Двухступенчатые подводные исполнительные механизмы

Настоящее изобретение относится к нефтегазовой промышленности, а именно к механизмам, предназначенным для управления работой нефтепромыслового оборудования на морском дне. Усовершенствованный двухступенчатый исполнительный механизм содержит первый цилиндр, поршень гидромультипликатора давления, установленный в первом цилиндре для скольжения с уплотнением вдоль него и имеющий поверхность большой площади, открытую воздействию давления внешней среды, и поверхность малой площади. Второй цилиндр имеет концевую стенку, поршень исполнительного механизма, установленный во втором цилиндре, шток, соединенный с поршнем исполнительного механизма для перемещения с ним и имеющий промежуточный участок, проходящий с уплотнением через концевую стенку второго цилиндра. При этом механизм имеет промежуточную камеру, сообщающую поверхность малой площади поршня гидромультипликатора давления с поверхностью большой площади поршня исполнительного механизма, и несжимаемую текучую среду в камере. Обеспечивается перемещение поршня исполнительного механизма к концевой стенке второго цилиндра за счет создания давления в промежуточной камере давлением морской воды на глубине погружения устройства, без использования источника питания на надводном корабле. 15 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение относится, в общем, к усовершенствованным исполнительным механизмам для работы в подводной среде и, конкретнее, к усовершенствованным двухступенчатым исполнительным механизмам, приспособленным для использования на морском дне для управления работой нефтепромыслового оборудования.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В морской нефтеразведке так называемую "устьевую фонтанную арматуру" нередко помещают на оборудование устья скважины. Само оборудование устья скважины может быть размещено на глубине многих тысяч футов (1 фут=0,3 м) под морской поверхностью. Такая "устьевая фонтанная арматура" обычно имеет различную запорную арматуру, включающую в себя противовыбросовый превентор для предотвращения нештатного выброса углеводородов в море.

В существующих применениях такая запорная арматура часто имеет гидропривод с подачей рабочей жидкости гидросистемы под давлением с надводного корабля на оборудование устья скважины (см., например, патенты США 4864914, 7424917B2). В некоторых случаях оборудование устья скважины может находиться на глубине десять тысяч футов (3000 м) под толщей морской воды. Перепад давления, испытываемый при передаче жидкости гидросистемы под давлением по трубе на глубину порядка десяти тысяч футов (3000 м), может быть очень большим и может уменьшать полезное давление, управляющее подводным оборудованием устья скважины. Другие устройства также зависят от источников мощности на поверхности (см., например, патенты США 7159662B2, 4095421, 3677001).

Во многих случаях необходимо создавать противовыбросовый превентор с элементом аварийной блокировки. В случае отказа по какой-либо причине исполнительный механизм должен закрывать задвижку для предотвращения выпуска углеводородов из оборудования устья скважины в море. В привязной системе отказ шлангокабеля, проходящего с поверхности на оборудование устья скважины, может сам приводить к потере давления, требуемого для работы исполнительного механизма.

Разработаны некоторые подводные устройства, но они часто приводятся в действие сжатыми пружинами (см., например, патенты США 7108006B2, 6125874, 30114).

Соответственно, в общем, необходимо создание подводного электрогидравлического исполнительного механизма, не требующего такого соединения шлангокабелем с источником питания (т.е. гидравлическим или электрическим) на надводном корабле, и который должен создавать источник давления текучей среды для управления работой задвижки в случае обнаружения отказа или по команде.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Соответственно, общей целью настоящего изобретения является создание усовершенствованного двухступенчатого исполнительного механизма.

Другой целью изобретения является создание усовершенствованного подводного исполнительного механизма.

В варианте осуществления, описываемом только с иллюстративными целями и не в качестве ограничения, настоящим изобретением создан усовершенствованный двухступенчатый исполнительный механизм (20), содержащий первый цилиндр (21), поршень (22) гидромультипликатора давления, установленный в первом цилиндре для скольжения с уплотнением вдоль него и имеющий поверхность (26) большой площади, открытую воздействию давления внешней среды, и имеющий поверхность (30) малой площади, второй цилиндр (23), имеющий концевую стенку (36); поршень (24) исполнительного механизма, установленный во втором цилиндре для скольжения с уплотнением вдоль него, шток (39) исполнительного механизма, соединенный с поршнем исполнительного механизма для перемещения с ним и имеющий промежуточный участок, проходящий с уплотнением через концевую стенку второго цилиндра, при этом поршень исполнительного механизма имеет поверхность (27) большой площади, шток (39) исполнительного механизма, соединенный с поршнем исполнительного механизма для перемещения с ним и имеющий промежуточный участок, проходящий с уплотнением через концевую стенку второго цилиндра и поверхность (37) малой площади, промежуточную камеру (35), сообщающую поверхность малой площади поршня гидромультипликатора давления с поверхностью большой площади поршня исполнительного механизма, и несжимаемую текучую среду в камере, при этом давление внешней среды (т.e. давление морской воды на глубине погружения устройства) создает давление в промежуточной камере, перемещающее поршень исполнительного механизма к концевой стенке второго цилиндра.

Первый цилиндр имеет концевую стенку (32), и усовершенствованный исполнительный механизм может дополнительно включать в себя шток (31) гидромультипликатора давления, соединенный с поршнем гидромультипликатора давления для перемещения с ним и имеющий промежуточный участок, расположенный с уплотнением концевой стенке первого цилиндра или проходящий через нее. В одном варианте кольцевая поверхность поршня гидромультипликатора давления вокруг штока гидромультипликатора давления может образовать поверхность малой площади поршня гидромультипликатора давления. В другом варианте шток гидромультипликатора давления имеет концевую поверхность (30), образующую поверхность малой площади поршня гидромультипликатора давления.

Камера (34), окружающая шток гидромультипликатора давления между концевой стенкой первого цилиндра и поршнем гидромультипликатора давления, содержит сжимаемый газ или вакуум.

Исполнительный механизм выполнен с возможностью погружения в жидкость. Давление внешней среды является давлением жидкости на глубине погружения двухступенчатого исполнительного механизма. Окружающая жидкость может являться морской водой.

Первый и второй цилиндры могут быть соединены друг с другом или физически разделены.

Промежуточная камера (35) может быть заполнена подходящей рабочей жидкостью гидросистемы, такой как масло.

Усовершенствованный исполнительный механизм может дополнительно включать в себя насос (42) для селективной перекачки текучей среды между емкостью (49) и камерой (41) с малой площадью исполнительного механизма, окружающей шток исполнительного механизма между концевой стенкой второго цилиндра и поршнем исполнительного механизма.

Исполнительный механизм может иметь первый клапан (44) для определения направления текучей среды, перекачиваемой насосом. Первый клапан может иметь электрическое управление и может отклоняться в положение сообщения камеры с малой площадью исполнительного механизма с емкостью. Давление в емкости может являться давлением внешней среды.

Усовершенствованный исполнительный механизм может дополнительно включать в себя датчик (40) положения для определения положения поршня исполнительного механизма относительно второго цилиндра.

Второй клапан (51) может быть подсоединен между первым клапаном (44) и камерой (41) с малой площадью исполнительного механизма. Данный второй клапан может иметь электрическое управление и может отклоняться к положению, сообщающему камеру, окружающую шток исполнительного механизма между концевой стенкой второго цилиндра и поршнем исполнительного механизма, с емкостью.

Вышеуказанные другие цели и преимущества изобретения должны стать ясны из подробного описания, приведенных ниже чертежей и прилагаемой формулы изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На фиг.1 схематично показан первый вариант усовершенствованного двухступенчатого исполнительного механизма, включающего в себя находящийся справа поршень гидромультипликатора давления и находящийся слева поршень исполнительного механизма.

На фиг.2 схематично показан другой вариант усовершенствованного двухступенчатого исполнительного механизма со вторым клапаном с электроприводом, соединенным с первым клапаном.

На фиг.3 показан схематично другой вариант усовершенствованного двухступенчатого исполнительного механизма, аналогичный показанному на фиг.2, с кольцевой поверхностью поршня гидромультипликатора давления вокруг его штока, сообщенной с правым концевым торцом поршня исполнительного механизма.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Одинаковые позиции идентифицируют одинаковые элементы, участки или поверхности на нескольких чертежах, при этом такие элементы, участки или поверхности могут быть дополнительно описаны по всей заявке, интегральной частью которой является данное подробное описание. Если иное не указано, чертежи следует читать (т.е. штриховку, расположение частей, пропорции, степень и т.д.) вместе с заявкой и рассматривать составной частью описания данного изобретения. При использовании в следующем описании термины "горизонтальный", "вертикальный", "левый", "правый", "верхний" и "нижний", а также прилагательные и наречия, образованные ими (например, "горизонтально", " справа", "вверху" и т.д.), просто относятся к ориентации показанной конструкции при взгляде на фигуру. Аналогично, термины "внутрь" и "наружу", в общем, относятся к ориентации поверхности относительно продольной оси, или оси вращения, по обстоятельствам.

На фиг.1 показан созданный настоящим изобретением усовершенствованный двухступенчатый исполнительный механизм 20 согласно первому предпочтительному варианту осуществления. Исполнительный механизм 20 содержит первый цилиндр 21, поршень 22 гидромультипликатора давления, установленный в первом цилиндре для скольжения с уплотнением вдоль него, второй цилиндр 23, поршень 24 исполнительного механизма, установленный во втором цилиндре для скольжения с уплотнением вдоль него, и шток 25 исполнительного механизма, соединенный с поршнем исполнительного механизма.

Двухступенчатый исполнительный механизм 20 выполнен с возможностью работы в подводном положении в жидкости, такой как морская вода. Конкретнее, усовершенствованный исполнительный механизм выполнен с возможностью установки на устьевую фонтанную арматуру на оборудовании устья скважины и создания движущей силы для селективного закрытия оборудования устья скважины, как при возникновении события, вызывающего срабатывание аварийной блокировки, так и по соответствующей команде.

Первый цилиндр 21 показан горизонтально удлиненным элементом. Поршень 22 гидромультипликатора давления установлен в цилиндре для скольжения с уплотнением вдоль него. Поршень 22 имеет справа круговую поверхность 26 большой площади, обращенную в камеру 28, открытую давлению окружающей среды через дроссельное отверстие 29, и вторую поверхность 30 малой площади. В данном первом варианте осуществления поршень 22 имеет шток 31, проходящий влево от поршня 22 и заканчивающийся обращенной влево круглой вертикальной поверхностью 30 конца штока. В данном первом варианте осуществления концевая поверхность 30 штока составляет поверхность малой площади поршня.

Первый цилиндр имеет горизонтально-утолщенную концевую стенку 32. Концевая стенка 32 имеет сквозное отверстие 33, в котором установлен с возможностью скольжения с уплотнением дальний периферийный концевой участок штока 31 исполнительного механизма. Кольцевая камера 34, находящаяся слева от поршня гидромультипликатора давления и окружающая шток 31 гидромультипликатора давления, заполнена сжимаемым газом под давлением внешней среды или ниже давления внешней среды. Левый концевой торец поршня обращен в камеру 35, содержащую подходящую несжимаемую рабочую жидкость гидросистемы, такую как масло. Хотя такие жидкости не являются абсолютно несжимаемыми, их считают несжимаемыми относительно различных газов.

Второй цилиндр 23 показан как сборное устройство с находящейся слева концевой стенкой 36. Концевая стенка 36 снабжена аксиальным горизонтальным сквозным отверстием 38, в котором проходит скользящий с уплотнением промежуточный участок штока 39 исполнительного механизма, выступающий влево от поршня 24 исполнительного механизма. Левый периферийный концевой участок штока исполнительного механизма размещен снаружи второго цилиндра. Например, подходящий инструмент, такой как задвижка (не показан), может быть установлен на левом конце штока исполнительного механизма и, например, может быть использован в соединении с противовыбросовым превентором. Другие типы инструментов могут быть установлены на левом конце штока 25 исполнительного механизма. Положение поршня исполнительного механизма во втором цилиндре 23 определяет подходящий датчик 40 положения. Камера 41 окружает шток 39 исполнительного механизма во втором цилиндре. Камера 41 сообщена с насосом 42 через трубопровод 43, электромагнитный клапан 44 с электрическим управлением и трубопровод 45. Трубопровод 46 связывает клапан 44 с трубопроводом 48, связывающим насос с емкостью 49. Насос приводит в действие двигатель 50.

В данном первом варианте осуществления обращенный вправо круглый вертикальный торец поршня 22 гидромультипликатора давления имеет площадь A₁ поперечного сечения. Внешнее давление морской воды, созданное в камере 28, действует на площадь A₁ торца поршня гидромультипликатора давления и перемещает поршень 22 влево в цилиндре 21.

Камера 34 содержит сжимаемую текучую среду, такую как газ, или является вакуумированной.

Камера 33 заполнена рабочей жидкостью гидросистемы, такой как масло. Поверхность меньшей площади A₂ поршня гидромультипликатора давления обращена в камеру 35.

Поршень 24 исполнительного механизма имеет обращенную вправо в камеру 35 кольцевую вертикальную поверхность большой площади A₃ поперечного сечения. Поршень 24 также имеет обращенную влево в камеру 41 поверхность меньшей площади A₄. Камера 41 обычно заполнена относительно несжимаемой текучей средой. Давление морской воды в камере 28 перемещает поршень гидромультипликатора давления влево в первом цилиндре. Поверхность меньшей площади A₂ поршня гидромультипликатора давления нагнетает давление в рабочей жидкости гидросистемы в камере 35. Давление данной текучей среды действует на правый торец с площадью A₃ поршня исполнительного механизма. Левый торец с площадью A₄ поршня исполнительного механизма обращен в камеру 41.

Двигатель можно селективно питать энергией для управления насосом, перекачивающим текучую среду из емкости 49 через трубопроводы 45, теперь смещенный клапан 44 и трубопровод 43 в камеру 41. Это заставляет поршень исполнительного механизма перемещаться вправо, обуславливает аналогичное перемещение вправо поршня гидромультипликатора давления.

Клапан 44 может представлять собой электромагнитный клапан, обычным смещением в альтернативное положение, с блокированием, при этом, потока из камеры 41 в емкость. Вместе с тем, соленоид отклоняется пружиной для перемещения к показанному положению. Таким образом, в случае отказа электропитания пружина соленоида распрямляется, перемещая электромагнитный клапан в положение, показанное на фиг.1. В данном положении текучая среда в камере 41 может проходить в трубопровод 43, клапан 44 и соединяться трубопроводами 46, 48 с емкостью. При возникновении указанного внешнее давление морской воды продавливает поршень гидромультипликатора давления влево, обуславливая аналогичное перемещение влево поршня исполнительного механизма. Данное перемещение поршня исполнительного механизма можно затем использовать для перемещения инструмента, такого как вентильный элемент к седлу.

На фиг.2 показан вид, в общем, аналогичный виду на фиг.1, за исключением того, что второй электромагнитный клапан 51 установлен в трубопроводе 43 между камерой 41 и первым клапаном 44. Данным электромагнитным клапаном можно селективно управлять, блокируя поток из первого клапана в камеру, и наоборот.

На фиг.3 показан вид, в общем, аналогичный виду на фиг.2 со следующими отличиями. Левый концевой торец штока гидромультипликатора давления обращен в камеру 52. Данная камера может быть либо заполнена сжимаемой текучей средой, или вакуумирована. В другом устройстве, как показано, камера 52 снабжена выпуском в емкость 53. Камера 34 сообщена с камерой 33 через трубопроводы 54, 55 в первом цилиндре. Таким образом, в данном устройстве находящаяся слева кольцевая вертикальная поверхность поршня 22 гидромультипликатора давления сообщена через трубопроводы 55, 55 с камерой 33. В остальном клапаны работают аналогично описанному выше.

МОДИФИКАЦИИ

Настоящее изобретение предполагает, что многие изменения и модификации могут быть выполнены. Например, первый и второй цилиндры могут быть соединены друг с другом или могут быть раздельными, если необходимо. Различные типы трубопроводов и дроссельных отверстий можно, по желанию, использовать для соединения различных камер. Кроме того, если необходимо, подходящий механический фиксатор (не показано) можно создать между первым цилиндром и нагнетательный поршнем или штоком гидромультипликатора давления или между вторым цилиндром и поршнем исполнительного механизма или штоком исполнительного механизма для предотвращения нештатного перемещения нагнетательного и исполнительного поршней.

Хотя показаны и описаны несколько предпочтительных вариантов усовершенствованного двухступенчатого исполнительного механизма и рассмотрены несколько их модификаций, специалистам в данной области техники должно быть ясно, что различные изменения и модификации можно выполнять без отхода от сущности изобретения, как определено и дифференцировано в следующей формуле изобретения.

1. Двухступенчатый исполнительный механизм (20), приспособленный для погружения в воду, содержащий первый цилиндр (21), поршень (22) гидромультипликатора давления, установленный в первом цилиндре для скольжения с уплотнением вдоль него и имеющий поверхность (26) большой площади, при использовании постоянно открытую воздействию давления жидкости на глубине погружения исполнительного механизма, и имеющий поверхность (30) малой площади, второй цилиндр (23), имеющий концевую стенку (36), поршень (24) исполнительного механизма, установленный во втором цилиндре для скольжения с уплотнением вдоль него, шток (39) исполнительного механизма, соединенный с поршнем исполнительного механизма для перемещения с ним и имеющий промежуточный участок, проходящий с уплотнением через концевую стенку второго цилиндра, при этом поршень исполнительного механизма имеет поверхность (27) большой площади и поверхность (37) малой площади, промежуточную камеру (35), сообщающую поверхность малой площади поршня гидромультипликатора давления с поверхностью большой площади поршня исполнительного механизма, и несжимаемую текучую среду в камере, при этом при использовании давление жидкости на глубине погружения исполнительного механизма создает давление в промежуточной камере, перемещающее поршень исполнительного механизма к концевой стенке второго цилиндра.

2. Двухступенчатый исполнительный механизм по п.1, в котором первый цилиндр имеет концевую стенку (32) и который дополнительно содержит шток (31) гидромультипликатора давления, соединенный с поршнем гидромультипликатора давления для перемещения с ним и имеющий промежуточный участок, с уплотнением проходящий через концевую стенку первого цилиндра.

3. Двухступенчатый исполнительный механизм по п.2, в котором кольцевая поверхность поршня гидромультипликатора давления вокруг штока гидромультипликатора давления образует поверхность малой площади поршня гидромультипликатора давления.

4. Двухступенчатый исполнительный механизм по п.2, в котором шток гидромультипликатора давления имеет концевую поверхность (30), образующую поверхность малой площади поршня гидромультипликатора давления.

5. Двухступенчатый исполнительный механизм по п.4, в котором камера (34), окружающая шток (31) гидромультипликатора давления между концевой стенкой первого цилиндра и поршнем гидромультипликатора давления, содержит сжимаемый газ или вакуум.

6. Двухступенчатый исполнительный механизм по п.1, в котором окружающая жидкость является морской водой.

7. Двухступенчатый исполнительный механизм по п.1, в котором первый и второй цилиндры соединены.

8. Двухступенчатый исполнительный механизм по п.1, в котором промежуточная камера (35) заполнена маслом.

9. Двухступенчатый исполнительный механизм по п.1, дополнительно содержащий вентильный элемент, установленный на штоке исполнительного механизма.

10. Двухступенчатый исполнительный механизм по п.1, дополнительно содержащий насос (42) для селективной перекачки текучей среды между емкостью (49) и камерой (41) с малой площадью исполнительного механизма, окружающей шток исполнительного механизма между концевой стенкой (36) второго цилиндра и поршнем (24) исполнительного механизма.

11. Двухступенчатый исполнительный механизм по п.10, дополнительно содержащий первый клапан (44) для определения направления текучей среды, перекачиваемой насосом.

12. Двухступенчатый исполнительный механизм по п.10, в котором первый клапан имеет электрическое управление и отклонен в положение сообщения камеры с малой площадью исполнительного механизма с емкостью.

13. Двухступенчатый исполнительный механизм по п.10, в котором давление в емкости является давлением жидкости на глубине погружения исполнительного механизма.

14. Двухступенчатый исполнительный механизм по п.1, дополнительно содержащий датчик (40) положения для определения положения поршня исполнительного механизма относительно второго цилиндра.

15. Двухступенчатый исполнительный механизм по п.10, дополнительно содержащий второй клапан (51), подсоединенный между первым клапаном (44) и камерой (41) с малой площадью исполнительного механизма.

16. Двухступенчатый исполнительный механизм по п.15, в котором второй клапан (51) имеет электрическое управление и отклонен в положение сообщения камеры, окружающей шток исполнительного механизма между концевой стенкой второго цилиндра и поршнем исполнительного механизма с емкостью.