CN106639981B - 一种液压控制阀 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液压控制阀，包括中心管，所述中心管侧壁设置有内通孔和引导槽，所述中心管由上至下依次套设有上端接头、上限位结构、滑套和下端接头，所述上端接头和下端接头均设置有轴向液压管路，所述滑套外套设有壳体，所述壳体上下两端分别连接上端接头和下端接头，所述壳体侧壁设置有外通孔，所述滑套内壁设置有环形凹槽，所述滑套侧壁设置有与环形凹槽连通的连通孔，所述滑套侧壁设置有沿引导槽滑动的导向销钉，所述中心管外套设有下限位结构，所述下限位结构位于滑套内壁的环形凹槽内。本发明可以仅通过液压控制准确调节输送流体的流量，同时可以确保薄弱部件受到保护,提高设备的使用寿命。

Description

一种液压控制阀

技术领域

本发明属于石油工程完井技术领域，特别涉及一种液压控制阀。

背景技术

目前，海上油田水平井、分支井、大位移深井作业难度较大，常规钢丝、电缆、连续油管作业不能满足水平井、大斜度井注采调控要求，水平井、大斜度井多数采用笼统注采，井下生产动态不能即时调控，不能满足储层高效注采开发的需求；常规技术分层注采井，需下入管柱或钢丝、电缆、连续油管作业，效率低，成本高，风险大；长期注采过程中地层参数发生变化需要进行注采动态调整，常规技术难以实现及时、经济、高效调整需求；机电一体调控技术存在使用周期内耐久性、稳定性方面的问题；另外，海上油田平台钢丝电缆作业成本高，作业周期较长平台不允许经常占用顶甲板，常规技术无法保证注采的长期有效性。随着油田开发的深入需要找到一种不依赖于钢丝、电缆作业的新技术来解决这些生产面临的问题。特别是对于海上油田需要一种不修井的井下分层智能控制技术，使油井开发逐步向智能井方向发展，满足海上高效开发作业的需求。

目前，现有的阀门多数仍然需要进行钢丝电缆作业，而已经研发出的液压控制阀很难在深度较大的井下准确调整开度进行流量控制且其中的机电一体模块存在耐久性和稳定性的问题。所以，已经有基于档位定位方式的流体控制阀设计被提出，但是当前技术仅依靠单一的引导销钉反复承担各方向大剪切应力的形式承受所有载荷，而此类阀门需要在井下极端环境下长期服役，这样的受力点集中在薄弱位置的设计将较严重的影响其可靠性和使用寿命。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种可实现多档位开度的液压控制阀，能够仅靠液压实现流量的准确调节，延长工作寿命，具有更高的可靠性。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明的一种液压控制阀，包括中心管，所述中心管侧壁设置有内通孔和引导槽，所述中心管由上至下依次套设有上端接头、上限位结构、滑套和下端接头，所述上端接头和下端接头均设置有轴向液压管路，所述滑套外套设有壳体，所述壳体上下两端分别连接上端接头和下端接头，所述壳体侧壁设置有外通孔，所述滑套内壁设置有环形凹槽，所述滑套侧壁设置有与环形凹槽连通的连通孔，所述滑套侧壁设置有沿引导槽滑动的导向销钉，所述中心管外套设有下限位结构，所述下限位结构位于滑套内壁的环形凹槽内。

所述引导槽设置于内通孔的下端，所述引导槽设置为周向旋转对称的“等长槽”。

所述导向销钉至少设置为一个，且所述导向销钉的数量小于或等于“等长槽”的数量。

所述上限位结构下端和滑套上端均设置为相互配合实现换档的螺旋结构，所述上限位结构和滑套之间设置有非接触相位。

所述上限位结构螺旋结构的下端面和滑套螺旋结构的上端面均可设置为台阶状或平面状。

所述下限位结构固定于内通孔的上端。

所述滑套的中部外径大于其自身上下两部分的外径。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

(1)本发明中，上下两端的液压管路用于提供滑套沿轴向运动的动力，进而帮助产生换档所需的沿轴向动力；内通孔、连通孔、外通孔以及滑套内壁的环形凹槽用于供输送流体通过；设置于中心管管壁外侧的引导槽仅用于引导滑套产生换档动作所需的围绕轴线的旋转运动，不用于确定档位及承力；

(2)本发明中，上限位结构和下限位结构用于与滑套对应构造相配合从而确定档位并承力，防止控制阀其它薄弱位置(如导向销钉、引导槽)承力；下限位结构和滑套内壁的环形凹槽相互配合的，在滑套进行换挡运动到达下死点时，替代导向销钉承受冲击载荷，避免薄弱部件承力，延长系统寿命；

(3)本发明中，相互配合的上限位结构和滑套上端部通过形状或表面性能的设计实现自锁，使其具备承受轴向载荷能力的同时，可以阻止滑套在到达各预定档位后的旋转运动，达到保护导向销钉的目的；上限位结构和滑套之间设置了非接触相位，以避免在换挡动作进行时受到扰动发生卡阻，提高系统的可靠性；

(4)本发明中，上限位结构和下限位结构通过细螺纹与中心管实现装配，进而能够通过调整装配位置的方式放宽对机械加工的要求，同时该分体设计也能够使得通过更换不同的限位结构改变控制阀的调节范围与档位分布，另外该设计也便于作为承力部件的显微结构采用不同的材料以延长寿命；

(5)本发明全过程仅需液压控制，无电子器件及线路参与，同时上限位结构和下限位结构避免导向销钉在换档时承受多方向过大的剪切载荷，设备可靠性与适应性高。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明实施例一中上限位结构和滑套对应的结构示意图；

图3是本发明实施例一中上限位结构和滑套对应的结构示意图。

附图标记:1中心管；101内通孔；102引导槽；2上限位结构；3滑套；301环形凹槽；302连通孔；4下限位结构；5导向销钉；6上端接头；7下端接头；8壳体；801外通孔；9液压管路。

具体实施方式

下面结合附图及实施例进一步详细介绍本发明的具体结构、工作原理内容。

如图1所示，本发明的一种液压控制阀，包括作为阀体主体部件的中心管1，所述中心管1侧壁设置有内通孔101和引导槽102，所述引导槽102沿中心管1外壁周向设置，且位于内通孔101的下端，由于该引导槽102仅负责引导滑套3在档位切换时围绕轴线进行旋转运动，不负责针对各档位的定位及受力，所以可以设计为周向旋转对称的“等长槽”，沿圆周方向均匀分布且轴向长度相同。所述中心管1由上至下依次套设有上端接头6、上限位结构2、滑套3和下端接头7。

所述上端接头6和下端接头7均设置有轴向液压管路9，所述上端接头6和下端接头7均与中心管1固定连接。所述滑套3外套设有壳体8，所述壳体8上下两端分别固定连接上端接头6和下端接头7，所述壳体8侧壁设置有外通孔801，所述外通孔801和内通孔101均沿相同径向开设。所述滑套3的中部外径大于其自身上下两部分的外径，便于液体推动滑套3轴向移动，所述滑套3内壁设置有环形凹槽301，使得滑套3内壁形成上下两个台肩，所述滑套3侧壁设置有与环形凹槽301连通的连通孔302。所述中心管1外套设有下限位结构4，所述下限位结构4固定于内通孔101的上端，所述下限位结构4位于滑套3内壁的环形凹槽301内，通过与上下两个台肩的配合控制滑套3轴向移动的极限位置。所述滑套3侧壁设置有沿引导槽102滑动的导向销钉5，所述导向销钉5至少设置为一个，由于上限位结构2和下限位结构4的设计取代了周向引导槽102的确定档位功能使其可以设计为旋转对称的“等长槽”，所以所述导向销钉5数目可设置为多个，最多可以与轴向“等长槽”的数目相同，以共同承受载荷，降低单个导向销钉5承受的剪切力，增强系统可靠性与使用寿命，所述导向销钉5仅用于引导滑套3产生换档动作所需的围绕轴线的旋转运动，不用于确定档位及承力。

所述上限位结构2下端和滑套3上端均设置为相互配合实现换档的螺旋结构，所述上限位结构2和滑套3之间设置有非接触相位，以避免在换挡动作进行时受到扰动发生卡阻，提高系统的可靠性。相互配合的上限位结构2和滑套3通过形状或接触面性能的设计实现自锁，使其具备承受轴向载荷能力的同时，可以阻止滑套3在到达各预定档位后的旋转运动，保护导向销钉5免受各个方向的剪切力，达到保护导向销钉5的目的。所述上限位结构2和下限位结构4均通过细螺纹与中心管1实现装配，进而能够通过调整装配位置的方式放宽对机械加工的要求，可调整装配位置实现其代替导向销钉5承力，同时该分体设计也能够使得通过更换不同的限位结构改变控制阀的调节范围与档位分布，另外该设计也便于作为承力部件的显微结构采用不同的材料以延长寿命。所述下限位结构4和滑套3内壁的环形凹槽301相互配合，在滑套3进行换挡运动到达上、下死点时，替代导向销钉5承受冲击载荷，避免薄弱部件承力，延长系统寿命。

换档动作的动力通过额外的液压系统借助液压管路9实现，液压系统可以通过液压管路9中液体的压力提供的动力驱动滑套3向下移动，在引导槽102与导向销钉5的配合下完成滑套3的旋转换档动作，从而通过改变上限位结构2与滑套3上端螺旋结构的相位配合关系，引起内通孔101和连通孔302相对位置关系的变化，实现内通孔101和外通孔801的连通，最终实现阀门开度的调节。全过程仅需液压控制，无电子器件及线路参与，同时上限位结构2和下限位结构4避免导向销钉5在换档时承受多方向过大的剪切载荷，设备可靠性与适应性高。

所述上限位结构2下端的螺旋结构和滑套3上端的螺旋结构负责档位确定与承力，能够实现对档位的精确设计及控制，所述下限位结构4和滑套3内壁上下两个台肩负责换档运动到达上、下死点时替代导向销钉5承受载荷，防止控制阀其它薄弱位置(如导向销钉5、引导槽102)承力。限位结构是该阀体的关键设计。

实施例一

图2为上限位结构2与滑套3上端对应结构的一种实施例，其中，上限位结构2螺旋结构的下端面和滑套3螺旋结构的上端面均设置为台阶状，采用了台阶式的配合。图2b为图2a三维结构沿圆周展开的相位配合关系图，该控制阀为八档位，滑套3的换档动作大致分为以下三个步骤：

(1)通过液压管路9向内部注入液体，驱动滑套3向下移动，滑套3上端螺旋结构与上限位结构2完全脱开(即滑套3上端的台阶状螺旋结构围绕轴线进行旋转运动时，不受上限位结构2的干涉)；

(2)所述滑套3带动其上部的台阶状螺旋结构围绕中心轴进行特定角度的旋转运动(由于本实施例为八档位，故不妨按照平均分配的方法，每次旋转的角度为45°)；

(3)滑套3旋转到位后，重新带动滑套3上端部接近上限位结构2下端部，直至二者接触，此时由于限位结构的形状设计，与旋转之前相比二者的接触位置发生了变化，新的定位位置即为新的档位位置。

图2所述的结构设计中，滑套3的台阶状螺旋结构的底层档位所占的圆周相位范围为55°，顶层档位所占的圆周相位范围为35°，其余均为45°。对应的上限位结构2各档位所占的圆周相位范围则均为45°。这样，每个档位中，接触的档位在左右均有5°的“非接触相位”(如图2b中标注)。该“非接触相位”可以保证换档运动受到一定程度扰动的情况下，系统仍然能够可靠的进行换档，避免卡阻。不同档位的“非接触相位”可以根据具体需求，通过装配与机械设计的方式进行调整，不限于本实施例中的平均分配方式。

实施例二

图3为上限位结构2与滑套3上端对应结构的另一种实施例，其中，上限位结构2螺旋结构的下端面和滑套3螺旋结构的上端面均设置为平面状，采用了螺旋平面式的配合。图3b为图3a三维结构沿圆周展开的相位配合关系图，该控制阀为八档位。

为避免换挡动作中发生卡阻影响系统的可靠性，该螺旋平面式配合同样设置了45°的“非接触相位”。相比于台阶式配合，连续变化的螺旋平面式配合易于加工且便于对系统进行微调，但由于限位结构在承受轴向力的同时，需要抵抗滑套3相对中心管1的旋转运动，所以在采用类似于螺旋平面式配合的斜面配合方案时需要通过设计形成自锁，避免互相配合的上限位结构2和滑套3之间发生相对滑动。本实施例的自锁在高低档位差距较小时，螺旋升角θ较小，若设两配合斜面间的摩擦系数为μ，当几何尺寸设计使得tanθ<μ这个条件被满足时，可以直接实现自锁；在高低档位差距较大使得螺旋升角θ较大时，则可通过提高接触面摩擦系数μ的方式实现自锁，满足设计需要。

此外，以上实施例一和实施例二中，在进行换档动作时，滑套3除需要进行沿轴向的往复运动外，还需进行围绕轴线的旋转运动，才能改变上限位结构2和滑套3的接触相位实现档位切换。旋转运动仍需导向销钉5在引导槽102的约束下执行，导向销钉5在此过程中仍需承受相当程度的剪切力，但在此八档位液压控制阀实施例中，由于上限位结构2的存在使得引导槽102无须承担档位确定任务，所以引导槽102可以设置为周向旋转对称的“等长槽”结构，导向销钉5可沿周向最多布置八个，有效分担载荷，提高系统寿命及可靠性。

尽管上面结合附图对本发明的功能及工作过程进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体功能和工作过程，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (7)

1.一种液压控制阀，包括中心管，其特征在于，所述中心管侧壁设置有内通孔和引导槽，所述中心管由上至下依次套设有上端接头、上限位结构、滑套和下端接头，所述上端接头和下端接头均设置有轴向液压管路，所述滑套外套设有壳体，所述壳体上下两端分别连接上端接头和下端接头，所述壳体侧壁设置有外通孔，所述滑套内壁设置有环形凹槽，所述滑套侧壁设置有与环形凹槽连通的连通孔，所述滑套侧壁设置有沿引导槽滑动的导向销钉，所述中心管外套设有下限位结构，所述下限位结构位于滑套内壁的环形凹槽内。

2.根据权利要求1所述的一种液压控制阀，其特征在于，所述引导槽设置于内通孔的下端，所述引导槽设置为周向旋转对称的“等长槽”，沿圆周方向均匀分布且轴向长度相同。

3.根据权利要求2所述的一种液压控制阀，其特征在于，所述导向销钉至少设置为一个，且所述导向销钉的数量小于或等于“等长槽”的数量。

4.根据权利要求1所述的一种液压控制阀，其特征在于，所述上限位结构下端和滑套上端均设置为相互配合实现换档的螺旋结构，所述上限位结构和滑套之间设置有非接触相位。

5.根据权利要求4所述的一种液压控制阀，其特征在于，所述上限位结构螺旋结构的下端面和滑套螺旋结构的上端面均可设置为台阶状或平面状。

6.根据权利要求1所述的一种液压控制阀，其特征在于，所述下限位结构固定于内通孔的上端。

7.根据权利要求1所述的一种液压控制阀，其特征在于，所述滑套的中部外径大于其自身上下两部分的外径。