CN102414395B - 用于钻探系统的阀系统 - Google Patents

Abstract

一种阀系统，其包括承载闭锁阀、给料平衡阀和快速给料差动阀。所述承载闭锁阀可以与承载闭锁阀流体连通。所述快速给料差动阀配置成在接合状态和脱离状态之间移动。在接合状态，快速给料差动阀流体地连接给料气缸的环形侧、承载闭锁阀和给料气缸的活塞侧，以使流体从环形侧流至活塞侧。

Description

用于钻探系统的阀系统

技术领域

本发明涉及用于钻探系统的液压控制系统，特别地涉及阀系统。

技术背景

钻探设备通常用于在各种基材中钻孔。这种钻探设备通常包括安装于井架上的钻头。所述设备通常包括能使钻头沿着井架的至少一个部分移动的机械装置和设备。钻头通常还包括接收和接合钻杆或钻管的上端的机械装置。钻杆或钻管可以是单个的杆或管，或者也可以是在另一端包括钻头或其他设备的钻柱的一部分，所述另一端可称为钻头端。

钻头向钻杆或钻管施加力，该力将被传递至钻柱。如果施加的力是旋转力，那么钻头将导致钻柱在钻孔内旋转。钻柱的旋转可以包括相应的钻头旋转，这可以相应导致由钻头引起的切削作用。由钻头施加的力也可以包括轴向的力，其将被传递至钻柱以促进穿透进入地层。

由钻头施加在钻柱上的轴向力可以由连接至给料气缸的多个阀控制。通常，在阀和相关的控制器之间以及在阀和气缸之间的连接可能是复杂的。

这里所要保护的本发明的主题并不局限于克服任何缺点或者在如上所述的这些环境中运行的实施方式。相反，该技术背景只用于说明一个示例性的技术领域，在其中可以实施这里提到的一些实施方式。

发明内容

阀系统包括承载闭锁阀、给料平衡阀以及快速给料差动阀。承载闭锁阀可以与承载闭锁阀流体连通。快速给料差动阀设置成在接合状态和脱开状态之间移动。在接合状态下，快速给料差动阀流体地连接给料气缸的环形侧、承载闭锁阀、以及给料气缸的活塞侧，以使得流液体从环形侧流动至活塞侧。

本发明的具体实施方式的另外的特征和优点将在随后的说明书中进行详尽的解释，并且某种程度上根据说明书是显而易见的，或者可通过实施具体实施方式而习得。这样的实施方式的特征和优点可以通过特别在附加的权利要求中指出的装置和组合而实现和获得。通过随后的说明书和附加的权利要求，这些和其他特征将变得更完全地显而易见，或者可以通过实施在下文中展示的具体实施方式而获得。

附图说明

为了描述在其中可以获得本发明的上述以及其他优点和特征的方式，之前简单地描述过的本发明的更具体的说明将参考具体实施方式进行说明，这些具体实施例在附图中示出。可以理解的是，这些附图显示的仅仅是本发明的典型实施方式，因此不应认为是对其范围的限制，本发明将通过使用附图而更加详细和具体地进行描述和说明，其中：

图1示出了根据一个实施例的钻探系统；

图2A示出了根据一个实施例的在保持模式的阀系统的示意图；

图2B示出了根据一个实施例的在给料回缩模式的阀系统的示意图；

图2C示出了根据一个实施例的在给料拉伸模式的阀系统的示意图；

图2D示出了根据一个实施例的在给料及差动拉伸模式的阀系统的示意图；

图3A示出了根据一个实施例的在快速给料回缩模式的阀系统的示意图；

图3B示出了根据一个实施例的在快速给料拉伸模式的阀系统的示意图；

图3C示出了根据一个实施例的在快速给料及差动拉伸模式的阀系统的示意图；

图4A示出了根据一个实施例的在给料/快速给料回缩模式的阀系统的示意图；

图4B示出了根据一个实施例的在给料/快速给料拉伸模式的阀系统的示意图；

图4C示出了根据一个实施例的在给料/快速给料及差动拉伸模式的阀系统的示意图；以及

图5A-5D示出了根据一个实施例的集成设置在阀块内的阀装置。

具体实施例

阀块装置、阀系统以及钻探系统都配置成控制给料气缸的拉伸和回缩以用于控制旋转的钻头沿着钻探井架的位置。在至少一个实施例中，阀装置可以包括多个集成在阀块内的阀。这样的配置可以减少与阀装置的控制相关的配件和液压管线的数量，这将相应地减少管线路径选择不恰当或者配件和/或连接可能变松的可能性。更进一步，如在下文将更详细描述的，阀系统可以被设置成允许大范围的操作速度以促进快速给料操作以及大力的操作。

为了便于参考，下文描述的阀装置将在将旋转钻头连接至井架的给料气缸的基础上进行描述。可以理解的是阀装置也可以与其他类型的液压系统以任何类型的操作（包括其他钻探操作）进行应用。

图1示出了包括滑车装置110和旋转钻头120的钻探系统100。滑车装置110可以连接至井架130，井架之后连接至钻机140。滑车装置110的位置以及旋转的钻头120的位置可以控制给料气缸150的拉伸和回缩。

在至少一个实施例中，钻头120配置成具有连接在其上的一个或多个螺纹部件160。螺纹部件160可以包括钻杆和杆套，但不限于此。为了便于参考，螺纹部件160将被描述为钻杆。之后钻杆160可以连接至另外的钻杆以形成钻柱170。之后，钻柱170可以连接至钻头180或其他配置成接触待钻探材料比如地层190的井下工具。

钻探系统100可以配置成在钻柱170上施加旋转力的同时施加轴向力或者推力。在至少一个实施例中，如图1所示的旋转钻头120配置成在钻探过程中旋转钻柱170。在所示的实施例中，给料气缸150可以配置成在钻柱170上提供轴向力或推力。特别的，给料气缸150可以回缩从而导致旋转钻头120向井架130的底部移动。当旋转钻头120向井架130的底部移动时，旋转钻头120在钻柱170上施加推力从而促使钻头180进入地层190。

在所示的实施例中，由集成的阀系统200控制给料气缸150的拉伸和回缩，之后可以根据需要由任何数量的控制器操控。阀系统200可以配置成提供多个操作速度，同时也允许给料气缸150施加所需的推力。现在将更详细的描述阀系统200的操作。

图2A-2D示出了阀系统200的示意图。阀装置和多个控制器的分开只是为了便于参考。可以理解的是，每个装置的组件可以根据需要集成到其他装置或者不同的装置内，这未脱离公开的范围。

如图2A-2D所示，阀系统200通常可以包括具有阀块203的阀块装置202，根据需要任何数量的阀可以集成到其中以控制给料气缸150的操作。

给料气缸150可以包括分别连接至阀块装置202的活塞侧150A和环形侧150B。更具体地，管线152可以将活塞侧150A连接至阀块203的出口O1，而管线150可以将环形侧150B连接至阀块203的出口O2。阀系统200可以通过控制流体流入或者流出给料气缸150而在保持模式和多种给料模式之间转换。

特别的，在保持模式下，阀系统200可以通过防止流体流出给料气缸150的活塞侧150A而保持给料气缸150所需的拉伸。在多种给料模式中，阀系统200允许流体流入和流出给料气缸150以获得所需的给料气缸150的拉伸和回缩。更具体地说，给料气缸150可以通过引导流体进入活塞侧150A和/或使流体从环形侧150B流出而拉伸。相似地，给料气缸150可以通过引导流体进入环形侧150B和/或使流体从活塞侧150A流出而回缩。为了便于参考，给料气缸150的拉伸将被描述为旋转钻头的提升，而给料气缸的回缩将被描述为旋转钻头的降低。可以理解的是，这个可以根据需要相反设定。

保持、拉伸以及回缩可以通过选择性地开口阀进行控制，所述阀可以包括（但不限于）承载闭锁阀205、给料平衡阀210、快速给料差动阀220、安全阀230、给料方向阀240以及快速给料方向阀250。首先将介绍这些阀的主要功能以及其相应的控制，随后是保持和给料模式的更详细的讨论。

仍然参照图2A-2D，承载闭锁阀205可以配置成防止流体流出活塞侧150A，从而在活塞侧150A内保持压力以使给料气缸150保持所需的拉伸。承载闭锁阀205可以配置成在缺少其他输入的情况下保持这个压力，这样承载闭锁阀205的启动对于阀系统200是默认状态。

如图2A-2D所示，给料平衡阀210可以被配置成平衡作用在给料气缸150的活塞侧150A上的压力从而平衡与钻柱的重量相关的力。给料平衡阀210可以是筒型阀。在至少一个实施例中，给料平衡阀210可以由给料平衡导向控制器310控制。

快速给料差动阀220可用于选择性的促进流体在给料气缸150环形侧150B和活塞侧150A之间流动。流体从环形侧150B流动至活塞侧150A而不是流动至油箱（tank），这可以增加给料气缸150拉伸的速度。所示的实施例中，快速给料差动阀220可以由快速给料导向控制器320控制。

当快速给料差动阀220从脱开状态转换至接合状态时，可以产生压力峰值。在所示的实施例中，安全阀230可以与快速给料差动阀220相关联，以防止压力峰值到达给料气缸150的环形侧150B。因此，安全阀230可以帮助促进快速给料差动阀220的转换。

给料方向阀240和快速给料方向阀250分别可操作地与给料泵340和快速给料泵350相关联。可以理解的是，虽然单独示出，下文参照给料泵340和快速给料泵350而描述的功能可以由与给料方向阀240和快速给料方向阀250连通的单个泵而提供。可以理解的是，给料方向阀240和快速给料方向阀250可以设定为在不同的控制块的单个控制块中的滑阀。在至少一个实施例中，给料方向阀240和/或快速给料方向阀250可以是滑型阀，然而可以理解的是也可以使用其他类型的阀。给料方向阀240和快速给料方向阀250选择性地将流体引导至给料方向阀240和快速给料方向阀250，以选择性地在上述保持模式和多个给料模式之间转换阀系统，这些将在下文更详细地说明。

在所示的实施例中，给料方向阀240和快速给料方向阀250可以独立地转换。在这样的配置下，如果给料方向阀240和快速给料方向阀250都没有转换成将流体导向至阀块装置202，那么阀系统200在保持模式。然而，如果给料方向阀240和/或快速给料方向阀240都转换成将流体导向至阀块装置202，那么阀系统200可以转换成多个给料模式之一。首先将参照图2A更详细的说明保持模式，之后将说明多种给料模式。

如图2A所示，承载闭锁阀205通常包括压力闭锁阀门206和成比例的阀门207。压力闭锁阀门206和成比例的阀门207都与出口O1连通，出口O1之后通过管线152与给料气缸150的活塞侧150A连通。压力闭锁阀门206以这样的方式可操作地与启动管线208相关联，从而在启动管线208内的压力用于将压力闭锁阀门206从关闭状态转换成开启状态。然而，如果来自启动管线208的流体未用于开启压力闭锁阀门206，那么压力闭锁阀门206将仍然处于所示的关闭状态。

在关闭状态，压力闭锁阀门206防止流体从出口O1通过压力闭锁阀205流出。在所示实施例中，承载闭锁阀205也包括防止流体从出口O1通过成比例的阀门207流出的止回阀209。因此，在不存在来自启动管线208的输入时，承载闭锁阀205防止流体通过承载闭锁阀205。这样的配置可以帮助在给料气缸150的活塞侧150A内保持压力，从而使给料气缸150保持所需的拉伸。

正如之前提到的，给料方向阀240或快速给料方向阀250的转换都用于引导流体进入阀块装置202，从而导致阀系统200转换成多种给料模式之一。特别的，给料方向阀240可以在关闭状态、开启拉伸状态以及开启回缩状态之间转换。在关闭状态，任何引导至给料方向阀240的流体都被阻止或流出至油箱。在开启回缩状态，给料方向阀240被转换成引导流体从而引起或者允许给料气缸150回缩。相似地，当给料方向阀240处于开启拉伸状态时，给料方向阀240被转换从而引起或者允许给料气缸150拉伸。

同样的，快速给料方向阀250可以在关闭状态、开启拉伸状态以及开启回缩状态之间转换。如上所述，给料方向阀240、250可以独立地操作。这样的配置允许给料方向阀240、250单独地或同时地工作以提供多种给料模式。这些包括，但不限于，给料只拉伸和回缩，快速给料只拉伸和回缩，以及给料/快速给料拉伸和回缩。

当给料方向阀240和/或快速给料方向阀20都处于开启拉伸状态时，快速给料差动阀220可以致动以提供额外的给料模式，包括给料只附加差动，快速给料只附加差动，以及给料/快速给料附加差动。因此，给料方向阀240、快速给料方向阀250、以及快速给料差动阀220的独立的转换可以提供大范围的给料模式。将首先单独地说明与给料方向阀240的操作相关联的给料模式。

图2B示出了给料只回缩模式。图2B同时也示出了给料平衡阀210的操作。如图2B中所示，在给料只回缩模式，在给料气缸150的活塞侧150A和给料方向阀210之间形成了通道。特别的，压力闭锁阀门206和成比例的阀门207分别经由管线L1A和L1B都与第一节点N1连通。

在出口O1和管线L1A之间的通路可以通过在启动管线208上提供输入 而形成，以将压力闭锁阀门206移动至所示的开启状态。可以通过转换给料方向阀240至所示的位置而提供输入，以在给料泵340和启动管线208之间形成通路。所述通路将在简要讨论给料平衡阀210的操作之后进行更详细的描述。

如图2B所示，移动压力闭锁阀206至开启状态，从而允许流体穿过承载闭锁阀205流动至节点N1。节点N1 还与管线L1C和L1D连通。当管线L1C与节点N2连通时，管线L1D与快速给料差动阀220的关闭口连通。因此，在给料只回缩节点，流入节点N1的流体被导向至节点N2。

节点N2与入口I1、管线L2A和管线L2B连通。入口I1可以与快速给料方向阀250经由管线252连通。在只给料模式，管线252’与快速给料差动阀250的关闭端口连通。管线L2B可以根据需要省略或被覆盖。因此，在节点N2流入的流体可以被引导流过管线L2A到达节点N3。

节点N3与管线L3A和L3B连通。管线L3A与给料平衡阀210连通。特别的，来自L3A的流体可以在给料平衡阀210上施加开启压力，其用于开启给料平衡阀210。

通过将来自给料平衡导向控制器310而被引导至给料平衡阀210的流体，可以施加相反的力在给料平衡阀210的相反侧上。给料平衡导向控制器310可以是控制在筒阀的活塞侧腔体内的压力的压力控制阀。在至少一个实施例中，如果调整给料平衡导向控制器310的压力设定，那么当在管线L3A内的压力比管线312的压力大两倍时，给料平衡阀210可以开启。否则，给料平衡阀210保持关闭。在至少一个实施例中，给料平衡阀210可以是筒式阀，其可以被配置成与不同的给料气缸一起使用，通过选择或者调整设置在管线L4B内孔的尺寸而提供不同的差异和开启时间。特别的，给料平衡阀210也可以经由管线L4A与节点N4连通。节点N4也可以与出口I2和管线L4B连通。管线312可以将给料平衡导向控制器310连接至出口I2，从而在给料平衡导向控制器310和给料平衡阀210之间建立流体连通。给料平衡导向控制器310从给料平衡阀210接收的流体在给料平衡阀210上施加关闭压力以保持给料平衡阀210关闭。该关闭压力和与管线L3A相关联的开启压力相对。因此，通过调整与给料平衡导向控制器310相关联的压力，给料平衡阀210就能够控制在活塞端150A的压力。

特别的，如果关闭压力大于开启压力，那么给料平衡阀210将保持关闭。如果给料平衡阀210是关闭的，那么在节点N3流入的流体将被堵塞而不能流过给料平衡阀210。作为代替，流体可以穿过管线L3B被引导到节点N5。节点N5与管线L4B和管线L5连通。管线L5可以与止回阀212连通，其防止来自L5的流体在其中流过。因此，当给料平衡阀210保持关闭时，流体可以经过管线L4B、节点N4、入口I2以及管线312流动至给料平衡导向控制器310，之后将被引导至油箱。

然而，如果与管线L3A相关的开启压力大于同给料平衡导向控制器310相关的关闭压力，那么给料平衡阀310将开启使得流体在那里流过。当流体流过给料平衡阀310，流体通过管线L6A被导向至节点N6。节点6A也可以与管线L6B和入口I2连通。管线L6B可以由止回阀212 关闭，这样导向至节点N6的来自给料平衡阀210的流体就被导向至入口I3。

入口I3可以连接至管线242，管线242之后可以连接至给料方向阀240。在给料回缩模式，给料方向阀240可以进行转换以将管线242连接至所示的油箱。由于给料方向阀240这样转换，给料方向阀240也将给料泵240连接至管线242’。

特别的，给料泵340可以与分流器342连通。分流器342可以之后与管线342A、342B和342C连通。管线342A可以连接至给料方向阀240，管线342B可以连接至往复阀360，而管线342C可以与安全阀344连通，其可以防止压力峰值经由管线342A到达给料方向阀240。将在下文中的恰当位置更详细的说明往复阀的操作。

往复阀360可以被配置成帮助保持到快速给料导向控制器320的充足的流体供应，从而使得快速给料导向控制器320在接合状态和脱开状态之间转换快速给料差动阀220。在所示的实施例中，往复阀360经由管线362与快速给料导向控制器320连通。减压阀364也可以与管线366连通，其能调整通过快速给料导向控制器320接合快速给料差动阀220的压力，而同时允许快速给料差动阀220，同时允许在管线248内的允许压力脱开快速给料差动阀220。快速给料导向控制器320通过接合给料回缩而不需要单独地分离阀220便允许阀220的自动脱离。利用阀320，可以这样的方式调节管线248和322之间的压差，从而通过接合给料回缩模式，脱离阀220的压力大于用于接合快速给料差动阀220的压力，并且因此，在不存在来自管线322和入口I7的压力的情况下，快速给料压差阀220转换成脱离状态。

正如之前介绍的，在给料回缩模式，给料泵340的输出用于将与承载闭锁阀205相关的压力闭锁阀门206移动至开启状态。特别的，管线242’与分流器244相连通。分流器244可以根据需要在阀块装置203的外面或者作为一节点整合在阀块装置203内。在所示的实施例中，分流器244与管线246和管线248连通。管线246可以与入口I4连通，而管线248与入口I5连通。入口I5可以与快速给料差动阀220连通。因此，导向至管线248的流体可作用在快速给料差动阀220上，以帮助保持快速给料差动阀220转换至如图2B所示的位置。

入口I4可以与节点N7连通。节点N7之后可以与入口I6和管线L7连通。之后入口I6可以连接至管线252’，其可以连接至快速给料方向阀250。在只给料模式，管线252’可以连接至快速给料方向阀250的关闭部分。

因此，流入节点N7的流体可以被导向至管线L7。管线L7之后与节点N8连通。节点N8与启动管线208和管线L8连通。因此，流入节点N8的流体的一部分被引导通过启动管线208。这个流体可以在压力闭锁阀门206上施加足够的压力以将压力闭锁阀门206移动至所示的开启状态。将压力闭锁阀门206移动至所示的开启状态可以允许流体从活塞侧150A中排出，如上所述。

阀系统200可以配置成通过引导流体进入环形侧150B而抵制流体从活塞侧150A中排出。特别的，流入节点N8的流体的一部分可以经由管线L9A流过快速给料差动阀220流至节点N9。节点N9可以更进一步与出口O2和管线L9B连通。如在先提到的，出口O2可以通过管线152’连接至给料气缸150的环形侧150B。因此，来自给料泵340的被引导至阀块装置202的流体的一部分可以被引导至给料气缸150的环形侧150B。

在所示的实施例中，管线L9B可以与安全阀230连通。因此，被导向至节点N9的过多的流体可以被导向至油箱，而不是被导向至给料气缸150的环形侧150B。因此，安全阀230能够抵制被导向至节点N9的压力峰值并且减少压力峰值将被导向至出口O2以及从出口O2经由管线152’到达给料气缸150的环形侧150B的可能性。

图2C示出了在给料拉伸模式的阀系统200。在给料拉伸模式，给料方向阀240被转换成将给料泵340连接至管线242以及将管线242’连接至油箱。因此，流体通过管线242、通过入口I3，流到节点N6。流入节点N6的流体的相当大的部分通过节点N3流到管线L2A。特别的，流体N6的一部分流过管线L6B，开启止回阀212，并且流入节点N5。如果给料平衡阀210关闭，流体将会被导向流过管线L3B、经过节点N3、经过管线L2A并且到达节点N2。如果给料平衡阀210开启，之后流体的一部分也可以流过管线L6A，流过给料平衡阀210，流过管线L3A，流过节点N3，流过管线L2A并且达到节点N2。

如上所述，节点N2与节点N1连通。节点N1与压力闭锁阀门206经由管线L1A连通，与成比例的阀门207经由管线L1B 连通，并与在快速给料差动阀220内的关闭部分连通。如图所示，在给料回缩模式，压力闭锁阀206关闭。因此，流入节点N1的流体的相当大的部分被导向至成比例的阀门。该流体开启止回阀209并且经由给料气缸150的管线152经过出口O1到达活塞侧150A。进入活塞侧150A的流体在给料气缸150上施加压力以使给料气缸150拉伸。

当给料气缸150拉伸时，来自环形侧150B的流体被导向流过管线152’、进入出口O2并且到达节点N9。从节点N9，流体通过流过快速给料差动阀220可以被导向至油箱，其通过管线L8被引导至节点N8，并且从节点N8那经过管线L7到达节点N7。从N7，由于来自入口I6的通路通过通路252’连接至在快速给料方向阀250上的关闭口，流体可以经由在I4、管线242’、给料方向阀240和油箱之间的通路被导向至油箱。当快速给料差动阀220没有启动时，也可以利用上述提到的排放通路。

然而，如图2D所示，可以启动快速给料差动阀220以将来自环形侧150B的流体导向至活塞侧150A。特别的，快速给料差动导向控制器320可以进行转换以将快速给料差动阀220移动至如图2D所示的位置。当这样转换时，快速给料差动阀220将管线L9A连接至管线L1D。管线L1D进入到节点N1。如上所述，在给料拉伸模式中，流入到节点N1的流体经由管线L1B、成比例的阀门207、出口O1以及管线152被导向至活塞侧150A。

来自管线L1D的流入N1的流体可以被并入到来自管线L1C的流入N1的流体，其从给料泵340被导向至节点N1。给料气缸150拉伸的速度取决于，至少部分取决于流体进入活塞侧150A的流速。因此，与从环形侧150B排出至活塞侧150A的流体导向相关的流体的附加体积可以增大给料气缸150拉伸的速度。之后，施加用于拉伸的力是由活塞侧150A的表面叠加的压力减去由环形侧150B的环形表面叠加的压力。

图3A示出了在快速给料只回收模式的阀系统200。在快速给料只回收模式，给料方向阀240进行转换，以将管线242、242’经由孔连接至油箱，从而帮助确保在管线内没有压力损失并且将给料泵340连接至关闭口。因此，给料泵340的输出经由管线342B被导向至安全阀344。

快速给料泵350的输出穿过管线352被导向到分流器354。分流器354将在其内的流体导向至与快速给料方向阀250连接的管线354A和管线354B的，管线354B与往复阀360连通。安全阀356也可以连接至管线352以帮助减少压力峰值经由分流器354到达快速给料方向阀250的可能性。

在快速给料只回缩模式，转换快速给料方向阀250以将管线252连接至油箱并且将管线252’经由入口I6连接至节点N7。流入节点N7的流体的一部分将穿过管线L7被导向到节点N8。流入节点N7的流体的另外一部分被导向至给料方向阀240以通过入口I4、分流器246、管线248以及入口I5保持快速给料方向阀220位于所需的位置，

从节点N8，来自L7的流体在开启承载闭锁阀205的压力保持部分206的启动管线208和上述提到的经由管线246和248的快速给料差动阀220之间进行分流。随着承载闭锁阀205开启，给料气缸150的给料活塞侧150A和节点N2之间建立通路。节点N2与入口I1连通，其经由上述管线252连接至油箱。节点N2也可以与节点N3连通，如上所述，其将连接至给料平衡阀210。因此，在快速给料只回缩模式，流体从给料气缸150的活塞侧150A排出。

流体可以充满环形侧150B，与从活塞侧150A排出流体相反。特别的，快速给料差动阀220引导来自节点N8的流体经由管线L8和L9A到达节点N9。节点N9经由管线L9B与安全阀230连通，并且经由出口O2和管线152’与环形侧150B连通。因此，流入N9 的流体的一部分可以充满环形侧150B，同时，过量的可以经由所示的安全阀230被导向至油箱。

在如图3B所示的快速给料只拉伸模式，转换快速给料方向阀250以将快速给料泵350连接至管线252并且将管线252’连接至油箱。在这样的配置下，来自快速给料泵350的流体经过管线252被导向到节点N2。节点N2经由之前提到的管线L2A与承载平衡阀210连通。节点N2也经由管线L1C与节点N1连通。从节点N1，流体的一部分经由管线L1B、成比例的阀门207以及止回阀209、出口O1、管线152被导向至活塞侧150A以使得给料气缸150拉伸。

当给料气缸150拉伸时，流体从环形侧150B排出。如果快速给料差动阀220关闭，在管线152’和油箱之间建立通路，经由出口O2、节点N9、管线L9A、快速给料方向阀220、管线L8、节点N8、管线L7、节点N7、入口I6以及管线252’。管线252’通过快速给料差动阀250连接至油箱。

图3C示出了快速给料附加差动拉伸模式。如图3C所示，如果启动快速给料差动阀220，在环形侧150B和活塞侧150A之间建立通路。如上所述，将流体从环形侧150B导向至活塞侧150A可以增大导向至活塞侧150A的流体体积并且从而提高给料气缸150拉伸的速度。

为此，在给料方向阀240或者快速给料方向阀250进行转换以将流体导向至阀块装置202的背景下，已经说明了阀系统200的操作。图4A-4C示出了给料模式，其中给料方向阀240和快速给料方向阀250都同时转换成以提供给料/快速给料回缩，给料/快速给料拉伸以及分别地给料/快速给料附加差动拉伸模式。

图4A示出了给料/快速给料回缩模式。在给料/快速给料回缩模式，转换给料方向阀240以将管线242’连接至给料泵340的输出，而同时快速给料方向阀250进行转换以将管线252’连接至快速给料泵350的输出。管线242’和252’都与节点N7连通。如上所述，引导至节点N7的流体用以开启压力闭锁阀门206，从而使得活塞侧150A排出流体，而将流体引导至环形侧150B将抵制来自活塞侧150A的流体的排出。

特别的，在给料/快速给料回缩模式，活塞侧150A与节点N2连通。节点N2与管线252经由出口I6连通，并且经由前述给料平衡阀210与管线242连通。管线242和252在给料/快速给料回缩模式都连接至油箱。

图4B示出了给料/快速给料拉伸模式。在这个模式，转换给料方向阀240以将给料泵340的输出连接至管线242，同时转换快速给料方向阀250以将快速给料泵350的输出连接至管线252。管线242和252都与节点N2经由上述提到的通路连通。导向至节点N2的流体通过成比例的阀门206以及承载闭锁阀205的止回阀209被导向至给料气缸150的活塞侧150A，从而导致给料气缸150拉伸。

由于给料气缸150拉伸，流体从环形侧150B排出。特别的，环形侧150B与节点N7连通，节点N7如上所述的与管线242、252连通。在给料/快速给料拉伸模式，给料方向阀240和快速给料方向阀250都进行转换以将管线242、252与油箱相连接，从而提供用于环形侧150B的排出通道。 

图4C示出了给料/快速给料附加差动拉伸模式。如先前说明的，在差动拉伸模式，快速给料差动给料220进行转换以将节点N9与节点N1相连接，从而将从环形侧150B出来的流体给料至活塞侧150A，如上所述。

因此，给料方向阀240、快速给料方向阀250以及快速给料控制导向320可以独立地转换以提供更宽范围的给料速度和方向。在至少一个实施例中，给料方向阀240、快速给料方向阀250、给料平衡导向控制器310和/或快速给料控制导向320可以通过把手、操作杆、或者其他人工开关人工启动。在其他实施例中，电子控制也可以用于启动任何或所有这里讨论的阀和控制器。

在上述讨论的实施例中，阀系统200的说明参照阀块装置202。然而，可以理解的是，上述提到的各种部件可以以任何数量的方式和/或整合进任何数量的方式中来实现。

图5A-5D示出了阀块装置202的一个实施例。更特别的，图5A示出了阀块装置202的俯视图，而图5B-5D示出了阀块装置202的侧视图。如图5A所示，第一出口O1可以被设置在阀块装置202的顶侧510。

如图5B所示，入口I4可以设置在阀块的第一侧520。如图5C所示，出口O2、入口I1、I4和I5可以被设置在第二侧510，第二侧510与第一侧520相邻。图5D示出了第三侧540，其与第二侧530相邻，并且因此相对于第一侧520位于阀块装置202的相反侧。如图5D所示，每个入口I3 、I6、和I7可以分别设置在阀块装置202内。

如图5A-5D所示并参考图2A-4C，可以理解的是，承载闭锁阀205、给料平衡阀210、快速给料差动阀220和安全阀230可以集成到阀块装置202内。

本发明可以其他具体形式实施而不脱离其精神或者本质特征。所述的实施方式在所有方面都只是示例性而非限制性的。因此，本发明的范围是由附加的权利要求进行限定的而不是通过之前的说明书进行限定。在权利要求的等同范围内和意义内的所有改变都处于本发明的范围内。

Claims (24)

1.一种适用于控制旋转钻头沿井架的位置的阀系统，包括：

具有活塞侧和环形侧的给料气缸；

承载闭锁阀; 

与所述承载闭锁阀选择性地流体连通的给料平衡阀，其中，所述给料平衡阀配置成选择性地平衡作用在所述给料气缸的活塞侧上的压力；以及

快速给料差动阀，其中，所述快速给料差动阀配置成在接合状态和脱离状态之间移动，其中在接合状态，所述快速给料差动阀流体地连接所述给料气缸的所述环形侧、所述承载闭锁阀和所述给料气缸的所述活塞侧以使流体从环形侧流动至活塞侧；

给料泵；以及

配置成在给料回缩模式和给料拉伸模式之间转换的给料方向阀，其中，在给料回缩模式，给料方向阀将流体从给料泵导向至所述承载闭锁阀，以将所述承载闭锁阀从关闭状态移动至开启状态，其中，在所述开启状态，在给料气缸的活塞侧和所述给料平衡阀之间建立流体通路，以及，

其中，当所述给料方向阀被转换至所述给料拉伸模式，且所述给料平衡阀被开启时，所述给料方向阀将流体从给料泵通过所述给料平衡阀并且通过所述承载闭锁阀引导至给料气缸的活塞侧。

2.如权利要求1所述的阀系统，还包括启动管线，其中所述承载闭锁阀包括压力闭锁阀门、成比例的阀门和止回阀，其中所述承载闭锁阀被配置成根据流入所述启动管线的压力而从关闭状态移动至开启状态，其中所述启动管线连接至所述压力闭锁阀门，其中在所述关闭状态，所述压力闭锁阀门阻止来自给料气缸的活塞侧的流体流过所述承载闭锁阀，所述止回阀配置为阻止来自给料气缸的活塞侧的流体流过所述成比例的阀门。

3.如权利要求2所述的阀系统，其中，所述成比例的阀门被配置成允许流体在第一方向上流过所述承载闭锁阀到达所述给料气缸的活塞侧并且阻止来自所述给料气缸的活塞侧的流体在第二方向上流过所述承载闭锁阀，第二方向与第一方向相反。

4.如权利要求1所述的阀系统，其还包括与快速给料差动控制器可操作地相关的安全阀。

5.如权利要求1所述的阀系统，其还包括快速给料泵和设置成在快速给料回缩模式和快速给料拉伸模式之间转换的快速给料方向阀，其中，在快速给料回缩模式，所述快速给料方向阀将流体从所诉快速给料泵导向至所述承载闭锁阀，以将所述承载闭锁阀从所述关闭状态移动至所述开启状态。

6.如权利要求5所述的阀系统，其中，当所述快速给料方向阀转换成快速给料拉伸模式时，所述快速给料方向阀将流体从快速给料泵导向通过所述承载闭锁阀引导至给料气缸的活塞侧。

7.如权利要求5所述的阀系统，其中，所述给料方向阀和所述快速给料方向阀可以独立地转换。

8.如权利要求1所述的阀系统，还包括一个阀块，其中，所述承载闭锁阀、所述给料平衡阀和所述快速给料差动阀都设置在所述一个阀块中。

9.一种适用于控制旋转钻头沿井架的位置的阀块装置，包括：

给料泵；

具有活塞侧和环形侧的给料气缸；

包括第一出口和第二出口的阀块，所述第一出口被配置成连接至所述给料气缸的活塞侧并且所述第二出口被设置成连接至所述给料气缸的环形侧；

设置在所述阀块内并且与所述第一出口可操作地相关联的承载闭锁阀；

设置在所述阀块内的给料平衡阀，所述给料平衡阀与所述承载闭锁阀流体连通，其中，所述给料平衡阀配置成选择性地平衡作用在所述给料气缸的活塞侧上的压力；

设置在所述阀块内的快速给料差动阀，所述快速给料差动阀被配置成在接合状态和脱离状态之间移动，其中在所述接合状态，所述快速给料差动阀流体连接至所述给料气缸的环形侧，所述承载闭锁阀以及所述给料气缸的活塞侧，以允许流体从所述第二出口流向所述第一出口；以及

配置成在给料回缩模式和给料拉伸模式之间转换的给料方向阀，其中，在所述给料回缩模式，所述给料方向阀引导流体从所述给料泵到所述承载闭锁阀，以移动所述承载闭锁阀从关闭状态到开启状态，其中，在开启状态，建立所述给料气缸的活塞侧和所述给料平衡阀之间的流体通路。

10.如权利要求9所述的阀块装置，其中，所述承载闭锁阀包括成比例的阀门，并且其中当所述快速给料差动阀在所述接合状态时，所述快速给料差动阀将流体从所述第二出口通过所述成比例的阀门引导至所述第一出口，其中，当所述给料方向阀被转换为给料拉伸模式，且所述给料平衡阀被开启时，所述给料方向阀引导所述流体从所述给料泵通过所述给料平衡阀，并通过所述承载闭锁阀到达所述给料气缸的活塞侧。

11.如权利要求10所述的阀块装置，所述承载闭锁阀还包括压力闭锁阀门和连接至所述压力闭锁阀门的启动管线，其中，作用在所述压力闭锁阀门上的压力将所述压力闭锁阀从关闭状态移动至开启状态，其中，在开启状态，在所述第一出口和所述给料平衡阀之间建立流体通路。

12.如权利要求11所述的阀块装置，其还包括在所述阀块中限定的第一入口和在所述阀块中限定的第二入口，所述第一入口与所述给料平衡阀连通并且所述第二入口与所述启动管线和所述快速给料差动阀连通。

13.如权利要求12所述的阀块装置，其中所述第一入口和所述第二入口都配置成接收来自给料泵的输入。

14.如权利要求12所述的阀块装置，其还包括在所述阀块中限定的第三入口和第四入口，所述第三入口与所述压力闭锁阀门或者所述承载闭锁阀的成比例的阀门中的至少一个连通，并且所述第四入口与所述启动管线和所述快速给料差动阀连通。

15.如权利要求9所述的阀块装置，其还包括设置在所述阀块内的并且与所述第二出口连通的安全阀。

16.一种阀块装置，包括：

具有第一出口和第二出口的阀块，所述第一出口被配置成连接至给料气缸的活塞侧并且所述第二出口被配置成连接至给料气缸的环形侧；

设置在所述阀块内并且与所述第一出口可操作地相关联的承载闭锁阀；

设置在所述阀块内的给料平衡阀；

设置在所述阀块内的快速给料差动阀；

限定在所述阀块内的第一入口，所述第一入口与所述给料平衡阀连通

限定在所述阀块内的第二入口，所述第二入口与第一节点连通；以及

限定在所述阀块内的第三入口，所述第三入口与所述第一节点连通，其中，所述第一节点与所述快速给料差动阀和所述阀块保持连通，其中从所述第一入口被导向至所述第一节点或者从所述第二入口被导向至所述第一节点的流体用于在所述第一出口和所述给料平衡阀之间建立流体通路。

17.如权利要求16所述的阀块装置，其中，所述第三入口与第二节点连通，所述第二节点与所述给料平衡阀和所述承载闭锁阀连通，其中从所述第二节点被导向至所述承载闭锁阀的流体通过所述承载闭锁阀流到所述第一出口。

18.如权利要求17所述的阀块装置，其还包括第四入口，所述第四入口与所述给料平衡阀连通，其中被导向至所述给料平衡阀的流体从所述第四入口通过所述给料平衡阀流到所述第二节点。

19.如权利要求18所述的阀块装置，其中所述第一入口和所述第四入口都配置成接收来自给料泵的输入并且所述第二入口和所述第三入口被配置成接收来自快速给料泵的输入。

20.用于钻探系统的阀系统，包括：

承载闭锁阀;

与所述承载闭锁阀流体连通的给料平衡阀；

与所述给料平衡阀连通的给料平衡导向控制器，所述给料平衡导向控制器设置用于控制在所述承载闭锁阀和所述给料平衡阀之间的流体通路内的压力；

快速给料差动阀；以及

与所述快速给料差动阀连通的快速给料导向控制器，所述快速给料导向控制器被配置成使所述快速给料差动阀在接合状态和脱离状态之间移动，其中，在所述脱离状态时，所述快速给料差动阀设置成将流体导向至油箱，并且，在接合状态时，所述快速给料差动阀设置成将流体从给料气缸的环形侧导向至给料气缸的活塞侧。

21.如权利要求20所述的阀系统，其还包括给料方向控制器，所述给料方向控制器被配置用于选择性地将给料泵的输出与第一给料管线和第二给料管线连接，所述第一给料管线与所述快速给料差动阀和所述承载闭锁阀流体连通，并且所述第二给料管线与所述给料平衡阀流体连通。

22.如权利要求21所述的阀系统，其中，通过所述第一给料管线到达所述承载闭锁阀的导向流体将所述承载闭锁阀的压力闭锁阀门从关闭状态移动至开启状态。

23.如权利要求21所述的阀系统，其中通过所述第二给料管线的导向流体导致流体流过所述承载闭锁阀的成比例的阀门。

24.如权利要求21所述的阀系统，其还包括快速给料方向控制器，所述快速给料方向控制器被配置成选择性地将快速给料泵的输出连接至第一快速给料管线和第二快速给料管线，所述第一快速给料管线与所述快速给料差动阀和所述承载闭锁阀流体连通，并且所述第二快速给料管线与所述承载闭锁阀和所述给料平衡阀流体连通。