閥組件的制作方法
【專利說明】閥組件
[0001]本發(fā)明涉及一種閥組件，更具體而言涉及一種用于連續(xù)循環(huán)鉆井的閥組件。
[0002]通過位于鉆柱基部的鉆頭的旋轉(zhuǎn)來執(zhí)行井眼鉆孔。鉆柱主要由在每端處通過螺紋連接結(jié)合至彼此的各個管接頭構(gòu)成。
[0003]鉆頭旋轉(zhuǎn)是穿透地下地層并最終到達期望目標深度的關(guān)鍵功能。為了使鉆頭旋轉(zhuǎn)，通常利用旋轉(zhuǎn)臺或頂部驅(qū)動器向鉆柱提供扭矩，鉆柱將致使下面的鉆頭旋轉(zhuǎn)。鉆頭旋轉(zhuǎn)還可以獨立于鉆柱旋轉(zhuǎn)通過井底馬達實現(xiàn)，該井底馬達由沿著鉆柱向下的鉆井流體的流動提供能量。
[0004]在任一旋轉(zhuǎn)方案中，鉆井流體最終都是沿著鉆柱向下，經(jīng)過鉆頭并且通過井眼環(huán)空向上循環(huán)。鉆井流體的這種流動用來提供充足的底孔清潔、切肩輸送和鉆頭冷卻。鉆井流體還被期望通過在環(huán)空中產(chǎn)生足夠壓力而提供井眼穩(wěn)定性，以防止地層流體的意外流入并且還防止井眼坍塌。鉆井流體可以代表由油、合成或水基流體(其含有不同量的固態(tài)內(nèi)容物以及充氣液體、泡沫、薄霧和惰性氣體)構(gòu)成的各種混合物。
[0005]需要相當大的壓力量來使鉆井流體以成功地提供期望水平的底孔清潔、切肩輸送和井眼壓力所需的速率沿著以上描述的路徑循環(huán)。結(jié)果，通常配置正排量栗來利用作為一段流動管道的頂部驅(qū)動器或方鉆桿(kelly)沿著鉆柱的頂部向下通過豎管歧管噴射鉆井流體。正排量栗一般被稱為泥漿栗，并且提供使流體移動通過整個鉆井系統(tǒng)的必要機械力。
[0006]隨著鉆孔深度的增加，必須將附加管段添加至鉆柱頂部，以便允許鉆頭朝向期望目標繼續(xù)前進。另選地，當將鉆頭從孔拉出時，必須將管段從鉆柱移除。傳統(tǒng)上，增加鉆管的過程都是通過停止鉆井流體循環(huán)，將頂部驅(qū)動器從鉆柱斷開，增加一段管，將頂部驅(qū)動器再次連接至鉆柱的頂部并再次開始鉆井流體的循環(huán)來進行的。
[0007]在以上描述的過程期間終止流體循環(huán)給鉆井帶來了挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)可以通過其中并不停止循環(huán)的連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)來解決。在這種一種提議中，鉆井流體的流動被從頂部驅(qū)動器完全轉(zhuǎn)移走并且被引導向鉆柱中的側(cè)端口。側(cè)端口提供了通向鉆柱主孔的另選流動路徑。這樣做時，在鉆柱頂部被關(guān)閉且頂部驅(qū)動器端口以便增加另一段管時，循環(huán)能夠不中斷地連續(xù)通過側(cè)端口。這種流動轉(zhuǎn)移可以通過位于側(cè)端口中的單向閥來實行，該單向閥具有用于軟管的連接件，該軟管經(jīng)由立管歧管從鉆探平臺泥漿栗接收加壓流體流。一旦將頂部驅(qū)動器再次連接，則還可以通過鉆柱的頂部將鉆井流體流動完全轉(zhuǎn)移回來。
[0008]在美國專利8，210, 266B2中公開的這種系統(tǒng)的一個實施方式中，在大體圓柱形的閥殼體中安裝提升式止回閥，閥殼體位于鉆柱壁中的側(cè)端口內(nèi)(如圖5a、圖5b、圖5c、圖5d、圖6a、圖6b、圖6c和圖6d中所示)。側(cè)端口垂直于鉆柱的主孔方向。圓柱形閥殼體通過與鉆柱的側(cè)端口螺紋接合而固定就位。圓柱形閥殼體還可以利用穿過殼體中的孔口延伸到鉆柱本體中的鎖定銷而固定就位。這些鎖定銷防止閥殼體退出來。也可以使用將閥殼體緊固至側(cè)端口的任何其它合適裝置或螺栓。閥殼體還包含與容納提升式止回閥的側(cè)孔平行的中央孔。利用O型環(huán)在圓柱形閥殼體鉆柱本體之間產(chǎn)生流體緊密的密封。
[0009]提升閥構(gòu)件包括在一端以垂直方式安裝至圓柱形盤的閥桿。圓形閥座位于圓柱形閥殼體的外側(cè)。當位于關(guān)閉位置時，閥桿伸出到閥殼體的孔內(nèi)，同時比殼體孔直徑略為寬一點的圓柱形盤座置在閥座上。在關(guān)閉閥位置中，在閥座和圓柱形盤之間形成金屬/金屬密封。該金屬/金屬密封用作在連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)斷開的情況下防止流體在鉆井時期期間從鉆柱流出并通過閥殼體流回來的主要屏障。另外，將提升類型的閥組件完全沖洗定位在側(cè)孔內(nèi)具有不妨礙通過鉆柱主孔流動的優(yōu)點。
[0010]為了將閥構(gòu)件徑向定位在閥殼體的孔內(nèi)，設置環(huán)形凸緣，該環(huán)形凸緣從具有金屬輻條的閥殼體延伸到比閥桿的直徑略寬的中央孔口內(nèi)。閥桿延伸穿過該中央孔口。閥由彈簧偏壓在關(guān)閉位置，該彈簧在設置在環(huán)形凸緣中的圓形凹槽之間向外朝向閥桿自由端延伸，其中該閥桿通過槽形螺母或其它機械螺母設計緊固。為了將提升閥推動到打開位置，必須克服彈簧力，由此將圓柱形盤從圓形閥座提升起來。這樣做時，流體能夠通過閥殼體的孔，圍繞環(huán)狀凸緣中的輻條，并通過盤和閥座之間的空間流到鉆柱的主孔內(nèi)。這種力可以借助于來自泥漿栗的加壓流體流通過軟管來部署，該軟管可以從立管流動歧管連接至位于鉆柱側(cè)端口中的閥殼體。
[0011]當閥沒有通過側(cè)端口傳輸流體時，圓柱形閥殼體的孔可以利用提供二級密封的防護帽組件來進行保護。在本發(fā)明的一個實施方式中，該帽由一雙部件式結(jié)構(gòu)構(gòu)成。外帽結(jié)構(gòu)滑動到閥殼體的孔內(nèi)，直到卡口連接件與圓柱形殼體上的唇緣結(jié)構(gòu)接合位置，從而將組件固定就位。內(nèi)帽結(jié)構(gòu)通過螺紋接合緊固至外帽結(jié)構(gòu)的內(nèi)部。內(nèi)帽結(jié)構(gòu)經(jīng)由O型環(huán)與閥殼體的內(nèi)表面形成二級密封。該二級密封在閥座和圓柱形盤失效的情況下提供附加屏障，以提供足夠的金屬/金屬密封。使用連接組件安裝和移除該帽。
[0012]該發(fā)明可以與固定鉆管主孔的頂部的另一個閥結(jié)合地使用。
[0013]在美國專利US7, 252，15UUS7, 322，418、US6, 412，554 和 US6, 119，772 中公開了連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)的其它實施例，但是這些特征是含有多個柱塞(ram)的高度復雜的機械-液壓系統(tǒng)，這些柱塞昂貴、涉及復雜設計和維護，并且在鉆井平臺地板上占用大量工作空間。美國專利申請2011/0308860中公平的設備并沒有提供更換閥孔中的頻繁磨損的金屬部件的機會。另外，該設備將閥構(gòu)件定位在鉆柱的主流動路徑中，結(jié)果使閥經(jīng)受強烈腐蝕。美國專利8，016，033B2也提出了一種基于側(cè)端口的循環(huán)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括位于鉆柱的主孔的直接流動直徑中的閥，從而該系統(tǒng)也經(jīng)受強烈腐蝕。最后，美國專利2，158，356提供了一種具有擋板閥的側(cè)端口循環(huán)系統(tǒng)。使用擋板閥在傳統(tǒng)上并不沒有提供結(jié)實的高壓力密封。
[0014]以上在美國專利8，210，266B2中描述的發(fā)明的實施方式解決了在目前連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)中遇到的許多缺點。一級和二級密封屏障密封機構(gòu)提供了通過鉆柱主孔的加壓流體流不會經(jīng)由側(cè)端口逃離鉆柱的增加保證。防護帽允許任何捕獲壓力的釋放來指示密封是否有效并保護機組人員。在一級屏障失效的情況下，防護帽上的鎖定系統(tǒng)將不會允許將帽釋放。該設計還通過閥殼體的外表面和側(cè)端口壁的內(nèi)表面之間的螺紋接合或夾緊鉆柱本體的鎖定銷以及O型環(huán)而壓力緊密密封地將閥組件固定至側(cè)端口。提升閥提供了比擋板閥更堅固的密封。另外，該設計不會妨礙鉆柱的主孔中的流動路徑。最后，相比于配置使用柱塞和環(huán)狀止動件來進行連續(xù)循環(huán)過程的高度復雜和昂貴的設施，使用所提出的連續(xù)循環(huán)閥更簡單得多。
[0015]本發(fā)明設法解決在US8，210, 266中示出并在以上描述的閥組件的相關(guān)問題中的一個或多個問題。
[0016]根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種用于控制流體到鉆管內(nèi)的流動的閥組件，所述閥組件具有閥體、閥構(gòu)件和閥座，其中:
[0017]a)所述閥體具有主通道；
[0018]b)所述閥構(gòu)件可在其中所述閥構(gòu)件與所述閥座的閥座面接合以基本防止流體沿著所述主通道流動的關(guān)閉位置和其中所述閥構(gòu)件與所述閥座面間隔開的打開位置之間移動；
[0019]c)所述閥座相對于所述閥體是獨立的部件(不與所述閥體成一體)。
[0020]通過使所述閥座與所述閥體分離，如果例如由于侵蝕或腐蝕而損壞，則可以更換所述閥座，而無需也更換所述閥體。
[0021]至少所述閥座面和所述閥構(gòu)件這二者的在所述閥構(gòu)件位于所述關(guān)閉位置時相接合的部分可以是金屬的。換言之，所述閥座面和所述閥構(gòu)件的接合形成了金屬/金屬密封。所述閥構(gòu)件可以設置有附加的非金屬密封元件(例如聚亞安酯密封件)，該附加的非金屬密封元件在所述閥構(gòu)件位于所述關(guān)閉位置時也與所述閥座面接合。
[0022]所述閥組件可以包括帽，所述閥體可以設置有帽鎖定結(jié)構(gòu)，所述帽鎖定結(jié)構(gòu)適合于在所述帽至少部分地位于所述主通道中時與設置在所述帽上的對應鎖定結(jié)構(gòu)接合，這些鎖定結(jié)構(gòu)的接合基本防止了所述帽從所述主通道移動出來。所述閥座可以具有另一個閥座面，當所述帽借助于其鎖定結(jié)構(gòu)與所述閥體的帽鎖定結(jié)構(gòu)的接合而被保持在所述閥體的所述主通道中時，該另一個閥座面與帽的密封部分接合以提供基本流體緊密的密封。
[0023]所述閥體可以設置有用于將所述閥體固定在設置在鉆管中的孔口中的裝置。這可以包括位于所述閥體的外表面上的螺紋。
[0024]所述閥構(gòu)件可以主要由所述閥體和所述閥座圍繞。
[0025]所述閥構(gòu)件可以通過平移運動而在所述關(guān)閉位置和所述打開位置之間運動。
[0026]所述閥座可以位于