專利名稱：用于液壓破裂閥的鎖定組件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體涉及油和氣的生產(chǎn)。更具體地講，本發(fā)明涉及一種用于供液壓破裂(fracing)系統(tǒng)的閥使用的鎖定組件。
背景技術(shù)：
碳?xì)浠衔锷a(chǎn)井眼有時候被激發(fā)以增加碳?xì)浠衔锏纳a(chǎn)。液壓壓裂或破裂為激發(fā)的一個示例，其涉及對井眼的全部或一部分加壓以改進(jìn)周圍的地層與井眼之間的連通。通常，破裂流體由泵在地面處加壓，其然后進(jìn)入在井下具有端部的管線。當(dāng)流體離開管線時，它在井眼中建立了壓力，其又在地層中產(chǎn)生或進(jìn)一步傳播壓裂。當(dāng)由被泵送的流體施加的壓力超過了地質(zhì)層(formation strata)的壓裂梯度時發(fā)生地下的壓裂。典型地，用于破裂的流體包括水、酸、礬土、二氧化碳、氮氣以及添加劑中的一種或多種。在破裂期間形成的高壓與當(dāng)形成壓裂時發(fā)生的脈沖一起造成傳送破裂流體的管道系統(tǒng)中的振動。足夠大小和/或持續(xù)時間的振動可引起管道系統(tǒng)中的閥或者無意地打開或者無意地關(guān)閉。

發(fā)明內(nèi)容
本文描述了液壓壓裂系統(tǒng)的一個示例，該液壓壓裂系統(tǒng)包括泵，附接到泵的、可被放置在井眼中的排出管線。還包括有在管線中的閥組件；該閥組件包括本體、通道、閘以及在閘中的與通道選擇性地對齊的孔。該系統(tǒng)還包括閥鎖定組件，其由凸輪盤、連接凸輪盤和閘的平衡桿以及保持元件(其由彈性構(gòu)件推壓到凸輪盤的通路中)構(gòu)成。當(dāng)將小于指定量的力施加到閘以便靠著保持元件推壓凸輪盤時，該保持元件由彈性構(gòu)件保持在凸輪盤的通路中?？蛇x地，當(dāng)將超過指定量的力施加到閘以便靠著保持元件推壓凸輪盤時，力由凸輪盤施加到保持元件上以便克服由彈性構(gòu)件所施加的力，并且保持元件被移出凸輪盤的通路。在一個示例中，凸輪盤包括接觸保持元件的帶斜角(beveled)的外邊緣。在一個示例實施例中，推力由施加到閘以便靠著保持元件來推壓凸輪盤的力來限定，并且其中，外邊緣的上部部分和下部部分相對于凸輪盤的軸線成角度地帶斜角，使得用來推壓凸輪盤經(jīng)過保持元件的必需的推力在一個軸向方向上比在相反的軸向方向上更大。保持元件可由球軸承構(gòu)成，且彈性構(gòu)件可由彈簧構(gòu)成。在一個示例中，系統(tǒng)包括多個球軸承和彈簧以及包圍平衡桿的殼體，該殼體具有沿徑向形成為通過殼體的側(cè)壁的用于保持球軸承和彈簧的孔。閥促動器可聯(lián)接到閘。本文還公開了用于供液壓壓裂閥使用的平衡系統(tǒng)。在一個示例中，平衡系統(tǒng)包括與閥閘選擇性地聯(lián)接接合的大體上平面的凸輪構(gòu)件。響應(yīng)于被施加到閥閘的力，該凸輪構(gòu)件經(jīng)受來自閥閘的推力。包括有閉鎖組件，其由通過彈性構(gòu)件保持與凸輪構(gòu)件干涉接觸的閉鎖元件構(gòu)成。當(dāng)推力靠著閉鎖元件產(chǎn)生小于指定量的合力時發(fā)生干涉接觸。在一個示例中，當(dāng)推力靠著閉鎖元件產(chǎn)生超過該指定量的合力時，閉鎖元件被推壓出干涉接觸并且被推壓出凸輪構(gòu)件的通路。凸輪構(gòu)件可具有外周緣，其帶有輪廓形成為相對于凸輪構(gòu)件的上表面成角度的上區(qū)段和輪廓形成為相對于凸輪構(gòu)件的下表面成角度的下區(qū)段。在一個示例實施例中，上表面和下表面基本上平行，并且其中，上區(qū)段和下區(qū)段以不同的角度形成輪廓，使得當(dāng)在一個方向上沿軸向推壓凸輪構(gòu)件時，比起當(dāng)在相反的方向上沿軸向推壓凸輪構(gòu)件時，靠著閉鎖元件產(chǎn)生超過了指定量的合力的推力的量更大。閘可經(jīng)受來自振動的、產(chǎn)生小于指定量的合力的力。本文提供了可用在液壓破裂系統(tǒng)中的閥組件。在一個示例實施例中，閥組件包括具有通道的閥本體、具有與通道選擇性地對齊的孔的閘、與閘聯(lián)接的促動器以及用于將閘保持在閥本體內(nèi)的指定位置中的器件?？赏ㄟ^施加超過用來鎖定閘的力的力來從指定位置中解鎖閘。可選地，用于保持閘的器件為聯(lián)接到閘的凸輪盤以及閉鎖，當(dāng)鎖定力施加到閘時閉鎖保持凸輪盤就位，且當(dāng)解鎖力施加到閘時閉鎖釋放閘。本文還公開了一種用于使用在地下液壓壓裂系統(tǒng)中的閥組件，其包括:具有通道的本體；可設(shè)置在所述本體中的閘；在所述閘中的孔，其與所述通道選擇性地對齊；以及閥鎖定組件。閥鎖定組件包括:凸輪盤；平衡桿，其連接在所述凸輪盤和所述閘之間；保持元件，其由彈性構(gòu)件推壓到所述凸輪盤的通路中，使得當(dāng)小于指定量的力施加到所述閘以靠著所述保持元件推壓所述凸輪盤時，所述保持元件由所述彈性構(gòu)件保持在所述凸輪盤的通路中。在一個示例中，當(dāng)超過所述指定量的力施加到所述閘以靠著所述保持元件來推壓所述凸輪盤時，力由所述凸輪盤施加到所述保持元件上以克服由所述彈性構(gòu)件所施加的力，且所述保持元件移出所述凸輪盤的所述通路。在一個示例中，所述凸輪盤包括接觸所述保持元件的帶斜角的外邊緣。在一個示例中，施加到所述閘以靠著所述保持元件來推壓所述凸輪盤的所述力限定了推力，并且其中，所述外邊緣的上部部分和下部部分相對于所述凸輪盤的軸線成角度地帶斜角，使得推壓所述凸輪盤經(jīng)過所述保持元件所必需的所述推力在一個軸向方向上比在相反的軸向方向上更大。在一個示例中，所述保持元件包括球軸承，且所述彈性構(gòu)件包括彈簧。在一個示例中，該閥組件還包括多個球軸承和彈簧以及包圍所述平衡桿的殼體，該殼體具有沿徑向形成為通過所述殼體的側(cè)壁的用于保持所述球軸承和彈簧的孔。在一個示例中，該閥組件還包括聯(lián)接到所述閘的閥促動器。本文還公開了一種用于使用在液壓破裂系統(tǒng)中的閥組件，其包括:具有通道的閥本體；具有與所述通道選擇性地對齊的孔的閘；與所述閘聯(lián)接的促動器；以及用于將所述閘保持在所述閥本體內(nèi)的指定位置中的器件，所述閘可利用比施加來鎖定所述閘的力更大的施加到所述閘的力從所述指定位置中解鎖。在一個示例中，用于保持所述閘的所述器件包括:聯(lián)接到所述閘的凸輪盤；和閉鎖，當(dāng)所述鎖定力施加到所述閘時，所述閉鎖將所述凸輪盤保持就位，且當(dāng)解鎖力施加到所述閘時，所述閉鎖釋放所述閘。


在已經(jīng)陳述了本發(fā)明的一些特征和益處的情況下，當(dāng)結(jié)合附圖考慮而繼續(xù)進(jìn)行描述時，其它的(特征和益處)將變得顯而易見，其中:
圖1為根據(jù)本發(fā)明的液壓壓裂系統(tǒng)的示例實施例的側(cè)視部分截面圖。圖2為以鎖定構(gòu)造示出的圖1的實施例的平衡桿的詳細(xì)部分的側(cè)視截面圖。圖3為以解鎖構(gòu)造示出的圖1的實施例的平衡桿的詳細(xì)部分的側(cè)視截面圖。雖然將結(jié)合優(yōu)選的實施例來描述本發(fā)明，但將要理解，不意圖將本發(fā)明限制到那樣的實施例。相反，意圖覆蓋可包括在如由所附的權(quán)利要求限定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)
的所有的備選方案、修改和等效物。部件列表
10液壓壓裂系統(tǒng)
12壓裂
14地層
16井眼
18泵
20管線
22井口組件
24封隔器
26套管
28水泥
30閥組件
32閥本體
34通道
36閘
38開口
40促動器
42閥桿
44閥鎖定組件
46平衡桿
48凸輪盤
50螺栓
52殼體
54上表面
56下表面
58徑向表面
60上部部分
62下部部分
64保持組件
66孑L
68漸縮
70球
72彈簧
74螺栓。
具體實施例方式現(xiàn)在將參考在其中示出了實施例的附圖在下文中更全面地描述本公開的方法和系統(tǒng)。本公開的方法和系統(tǒng)可呈許多不同的形式，并且不應(yīng)解釋為局限于本文闡述的所示的實施例；而是，提供這些實施例使得本公開將是詳盡而完整的，且將全面地將其范圍傳達(dá)給本領(lǐng)域技術(shù)人員。貫穿全文，同樣的標(biāo)號指代同樣的元件。還將理解的是，本公開的范圍不限于結(jié)構(gòu)、操作、確切的材料或所示出以及描述的實施例的確切的細(xì)節(jié)，因為對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說修改和等效物將顯而易見。在附圖和說明書中已經(jīng)公開了說明性的實施例，并且，盡管使用了特定的術(shù)語，但它們僅以一般的和描述性的意義使用，而不是用于限制的目的。因此，本文所描述的改進(jìn)從而僅由所附的權(quán)利要求的范圍來限制。圖1為液壓壓裂系統(tǒng)10的不例實施例的部分側(cè)視截面圖，該液壓壓裂系統(tǒng)10用于通過對井眼16內(nèi)的空間加壓來在地下的地層14內(nèi)產(chǎn)生壓裂12。該系統(tǒng)10包括對壓裂流體加壓的泵18和連接到泵18的排放口的管線20。管線20示出為被饋送通過可選的井口組件22并且具有設(shè)置在井眼16中的出口?？蛇x地，封隔器24可被提供在管線20和井眼16的內(nèi)壁之間的環(huán)形空間中以便隔離井眼16的用于壓裂的步驟的區(qū)域。在圖1的示例中，井眼16襯有一串套管26，套管26用水泥28在地層中粘結(jié)就位。閥組件30顯示為在泵18的下游和井口組件22的上游處于管線20中。圖1的閥組件30包括閥本體32和橫向地延伸通過本體32且與管線20流體連通的通道34。閘36示出為沿軸向插入在閥本體32內(nèi)，其中，閘36包括孔38，其與通道34選擇性地對齊，以用于調(diào)節(jié)通過閥組件30的流體流。閥促動器40示出為經(jīng)由閥桿42與閘36聯(lián)接。由于與液壓壓裂過程相關(guān)聯(lián)的高壓和流率，可在閥閘36上賦予可使該閘36移出在閥本體32內(nèi)的指定位置的很大的振動。為了將閥閘36保持在所期望的位置中，閥鎖定組件44示出為由平衡桿46聯(lián)接到閘36的端部。現(xiàn)在參考圖2，以側(cè)視截面圖詳細(xì)示出了閥鎖定組件44的一個示例實施例。在該示例中，進(jìn)一步示出了閥鎖定組件44，其包括安裝在平衡桿46的下部終端上的大體上平面形的凸輪盤48。在圖2的示例中，螺紋緊固件50將凸輪盤48在桿46上螺栓連接就位。在圖2中還示出了殼體52，其在一個示例中為具有圓柱形外圓周的基本上環(huán)形的構(gòu)件。凸輪盤48示出為具有上表面54和下表面56，它們在圖2的示例中基本上彼此平行且橫向于平衡桿46的軸線Ax。凸輪盤48還具有輪廓形成為具有上部部分60的外周緣58 ;如圖所示，上部部分60與平面Pu重合，平面Pu以傾斜的角度在凸輪盤48上方與軸線Ax相交。類似地，下部部分62形成在外周緣58上、在上部部分60下方，下部部分位于平面中，平面以傾斜的角度但在凸輪盤48下方與軸線Ax相交。在圖2的示例中，平面Pu與軸線Ax相交所成的角度不同于與軸線Ax相交的角度。在圖2中還示出了保持組件64，其被提供在形成為通過殼體52的側(cè)壁的孔66內(nèi)?？?6示出為具有接近殼體52的內(nèi)壁的沿徑向指向內(nèi)的漸縮68。球軸承70插入在孔66內(nèi)，并且具有小于孔66的直徑但大于漸縮68的直徑的直徑，使得球軸承70的一部分通過孔66突出到殼體52的內(nèi)部，但防止了完全進(jìn)入到殼體52中。彈簧72對著漸縮68偏壓球軸承70并且由螺栓74抵靠保持就位，該螺栓74從殼體52的外表面螺旋地插入到孔66中。彈簧72的向內(nèi)的偏置將球軸承70的一部分定位成與凸輪盤48的軸向通路干涉接觸。更具體地講，在圖2的示例中，示出了基于下部部分62的角度α的力圖。在該示例中，在力圖中的力Fa描繪了沿徑向向外對著彈簧72來推壓球軸承70、使得凸輪盤48可沿軸向向下移動經(jīng)過其當(dāng)前的位置所需要的力的量。類似地，在圖3中，示出了凸輪盤48在球軸承70下方，使得它的上部部分60與軸承70接合，并且提供了力圖，其示出了沿徑向向外推動球軸承70并且允許凸輪盤40在殼體52內(nèi)向上移動所必需的力。在圖3的示例中，上部部分60的角度β顯示為相對于平衡桿46的軸線Αχ。因為角度α大于角度β，在圖3中所示的用于凸輪盤48的向上移動所需要的推力Fe超過了用于凸輪盤向下移動經(jīng)過球軸承70的力Fa。因此，在一個使用示例中，閥閘36可被推壓到其所期望的位置中，并且凸輪盤48和保持組件64策略性地定位成使得凸輪盤48在圖3的構(gòu)造中，因此，比起將閥移動到鎖定位置(即圖2的構(gòu)造進(jìn)入圖3的構(gòu)造)中將需要的(力)，需要更大的力來“解鎖”閥。因此本文所描述的本發(fā)明很好地適合于實現(xiàn)目的并且獲得所提到的目標(biāo)和優(yōu)點，以及在其中的其它所固有的方面。雖然本發(fā)明的目前優(yōu)選的實施例已經(jīng)為了公開的目的給出，但在用于實現(xiàn)所期望的結(jié)果的過程的細(xì)節(jié)中存在許多改變。這些和其它類似的修改將很容易地被本領(lǐng)域技術(shù)人員想到，并且意圖包括在本文所公開的本發(fā)明的精神和所附的權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于使用在地下液壓壓裂系統(tǒng)(10)中的閥組件(30)，其包括: 具有通道(34)的本體(32)； 可設(shè)置在所述本體(32)中的閘(36)； 在所述閘(36)中的孔(38)，其與所述通道(34)選擇性地對齊； 其特征在于， 閥鎖定組件(44)，其包括: 閥鎖定組件(44)； 平衡桿(46)，連接在所述閥鎖定組件(44)和所述閘(36)之間； 保持元件(70)，由彈性構(gòu)件(72)推壓到所述閥鎖定組件(44)的通路中，使得當(dāng)小于指定量的力施加到所述閘(36)以靠著所述保持元件(70)推壓所述閥鎖定組件(44)時，所述保持元件(70)由所述彈性構(gòu)件(72)保持在所述閥鎖定組件(44)的通路中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的閥組件(30)系統(tǒng)，其特征在于，當(dāng)超過所述指定量的力施加到所述閘(36)以靠著所述保持元件(70)來推壓所述閥鎖定組件(44)時，力由所述閥鎖定組件(44)施加到所述保持元件(70)上以克服由所述彈性構(gòu)件(72)所施加的力，且所述保持元件(70)移出所述閥鎖定組件(44)的所述通路。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的閥組件(30)，其特征在于，所述閥鎖定組件(44)包括接觸所述保持元件(70)的帶斜角的外邊緣。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的閥組件(30)，其特征在于，施加到所述閘(36)以靠著所述保持元件(70)來推壓所述閥鎖定組件(44)的所述力限定了推力，并且其中，所述外邊緣的上部部分和下部部分相對于所述閥鎖定組件(44)的軸線成角度地帶斜角，使得推壓所述閥鎖定組件(44)經(jīng)過所述保持元件(70)所必需的所述推力在一個軸向方向上比在相反的軸向方向上更大。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項所述的閥組件(30)，其特征在于，所述保持元件(70)包括球軸承，且所述彈性構(gòu)件(72)包括彈簧。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的閥組件(30)，其特征還在于多個球軸承和彈簧、包圍所述平衡桿(46)的殼體(52)，該殼體具有沿徑向形成為通過所述殼體(52)的側(cè)壁的用于保持所述球軸承和彈簧的孔。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項所述的閥組件(30)，其特征還在于聯(lián)接到所述閘(36)的閥促動器(40)。
8.一種用于供液壓壓裂閥(30)使用的平衡系統(tǒng)(44)，其包括: 大體上平面的凸輪構(gòu)件(48)，其與閥閘(36)選擇性地聯(lián)接接合，并且經(jīng)受響應(yīng)于施加到所述閥閘(36)的力而來自所述閥閘(36)的推力；并且 其特征在于， 閉鎖組件(64)，包括閉鎖元件(70)，當(dāng)所述推力靠著所述閉鎖元件(70)產(chǎn)生小于指定量的合力時，由彈性構(gòu)件(72)維持該閉鎖元件與所述凸輪構(gòu)件(48)處于干涉接觸。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的平衡系統(tǒng)，其特征在于，當(dāng)所述推力靠著所述閉鎖元件(70)產(chǎn)生超過所述指定量的合力時，所述閉鎖元件(70)被推壓出干涉接觸，并且被推壓出所述凸輪構(gòu)件(48)的通路。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的平衡系統(tǒng)，其特征在于，所述凸輪構(gòu)件(48)包括外周緣，其具有:輪廓形成為相對于所述凸輪構(gòu)件(48)的上表面(54)成角度的上區(qū)段￠0);以及輪廓形成為相對于所述凸輪構(gòu)件(48)的下表面(56)成角度的下區(qū)段(62)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的平衡系統(tǒng)，其特征在于，所述上表面(54)和所述下表面(56)基本上平行，并且其中，所述上區(qū)段￠0)和所述下區(qū)段￠2)以不同的角度形成輪廓，使得當(dāng)在一個方向上沿軸向推壓所述凸輪構(gòu)件(48)時，比起當(dāng)在相反的方向上沿軸向推壓所述凸輪構(gòu)件(48)時，靠著所述閉鎖元件(70)產(chǎn)生超過所述指定量的合力的推力的量更大。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的平衡系統(tǒng)，其特征在于，所述閘(36)經(jīng)受來自振動的、產(chǎn)生小于所述指定量的合力的力。
13.一種用于使用在液壓破裂系統(tǒng)(10)中的閥組件(30)，其包括: 具有通道(34)的閥本體(32)； 具有與所述通道(34)選擇性地對齊的孔(38)的閘(36)； 與所述閘(36)聯(lián)接的促 動器(40);并且 其特征在于， 用于將所述閘(36)保持在所述閥本體(32)內(nèi)的指定位置中的器件，所述閘(36)可利用比施加來鎖定所述閘(36)的力更大的施加到所述閘(36)的力從所述指定位置中解鎖。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的閥組件(30)，其特征在于，用于保持所述閘(36)的所述器件包括:聯(lián)接到所述閘(36)的閥鎖定組件(44);和閉鎖，當(dāng)所述鎖定力施加到所述閘(36)時，所述閉鎖將所述閥鎖定組件(44)保持就位，且當(dāng)解鎖力施加到所述閘(36)時，所述閉鎖釋放所述閘(36)。
全文摘要
一種用于供液壓壓裂系統(tǒng)(10)中的閥(30)使用的鎖定打開裝置(44)，其將閥(30)維持在打開的位置中。該鎖定打開裝置(44)包括具有帶斜角的邊緣的板(48)和彈簧加載的球軸承(70)，球軸承策略性地設(shè)置成接觸邊緣，并且干涉板(48)的軸向移動。板(48)聯(lián)接到閥(30)中的閘(36)構(gòu)件，使得在板(48)與球軸承(70)之間的干涉將閥(30)維持在指定的打開或閉合位置中。斜角的角度調(diào)節(jié)需要多大的力來推壓板(48)經(jīng)過球軸承(70)以便因此打開/閉合閥(30)。
文檔編號E21B34/00GK103161423SQ20121052185
公開日2013年6月19日 申請日期2012年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月9日
發(fā)明者M.烏迪皮, R.克羅爾茨克, M.維亞托爾 申請人:韋特柯格雷公司