CN106574482A - 流体脉冲阀 - Google Patents

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Abstract

公开了一种流体脉冲阀和使用所述流体脉冲阀的方法。流体脉冲阀包括外壳体、包含在外壳体内的转子、围绕转子并毗邻外壳体的定子管和同轴地且旋转地联接到转子的闭合部，所述定子管包括多个槽缝，所述闭合部的至少一部分与所述多个槽缝对准。当闭合部旋转时，闭合部覆盖和露出所述多个槽缝以产生脉冲。

Description

流体脉冲阀
技术领域
本发明涉及阀，特别地涉及流体脉冲阀。
背景技术
旋转阀在工业中用于多种应用，像控制液体的流动以模制、调节液压流体的流动以控制各种机器功能、工业过程控制以及控制被引导靠近工件的流体。这些应用的绝大部分都是在低流体压力下而且以低旋转速度或通过转位运动来进行的。这些应用已经通过应用各种已知的流体调节阀应用而被解决，包括闸阀、球阀、蝶阀、具有各种空隙设计和构造的旋转轴、各种设计的电磁致动阀和设计成具有多孔盘以重导向流动流的阀。这些应用一般可适用于低速、低压过程，但不适合高速、高压过程。
例如，电磁阀对于以最高大约300Hz的频率调节最高200psi的压力的流体流动是有效的。这些限制主要是因为电磁线圈的物理设计，所述电磁线圈依赖于磁性触头的往复运动，因此遭受明显的加速力和减速力，特别是在更高的频率下。这些力、由此形成的振动作用以及所产生的摩擦热使得这些类型的阀在高频致动时会遭受故障。
采用多个出口的旋转阀已经被用于高达100Hz频率的应用中，其中期望在阀入口端口和阀出口端口之间有低的压差。然而，这些阀是大且复杂的，并且必要地具有用于阀和用于附属的入口管道与出口管道的明显的物理空间需求。
其它类型的阀的不足包括：阀的阀致动循环速度(频率)过低，阀大且物理上复杂，阀产生明显的压头损失，阀不能在高的进口压力下令人满意地操作，或者阀不能产生必要的流动扰动频率或振幅。
在石油和天然气工业中，进行钻孔以进入地下含烃地层。传统的钻进包括对地表处的钻柱施加旋转，所述旋转被传递给钻头，所述钻头在钻柱的远侧端部处被安装在井底钻具组合(BHA)上。然而，在定向钻进中，井下钻进马达可以用于将旋转施加给钻头。在这样的情况下，往往会比整个长度的钻柱都旋转的情况更难以使不旋转的钻柱前进穿过被钻进的孔。此外，在使用期间，钻柱经常会卡住或以其它方式不能继续钻进。当前，整个钻柱必须被移除才能确定导致问题的原因并解决问题。
因为前述的原因，存在对用于控制流体的流动以产生高频率流体脉冲或扰动的高速、高压旋转阀的需要。另外，存在对这样的阀的需要：所述阀适用于高压应用且阀的压头损失极小，并且所述阀能够被容易地移除以留下畅通的钻孔而不会破坏整个钻柱。
发明内容
本发明克服了与当前方案和设计相关联的问题和缺点，并提供了制造旋转阀的新工具和新方法。
本发明的一个实施例涉及一种流体脉冲阀。所述阀包括外壳体、包含在外壳体内的转子、围绕转子并毗邻外壳体的定子管、和旋转地联接到转子的闭合部，所述定子管包括多个槽缝，所述闭合部的至少一部分与所述多个槽缝对准。当闭合部旋转时，闭合部覆盖和露出所述多个槽缝以产生脉冲。
在优选的实施例中，当流体流过流体脉冲阀时，流体进入外壳体、流过所述多个长圆形槽缝、进入定子中并使转子旋转。优选地，流体脉冲阀还包括在定子管中的至少一个固定流体区域端口。优选地，流体脉冲阀还包括齿轮箱，其中齿轮箱内的齿轮减速导致闭合部以不同于转子的速率旋转。优选地，调整齿轮箱的传动比或转子的螺距中的至少一者以相对于流率改变脉冲率。流体脉冲阀优选地是井孔管柱的部件。
优选地，流体脉冲阀还包括联接到转子的锚固部。优选地，锚固部、转子和闭合部是可从定子管移除的，而不用移除井孔管柱的井下部分。锚固部优选地是从钻柱移除转子和闭合部的抓持点。在优选的实施例中，流体脉冲阀以0.1-10Hz关闭和打开。优选地，不存在流体旁路。优选地，调整槽缝的数量、尺寸以及槽缝与闭合部之间的间隙中的至少一者以改变脉冲强度。
本发明的另一个实施例涉及一种振动钻柱的方法。所述方法包括：提供井底钻具组合(BHA)、提供在井孔内位于BHA之上的流体脉冲阀、使流体流过流体脉冲阀到BHA，其中流体迫使闭合部旋转，所述闭合部覆盖和露出多个槽缝以产生脉冲，从而振动钻柱。流体脉冲阀包括外壳体、包含在外壳体内的转子、围绕转子并毗邻外壳体的定子管和旋转地联接到转子的闭合部，所述定子管包括多个槽缝，所述闭合部的至少一部分与所述多个槽缝对准。
优选地，当流体流过流体脉冲阀时，流体进入外壳体、流过所述多个长圆形槽缝、进入定子并使转子旋转。在优选的实施例中，流体脉冲阀还包括在定子管中的至少一个固定流体区域端口。优选地，流体脉冲阀还包括齿轮箱，其中齿轮箱内的齿轮减速导致闭合部以不同于转子的速率旋转。优选地，调整齿轮箱的传动比或转子的螺距中的至少一者以相对于流率改变脉冲率。
在优选的实施例中，流体脉冲阀还包括联接到转子的锚固部。优选地，锚固部、转子和闭合部是可从定子管移除的，而不用移除井孔管柱的井下部分。锚固部优选地是从钻柱移除转子和闭合部的抓持点。优选地，流体脉冲阀以0.1-10Hz关闭和打开。优选地，在流体脉冲阀中不存在流体旁路。在优选的实施例中，振动是由流体脉冲阀内的流体流动启动和停止导致的。优选地，调整槽缝的数量、尺寸以及槽缝与闭合部之间的间隙中的至少一者以改变脉冲强度。
本发明的其它实施例和优点部分地在下面的描述中阐述，且部分地通过该描述而变得显而易见，或通过对本发明的实施而获知。
附图说明
仅通过例子的方式并参考附图对本发明进行更详细的描述，其中：
图1是本发明实施例的侧剖视图。
图2是本发明的部件的分解轴测图。
图3是本发明的锚固部分的实施例的放大视图。
图4是本发明的转子部分的实施例的放大视图。
图5A-5C是本发明的叶轮部分的实施例的视图。
图6A-5B是本发明的定子部分的实施例的视图。
具体实施方式
如在此体现和广泛描述的，本公开在此提供了本发明的详细实施例。然而，所公开的实施例仅仅是可以以可替换的各种形式实施的本发明的例子。因此，实施例并非意图应该限制特定结构和功能细节，而是意图在于提供用于权利要求的基础和作为用于教导本领域技术人员以各种方式利用本发明的典型基础。
图1描述了流体脉冲阀100的实施例的侧剖视图。流体脉冲阀100优选地是管状的并具有在此描述的适于装配在管内的部件。在优选的实施例中，流体脉冲阀100适于联接至井下钻柱。优选地，流体脉冲阀100的端部105被联接在钻柱的井孔内上部分上，而端部110被联接至钻柱的井孔内下部分，使得流动通过钻柱的流体在端部105处进入流体脉冲阀100并在端部110处离开流体脉冲阀100。优选地，流体脉冲阀100具有与钻柱相同或相似的外直径。流体脉冲阀100的两个端部都优选地经由螺纹配合可联接到钻柱。然而，也可以使用其他联接方法，比如摩擦、粘合剂、螺栓和铆钉。图2描述了流体脉冲阀100的分解视图，示出了流体脉冲100的各种部件的优选布置和相互作用。表1列举了图2中描述的部件。
流体脉冲阀100优选地包括下列基本部件：壳体115、锚固部120、转子125和定子130。壳体115构成了流体脉冲阀100的外部部分的大部分。壳体115是管状的且优选地包括端部105。优选地，壳体115的外直径是恒定的，可以等于、大于或小于钻柱或钻柱接头的直径。在优选的实施例中，壳体115的内直径从流体脉冲阀100的端部105朝端部110增大。所述直径的增大可以是逐渐的、突变的或它们的组合。优选地，壳体115由钢构成。然而，壳体115也可以由另一材料构成，例如黄铜、塑料、其它金属、或其它人造或天然生成的材料。优选地，壳体115是可以从流体脉冲阀100的其余部分拆卸的。
图3描述了锚固部120的放大视图。优选地，锚固部120适于装配在壳体115内并毗邻端部105。在优选的实施例中，锚固部120适于将转子125可拆卸地联接到壳体115。锚固部120优选地包括锚固部主体4和锚固部盖5，所述锚固部主体和锚固部盖经由剪切套环10联接到一起。优选地，锚固部抽销6和锚固部爪8位于锚固部120内。优选地，锚固部爪8接合或以其它方式将锚固部120联接到定子130的锚固部密封套筒9内的定子槽缝(如这里所描述的)。在优选的实施例中，锚固部抽销6适于作为如钻进操作人员所需要的用以从定子130移除锚固部120和转子125的手柄或附接点。一旦被移除，就为钻柱的剩余部分留下了畅通的井孔，从而允许自由点测试和允许随钻测量(MWD)工具回收。例如，如果钻头被卡住，操作人员可以在锚固部抽销6上拉动，以从钻柱移除锚固部120和转子125以及在井孔内位于其之上的钻柱的部分，从而为钻柱的井下部分提供畅通的路径，以确定钻柱在哪里被卡住或者钻进在哪里以其它方式被停止。优选地，通过各种密封，锚固部120相对于钻进流体被密封，且利用各种紧固装置可移除地被固定在流体脉冲阀100内。在优选的实施例中，锚固部120填充有油或另一润滑剂，以降低磨损，增加效率并润滑锚固部120。
转子125优选地包括齿轮箱130、叶轮34和闭合部35。优选地，转子125被联接到在壳体115内的锚固部120。图4是齿轮箱130的放大视图。优选地，齿轮箱130提供了双齿轮减速。然而，齿轮箱130可以提供单齿轮减速或多齿轮减速。优选地，传动比是可调节的，以适应不同的用途。优选地，齿轮箱130使用行星齿轮构造用于齿轮减速。然而，也可以使用其他齿轮构造。优选地，齿轮箱130具有一个或多个阀以允许在使用流体脉冲阀100期间的油膨胀。优选地，通过各种密封，齿轮箱130相对于钻进流体被密封，且利用各种紧固装置被固定在流体脉冲阀100内。在优选的实施例中，齿轮箱130填充有油或另一润滑剂，以降低磨损，增加效率并润滑齿轮箱130的部件。
优选地，齿轮箱130经由轴33被联接到叶轮34。图5A描述了叶轮34和轴33的实施例的侧视图，而图5B-5C是叶轮34的截面图。在优选的实施例中，叶轮34是推进器或者是设计成当流体经过其时旋转的其它装置。优选地，当叶轮34和轴33旋转时，它们转而又使齿轮箱130的部件旋转。齿轮箱130的部件转而使闭合部35旋转。由于齿轮箱130的齿轮减速，闭合部35优选地以不同于叶轮34的速度旋转。优选地，闭合部35定位成围绕轴33。优选地，至少一个轴承或轴套被定位在闭合部35和轴33之间。如这里所述的，闭合部35优选地是桨形的，且适于覆盖定子130中的槽缝3。例如，闭合部35可以具有1、2、3、4、5或6个桨。优选地，所述桨均匀地围绕闭合部14分布。
图6A和6B描述了定子130的两个侧视图。定子130优选地包括定子管2，所述定子管被联接到锚固部主体4，所述锚固部主体包含孔，所述孔适于由锚固部爪8接合以便将定子130联接到锚固部120。在优选的实施例中，定子管2围绕齿轮箱130、闭合部35和叶轮34。此外，定子管2优选地围绕锚固部主体4，使得锚固部爪8可移除地同时接合锚固部主体4和锚固部密封套筒9内的定子槽缝两者。优选地，定子管2的至少一部分被插入到壳体115中，而所述定子管的另一部分延伸超过壳体115的端部，以成为流体脉冲阀100的端部110。优选地，定子管2经由压配合、焊接组件被联接到壳体115。然而，也可以使用其它装置将这两个部件联接到一起，例如，螺纹联接、螺栓、粘合剂、摩擦和铆钉。在优选的实施例中，端部110的外直径等于壳体115的外直径。
如图6A所示，定子管2优选地具有多个槽缝3。尽管示出了八个槽缝(四个在顶部，四个在底部)，但可以使用其它数量的槽缝，例如两个、四个、六个、十个或十二个槽缝。优选地，槽缝3与闭合部35对准，使得当闭合部35旋转时，槽缝3被闭合部35覆盖和露出，从而产生脉冲。槽缝3优选地是长圆形的，例如槽缝可以是4英寸×0.5英寸。然而，槽缝3可以具有另一形状，比如圆形或矩形。另外，如图6B所示，定子管2可以具有一个或多个固定流动区域端口37，以在槽缝3与闭合部35对准的情况下提供启动旋转的方法以及向叶轮提供最小流动。固定流动区域端口37优选地可以设计尺寸以帮助控制该阀的脉冲强度。例如，越大的固定流动区域端口37允许越多的流体流动通过定子管2而不会被闭合部35妨碍，从而降低由流体流动停止引起的脉冲强度。优选地，改变固定流动区域端口的数量和/或尺寸可以用来调整脉冲强度。改变闭合部35和槽缝3之间的间隙也可以影响脉冲强度。另外，改变传动比和/或推进器螺距可以优选地用于相对于流率调整脉冲率。可以在定制特定的钻机计划流程时进行这样的调整。
在钻进期间，例如，钻进流体在端部105处进入流体脉冲阀100。流体流动进入位于壳体115内且围绕锚固部120的空腔中。流体继续围绕齿轮箱130并越过定子管2。然后，流体流动通过定子管2内的槽缝3并进入定子管2内部。当流体流动通过定子管2内部时，所述流体迫使叶轮34旋转，这迫使齿轮箱130内的齿轮转动，这转而又使闭合部35旋转。当闭合部35旋转时，槽缝3被闭合部35覆盖或露出，导致流体停止和重新启动，从而在流体脉冲阀100中产生脉冲。优选地，由于穿过流体脉冲阀100的流体的高速度和高压力，流体脉冲阀100使整个钻柱振动。例如，流体脉冲阀100可以使钻柱以0.1Hz、3Hz、5Hz、7Hz、10Hz或另一频率振动。在优选的实施例中，流体脉冲阀100被定位在井孔内的在井底钻具组合(BHA)之上1500英尺到2000英尺处，然而，流体脉冲阀100可以附接到BHA，毗邻BHA定位，或者远离BHA的另一距离处定位。优选地，流体脉冲阀100不具有旁路，使得所有流体流动通过流体脉冲阀100。
通过考虑说明书以及实施这里公开的本发明，本发明的其它实施例和使用将对本领域技术人员变得显而易见。这里引用的所有参考，包括所有出版物、美国和外国专利以及专利申请，都特别地、整个地通过引用合并。说明书和和例子仅旨在作为示例考虑，同时本发明的真正范围和精神由下面的权利要求表示。此外，术语“包括”包含术语“包括”和“主要地包括”。
表1

Claims (24)

1.一种流体脉冲阀，包括：
外壳体；
转子，所述转子被包含在所述外壳体内；
定子管，所述定子管围绕所述转子并毗邻所述外壳体，所述定子管包括多个槽缝；和
闭合部，所述闭合部旋转地联接到所述转子，所述闭合部的至少一部分与所述多个槽缝对准；
其中，当所述闭合部旋转时，所述闭合部覆盖和露出所述多个槽缝以产生脉冲。
2.根据权利要求1所述的流体脉冲阀，其中，当流体流过所述流体脉冲阀时，流体进入所述外壳体、流过长圆形的所述多个槽缝、进入所述定子并使所述转子旋转。
3.根据权利要求1所述的流体脉冲阀，其中，所述流体脉冲阀还包括在所述定子管中的至少一个固定流动区域端口。
4.根据权利要求3所述的流体脉冲阀，其中，所述流体脉冲阀还包括齿轮箱，所述齿轮箱内的齿轮减速导致所述闭合部以不同于所述转子的速率旋转。
5.根据权利要求4所述的流体脉冲阀，其中，调整所述齿轮箱的传动比或所述转子的螺距中的至少一者，以相对于流率改变脉冲率。
6.根据权利要求1所述的流体脉冲阀，其中，所述流体脉冲阀是井孔管柱的部件。
7.根据权利要求1所述的流体脉冲阀，其中，所述流体脉冲阀还包括联接到所述转子的锚固部。
8.根据权利要求7所述的流体脉冲阀，其中，所述锚固部、所述转子和所述闭合部能够从所述定子管移除，而不用移除井孔管柱的井下部分。
9.根据权利要求7所述的流体脉冲阀，其中，所述锚固部是从钻柱移除所述转子和所述闭合部的抓持点。
10.根据权利要求1所述的流体脉冲阀，其中，所述流体脉冲阀以0.1-10Hz关闭和打开。
11.根据权利要求1所述的流体脉冲阀，其中，不存在流体旁路。
12.根据权利要求1所述的流体脉冲阀，其中，调整所述槽缝的数量、尺寸以及所述槽缝与闭合部之间的间隙中的至少一者，以改变脉冲强度。
13.一种振动钻柱的方法，包括：
提供井底钻具组合(BHA)；
提供流体脉冲阀，所述流体脉冲阀在井孔内定位在所述BHA之上，所述流体脉冲阀包括：
外壳体；
转子，所述转子被包含在所述外壳体内；
定子管，所述定子管围绕所述转子并毗邻所述外壳体，所述定子管包括多个槽缝；和
闭合部，所述闭合部旋转地联接到所述转子，所述闭合部的至少一部分与所述多个槽缝对准；以及
使流体流过所述流体脉冲阀到所述BHA，其中流体迫使所述闭合部旋转，所述闭合部覆盖和露出所述多个槽缝以产生脉冲，从而振动钻柱。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，当流体流过所述流体脉冲阀时，流体进入所述外壳体、流过长圆形的所述多个槽缝、进入所述定子并使所述转子旋转。
15.根据权利要求13所述的方法，其中，所述流体脉冲阀还包括在所述定子管中的至少一个固定流动区域端口。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述流体脉冲阀还包括齿轮箱，其中所述齿轮箱内的齿轮减速导致所述闭合部以不同于所述转子的速率旋转。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，调整所述齿轮箱的传动比或所述转子的螺距中的至少一者，以相对于流率改变脉冲率。
18.根据权利要求13所述的方法，其中，所述流体脉冲阀还包括联接到所述转子的锚固部。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述锚固部、所述转子和所述闭合部能够从所述定子管移除，而不用移除井孔管柱的井下部分。
20.根据权利要求16所述的方法，其中，所述锚固部是从钻柱移除所述转子和所述闭合部的抓持点。
21.根据权利要求13所述的方法，其中，所述流体脉冲阀以0.1-10Hz关闭和打开。
22.根据权利要求13所述的方法，其中，在所述流体脉冲阀中不存在流体旁路。
23.根据权利要求13所述的方法，其中，振动是由所述流体脉冲阀内的流体流动启动和停止引起的。
24.根据权利要求13所述的方法，其中，调整所述槽缝的数量、尺寸以及所述槽缝与闭合部之间的间隙中的至少一者，以改变脉冲强度。
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