專利名稱：提升立管控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種提升立管控制裝置，該裝置特別設(shè)計用于與海底石油和氣體裝置中的油井的短管或水平采油樹連接。
背景技術(shù)：
過去十年，人們已經(jīng)注意到，海底采油系統(tǒng)的利用成為開采近海石油和氣田的選擇方式。這些系統(tǒng)的利用比基于平臺的傳統(tǒng)方法無論在經(jīng)濟(jì)效益上還是在油藏管理上均具有顯著的優(yōu)越性。海底采油系統(tǒng)的顯著階躍變化在于引入了短管或水平采油樹。由于能夠利用大孔徑鉆孔以及隨后的多個橫向油井完成采油作業(yè)，因此引入這種設(shè)備使得充分開采海底油田所需的油井?dāng)?shù)量大幅度減少。由于能夠完成并干預(yù)通過傳統(tǒng)鉆井提升立管和防噴器(BOP)進(jìn)行的操作，因此這些系統(tǒng)的基建費用和作業(yè)費用也得以降低，所述防噴器與通常與常見的海底采油樹相連的雙骨架提升立管對立。
目前，許多利用水平采油樹開發(fā)的油田正向開采的第二階段移動，并從而移入干預(yù)(intervention)階段，即廣泛的生產(chǎn)測井程序，繼其之后為分析補(bǔ)救作業(yè)，例如再穿孔和封水作業(yè)，這些操作的要求和難度隨著開發(fā)和計劃開發(fā)的油藏的復(fù)雜性增加而增加。完全處于天然狀態(tài)的油井具有起伏穿過開采層段的較長的水平段，需要在加壓的剛性盤管上配置用于干預(yù)作業(yè)的工具。在海底環(huán)境中配置這種設(shè)備的關(guān)鍵作用在于海底LRP能夠切斷干預(yù)管柱并隔離油井。目前用于這種服務(wù)的油井隔離裝置是基于在井下安全閥中所使用的確定技術(shù)，其具有為一球閥的初級切斷裝置，以及為一球閥或擋板閥的初級密封裝置。
通過利用球閥來提供切斷功能是這類應(yīng)用特有的功能，因為切斷作業(yè)通常是由防噴器(BOP)來進(jìn)行的，它具有顯著的優(yōu)越性，切斷效率大得多，并且?guī)r屑容許誤差也大得多，密封可靠性得以提高。
對于干預(yù)行為的另一重要影響便是能夠從輕型浮式平臺(vessel)配置干預(yù)系統(tǒng)并進(jìn)行操作。
在形成水平采油樹的階段，規(guī)定干預(yù)作業(yè)將從鉆機(jī)通過提升立管/防噴器(BOP)進(jìn)行，大量的井孔工作通過提升立管和LRP進(jìn)行。但是，利用常規(guī)浮式平臺意味著不僅作業(yè)費用較高，而且由于生產(chǎn)設(shè)施和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)內(nèi)部及周圍的停泊復(fù)雜性增加也使得費用增加。為此，許多研究已致力于確定從輕型半潛式平臺或單船體平臺進(jìn)行干預(yù)作業(yè)的經(jīng)濟(jì)性和作業(yè)完整性。這些平臺的尺寸使得不可能使用海底提升立管和防噴器(BOP)疊層組件，需要配置類似于常規(guī)采油樹干預(yù)作業(yè)中所用的水下防噴管(lubricator)系統(tǒng)。在進(jìn)行這些操作的過程中，油井控制是通過包含在干預(yù)系統(tǒng)內(nèi)的阻隔器和采油樹的組合實現(xiàn)的。這使得油井可容度完全為靈活彈性狀態(tài)，甚至使得干預(yù)設(shè)備、以及包含在提供油井隔離的采油樹的豎向鉆孔內(nèi)的閥門完全收回。
但是，當(dāng)在無豎向隔離能力的水平采油樹上進(jìn)行類似的操作時(油管懸掛器以及采油樹蓋塞均被取下以允許干預(yù)管柱進(jìn)入)，唯一可利用的豎向隔離是包含在干預(yù)系統(tǒng)自身中的。在正常環(huán)境的情況下，這滿足了公認(rèn)的阻隔器原理，但是卻不可能將干預(yù)設(shè)備取下或配置用于壓井或打撈作業(yè)的防噴器(BOP)。為了提高水平采油樹輕型干預(yù)作業(yè)的完整性，許多種構(gòu)思方案提出在干預(yù)作業(yè)期間均允許使用鉆孔防噴器(BOP)，例如使用一連接器、剪切閘板和連接器短管(剪切閘板在干預(yù)系統(tǒng)運行以及牽引期間對油井進(jìn)行隔離)，或使用具有整體內(nèi)部閥門的連接器和短管，所述內(nèi)閥可液壓關(guān)閉，使得干預(yù)系統(tǒng)取回并且使得防噴器(BOP)組合裝置運行。但是，兩種系統(tǒng)使得干預(yù)系統(tǒng)的重量明顯增加，從而需要比通常與輕型干預(yù)技術(shù)相關(guān)的那些平臺大得多的平臺。另一缺陷在于，在采油樹和井口處引發(fā)的彎曲力矩隨短管和輔助連接器的重量和長度增加而顯著增加，從而使得該系統(tǒng)只能用于良性環(huán)境，其它場合不可使用。

發(fā)明內(nèi)容
為了避免上述防噴器(BOP)和球閥方案的以上缺陷，同時為了讓短管和水平采油樹的優(yōu)點得到充分利用，發(fā)明人開發(fā)了一種本發(fā)明的提升立管控制裝置，該控制裝置可重現(xiàn)常規(guī)LRP的功能，具有控制(安全隔離)和斷開油井的功能。
用于此目的的原始系統(tǒng)是從八十年代早期引入的用于勘探和鑒定作業(yè)的設(shè)備開發(fā)而來，所述作業(yè)的持續(xù)時間通常較短，并且在完成狀態(tài)中所經(jīng)歷的存貨循環(huán)次數(shù)無需非常多。因此，用于此特殊應(yīng)用場合的早期系統(tǒng)未提供所需的利用率，并且相當(dāng)多的開發(fā)工作擴(kuò)展到提供一種滿足利用率和整體性要求的系統(tǒng)。
本發(fā)明的特征在于如所附權(quán)利要求1中所限定的特征。
本發(fā)明的優(yōu)選方案進(jìn)一步由所附從屬權(quán)利要求2-5進(jìn)行限定。


下面，將通過實施例并參照附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述，其中圖1示出了具有水平采油樹和常規(guī)BOP系統(tǒng)的提升立管下部的縱向(豎向)橫斷面圖；圖2示出了具有水平采油樹并且在所述采油樹上方設(shè)有本發(fā)明的提升立管控制裝置的提升立管下部的縱向(豎向)橫斷面圖；圖3示出了同一提升立管控制裝置的大比例橫斷面圖(附圖待修改)，圖中示出了頂截面以及“側(cè)”截面(以另一橫截面角度)。
圖4示出了提升立管控制裝置從開啟到關(guān)閉位置的a)、b)和c)三種連續(xù)狀態(tài)。
具體實施例方式
如圖1所示的常規(guī)BOP系統(tǒng)的特征在于一對位于水平對置的殼套(pocket)內(nèi)的柱塞(ram)32，所述殼套與豎向鉆孔(油井)或提升立管11成90度布置。為了閉合，柱塞朝彼此移動并在內(nèi)孔的中心處會合。柱塞約有40％的長度留在每一殼套內(nèi)以提供抵抗因壓力而引起的端部荷載的結(jié)構(gòu)支撐。整體密封是通過沿柱塞的水平直徑方向橫穿每一柱塞的表面、并且橫穿與相對的水平支腿相連的頂部o/d(外徑)的一連續(xù)彈性材料密封得以實現(xiàn)，整體密封是通過柱塞表面及柱塞殼套內(nèi)的彈性體部件的接觸得以實現(xiàn)。該系統(tǒng)的主要缺陷在于，當(dāng)柱塞關(guān)閉從而增加有效的密封整體性時，柱塞總面積的50％受到壓差影響。在表面下應(yīng)用(以及大多數(shù)的地面技術(shù)申請)中，柱塞由安裝于柱塞和殼套的軸線上的活塞液壓驅(qū)動，活塞經(jīng)一致動桿與每一柱塞的外面相連。該致動桿的區(qū)域受到井孔壓力的作用，并且隨后產(chǎn)生一軸向向外(開啟的)的力作用在系統(tǒng)上，從而需要設(shè)置某種形式的鎖定系統(tǒng)(楔形鎖緊器)以避免柱塞在液壓系統(tǒng)出現(xiàn)故障時不慎打開。可以看出，BOP系統(tǒng)設(shè)計需要相當(dāng)大的寬度與i/d(內(nèi)徑)的比率來有效發(fā)揮作用，通常約為8至10。因此，盡管由BOP系統(tǒng)提供的作業(yè)完整性已經(jīng)提高，但是外部包殼顯然使得不可能使用這種技術(shù)。
如上所述，圖2示出了具有水平采油樹12并且在上述采油樹上方設(shè)有本發(fā)明的提升立管控制裝置10的提升立管11下部的縱向(豎向)橫截面圖。從圖中可以看出，提升立管控制裝置10與采油樹在(常規(guī))封閉閥13之下的提升立管的端部處直接相連。
下面參見圖3，圖中示出了正常工作(打開)狀態(tài)中的本發(fā)明的提升立管控制裝置10。主體由上殼體1和下殼體2這兩段組成。上殼體包含位于在上、下殼體的分界面之間所形成的腔室3內(nèi)的柱塞6。加工成形于每一柱塞下表面內(nèi)的是一三通管(tee)形狹槽4，其平行于柱塞的軸線延伸。形成于剪切刀片7上部上的一配套栓塞(spigot)5配合入柱塞下表面內(nèi)的狹槽4中。這使得剪切刀片相對于柱塞6以一預(yù)定的直線距離自由移動。移動的距離取決于柱塞栓塞(狹槽)的長度和連接于柱塞的背板的厚度。在剪切刀片相對于栓塞的對立面上，平行于柱塞的軸線形成一具有一中心孔的凸緣，該中心孔相對于柱塞和剪切刀片軸線成90度而穿過該凸緣。剪切刀片的翼緣安裝在形成于平移梁8上部的兩個相同的凸緣15之間，并且通過將一固定銷16插入所有三個凸緣的孔內(nèi)而被鎖定于適當(dāng)?shù)奈恢?，從而可有效地將平移?的直線運動傳送至剪切刀片/柱塞組件上，同時可將平移梁8的豎向運動吸收成為旋轉(zhuǎn)分量。
平移梁8的下端與一雙法蘭叉17中的上端相同，所述雙凸緣叉臂各具有一與平移梁的主軸線成90度的中心孔。這些凸緣配合在一形成于活塞桿9上部的相應(yīng)凸緣18上，并通過插入一固定銷19而被固定，所述固體銷與上部的叉用的一樣。該凸緣叉組件雖然與使得水平和豎向運動分量轉(zhuǎn)變成總的水平運動的上面的組件一樣，但是它將活塞桿9的豎向運動分成水平和豎向分量。
因此，兩個轉(zhuǎn)動鉸鏈20、21在平移梁8的相對端處的綜合作用將活塞桿9的豎向運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹?剪切刀片組件的總的水平運動。
使得柱塞6完全開啟和關(guān)閉所需的水平分量所需的豎向位移量不僅取決于平移梁8的長度，還取決于轉(zhuǎn)動鉸鏈20、21的初始偏移角。應(yīng)當(dāng)注意的是，平移梁的長度越長，則獲得水平分量來實現(xiàn)完全閉合所需的豎向移動便越少。這種與常規(guī)線性系統(tǒng)相反的柱塞6的操縱方法的顯著優(yōu)勢在于，由于柱塞的移動與致動器的豎向移動相反，從而在行程的切割和密封階段的過程中提供了相當(dāng)可觀的機(jī)械效益，結(jié)果使得切割和密封整體性提高。
在正常工作過程中，柱塞/切割器6、7的致動系統(tǒng)為液壓操作，但也可利用其他形式的原動力。液壓傳動系統(tǒng)是一種裝配于外部的有效的自持式裝置。如果需要，它允許系統(tǒng)快速修復(fù)。組成8的主要部件可限定如下內(nèi)部芯軸22、活塞桿9、環(huán)形活塞23、平衡活塞24、中間密封托架25、托架固定器26、芯軸固定器27、以及固定器鎖定環(huán)28。
一旦裝配完畢，驅(qū)動器組件被置入下殼體內(nèi)，并通過將固定器鎖定環(huán)裝入下殼體2的內(nèi)螺紋內(nèi)而就地鎖定。該組件的安裝使得在該組件內(nèi)有效形成兩個獨立的液壓室。上液壓室29形成于內(nèi)部芯軸22的下表面與環(huán)形活塞23的上表面之間。上液壓室30形成于環(huán)形活塞23的下表面與中間密封托架25的上表面之間。位于下殼體2的外壁內(nèi)的液壓管道31通過端口通入相應(yīng)的液壓室內(nèi)。上液壓室29打開導(dǎo)管作為開啟室，液壓作用于上液壓室29而在環(huán)形活塞23的兩側(cè)產(chǎn)生一動力差，從而形成促使活塞23沿向下的方向移動的原動力。
隨后，與環(huán)形活塞23連接的活塞桿9通過螺紋24牽引著平移梁的下部接合點隨其向下移動，該移動被轉(zhuǎn)變?yōu)榧羟械镀?和柱塞6組件的水平運動，促使各自運動至開啟位置。
通過液壓管道供應(yīng)的下液壓室30起到閉合系統(tǒng)的作用，經(jīng)該管道施加的液壓作用于環(huán)形活塞23的下表面上而產(chǎn)生一壓差，該壓差轉(zhuǎn)變?yōu)橐辉瓌恿Υ偈够钊?3、并從而促使活塞桿9和平移梁8的下部接合點21向上運動。豎向運動通過平移梁的上部和下部接合點被轉(zhuǎn)化成真正的水平分量，從而使剪切刀片、并隨后使柱塞移動至閉合位置。
圖4a)、b)和c)示出了提升立管控制裝置從開始至完全閉合狀態(tài)的順序。在圖4a)中，閉合操作剛剛啟動。柱塞6最初的移動通過設(shè)置于平移梁8上的栓塞27完成。當(dāng)栓塞27接合在一位于殼體2上的向內(nèi)升起的部件28上時，平移梁8被推向內(nèi)部，同時平移梁在活塞23作用下向上移動。圖4b)示出了切割刀片7和柱塞6在中間切割位置時控制裝置所在的狀態(tài)，而圖4c)示出了柱塞6處于完全閉合位置而彈性壓緊部件31緊密地閉合在生產(chǎn)套管(未示出)保留端上的狀態(tài)。
權(quán)利要求中所限定的本發(fā)明并非限于在與鉆柱或提升立管的切割和密封相關(guān)的場合使用，而是也可不設(shè)切割刀片7而用作常規(guī)的封閉閥。
權(quán)利要求
1.提升立管控制裝置，特別是設(shè)計用于與海底石油和氣體裝置中的油井的短管或水平采油樹(12)連接，其特征在于，在一殼體(1、2)內(nèi)設(shè)有可沿相對的方向徑向移動的用于隔離(密封)油井的一對柱塞(6)，同時設(shè)有可沿相對的方向徑向移動的用于切斷一干預(yù)管柱或類似物等的一對剪切刀片(7)，柱塞(6)和剪切刀片(7)由一在殼體(1、2)內(nèi)設(shè)置的致動器(8、9、23)驅(qū)動。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提升立管控制裝置，其特征在于，所述致動器為一液壓驅(qū)動環(huán)形活塞(23)/環(huán)形室(29、30)形式的裝置，該裝置通過環(huán)形活塞桿(14)和平移梁(8)來傳遞環(huán)形活塞(23)的運動，以開啟或關(guān)閉柱塞(6)和剪切刀片(7)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的提升立管控制裝置，其特征在于，剪切刀片(7)和柱塞(6)相互連接，從而剪切刀片(7)作徑向運動意味著柱塞(6)也作徑向運動。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的提升立管控制裝置，其特征在于，所述柱塞(6)設(shè)置于所述剪切刀片(7)的頂部，其中，柱塞與剪切刀片之間是通過每一柱塞(6)下表面內(nèi)的一開槽(4)和剪切刀片(7)上部內(nèi)的一配套栓塞(5)這一形式互相連接的。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的提升立管控制裝置，其特征在于，開槽(4)在平行于柱塞(6)的軸線的一距離處延伸，其中，相應(yīng)的剪切刀片(7)相對于相應(yīng)的柱塞(6)自由移動相同距離。
全文摘要
提升立管控制裝置，特別是設(shè)計用于與海底石油和氣體裝置中的油井的短管或水平采油樹(12)連接。在該提升立管控制裝置的殼體(1、2)內(nèi)設(shè)有可沿相對的方向徑向移動的用于隔離(密封)油井的一對柱塞(6)，同時設(shè)有可沿相對的方向徑向移動的用于切斷干預(yù)管柱等的一對剪切刀片(7)。柱塞(6)和剪切刀片(7)由一在殼體(1、2)內(nèi)豎向設(shè)置的致動器(8、9、23)驅(qū)動。致動器可為液壓驅(qū)動環(huán)形活塞(23)/環(huán)形室(29、30)形式的裝置，該裝置通過活塞桿(14)和平移梁(8)來傳遞活塞(23)的運動，以開啟或關(guān)閉柱塞(6)和剪切刀片(7)。
文檔編號E21B33/064GK1633541SQ03804070
公開日2005年6月29日 申請日期2003年1月15日 優(yōu)先權(quán)日2002年1月16日
發(fā)明者佩爾·阿爾姆達(dá)爾, 杰弗里·C·愛德華茲 申請人:諾爾斯海德公司