СКВАЖИННАЯ ГИДРАВЛИЧЕСКАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ С ОТКАЗОУСТОЙЧИВЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ (ВАРИАНТЫ)
WELL HYDRAULIC CONTROL SYSTEM WITH FAIL-SAFE CHARACTERISTICS (VERSIONS)

Область техники
Настоящее изобретение относится к системам управления скважинных приборов, таких как скважинные предохранительные клапаны-отсекатели, шаровые клапаны, скользящие муфты или, к примеру, скважинные трубные подвески, а говоря более конкретно, к свойствам таких систем, которые позволяют предохранительным клапанам переходить в режим защиты от отказов в случае неисправности компонента системы.
Предпосылки создания изобретения
Скважинные предохранительные клапаны-отсекатели используются в буровых скважинах для их закрытия в случае не поддающихся контролю условий эксплуатации, чтобы обеспечить безопасность надземного персонала, предотвратить имущественный ущерб и загрязнение окружающей среды. Обычно эти клапаны содержат створку (заслонку), которая является закрывающим/уплотнительным элементом и устанавливается на оси с возможностью проворачивания на угол величиной 90 градусов между "открытым" и "закрытым" положениями. Полая так называемая "расходная труба" воздействует в направлении вниз на створку, чтобы обеспечить ее проворачивание и перемещение из седла позади трубы. Такое положение называется "открытым". Когда же расходная труба отводится обратно, створка под воздействием пружины, насаженной на ее поворотную ось, поворачивается, возвращаясь в "закрытое" положение в седле, имеющем соответствующую аналогичную с ней форму.
Расходная труба приводится в действие гидравлической системой управления, которая включает линию управления, проходящую от поверхности к одной стороне поршня. Увеличение давления в линии управления перемещает поршень в одном направлении и сдвигает вместе с ним расходную трубу. Это перемещение сжимает запирающую пружину, размер которой обычно подбирается таким образом, чтобы компенсировать гидравлическое давление в линии управления, потери на трение уплотнений поршня и вес компонентов, которые должны быть перемещены в противоположном направлении, чтобы сдвинуть расходную трубу вверх прочь от створки, так чтобы она могла переместиться в "закрытое" положение.
Обычно является желательным, чтобы створка перемещалась в "закрытое" положение в случае отказов в гидравлической системе управления, а также во время нормальных эксплуатационных условий в случае потери или исчезновения давления линии управления. Необходимость соответствовать требованиям нормальных эксплуатационных условий и условий работы в "режиме отказа" системы управления, нечувствительной к трубному давлению (давлению в колонне насосно-компрессорных труб, НКТ), особенно в случае глубоко расположенных предохранительных клапанов, представляло собой сложную задачу в прошлом. В результате появилось множество методов, которые увеличили сложность конструкции таких систем посредством добавления элементов, которые обеспечивают устойчивость систем к отказам вне зависимости от протечки любого из их уплотнений. Некоторые из таких систем используют совмещения управляющих поршней и несколько резервуаров для сжатого газа, в то время как другие требуют наличия множественных линий управления с поверхности, чтобы частично компенсировать гидростатическое давление линии управления. Некоторые из недавних примеров таких попыток приводятся в публикациях US 6427778 и 6109351.
Несмотря на эти попытки все еще актуальной остается задача создания нечувствительной к трубному давлению системы управления глубинных предохранительных клапанов, которая бы обладала большей простотой, увеличенной надежностью и более низкой стоимостью изготовления. Настоящее изобретение представляет весьма упрощенную конструкцию с небольшим количеством путей протечки и перемещаемых компонентов. Ее отличительным признаком является наличие одиночной линии управления к поверхности и значительное уменьшение воздействия гидростатического давления в этой одиночной линии благодаря паре противоположно направленных поршней разного диаметра, которые перемещаются совместно (в тандеме) в отдельных резервуарах. Давление линии управления воздействует на одну сторону каждого поршня, а противоположные стороны каждого поршня сообщаются друг с другом (контактируют друг с другом посредством находящейся в резервуаре сжимаемой жидкости), хотя также предусматривается возможность применения и других видов текучих сред. Эти и другие особенности изобретения будут более понятны специалистам из описания предпочтительного варианта осуществления изобретения и прилагаемого чертежа, при этом понимается, что объем притязаний определяется формулой изобретения.
Сущность изобретения
Предлагается система управления скважинного предохранительного клапана-отсекателя при нормальных условиях эксплуатации, предусматривающих "открытое" и "закрытое" состояния клапана, а также с функционированием в режиме защиты от неисправности, который задействуется в случае сбоя в работе базовых компонентов системы. Ее характерной чертой является наличие одиночной линии управления с поверхности, которая разделяется у скважинного предохранительного клапана-отсекателя и проходит к одному концу двух отдельных поршневых камер, которые предпочтительно находятся на одной линии. Поршень в одной камере больше, чем другой, при этом поршни соединены друг с другом для осуществления одновременного перемещения. Каждый поршень имеет закрепленное на нем уплотнение (поршневое кольцо), а также уплотнение прикрепленного к нему поршневого штока, который выходит из поршневой камеры. Перепускной трубопровод соединяет поршневые камеры в точке между уплотнениями в каждой камере и содержит резервуар. Перепускной трубопровод может быть заполнен сжимаемой жидкостью или иной текучей средой. Запирание клапана при отказе системы происходит в случае нарушения герметичности любого из четырех уплотнений.
Краткое описание чертежей
Ниже изобретение более подробно рассмотрено со ссылкой на прилагаемый чертеж, на котором представлена схема системы управления при "закрытом" положении створки клапана.
Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения
Для подробного описания изобретения скважинный предохранительный клапан-отсекатель будет изображен схематически, поскольку изобретение сосредоточено на системе, управляющей работой клапана. На фигуре представлена створка 10, проворачивающаяся на штифте 12. Расходная труба 14 имеет перемычку 16, которая используется для перемещения расходной трубы 14 к створке 10 для проворачивания ее из изображенной позиции в "открытую", в которой она повернута на 90 градусов относительно изображенного положения. В случае изображенной позиции створка 10 опирается на дополнительное уплотнение (не показано) при помощи пружины (не показана), обычно закрепленной на штифте 12. Запирающая пружина 18 упирается в перемычку 16 и благодаря этому отодвигает расходную трубу 14 от створки 10, чтобы позволить створке провернуться на 90 градусов до занятия "закрытой" позиции. Эти схематически изображенные компоненты представляют собой основные элементы известных скважинных предохранительных клапанов-отсекателей и служат "окружением" для предмета изобретения в связанной с ними системе управления.
Целью системы управления является воздействие на створку 10 при перемещении ее от изображенной "закрытой" позиции к "открытой" путем использования некоторых из описанных ранее компонентов системы. Линия управления 20 проходит от схематически изображенной поверхности 22. При этом линия 20 подразделяется на участки 24 и 26. Корпуса 28 и 30 поршней предпочтительно располагаются на одной линии. Участок 26 входит во впускное отверстие 32 корпуса 28. Участок 24 входит во впускное отверстие 34 корпуса 30.
Поршень 36 в корпусе 28 имеет уплотнение 38 верхней камеры управления и соединительную тягу 40, которая проходит через отверстие 42 и имеет уплотнение 44 верхней части трубы. Поршень 36 делит отверстие под поршневой шток на две камеры 46 и 48. Камера 46, являющаяся верхней камерой давления, сообщается с впускным отверстием 32, в то время как камера 48, являющаяся нижней камерой давления, сообщается с отверстием 50.
Внутри корпуса 30 находится поршень 52, который имеет уплотнение 54 нижней камеры управления и соединительную тягу 56. Тяга 56 выходит из корпуса 30 через отверстие 58, уплотненное герметичным уплотнением 60 нижней части трубы. Поршень 52 делит корпус 30 на камеры 62 (нижнюю камеру давления) и 64 (верхнюю камеру давления). Участок 24 линии управления входит в камеру 64 через входное отверстие 34. Камера 62 имеет отверстие 66.
Нечувствительность к трубному давлению (в НКТ) или к балансу давления в контексте скомбинированных размеров тяги 40 и ее уплотнения 44 с одной стороны и скомбинированных размеров тяги 56 и ее уплотнения 60 с другой стороны определяется как близость в площадях их поверхностей, которая может включать расхождение площадей величиной до 10%.
Отверстия 50 и 66 соединены линией 68, которая дополнительно содержит резервуар 70 большего объема. Линия 68 и резервуар 70 предпочтительно заполняются сжимаемой текучей средой, такой как воздух или азот, к примеру, на поверхности при сборке компонентов конструкции. Также могут быть использованы другие виды текучих сред или жидкостей.
Хотя в данной конструкции может быть использована соединительная муфта 72, ее наличие не является обязательным. Соединительная муфта 72 позволяет осуществлять легкое соединение тяг 40 и 56. Одним из способов достижения этого является применение Т-образного конца на муфте 72, который может, скользя, входить в соответствующее отверстие (приемник) в конце тяги 56. Другой конец соединительной муфты 72 может иметь резьбу, или штырь, или иное соединение, позволяющее крепить его к тяге 40, при этом другими неограничивающими примерами являются шарнирные конфигурации или конфигурации типа универсального шарнира. Такая конструкция допускает определенное смещение тяг 40 и 56 относительно друг друга, соответствующее предпочтительным производственным допускам. Более выраженное смещение также может быть использовано в случае тяг 40 и 56 или в случае соединительной муфты 72.
В случае предпочтительного примера осуществления изобретения поршни 36 и 52 являются плунжерными поршнями, которые выровнены относительно друг друга для облегчения соединения тяг 40 и 56. Диаметр поршня 36 больше диаметра поршня 52 по причине, которая будет объяснена при рассмотрении работы и различных состояний отказа системы. Хотя плунжерные поршни являются предпочтительными, могут использоваться и другие типы поршней, такие как, к примеру, кольцеобразные поршни. Поскольку диаметры поршней неодинаковы, заданное перемещение поршней к створке 10 уменьшает объем камеры 48, в то время как объем камеры 62 возрастает. Это может привести к росту давления в этих камерах, поскольку давление сжимаемой текучей среды в перепускном трубопроводе 68 увеличивается в результате уменьшения объема при перемещении поршней в направлении створки 10. Добавление резервуара 70 минимизирует этот всплеск давления, который мог бы нарушить нормальное функционирование системы управления. С помощью резервуара 70 уменьшение объема в результате перемещения поршня приводит к незначительному увеличению давления в камерах 48 и 62.
Несмотря на то, что одиночная линия 20 управления проходит вниз от поверхности 22, воздействие гидростатического давления линии управления уменьшается, поскольку то же самое гидростатическое давление воздействует в направлении вниз на поршень 36 в камере 46 и в направлении вверх на поршень 52 в камере 64. Величина управляющего давления, необходимого для открытия клапана-отсекателя, уменьшается еще более, поскольку трубное давление является сбалансированным по причине одинакового размера уплотнений 44 и 60. Таким образом, для управляющего давления не является обязательным преодоление трубного давления до сжатия пружины для открытия клапана. Поскольку поршни 36 и 52 имеют разные диаметры, результирующая сила, воздействующая на них, представляет собой силу гидростатического давления, воздействующую на разницу их площадей, которая согласно предлагаемой конструкции является весьма небольшой. Тем не менее, именно эта разница в площадях поршней отвечает за результирующую силу, когда давление повышается в линии 20 для перемещения поршней к створке 10 с тем, чтобы открыть клапан-отсекатель посредством воздействия плеча 74 на перемычку 16 и преодоления силы пружины 18. Пружина 18 сконструирована таким образом, чтобы преодолеть результирующую силу гидростатического давления, как это описывается выше, силу трения в поршне и уплотнений соединяющей тяги, равно как и вес поршней и соединяющих их тяг, а также чтобы служить добавочным фактором безопасности конструкции.
Соответствующим образом для того, чтобы открыть створку 10, возрастание давления в линии 20 преодолевает сопротивление пружины 18, а плечо 74 давит вниз на перемычку 16, перемещая расходную трубу 14 к створке 10 и проворачивая ее на 90 градусов прочь от места посадки (не показано) к месту позади перемещенной расходной трубы 14. Чтобы обычным образом закрыть створку 10, давление в линии 20 уменьшается так, чтобы позволить пружине 18 преодолеть результирующую силу гидростатического давления, силы трения и веса, описанные выше, чтобы переместить расходную трубу 14 назад вверх, что позволяет пружине (не показана) створки провернуть ее на 90 градусов для помещения в "закрытую" позицию в месте посадки (не показано).
Состояния отказа могут возникнуть одним из четырех путей, что зависит от того, герметичность какого из четырех уплотнений 38, 44, 60 или 54 будет нарушена. Если нарушена герметичность уплотнения 38, то давление в камере 46, которая контролирует давление линии управления в линии 20, передается в камеру 48 от камеры 46, что выравнивает силы давления, воздействующие на поршень 36. Камера 48 также сообщается с камерой 62 через перепускной трубопровод 68. Это передает давление от участка 26 в камеру 62 и то же самое давление от участка 24 в камеру 64. После этого силы давления, воздействующие на поршень 52, выравниваются. Когда же силы, воздействующие на оба поршня, выравниваются, пружина 18 закрывает створку 10 посредством перемещения вверх расходной трубы 14.
Если нарушается герметичность уплотнения 54, давление из линии 20 управления через участок 24 проходит в обе камеры 64 и 62, выравнивая силы, воздействующие на поршень 52. По причине наличия перепускного трубопровода 68 давление в камере 62 аналогично давлению в камере 48. Таким образом, давление из участка 24 передается полностью в камеру 48, в то время давление, аналогичное давлению в участке 24, передается в камеру 46 через участок 26. И вновь силы давления, воздействующие на оба поршня, уравниваются, а пружина 18 перемещает расходную трубу 14 вверх, позволяя створке 10 провернуться на 90 градусов до "закрытой" позиции, изображенной на фиг.1.
Если нарушается герметичность уплотнения 44, трубное давление попадет в камеру 48 и через перепускной трубопровод 68 также попадает и в камеру 62. Если герметичность уплотнения будет нарушена значительным образом, то даже при воздействии давления в линии 20 возникнет несбалансированная результирующая сила в результате наличия трубного давления в камерах 48 и 62, которая будет возрастать до того момента, как комбинация этого несбалансированного давления, возникающего в результате разницы в размерах поршней 36 и 52, переместит поршень вверх в "закрытую" позицию в комбинации с воздействием пружины 18, которая заставит расходную трубу 14 переместиться вверх, чтобы позволить створке 10 провернуться на 90 градусов до "закрытой" позиции.
Если нарушается герметичность уплотнения 60, то трубное давление напрямую попадает в обе камеры 62 и 48 через перепускной трубопровод 68. То же самое произойдет и при нарушении герметичности уплотнения 44, как было описано выше.
Специалисты оценят весьма простой вариант конструкции системы защиты от неисправностей. Одиночная линия управления, которая разделяется и подсоединяется к камерам высокого давления, которые изолированы от трубного давления и состоят из противоположно направленных поршней разных размеров, позволяет использовать для функционирования системы лишь весьма незначительную результирующую силу гидростатического давления от линии управления. Сила такого давления может легко быть компенсирована должным подбором размера возвратной пружины 18, которую не требуется подбирать таким образом, чтобы она компенсировала полную силу гидростатического давления линии управления, и при этом не требуется компенсировать силу трубного давления на клапан-отсекатель, поскольку конструкция предлагаемой системы исключает такую необходимость посредством уравновешивания трубного давления на внутренних уплотнениях 44 и 60. Подобным образом разный размер поршней позволяет открывать створку посредством прилагаемой силы давления в линии управления до момента, когда неуравновешенная сила, воздействующая на два поршня, становится достаточно большой, чтобы преодолеть силу возвратной пружины 18. Перепускной трубопровод 68 соединяет камеры низкого давления 48 и 62, чтобы содействовать одновременному перемещению поршней 36 и 52, а также служит проводником для уравновешивания давления, воздействующего на поршни, если нарушается герметичность уплотнений 38 или 54. Если же нарушается герметичность какого-либо из уплотнений 44 или 60, трубное давление попадает в обе камеры низкого давления 48 и 62 и с помощью поршня 36, размер которого превышает размер поршня 52, заставляет оба поршня переместиться вверх в результате воздействия в этом направлении несбалансированной результирующей силы, в результате чего створка 10 может закрыться. Резервуар 70 устраняет значительный всплеск давления благодаря уменьшению полезного объема между камерами 48 и 62 по мере того, как поршни перемещаются для открытия створки 10. Большой объем резервуара 70 относительно линии 68 и уменьшение объема в результате операции открытия створки предотвращает возрастание давления, что, если бы имело место, могло бы воспрепятствовать открытию клапана-отсекателя так же, как нарушение герметичности уплотнений 44 или 60 влекло бы за собой перемещение системы управления в "закрытую" позицию створки.
В то время как на чертежах изображена одна пара поршней, могут применяться несколько пар поршней. При этом могут использоваться поршни, имеющие полностью или частично округлые формы, либо они могут применяться в комбинации с плунжерными поршнями. Опциональным образом перемычка 16 может напрямую крепиться к штокам 40 или 56 для перемещения расходной трубы в противоположных направлениях.
В то время как система управления объяснена в контексте скважинного предохранительного клапана, она может быть использована и в случае других скважинных инструментов, где конечный управляемый элемент конструкции отличается от расходной трубы, перемещающей створку, что является лишь просто специфическим исполнением изобретения. Поршни могут перемещать втулку или посадочные клинья или элемент пакера, которые названы здесь в качестве примеров некоторых конечных управляемых элементов конструкции.
Вышеприведенное описание является пояснением предпочтительного варианта осуществления изобретения и специалистами могут быть осуществлены множественные модификации без отхода от изобретения, чей объем должен определяться буквальным и эквивалентным объемом нижеприведенной формулы изобретения.