CN103492773A - 具有促进有效密封的非刚性连接器的用于泵系统的提升阀 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种示例性阀，其包括阀体，所述阀体具有阀座（160）和适于密封地接合阀座的阀构件（114）。所述阀还包括致动器（130），所述致动器经由非刚性的连接器（128）操作地联接到阀构件，其中，致动器适于选择地使阀构件相对于阀座运动。

Description

具有促进有效密封的非刚性连接器的用于泵系统的提升阀

技术领域

本公开涉及在地下钻出井眼，涉及为这样的操作而泵送钻井流体（“泥浆”）的系统，涉及泥浆泵送系统和用于所述泥浆泵送系统的阀，并且涉及具有促进有效密封的非刚性连接器的提升阀及其使用方法。

背景技术

现有技术公开了广泛种类的钻井系统、设备和方法，其包括但不限于，在美国专利6,944,547；6,918,453；6,802,378；6,050,348；5,465,799；4,995,465；4,854,397；和3,658,138中的公开，这些公开全部为了所有目的包含于此。现有技术公开了在钻井操作和泵系统中所使用的广泛种类的钻井流体泵（“泥浆泵”），所述钻井操作和泵系统例如并且不以限制的方式是在美国专利6,257,354；4,295,366；4,527,959；5,616,009；4,242,057；4,676,724；5,823,093；5,960,700；5,059,101；5,253,987中；在2004年4月28日提交的美国申请序列No.10/833,921中公开的那些泵和系统（所述美国参考文件全部为了所有目的包含于此）。

在钻柱的端部处所承载的钻头被转动以在地下形成井眼。某些钻柱包括：管状物，所述管状物可以是由连结的段制成的钻管或连续的挠性油管；和钻井组件，所述钻井组件在其底端处具有钻头，钻井组件附装到管道或钻柱的底端处。在某些系统中，为了钻出井眼，钻头（例如，通过顶部驱动器、动力水龙头、转盘系统或通过由钻井组件所承载的井下泥浆马达）转动。也称为“泥浆”的钻井流体由在地表处的泵送系统在压力下从在地表处的凹坑或容器通过井眼泵送。

在某些已知的泥浆泵系统中，吸入模块和排出模块其中具有阀，所述阀选择地在进入（吸入）模式中和输出模式（排出）中控制流过模块的流体流动，在所述进入模式中活塞设备产生将钻井流体抽入模块中的真空，在所述输出模式中活塞设备产生将钻井流体压出模块的压力。在吸入模式中，吸入阀打开，允许钻井流体在排出阀保持关闭的同时进入模块中。在排出模式中，钻井流体的压力关闭吸入阀并且打开排出阀。

吸入阀和排出阀这两种阀遭受钻井流体的流动的侵蚀效应和破坏效应。钻井流体含有钻屑和碎屑，所述钻屑和碎屑可以侵蚀阀部件（例如，座、杆、阀构件、密封件、导套、插件、衬垫、耐磨板等）。而且，可以以例如500加仑/分至2000加仑/分泵送较热的钻井流体的泥浆泵以较高的速度抵抗阀部件加压侵蚀的钻井流体，这增加了流体的破坏效应。

在泥浆泵系统中所使用的许多阀中，横过流动路径布置的阀中的导引件或从阀构件延伸到阀座中的导向销导引阀构件，以便使阀构件正确地和有效地落座在阀座上。在许多阀中，落座有阀构件（或阀芯）的阀座表面理想地是平坦的；并且与阀座的平坦座面密封地邻接的阀构件的表面相对应地和理想地是平坦的。导引件或导向销帮助阀构件的平坦的落座表面正确落座在阀座的平坦的座面上。如果任一个表面不是平坦的，或者如果一个表面不以基本平行的（平坦的表面对平坦的表面）方式接触另一个表面，则会导致阀操作无效或低效。

流过阀的钻井流体流动的侵蚀效应和/或破坏效应可以破坏落座表面，使得不能实现理想的平坦的表面对平坦的表面的落座。而且，钻井流体可以破坏导引件（例如，用于接收从阀构件凸出的杆或棒的肋部和通道）或导向销，使得不能实现理想的表面落座。在某些情况下，对导引件或导向销的破坏导致平坦的阀构件表面以一角度接触平坦的落座表面，使得不能实现有效的阀关闭，或使得阀不充分地关闭而不能用于有效的操作。在某些方面，侵蚀的钻井流体流动使初始平坦的落座表面变得不平坦，从而导致无效的密封和阀关闭。

在许多泥浆泵系统中出于这些原因，定期地修理或替换吸入阀和排出阀。

在许多已知的泥浆泵阀中，通过在阀中机械地产生用于克服弹簧以允许阀构件运动的真空或流体压力增大而打开和关闭阀。阀构件的运动不受控制，即，阀构件遭受在压力下的流体的涌动。随着流体压力累积而使阀构件运动，相对应的流体的量在与阀相邻处累积。当压力足够高时，较大量的流体以较高的速度冲过阀。该流体的涌动可以对阀部件产生有害效应，例如，因为阀打开时刻的延迟所导致的流体猛冲使密封表面一起受敲击。

本公开涉及可以避免或至少减小以上指出的问题中的一个或多个的影响的各种方法和装置。

发明内容

以下是本发明的概要，以便提供对本发明的某些方面的基本理解。该概要并非详尽地概述本发明。该概要并不打算识别出本发明的关键元件或主要元件或并不打算叙述本发明的范围。其唯一目的是以简要的形式表现某些概念，作为以后讨论的更加详细的说明的序言。

在一个示例性实施例中，本公开在某些方面涉及钻井流体泵送系统和阀，其也已知为泥浆泵系统，用于泵送在井眼操作中所使用的钻井流体或泥浆。在一个示例性示例中，本公开涉及一种提升阀，在所述提升阀中，除了其它方面，阀芯具有非刚性的连接，所述非刚性的连接由此帮助与相对应的阀座密封。更具体地，在本文公开的阀的一个示例性示例中，阀包括阀体，所述阀体具有阀座和适于密封地接合阀座的阀构件。阀还包括致动器，所述致动器经由非刚性的连接器操作地联接到阀构件，其中，致动器适于选择地使阀构件相对于阀座运动。

附图说明

可以通过参考以下参照附图的说明而理解本公开，在附图中相同的附图标记指示相同的元件，并且其中：

图1是根据本公开的一个示例性实施例的系统的局部剖视的示意图；

图1A是根据本公开的一个示例性实施例的泥浆泵系统的示意图；

图2A是根据本公开的一个示例性实施例的泵设备的透视图；

图2B是图2A的泵设备的侧视图；

图2C是图2A的设备的一部分的透视图；

图2D是图2C的设备的一部分的透视图；

图2E是图2C的设备的一部分的俯视剖视图；

图2F是具有根据本公开的一个示例性实施例的阀组件的泵模块的局部剖视的透视图；

图2G是根据本公开的一个示例性实施例的两个阀组件的透视图；

图2H是图2G的阀组件的侧视图；

图2I是图2G的阀组件的剖视图；

图3A是根据本公开的阀组件的透视图；

图3B是图3A的阀组件的剖视图；

图4是图3A的阀组件的一部分的局部剖视的侧透视图；

图4A是阀座的一个示例性实施例的剖视图，其具有如本文所述的示例性的弯曲阀座；

图4B是本文公开的提升阀的一个示例性实施例的剖视图；

图4C示出本文公开的阀的一个示例性示例，其中采用卡环保持用在阀中的密封件；

图5是如在图3A中的阀组件的致动器的透视图；

图6是根据本公开的一个示例性实施例的弹簧的侧视图；

图7A是根据本公开的一个示例性实施例的弹簧的透视图；

图7B是图7A的弹簧的另一个透视图；

图8A是局部剖视的侧视图，其示出在图7A的系统中的根据本公开的一个示例性实施例的阀的操作中的步骤；

图8B是局部剖视的侧视图，其示出在图8A的阀的操作中的步骤，图8B示出在图8A的步骤之后的步骤；

图9A是根据本公开的一个示例性实施例的系统的局部剖视的侧视图；

图9B是根据图9A中示出的示例性实施例的系统的局部剖视的侧视图，其具有打开的阀；

图9C是图9A的系统的阀芯的侧剖视图；

图9D是在根据本公开的一个示例性实施例的系统中的阀芯的侧剖视图；

图9E是在根据本公开的一个示例性实施例的系统中的阀芯的侧剖视图；

图10A是用于根据本公开的一个示例性实施例的系统的阀芯和弹簧的侧视图；

图10B是图10A的阀芯和弹簧的剖视图；

图10C是图10A的阀芯和弹簧的剖视图；

图11A是图10A的阀芯的支撑件的侧视图；

图11B是图10A的支撑件的俯视图；

图11C是图10A的支撑件的仰视图；和

图12是图10A的弹簧的透视图。

虽然本文公开的主旨易于具有各种修改方案和可替代的形式，但是其特定的实施例已经在附图中以示例的方式示出并且在此详细地说明。然而，应当理解，此处的特定实施例的说明意在将本发明不限制于所公开的特定形式，而是相反地，意在覆盖落在如由所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内的所有修改方案、等同方案和可替代方案。

具体实施方式

以下说明本发明的各种示例性实施例。为了清楚起见，在本说明书中没有说明实际的实施方案的全部特征。当然，将应理解，在任何这样的实际实施例的开发中，必须使多个特定实施的决定实现开发人员的特定目标，例如，遵守与系统有关的和与商业有关的约束条件，所述特定目标将从一个实施方案到另一个实施例方案而改变。此外，将应理解，这样的开发工作可能是复杂的和耗时的，但是对于得益于本公开的本领域的技术人员而言将不过是例行任务。

现在将参照附图说明本发明的主旨。在附图中示意性地示出各种结构、系统和装置，仅用于解释的目的，并且从而不使本公开因对于本领域的技术人员所公知的细节而难以理解。然而，附图涉及说明和解释本公开的示例性示例。本文所使用的词语和段落应当理解和解释为具有与由相关领域中的技术人员对那些词语和段落的理解一致的意义。术语或短语的特定定义，即，与如由本领域的技术人员所理解的普通和习惯的意义不同的定义，意欲不由本文的术语或短语的一贯用法所暗示。在这个意义上，术语或短语意欲具有特定的意义，即，除了由本领域的技术人员所理解的意义以外的意义，这样的特定定义将在本说明书中以定义的方式被确切地阐述，所述定义的方式直接地和明确地为术语或短语提供特定的定义。

图1中所示的系统500包括井架502，从所述井架502将钻柱504延伸到大地506中。如公知的钻柱504可以包括钻管和钻铤。在钻柱的端部处具有钻头512。转动系统514、顶部驱动系统526和/或井下马达532（“液压马达”，“泥浆马达”）可以用于转动钻柱504和钻头512。典型的绞车516具有缆绳或绳索设备518，用于支撑井架502中的物品。根据本公开的泥浆泵系统522将钻井流体524供给到钻柱504，所述泥浆泵系统522具有一个、两个、三个至十个或更多个根据本公开的泥浆泵521，所述每个泥浆泵521都具有泵送模块，每个模块都具有一个、两个或更多个根据本公开的阀。钻井形成井眼530，所述井眼530向下延伸到大地506中。每个泥浆泵521都具有至少一个根据本公开的阀501或（如在图1A中示意性地示出的）多个泵送模块503，每个所述泵送模块503都具有根据本公开的吸入阀505和根据本公开的排出阀506。每个泥浆泵521都具有主曲柄轴521c或轴向凸轮轴或其它将平移运动传给活塞的等效机构。

在钻井期间，钻井流体524通过泥浆泵系统522的一个或多个泵521泵送到钻柱504中（由此，操作井下马达532，如果使用这种任选的马达的话）。钻井流体524流到钻头512，并且继而通过钻头512中的通路流入井眼530中。钻井流体524的循环通过在井眼530的井壁与钻柱504之间的环状空间527将土屑和/或岩屑、碎屑等从井眼530的底部运输到地面。切屑和碎屑借助未示出的装备和设备从钻井流体524去除，并且钻井流体通过泥浆泵系统522的一个或多个泵从泥浆凹坑或容器528被再循环返回到钻柱504。而且，某些期望的固体可以添加到钻井流体。

如图2A和2B中所示的根据本公开的一个示例性实施例的系统10具有主外壳12，所述主外壳12借助用于提升系统部件和使系统部件运动的任选的起重机系统20而安装在基部8上。钻井流体通过入口7进入系统10并且经由模块650泵送出至主出口609。

模块650具有本体602，所述主体602具有第一膛孔602a和第二膛孔602b。在一个示例性示例中，根据本公开的排出阀组件处于第一膛孔602a中，并且根据本公开的吸入阀组件处于第二膛孔602b中。如图2C至2e中所示，使用活塞将流体经由入口端口604泵送到模块650的室652中，并且经由出口端口609从模块650排出到排出导管（未示出）中。

图2F示出根据本公开的两个阀组件100a、100b（如同示例性阀组件100）当它们存在于泥浆泵模块的块体中时的相对位置的一个示例性示例。阀组件100a、100b（其可以是本文公开的任何阀组件）分别处于块体644中的膛孔642、643中。块体644可以在如图2A中所示的系统中使用。

图2G至2I示出布置在泥浆泵系统的块体（未示出）中的两个示例性阀组件100x、100y（如同阀组件100a，图9A）。流体通过吸入阀组件100x的作用通过吸入入口400吸入，并且通过排出阀组件100y的作用通过排出出口402排出。流体被接收在泵送室404中。

从室404泵送的流体可以冲击排出阀100x的部件。任选地，储蓄器/阻尼器410与泵室404流体连通。储蓄器/阻尼器410减少来自泵室404的在压力下的流体的不期望的脉动。可以使用任何适当的已知的储蓄器/阻尼器。

图3A和3B示出根据本公开的阀组件100的示例性实施例，其可以用作用于泥浆泵系统的吸入阀或排出阀（例如，但是不限于，上述的吸入阀组件602b和排出阀组件602a；或上述的吸入阀100x和排出阀100y）。图4示出阀组件100的一个示例性实施例的顶部部分。

阀组件100具有中空的筒杆102，所述筒杆102具有内部通道104，在所述内部通道104内设置有阀致动器130和适配器106。弹簧支撑件108连接到筒杆102的法兰110，所述弹簧支撑件108具有端部112，所述端部112由拉伸弹簧120的一部分环绕，所述拉伸弹簧120的端部邻接弹簧支撑件108。在一个示例性实施例中，弹簧支撑件108可以通过螺纹连接和/或通过多个螺栓连接（为了清楚的目的而未示出）联接到法兰110。

阀芯（或弯曲的阀构件）114支靠在支撑件116上。阀芯114联接到支撑件116。在一个示例性实施例中，阀芯114借助诸如螺钉和/或螺栓的多个紧固件（为了清楚起见未示出）（围绕支撑件116的周边）联接到支撑件116。弹簧120的端部122邻接支撑件116的底部并且被偏压在支撑件116的底部上。球118支靠在球支撑件124上，所述球支撑件124支靠在支撑件116上。在一个示例性实施例中，球支撑件124可以是贝氏垫圈。非刚性的连接器128（例如，缆绳、线材等）（由任何已知的材料制成）连接到球118。在一个示例性实施例中，非刚性的连接器128穿过贯穿支撑件124的孔140、穿过支撑件116中的孔142、穿过弹簧120、穿过弹簧支撑件108中的孔143并且穿过适配器106中的孔144，所述适配器106螺纹地连接到致动器130的示例性联接器139（参见图5）。

示例性贝氏垫圈151在球118上方邻接阀芯114的下侧115。在阀芯114内的凹槽152容纳球118、垫圈151和支撑件124。阀芯114具有弯曲表面136，用于密封地邻接阀座160的弯曲表面166，并且在某些实施例中，在阀座160中定位有密封件169，如下所述。当支撑件116联接到阀芯114时，球支撑件124和垫圈151被固定在适当的位置中。该非刚性的连接器128、球118和两个示例性贝氏垫圈的布置允许阀芯114侧向地运动（在附图中左右运动）和相对于球118枢转或摆动。该运动甚至当阀芯114与阀座160不精确地对准时也帮助密封。因而，两个示例性贝氏垫圈和球118的组合是用于将阀芯114操作地联接到非刚性的连接器128的装置，以便使阀芯114具有运动自由来帮助阀座160与阀芯114之间的密封。

阀芯114可朝向和远离阀座160运动。阀座160具有用于供流体流过的通道162（参见图4和9b）。阀芯114选择地关闭和打开通道162以供流体流动。通道162的一部分的尺寸和构造设定成用于阀芯114。阀座160的弯曲表面166定位成密封在阀芯114的弯曲表面136上。在一个示例性实施例中，没有从阀芯114凸出的导向销（虽然可以根据期望采用导向销），并且没有横过阀座160的臂或肋部。因而，阀座160基本上畅通无阻，以接收和稳定从阀芯114凸出的棒、杆或颈部。然而，在本文所示的示例性示例中，没有这样的从阀芯114凸出的棒、颈部或杆。因而，通过通道162的流动没有受到在许多现有的阀中所存在的这种部件的阻碍。

在一个示例性实施例中，形成在阀座160中的凹槽168保持密封件169。当阀组件关闭时，阀芯114的弯曲表面136的一部分密封地邻接密封件169，防止流体流动。因而，在一个示例性实施例中，弯曲表面136与密封件169之间的接合连同弯曲表面136、166之间所建立起的密封提供了双重密封布置。

阀芯114在阀座160的通道162内具有自由运动范围。本文公开的阀芯114的相对自由运动同现有技术的提升阀相比是期望的，这是因为该相对的自由运动允许或能够使阀芯114甚至在较不理想的条件下也与阀座160有效地密封，例如，在阀芯114与阀座160之间在正建立起密封关系时轴向地偏移未对准的情况下，即，在阀座和阀芯中的每个的纵向轴线不平行或相对于彼此以一角度定位的情况下。在本文公开的示例性阀芯114中的球118的该增大的自由运动全部地或部分地由本文公开的各种结构和由那些结构的相对布置所提供。例如，在当前公开的示例中，球118联接到非刚性的连接器128，例如，缆绳。当阀芯114与阀座160脱离时，非刚性的连接器128允许阀芯114（在球118上）运动或枢转，与现有技术的提升阀形成对照，在所述现有技术的提升阀中阀芯刚性地联接到棒或其它类似的刚性结构。在本文所示的示例中，由于球118与垫圈124和/或垫圈151接合，因此阀芯114能够枢转或转动（达到某一程度）。应当注意到，弹簧120的尺寸和构造设定成使得非刚性的连接器总是处于张紧中。即使非刚性的连接器128处于张紧中，阀芯114仍然能够运动（相对于具有刚性的连接构件的现有技术阀而言），由此帮助密封。

如上所述，阀芯114相对于阀座160定位并且位于阀座160内，并且阀芯114的弯曲的外表面136的一部分将密封地邻接密封件169，并且弯曲表面136将密封地邻接弯曲表面166。阀芯114可以与阀座160对准（或不对准），但是无论是哪种方式，都借助密封在密封件169上的表面136的一部分而维持有效的密封。阀芯114在球118上的运动以及各种部件的尺寸和构造有助于阀芯114的可允许的自由运动，而不牺牲对于关闭阀组件必要的密封。

图4A示出具有如本文公开的弯曲表面166的阀座160的一个示例性实施例。如此处所示，阀座160的弯曲表面166具有曲率半径166R。曲率半径166R的量级可以依据特定应用、阀的尺寸和阀芯114的尺寸和构造而改变。在一个示例性实施例中，对于示例性的4.7英寸的阀，半径166R可以是大约2.5英寸。

图4B是示出本文公开的示例性阀芯114的一个示例性实施例的剖视图。如此处所述，弯曲表面136具有曲率半径136R。曲率半径136的量级可以依据特定应用以及阀芯114的尺寸和构造而改变。在一个示例性实施例中，半径136R可以是大约2英寸。

相对于阀的中心线，弯曲表面166是向外弯曲的凸面，而阀芯114的弯曲表面136是向内弯曲的凹面。换言之，在本文公开的示例性实施例中，弯曲表面166和弯曲表面136是相对弯曲的表面，当弯曲表面166和弯曲表面136接合时，它们可以至少初始形成围绕阀芯114的外部的接触线。

图4c示出具有定位在密封凹槽168中的示例性密封件169的阀座160的一个示例性实施例。另外，如图4C中所示，示例性卡环176可以与密封件169相邻地定位以将密封件169固定在凹槽168中。卡环176的尺寸、形状和构造可以依据特定应用而改变。

图5示出阀致动器130，所述阀致动器130可以在某些方面是任何适当的已知可控制的阀致动器，例如，但是不限于，“肌肉”设备、气压缸致动器、液压缸致动器和电磁致动器。

在一个方面中，如图5中所示，阀致动器130是受控制的气动地供以动力的致动器，其已知为FESTO（商标）“肌肉”致动器。在该示例性实施例中，致动器130具有可膨胀的软管132，其安装在两个基部134、135之间。空气在压力下可通过在气动联接器139中的通道137而引入软管132的内部中。上基部134连接到气动联接器139，所述气动联接器139固定有适配器106。

如图5中所示，并且参照图3A、3B、8A和8B，空气在压力下还没有施加在软管132内。在基部135固定的示例性示例中，一旦施加空气，则软管132向外膨胀，有效地拉动顶部基部134，并且从而朝向下基部135拉动适配器106。这些作用相对应地在非刚性的连接器128上施加拉力，所述拉力导致阀芯114从其与阀座160的密封接触中脱离出来。在该处理期间，弹簧120用于抵抗这些导致阀芯114脱离的全部拉力。

图6示出可以与本文所述的阀一起使用的弹簧120的一个示例性实施例，弹簧120a。如与现有的已知弹簧设计比较，弹簧120a具有这样的弹簧本体，即，所述弹簧本体具有更小的弹簧直径“b”并且具有更高的弹簧力；但是线径“a”较大，例如是0.22英寸，其产生更高的弹簧力。如同图5的致动器130的致动器的使用能够使弹簧具有增大的弹簧力（具有增大的线径）。弹簧120a的总直径b相对小于现有的弹簧，这是因为弹簧120a不必容纳某些现有的阀构件的较大颈部。例如，在一个示例性实施例中，对于示例性的7英寸的提升阀，弹簧120可以具有约0.262英寸的线径（“a”），约55磅/英寸的弹簧常数，约3.4英寸的总直径，约5.43英寸的总长（在放松的情况下）和约4.3英寸的安装长度。

某些现有的泥浆泵阀弹簧达到已知的共振频率（例如，约40Hz至43Hz），产生阀芯振荡，所述阀芯振荡产生不适当密封的阀芯和在阀组件的下游传送的流体脉动。由于其尺寸和重量，弹簧120a具有高于那些现有弹簧的固有频率，所述现有弹簧在40Hz附近共振，并且因而，弹簧120a的共振需要更大的力。在某些方面中，弹簧120（或120a；或弹簧120b，图7A）的尺寸和构造设定成使得其固有共振频率比某些已知的弹簧高了约25%（例如，在一个方面中，50Hz对43Hz）。这在具有这种弹簧的阀组件中减小了流动诱导的共振的可能性；为阀组件的阀芯提供更好更稳定的控制；并且提供阀芯在阀座上更积极的落座。

图7A和7B示出根据本公开的一个示例的示例性弹簧120b，所述示例性弹簧120b具有弹簧本体120c和端部渐缩部分120d，所述端部渐缩部分120d邻接支撑件（例如，如同支撑件116，图3A）。渐缩部分120d由于其窄于弹簧120b的基部120e而有助于阀芯114的自由运动（例如，如在图8A中）。下表反映了用于如在图7A至7B中公开的弹簧120a的一个示例性实施例的某些数据（尺寸单位为英寸），所述弹簧120a具有0.25英寸的示例性线径：

线圈旋转	0-1.5	1.5-4.5	4.5-5.5	5.5-7.0	7.0-9.0	9.0(-10)	10
								开始螺距	3.0	3.0	2.875	2.75	2.25	1.688	1.688
结束螺距	3.0	2.875	2.75	2.25	1.688	1.688
								螺距	0.188	0.388	0.750	0.750	0.500	0.266	0.250
长度	0.432	1.706	0.754	0.933	0.766	0.278
								总长	0.432	2.139	2.893	3.826	4.592	4.87

图8A和8B示出在阀组件100的操作中的步骤（阀组件100具有示例性渐缩弹簧120b，但是可以使用任何适当的弹簧）。阀的操作将取决于阀在本文所述的示例性泵送模块中是用作吸入阀还是用作排出阀。如图8A中所示，空气在压力下还没有施加在软管132内，并且弹簧120b将阀芯114推压成与密封件169和阀座160密封接触。在图8A中所示的位置中，阀组件100对于穿过阀组件的流体流动是关闭的。

在操作期间，当阀定位为吸入阀时，来自泵室的流体压力将阀芯114压在阀座160上，而进入的流体（将流入泵室中）趋向于用于打开吸入阀。在吸入阀上的该开启力受到弹簧和来自阀芯114下方的泵室中的流体压力的抵抗。相反地，当阀定位为提升阀时，情况正好相反。在该情况下，泵室内的压力趋向于打开排出阀，而弹簧和来自与泵送模块全部互连的排出歧管的流体压力趋向于关闭排出阀。为了解释本文公开的阀的操作，将认为，泵室充满液体，并且吸入阀和排出阀二者关闭。随着泵室中的压力增大，排出阀将最终打开，并且来自泵室的流体将通过排出阀流到排出歧管。当泵的排出行程完成并且活塞动作反向时，泵室中的流体压力降低并且排出阀最终关闭。随着泵室中的压力降低，在吸入阀下面的流体压力降低到使得吸入阀打开和使得来自吸入歧管的流体进入泵室的值。此刻，所述过程重复。在某些情况下，当活塞正好开始其反向进程时，排出阀和吸入阀二者可以同时地略微打开。

当致动器130的“肌肉”不膨胀时，即，当致动器130不通电时，在指挥阀和致动器130之间捕集有残余空气。该捕集的空气的压力接近于在排尽空气且关闭阀的排气端口的时刻在该管线中所存在的压力。当致动器130被致动时，即，当软管132膨胀时，具有在足以打开阀的压力下的空气，所述压力例如是110psi。致动器130和空气管线被填充，以便减少致动器的响应时间，即，响应于指挥压力的时间。如果致动器130是完全空的，或者，例如致动器130具有在大气压力下的空气，则致动器130将花费略久的时间来响应，这是因为当施加这种高压时，腔体将必须首先用空气填充，然后将正好引入的空气压缩到刚刚拉伸软管132或使软管132膨胀的足够高的压力，并且只有在这之后，软管132将改变其长度或响应于指挥压力。

如图8B中所示，来自空气供给200（借助比例控制阀200p）的在压力下的空气已经施加在软管132内，导致软管132膨胀，并且将非刚性的连接器128从阀座160拉走。这样做，阀芯114从与阀座160和阀座160的密封件169的密封接触中运动出来，并且阀组件被打开以供流体流动，允许流体流入和流出容纳阀组件的泥浆泵模块。

在一个示例性实施例中，阀芯14是阀筒110a的一部分。参照图9A，在一个示例性实施例中，阀筒100a可以包括单个单元，所述单个单元包括安装法兰101a、筒本体101b、致动器106、弹簧120b、非刚性的连接器128、阀芯114和球118以及相关联的结构。在组装期间，当泵第一次组装时，明显更容易的是具有预组装的阀筒110a，并且在不调节的情况下将阀筒110a插入和栓接而使其即刻变得可以工作。此外，在维修阀时，对比各零碎的部件和/或零件，明显更容易抽出整个筒100a。在某些当前的设计中，阀芯/阀具有假筒设计，在某种意义上，阀没有保持其附装到筒的约束元件。换言之，在现有技术的装置中的筒可以在组装之前松散地放在一起，并且筒可以随着筒通过螺栓固定到本体而插入。然而，如果在该组装处理期间或随后在维修阀期间，该筒被完全颠倒，则阀自身可以变松而落到地面。

在这样的现有的系统中，经常没有如同卡环的元件来将阀固定到筒100a。在一个实施例中，密封件169是阀壳的一部分。更容易的是具有成为块体的一部分的阀座160，所述阀座160可以被预组装到泵，并且随后在较晚的制造步骤期间，在阀座160上栓接有如同阀筒100a的子组件。

在根据本公开的设计中，例如密封件169的密封件不产生共振。根据本公开，这样的密封件由支撑件包围，并且没有可以被周围的流动流所激起的额外或“敲击”特征。

在根据本公开的某些方面中，阀芯114和密封件160至少部分地由不生锈的陶瓷制成。在某些特定的方面中，氧化铝基陶瓷提供非常高的强度和较好的耐磨性。在其它方面中，可以使用具有极好的抗冲蚀性的碳化硼陶瓷。这两种陶瓷具有高于钢的抗侵蚀性。在某些方面中，根据本公开的组件的阀芯114由被陶瓷所包围的钢芯制成。钢芯支撑贝氏垫圈并且可以其中切割有螺纹。陶瓷外皮提供抗侵蚀性。在某些方面中，特定的型材帮助流动逐渐打开和关闭阀。

在某些现有技术的设计中，提升阀具有两个平行的密封表面。这些表面经常形成密封件，所述密封件是锥形本体的一部分；即，密封件具有锥形机械加工面，阀芯被推压在所述锥形机械加工面上。阀芯的密封表面也是锥形的，以便在每种情况下座部的密封表面和阀芯的密封表面是平行的。在排出期间，当两个本体正在分离并且因而允许流体从泵室流入排出歧管中时，流体被挤压在这些平坦的表面之间。在该阶段期间，随着流体从泵室出口的较大截面的流动区传到基本由阀的通路的平行密封表面所限定的较小截面的流动区，流体的速率可以显著地增大。此外，因为没有控制致动器，所以当流体的压力将略高于由作用在阀芯的相对面上的弹簧所产生的力的力施加到阀芯的面上时，这样的现有技术的阀会突然地打开。随着流体在高速下离开由平行的密封表面所限定的流动区，流体进入较大截面的流动区，该流动区是排出歧管。在该情况下，高速和高能的流体几乎如同活塞那样起作用并且沿着排出管线推动相邻的一团流体。大量的一团流体的突然运动可以产生“敲击”或几乎如同重敲的特别大声的噪音。该重复的敲击/重敲可以对钻井管线或其它装备产生有害效应。

如上所述，在某些根据本公开的阀组件中，平行的平坦密封表面由弯曲的密封表面136、166代替。另外地，具有控制致动器130，所述控制致动器130可以在泵室中的压力达到高到足以抵抗弹簧120并因而打开阀的值之前打开阀。因此，显著地减小流体离开泵室的压力。在当前公开的阀中，由于在阀芯114和阀座160之间的流动路径至少部分地由两个弯曲的密封表面136、166限定，所以阀的通路流动特性不将高速/高能施予离开阀的流体流。结果，流体分别以更分散的方式进入和离开排出歧管和管线。因为流体不以离散的“团”流动，所以没有如在某些先前的阀中存在的“敲击”。

控制系统CS控制空气供给200，并且因而控制阀组件100。这与现有的阀相反，在所述现有的阀中流体流动（及其相关压力）由于克服某些静力而自身打开和关闭阀，所述流体流动如同保持阀芯与阀座密封接合的弹簧。在一个方面中，控制系统控制部件运动的速度，并且由此控制打开和关闭阀的速度。使用适当的软件对控制系统中的可编程的媒体编程，控制系统控制电比例阀控制器（例如，阀200p，图8B），所述电比例阀控制器继而控制进入或离开致动器130的空气的量以及当空气进入或离开致动器130时的定时。结果，控制系统200控制阀打开得多快、阀打开得多久和阀打开了多少。能够逐渐地打开和关闭，这减小了如在现有技术的泵和阀中所存在的压力脉动和密封表面之间所产生的冲击和敲击。每个泵轴（曲柄轴）都可以具有与控制系统200通信的速度传感器（例如，传感器521，图1）。在具有驱动一个或多个曲柄轴的电动马达的系统中，马达由控制系统中的软件指挥，并且同一个速度控制信号可以传播到控制系统。安装在每个气缸中的专用速度传感器或线性位移转换器提供用于闭环控制系统的信息（例如，万一出现故障，所述信息可用于诊断泵）。就根据本公开的阀组件而言，阀可以不连接到曲柄轴。可以与本文公开的阀和泵送系统一起使用的控制系统和控制方法的某些方面在2010年12月17日提交的名为用于往复泵的脉动阻尼系统的美国申请序列No.12/971,757中公开，其整个内容由此通过参照包含于此。

控制系统200例如在一个计算机、多个计算机和/或一个或多个PLC中具有可编程的媒体。在一个方面中，控制系统被预装载程序，所述程序包括定义方程和曲线拟合器。定义方程是泵轴速度的函数。曲线拟合器将由定义方程所产生的曲线与对于驱动阀所期望的“理想”曲线相比较。理想曲线通常表示随时间所标绘的阀的速度或加速度，或开度，和/或不同的关联参数。来自控制系统的输出驱动比例阀，所述比例阀是控制致动器130的阀，例如，在一个方面中，所述阀将空气供给到FESTO（商标）“肌肉”中。因而，对阀的紧密致动阀遵循编程的曲线/方程，并且阀以某一速度或加速度打开或关闭，或者阀在泵送循环的持续时间上以某一速率打开。打开或关闭速率可以是恒定的或可变的。即，阀可以以某一低速开始打开，之后以较高的速率打开，之后以不同的速率打开，以此类推。

在一个方面中，在循环期间，阀趋向于遵循某一钟形曲线。因而，阀以低速开始打开，之后在紧接着的情况下以略高的速率打开，并且在接下来的情况下以甚至更高的速率打开，并且诸如此类。所有这些在曲线的递减的一侧上是较低的速率，之后是更加低的速率，以此类推，直到阀关闭为止。通过在某些时候将流体引入泵室中或从泵室排驱流体，泵的性能改变或泵的流动是可测量的。

控制阀的打开速率的机械等效物是凸轮。凸轮通过其轮廓控制阀将打开或关闭得多快和相对于诸如曲柄轴的另一个元件有什么样的关系。换言之，凸轮控制阀的速率（位移对时间）。然而，凸轮的轮廓不能非常容易地改变，这是因为凸轮由金属切割而成。实用的方法是在凸轮和阀之间引入液压致动的推杆或凸轮随动件。因而，速率可以在有限的范围内随意改变。在根据本公开的控制策略中，没有一件限制阀的速率的硬件/凸轮。结果，在提出的致动和控制策略中，期望的曲线可以在运行中改变，只要诸如计算机或PLC的控制器可以接受/支持即可。可编程性使该等效物成为具有无穷变量的轮廓的凸轮轴，泵的输出流动和振动可以受到控制。（在某些现有的系统中的输出流动的不良后果是例如由于气穴现象而导致的部件失效。）

就阀座160和阀芯114的弯曲啮合密封表面166、136而言，任何接触都产生有效的密封。减小了或消除了在现有技术的阀中或由现有技术的阀所产生的压力波动，并且在泵操作期间阀控制减小了排出管线中的压力波动。

根据本公开的系统提供故障安全模式。如果根据本公开的阀组件插入故障，则为了安全的原因，泵在减小的或正常的参数下继续工作，直到安全停止以用于维修为止。在根据本公开的系统中，如果致动器130发生故障，例如如果肌肉发生故障，破裂或爆裂，则阀将以不受限制的方式操作（例如，如当前已知设计的阀那样）。因而，泵可以在几乎相同的参数下继续工作，直到安全停止为止。

图9A和9B示出阀组件100a，如同阀组件100（相同的附图标记指示相同的部件），所述阀组件100a具有弹簧120b和阀芯114a。阀芯114a具有从阀芯本体114b凸出的鼻部114n。鼻部114n凸出到阀座160的流动通道162中。在某些方面中，在根据本公开的系统中，阀座160上的表面166有利地变得更有弹性。在密封件中，两个表面或边缘通过力彼此推压。该作用力可以与密封表面垂直或相对于密封表面成任意角度。在根据本公开的示例性系统中，密封本体在一个实例中是橡胶密封件169和阀芯114，并且在第二实例中是阀座160自身中的密封表面166和阀芯114。在阀关闭循环期间，在橡胶O型环169与阀芯114之间发生第一次密封。作用力相对于阀芯114是轴向的，但是作用力相对于在分别O型环169的弯曲表面与阀芯114的弯曲表面二者之间的接触边缘成一角度。当O型环169和阀芯114接触时，在接触的边缘或区（例如，当变形或磨损时）处，该作用力的矢量分量与两个部件的弯曲表面垂直并且与这样的弯曲表面相切。切向矢量将趋向于拉伸橡胶O型环169（橡胶O型环169的外伸部件），而不是纯粹地压缩橡胶O型环169。在橡胶O型环169由座部的刚性本体包围/支撑的情况下，橡胶将把压缩时的非常高的力当作正常变弯曲的表面的矢量分量。当橡胶由刚性壁包围时，橡胶变得难以压缩。因而，形成机械迷宫，并且因而，流体遭遇较高的流体阻力。（在泵室内）具有一系列高压，之后没有流动区（在橡胶O型环169接触阀芯114的情况下），之后是低压区（就在橡胶密封件169之后），并且最终，之后在阀芯114的表面136和阀座160的表面166之间的接触处没有流动区。而且，变形的橡胶O型环169在朝向冲击流体的前缘处的形状不允许流体进入阀芯114和密封件169之间。

当阀在足够高的力下没有被致动（没有被推动或拉动到其座部上）时，出现阀“颤抖”，并且流动诱导的力完全地或部分地使阀以快速的顺序离座或落座。因而，阀不能满足其分离两个腔体的主要功能。在根据本公开的系统中，对抗弹簧120的致动器130减小了或消除了阀“颤抖”，这是因为两个主力沿着相反的方向作用在阀的阀芯114上，所述两个主力即是由压缩弹簧所产生的力和由FESTO（商标）“肌肉”或等效的致动器130所产生的力。拉动和推动阀芯114的辅助力是流动诱导的力，这是因为较高的轴向主力由弹簧120和致动器130这两个部件所产生，由流动所诱导的任何微小的力变化被两个较大的力中的任一个抵消掉。如果弹簧120趋向于使阀芯离座，则弹簧120将把动作反向。相反地，致动器130将把阀芯114的任何拉动和落座反向；并且从而，阀芯114在流动中具有非常稳定的姿态。

图9B示出被激活的致动器130；施加到软管132的空气已经使软管132膨胀，使软管132向下收缩，由此，使阀芯114a从阀座160离座。当然，如由本领域的技术人员在完全阅读本申请之后所认识到的，致动器130还可以是液压致动的，而不是上述示例性的气动致动器。

具有如同阀芯114a的阀芯的根据本公开的阀组件提供均匀和稳定的阀芯定位和运动。图9D示出围绕阀芯114a流动的进入的流体E的速度场。在图9D和9E中，为了简单起见，阀座160的弯曲表面166未示出为弯曲表面。高速的流体流动的两个环A包围阀芯114a。在阀芯114a到处连续地和均匀地分布环A，产生弹性垫层B，例如，如果产生沿着除了轴向方向以外的方向起作用的干扰力，则所述弹性垫层B包围阀芯114a并且使其稳定。作用在阀芯114a的背面上的反向流体流动C（流动E的已经改变方向的部分）趋向于逆着进入的流E和逆着两个弹性垫层B将阀芯114a推入所示的关闭位置中。流C的均匀性分布还帮助将阀芯114a维持在稳定的姿态中。

图9E示出围绕阀芯114a的进入的流E的压力分布。高压弹性流体垫层D包围阀芯114a并且使其稳定。进入的流E围绕阀芯114a的鼻部114m具有平稳过渡，并且紧接着流粘（约束于或趋向于沿着相邻的弯曲表面流动）到阀芯的弯曲表面。反向的流C将不经受突然的方向变化，但是经受逐渐的方向变化（例如，如由在阀芯的背后处的流C的弯曲箭头W所示）。在某些现有的阀中，这样的流击打阀芯的背面并且以与阀芯的背部成九十度的角或大约九十度的角流动。就本文公开的提升阀而言，减小了或消除了阀芯114a的颤动，并且阀芯114a将在其垂直轴与定位有该阀芯114a的管状物的垂直轴共轴的情况下维持稳定的位置。

与此相反，在具有典型的平圆头阀芯的某些现有技术的阀组件中，流体流动方向在阀芯的两个面上有突然九十度的改变。流体流动方向的突然改变以及在阀芯后方的湍流可以产生某些流体诱导的扰动力。而且，就这样的具有较大的平坦端面的典型平圆头阀芯而言，围绕阀芯的锐利边缘发展出两个低压（真空或接近于真空）区。这些区处于高压内并且由高压包围。该压力分布可以在流动中产生气穴现象和不稳定的姿态。而且，在产生这些低压区的地方会出现离散的流动脉路。结果，因为围绕本体的非均匀的分布，现有技术的阀芯将具有进动动作。该效应通过阀芯的几何尺寸而放大。在现有技术的阀芯的背面上产生非均匀的流动分布。

图10A至10D示出在弹簧120c上的基部114s上的根据本公开的阀芯114b（也参见图13）。弹簧120c具有端部120g，所述端部120g具有凸起120k。任选地，具有一个或三个凸起120e。凸起120k具有弯曲部分120m，所述弯曲部分120m增强阀芯114b的自由运动，所以阀芯114b可以是自对中的。在本公开的范围内的是至少一个、一个、两个或更多个凸起120k。

销120f支靠在支撑件120h的凹槽120r中。销120f通过凸起120k中的开口凸出以将弹簧120c固定到支撑件120h。缆绳（未示出）缠绕在（或连接到）销120f上并且通过弹簧120c向下延伸。孔120u容纳定位螺钉120w以将基部114s固定到支撑件120h。

在某些特定的方面中，任选地由高弹性材料制成的弹簧120c的两个第一线圈120j允许阀芯114b在座部上自身居中。在阀芯114b落座在座部上之后，线圈120j被完全压缩和接触。弹簧120c的其余线圈承受载荷，并且从而，弹性地支撑阀芯114b。

支撑件120h（例如，参见图11A至11C）具有基部120m，所述基部120m具有用于弹簧凸起120k的两个孔120z。具有弯曲部分120m的凸起120k是另一种用于操作地联接阀芯114的装置，以便使阀芯114具有自由运动以帮助阀座160和阀芯114之间密封。

因此，本公开在至少某些示例性实施例中提供一种阀，所述阀包括阀体，所述阀体具有阀座和适于密封地接合阀座的阀构件。阀还包括致动器，所述致动器经由非刚性的连接器操作地联接到阀构件，其中，致动器适于选择地使阀构件相对于阀座运动。

因此，总之看到，本公开和本文公开的实施例较好地适于执行目标和获得所阐述的目的。可以在不脱离本公开的精神和范围的情况下在主旨中进行某些改变。应认识到，能够在本公开的范围内进行改变，并且进一步意欲将本文所陈述的每个元件或步骤理解为涉及照字面的步骤和/或涉及所有等效的元件或步骤。本说明书意在无论可以采用的形式如何都尽可能合法地广泛覆盖本公开。本文所识别出的所有专利和申请为了所有目的而被完全包含于此。

Claims (16)

1.一种阀，其包括：

阀体；

阀座，所述阀座布置在所述阀体内；

阀构件，所述阀构件能够密封地接合所述阀座；和

致动器，所述致动器经由非刚性的连接器操作地联接到所述阀构件，所述致动器能够选择地使所述阀构件相对于所述阀座运动。

2.根据权利要求1所述的阀，还包括弹簧，所述弹簧能够将所述阀构件推压在所述阀座上。

3.根据权利要求2所述的阀，其中，所述弹簧沿着其轴向长度基本渐缩，所述渐缩的弹簧的较小端部定位在所述阀构件的近侧。

4.根据权利要求1所述的阀，其中，所述致动器能被气动地致动。

5.根据权利要求4所述的阀，其中，所述致动器包括能膨胀的软管，所述能膨胀的软管操作地联接到所述非刚性的连接器。

6.根据权利要求1所述的阀，其中，所述非刚性的连接器是缆绳。

7.根据权利要求1所述的阀，还包括球，所述球至少部分地定位在所述阀构件中的凹槽中，所述球操作地联接到所述非刚性的连接器。

8.根据权利要求7所述的阀，其中，所述阀构件能够相对于所述球枢转。

9.根据权利要求1所述的阀，其中，所述阀构件是阀芯。

10.根据权利要求7所述的阀，还包括用于允许所述阀构件相对于所述球运动的装置。

11.根据权利要求1所述的阀，还包括用于允许所述阀构件相对于所述阀座运动的装置。

12.一种阀，其包括：

阀体；

阀座，所述阀座布置在所述阀体内；

阀构件，所述阀构件能够密封地接合所述阀座；

弹簧，所述弹簧能够将所述阀构件推压在所述阀座上；和

致动器，所述致动器经由柔性缆绳操作地联接到所述阀构件，所述致动器能够选择地使所述阀构件相对于所述阀座运动。

13.根据权利要求12所述的阀，其中，所述致动器能被气动地致动。

14.根据权利要求12所述的阀，还包括球，所述球至少部分地定位在所述提升阀中的凹槽中，所述球操作地联接到所述柔性缆绳。

15.根据权利要求14所述的阀，还包括贝氏垫圈，所述贝氏垫圈在所述提升阀与所述球之间被定位在所述凹槽中。

16.根据权利要求14所述的阀，其中，所述提升阀能够相对于所述球枢转。

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