安全閥控制系統(tǒng)及使用方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明的實(shí)施例涉及用于油井和氣井的井口控制系統(tǒng)。具體的，本發(fā)明的實(shí)施例涉及用于表面和表面下安全閥的緊急關(guān)閉控制系統(tǒng)的系統(tǒng)和方法。本發(fā)明的實(shí)施例還涉及泄壓閥控制系統(tǒng)的系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]井口系統(tǒng)可用于以安全且有效的方式控制從油井和氣井提取的流體的流動。井口系統(tǒng)可以包括各種流動控制裝置，例如閥，流動控制裝置可操作地控制經(jīng)過與井口系統(tǒng)相連接的管道系統(tǒng)的流體流動。流體能夠經(jīng)由管道系統(tǒng)而被引導(dǎo)到井口系統(tǒng)的下游以進(jìn)行處理和/或儲存。
[0003]井口系統(tǒng)可以包括被連接到管道系統(tǒng)的表面和表面下安全閥，如果井內(nèi)或者井口系統(tǒng)的下游位置發(fā)生緊急情況，可操作該安全閥以關(guān)閉經(jīng)過管道系統(tǒng)的流體流動?，F(xiàn)有技術(shù)的安全閥通常與管道系統(tǒng)流體連通，并且利用管道系統(tǒng)內(nèi)的流體而運(yùn)行。例如，管道系統(tǒng)內(nèi)的壓力可以被直接結(jié)合到安全閥中以驅(qū)動閥進(jìn)入開啟位置，從而允許流體流動經(jīng)過該系統(tǒng)。如果發(fā)生緊急情況，例如安全閥的下游管道系統(tǒng)的破裂或者井內(nèi)壓力的下降，當(dāng)管道系統(tǒng)的壓力下降時(shí)，安全閥內(nèi)的壓力也下降。安全閥構(gòu)造為在其內(nèi)的壓力降低到低于最小壓力之后移動進(jìn)入關(guān)閉位置，從而關(guān)閉經(jīng)過管道系統(tǒng)的流體流動并且關(guān)閉井口系統(tǒng)。一些安全閥還可配備有泄壓閥，該泄壓閥可操作以阻止壓力進(jìn)入閥并且排出閥內(nèi)的壓力，從而允許閥移動進(jìn)入關(guān)閉位置。
[0004]現(xiàn)有技術(shù)的安全閥系統(tǒng)有眾多缺點(diǎn)。一個缺點(diǎn)包括安全閥對管道系統(tǒng)內(nèi)流體壓力的依賴。這些安全閥不能按照期望單獨(dú)運(yùn)行。另一個缺點(diǎn)包括安全閥的常規(guī)手動維護(hù)以確保安全閥是充分運(yùn)轉(zhuǎn)的。另一個缺點(diǎn)包括當(dāng)把安全閥內(nèi)的流體排到大氣中時(shí)對環(huán)境的潛在污染。
[0005]在一些鉆井操作中，例如當(dāng)進(jìn)行壓裂(fracking)操作時(shí)，大容量加壓流體被泵送至匯流管(manifold)，這將流體引導(dǎo)到一個或者多個井而壓裂下面的構(gòu)造。如果經(jīng)過流動或者流體管路的流動和/或井中的流動經(jīng)歷中斷或者變得堵塞，那么高壓流體量導(dǎo)致流體管路、井和井場周圍任意其他設(shè)備的嚴(yán)重故障，甚至可能危害井場的工人。傳統(tǒng)泄壓閥系統(tǒng)在檢測故障方面效率低、反應(yīng)時(shí)間慢和/或僅僅用一次，如果操作時(shí)需要全部替換。
[0006]因此，需要新的改善安全控制閥系統(tǒng)，該控制閥系統(tǒng)是獨(dú)立(self reliant)的、可以被遠(yuǎn)程操作并且實(shí)時(shí)監(jiān)控，并且如果發(fā)生緊急情況或者當(dāng)需要的時(shí)候，該控制閥系統(tǒng)可以自動關(guān)閉井口系統(tǒng)和/或?qū)谙到y(tǒng)泄壓。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]在一個實(shí)施例中，提供一種用于控制被連接到井場處的流動管的安全閥的控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)包括外殼?？刂葡到y(tǒng)還包括布置在外殼內(nèi)的控制器組件?？刂破鹘M件構(gòu)造為接收來自被連接到流動管的傳感器的信號，其中信號對應(yīng)于測量的物理性質(zhì)。而且，控制系統(tǒng)包括布置在外殼內(nèi)的閥組件，閥組件與所述控制器組件連通。控制系統(tǒng)還包括設(shè)置在外殼中并與控制器組件連通的壓縮機(jī)組件。此外，控制系統(tǒng)包括布置在外殼內(nèi)的電源。電源構(gòu)造為向控制器組件、閥組件和壓縮機(jī)組件供電。控制器組件可操作使壓縮機(jī)組件向安全閥提供氣動流體以將安全閥致動到開啟位置，其中，控制器組件可操作使閥組件將安全閥致動到關(guān)閉位置。
[0008]在一個實(shí)施例中，提供一種用于控制被連接到井場處流動管的安全閥的方法。該方法包括將控制系統(tǒng)定位在安全閥附近的步驟?？刂葡到y(tǒng)具有布置在控制系統(tǒng)外殼內(nèi)的控制器組件、壓縮機(jī)組件和電源。該方法還包括將來自壓縮機(jī)組件的氣動流體供給安全閥以開啟安全閥。該方法還包括在控制器組件中接受對應(yīng)于流動管中感測的物理性質(zhì)的信號的步驟。此外，該方法包括響應(yīng)于感測物理性質(zhì)和預(yù)設(shè)條件的對比而關(guān)閉安全閥的步驟。
[0009]在一個實(shí)施例中，用于控制被連接到井場處的流動管的安全閥的控制系統(tǒng)可以包括，構(gòu)造成接收來自被連接到流動管的傳感器的信號的控制器組件，其中，該信號對應(yīng)于測量的物理性質(zhì)；與控制器組件連通的閥組件；以及與控制器組件連通的流體驅(qū)動組件，其中控制器組件可操作以對流體驅(qū)動組件進(jìn)行致動而將流體供給安全閥以將安全閥致動到第一位置，其中控制器組件可操作以致動閥組件而將安全閥致動到第二位置。
[0010]在一個實(shí)施例中，用于控制被連接到井場處流動管的安全閥的方法包括，提供用于定位在安全閥附近的控制系統(tǒng)，其中控制系統(tǒng)包括外殼、控制器組件、流體驅(qū)動組件和閥組件；使用流體驅(qū)動組件將流體提供給安全閥以將安全閥致動到第一位置；使用控制器組件監(jiān)控流動管中的物理形狀；以及基于監(jiān)控的物理性質(zhì)和預(yù)定條件的對比，使用控制器組件對閥組件進(jìn)行致動，以將安全閥致動到第二位置。
[0011]在一個實(shí)施例中，用于控制被連接到井場處流動管的安全閥的方法可以包括，提供用于定位在安全閥附近的遠(yuǎn)程可操作控制系統(tǒng)；使用控制系統(tǒng)將安全閥致動到關(guān)閉位置；在保持安全閥在關(guān)閉位置的同時(shí)，使用與控制系統(tǒng)連通的傳感器監(jiān)控流動管內(nèi)的流體壓力；以及當(dāng)監(jiān)控的流體壓力達(dá)到或超過預(yù)定流體壓力時(shí)使用控制系統(tǒng)將安全閥致動到開啟位置以減小流動管中的流體壓力。
【附圖說明】
[0012]便于以能夠詳細(xì)理解本發(fā)明的上述特征的方式，本發(fā)明的更具體的描述(簡單總結(jié)如上)可以參照實(shí)施例，一些實(shí)施例在附圖中進(jìn)行闡述。然而，應(yīng)當(dāng)注意，附圖僅僅闡述本發(fā)明的典型實(shí)施例，因此不應(yīng)當(dāng)被理解為限制本發(fā)明的范圍，因?yàn)楸景l(fā)明可以允許其他等同實(shí)施例。
[0013]圖1示出了根據(jù)一個實(shí)施例的井口控制系統(tǒng)。
[0014]圖2示出了根據(jù)一個實(shí)施例的安全閥控制系統(tǒng)。
[0015]圖3示出了根據(jù)一個實(shí)施例的表面安全閥。
[0016]圖4是閘門閥、致動器、機(jī)械超馳控制裝置和安全模式指示器的剖面圖。
[0017]圖5是在手動操作機(jī)械超馳控制裝置之后閘門閥的剖面圖。
[0018]圖6是在自動操作致動器之后在開啟位置的閘門閥的剖面圖，且安全模式指示器指示該閘門閥是在安全模式下運(yùn)行。
[0019]圖7是在自動操作致動器之后在開啟位置的閘門閥的剖面圖，機(jī)械超馳控制裝置被部分地致動，且安全模式指示器指示該閘門閥不是在安全模式下運(yùn)行。
[0020]圖8是沿圖4中剖面線8-8的機(jī)械超馳控制裝置的截面圖。
[0021]圖9是在致動器的自動操作之后在開啟位置的閘門閥的剖面圖。
[0022]圖10A-10H和圖11_1 ID示出了根據(jù)一個實(shí)施例的閥組件。
[0023]圖12是在故障安全開啟位置的閥的剖面圖。
[0024]圖13示出了根據(jù)一個實(shí)施例的安全閥控制系統(tǒng)。
[0025]圖14示出了根據(jù)一個實(shí)施例的井控制系統(tǒng)。
[0026]圖15示出了根據(jù)一個實(shí)施例的井控制系統(tǒng)。
【具體實(shí)施方式】
[0027]圖1示出了根據(jù)一個實(shí)施例的油/氣井的井口控制系統(tǒng)100。井口控制系統(tǒng)100構(gòu)造為控制從儲層經(jīng)過主鉆井孔105采收流體(例如碳?xì)浠衔?。井口控制系統(tǒng)100包括具有一系列閥和流動控制裝置的樹狀物110、通過管道115與樹狀物100連通的表面安全閥120以及通過管道125與樹狀物100連通的表面下安全閥130。表面下安全閥130還可以與用于從油/氣井采收油和/或氣的井生產(chǎn)流動管145連通。表面安全閥120還可以與表面生產(chǎn)流動管135連通，該流動管用于將任何采收的流體引導(dǎo)到井口控制系統(tǒng)100的一個或者多個下游位置以進(jìn)一步加工和/或儲存。在一個實(shí)施例中，安全閥120、130可以包括氣動或液壓致動閥。在一個實(shí)施例中，安全閥120、130可以包括使用液壓液運(yùn)行的氣動閥。安全閥120、130的每一者可以包括獨(dú)立緊急關(guān)閉(“ESD”)控制系統(tǒng)，分別確定為部件200、300和700，其(I)可操作以自動關(guān)閉安全閥120、130 ;(2)可操作以遠(yuǎn)程地實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)控和/或操作(開啟和關(guān)閉)；以及⑶可操作以一直檢驗(yàn)安全閥120、130和控制系統(tǒng)的各種其他部件的操作條件/特性。
[0028]ESD控制系統(tǒng)200、300可以是“獨(dú)立的”，這意味著該控制系統(tǒng)關(guān)閉油/氣井的操作不依賴于任何外部氣動源、液壓源、機(jī)械源或者電氣源。例如，如果表面安全閥120下游的生產(chǎn)流動管有破裂，和/或如果在表面下安全閥130處的井的壓力有損失，那么ESD控制系統(tǒng)200、300可操作以有效關(guān)閉安全閥120、130，從而關(guān)閉油/氣井，并且在沒有任何額外外部氣動源、液壓源、機(jī)械源或者電氣電源的幫助下向合適人員發(fā)出已經(jīng)發(fā)生關(guān)閉的警報(bào)。對于操作安全閥120、130必要的所有操作流體和機(jī)構(gòu)被保持在ESD控制系統(tǒng)200、300內(nèi)，以便不污染環(huán)境以及來自油/氣井的任何流體和/或氣體在沒有任何外部依賴時(shí)被有效容納在其中。
[0029]圖2示出了根據(jù)一個實(shí)施例的ESD控制系統(tǒng)200。本文描述的ESD控制系統(tǒng)200的實(shí)施例同樣適用于ESD控制系統(tǒng)300 (且反之亦然)。ESD控制系統(tǒng)200可以包括支撐控制器組件220、電源230、泵組件240、流體容器250、閥組件260和太陽能板組件270的外殼210。ESD控制系統(tǒng)200還可以包括監(jiān)控和/或測量一個或多個物理性質(zhì)的一個或多個傳感器/裝置280、282、284、286和288 (在下文中進(jìn)一步描述)。在實(shí)施例中，可以被把ESD控制系統(tǒng)200構(gòu)造為控制一個或者多個閥(例如流動控制閥或節(jié)流閥)，上述閥與閥120、130的流動管相連通以控制經(jīng)過井口控制系統(tǒng)100的流體流動。
[0030]外殼210可以包括任何結(jié)構(gòu)支撐元件(例如防爆容器)，使外殼210內(nèi)容納的部件免受損害及外部因素影響。通過通風(fēng)孔和/或安裝在外殼210內(nèi)或穿過外殼210的獨(dú)立太陽能供電風(fēng)扇提供對外殼210的適當(dāng)通風(fēng)。外殼210還可以包括訪問板或門以易于訪問外殼的內(nèi)部，并且外殼210可以構(gòu)造為連接到樹狀物110或分別連接到表面安全閥120和表面下安全閥130?？梢栽谕鈿?10上為外殼210 (以及外殼210內(nèi)的部件)和安全閥120與130、太陽能板組件270以及傳感器280之間的流體和/或電連接提供一個或多個匯流組件212、214、216。在一個實(shí)施例中，匯流組件216包括太陽能轉(zhuǎn)換充電裝置。在一個實(shí)施例中，ESD控制系統(tǒng)200、300的結(jié)構(gòu)部件盡量由不銹鋼制成。
[0031]控制器組件220可以被布置在外殼210內(nèi)并且可以包括微處理器單元222、顯示器224和鍵盤226。在一個實(shí)施例中，控制器組件220可以是不受天氣影響的，并且可以必要時(shí)極為安全地向ESD控制系統(tǒng)200、300的一個或多個部件供電。在一個實(shí)施例中，控制器組件220可以被定位在外殼210的外部和/或鄰近外殼210。微處理器單元222可以包括可編程邏輯控制器，包括與一個或多個傳感器/裝置280、282、284、286和288以及泵和閥組件240、260通信的監(jiān)控和數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)(SCADA)。微處理器單元222包括電流調(diào)節(jié)器以提供控制器組件220和控制系統(tǒng)的各個部件之間的低電流傳送。監(jiān)視傳感器(watchdogsensor)可以用于監(jiān)控微處理器單元222的操作并且在發(fā)生故障時(shí)提供警報(bào)。控制器組件220可操作以利用遠(yuǎn)離井口控制系統(tǒng)100的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)150 (例如臺式計(jì)算機(jī)、筆記本計(jì)算機(jī)或者個人數(shù)字助手(PDA))來發(fā)送和接收信號。在一個實(shí)施例中，可以通過有線的和/或無線的遙測方式(包括但不限于電線、光纖線纜、射頻、紅外線、微波、衛(wèi)星和/或激光通信)在控制器組件220和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)150之間發(fā)送和/或接收信號。以這種方式，可以在相對于井口控制系統(tǒng)100的現(xiàn)場或場外的一個或多個位置而遠(yuǎn)程監(jiān)控并且操作ESD控制系統(tǒng)200、300、700。在一個實(shí)施例中，ESD控制系統(tǒng)200、300、700可以構(gòu)造為在井口控制系統(tǒng)100的現(xiàn)場手動和/或遠(yuǎn)程操作。在一個實(shí)施例中，控制器組件220可以被編程具有一個或者多個觸發(fā)點(diǎn)(例如上游和/或下游高和/或低壓力點(diǎn))，觸發(fā)點(diǎn)將一旦感知壓力在觸發(fā)點(diǎn)的范圍外就自動觸發(fā)ESD控制系統(tǒng)200、700的操作。在一個實(shí)施例中，控制器組件220可以構(gòu)造為具有本領(lǐng)域公知的“主/從”的輪詢協(xié)議或“主/主”的輪詢協(xié)議，以根據(jù)需要得到并且傳達(dá)關(guān)于ESD控制系統(tǒng)200、700的信息。
[0032]在一個實(shí)施例中，控制器組件220可以與被連接到如圖1所示的表面生產(chǎn)流動管135的壓力傳感器280通信。壓力傳感器280可以測量流動管135內(nèi)的壓力并且將與測量的壓力對應(yīng)的信