CN105026681A - 阀组件 - Google Patents

Abstract

一种用于控制流体到钻管(42)内的流动的阀组件(10)，所述阀组件(10)具有阀体(12)、阀构件(20)和阀座(14)，其中：a)所述阀体(12)具有主通道；b)所述阀构件(20)可在其中所述阀构件(20)与所述阀座(14)的阀座面(16)接合以基本防止流体沿着所述主通道流动的关闭位置和其中所述阀构件(20)与所述阀座面(16)间隔开的打开位置之间运动；c)所述阀座(14)与所述阀体(12)是独立的部件。

Description

阀组件

本发明涉及一种阀组件，更具体而言涉及一种用于连续循环钻井的阀组件。

通过位于钻柱基部的钻头的旋转来执行井眼钻孔。钻柱主要由在每端处通过螺纹连接结合至彼此的各个管接头构成。

钻头旋转是穿透地下地层并最终到达期望目标深度的关键功能。为了使钻头旋转，通常利用旋转台或顶部驱动器向钻柱提供扭矩，钻柱将致使下面的钻头旋转。钻头旋转还可以独立于钻柱旋转通过井底马达实现，该井底马达由沿着钻柱向下的钻井流体的流动提供能量。

在任一旋转方案中，钻井流体最终都是沿着钻柱向下，经过钻头并且通过井眼环空向上循环。钻井流体的这种流动用来提供充足的底孔清洁、切屑输送和钻头冷却。钻井流体还被期望通过在环空中产生足够压力而提供井眼稳定性，以防止地层流体的意外流入并且还防止井眼坍塌。钻井流体可以代表由油、合成或水基流体(其含有不同量的固态内容物以及充气液体、泡沫、薄雾和惰性气体)构成的各种混合物。

需要相当大的压力量来使钻井流体以成功地提供期望水平的底孔清洁、切屑输送和井眼压力所需的速率沿着以上描述的路径循环。结果，通常配置正排量泵来利用作为一段流动管道的顶部驱动器或方钻杆(kelly)沿着钻柱的顶部向下通过竖管歧管喷射钻井流体。正排量泵一般被称为泥浆泵，并且提供使流体移动通过整个钻井系统的必要机械力。

随着钻孔深度的增加，必须将附加管段添加至钻柱顶部，以便允许钻头朝向期望目标继续前进。另选地，当将钻头从孔拉出时，必须将管段从钻柱移除。传统上，增加钻管的过程都是通过停止钻井流体循环，将顶部驱动器从钻柱断开，增加一段管，将顶部驱动器再次连接至钻柱的顶部并再次开始钻井流体的循环来进行的。

在以上描述的过程期间终止流体循环给钻井带来了挑战，这些挑战可以通过其中并不停止循环的连续循环系统来解决。在这种一种提议中，钻井流体的流动被从顶部驱动器完全转移走并且被引导向钻柱中的侧端口。侧端口提供了通向钻柱主孔的另选流动路径。这样做时，在钻柱顶部被关闭且顶部驱动器端口以便增加另一段管时，循环能够不中断地连续通过侧端口。这种流动转移可以通过位于侧端口中的单向阀来实行，该单向阀具有用于软管的连接件，该软管经由立管歧管从钻探平台泥浆泵接收加压流体流。一旦将顶部驱动器再次连接，则还可以通过钻柱的顶部将钻井流体流动完全转移回来。

在美国专利8,210,266B2中公开的这种系统的一个实施方式中，在大体圆柱形的阀壳体中安装提升式止回阀，阀壳体位于钻柱壁中的侧端口内(如图5a、图5b、图5c、图5d、图6a、图6b、图6c和图6d中所示)。侧端口垂直于钻柱的主孔方向。圆柱形阀壳体通过与钻柱的侧端口螺纹接合而固定就位。圆柱形阀壳体还可以利用穿过壳体中的孔口延伸到钻柱本体中的锁定销而固定就位。这些锁定销防止阀壳体退出来。也可以使用将阀壳体紧固至侧端口的任何其它合适装置或螺栓。阀壳体还包含与容纳提升式止回阀的侧孔平行的中央孔。利用O型环在圆柱形阀壳体钻柱本体之间产生流体紧密的密封。

提升阀构件包括在一端以垂直方式安装至圆柱形盘的阀杆。圆形阀座位于圆柱形阀壳体的外侧。当位于关闭位置时，阀杆伸出到阀壳体的孔内，同时比壳体孔直径略为宽一点的圆柱形盘座置在阀座上。在关闭阀位置中，在阀座和圆柱形盘之间形成金属/金属密封。该金属/金属密封用作在连续循环系统断开的情况下防止流体在钻井时期期间从钻柱流出并通过阀壳体流回来的主要屏障。另外，将提升类型的阀组件完全冲洗定位在侧孔内具有不妨碍通过钻柱主孔流动的优点。

为了将阀构件径向定位在阀壳体的孔内，设置环形凸缘，该环形凸缘从具有金属辐条的阀壳体延伸到比阀杆的直径略宽的中央孔口内。阀杆延伸穿过该中央孔口。阀由弹簧偏压在关闭位置，该弹簧在设置在环形凸缘中的圆形凹槽之间向外朝向阀杆自由端延伸，其中该阀杆通过槽形螺母或其它机械螺母设计紧固。为了将提升阀推动到打开位置，必须克服弹簧力，由此将圆柱形盘从圆形阀座提升起来。这样做时，流体能够通过阀壳体的孔，围绕环状凸缘中的辐条，并通过盘和阀座之间的空间流到钻柱的主孔内。这种力可以借助于来自泥浆泵的加压流体流通过软管来部署，该软管可以从立管流动歧管连接至位于钻柱侧端口中的阀壳体。

当阀没有通过侧端口传输流体时，圆柱形阀壳体的孔可以利用提供二级密封的防护帽组件来进行保护。在本发明的一个实施方式中，该帽由一双部件式结构构成。外帽结构滑动到阀壳体的孔内，直到卡口连接件与圆柱形壳体上的唇缘结构接合位置，从而将组件固定就位。内帽结构通过螺纹接合紧固至外帽结构的内部。内帽结构经由O型环与阀壳体的内表面形成二级密封。该二级密封在阀座和圆柱形盘失效的情况下提供附加屏障，以提供足够的金属/金属密封。使用连接组件安装和移除该帽。

该发明可以与固定钻管主孔的顶部的另一个阀结合地使用。

在美国专利US7,252,151、US7,322,418、US6,412,554和US6,119,772中公开了连续循环系统的其它实施例，但是这些特征是含有多个柱塞(ram)的高度复杂的机械-液压系统，这些柱塞昂贵、涉及复杂设计和维护，并且在钻井平台地板上占用大量工作空间。美国专利申请2011/0308860中公平的设备并没有提供更换阀孔中的频繁磨损的金属部件的机会。另外，该设备将阀构件定位在钻柱的主流动路径中，结果使阀经受强烈腐蚀。美国专利8,016,033B2也提出了一种基于侧端口的循环系统，该系统包括位于钻柱的主孔的直接流动直径中的阀，从而该系统也经受强烈腐蚀。最后，美国专利2,158,356提供了一种具有挡板阀的侧端口循环系统。使用挡板阀在传统上并不没有提供结实的高压力密封。

以上在美国专利8,210,266B2中描述的发明的实施方式解决了在目前连续循环系统中遇到的许多缺点。一级和二级密封屏障密封机构提供了通过钻柱主孔的加压流体流不会经由侧端口逃离钻柱的增加保证。防护帽允许任何捕获压力的释放来指示密封是否有效并保护机组人员。在一级屏障失效的情况下，防护帽上的锁定系统将不会允许将帽释放。该设计还通过阀壳体的外表面和侧端口壁的内表面之间的螺纹接合或夹紧钻柱本体的锁定销以及O型环而压力紧密密封地将阀组件固定至侧端口。提升阀提供了比挡板阀更坚固的密封。另外，该设计不会妨碍钻柱的主孔中的流动路径。最后，相比于配置使用柱塞和环状止动件来进行连续循环过程的高度复杂和昂贵的设施，使用所提出的连续循环阀更简单得多。

本发明设法解决在US8,210,266中示出并在以上描述的阀组件的相关问题中的一个或多个问题。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于控制流体到钻管内的流动的阀组件，所述阀组件具有阀体、阀构件和阀座，其中：

a)所述阀体具有主通道；

b)所述阀构件可在其中所述阀构件与所述阀座的阀座面接合以基本防止流体沿着所述主通道流动的关闭位置和其中所述阀构件与所述阀座面间隔开的打开位置之间移动；

c)所述阀座相对于所述阀体是独立的部件(不与所述阀体成一体)。

通过使所述阀座与所述阀体分离，如果例如由于侵蚀或腐蚀而损坏，则可以更换所述阀座，而无需也更换所述阀体。

至少所述阀座面和所述阀构件这二者的在所述阀构件位于所述关闭位置时相接合的部分可以是金属的。换言之，所述阀座面和所述阀构件的接合形成了金属/金属密封。所述阀构件可以设置有附加的非金属密封元件(例如聚亚安酯密封件)，该附加的非金属密封元件在所述阀构件位于所述关闭位置时也与所述阀座面接合。

所述阀组件可以包括帽，所述阀体可以设置有帽锁定结构，所述帽锁定结构适合于在所述帽至少部分地位于所述主通道中时与设置在所述帽上的对应锁定结构接合，这些锁定结构的接合基本防止了所述帽从所述主通道移动出来。所述阀座可以具有另一个阀座面，当所述帽借助于其锁定结构与所述阀体的帽锁定结构的接合而被保持在所述阀体的所述主通道中时，该另一个阀座面与帽的密封部分接合以提供基本流体紧密的密封。

所述阀体可以设置有用于将所述阀体固定在设置在钻管中的孔口中的装置。这可以包括位于所述阀体的外表面上的螺纹。

所述阀构件可以主要由所述阀体和所述阀座围绕。

所述阀构件可以通过平移运动而在所述关闭位置和所述打开位置之间运动。

所述阀座可以位于所述阀体的第一端。

所述阀座可以具有延伸到所述阀体的所述主通道内的第一部分和与所述阀体的所述第一端接合的第二部分。在这种情况下，所述阀座的所述第一部分可以与所述阀体的内表面接合。

所述阀座可以设置有用于将所述阀构件至少部分地定位在所述主通道内的支撑部分。

所述阀座可以是大体环状的，并且所述支撑部分可以包括径向延伸到由所述阀座包围的大体圆形空间内的至少一个辐条。

所述阀座面可以背离所述阀体。

所述阀座面可以是大体环状的，并且相对于所述主通道的纵向轴线以30°到60°之间的角度定向。

根据本发明的第二方面，提供了一种钻井系统，该钻井系统包括管状元件和阀组件，该阀组件具有本发明的第一方面的阀组件的任何特征或特征的组合。

所述管状元件可以具有围绕主通道的壁和从所述管状元件的外部穿过所述壁延伸到所述主通道的侧端口，在这种情况下，所述阀组件可以安装在所述侧端口上或至少部分地位于所述侧端口内，使得所述阀构件到所述关闭位置的运动基本防止流体流动通过所述侧端口。

所述阀体可以包括锚固结构，所述锚固结构与所述管状元件上的对应结构接合以限制所述阀体相对于所述管状元件的运动。这些结构可以包括螺纹。

所述阀座可以具有密封面，该密封面与所述钻管密封接合以基本防止来自所述管状元件中的所述主通道的流体在所述阀组件和所述管状元件之间流动。

所述侧端口可以包括较大横截面面积部分和较小横截面面积部分，在所述管状元件的壁的包围所述侧端口的部分中具有在所述较大横截面面积部分和所述较小横截面面积部分之间延伸的台肩。在这种情况下，阀组件的最大外径可以小于所述较大横截面面积部分的直径但大于所述较小横截面面积部分的直径。所述阀座可以与所述台肩接合，使得所述台肩将所述阀组件支撑在所述侧端口中，从而在所述台肩和所述阀座之间提供基本流体紧密的密封。所述阀座可以被夹持在所述阀体和所述台肩之间。所述台肩可以大体垂直于所述侧端口的纵向轴线延伸。

所述阀体可以位于所述阀座和所述管状元件的外部之间。

所述管状元件可以是钻管或接头。

根据本发明的第三方面，提供了一种组件，该组件包括具有纵向轴线的杆、支撑部分、弹性偏压元件和螺母，所述螺母安装在围绕所述杆的螺纹上，所述组件进一步包括锁定轴环，该锁定轴环围绕所述杆安装，使得所述偏压元件在所述支撑部分和所述锁定轴环之间延伸，所述锁定轴环具有第一锁定结构，该第一锁定结构与所述杆的对应锁定结构接合，以基本防止所述锁定轴环围绕所述杆的旋转，所述偏压元件将所述锁定轴环推动成与所述螺母接合，使得所述螺母上的至少一个锁定结构与所述锁定轴环上的第二锁定结构接合，结果，所述锁定轴环基本防止所述螺母围绕所述杆的进一步旋转。

所述螺母的锁定结构可以包括从所述螺母大体平行于所述杆的纵向轴线延伸的两个或更多个齿或城堡形部(castellation)。

所述杆的所述锁定结构可以包括槽，该槽大体平行于杆的纵向轴线沿着所述杆的端部延伸，而所述轴环的所述第一锁定结构包括从所述锁定轴环径向向内延伸到所述槽内的突起或突出部。

所述锁定轴环的所述第一锁定结构和第二锁定结构可以一体地形成在所述锁定轴环的单个部件上。它们例如可以都是所述突出部的一部分。

所述偏压元件可以包括螺旋弹簧。

根据本发明的第四方面，提供了一种阀组件，该阀组件包括阀座和阀构件以及根据本发明的第三方面的组件，该阀构件可移动成与所述阀座接合和脱离接合，以打开或关闭所述阀构件，该组件具有根据本发明的第三方面的组件的任何特征或特征的组合，其中所述阀构件包括所述杆，所述支撑部分相对于所述阀座是固定的，并且所述偏压元件将所述阀构件偏压成与所述阀座接合或脱离接合。

优选地，所述阀构件借助于弹性偏压元件偏压成与所述阀座接合。

所述阀构件可以进一步包括盘，该盘安装在所述杆的一端上，使得所述杆从所述盘以居中并且大体正交于所述盘的方式延伸。在这种情况下，所述阀组件可以被构造成使得在所述阀构件与所述阀座接合时是所述盘与所述阀座接合。

现在将参照附图仅通过实施例的方式描述本发明的实施方式，附图为：

图1示出了根据本发明的阀组件的分解立体图；

图2示出了在组装好时贯穿图1中所示的阀组件的纵向横截面的立体图；

图3示出了贯穿包括图1和图2中所示的阀组件的钻管的一部分的纵向剖视图；

图4a示出了适合于供图1、图2和图3中所示的阀组件使用的阀构件的一个实施方式的立体图；

图4b示出了适合于供图4a中所示的阀构件使用的轴环的立体图；

图4c示出了适合于供图4a和图4b中所示的阀构件和轴环使用的螺母的一个实施方式的立体图；以及

图4d示出了图4b和图4c中所示的轴环和螺母的立体图。

现在参照图1和图2，示出了阀组件10，该阀组件10包括阀体12和阀座14。阀体12具有包围主通道的大体环状的壁，阀座14安装在阀体12的第一端12a，阀座14的第一部分14a延伸到主通道内并与环状壁的内表面的一部分接合，并且阀座14的第二部分14b从环状壁延伸出来并与阀体12的第一端12a接合。阀体12的第一端12a相对于主通道的纵向轴线呈大约45°角，阀体12的第一端12a与阀座14的第二部分14b的对应成角度的面接合。

阀座14的第一部分14a的内径大于阀座14的第二部分14b的内径。而且，阀座14的第二部分14b设置有环状阀座面16，该环状阀座面16背离阀体12并且与主通道的纵向轴线优选成30°到60°(在该实施例中为大约45°)的角，阀座面16的径向向外的边缘位于由阀体12的环状壁包围的空间的外侧，而阀座面16的径向向内的边缘延伸到主通道内。密封元件(在该实施例中为O型环18)位于设置在阀座14的第二部分14b的端面中的大体圆形的凹槽中。该凹槽通常在阀座14的端面中机加工而成。

阀组件10还设置有阀构件20，在该实施例中，该阀构件20是提升式止回阀。阀构件20包括阀杆20a，该阀杆20a的一端居中地安装在盘20b上，从而使得阀杆20a大体正交于盘20b延伸到阀杆的自由端。阀构件20定位成使得阀杆20a延伸到阀体12的主通道内，而盘20b至少部分地被阀座14围绕。盘20b的直径大于阀体12的主通道的直径和阀座面16的径向向内的边缘的直径，而小于阀座面16的径向向外的边缘的直径。因而，阀构件20可移动到关闭位置，在该关闭位置，盘20b与阀座面16接合，从而提供基本防止流体沿着阀体12中的主通道流动的大体流体紧密的密封。

为了将阀构件20径向地定位在阀体12的主通道内，设置了安装部件，该安装部件允许流体沿着主通道流动，同时支撑定位阀构件20。在本发明的该实施方式中，该安装部件包括从阀座14延伸到阀体12的主通道内的径向辐条22。大体居中地安装在这些辐条上的是环状支撑环24，该环状支撑环24在内径方面刚好略微大于阀构件20的阀杆20a，并且阀构件20的阀杆20a延伸穿过该支撑环24。阀构件20借助于在支撑环24和围绕阀杆20a的自由端安装的环状轴环28之间延伸的螺旋弹簧26而被偏压到关闭位置。在本发明的该实施方式中，轴环28借助于螺母29而保持在阀杆20a周围，在该实施例中，该螺母29借助于螺纹固定至阀杆20a。

弹簧26被构造成使其处在压缩作用下并将阀构件20推动成与阀座面16接合。因此，为了将阀构件20从关闭位置移动到打开位置，必须克服弹簧26的偏压力来移动阀构件20，在所述打开位置中，阀构件20的盘20b与阀座14间隔开，使得流体能够经由阀座面16和盘20b之间的空间流过中央孔通道。

在图4a、图4b、图4c和图4d中示出了阀构件、轴环和螺母组件的一个实施方式。在该实施方式中，阀构件20的阀杆20a的自由端设置有槽21，该槽21以大体平行于阀杆20a的纵向轴线的方式延伸到阀杆20a内。这在图4a中示出。轴环28设置有对应的突出部28a，该突出部28a延伸到轴环28的径向内部(在图4b中示出)，从而当突出部28a位于槽21中时，轴环28只能滑动到阀构件20的阀杆20上。轴环28围绕阀杆20a的旋转因此受到突出部28a在槽21中的定位的显著限制。

如图4c所示，螺母29的一端设置有多个齿或城堡形部29a，所述多个齿或城堡形部29a在螺母被拧到阀杆20a上时与阀杆20的纵向轴线平行地延伸。城堡形部29a之间的空间足以容纳轴环28的突出部28a，从而能够通过将突出部28a定位在两个相邻的城堡形部29a之间将螺母29锁定就位，如图4d所示。

因此，通过将阀构件20的阀杆20a插入穿过支撑环24，围绕阀杆20a放置弹簧26，然后在突出部28a位于槽21中的情况下在阀杆20a上滑动轴环28，来组装阀构件/弹簧/轴环和螺母组件。然后将螺母29拧到阀杆20a的自由端，同时克服弹簧26的偏压力将轴环28从螺母29推开，直到螺母29沿着阀杆20a位于期望位置。对螺母29的精确取向进行略微调整，从而使得相邻城堡形部29a之间的间隙中的一个间隙与槽21对准。然后释放轴环28，通过弹簧26将轴环28推靠在螺母29上，从而使得突出部28a卡在这些相邻的城堡形部29a之间。因而，螺母29a围绕阀杆20a的进一步旋转基本被阻止，并且螺母29被锁定在阀杆20a上的期望位置。

通过克服弹簧26的偏压力来推动轴环28从而使突出部28a从城堡形部29a之间释放，能够调节螺母29的位置(例如，用以增加或减少由弹簧26施加在阀构件20上的偏压力)或将螺母29移除。

通过该布置，螺母29能够被锁定在阀杆20a上的可变位置中，通过弹簧26的偏压力限制螺母29的解锁。

尽管并非必不可少，但本发明的该实施方式还设置有帽30，该帽30设置有大体圆形的顶部30a，直径比该顶部30a小的大体圆柱形壁30b从该顶部30a延伸出。壁30b延伸到阀体12的主通道内。

在使用时，帽30通过设置在帽30的壁30b的外表面上的卡扣连接结构32固定至阀体12。在该实施例中，设置了四个这种卡扣连接结构32，这四个卡扣连接结构32围绕帽30的壁30b大致均匀地间隔开，相邻的卡扣连接结构32之间的空间总共占据壁30b的外圆周的大约一半。卡扣连接结构32均与从阀体12延伸到主通道内的对应的唇缘结构34接合。这样，在该实施例中，设置了四个唇缘结构34，并且这四个唇缘结构34围绕阀体12的内表面的圆周均匀地间隔开，总共占据了小于一半的圆周。

阀组件10还可以设置有一个或多个锁定突起，这些突起从唇缘结构34的下侧对角地向上延伸到主通道。在这种情况下，对于每个锁定突起来说，在帽30的卡扣连接结构32的中央设置有大到足以容纳锁定突起的端部的对应凹部。

因而，可以按照下述那样将帽30固定至阀体12。将帽30定向成使得每个卡扣连接结构32与相邻唇缘结构34之间的间隙之一对准。将帽30插入到阀体12的主通道内，直到顶部30a略微低于阀体12的第一端12a，并且然后将帽30旋转大约45°，直到每个卡口连接结构32与唇缘结构34中的一个接合。在设置锁定突起的情况下，随后将每个锁定突起定位在设置在卡扣连接结构34中的对应凹部内。卡扣连接结构32与阀体12的唇缘结构34的接合因而防止帽30从阀体12退回，且锁定突起在卡扣连接结构32中的凹部中的定位确保了帽30相对于阀体12正确对准，以实现卡扣连接结构32和唇缘结构34之间的最大接触，并阻止帽30相对于阀体旋转而脱离对准。

为了有助于实现使卡扣连接结构32与唇缘结构34接合所需的旋转，帽30的顶部30a设置有多个孔口36，可以将专用工具插入这些孔口36中。因而可以通过工具旋转来旋转帽30。在该实施例中，设置了八个这样的孔口36，因而工具设置有八个对应的销。为了帮助用户确定帽30什么时候相对于阀体12正确地对准，唇缘结构34的外表面设置有对应的孔口38，当帽30正确对准时，这些对应的孔口38与帽30中的孔口36排列好。因而，当帽30相对于阀体12正确地对准时，工具的销能够插入唇缘结构34中的孔口38内。当工具朝向阀体12突然移动时，用户将感觉到这一点，并且因而能够再次确保帽30的对准是正确的，并且无需进一步旋转。

另选地，卡扣连接结构32中的一个或多个可以设置有防旋转特征，从而帽30在到达硬止动件之前只能旋转一定量(例如45度)。这可以包括止动结构，该止动结构在卡扣连接结构32和帽32的顶部30a之间从帽30的外部31a延伸出并且与卡扣连接结构32的一个端面对准。因此，当帽30已经旋转了使卡扣连接结构32与唇缘结构34完全对准所需的量时，防旋转特征与唇缘结构34中的一个的边缘接合，因此防止帽30进一步旋转。

在该实施例中，卡扣连接结构32和唇缘结构34的配合表面相对于阀体12中的主通道的纵向轴线成大约45度角，这些配合表面的径向向内部分最接近于阀体12的第一端12a。

尽管帽30可以为一体的结构，但是在该实施例中，该帽30被制成为两个部件，即：外部件31a和内部件31b，该外部件31a提供顶部30a的外周和壁30b的包括卡扣连接结构32的部分，该内部件31b提供顶部30a的中央部分和壁30b的下部，该下部具有周向凹槽，密封元件(在该实施例中为O形环40)位于该周向凹槽内。外部件31a和内部件31b借助于围绕内部件31b的外部和外部件31a的内部设置的螺纹的接合而紧固在一起。

用于旋转帽30以使卡扣连接结构32与唇缘结构40锁定接合的孔口36设置在帽30的外部件31a中。因此，设置这种两部件式结构是有利地，因为在外部件31a进行该旋转期间，外部件31a和内部件31b的螺纹的接合致使外部件31a朝向阀体12的第一端12a略微移动，因而使卡扣连接结构32与唇缘结构34紧密接合，并且防止帽30在阀体12中进行任何实质运动。

然而，应该认识到，可以使用其它紧固装置将帽30保持在阀体12中。例如，可以改为采用螺纹或任何其它类型的快速连接方法。

在该实施例中，由于帽30的顶部30a的直径小于阀体12的第一端12a的内径，因此帽30的顶部30a能够在阀体12的第二端12b处插入阀体12的主通道内。然而，阀座14的第二部分14b的内径小于帽30的壁30b的外径。因而，阀座14的第二部分14b用作防止帽30被推动而完全通过主通道的止动件。

当帽30正确地定位在阀体12中时，卡扣连接结构32位于唇缘结构34和阀座14的第二部分14b之间，并且O形环40与阀座14的第二部分14b接合以提供基本流体紧密的密封。这确保了在由阀构件30提供的密封失效的情况下帽30提供防止流体流过阀体12的主通道的二级密封。

因此，阀座具有第二阀座面，而在本发明的该实施方式中，该第二阀座面也是环状的，并且相对于阀体12中的主通道的纵向轴线成30°到60°的角。

应该认识到，第一阀座面和第二阀座面的取向角并不是至关重要的。任一者或二者可以大体垂直于阀体12中的主通道的纵向轴线(不过在结构上这是不够的)，或者可以以接近于平行阀体12中的主通道的纵向轴线的角度定向(不过在这种情况下，阀座直径的略微变动将使阀构件或帽与阀座面接合时的位置发生显著变化)。申请人已经发现，大约60°的角提供了这些矛盾考虑之间的合理折衷，因为其提供了良好的流体流动特性，并且比具有较低角度的形式对密封面具有更小的腐蚀。与该陡角相关的阀构件/帽位置的变化问题可以通过使用更高的制造公差来减轻，并且对于第一阀座面，陡角允许阀的盘稍微更薄，这是因为盘上的弯曲应力较小，而压缩应力较大。

如图3中所示，在使用中，阀组件10安装在设置在钻管42的一部分中或用于插入钻管内的接头中的侧端口46中。钻管42具有大体平行于其纵向轴线A延伸的主通道44，侧端口46延伸穿过钻管(在该实施例中，大体垂直于其纵向轴线)，因而将主通道14与钻管42的外部相连。阀组件10位于钻管42内，其中阀体12的第二端12b与钻管42的外表面大体齐平，并且阀座14和阀构件20至少主要位于侧端口46内，从而阀组件10不会在任何显著程度上限制流体沿着钻管42的主通道44流动。

在该实施例中，借助于设置在阀体12的外表面和钻管42的围绕侧端口46的壁中的螺纹将阀组件10固定至钻管42。

钻管24的围绕侧端口46的面设置有径向向内延伸的台阶或台肩48，台阶或台肩48提供用于阀组件10的安置面，在该实施例中，该安置面大体垂直于侧端口46的纵向轴线B延伸。台肩48在侧端口46的外部46a(其具有大于阀体12和阀座14的外径的直径)和侧端口46的内部46b之间(其具有小于阀体12和阀座14的外径但是大于阀构件20的盘20b的直径的直径)延伸。因此，阀组件10从钻管42的外部插入到侧端口46内，直到阀座14变成安置在台肩48上。

因而，阀座14的第二部分14b被捕获在阀体12和台肩48之间，因此阀座14在阀体和台肩48之间的定位用作将阀座14可靠地保持在阀组件10中的机构。而且，通过紧固阀体12和钻管42之间的螺纹，可以向阀座14施加足够的压缩力，以在阀组件10和钻管42之间产生基本流体紧密的密封。在该实施例中，该基本流体紧密的密封是通过设施在阀座14上的密封元件即O型环18与台肩48的接合提供的。因而，基本防止了阀组件10的外部和钻管42的围绕侧端口46的面之间的流体流动。

在本发明的另选实施方式中，阀体12可以设置有多个(例如四个)锁定螺柱，每个螺柱都穿过螺纹孔口，所述螺纹孔口从主通道径向向外穿过阀体12而延伸到阀体12的外部。在这种情况下，每个锁定螺柱都具有螺纹，并且内端设置有具有可与艾伦内六角扳手接合的六角形凹部的头部。为了将阀组件10固定至钻管42，在锁定螺柱缩回的情况下将阀体12插入侧端口46内，从而使得它们不延伸超过阀体12的外表面。然后在侧端口42中旋转阀体12，以确保锁定螺柱与设置在侧端口的壁中的对应孔口对准，并且将艾伦内六角扳手依次与每个螺柱的头部接合并且将螺柱拧到钻管42中的孔口内。因此防止了从侧端口将阀组件10移除。然而，将认识到，除了螺纹连接之外，也可以设置这种锁定螺柱。将认识到，可以使用螺栓或任何其它合适的紧固装置。

在钻管的一般操作模式过程中，在钻管42的主通道44内存在强制阀组件20抵靠阀座面16的压力。为了使用侧端口42，将帽30移除。一旦将帽30移除，可以将设置有对应卡扣连接结构的转接器(没有示出)与阀体32的唇缘结构34接合。该转接器设置有合适的密封件，从而在阀组件10和该转接器之间将存在基本流体紧密的密封。该密封件可以是与帽30上的O型环40类似的O型环或者是活塞式密封件，该密封件与第二阀座面相邻地密封在阀座14的第一部分14a的平行圆柱形面上。流体压力因而能够通过该转接器供应到阀组件的主通道内，并且一旦所施加的压力超过钻管42的主通道中的内部压力的量足以克服弹簧26的偏压力，则将开始将盘20b从阀座面16提起。此时，阀组件位于打开位置，并且流体将通过侧端口42流入钻管42的主通道44内。

一旦流动停止，并且转接器中的压力下降到低于钻管20中的压力，则阀20将关闭。弹簧26将一直确保在没有从钻管42的中央施加的压力并且没有外部施加的压力时阀总是保持在关闭位置。

如果转接器中的流体压力相对于钻管42中的流体压力平衡，则将认识到，转接器中的流体压力可能无法足以将阀构件20移动到打开位置，在这种情况下，转接器可以设置有机械致动器来将阀构件20从阀座面16推动到打开位置。该机械致动器可以在转接器被固定至钻管时自动地进行该动作，或者需要对该致动器进行手动操作。

将认识到，当阀组件10打开并且沿着侧端口46有快速流体流动时，该高速流体流会对阀座14特别是阀座面16和径向辐条22带来显著侵蚀和腐蚀。这种侵蚀/腐蚀是特别不希望的，因为其会损害阀座面16提供与阀构件20的有效密封的能力、辐条22支撑阀构件20并使阀构件20居中的能力。

通过使阀座14和阀体12成为两个独立部件，阀座14在被过度侵蚀/腐蚀时可以被更换，而无需也更换整个阀体12。通过仅需要更换并运送阀座14，可以实现显著成本节省、简化后勤维护和材料一次性成本。

两部件式设计还允许针对阀组件10的暴露于高速流体流并最容易受到该高速流体流侵蚀和腐蚀的部件进行最佳材料选择，使得抗磨损和腐蚀最大化。在如现有技术中那样阀体和阀座由单个部件形成的情况下，难以选择单个不锈钢等级来实现用于该部件的延展性和拉伸强度的正确平衡。这样，在阀组件如现有技术中那样构成的情况下，阀壳体典型地由高强度钢制成，并对这种钢进行化学处理以提高其抗腐蚀性。例如，该处理可以是其中施加黑色氧化层作为防护涂层的液相氮化处理。而且，由于阀座和阀构件之间的金属/金属密封在使用时由于经过阀组件的高速加压钻井流体而受到显著腐蚀，因此通过利用硬化表面材料给予密封面二次涂层。例如，可以利用高速氧燃料施加薄硬金属/陶瓷层。尽管该过程能够增加抗侵蚀性和抗腐蚀性，但是这种处理过程占据了相当部分的制造时间和成本。此外，在由于加压钻井流体流动而产生的磨损作用下，这种涂层可能会被侵蚀掉，并且这种侵蚀实际上增加了腐蚀的风险。

本发明的两部件式设计允许最佳选择更适合于它们在阀组件10中的功能的材料。例如，仍然可以为阀体10、阀构件20和防护帽组件30部署具有API 7-1要求的延展性规格的高强度钢。这样，这些部件仍然能够满足与钻柱形成统一加压壳所需的机械特性，同时满足钻管42的延展性和拉伸强度的要求(根据API要求)。阀座14不需要满足钻管42的机械规格，因此该部件可以由更适合于其所暴露的条件的不同材料制成。这允许利用与以上讨论的高强度钢相比具有较差机械特性(诸如延展性)但是足够抗腐蚀以消除昂贵且耗时的化学处理或涂覆过程的材料制成阀座14。阀座14可以由例如不锈钢制成。

如果期望，可以采用被称为气相离子渗氮的工艺来给阀座14中利用的金属提供增加的硬度。离子渗氮是用于金属材料的工业表面硬化处理，并且涉及使富氮气体与被加热的工件进行接触，在这个工件处，该富氮气体被分离成氮和氢。氮然后扩散到材料表面上而形成渗氮层，并且可以选择所得到的渗氮层的厚度和相组成以及该材料所需的针对具体特性优化的过程。

为所有密封区域特别是处于高速加压流体倾向于将腐蚀防护涂层剥掉的环境中的区域采用不锈钢等级材料对所提出的发明的一般抗腐蚀性和可靠性来说是有利的。已经在现场操作中揭示，假定使用具有当前设计的材料和涂层，则在运行之间保留在接头/钻管内的阀非常快地腐蚀。因而，将被涂覆的阀部件更换为特殊等级不锈钢的能力将极大地减轻或消除该问题。

然而，应该认识到，阀座14所经受的条件意味着该零件的劣化在实践上不能简单地通过选择诸如不锈钢之类的抗腐蚀材料就得到消除。事实上，为阀座14选择的材料的较差机械特性实际上可能导致侵蚀率增加。然而，相对容易且快速更换磨损的阀座14的能力缓和了这种潜在增加的侵蚀率。

仔细选择阀构件20的盘20b和阀座14上的阀座面16之间的金属/金属密封面的接触角度可以进一步降低包含在阀座14内的流动区域上的磨损率。该角度可以通过计算流体动态建模来优化。优化角度的目的是允许流体以更直接方式流过阀座面16和盘20b之间的空间，因为这将降低通过阀壳体的孔的加压流体流动时的湍流量，这又将降低阀组件10的辐条22和和关键密封面的侵蚀。密封面的接触角度可以但是不限于30度到60度。

此外，通过位于阀体嵌件内的环状凸缘的辐条轮廓的设计优化降低了侵蚀程度。这种优化轮廓是抵抗流体流动压力的机械强度要求和用于流体流动的形状优化之间的折衷。有利地，辐条设置有完全圆形的上面和下面以及辐条和流动区域的外径之间的小的过度圆角。

在本发明的另一个实施方式中，阀构件20设置有由不同的特别是柔性材料制成的二级密封元件，该二级密封元件给通过侧端口46的流动提供二级屏障(除了形成在盘20b和阀座面16之间的金属/金属密封以外)。在本发明的该实施方式(没有示出)中，在阀构件20的盘20b的侧轮廓中加工凹槽，以便允许将诸如聚亚安酯密封件之类的密封元件插入。该密封元件在阀构件20位于关闭位置时与阀座面16接合。该凹槽在盘12b中被加工成在密封元件上面和下面都具有足够的钢，以防止阀构件20在高速流体流动时发生变形。在特定温度和压力条件下，该密封元件可以增加阀构件20密封在金属/金属密封件中可能存在的任何碎屑周围或上的能力。当阀组件在低压下使用时，例如在气体服务中使用时，弹性体密封元件可能是特别有利的，在这种情况下，金属/金属密封件可能不可靠。在弹性体密封元件形成主密封件的情况下，还允许金属/金属密封件在密封损坏之前发生更大侵蚀，或者可能意味着不再需要费力地将金属/金属密封件重叠成匹配的对。

另外，有利的是将凹槽设计成具有足够深度，从而使得盘20的抗变形性将防止密封元件变成离开原位，这在加压流体流动期间将消除其作为密封屏障的作用。

本发明的附加实施方式可以扩展成包括被设计成适应密封面和结构构件的快速磨损的任何可更换金属嵌件在侧端口连续循环系统中使用的任何阀构造中的应用。这种可更换嵌件允许仅更换阀中的磨损结构，同时继续部署仍然能够总体发挥作用的防腐主体阀结构。这种可更换嵌件还可以由与阀组件的其余部分不同的材料(例如，氮化硅)制成。

当在该说明书和权利要求书中使用时，表述“包括”及其变体是指包含所指明的特征、步骤或整数。不能将这些表述解释为排出了其它特征、步骤或部件的存在。

以其具体形式或在实现所公开的功能的含义、用于实现所公开的结果的方法或过程方面表达的、在上述描述或随后的权利要求或附图中公开的特征在合适的情况下可以用来单独地或以这些特征的任意组合的方式以其各种各样的形式实现本发明。

Claims (39)

1.一种用于控制流体到钻管内的流动的阀组件，所述阀组件具有阀体、阀构件和阀座，其中：

a)所述阀体具有主通道；

b)所述阀构件能在关闭位置和打开位置之间运动，在所述关闭位置，所述阀构件与所述阀座的阀座面接合以基本防止流体沿着所述主通道流动，在所述打开位置，所述阀构件与所述阀座面间隔开；

c)所述阀座相对于所述阀体是独立的部件。

2.根据权利要求1所述的阀组件，其中，至少所述阀座面和所述阀构件这二者的在所述阀构件位于所述关闭位置时相接合的部分是金属的。

3.根据权利要求2所述的阀组件，其中，所述阀构件设置有附加的非金属密封元件，该附加的非金属密封元件在所述阀构件位于所述关闭位置时也与所述阀座面接合。

4.根据前述权利要求中任一项所述的阀组件，该阀组件进一步包括帽，所述阀体设置有帽锁定结构，所述帽锁定结构适合于在所述帽至少部分地位于所述主通道中时与设置在所述帽上的对应锁定结构接合，这些锁定结构的接合基本防止了所述帽从所述主通道移动出来。

5.根据权利要求4所述的阀组件，其中，所述阀座具有另一个阀座面，当所述帽通过其锁定结构与所述阀体的所述帽锁定结构的接合而被保持在所述阀体的所述主通道中时，该另一个阀座面与帽的密封部分接合以在所述帽和所述阀座之间提供基本流体紧密的密封。

6.根据前述权利要求中任一项所述的阀组件，其中，所述阀体设置有用于将所述阀体固定在设置在管状元件中的孔口中的装置。

7.根据前述权利要求中任一项所述的阀组件，其中，所述阀构件主要由所述阀体和所述阀座围绕。

8.根据前述权利要求中任一项所述的阀组件，其中，所述阀构件能通过平移运动而在所述关闭位置和所述打开位置之间运动。

9.根据前述权利要求中任一项所述的阀组件，其中，所述阀座位于所述阀体的第一端。

10.根据前述权利要求中任一项所述的阀组件，其中，所述阀座具有延伸到所述阀体的所述主通道内的第一部分和与所述阀体的第一端接合的第二部分。

11.根据权利要求10所述的阀组件，其中，所述阀座的所述第一部分与所述阀体的内表面接合。

12.根据前述权利要求中任一项所述的阀组件，其中，所述阀座设置有用于将所述阀构件至少部分地定位在所述主通道内的支撑部分。

13.根据前述权利要求中任一项所述的阀组件，其中，所述阀座是大体环状的，并且所述支撑部分包括径向延伸到由所述阀座包围的大体圆形空间内的至少一个辐条。

14.根据前述权利要求中任一项所述的阀组件，其中，所述阀座面背离所述阀体。

15.根据前述权利要求中任一项所述的阀组件，其中，所述阀座面是大体环状的，并且相对于所述主通道的纵向轴线以30°到60°之间的角度定向。

16.一种钻井系统，该钻井系统包括管状元件和阀组件，该阀组件具有前述权利要求中任一项所述的阀组件的任何特征或特征的组合。

17.根据权利要求16所述的钻井系统，其中，所述管状元件具有围绕主通道的壁和从所述管状元件的外部穿过所述壁延伸到所述主通道的侧端口。

18.根据权利要求17所述的钻井系统，其中，所述阀组件安装在所述侧端口上或至少部分地位于所述侧端口内，使得所述阀构件到所述关闭位置的运动基本防止流体流动通过所述侧端口。

19.根据权利要求16至18中任一项所述的钻井系统，其中，所述阀体包括锚固结构，所述锚固结构与所述管状元件上的对应结构接合以限制所述阀体相对于所述管状元件的运动。

20.根据权利要求16至19中任一项所述的钻井系统，其中，所述阀座具有密封面，该密封面与所述管状元件密封接合以基本防止来自所述管状元件中的所述主通道的流体在所述阀组件和所述管状元件之间流动。

21.根据权利要求16至20中任一项所述的钻井系统，其中，所述侧端口包括较大横截面面积部分和较小横截面面积部分，在所述管状元件的所述壁的包围所述侧端口的部分中具有在所述较大横截面面积部分和所述较小横截面面积部分之间延伸的台肩。

22.根据权利要求21所述的钻井系统，其中，阀组件的最大外径小于所述较大横截面面积部分的直径但大于所述较小横截面面积部分的直径。

23.根据权利要求21或22所述的钻井系统，其中，所述阀座与所述台肩接合，使得所述台肩将所述阀组件支撑在所述侧端口中，从而在所述台肩和所述阀座之间提供基本流体紧密的密封。

24.根据权利要求21至23中任一项所述的钻井系统，其中，所述阀座被夹持在所述阀体和所述台肩之间。

25.根据权利要求21至24中任一项所述的钻井系统，其中，所述台肩大体垂直于所述侧端口的纵向轴线延伸。

26.根据权利要求16至25中任一项所述的钻井系统，其中，所述阀体位于所述阀座和所述管状元件的外部之间。

27.根据权利要求16至26中任一项所述的钻井系统，其中，所述管状元件是钻管或接头。

28.一种组件，该组件包括具有纵向轴线的杆、支撑部分、弹性偏压元件和螺母，所述螺母安装在围绕所述杆的螺纹上，所述组件进一步包括锁定轴环，该锁定轴环围绕所述杆安装，使得所述弹性偏压元件在所述支撑部分和所述锁定轴环之间延伸，所述锁定轴环具有第一锁定结构，该第一锁定结构与所述杆的对应锁定结构接合，以基本防止所述锁定轴环围绕所述杆的旋转，所述弹性偏压元件将所述锁定轴环推动成与所述螺母接合，使得所述螺母上的至少一个锁定结构与所述锁定轴环上的第二锁定结构接合，结果，所述锁定轴环基本防止所述螺母围绕所述杆的进一步旋转。

29.根据权利要求28所述的组件，其中，所述螺母的所述锁定结构包括从所述螺母大体平行于所述杆的纵向轴线延伸的两个或更多个齿或城堡形部。

30.根据权利要求28或29所述的组件，其中，所述杆的所述锁定结构包括槽，该槽大体平行于所述杆的纵向轴线沿着所述杆的端部延伸，而所述轴环的所述第一锁定结构包括从所述锁定轴环径向向内延伸到所述槽内的突起或突出部。

31.根据权利要求28、29或30所述的组件，其中，所述锁定轴环的所述第一锁定结构和第二锁定结构一体地形成在所述锁定轴环的单个部件上。

32.根据权利要求28至31中任一项所述的组件，其中，所述弹性偏压元件包括螺旋弹簧。

33.一种阀组件，该阀组件包括阀座和阀构件以及根据权利要求28至32中任一项所述的组件，所述阀构件能移动成与所述阀座接合和脱离接合以打开或关闭所述阀组件；其中所述阀构件包括所述杆，所述支撑部分相对于所述阀座是固定的，并且所述弹性偏压元件偏压所述阀构件而使该阀构件与所述阀座接合或脱离接合。

34.根据权利要求33所述的阀组件，其中，所述阀构件借助于弹性偏压元件而被偏压成与所述阀座接合。

35.根据权利要求33或34所述的阀组件，其中，所述阀构件进一步包括盘，该盘安装在所述杆的一端上，使得所述杆从所述盘以居中并大体正交于所述盘的方式延伸。

36.根据权利要求35所述的阀组件，其中，所述阀组件被构造成使得在所述阀构件与所述阀座接合时是所述盘与所述阀座接合。

37.一种基本如以上参照附图描述并在附图中示出的阀组件。

38.一种基本如以上参照附图描述并在附图中示出的钻井系统。

39.在这里和/或在所附附图中描述的任何新颖特征或特征的新颖组合。