Отказобезопасный регулятор предохранительного клапана для установки на глубине с двумя линиями управления
Гидравлическая система управления для подземного предохранительного клапана имеет линии управления, гидравлически сообщающиеся с клапаном. Первая линия управления передает гидравлическое давление, приводящее в действие клапан, а другая линия управления передает гидравлическое давление, компенсирующее гидростатическое давление, соответствующее первой линии управления. Регулятор регулирует гидравлическое сообщение между двумя линиями управления. Регулятор предотвращает гидравлическое сообщение от первой в уравновешивающую линию управления, пока поддерживается герметичность второй линии. Когда вторая линия выходит из строя, предохранительный клапан может выходить из строя в открытом положении. В данном случае регулятор обеспечивает стравливание гидравлического давления из первой линии во вторую линию. Технический резупьтат заключается в переходе предохранительного клапана в закрытое положение при выходе из строя первой линии и обеспечивает возможную перезагрузку второй линии при восстановлении ее герметичности. 3 н. и 26 з.п. ф-лы, 10 ил.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Подземные предохранительные клапаны, такие как извлекаемые на колонне насосно-компрессорных труб предохранительные клапаны, развертывают на эксплуатационных насосно-компрессорных трубах в добывающей скважине. Предохранительные клапаны могут избирательно изолировать подачу текучей среды через эксплуатационную колонну насосно-компрессорных труб при отказе или возникновении опасного состояния на поверхности скважины. Таким путем предохранительные клапаны могут минимизировать потерю запасов коллектора или эксплуатационного оборудования в результате катастрофических подземных явлений.
В обычном предохранительном клапане используется дроссельная заслонка для отсечки потока, проходящего через клапан. Дроссельная заслонка, в нормальном состоянии закрытая, может открываться, когда гидравлическое давление, приложенное к гидравлическому поршню, перемещает расходную трубу против смещения пружиной в клапане. Когда расходная труба перемещается, дроссельная заслонка клапана поворачивается в открытое положение, обеспечивая проход потока через предохранительный клапан.
От поверхности линия управления подает гидравлическое давление для управления работой клапана. Линия управления проходит от находящейся на поверхности управляемой аварийной системы закрытия через оборудование устья скважины к предохранительному клапану. Пока гидравлическое давление Pc приложено через линию управления, клапан может оставаться в открытом положении, но снятие давления от линии управления возвращает клапан в его нормальное закрытое положение. Гидростатическое давление Рн или "напор" от столба жидкости в линии управления может напрямую ограничивать глубину установки и рабочие параметры предохранительного клапана в такой системе.
Традиционно, дополнительную нагрузку от развивающих большее усилие пружин используют для компенсации гидростатического давления линии управления. Вместе с тем предохранительные клапаны имеют ограниченное пространство для размещения более крупной пружины. Фактически, в активной линии управления гидростатическое давление PH может являться значительным в некоторых вариантах применения, таким, что пружина может быть неспособна преодолевать гидростатическое давление и дроссельная заслонка клапана не может закрыться, при условии нулевого давления ствола скважины.
Для компенсации гидростатического давления Рн линии управления заряд газа (азота) можно сохранять в предохранительном клапане для противодействия гидростатическому давлению. К сожалению, использование газового заряда клапана создает проблемы утечки газа, что может обуславливать выход из строя клапана в открытом положении. Кроме того, после израсходования заряда в режиме отказоустойчивой работы операторы должны выполнять значительный объем работы для замены клапана.
Разработаны отличающиеся от клапанов с зарядкой газом предохранительные клапаны с использованием устройства с магнитным приводом. Магнитное устройство обеспечивает размещение гидравлики за пределами ствола скважины и возможность использования давления в кольцевом пространстве для уравновешивания гидростатического давления в линии управления так, что предохранительный клапан можно устанавливать на большей глубине. К сожалению, использование такого устройства может быть нежелательным в некоторых вариантах применения.
В другом решении используют вторую "уравновешивающую" линию управления с установленным на глубине предохранительным клапаном для нейтрализации действия гидростатического давления PH в активной линии управления. В данных существующих клапанах уравновешивающей линии вторая уравновешивающая линия действует на поршень клапана против давления из активной линии управления для уравновешивания гидростатического давления Рн из активной линии управления. Поэтому, поскольку нижняя сторона поршня гидравлически связана с уравновешивающей линией, поршень больше гидравлически не связан с насосно-компрессорной трубой. Соответственно, любой полезный эффект, производимый давлением PT в насосно-компрессорной трубе, в работе данного типа предохранительного клапана с установкой на глубине не используется.
Устройство отличающегося типа, показанное на Фиг.1, описано в патенте США № 7392849, выданном патентообладателю настоящего изобретения, и полностью включено в данный документ в виде ссылки. Эксплуатационная насосно-компрессорная труба 20 имеет установленный на глубине предохранительный клапан 50 для регулирования расхода текучей среды в эксплуатационной насосно-компрессорной трубе 20. В данном примере, ствол 10 скважины имеет крепление обсадной колонной 12 с перфорационными каналами 16 для сообщения с окружающим пластом 18. Эксплуатационная насосно-компрессорная труба 20 с предохранительным клапаном 50 развертывается в стволе 10 скважины на заданной глубине. Добываемая текучая среда проходит в эксплуатационную насосно-компрессорную трубу 20 через скользящую муфту или устройство другого типа. Проходящая вверх по насосно-компрессорной трубе 20 добываемая текучая среда проходит через предохранительный клапан 50, через клапан 25 на поверхности и в выкидную линию 22.
Как известно, поток добываемой текучей среды можно остановить в любое время при эксплуатации переключением предохранительного клапана 50 из открытого положения в закрытое положение. Для этого гидравлическая система с насосом 30 забирает гидравлическую жидкость из емкости 35 и сообщается с предохранительным клапаном 50 по первой линии 40А управления. При работе насос 30 создает давление Pc управления по линии 40А управления в предохранительном клапане 50.
Вследствие вертикальной высоты линии 40А управления гидростатическое давление Рн также действует на клапан 50 через линию 40А управления. По данной причине уравновешивающая линия 40B также проходит к клапану 50 и создает гидравлическое сообщение между емкостью 35 и клапаном 50. Поскольку уравновешивающая линия 40B имеет одинаковый столб жидкости с линией 40А управления, выпуск уравновешивающей линии 40B, соединенный с клапаном 50, имеет одинаковое гидростатическое давление Рн с линией 40А управления.
Внутри на компоненты предохранительного клапана 50 воздействует давление Pc управления из линии 40А управления и компенсирующее гидростатическое давление Рн из уравновешивающей линии 40B. На компоненты также воздействует давление Рт в насосно-компрессорной трубе в скважине во время эксплуатации, что может быть выгодным. Как схематично показано на Фиг.2A-2B, установленный на глубине предохранительный клапан 50 использует гидравлическое давление из двух линий (40A-B) управления, так что клапан 50 может быть установлен на больших глубинах в стволе скважины. Клапан 50, как показано на Фиг.2A и 2B, имеет первый и второй исполнительные механизмы 60A-B. Первый исполнительный механизм 60A имеет активный поршень 62A, соединенный с расходной трубой 54. Давление управления из основной линии управления (40A) перемещает поршень 62A управления и расходную трубу 54, сжимая пружину 56 для открытия дроссельной заслонки клапана (не показано). Второй исполнительный механизм 60B имеет уравновешивающий поршень 62B с возможностью периодически входить в контакт с расходной трубой 54 во время работы.
На Фиг.2A клапан 50 находится в закрытом положении, где уравновешивающий поршень 62B бездействует, при этом давление Рт в насосно-компрессорной трубе больше гидростатического давления PH. В отличие от этого на Фиг.2B клапан 50 показан в открытом положении. Как показано на Фиг.2A, если давление Рт в насосно-компрессорной трубе является существенным, то усилие от данного давления Рт в насосно-компрессорной трубе и от пружины 56 действует на поршень 62A управления и стремится закрыть клапан 50. Поскольку давление PT в насосно-компрессорной трубе больше PH на Фиг.2A, то уравновешивающий поршень 52B бездействует, не прикладывая силы к расходной трубе 54, поскольку равнодействующая сила, направленная вниз, при действии давления Рт в насосно-компрессорной трубе удерживает уравновешивающий поршень 62B, опирающийся на уступ 57.
Как показано на Фиг.2B, если гидростатическое давление Рн является значительным, на поршень 62A управления действует сила, стремящаяся открыть клапан 50. Аналогично, давление Pc управления из линии (40A) управления действует на поршень 62A управления и стремится открыть клапан 50. При этом гидростатическое давление Рн прикладывает противоположную силу на уравновешивающий поршень 62B, стремясь закрыть клапан 50. Дополнительно, давление Рт в насосно-компрессорной трубе прикладывает противоположную силу на уравновешивающий поршень 62B; вместе с тем данная сила не стремится открыть клапан 50, поскольку уравновешивающий поршень 62B структурно изолирован от расходной трубы 54 (и пружины 56) взаимодействием блока 55 с уступом 57 корпуса камеры. Таким образом, если давление Pc управления уменьшено, как показано на Фиг.2B, клапан 50 должен возвращаться к закрытому положению, показанному на Фиг.2A.
Хотя существующие предохранительные клапаны для вариантов установки на глубине могут быть эффективными, операторы продолжают испытывать потребность в улучшенных гидравлических системах управления для вариантов установки на глубине, которые могут предотвращать выход из строя и уменьшать другие проблемы. Задачей настоящего изобретения является усовершенствование существующих предохранительных клапанов.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Гидравлическая система управления для подземного предохранительного клапана имеет первую и вторую линии управления, гидравлически сообщающиеся с подземным предохранительным клапаном. Первая линия управления передает первое гидравлическое давление для приведения в действие подземного предохранительного клапана. Вторая линия управления передает второе гидравлическое давление для компенсации гидростатического давления, соответствующего первой линии управления. Регулятор регулирует гидравлическое сообщение между первой и второй линиями управления. Регулятор можно прикреплять к эксплуатационной насосно-компрессорной трубе и можно соединять с двумя линиями управления в скважине. Альтернативно, регулятор может быть установлен на самом предохранительном клапане, или встроен в него, или установлен на другом компоненте насосно-компрессорной трубы в скважине или встроен в него.
В общем, пока второе гидравлическое давление компенсирует гидростатическое давление в первой линии управления, предохранительный клапан может работать надлежащим образом. В данном случае регулятор предотвращает гидравлическое сообщение от первой линии управления ко второй линии управления. Вместе с тем, когда второе гидравлическое давление падает ниже определенного уровня относительно гидростатического давления, соответствующего первой линии управления, предохранительный клапан может выйти из строя в открытом положении в зависимости от давления в скважине. В данном случае регулятор обеспечивает гидравлическое сообщение от первой линии управления ко второй линии управления. При стравливании гидравлического давления из первой линии во вторую линию гидравлическое давление от первой линии может упасть ниже определенного уровня. С помощью пружины (и возможно, также давления в насосно-компрессорной трубе) предохранительный клапан может при выходе из строя встать в закрытое положение и не оставаться открытым. В результате гидравлическое давление, стравливаемое из первой линии управления, может загрузить вторую линию управления, если герметичность второй линии восстановлена. Таким способом можно перенастроить предохранительный клапан.
Первая линия управления проходит от подземного предохранительного клапана на поверхность через оборудование устья скважины, где первая линия управления соединяется с гидравлической системой, имеющей насос и емкость. Вторая линия управления может также проходить от подземного предохранительного клапана вверх через оборудование устья скважины и может соединяться с насосом или емкостью гидравлической системы. Альтернативно, вторая линия управления проходит от подземного предохранительного клапана, но заканчивается в некоторой точке в скважине ниже оборудования устья скважины. В данном случае вторая линия управления может иметь заглушку. Когда эксплуатационную насосно-компрессорную трубу с предохранительным клапаном и линиями управления развертывают в скважине, из второй линии управления гидравлическая жидкость может быть удалена. После развертывания гидравлическое давление можно стравливать из первой линии управления во вторую линию управления через регулятор для получения надлежащего давления для работы предохранительного клапана, установленного на глубине. Любой захваченный газ во второй линии управления можно затем использовать, как сжимаемый буфер для линии, что может быть предпочтительно для работы последней.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
В дальнейшем изобретение поясняется описанием вариантов его осуществления со ссылками на сопровождающие чертежи.
Фиг.1 изображает ствол скважины с эксплуатационной колонной насосно-компрессорных труб и установленным на глубине предохранительным клапаном согласно известному уровню техники.
Фиг.2A-2B изображают детали установленного на глубине предохранительного клапана из известного уровня техники.
Фиг.3A-3C изображают конфигурации системы управления согласно настоящему изобретению для установленного на глубине предохранительного клапана.
Фиг.4A-4B изображают конфигурации прикрепления системы управления на эксплуатационной насосно-компрессорной трубе с установленным на глубине предохранительным клапаном.
Фиг.5A-5B изображают сечения регулятора в закрытом и открытом положениях для описанной системы управления.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Двухлинейная система управления 100 на Фиг.3A-3C управляет работой установленного на глубине предохранительного клапана 50. Как было показано выше, предохранительный клапан 50 устанавливают на эксплуатационной насосно-компрессорной трубе (не показано), размещенной в стволе скважины, и предохранительный клапан 50 регулирует подачу полученной текучей среды через эксплуатационную насосно-компрессорную трубу. При использовании предохранительный клапан 50 закрывает поток через насосно-компрессорную трубу в случае резкой и неожиданной потери или падения давления в добываемой текучей среде, совпадающего с соответствующим увеличением расхода в эксплуатационной насосно-компрессорной трубе. Такое условие может возникать в результате потери регулирования притока (т.e. выброса) добываемой текучей среды. При таком условии предохранительный клапан 50 автоматически приводится в действие и отсекает подачу к устью добываемой текучей среды через насосно-компрессорную трубу. Когда управление восстановлено, предохранительный клапан 50 можно дистанционно повторно открыть для восстановления подачи добываемой текучей среды.
Система 100 управления включает в себя пульт управления скважиной или манифольд гидравлической системы 110, которая может иметь один или несколько насосов 112, емкостей 114 и других необходимых компонентов для гидравлической системы высокого давления, используемой в скважинах. На Фиг.3А, две линии 120А-В управления проходят от гидравлической системы 110 через оборудование 115 устья скважины и вниз в скважину к установленному на глубине предохранительному клапану 50. Одна линия 120А управления соединена с насосом 112 гидравлической системы 110, другая линия 120В управления соединена с емкостью 114 гидравлической системы 110 способом, аналогичным описанному в упомянутом выше патенте США № 7392849.
На Фиг.3B две линии 120A-B управления проходят от гидравлической системы 110 через оборудование устья скважины 115 и вниз по скважине к установленному на глубине предохранительному клапану 50. В данной конфигурации, вместе с тем, обе линии 120A-B управления соединяются с одним или несколькими насосами 112 гидравлической системы 110 и выполнены с возможностью раздельной работы. С использованием данной конфигурации операторы могут открывать и закрывать установленный на глубине предохранительный клапан 50 в обоих направлениях, при этом работой гидравлической жидкости в линиях 120A-B управления раздельно управляет гидравлическая система 110. В любом случае, уравновешивающая линия 120В управления на Фиг.3A-3B может компенсировать гидростатическое давление в основной линии 120А управления, обеспечивая установку предохранительного клапана 50 на большей глубине.
Прокладка линий управления через компоненты оборудования 115 устья скважины может быть затруднена. Как альтернатива, конфигурация системы 100 управления, показанная на Фиг.3C, имеет уравновешивающую линию управления 120B, заканчивающуюся или заглушенную под оборудованием 115 устья скважины. При этом только основная линия 120А управления проходит на поверхность в гидравлическую систему 110, а уравновешивающая линия 120В управления для компенсации гидростатического давления заканчивается под оборудованием 115 устья скважины заглушкой 130. Таким путем конфигурация, показанная на Фиг.3C, исключает необходимость прокладки двух линий управления через оборудование 115 устья скважины.
Со своей стороны, предохранительный клапан 50 на Фиг.3A-3C может включать в себя любой известный в данной области техники клапан, устанавливаемый на глубине. В одном варианте реализации установленный на глубине предохранительный клапан 50 может иметь признаки, описанные в упомянутом выше патенте США № 7392849. В общем, установленный на глубине предохранительный клапан 50 использует гидравлические давления двух линий 120A-В управления для приведения в действие затвора 65 клапана 50 для обеспечения возможности установки клапана 50 на больших глубинах в скважине. Как лучше всего показано на Фиг.3А, например, основная или активная линия управления 120A может приводить в действие основной исполнительный механизм 60A в клапане 50, а вторая или уравновешивающая линия 120В управления может приводить в действие второй исполнительный механизм 60B. Как показано, затвор 65 может включать в себя дроссельную заслонку 52, расходную трубу 54 и пружину 56. Основной исполнительный механизм 60A может включать в себя узел поршня со штоком, известный в технике, для перемещения расходной трубы 54. Уравновешивающий исполнительный механизм 60B может также включать в себя узел поршня со штоком, известный в технике, для перемещения расходной трубы 54.
Альтернативно, уравновешивающий исполнительный механизм 60B может включать в себя уравновешивающую линию 120В управления, сообщающуюся с камерой для пружины 56, так что второе гидравлическое давление в уравновешивающей линии 120В управления может действовать совместно с пружиной 56 на расходную трубу 54. Кроме того, уравновешивающая линия 120В управления может сообщаться с противоположной стороной поршневого узла первого исполнительного механизма 60A для уравновешивания гидростатического давления в первой линии 120А управления. Альтернативно, линии 120A-B управления могут соединяться с исполнительными механизмами в предохранительном клапане 50 согласно устройству, описанному в упомянутом выше патенте США № 7392849, обеспечивающему использование давления в насосно-компрессорной трубе. Данные и другие исполнительные механизмы 60A-B и затворы 65 можно использовать в предохранительном клапане 50 для описанной системы 100 управления.
В любом случае, с основной линией 120А управления, загруженной гидравлическим давлением, основной исполнительный механизм 60A открывает затвор 65. Например, поршень исполнительного механизма 60A перемещает расходную трубу 54 вниз, открывая дроссельную заслонку 52 предохранительного клапана 50. Со своей стороны, гидравлическое давление в уравновешивающей линии 120В управления компенсирует гидростатическое давление в основной линии 120А управления, действуя на уравновешивающий исполнительный механизм 60B. Например, уравновешивающий исполнительный механизм 60B, имеющий уравновешивающий поршневой узел, действует вверх на расходную трубу 54 и уравновешивает гидростатическое давление основной линии 120А управления. Поэтому данная компенсация сводит на нет действие гидростатического давления в основной линии 120А управления и обеспечивает возможность работы клапана 50 на увеличенных глубинах установки.
Если уравновешивающая линия 120В управления теряет герметичность и имеется недостаточное давление в кольцевом пространстве для уравновешивания гидростатического давления в основной линии управления, то клапан 50 может выйти из строя в открытом положении, что неприемлемо. Линия 120В управления, которая может представлять собой напорный трубопровод диаметром 1/4 дюйма (6,4 мм), может выйти из строя по различным причинам. Например, линия 120В управления может протекать, или может засоряться, или забиваться со временем вследствие наличия отходов в гидравлической жидкости управления. Типичные отходы, загрязнения или твердые частицы, которые могут появляться и становиться суспендированными в гидравлической жидкости управления, могут проступать из емкостей, получаться в результате физического износа компонентов системы, химического разложения и других источников.
Для предотвращения выхода из строя система 100 управления включает в себя отказобезопасное устройство или регулятор 150, расположенный в некоторой точке в скважине. Регулятор 150 соединяет между собой две линии 120A-B управления и действует, как клапан одностороннего действия между двумя линиями 120A-B. При некоторых обстоятельствах, рассматриваемых ниже, регулятор 150 стравливает давление из основной линии 120А управления в уравновешивающую линию 120В управления для осуществления работы предохранительного клапана 50.
Схематично на Фиг.4A показано устройство прикрепления линии 120A-B управления к эксплуатационной насосно-компрессорной трубе 20 с установленным на глубине предохранительным клапаном 50. Для линий 120A-B управления можно использовать гибкие хомуты или бандажи 24, прикрепляющие линии управления к насосно-компрессорной трубе. Регулятор 150 может являться независимым компонентом, соединенным тройниками или другими необходимыми компонентами с линиями 120A-B управления, и может также крепиться к насосно-компрессорной трубе 20 бандажами 24. Альтернативно, как показано на Фиг.4B, регулятор 150 может быть установлен на корпусе предохранительного клапана 50 или встроен в него или установлен на другом компоненте насосно-компрессорной трубы или встроен в него, а линии 120A-B управления могут крепиться бандажами 24 или т.п. Бандажи и другие устройства можно использовать для установки системы 100 управления на насосно-компрессорную трубу 20.
Как отмечено выше, конфигурации на Фиг.3A-3B имеют линии 120A-B управления, проложенные через оборудование 115 устья скважины с использованием известных методик. Для конфигурации, показанной на Фиг.3C, вместе с тем, уравновешивающая линия 120В управления заканчивается в скважине заглушкой 130 с использованием методик установки заглушки, известных в технике. Глубина, на которой устанавливают заглушку на уравновешивающей линии 120В управления, может изменяться в зависимости от варианта реализации. На практике уравновешивающая линия 120В управления предназначена для создания компенсации гидростатического давления в основной линии 120А управления.
При развертывании системы 100 управления, показанной на Фиг.3C, в скважине уравновешивающая линия 120В управления предпочтительно освобождается от гидравлической жидкости. При спуске линий 120A-B на насосно-компрессорной трубе 20 из основной линии 120А управления стравливают гидравлическое давление в уравновешивающую линию 120В управления через регулятор 150, что обеспечивает передачу давления из линии 120A в линию 120B (но не из линии 120B в линию 120A). С ростом гидравлического давления в уравновешивающей линии 120B образуется объем газа, захваченного в линию 120B, что является полезным для работы системы управления 100. Например, захваченный газ действует в качестве сжимаемого буфера и может способствовать предотвращению образования паровой пробки в системе 100.
В любой из конфигураций, показанных на Фиг.3A-3C, если уравновешивающая линия 120В управления когда-либо теряет герметичность, регулятор 150 может стравливать гидравлическое давление из основной линии 120A в уравновешивающую линию 120В управления для достижения любой из различных целей, описанных в данном документе. Детали регулятора 150 для системы 100 управления показаны на Фиг.5A-5B.
Регулятор 150 показан в закрытом положении на Фиг.5A и показан в открытом положении на Фиг.5B. Регулятор 150 имеет корпус 160, образующий внутренний проход, так что данное устройство представляет собой регулятор 150 с конструктивным исполнением элемента, независимого от предохранительного клапана (50). Вместе с тем, как отмечено выше, должно быть ясно, что регулятор 150 может являться частью предохранительного клапана (50) и корпус 160 регулятора может фактически являться элементом предохранительного клапана (50). Кроме того, корпус 160 может быть сконструирован способами, известными в технике, для осуществления сборки, что может быть не показано на чертежах.
Корпус 160 имеет основной патрубок 162 с гидравлическим штуцером 163 для соединения с основной линией 120А управления тройником или т.п. Основной патрубок 162 сообщается с промежуточной камерой 166 втулки через дроссельный проход 164. Муфта 170 вставляется в промежуточную камеру 166 втулки и имеет гидравлический штуцер 173 для соединения с уравновешивающей линией 120В управления с тройником или т.п.
Шток 190 для регулирования расхода размещен в основном патрубке 162 и может перемещаться в нем с возможностью уплотнения на сальник или седло 165 вокруг дроссельного прохода 164. Поршень 180 размещается в открытом конце 174 муфты 170. Пружина 185 размещается в камере атмосферного или низкого давления муфты 170 за поршнем 180 и смещает поршень 180 наружу. В зависимости от гидравлического давления, действующего на передний конец 182 поршня, и смещения пружины 185, поршень 180 может перемещаться относительно штока 190 и может толкать шток 190 относительно дроссельного прохода 164.
Как отмечено выше, гидравлическое давление, приложенное к основной линии 120А управления (сообщающейся с патрубком 162), открывает предохранительный клапан (50), соединенный с линией 120А-В. Гидравлическое давление в линии управления 120A передают уравновешивающей линии 120В управления до получения в уравновешивающей линии проектного гидростатического давления. При таком давлении сообщение между линией 120A и 120B должно прекращаться. Сохраняющееся гидростатическое давление в линии 120B действует, компенсируя гидростатическое давление в основной линии 120А управления для целей управления предохранительным клапаном (50), как описано в данном документе.
В закрытом положении, показанном на Фиг.5A, гидравлическое давление в основной линии 120А управления толкает шток 190 так, что он уплотняется на седле 165 внутри дроссельного прохода 164. На другом конце регулятора 150 гидравлическое давление в уравновешивающей линии 120В управления толкает поршень 180, отжимая пружину 185 так, что поршень 180 не имеет контакта со штоком 190. В частности, давление уравновешивающей линии 120В управления передается через арматуру 173 и выходит из поперечных каналов 172 муфты для передачи в кольцевое пространство вокруг муфты 170 в камере 166 втулки.
Давление передается к концу 174 муфты 170 и входит в пространство между штоком 190 и поршнем 180. Здесь гидравлическое давление действует на конец 182 поршня с манжетным уплотнением 184, и давление стремится обуславливать вдавливание поршня 180, отжимающее пружину 185. Манжетное уплотнение 184 можно использовать в системах уплотнения неметалла к металлу, известных в технике, хотя и любую подходящую систему уплотнения можно использовать.
При нормальных условиях основное давление в патрубке 162, действующее на шток 190, больше или равно второму давлению в камере 166, действующему на шток 190, так что шток 190 отсекает поток через регулятор 150. Другими словами, перепад между первым и вторым гидравлическим давлением смещает поршень 182 в освобожденное положение, показанное на Фиг.5A, таким образом, обеспечивая закрытое положение штока 190. Если уравновешивающая линия 120В управления теряет герметичность и недостаточное давление имеется в кольцевом пространстве для уравновешивания гидростатического давления в основной линии управления, то предохранительный клапан (50), как описано выше, может выходить из строя в открытом положении, что неприемлемо.
Ослабление герметичности уравновешивающей линии 120В управления показано на Фиг.5B. Уменьшенное давление, действующее на поршень 180, обеспечивает смещение пружиной 185 поршня 180 так, что поршень входит в контакт с концом штока 190. Если ослабление достаточно большое, поршень 180 толкает шток 190 через дроссельный проход 164 и от уплотнения 165, как показано. (Предпочтительно обеспечено предотвращение прохода манжетного уплотнения 184 на конце 182 поршня по кромке 174 муфты 170 во избежание возможного повреждения уплотнения 184, которое может обуславливать выдавливание последнего.)
Перемещение штока от уплотнения 165 обеспечивает передачу давления из основной линии 120А управления с обходом штока 190 и через дроссельный проход 164. Данное действие стравливает давление из основной линии 120А управления в уравновешивающую линию 120В управления. Таким путем регулятор 150 помогает системе 100 управления преодолевать последствия выхода из строя предохранительного клапана (50) в открытом положении.
С открытием, как на Фиг.5B, например, регулятор 150 обеспечивает стравливание из основной линии 120А управления через патрубок 162 в уравновешивающую линию 120B, таким образом выравнивая гидростатическое давление на предохранительном клапане (50). При стравливании гидравлического давления через регулятор 150 гидравлическое давление, передаваемое из основной линии 120A на предохранительный клапан (50), может падать ниже уровня, обеспечивающего сохранение открытого положения предохранительного клапана (50). Например, сила от внутренней пружины (56) в клапане (50), любое остающееся давление в уравновешивающей линии 120В управления и, возможно, давление в насосно-компрессорной трубе, если применяется, могут действовать, закрывая клапан (50), как описано выше. Когда такое происходит, предохранительный клапан (50) закрывается и выходит из строя в закрытом положении, а не остается открытым.
Если герметичность в уравновешивающей линии 120В управления восстановлена, то гидравлическое давление в уравновешивающей линии 120B может постепенно перемещать поршень 180, отжимая пружину 185, и обеспечивать установку штока 190 в закрытое положение, показанное на Фиг.5A. После выполнения указанного основную линию 120А управления можно вновь использовать для приведения в действие клапана (50), при этом уравновешивающая линия 120В управления создает гидростатическую компенсацию для работы на глубине.
Для простоты изобретенная система управления описана, в общем, для обсаженного вертикального ствола скважины. Вместе с тем, описанную систему управления можно использовать в скважине любого типа, такой как скважина с необсаженным стволом, скважина с горизонтальным стволом или скважина с наклонно-направленным стволом без отхода от принципов настоящего изобретения. Кроме того, показана скважина для бурения на суше; вместе с тем, понятно, что описанную систему управления также можно использовать в скважинах морского бурения.
Силы действия пружин площади поверхностей гидросистемы, объемы и другие детали для компонентов, описанных в данном документе, можно подбирать для конкретных вариантов реализации и можно менять в зависимости от прогнозируемого рабочего давления и по другим соображениям. Поэтому описанный регулятор и система управления могут быть выполнены с возможностью работы с реагированием на установленный и определенный перепад давления для конкретного варианта реализации. С учетом указанного описанный регулятор и система управления приспособлены для обеспечения передачи гидравлического давления из основной линии управления в уравновешивающую линию с реагированием на падение давления в уравновешивающей линии ниже некоторого установленного уровня давления. В целом, данный установленный уровень давления связан с гидростатическим давлением столба гидравлической жидкости в основной линии управления, хотя фактические значения уровня могут отличаться от точного значения гидростатического давления.
Хотя использование одного регулятора 150 между линиями 120A-B управления показано и описано в данном документе, следует понимать, что можно использовать многочисленные регуляторы 150 между линиями 120A-B управления. Данные многочисленные регуляторы 150 могут иметь аналогичное исполнение с возможностью создания резервирования на случай выхода из строя одного из регуляторов. Альтернативно, регуляторы 150 могут иметь различное исполнение с возможностью отличающейся работы при реагировании на различные гидравлические давления в линиях 120A-B управления, которые, в свою очередь, могут иметь непосредственное отношение к работе предохранительного клапана и давлениям воздействию которых подвергаются.
Также, хотя описанный регулятор 150 Фиг.5A-5B показан, как отдельный компонент со своим собственным корпусом 160, представляется очевидным, что регулятор 150 может быть встроен в корпус предохранительного клапана 50, показанного на Фиг.4B, или встроен в другой скважинный трубный компонент. Например, линии 120A-B управления могут сообщаться с внутренними каналами или патрубками, соединенными с внутренней камерой в корпусе предохранительного клапана. Компоненты регулятора 150, такие как муфта 170, поршень 180, пружины 185 и шток 190, могут устанавливаться во внутренней камере клапана для регулирования гидравлического давления между патрубками для линий 120A-B управления согласно целям, описанным в данном документе.
Приведенное выше описание предпочтительных и других вариантов осуществления не направлено на ограничение или сужение объема или применимости концепций настоящего изобретения. При раскрытии концепции настоящего изобретения заявителю принадлежат все патентные права, предоставленные прилагаемой формулой изобретения. Поэтому прилагаемая формула изобретения может быть расценена включающей в себя в полной мере все варианты в объеме нижеприводимых признаков пунктов формулы изобретения или их эквивалентов.
1. Гидравлическая система управления для подземного предохранительного клапана, содержащая: первую линию управления, гидравлически сообщающуюся с подземным предохранительным клапаном и передающую первое гидравлическое давление для приведения в действие подземного предохранительного клапана; вторую линию управления, гидравлически сообщающуюся с подземным предохранительным клапаном и передающую второе гидравлическое давление для компенсации гидростатического давления, соответствующего первой линии управления; и регулятор, регулирующий гидравлическое сообщение между первой и второй линиями управления, причем указанный регулятор обеспечивает гидравлическое сообщение от первой линии управления ко второй линии управления с реагированием на падение второго гидравлического давления ниже уровня давления, относящегося к гидростатическому давлению, соответствующему первой линии управления.
2. Система по п.1, в которой регулятор крепится к эксплуатационной насосно-компрессорной трубе с подземным предохранительным клапаном, установленным на ней.
3. Система по п.1, в которой регулятор встроен в подземный предохранительный клапан.
4. Система по п.1, в которой регулятор содержит орган управления расходом, перемещающийся в регуляторе между открытым и закрытым положениями, причем орган управления расходом имеет первый участок, находящийся под воздействием первого гидравлического давления, и второй участок, находящийся под воздействием второго гидравлического давления.
5. Система по п.4, в которой регулятор содержит смещающий элемент, смещающий орган управления расходом в открытое положение.
6. Система по п.1, в которой регулятор содержит: шток, перемещающийся в регуляторе между открытым и закрытым положениями, и поршень, перемещающийся между сцепленным и расцепленным положениями, причем поршень в сцепленном положении перемещает шток в открытое положение, а поршень в расцепленном положении обеспечивает перемещение штока в закрытое положение.
7. Система по п.6, в которой регулятор содержит смещающий элемент, смещающий поршень в сцепленное положение.
8. Система по п.6, в которой шток в закрытом положении предотвращает гидравлическое сообщение первой линии управления со второй линией управления и в открытом положении обеспечивает гидравлическое сообщение первой линии управления со второй линией управления.
9. Система по п.1, в которой первая линия управления проходит от подземного предохранительного клапана через оборудование устья скважины.
10. Система по п.9, в которой вторая линия управления проходит от подземного предохранительного клапана через оборудование устья скважины.
11. Система по п.10, в которой первая и вторая линии управления соединяются с гидравлической системой.
12. Система по п.9, в которой вторая линия управления проходит от подземного предохранительного клапана и заканчивается в скважине ниже оборудования устья скважины.
13. Система по п.1, дополнительно содержащая гидравлическую систему, соединяющуюся с одной или обеими из первой и второй линий управления.
14. Система по п.1, дополнительно содержащая подземный предохранительный клапан, развертываемый в стволе скважины, содержащий: затвор, перемещающийся между закрытым и открытым положениями относительно канала в подземном предохранительном клапане; первый исполнительный механизм, закрывающий затвор в ответ на первое гидравлическое давление, передаваемое первой линией управления; и второй исполнительный механизм, противодействующий первому исполнительному механизму в ответ на второе гидравлическое давление, передаваемое второй линией управления.
15. Устройство подземного предохранительного клапана, содержащее: затвор, перемещающийся между закрытым и открытым положениями относительно канала в подземном предохранительном клапане; первый исполнительный механизм, закрывающий затвор в ответ на первое гидравлическое давление, передаваемое первой линией управления на подземный предохранительный клапан; второй исполнительный механизм, противодействующий первому исполнительному механизму в ответ на второе гидравлическое давление, передаваемое второй линией управления на подземный предохранительный клапан; и регулятор, регулирующий гидравлическое сообщение между первой и второй линиями управления, причем регулятор обеспечивает гидравлическое сообщение от первой линии управления ко второй линии управления с реагированием на падение второго гидравлического давления ниже уровня давления, относящегося к гидростатическому давлению, соответствующему первой линии управления.
16. Устройство по п.15, в котором затвор содержит: дроссельную заслонку, поворачивающуюся относительно канала; и расходную трубу, перемещаемую в канале первым и вторым исполнительными механизмами относительно дроссельной заслонки.
17. Устройство по п.16, в котором первый и второй исполнительные механизмы содержат первый и второй поршни, находящиеся в контакте с расходной трубой.
18. Устройство по п.17, в котором первый поршень соединяется с расходной трубой и создает первую силу для перемещения расходной трубы с реагированием на первое гидравлическое давление, по меньшей мере, превышающую смещающую силу, противодействующую первой силе на расходной трубе.
19. Устройство по п.18, в котором второй поршень соединяется с расходной трубой и создает, по меньшей мере, часть смещающей силы, противодействующей первой силе.
20. Устройство по п.19, в котором второй поршень создает часть смещающей силы с реагированием на второе гидравлическое давление, передаваемое второй линией управления.
21. Устройство по п.18, в котором смещающий элемент создает, по меньшей мере, часть смещающей силы, противодействующей первой силе.
22. Устройство по п.18, в котором давление в насосно-компрессорной трубе создает, по меньшей мере, часть смещающей силы, противодействующей первой силе.
23. Устройство по п.15, содержащее корпус с затвором, первый исполнительный механизм, второй исполнительный механизм и регулятор.
24. Способ гидравлического управления подземным предохранительным клапаном, согласно которому: открывают подземный предохранительный клапан, приводимый в действие подачей первого гидравлического давления в подземный предохранительный клапан по первой линии управления; обеспечивают компенсацию гидростатического давления, соответствующего первой линии управления, подачей второго гидравлического давления в подземный предохранительный клапан по второй линии управления; обеспечивают гидравлическое сообщение от первой линии управления ко второй линии управления с реагированием на падение второго гидравлического давления ниже уровня давления, относящегося к гидростатическому давлению, соответствующему первой линии управления; и ограничивают гидравлическое сообщение от второй линии управления к первой линии управления.
25. Способ по п.24, в котором на этапе ограничения гидравлического сообщения от второй линии управления к первой линии управления обеспечивают смещение перепада между первым и вторым гидравлическими давлениями до уровня, соответствующего закрытому положению.
26. Способ по п.24, в котором передача второго гидравлического давления в подземный предохранительный клапан второй линией управления обеспечивает закрытие подземного предохранительного клапана с приведением в действие вторым гидравлическим давлением.
27. Способ по п.24, в котором первое гидравлическое давление на подземный предохранительный клапан передается первой линией управления, содержащей проход через оборудование устья скважины и соединение первой линии управления с гидравлической системой.
28. Способ по п.27, в котором второе гидравлическое давление на подземный предохранительный клапан передается второй линией управления, содержащей проход второй линии управления через оборудование устья скважины и соединение второй линии управления с гидравлической системой.
29. Способ по п.27, в котором передача второго гидравлического давления на подземный предохранительный клапан через вторую линию управления включает закрытие второй линии управления в скважине ниже оборудования устья скважины и загрузку второй линии управления вторым гидравлическим давлением через первую линию управления и регулятор.
