐蚀，这是由于在井眼流动的情况下，撞锤的闭合动作相对缓慢而造成。切断在重压下的工具接头、钻铤、大直径管和偏心钻柱也可能使液压致动撞锤的操作更加困难。

一旦撞锤已经关闭井眼并且井已经受到控制，则撞锤可以缩回或钻通，从而可以恢复对井的操作。

本领域已知的bop具有装料推进剪切装置。使用单个装料推进剪切装置的防喷器可能具有施加到井口和相关连接器的过大弯矩。这些过大弯矩会导致井眼损坏，修复井眼损坏的代价很高。因此，对钻柱和/或井眼中的工具进行精确且完全的切割也可能不太可靠和有效。

此外，当致动装料推进剪切装置时，产生显著的反冲力。在单个装料推进剪切装置系统中，反冲是不平衡力，其使bop和井眼不稳定。

技术实现要素：

在一个方面，本发明涉及一种防喷器，其包括：包含井眼的主壳体；横向于井眼的第一腔室；横向于井眼的第二腔室，该第二腔室与第一腔室径向相对；位于第一腔室中的第一剪切装置；位于第二腔室中的第二剪切装置；和装料，当启动时，沿着其各自的腔室推动每个剪切装置并穿过井眼进入相对的腔室，使得第一和第二剪切装置彼此相邻。

在一些实施例中，第一和第二剪切装置紧邻。在一些实施例中，每个剪切装置具有主体部分，该主体部分可以有效地阻塞井眼并防止井眼的流体的质量通过井眼。优选地，每个剪切装置具有足够长度和厚度的密封面，以与井眼密封装置接合，以防止井眼流体通过。优选地，每个剪切装置具有切割边缘，该切割边缘可以切断井眼中的管状部分。优选地，切割边缘是弓形的。优选地，切割边缘由非常硬的材料制成，例如金属或陶瓷合金。

在一些实施例中，防喷器包括至少一个保持装置。通常，所述至少一个保持装置将每个剪切装置保持在腔室中的预定位置，直到在剪切装置上施加足够的力。优选地，保持装置包括剪切销装置。

在一些实施例中，装料包含化学推进剂。例如，化学推进剂可以是爆燃装料。或者，装料可以是炸药。优选地，装料由引爆器启动。例如，引爆器可以是雷管。优选地，装料包含在壳体内。或者，装料可以包含在剪切装置的一部分内。

在一些实施例中，每个剪切装置都有一个活塞。优选地，活塞邻近第一或第二腔室的一端。优选地，每个剪切装置在活塞的外边缘中具有至少一个接合构件，该接合构件适于与制动机构接合。优选地，接合构件是位于活塞外边缘处或附近的环形环。优选地，接合构件包括至少一个突起。优选地，制动机构包括至少一个相应的凹部，以接收接合构件的至少一个突起。

在一些实施例中，第一腔室和第二腔室中的每一个与井眼横向相交。优选地，第一剪切装置最初位于井眼的第一侧上的第一腔室中。优选地，第二剪切装置最初位于井眼的第二侧上的第二腔室中。

在一些实施例中，每个腔室在剪切装置的初始位置和井眼之间的相应腔室的部分中包括空间。优选地，剪切装置的初始位置与井眼之间的空间在井眼直径长度的零到四分之一之间。优选地，剪切装置的初始位置与井眼之间的空间至少与井眼直径的四分之一一样长。更优选地，剪切装置的初始位置和井眼之间的空间至少与井眼直径的一半一样长。更优选地，剪切装置的初始位置与井眼之间的空间长于井眼的直径。优选地，剪切装置的初始位置与井眼之间的空间没有液体。更优选地，剪切装置的初始位置和井眼之间的空间填充有气体。

在一些实施例中，腔室与井眼流体密封。优选地，密封件将每个腔室与井眼流体密封。优选地，密封件是同心的。优选地，密封件呈圆柱形，沿井眼的方向延伸。密封件通常是足够坚固的材料以承受井眼和腔室之间的压力差。密封件通常防止井眼流体在被剪切装置剪切之前进入腔室。优选地，第二腔室还包括滑板。优选地，滑板位于密封件附近并覆盖密封件。

在一些实施例中，防喷器包括制动机构。优选地，制动机构位于每个腔室中。优选地，活塞位于与制动机构相同的腔室中。优选地，每个活塞具有相应的制动机构。

在一些实施例中，每个活塞的制动机构位于与相应活塞相同的腔室中。优选地，制动机构位于每个腔室的与井眼相邻的一端。更优选地，制动机构位于腔室的与活塞相对的一端。优选地，每个制动机构在制动机构的外边缘中具有至少一个接合槽，该接合槽适于与活塞接合。优选地，接合槽是位于制动机构的外边缘处或附近的环形圈。优选地，接合槽具有与活塞的接合构件互补的形状。

在一些实施例中，制动机构是能量吸收机构的形式。优选地，能量吸收机构适于在剪切装置推过井眼后吸收剪切装置的能量。优选地，能量吸收机构是可弹性变形的材料。在一些实施例中，能量吸收机构包括蜂窝芯或简称“芯”。在一些实施例中，蜂窝芯或“芯”包括高密度铝、不锈钢、钛和碳纤维中的一种或多种。

在一些实施例中，防喷器还包括井眼密封装置，一旦剪切装置位于井眼上方，该井眼密封装置适于在井眼和剪切装置之间进行密封。优选地，井眼密封装置具有密封环，该密封环适于压在剪切装置的密封面上。优选地，密封环与井眼同心设置，其具有比井眼更大的直径。

在一些实施例中，防喷器连接到现有井口。更优选地，防喷器在现有井口和一个或多个标准防喷器之间成直线连接。

在一些实施例中，防喷器能够在盐水(例如海水)中以高达18,000英尺的深度操作。在一些实施例中，防喷器能够承受高达20,000psi的井眼压力。在一些实施例中，防喷器能够承受高达30,000psi的井眼压力。然而，应当理解，防喷器可以同样能够在海平面或海平面以上的海拔高度上操作。例如，防喷器可以用作表面防喷器或在陆地钻机上使用。

在另一种形式中，本公开涉及一种钻机，该钻机包括如本文所述的防喷器。

本公开的另一方面包括深水钻井船，该深水钻井船包括钻机和如本文所述的防喷器。

在另一方面，本发明涉及一种关闭位于防喷器的主壳体内的井眼的方法，该方法包括启动两个装料，以沿横向于井眼的腔室沿相反方向推进位于两个相对腔室中的两个剪切装置，使得剪切装置穿过井眼以阻止井眼流体流过井眼并且相邻。

在一些实施例中，该方法包括每个剪切装置被推进通过密封件，该密封件将腔室与井眼流体密封。

在一些实施例中，该方法包括位于剪切装置的一端的活塞，该活塞穿过腔室进入位于同一腔室中的能量吸收机构。

在一些实施例中，当启动装料时，这导致气体的快速膨胀，这使得沿着腔室的剪切装置加速，从而在剪切装置上施加动能。优选地，剪切装置沿着腔室在剪切装置的初始位置和井眼之间的空间中加速。在一些实施例中，施加在剪切装置上的动量足以剪切可能存在于井眼中的任何元件，有或没有来自作用在剪切装置上的装料的压力的辅助。

在一些实施例中，启动装料包括由响应于控制信号的引爆器启动装料。例如，化学推进剂可以由响应于液压信号或电信号的引爆器启动。化学推进剂也可以以安全的方式启动。例如，化学推进剂可以由响应于控制信号的损失的引爆器启动。

在一些实施例中，该方法包括保持剪切装置直到装料发生充分膨胀。例如，剪切销装置形式的保持装置保持剪切装置，直到装料启动后，装料发生充分膨胀(例如热气体)，这有助于剪切装置在穿过井眼之前快速加速，或接触密封件。

在一些实施例中，该方法还包括将激活的装料排放到井眼中的步骤。例如，一旦剪切装置的主体部分已经穿过井眼足够远，剩余的热膨胀气体(来自激活的装料)可以通过主体部分的上表面中的至少一个均衡口(图中未示出)向下排放到井眼中，因此，除去推进力，使剪切装置沿腔室继续向前运动，并使穿过活塞的力均衡。

在一些实施例中，该方法包括吸收剪切装置的动能的步骤。优选地，能量吸收材料吸收剪切装置的动能。能量吸收材料通常适于以预定速率逐渐压皱，因为它从剪切装置吸收能量，最终使剪切装置静止。

在一些实施例中，该方法包括在井眼和剪切装置的密封面之间进行密封，以抑制井眼流体通过防喷器的前进。在一些实施例中，井眼密封装置由外部液压力启动。在一些实施例中，外部液压力将密封环牢固地压靠在剪切装置的密封面上，以形成密封，防止井眼流体通过防喷器进一步前进。应当理解，如果要将剪切装置拉离井眼，则密封环通常从剪切装置的密封面缩回。

在一些实施例中，该方法包括将剪切装置拉离井眼的步骤。这通常在重建井控制后完成，以便可以继续进一步的井控制或恢复操作。

附图说明

图1示出了根据本公开的防喷器的示例性实施例的剖视图。

图2示出了在启动之前的防喷器的横截面视图。

图3示出了已启动的防喷器的横截面视图。

图4示出了处于最小制动状态的防喷器的横截面视图，其中剪切装置剪切了井眼。

图5示出了处于最大制动状态的防喷器的横截面视图，其中剪切装置剪切了井眼。

图6示出了防喷器的横截面视图，其中剪切装置被拉离井眼。

图7示出了防喷器的分解图。

图8示出了在启动之前的防喷器的俯视图。

具体实施方式

图1示出了根据本公开的防喷器100的示例性实施例的剖视图。防喷器100具有主壳体110，主壳体110具有通孔112。防喷器100的示例性实施例也具有第一腔室114和第二腔室116，第一腔室114和第二腔室116横向于通孔112相对并且定位。应当理解，防喷器100可以连接到井眼的靠近井眼上端的位置，例如，在套管法兰上，或在与构成bop“堆叠”的多个防喷器元件相关联的其他井封闭装置的顶部或内部。

具有活塞120和切割边缘122的剪切装置118位于通孔112的第一相对侧124的腔室114和第二相对侧126上的腔室116中。活塞120在活塞120的外边缘处具有呈环形形式的接合构件121，其适配于与制动机构接合。腔室114包括在剪切装置118的初始位置和通孔112之间的腔室114的部分空间，腔室116包括在剪切装置118的初始位置和通孔112之间的腔室116的部分空间。

在本示例性实施例中可以是化学推进剂128形式的装料位于每个剪切装置118的活塞120和点火端口130之间。化学推进剂128适于推动每个剪切装置118沿着其各自的腔室114、116并穿过通孔112进入相对的腔室114、116，如下面将更详细描述的。汽缸132形式的密封件将每个腔室114、116与通孔112流体地密封。

能量吸收机构134形式的制动机构位于最靠近通孔112的每个腔室114、116的端部。每个能量吸收机构134具有前部136，前部136在能量吸收机构134的外边缘处具有环形槽138，该环形槽138面向剪切装置118的相对应的活塞120。环形槽138具有与活塞的接合构件121互补的形状，并且一旦剪切装置118沿着腔室114、116的长度行进就容纳接合构件121。

如下面将更详细描述的，能量吸收机构134配置成吸收每个剪切装置118的动能。

现在将参照图2-6解释防喷器100的操作。图2示出了防喷器100在启动之前的示例性实施例的横截面视图。如在图2中可以观察到的，装料(例如，化学推进剂)128和剪切装置118位于通孔112的相对侧124、126上的腔室114、116中。

图2也示出了汽缸132将腔室114、116与通孔112隔离并且流体地密封。

通孔密封装置140围绕通孔112设置，这将在下面更详细地说明。能量吸收机构134位于通孔112的一侧124的腔室114和一侧126上的腔室116中。如可以观察到的，每个能量吸收机构134与能量吸收机构134将阻止的剪切装置118位于相同的腔室114、116中。

图3示出了防喷器100的示例性实施例的横截面视图，其中化学推进剂128已经由点火端口120激活。剪切装置118通过剪切销(未示出)保持就位，直到在化学推进剂128激活之后已经发生了足够的热气体膨胀。

一旦在化学推进剂128激活之后已经发生了足够的热气体膨胀以引起压力剪切剪切销(未示出)，剪切装置118沿腔室114、116朝向汽缸132和通孔112加速。

当剪切装置118沿着腔室114、116加速并开始剪切气缸120时，剪切装置118也将剪切存在于通孔112中的任何井眼管件、工具、钻柱等。剪切装置118在通孔112中相继穿过。

图4示出了处于最小制动状态的防喷器100的横截面视图，其中第一剪切装置118与滑板142已经连接，并且活塞120与能量吸收机构134已经接合。滑板142覆盖并保护通孔密封装置140。如图所示，剪切装置118彼此紧邻并且剪切装置118与剪切装置118之间的小间隙紧密接触。在操作中，一旦从井眼由下施加压力，剪切装置118将可能紧密接触。

剪切装置118的活塞120已经与能量吸收机构134接合并且已经开始被能量吸收机构134制动而不会使能量吸收机构134显著变形。

图5示出了处于最大制动状态的防喷器100的横截面视图。剪切装置118与能量吸收机构134的滑板142已经连接。在所示的图中，剪切装置118不必剪切包含在通孔112中的任何重质材料，因此需要最大程度的制动。结果，活塞120已经使能量吸收机构134接合并变形，以阻止剪切装置118的加速。

能量吸收机构134将剪切装置118保持在这样的位置，使得每个剪切装置118的密封面(未示出)与通孔密封装置140充分对齐。一旦剪切装置118与通孔密封装置140充分对齐，密封装置140将密封环(未示出)牢固地压靠在剪切装置118的密封面(未示出)上，以阻止井眼的流体流过通孔112，从而保护井。一旦井得到保护，井控制操作(例如扼流和压井作业)就可以开始。在一些实施例中，能量吸收机构134可包括蜂窝或芯。在一些实施例中，蜂窝或芯包含高密度铝、不锈钢、钛和碳纤维中的一种或多种。

如图6所示，一旦重新建立了井控制，就可以停用防喷器100。如图6所示，密封装置144使剪切环(未示出)从剪切装置118的密封面(未示出)缩回，并且将剪切装置118拉离通孔112。

图7示出了防喷器100的示例性实施例的分解图。

图8示出了防喷器100在启动之前的俯视图。图8更清楚地示出了剪切装置118的切割边缘122的弧形形状。

根据本公开制造的防喷器的可能的优点在于，可以在不必产生液压力的情况下启动防喷器，所述液压力液压地推动撞锤穿过通孔以封闭通孔。相反，关闭通孔所需的能量包含在需要它的防喷器中的装料中。通过剪切销将剪切装置118保持在适当位置的可能的优点在于，一旦化学推进剂128的膨胀气体已经产生了足够的力，这有助于剪切装置118沿着腔室114、116的快速加速。

使气缸130将腔室114、116与通孔112隔离并且流体地密封的可能的优点在于，剪切装置118可以沿着腔室114、116加速，不受井眼的流体或其他液体的阻碍，直到剪切装置118开始剪切气缸130。

在剪切装置118的初始位置和通孔112之间具有空间的可能的优点在于，剪切装置118达到足够的速度来剪切设置在通孔112内的任何装置。

使用能量吸收机构134的可能的优点在于，剪切装置118的过量动能不会直接转移到防喷器100的结构部分中。

将剪切装置118拉离通孔112的可能的优点在于，剪切装置118不必钻通就可以重新开始井眼操作。

根据本公开的防喷器的可能的优点在于，使用两个相邻的剪切装置可以提供两个相反的力，这两个相反的力最小化反冲，并且有效地抵消反冲。

另一个可能的优点在于，通过使用从第一剪切装置的相对侧起作用的第二剪切装置，减小了施加在井口上的弯矩。实际上，两个剪切装置“剪开”通孔。

另一个可能的优点在于，滑板142在剪切阶段期间覆盖并保护通孔密封装置140免受碎屑和损坏，然后在制动阶段期间打开以确保可以致动密封件。

另一个可能的优点在于，活塞和能量吸收机构的较大圆周提供了更有效的制动系统。

前述实施例仅说明了根据本发明的防喷器的原理，并且本领域技术人员将容易想到各种修改和变化。如本文所述的防喷器能够以各种方式并且在其他实施例中制造和使用。例如，来自一个实施例的各个特征可以与另一个实施例组合。还应理解，本文采用的术语是出于描述的目的，不应视为限制。尽管上面仅详细描述了几个示例，但是本领域技术人员将容易理解，在实施例中可以进行许多修改。因此，所有这些修改旨在包括在如以下权利要求所限定的本公开的范围内。