用于閘閥的后座接合的設備及方法
【專利摘要】本發明涉及一種用于閘閥的后座接合的設備及方法。具體而言，一種用于調節壓裂流體的閥組件包括用于促動閘的促動桿、平衡桿和桿上的后座，后座在抵靠閥組件中的輪廓被推動時限定后座密封件。后座密封件通過將力施加到平衡桿的端部上而受激勵。平衡桿的端部包圍在壓室內，以便可通過加壓壓室來施加平衡桿的端部上的力。組件可在閥本體/蓋的相對側上，以在平衡桿/蓋上造成后座密封件，以允許在保持壓力完整性的同時更換平衡桿側上的桿填料。
【專利說明】用于閘閥的后座接合的設備及方法
【技術領域】
[0001]本發明大體上涉及一種閥組件。更具體而言，本發明涉及一種用于通過將力施加到平衡桿上來使具有平衡桿的閘閥組件后座接合的方法及裝置。
【背景技術】
[0002]壓裂鄰近井的地層通常涉及將適配器連接到井口部件的上端上，以及將高壓液體泵送到井中。在井中的指定地點處隔離壓力造成地層中的壓裂。珠粒(bead)或其它支撐劑材料通常包括在壓裂流體中，以進入裂縫來在除去高壓之后保持它們敞開。此類操作特別可用于具有低滲透性但具有充分的多孔性且含有烴的土壤地層，因為碳氫化合物可更容易地流過在土壤地層中造成的斷裂。
[0003]在壓裂期間采用的壓力可為一般可存在的天然土壤地層壓力的許多倍。例如，在壓裂期間，井口中的壓力可為8，OOOpsi至9，OOOpsi ;而井口壓力則可為幾百psi至幾千psi。由此，用來調節壓裂流體至井口的流動的閥可需要較高的力來用于其開啟和閉合。有時，這些高壓閥可使用平衡桿來補償可阻止閥操作的壓差。
[0004]閘閥有時包括后座(backseating)特征，其用于在閥桿與閥蓋之間密封，以便可更換閥組件中的填料。后座通常由桿和閥蓋中的互補輪廓表面構成，桿和閥蓋在一起被推動時，后座將隔離沿桿的壓力傳遞。后座大體上由穿過閥的流動中的壓力激勵，壓力將力施加到閥桿的底部表面上，且將桿和蓋中的輪廓表面一起推動。
【發明內容】
[0005]本文提供了一種閘閥組件的實例，其包括本體和穿過本體的通路。用于壓裂地層的壓裂流體源與通路連通。還包括閘，閘可在本體內滑動，且具有與通路有選擇地對準(register)的開孔。促動桿聯接到閘的端部上，且突入本體的通道中。后座密封件在促動桿的外表面上，后座密封件可有選擇地接合通道中的輪廓。平衡桿聯接到促動桿遠側的閘的端部上，且所包括的壓室(plenum)包圍與閘閥相對的平衡桿的端部，以便在壓室加壓時，力施加到閘閥遠側的平衡桿的端部上，以推動后座密封件來與通道中的輪廓密封接合。還可選地包括活塞，活塞在閘閥遠側的平衡桿的端部上；其中，活塞具有與壓室的內表面密封接觸的外周。可選地包括與壓室壓力連通的壓力源。在示例性實施例中，后座密封件從促動桿的外表面沿徑向向外突出，且具有楔形截面。輪廓可具有一定形狀，該形狀與后座密封件互補，且限定在通道的內徑沿徑向向內過渡處。可選地包括上蓋和下蓋，上蓋具有聯接到閘上的促動桿的端部設置于其中的室，而下蓋具有聯接到閘上的平衡桿的端部設置于其中的室，其中上蓋和下蓋中的室與通路壓力連通。可包括軸向促動器，其聯接到閘遠側的促動桿的端部來用于沿軸向移動桿。
[0006]本文中還提供了一種調節至井口組件的流動的方法。在一個示例性實施例中，該方法包括提供閘閥組件，閘閥組件具有本體、在本體中可移動的閘、聯接到閘的端部上的促動桿、在促動桿上的后座密封件，以及聯接到促動桿遠側的閘的端部上的平衡桿。流體與閘閥組件連通，以便流體中的壓力施加到聯接到閘上的平衡桿和促動桿的端部上，且生成沿相反方向施加到閘上的大致相等的力。力施加成沿一個方向抵靠閘來推動平衡桿，力使促動桿移位，以便后座密封件接合本體中的輪廓，以形成圍繞促動桿的一部分的密封件。可選的是，推動平衡桿的步驟包括使閘遠側的平衡桿的端部周圍的區域加壓。在一個實例中，通過提供閘遠側的平衡桿的端部周圍的壓室且使加壓流體流至壓室來使該區域加壓。作為備選，填料設在促動桿與本體之間的環帶中，該環帶通過后座密封件來與流體的壓力隔離開。在另一個實例中，除去了施加的力。
[0007]本文描述了一種安裝在井孔上的井口組件的實例，其包括開采樹、與壓裂流體源流體連通的開采樹上的閥組，以及閥組上的閥組件。閥組件由以下構成:具有與壓裂流體流體連通的通路的閥本體、本體中的閘、具有安裝在閘的上端上且與通路壓力連通的下端的促動桿、外接促動桿的一部分的后座密封件、具有安裝在閘的下端上且與通路壓力連通的上端的平衡桿，以及用于向上且抵靠閘來有選擇地推動平衡桿且使后座密封件位于抵靠本體中的輪廓處來形成密封的器件。可選的是，用于有選擇地向上推動平衡桿的器件包括與加壓流體源連通的安裝在閥本體的下端上的壓室。作為備選，壓室具有尺寸確定為與平衡桿的外表面有選擇地密封接觸的內徑。在一個實例中，包括在平衡桿的下端上的活塞。在示例性實施例中，包括用于移動閘的閥組件上的手輪。
[0008]根據一實施例，一種閘閥組件，包括:本體；穿過本體的通路，其與用于壓裂地層的壓裂流體源有選擇地聯接；閘，其可在本體中滑動，且具有與通路有選擇地對準的開孔；促動桿，其聯接到閘的端部上，且突出到本體中的通道中；促動桿的外表面上的后座密封件，其與通道中的輪廓有選擇地接合；聯接到促動桿遠側的閘的端部上的平衡桿；以及包圍閘閥遠側的平衡桿的端部的壓室，以便在加壓壓室時，力施加到閘閥遠側的平衡桿的端部上，以推動后座密封件與通道中的輪廓密封接合。
[0009]根據一實施例，閘閥組件還包括活塞，活塞在閘閥遠側的平衡桿的端部上且具有與壓室的內表面密封接觸的外周。
[0010]根據一實施例，壓力源與壓室壓力連通。
[0011]根據一實施例，后座密封件從促動桿的外表面沿徑向向外突出且具有楔形截面。
[0012]根據一實施例，輪廓具有與后座密封件互補且限定在通道的內徑沿徑向向內過渡的位置處的形狀。
[0013]根據一實施例，閘閥組件還包括上蓋和下蓋，上蓋具有聯接到閘上的促動桿的端部設置于其中的室，以及下蓋具有聯接到閘上的平衡桿的端部設置于其中的室，其中，上蓋和下蓋中的室與通路壓力連通。
[0014]根據一實施例，閘閥組件還包括聯接到閘的遠側的促動桿的端部上來用于沿軸向移動桿的軸向促動器。
[0015]根據一實施例，一種調節至井口組件的流動的方法，包括:a.提供閘閥組件，閘閥組件具有本體、在本體中可移動的閘、聯接到閘的端部上的促動桿、在促動桿上的后座密封件，以及聯接到促動桿遠側的閘的端部上的平衡桿；b.使流體與閘閥組件連通，以便流體中的壓力施加到平衡桿和促動桿的聯接到閘上的端部上，且生成沿相反方向施加到閘上的大致相等的力；以及c.施加力來沿一定方向抵靠閘推動平衡桿，力使促動桿移位，以便后座密封件接合本體中的輪廓，以形成圍繞促動桿的一部分的密封件。[0016]根據一實施例，推動平衡桿的步驟包括使閘的遠側的平衡桿的端部周圍的區域加壓。
[0017]根據一實施例，通過提供閘的遠側的平衡桿的端部周圍的壓室且使加壓流體流至壓室來使區域加壓。
[0018]根據一實施例，方法還包括替換在促動桿與本體之間的環帶中的填料，環帶通過后座密封件來與步驟(b)的流體的壓力隔離開。
[0019]根據一實施例，方法還包括除去步驟(C)中的力。
[0020]根據一實施例，一種安裝在井孔上的井口組件，包括:開采樹；與壓裂流體源流體連通的開采樹上的閥組；以及在閥組上的閥組件，其包括:具有與壓裂流體流體連通的閥本體，本體中的閘；促動桿，其具有安裝在閘的上端上且與通路壓力連通的下端，外接促動桿的一部分的后座密封件，平衡桿，其具有安裝在閘的下端上且與通路壓力連通的上端，以及用于向上且抵靠閘有選擇地推動平衡桿且使后座密封件位于抵靠本體中的輪廓來形成密封的器件。
[0021]根據一實施例，用于有選擇地向上推動平衡桿的器件包括與加壓流體源連通的安裝在閥本體的下端上的壓室。
[0022]根據一實施例，壓室具有尺寸確定為與平衡桿的外表面有選擇地密封接觸的內徑。
[0023]根據一實施例，井口組件還包括平衡桿的下端上的活塞。
[0024]根據一實施例，井口組件還包括用于移動閘的閥組件上的手輪。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0025]已經陳述了本發明的一些特征和益處，在結合附圖來進行描述時，其它的特征和益處將變得清楚，在附圖中:
圖1為根據本發明的具有壓裂閥(frac valve)組件的井口組件的示例性實施例的側部局部截面視圖。
[0026]圖2為根據本發明的圖1中的壓裂閥組件且具有后座特征的實例的側部截面視圖。
[0027]圖3為根據本發明的圖2中的壓裂閥組件的一部分的實施例的側部局部截面視圖。
[0028]圖4A和圖4B為根據本發明的沿圖2中的壓裂閥組件的桿形成的后座密封件的側部截面視圖。
[0029]圖5和圖6為根據本發明的圖2中的壓裂閥組件的一部分的備選實施例的側部局部截面視圖。
[0030]盡管將關于優選實施例來描述本發明，但將理解的是并非旨在使本發明限于此實施例。相反，將旨在覆蓋可包括在如所附權利要求限定的本發明的精神和范圍內的所有備選方案、改型和等同方案。
[0031]部件列表 20井口組件 22開采樹24井孔
26井口罩
28套管
30主開孔
32開采管線
34翼閥
36抽汲閥
38輔助管線
40閥組
42開孔
44接近閥
46輔助管線
48入口管線
50壓裂閥組件
52壓裂流體流動管線
54壓裂流體供應源
56閥本體
58通路
60閘
62開孔
64桿
66螺紋桿
68套筒
70手輪
72桿罩
74軸承
76平衡桿
78蓋
79室
80桿壓室
81頸部
82下蓋
84臺
86底座
88腿部
90套筒
92壓蓋(gland)填料93填料套環94徑向凸脊 96螺紋 98管線 100壓力源。
【具體實施方式】
[0032]現在將參照在其中示出實施例的附圖來在下文中更完整地描述本公開內容的方法和系統。本公開內容的方法和系統可具有許多不同的形式，且不應當看作是限于本文闡明的所示實施例；相反，這些實施例提供成以便本公開內容將為詳盡和完全的，且將向本領域的技術人員完整地傳達其范圍。相似的數字在各處表示相似的元件。
[0033]還將理解的是，本公開內容的范圍不限于所示和所述的構造、操作、準確材料或實施例的準確細節，因為本領域的技術人員將清楚改型和等同方案。在附圖和說明書中，已經公開了示范性實施例，且盡管采用了特定用語，但它們僅用于一般性和描述性的意義，且并非為了限制的目的。因此，本文所述的改進因而僅由所附權利要求的范圍限制。
[0034]圖1中以側部局部截面視圖示出了井口組件20的實例，其中井口組件20包括安裝在井孔24上的開采樹22。井口組件20包括井口罩26，井口罩26示為從開采樹22向下懸掛到井孔24中，且其中套管28柱同軸地設置在其中。開采樹22包括軸向主開孔30，主開孔30示為由開采管線32橫穿，開采管線32沿側向延伸穿過開采樹22。翼閥34在開采管線32中，且提供成用于控制穿過開采管線32的流動，而抽汲閥36示為設置在主開孔30的上端中。輔助管線38可選地包括在開采樹22上。
[0035]閥組40的示例性實施例示為設置在開采樹22的上端上。開孔42沿軸向橫穿閥組40，且具有與主開孔30的上端流體連通的下端。可選的是，接近閥44設在開孔42的上端中。還可選輔助管線46，其橫穿開孔42，且示為具有向外突出穿過閥組40的本體的邊緣的部分。入口管線48在與輔助管線46相對的一側上，入口管線48還沿側向延伸穿過閥組40，且橫穿開孔42。閥組件50示為設置在入口管線48中，且在圖1中的實例中，可用于調節流體，如壓裂流體，流體指定為進入閥組40中。流動管線52連接到閥組件50的上游側上，其中流動管線52將流體從流體供應源54輸送至閥組件50。如上文指出的那樣，壓裂流體可輸送穿過管線52，且因此，流體供應源54的一個實例可為用于加壓壓裂流體的一系列高壓泵。
[0036]圖2中為閥組件50的示例性實施例，且在側部截面視圖中示出。圖2中的閥組件50包括閥本體56，閥本體56示為由通路58橫穿，通路58沿側向延伸穿過本體56的寬度。閘60示為沿軸向設置在本體56內，且具有設置在通路58內的一部分。閘60包括沿側向定向且示為與通路58對準的開孔62。通過沿軸向橫穿本體56內的閘60，可通過閥組件50來調節穿過通路58的流動。促動桿64示為聯接到閘60的上端上，且用于傳送力來用于閘60在本體56內的垂直移動。螺紋桿66示為設置在促動桿64的上端上，且由套筒68外接。套筒68安裝到手輪70上，且可通過手輪70的旋轉而旋轉。螺紋設在套筒68的內表面上，該螺紋接合螺紋桿66的外表面上的螺紋。套筒68示為安裝在罩72內，且可相對于罩72旋轉。罩72為聯接到閥本體56的上端上的大體上環形的部件。盡管可旋轉，但套筒68不可相對于罩72垂直地移動。示為設置在套筒68與桿罩72之間的環形空間中的軸承組件74提供減小的摩擦，從而允許套筒68方便移動，以減小與閘60的促動相關聯的摩擦力。[0037]如已知的那樣，通路58內的壓力可轉移穿過閘60的面，且轉移到促動桿64的最下表面上。這導致了促動桿64的向上的力，其抵抗閘60的向下移動。為了補償向上的力，平衡桿76示為聯接在閘60的下端上。示為具有與促動桿64大致相同的截面面積的平衡桿76的上端也與通路58壓力連通。因此，向下的力施加到平衡桿76的上端上，力傳遞至閘60，且消除了在促動桿64上的向上的力。閥組件50包括上蓋78，上蓋78示為安裝在閥本體56的上端上。蓋78內的開口限定室79，閘60的上端在室79中。室79具有與通路58的壓力大致相同的壓力。如下文將更詳細描述的那樣，通過引入平衡桿可危害后座的功倉泛。
[0038]仍參看圖2，平衡桿壓室80示為安裝在下蓋82的頸部部分81上。與上蓋78大致相同的下蓋82安裝在閥本體56的下端上。在圖2的實例中，壓室80為管形部件，管形部件具有構造成用于附接到頸部81上的上端。壓室80在其上端上敞開，且在其下端上大致閉合。可選的是，閥組件50設有閥臺84，閥臺84由盤狀底座86構成，底座86設置在橫穿平衡桿76的軸線的平面中。楔形腿部88具有下端，下端安裝在底座86的上側上，且布置成具有平行于平衡桿76的軸線的邊緣。腿部88的邊緣設置成分開，以便管狀套筒90可插入腿部88之間。套筒90的上端上的凸緣沿徑向向外突出，從而形成用于支承腿部88內的套筒90的唇部。在圖2的實例中，壓室80示為插入套筒90中。
[0039]現在參看圖3，示出了壓室80的細節的側部局部截面視圖。在圖3的實例中，壓蓋填料92設在頸部81與平衡桿76之前的環帶中。填料92由填料套環93固持在適當位置，填料套環93具有接近于頸部81的外徑的外徑。從其外周沿徑向向內，套環93沿軸向向上突出，且在與其外部部分大致正交的方向上。套環93的軸向突出區段示為接觸填料92的下端。仍參看圖3，壓室80具有敞開的上端和側壁，側壁接近于其上端沿徑向向外延伸，從而限定徑向凸脊94，徑向凸脊94示為抵靠填料套環93的下表面安裝。向上且穿過徑向凸脊94，壓室80的側壁沿軸向向上延伸，且外接頸部81的外表面。螺紋96形成在壓室80的上端的內表面和頸部81的外表面上，螺紋96允許壓室80聯接到蓋82上。
[0040]圖3中還示出了壓室的敞開內部空間可通過連接到用于將加壓流體從壓力源100輸送至壓室80中的管線98來加壓。閥102可選示為用于調節穿過管線98的流體流。如方向指向平衡桿76的下端的箭頭指出的那樣，加壓流體存在于壓室81內將向上的力施加到平衡桿76上，以抵靠閘60來推動平衡桿76。
[0041]圖4A以側部截面視圖示出了施加到平衡桿76上的向上的力如何可抵消其補償力來克服后座問題的實例。更具體而言，后座104示為設置在促動桿64的外周上且在接近促動桿64突出穿過形成為穿過蓋78的開孔106的位置處。在圖4A的實例中，后座104具有三角形截面，且具有隨朝閘60的距離而增大的半徑。在一個實例中，后座104稱為后座密封件。圖4A中還示出了輪廓108，其形成在蓋78中且在開孔106的開口處。圖4B示出了一個實例，其中后座密封件形成，從而將蓋78上方的壓力與室79隔離開。更具體而言，促動桿64沿箭頭的方向向上移動，以便后座104密封地接合輪廓108，從而沿桿64軸向地形成壓力隔層。因此，通過形成后座的程序，可接近和替換設置在促動桿64與蓋78之間的環帶內，在后座上方104的任何填料109 (圖2)，而不會使人員暴露于通路58內的壓力。
[0042]圖5示出了壓室80A的備選實施例，其中壓室具有與平衡桿76的外徑大致相同的內徑(ID)。因此，密封接觸可出現在平衡桿76與環帶80A的內徑之間。因此，當來自于源100且穿過管線98的加壓流體進入壓室80A內時，可需要少量的流體以便使平衡桿76向上移動。現在參看圖6，示出了壓室80的又一個示例性實施例，其中活塞110示為設置在壓室80內，且具有與平衡桿76的下端接觸的向上端。可選的O形環密封件112可設在活塞110的外周上，以提供在活塞110與壓室80的內表面之間的密封。
[0043]在一個操作實例中，來自于流體供應源54的流體輸送至井口組件20。在一定時間周期內，填料109可需要替換且為了安全地提供對桿罩72內的接近，促動桿64被向上推動，以便后座104與輪廓108(圖4B)密封接合。在此時期間，可接近填料109，且通路58內的壓力與后座104上方隔離開，但室79中的壓力仍保持與通路58的壓力大致相同。在成功地替換填料109之后，可除去提供在平衡桿76的下端上的力，從而使后座104與輪廓108解除接合。
[0044]因此，本文所述的本發明良好地適于執行該目的且達到了所提到的結果和優點，以及其中固有的其它目的。盡管出于公開的目的給出了本發明的當前優選實施例，但許多變化存在于用于實現所期望的結果的程序的細節中。本領域的技術人員將容易想到這些及其它類似的改型，且這些改型旨在包含在本文所公開的本發明的精神和所附權利要求的范圍內。
【權利要求】
1.一種閘閥組件，包括: 本體； 穿過所述本體的通路，其與用于壓裂地層的壓裂流體源有選擇地聯接； 閘，其可在所述本體中滑動，且具有與所述通路有選擇地對準的開孔； 促動桿，其聯接到所述閘的端部上，且突出到所述本體中的通道中； 所述促動桿的外表面上的后座密封件，其與所述通道中的輪廓有選擇地接合； 聯接到所述促動桿遠側的閘的端部上的平衡桿；以及 包圍所述閘閥遠側的平衡桿的端部的壓室，以便在加壓所述壓室時，力施加到所述閘閥遠側的平衡桿的端部上，以推動所述后座密封件與所述通道中的輪廓密封接合。
2.根據權利要求1所述的閘閥組件，其特征在于，所述閘閥組件還包括活塞，所述活塞在所述閘閥遠側的平衡桿的端部上且具有與所述壓室的內表面密封接觸的外周。
3.根據權利要求1所述的閘閥組件，其特征在于，壓力源與所述壓室壓力連通。
4.根據權利要求1所述的閘閥組件，其特征在于，所述后座密封件從所述促動桿的外表面沿徑向向外突出且具有楔形截面。
5.根據權利要求4所述的閘閥組件，其特征在于，所述輪廓具有與所述后座密封件互補且限定在所述通道的內徑沿徑向向內過渡的位置處的形狀。
6.根據權利要求1所述的閘閥組件，其特征在于，所述閘閥組件還包括上蓋和下蓋，所述上蓋具有聯接到所述閘上的促動桿的端部設置于其中的室，以及所述下蓋具有聯接到所述閘上的平衡桿的端部設置于其中的室，其中，所述上蓋和所述下蓋中的室與所述通路壓力連通。
7.根據權利要求1所述的閘閥組件，其特征在于，所述閘閥組件還包括聯接到所述閘的遠側的促動桿的端部上來用于沿軸向移動所述桿的軸向促動器。
8.一種調節至井口組件的流動的方法，包括: a.提供閘閥組件，所述閘閥組件具有本體、在所述本體中可移動的閘、聯接到所述閘的端部上的促動桿、在所述促動桿上的后座密封件，以及聯接到所述促動桿遠側的閘的端部上的平衡桿； b.使流體與所述閘閥組件連通，以便所述流體中的壓力施加到所述平衡桿和促動桿的聯接到所述閘上的端部上，且生成沿相反方向施加到所述閘上的大致相等的力；以及 c.施加力來沿一定方向抵靠所述閘推動所述平衡桿，力使所述促動桿移位，以便所述后座密封件接合所述本體中的輪廓，以形成圍繞所述促動桿的一部分的密封件。
9.根據權利要求8所述的方法，其特征在于，推動所述平衡桿的步驟包括使所述閘的遠側的平衡桿的端部周圍的區域加壓。
10.根據權利要求9所述的方法，其特征在于，通過提供所述閘的遠側的平衡桿的端部周圍的壓室且使加壓流體流至所述壓室來使所述區域加壓。
【文檔編號】E21B34/02GK103527141SQ201310265967
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年6月28日 優先權日:2012年6月28日
【發明者】M.A.維亞托爾, A.奧爾韋拉, M.尤迪皮, J.黃 申請人:韋特柯格雷公司