CN101089359A - 一种恒流式偏心配水堵塞器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种恒流式偏心配水堵塞器，是在流体力学伯努利方程原理的基础上进行创新，将伯努利方程式

改进为

，深层次的考虑了压力差与定压弹簧刚度，弹簧的预压缩量，柱塞的受压面积和柱塞的位移量等参数相关，产品主要由(堵塞器)本体、定压弹簧、弹簧座、钢珠、柱塞、滤罩组成，(定压弹簧安装在柱塞的上方)在柱塞顶端部中心轴线位置上设有一钢珠定位孔，有一钢珠设置在钢珠定位孔上；定压弹簧安装在定压弹簧座上，而定压弹簧座又安装在钢珠之上，且弹簧座与柱塞顶端部保留有间隙。与现有技术相比：可有效地保证柱塞承受的合力始终与柱塞同轴，不会发生偏斜，使柱塞活动自如；柱塞中心轴线设置有对称的通孔，并可以有效的消除空气阻尼作用，使压差非常容易地保持一个恒定的数值，减少误差；从而达到可以迅速稳定注入水的流量，并能持久地保持流量稳定，大幅度地延长堵水器的使用寿命。

Description

一种恒流式偏心配水堵塞器

技术领域

本发明涉及采油分层注水装置，具体地说是涉及一种恒流式偏心配水堵塞器。

背景技术

目前，市场上的恒流式偏心配水堵塞器，主要由堵塞器本体及定压弹簧、压簧座、以及安装在堵塞器本体上、下密封段之间的滑动柱塞总成、水嘴、滤罩等组成。中国专利号为99223853.6、02274135.6等专利所公开的恒流式偏心配水堵塞器均为这样的结构。通常，这些结构的堵塞器一般都在柱塞上部直接安装定压弹簧，定压弹簧克服柱塞与本体的摩擦力和注水压力推动柱塞上下运动，控制出水口的大小，使定压弹簧的弹性力、注水压力和地层压力三者之间达到平衡，这样就可以达到恒流的目的。但是上述结构中的柱塞在不均匀地层压力的作用下，往复滑动，容易使弹簧的弹力中心线与柱塞的轴线发生偏移。根据力学分解原理，作用在柱塞轴线方向上的弹力将小于预设定值，增大误差，从而导致无法达到预期最佳的恒流效果；另一方面，作用在垂直轴线方向的弹力将使柱塞偏斜，犁削堵塞器本体内壁，从而增大了缝隙泄漏量，严重时将导致卡死，影响注入水量和工作寿命。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，为克服上述定压弹簧的弹力中心线与柱塞轴线相偏斜的问题，而提供一种有效保证在柱塞运动过程中，使定压弹簧弹力中心线与柱塞轴线保持重合的恒流偏心配水堵塞器。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是，一种恒流式偏心配水堵塞器，主要由堵塞器本体、定压弹簧、弹簧座、柱塞、滤罩等组成，定压弹簧安装在柱塞的上方，其特征在于：在柱塞顶端部中心轴线位置上设有一钢珠定位孔，有一钢珠设置在钢珠定位孔上；定压弹簧安装在定压弹簧座上，而定压弹簧座又安装在钢珠之上，且弹簧座与柱塞顶端部保留有间隙。

在流体力学伯努利方程原理的基础上进行创新，将伯努利方程式：

$Q=\mathrm{\μa}\sqrt{\frac{2\mathrm{\ΔP}}{\mathrm{\ρ}}}$ 改进为 $Q=\mathrm{\μa}\sqrt{\frac{2\mathrm{kh}}{\mathrm{\ρA}}(1-\frac{x}{h})},$ 深层次的考虑了，压力差与定压弹簧刚度，弹簧的预压缩量，柱塞的受压面积和柱塞的位移量等参数相关，并经实验室验证，设计了利用预定压弹簧的弹力平衡水嘴前后压差，在注水工作压差发生变化时，由于钢珠安装在定压弹簧座与柱塞之间，所以当柱塞轴线与弹力中心线发生偏斜时，弹簧力通过弹簧座和钢珠自动找正，使柱塞承受的合力始终与柱塞轴线同轴，柱塞承受的折射力远远低于轴向力，这样就不会偏斜而犁削本体，能在本体内活动自如，不易卡死。

一种恒流式偏心配水堵塞器，在柱塞顶端对称于柱塞中心轴线设置有对称的通孔。以使柱塞内腔与定压弹簧所处的孔腔相通，柱塞顶端的两个通孔，有利于消除空气阻尼作用和增强柱塞滑动灵敏性，当工作压差变化时，能迅速调整出水口大小，使压差非常容易地保持一个恒定的数值，达到恒流。

一种恒流式偏心配水堵塞器，柱塞的长径比大于1.5。这样通过加长柱塞与本体的配合长度，可以使柱塞不易偏斜，活动自如。

一种恒流偏心配水堵塞器，所述的柱塞表面设有硬质合金层，硬质合金层为Ni 60。柱塞表面喷焊Ni 60、堵塞器本体采用不锈钢辉光离子氮化，具有磨擦系数小、硬度高、减少柱塞与本体间的粘附力等特点，产生保持柱塞滑动灵活，增强耐磨性，延长产品使用寿命，增强恒流效果。由于采用上述技术方案，与现有技术相比：1、产品设计时充分考虑了定压弹簧刚度，弹簧的预压缩量，柱塞的受压面积和柱塞的位移量等的合理配置，使流量更加恒定准确。2、可有效地保证柱塞承受的合力始终与柱塞同轴，不会发生偏斜，使柱塞活动自如；并可以有效的消除空气阻尼作用，使压差非常容易地保持一个恒定的数值，减少误差；从而达到可以迅速稳定注入水的流量，并能持久地保持流量稳定，大幅度地延长堵水器的使用寿命。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明；

图1为本发明恒流式偏心配水堵塞器一个优选方式的结构示意图；

图2为图1所示柱塞结构示意图；

图3为恒流式偏心配水堵塞器的工作原理示意图；

图4为恒流式偏心配水堵塞器流量与压差关系曲线图；

在图1、图2、图3中，1：打捞部件、2：定压弹簧、3：定压弹簧座、4：钢珠、5：柱塞、6：堵塞器本体、7：滤罩、8：柱塞下段密封圈、9：柱塞进水嘴、10：堵塞器本体出水口、11：柱塞出水口、12：柱塞顶端通孔、13：柱塞顶端、14：弹簧座上钢珠定位孔、15：柱塞上段密封圈、16、柱塞顶端上钢珠定位孔。

具体实施方式

如图1、图2所示，堵塞器本体6上、下段分别装有密封圈8、15，上部安装有打捞部件1，柱塞5则安装在密封圈8、15其间，定压弹簧2安装在定压弹簧座3上。弹簧座3的中央以其轴线设有一半球状凹孔为弹簧座上钢珠定位孔14；如图2所示，在柱塞顶端13中央以其轴线为圆心开设有一沉孔16作为柱塞顶端上钢珠定位孔，将钢珠4固定在定位孔14与沉孔16之间，并且使柱塞顶端13与弹簧座3之间留有间隙，则定压弹簧2通过定压弹簧座3和钢珠4支撑在柱塞顶端13之上。

柱塞5的长径比为1.8，在顶端13对称中心轴线开设两个通孔12。将堵塞器投入油井中使用。注入水从滤罩7缝隙中流入到柱塞5下方并通过进水嘴9中流入柱塞腔体内，当柱塞端面所受的压力达到可以克服定压弹簧2的弹力时，柱塞5向上运动，开设在柱塞侧壁上的柱塞出水口11与堵塞器本体6上的出水口10沟通面积发生变化，当注水压力、定压弹簧弹力以及地层压力达到平衡时，则二者沟通的面积即保持不变，从而实现恒流偏心配水。

当压力变化、柱塞5的平衡被打破时，则弹簧力也发生变化，此时由于弹簧力是通过钢珠4作用在柱塞的顶端上，因此当柱塞5轴线与弹簧力中心线发生偏斜时，钢珠会4自动找正，使柱塞5承受的合力始终与柱塞5同轴；又由于柱塞顶端上开设的通孔12与定压弹簧2所处的孔腔相通，能够消除空气阻尼作用，使柱塞5工作灵敏迅速调节出水口面积恢复平衡状态。采用了钢珠弹簧自动调芯结构，克服高压水流产生的折力对柱塞5滑动的影响，防止犁削现象发生，保持柱塞滑动灵活，使流量持久恒定。

参见图3，柱塞水嘴的流量Q

改写成公式：

$Q=\mathrm{\μa}\sqrt{\frac{2\mathrm{kh}}{\mathrm{\ρA}}(1-\frac{x}{h})}$

Q——流量M³/S；     k——定压弹簧刚度N/M

μ——流量系数；    h-变节流孔完全关闭时定压弹簧从自由长度起始的压缩量M；

a-水嘴孔面积M²；    A-柱塞的横截面积M²；

ρ-流体密度kg/M³；  x-从孔口关闭位置起始柱塞的位移量M；

(其

)写成ΔP，即：设 $\mathrm{\ΔP}=\frac{\mathrm{kh}}{A}(1-\frac{x}{h})$ 代入流量公式简化为 $Q=\mathrm{\μa}\sqrt{\frac{2\mathrm{\ΔP}}{\mathrm{\ρ}}}$ 与伯努利方程相一致。

从流量公式可知，压力差ΔP与定压弹簧2刚度、弹簧的预压缩量、柱塞5的受压面积和柱塞的位移量等参相关，要求设计恒流式偏心配水堵塞器各相关参数合理匹配。达到水嘴前后两端压差基本上保持不变。

设F为定压弹簧2对柱塞5的作用力；柱塞5横截面积为A。

当P_a-P_b＝ΔP，根据力学平衡原理，有三种情况：

1)A·ΔP≤F时，柱塞总成在定压弹簧2予压缩力的作用下紧靠在滤罩端面上。

2)A·ΔP＞F时，柱塞5在力的作用下向左滑动，堵塞器出水口11剪切口开始减少，P_b压力升高，到(P_a-P_b)·A＝F时，柱塞5停止滑动。达到恒定。

3)当压力P_a减少，

A·ΔP＜F时，柱塞5总成在弹簧力作用下向右滑动，堵塞器出水口11剪切口增大，压力P_b下降，到(P_a-P_b)·A＝F进，柱塞5停止滑动。达到恒流。

由此可见，当水嘴前后的压差ΔP·A等于或大于一个F时，通过柱塞5的滑动改变出水剪切口面积，增减柱塞5内腔的压力P_b，使ΔP始终保持一个稳定数值，从而使流量达到恒定。

如图4所示，图4为恒流式偏心配水堵塞器流量与压差关系曲线图，图中为20M³/d、40M³/d、80M³/d三种规格配水堵塞器流量检测结果：

启动压差0.5-0.6MPa，   设计≤0.7MPa

工作压差0.5-10MPa，    设计0.7～10MPa

流量误差最大+2.75～4.73％，  设计+10～-10％

从图4中可以看出，工作压力发生变化时，水嘴前后压差保持恒定，实现恒流。

Claims (4)

1、一种恒流式偏心配水堵塞器，主要由堵塞器本体(6)、定压弹簧(2)、弹簧座(3)、柱塞(5)、滤罩(7)组成，定压弹簧(2)安装在柱塞(5)的上方，其特征在于：在柱塞(5)顶端部中心轴线位置上设有一钢珠定位孔(16)，有一钢珠(4)设置在钢珠定位孔(16)上；定压弹簧(2)安装在定压弹簧座(3)上，而定压弹簧座(3)又安装在钢珠(4)之上，且弹簧座(3)与柱塞顶端部(13)保留有间隙。

2、根据权利要求1所述的一种恒流式偏心配水堵塞器，其特征在于：在柱塞顶端(13)对称于柱塞(5)中心轴线设置有对称的通孔(12)。

3、根据权利要求1所述的一种恒流式偏心配水堵塞器，其特征在于：柱塞(5)的长径比大于1.5。

4、根据权利要求1或2或3所述的一种恒流式偏心配水堵塞器，其特征在于：所述的柱塞(5)表面设有硬质合金层。

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