CN107923233A - 循环阀 - Google Patents

Abstract

一种控制流经设置在井眼中的循环阀的流体流的方法，包括：使流体以第一流速流过第一喷嘴和第二喷嘴，所述第一喷嘴和第二喷嘴被设置在滑动套筒的通孔中，该滑动套筒设置在所述循环阀的壳体内；使该流体以第二流速流过所述第一喷嘴和所述第二喷嘴，以将滑动套筒从第一位置致动到第二位置；以及，响应于将滑动套筒从第一位置致动到第二位置，使来自滑动套筒的所述通孔的流体流过所述壳体的壳体端口。

Description

循环阀

相关申请的交叉引用

本申请要求2015年6月19日提交的、发明名称为“环空增压阀”(“Annulus BoostValve”)的美国临时专利申请No.62/182,282的优先权，该美国临时专利申请的全部内容通过引用的方式并入本文。

关于联邦资助的研究或开发的声明

不适用。

背景技术

本公开总体上涉及用于在延伸到地层(subterranean formation)内的井眼中使用的工具。更具体地，本公开涉及用于增强井眼中的环空流动(annulus flow)的井下工具，该环空流动是油井系统的油田钻井操作的一部分。

钻井操作可以产生具有沿井眼的长度变化的横截面直径的井眼。特别地，井眼可以具有在地面附近较大且沿着井眼的长度朝向井眼的末端(toe)或底部逐渐减小的直径。例如，井眼直径可以在沿井眼的内表面排列的不同直径的套管或衬管件之间变化。一些油田钻井操作包括钻柱，该钻柱穿过井眼延伸并且终止于布置在井眼的底部处的钻头，钻头用于切入到井眼在其中延伸的地层内。

在一些这样的钻井操作中，钻井流体或泥浆可以从布置在地面处的泥浆泵通过钻柱的中心通道向下泵送到钻头，在钻头处，所泵送的泥浆可以冷却钻头并将所夹带的钻屑(drill cuttings)通过在井壁和钻柱之间形成的环形流动路径循环到地面。由于井眼的横截面直径沿井眼的轴向长度变化，该环形流动路径的横截面面积可能沿井眼的轴向长度变化，其中，该环形流动路径在地面附近的横截面面积大于朝向由钻头形成的井眼底部的横截面面积。随着钻井泥浆和所夹带的钻屑通过该环形流动路径向上流动，返回流体的流动速度(通常称为环空速度(AV))可响应于环形流动路径的横截面面积朝向地面增大而减小。此外，如果AV减小足够的程度，则AV可能会降到低于返回流体的滑脱速度(slipvelocity)，从而导致所夹带的钻屑从再循环泥浆中沉降，由此防碍再循环泥浆将钻屑携带到地面以从井眼中移除。

发明内容

循环阀的一个实施例包括：壳体，该壳体具有通孔和壳体端口；和滑动套筒，该滑动套筒设置在壳体的通孔中并具有第一径向端口，其中，该滑动套筒包括：第一喷嘴，该第一喷嘴被构造成在流过该第一喷嘴的流体中提供第一压降，并且被设置在滑动套筒的通孔中；和第二喷嘴，该第二喷嘴被构造成在流过该第二喷嘴的流体中提供第二压降，其中，第二喷嘴被设置在滑动套筒的通孔中并与第一喷嘴沿轴向间隔开，其中，当滑动套筒设置在第一位置时，限制滑动套筒的通孔与壳体端口之间的流体流动，而当滑动套筒设置在第二位置时，允许滑动套筒的通孔与壳体端口之间的流体流动，其中，响应于流经循环阀的流体流的流速的变化，所述滑动套筒被在第一位置和第二位置之间致动。在一些实施例中，第一喷嘴和第二喷嘴均被构造成允许工具穿过。在一些实施例中，当滑动套筒处于第二位置时，在滑动套筒的通孔与围绕循环阀的环形流动路径之间提供流体连通。在特定实施例中，所述循环阀还包括偏压构件，该偏压构件在壳体的通孔中设置在滑动套筒的环形肩部与壳体的环形肩部之间，以对滑动套筒施加偏压力。在特定实施例中，响应于流经循环阀的流体的第一流速，偏压构件将滑动套筒保持在第一位置，响应于流经循环阀的流体的第二流速，滑动套筒被从第一位置致动到第二位置；并且该第二流速大于第一流速。在一些实施例中，响应于由于流过第一喷嘴和第二喷嘴的流体流中的第一压降和第二压降而施加到滑动套筒的压力，滑动套筒被从第一位置致动至第二位置。在一些实施例中，所述壳体端口中设有喷嘴，该喷嘴被构造成在流过该喷嘴的流体中提供压降。在特定实施例中，所述滑动套筒还包括延伸到滑动套筒的外表面中的环形凹槽，其中，该环形凹槽与第一径向端口沿轴向对齐。

循环阀的一个实施例包括：壳体，该壳体具有通孔和壳体端口，该壳体端口中设有喷嘴，其中，该喷嘴被构造成在流过该喷嘴的流体中提供压降；和滑动套筒，该滑动套筒设置在壳体的通孔中，其中，该滑动套筒包括通孔和第一径向端口，其中，当滑动套筒设置在第一位置时，限制滑动套筒的通孔与壳体端口之间的流体流动，其中，当滑动套筒设置在第二位置时，允许滑动套筒的通孔与壳体端口之间的流体流动，其中，响应于流经循环阀的流体流，在设置于滑动套筒的通孔中的第一限流器处在流体流中产生第一压降，并且在设置于滑动套筒的通孔中的第二限流器处在流体流中产生第二压降。在一些实施例中，滑动套筒响应于流经循环阀的流体流的流速的变化而被在第一位置和第二位置之间致动，并且，设置在壳体端口中的所述喷嘴被构造成使进入循环阀的流体流的预选部分通过滑动套筒的第一径向端口转向。在一些实施例中，第一压降大于第二压降。在特定实施例中，所述滑动套筒还包括：第一喷嘴，该第一喷嘴设置在滑动套筒的通孔中，其中，第一喷嘴被构造成响应于流体流而提供第一压降；和第二喷嘴，该第二喷嘴设置在滑动套筒的通孔中并与第一喷嘴沿轴向间隔开，其中，第二喷嘴被构造成响应于流体流而提供第二压降。在一些实施例中，第一喷嘴和第二喷嘴均被构造成允许工具穿过。在一些实施例中，当滑动套筒处于第二位置时，在滑动套筒的通孔与围绕循环阀的环形流动路径之间提供流体连通。在特定实施例中，所述循环阀还包括偏压构件，该偏压构件在壳体的通孔中设置在滑动套筒的环形肩部与壳体的环形肩部之间，其中，该偏压构件被构造成对滑动套筒施加偏压力。在特定实施例中，所述滑动套筒还包括：第二径向端口，该第二径向端口被构造成在滑动套筒的通孔与滑动套筒的第一环形肩部之间提供流体连通；和多个沿周向间隔开的狭槽，所述多个沿周向间隔开的狭槽径向地延伸到滑动套筒的外表面中，其中，所述狭槽被构造成在滑动套筒的第二环形肩部与壳体的通孔之间提供流体连通。

控制流经设置在井眼中的循环阀的流体流的方法的一个实施例包括：使流体以第一流速流过第一喷嘴和第二喷嘴，该第一喷嘴和第二喷嘴设置在滑动套筒的通孔中，该滑动套筒设置在循环阀的壳体中；使流体以第二流速流过第一喷嘴和第二喷嘴，以将滑动套筒从第一位置致动到第二位置；以及，响应于将滑动套筒从第一位置致动到第二位置，使来自滑动套筒的通孔的流体流过所述壳体的壳体端口。在一些实施例中，该方法还包括：随着流体穿过第一喷嘴，在流体流中产生第一压降；以及，随着流体穿过第二喷嘴，在流体流中产生第二压降。在特定实施例中，所述循环阀还包括：响应于在流体流中产生第一压降和第二压降，在滑动套筒上产生压力，以将滑动套筒从第一位置致动到第二位置。在特定实施例中，第一压降大于第二压降。

附图说明

现在，将参考附图以对本文公开的各种例证性实施例进行详细描述，其中：

图1是根据本文公开的原理的钻井系统的实施例的示意图；

图2示出根据本文公开的原理的、处于第一位置的图1的钻井系统的循环阀的实施例的侧视截面图；

图3是根据本文公开的原理的、图2中所示的循环阀的阀套的实施例的侧视截面图；并且

图4是图5中所示的阀套的、沿图3的线4-4的剖视图；

图5是根据本文公开的原理的、图2中所示的循环阀的滑动套筒的实施例的透视图；

图6是图5中所示的滑动套筒的侧视截面图；

图7是根据本文公开的原理的、图5中所示的滑动套筒的第一喷嘴的实施例的放大侧视截面图；

图8是根据本文公开的原理的、图5中所示的滑动套筒的第二喷嘴的实施例的放大侧视截面图；

图9示出根据本文公开的原理的、处于第二位置的图2的循环阀的侧视截面图；并且

图10是根据本文公开的原理的、图1的钻井系统的循环阀的另一实施例的侧视截面图。

具体实施方式

下文的讨论针对本公开的各种实施例。本领域技术人员将会理解，下文的描述具有广泛应用，并且，对任何实施例的讨论都仅意味着该实施例为例证性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求书)局限于该实施例。

附图不必按比例绘制。本公开的特定特征可能以夸张比例或稍微示意性的形式示出，并且常规元件的一些细节可能未被示出，所有这些都是为了清楚和简洁。在下文的讨论和权利要求书中，术语“包括……”和“包含……”以开放式的方式使用，因而应被解释为意指“包括但不限于……”。同样，术语“联接”旨在表示间接连接或直接连接。因而，如果第一装置联接到第二装置，则该连接可以是通过直接连接，或者是通过经由其它装置和连接进行的间接连接。

现在参照图1，井眼钻井系统1包括钻机2、钻柱3，钻柱3具有联接到其下端的底部钻具组件(BHA)4。钻柱3延伸穿过钻入地层6中的井筒5。在图1所示的实施例中，井筒5包括从地面向下延伸的表层套管7。BHA 4通常包括钻柱3的用于钻出井筒5的部件。特别地，BHA4包括接合地层6的钻头8以及用于驱动和定向钻头8的其它部件，例如泥浆马达、钻铤、稳定器等。钻井流体或泥浆被沿着钻柱3泵送并穿过BHA 20的井下马达，最终通过位于钻头面中的喷嘴流出钻头8。钻井流体对钻头8进行冷却，并将钻屑从钻头8的表面上冲走。钻井流体和钻屑被迫使从井筒5的底部5b穿过在钻柱3和井筒侧壁5s之间形成的环空(annulus)9到达地面6s。

在图1所示的实施例中，井筒5的设置在表层套管7中的部分的环空9具有比井筒5的设置在表层套管7的下端或底部7b与井筒5的底部5b之间的部分的环空9更大的横截面面积。此外，在该实施例中，钻柱3包括被设置在井筒5的由表层套管7围绕的部分中的环空增压阀或循环阀10。虽然钻柱3被示为具有设置在表层套管7内的循环阀10，但在其它实施例中，钻柱3可包括设置在BHA 4附近的循环阀10，或者沿着钻柱3以不同的间隔设置的多个循环阀10。循环阀10被构造成将来自钻柱3的内部孔的流体选择性地转向至环空9。在一些实施例中，钻柱3的循环阀10被构造成提高流经井筒5的环空9的流体的速度。特别地，在特定实施例中，循环阀10被构造成：随着井筒5的横截面面积从井筒5的底部5b朝着地面6s延伸而减小，防止流经环空9的流体流降低至低于滑脱速度。

参考图2，示出了钻井系统1的循环阀10的实施例。特别地，图2示出处于第一位置或关闭位置的循环阀10。在图2所示的实施例中，循环阀10具有中心轴线或纵向轴线15，并且大体上包括外壳体12、阀套40和滑动套筒80，其中，阀套40和滑动套筒80设置在壳体12的通孔18内。在该实施例中，循环阀10通常被构造成在壳体12的通孔18与环空9之间提供可选的流体连通。循环阀10还被构造成选择性地增加或调节沿着环状流动路径11流经环空9的流体的环空速度(AV)。

循环阀10的壳体12是大体管状的，并且包括第一端或上部母端14和第二端或下部公端16。壳体12的通孔18在上端14和下端16之间延伸，并且由大致圆筒形的内表面20限定。壳体12的上端14和下端16都配备有螺纹联接器，以与相邻的管状构件(未示出)形成螺纹连接。壳体12还包括大致圆筒形的外表面22，其中，环空9在井筒侧壁5s与壳体12的外表面22之间径向地延伸。此外，壳体12包括第一区段或上部管状区段12a和第二区段或下部管状区段12b，该下部区段12b经由设置在两者间的螺纹连接或螺纹接头连接到上部区段12a。环空9和通孔18之间的流体连通受到径向地设置在下部管状区段12b和上部管状区段12a之间的环形密封件24限制。虽然在图2所示的实施例中该壳体12包括上部区段12a和下部区段12b，但在其它实施例中，壳体12可以包括单个整体管状构件。

在该实施例中，壳体12的内表面20包括面向下端16的上环形肩部26、以及面向上端14并与上肩部26沿轴向间隔开的第一下环形肩部28。壳体12的内表面20也包括面向上端14并且轴向地设置在第一下肩部28和下端16之间的第二下环形肩部29。第一下肩部28和第二下肩部29限定壳体12的内表面20的具有直径减小部分31的轴向端部，该轴向端部接收滑动套筒80的下端。另外，壳体12还包括多个沿周向间隔开的径向端口或壳体端口32，这些径向端口或壳体端口设置在上肩部26和下肩部28之间并且在内表面20和外表面22之间倾斜地延伸。特别地，壳体12的端口32是倾斜的仰孔(angled uphole)，使得在每个端口32与环形流动路径11之间形成锐角。然而，尽管在图2所示的实施例中所述端口32是倾斜的仰孔，但在其它实施例中，端口32可以关于环空9在其它方向上倾斜。

在图2所示的实施例中，每个端口32都包括喷嘴34，喷嘴34被构造成在流过喷嘴34的流体上产生限流或压差。喷嘴34被可释放地联接到壳体12，因而可以从壳体12和循环阀10上被移除和更换。如本文中将进一步讨论的，可根据操作条件和优选的流量分配来调节由端口32中的喷嘴34提供的限流。例如，当该循环阀被致动到第二位置或打开位置时，可以调节喷嘴34以提供流经循环阀10的流体流的优选分配。特别地，可以调节喷嘴34，以确定在上端14处进入通孔18的流体流中的经由端口32流入环空9的部分、以及在上端14处进入通孔18的流体流中的在下端16处流出通孔18且继续流经与循环阀10联接的钻柱3(未示出)的部分。

参考图2-4，循环阀10的阀套40是大体管状的，并且包括第一端或上端42、第二端或下端44以及在端部42、44之间延伸的通孔46。在这种布置中，阀套40的通孔46由大体上圆筒形的内表面48限定。阀套40在壳体12的通孔18中设置在上肩部26和下肩部28之间，其中，阀套40的上端42接合上肩部26或被设置成与上肩部26直接相邻。阀套40还包括大体上圆筒形的外表面50，该外表面50上设置有内螺纹连接器，该内螺纹连接器被构造成与设置在壳体12的内表面20上的对应的螺纹联接器螺旋联接，从而在两者间形成螺纹连接30(如图2中所示)，以将阀套40沿轴向且旋转地锁定到循环阀10的壳体12。

在图2-4所示的实施例中，阀套40的外表面50包括在其中延伸并接近上端42设置的环形凹槽54。环形凹槽54与在阀套40的内表面48和外表面50之间倾斜地延伸的多个沿周向间隔开的径向端口56流体连通。特别地，阀套40的端口56是相对于环空9倾斜的仰孔。然而，虽然在图2所示的实施例中所述端口56是倾斜的仰孔，但在其它实施例中，端口56可以关于环空9沿其它方向倾斜。在该实施例中，阀套40的环形凹槽54与壳体12的端口32流体连通，由此在阀套40的端口56与壳体12的端口32之间提供流体连通路径，而与阀套40相对于壳体12的相对角度取向无关。另外，阀套40包括被设置在延伸到阀套40的外表面50中的相应环形凹槽中的一对沿轴向间隔开的环形密封件或密封组件58。特别地，一对环形密封件58被设置成接近环形凹槽54的每个轴向端部。阀套40的环形密封件58将环形凹槽54与通孔18的其余部分流体隔离，从而限制阀套40的环形凹槽54与壳体12的通孔18之间的流体流动。

在图2-4所示的实施例中，阀套40的内表面48包括在上端42处的倒角表面60，用于将流体流引导到通孔46内。另外，阀套40的内表面48包括设置成接近上端42并面向阀套40的下端44的环形上肩部62。阀套40的上肩部62被构造成限制或界定阀套40和滑动套筒80之间的相对轴向运动。特别地，阀套40的上肩部62被构造成界定滑动套筒80关于阀套40和壳体12的最大向上(即，在阀套40的上端42的方向上)位置。如图2中特别示出的，当循环阀10处于关闭位置时，阀套40的上肩部62设置成与滑动套筒80的一端直接相邻或物理接合。此外，阀套40的内表面48包括从下端44轴向地延伸的多个沿周向间隔开的键64。如本文中将进一步讨论的，键64被构造成物理接合滑动套筒80的相应的一组键，以限制阀套40和滑动套筒80之间的相对旋转。尽管在图2-4的实施例中该循环阀10被示出为包括阀套40，但在其它实施例中，循环阀10可以不包括阀套40。例如，在一些实施例中，阀套40可以作为单个整体构件并入壳体12中。

参考图2和图5-8，循环阀10的滑动套筒80是大致管状的，并且包括第一端或上端82、第二端或下端84、以及在上端82和下端84之间延伸的通孔86。在这种布置中，滑动套筒80的通孔86由大致圆筒形的内表面88限定。滑动套筒80设置在阀套40的通孔46和壳体12的通孔18两者中，其中，下端84被接收在壳体12的内表面20的直径减小部分31内。特别地，当循环阀10处于图2所示的关闭位置时，滑动套筒80处于第一位置或上部位置，其中，上端82与阀套40的上肩部62接合或被设置成与上肩部62直接相邻，并且下端84被设置成远离壳体12的第二下肩部29或与第二下肩部29沿轴向间隔开。在图9所示的第二位置或打开位置中，滑动套筒80被设置在第二位置或下部位置，其中，上端84被设置成远离阀套40的上肩部62，并且下端84与第二下肩部29接合或被设置成与第二下肩部29直接相邻。

滑动套筒80的内表面88包括设置在上端82处的第一底座或上底座90。内表面88的上底座90包括在其中延伸的环形密封件92，并在其中接收第一或上喷嘴或限流器94，其中，上喷嘴94经由设置在上底座90中的环形固位器被轴向地锁定到滑动套筒80。在这种布置中，上喷嘴94被可释放地联接到上底座90，使得上喷嘴94可以被从滑动套筒80上移除并更换。上底座90的环形密封件92用于限制从上端82流入滑动套筒80的通孔88中的、围绕喷嘴94的流体流。上喷嘴94被构造成在流过上喷嘴94的流体上产生限流或压差，并且包括大致半球形的上表面94a、下环形表面94b和贯穿延伸的孔眼94c(均在图7中示出)，其中，孔眼94c被设置成与纵向轴线15同心。

滑动套筒80的内表面88还包括被设置成接近套筒80的下端84且与上底座94沿轴向间隔开的第二底座或下底座96。内表面88的下底座96包括在其中延伸的环形密封件98，并在其中收容第二或下喷嘴或限流器100，其中，下喷嘴100经由下底座96的环形固位器被轴向地锁定到滑动套筒80。在这种布置中，下喷嘴100被可释放地联接到下底座96，从而允许下喷嘴100被从滑动套筒80上移除并更换。下底座96的环形密封件98用于限制经由滑动套筒80的下端84流出通孔88的、围绕喷嘴100的流体流。下喷嘴100被构造成在流过下喷嘴100的流体上产生限流或压差，并且包括大致半球形的上表面100a、下环形表面100b，以及贯穿延伸的孔眼100c(均在图8中示出)，其中，孔眼100c被设置成与纵向轴线15同心。

在图2和图5-8所示的实施例中，上喷嘴94和下喷嘴100(特别是上喷嘴94的孔眼94c和下喷嘴100的孔眼100c)可以根据工作条件而被调节。特别地，上喷嘴94和下喷嘴100可以根据沿图2所示的钻柱流动路径13的流体流的流速而被调节。特别地，钻柱流动路径13包含通过钻柱3泵送到循环阀10的流体，其中，流动路径13的流体在上端14处进入壳体12的通孔18并在下端16处流出通孔18。

在一些实施例中，喷嘴94和100被构造成在操作流速下分别在其各自的孔眼94c和100c两端产生足够的压差，以将循环阀10从图2所示的关闭位置转换到图9所示的第二位置或打开位置，如本文中进一步解释的。此外，喷嘴94和100被构造成在操作流速下提供足够的压差以将循环阀10转换到打开位置，同时为工具和/或设备(例如，连续油管等)穿过循环阀10提供足够的间隙，包括穿过喷嘴94和100的孔眼94c、100c。取决于操作参数，喷嘴94和100可以被从滑动套筒80移除，并且被其它喷嘴或闭塞装置替换。例如，喷嘴94和100可以被其孔眼的直径与喷嘴94、100的孔眼94c、100c的直径不同的其它喷嘴替换。在一些实施例中，具有相对较大直径的孔眼的喷嘴可用于其中通过循环阀10的通孔18输送相对较大工具的应用。在其它实施例中，具有相对较小直径的孔眼的喷嘴可用于包括需要滑动套筒80的喷嘴两端的更大压差或压降的受限流速的应用。

在图2和图5-8所示的实施例中，循环阀10的滑动套筒80还包括多个沿周向间隔开的第一或上部径向上端口102，所述第一或上部径向上端口102设置成接近上端82，但轴向处于上底座90下方，其中，上端口102在滑动套筒80的内表面88和大致圆筒形的外表面89之间倾斜地延伸。特别地，滑动套筒80的上端口102是倾斜的仰孔，使得在每个端口102和环形流动路径11之间都形成锐角。然而，虽然在该实施例中所述上端口102是倾斜的仰孔，但在其它实施例中，上端口102可以关于环空9以其它方向倾斜。上端口102被构造成：当循环阀10处于图9所示的打开位置时，上端口102提供滑动套筒80的通孔86与阀套40的端口56之间的流体连通。

另外，滑动套筒80的外表面89包括设置在其中的多个沿轴向间隔开的环形密封件：上环形密封件104，其沿轴向设置在滑动套筒80的上端82与上端口102之间；以及第一中间环形密封件106，其设置成邻近上端口102。在这种布置中，当循环阀10设置在图2所示的关闭位置时，上密封件104和第一中间密封件106在轴向上位于上端口102两侧，从而限制滑动套筒80的上端口102与阀套40的端口56之间的流体连通。滑动套筒80的外表面89还包括第二中间环形密封件108和下环形密封件110。第二中间环形密封件108和下环形密封件110沿着滑动套筒80的外表面89在轴向上间隔开。特别地，多个沿周向间隔开且沿径向延伸的第二端口或下端口112被轴向地设置在密封件108和110之间。在这种布置中，通过密封件108和110限制滑动套筒80的上端口102或阀套40的端口56与套筒80的下端口112之间的流体连通。另外，滑动套筒80的外表面89包括从其径向向外延伸的第一环形肩部或上环形肩部114，其中，上肩部114在轴向上设置在密封件108和110之间。

在图2和5-8所示的实施例中，滑动套筒80的外表面89另外包括多个沿周向间隔开的键116、中间环形肩部118以及与中间肩部118沿轴向间隔开的下环形肩部120。在这种布置中，肩部116和120均轴向地设置在下环形密封件110与滑动套筒80的下端84之间。此外，肩部118面向滑动套筒80的上端82，而下环形肩部120面向下端84。滑动套筒80的键116被构造成与阀套40的键64匹配地接合，由此限制滑动套筒80和阀套40之间的相对旋转。偏压构件122设置成围绕滑动套筒80，并且在壳体12的下肩部与滑动套筒80的下肩部120之间轴向地延伸。在这种布置中，偏压构件122作用于滑动套筒80的环形肩部120上，以向上偏压滑动套筒80，使得滑动套筒80的上端82接合阀套40的环形上肩部62。换句话说，偏压构件122用于将循环阀10偏压到图2所示的关闭位置。另外，滑动套筒80的外表面89包括在其中径向延伸的多个沿周向间隔开的狭槽124。在该实施例中，狭槽124从滑动套筒80的下端84轴向地延伸，并且被构造成促进壳体12的通孔18的由直径减小部分31限定的部分与滑动套筒80的下环形肩部120之间的流体连通，如本文中将进一步讨论的。

参考图2和图9，循环阀10被构造成响应于钻柱流动路径13的流体流速的变化而在图2所示的关闭位置和图9所示的打开位置之间被致动。因而，在该实施例中，循环阀10被构造成在闭合位置和打开位置之间被致动，而不需要输入到壳体12的通孔18中的外部闭塞构件或“j槽”或转位机构。特别地，在其中沿着钻柱流体流动路径13的流体流的量为零或不明显的静态条件下，循环阀10内的流体压力是大致均匀的。在这种环境下，由偏压构件122施加在滑动套筒80上的偏压力迫使循环阀10进入图2所示的关闭位置，在该关闭位置，限制滑动套筒80的通孔86与环空9之间的流体流动。然而，沿着钻柱流动路径13的增大的流体流在壳体12的下端16的方向上对滑动套筒80施加的压力足以将循环阀10转换到图9所示的打开位置，在该打开位置，滑动套筒80的下端84接合壳体12的第二下肩部29，并且允许滑动套筒80的通孔86与环空9之间的流体流动。

如上所述，滑动套筒80的上喷嘴94和下喷嘴100均被构造成在流过上喷嘴94和下喷嘴100的流体流上提供压差或压降。具体地，在其中沿着钻柱流动路径13存在明显的流体流速或第一操作流体流速的动态条件下，沿流动路径13流动的流体被设置为在不同的流体压力下。在这种环境下，在流体以第一操作流速沿钻柱流动路径13流动的情况下，在流过上喷嘴94的孔眼94c(图7中所示)之前沿钻柱流动路径13流动的流体大致处于第一流体压力P1。另外，已经流过上喷嘴94的孔眼94c但尚未流过下喷嘴100a的孔眼100c(如图8所示)的流体大致处于第二流体压力P2下，其中，第二流体压力P2小于第一流体压力P1。换句话说，在流体流过上喷嘴94的孔眼94c时，以第一操作流体流速沿着钻柱流动路径13流动的流体经历由P1和P2之间的流体压力之差限定的第一压降。此外，已经流过上喷嘴94的孔眼94c和下喷嘴100的孔眼100c两者的流体大致处于第三流体压力P3下，其中，第三压力P3小于第二压力P2或第一压力P1。换句话说，在流体流过下喷嘴100的孔眼100c时，以第一操作流体流速沿着钻柱流动路径13流动的流体经历由P2和P3之间的流体压力之差限定的第二压降。

由在第一操作流速下沿着钻柱流动路径13流动的流体的压力P1和P3之差限定的压差或压降在向下方向(即，壳体12的第二端16的方向)上对滑动套筒80施加压力。特别地，沿钻柱流动路径13流动的流体的处于第一压力P1下的部分在向下方向上作用于滑动套筒80的上端82，其中，滑动套筒80的上端82包括上环形压力表面。处于第一压力P1下的流体还在上喷嘴94的半球形表面94a处在向下方向上作用于滑动套筒80。另外，沿流动路径13流动的流体的处于第三压力P3下的部分在滑动套筒80的下端84和下肩部120处经由套筒80的外表面89中的狭槽124沿向上方向(即，沿壳体12的上端14的方向)在滑动套筒80上施加压力。在一些实施例中，处于第三压力P3下的流体在中间肩部118和键116的上端处在向下方向上对滑动套筒80施加压力。然而，在该实施例中，下肩部120包括比中间肩部118和键116的上端的组合更大的表面积，从而将以第三压力P3施加在肩部118、120和键116上的压力分解成在下肩部120处沿向上方向施加在滑动套筒80上的单一静压力。

另外，处于第三压力P3下的流体在下喷嘴100(图8中示出)的下表面100b处在滑动套筒80上施加向上的压力。此外，沿流动路径13流动的流体的处于第二压力P2下的部分在上环形肩部114处经由下端口112沿向下方向在滑动套筒80上施加压力。另外，处于第二压力P2下的流体在上喷嘴94(图7中示出)的下表面94b处在滑动套筒80上施加向上的压力。假定第一压力P1大于第二压力P2和第三压力P3且第二压力P2大于第三压力P3，则由沿着钻柱流动路径13流动的流体施加到滑动套筒80的净压力是沿着向下方向的。换句话说，由上喷嘴94产生的第一压降P1-P2和由下喷嘴100产生的第二压降P2-P3均在滑动套筒80上施加向下的净压力。在一些实施例中，第一压降P1-P2大于第二压降P2-P3。然而，当流体以第一操作流速沿着钻柱流动路径13流动时，施加在滑动套筒80上的压力小于由偏压构件122对套筒80施加的偏压力，因而，当沿着流动路径13的流体流处于第一操作流速时，循环阀10保持处于图2所示的关闭位置。

在图2和9的实施例中，通过将沿着钻柱流动路径13流动的流体的流速从第一操作流速增加到大于第一操作流速的第二操作流速，可以将循环阀10致动到打开位置。随着沿钻柱流动路径13的流体的流速增大，压差P1-P2(即，第一压降)和P2-P3(即，第二压降)相应地增大，由此使施加到滑动套筒80的向下压力增大。一旦流速增大到触发流速或致动流速，施加到滑动套筒80的向下净压力就变得大于由偏压构件122在向上方向上施加到套筒80的偏压力，从而导致滑动套筒80开始从图2所示的上部位置朝向图9所示的下部位置行进。随着滑动套筒80朝向图9所示的下部位置移位，滑动套筒80的上端口102与阀套40的端口56及壳体12的径向端口32对齐，从而形成在滑动套筒80的通孔86与环空9之间延伸的、径向地延伸的流体流动路径17(图9中示出)。

以这种方式，沿着钻柱流动路径13流动的流体的第一部分或环空部分经由径向流动路径17被转向到环空9和环形流动路径11，而钻柱流动路径13的第二部分或钻柱部分13a继续流经壳体12的通孔18，并经由壳体12的下端16流出循环阀10。将来自钻柱流动路径13的流体经由径向延伸的流动路径17添加到环形流动路径11中导致沿着环形流动路径11的流体流速的增加或升高。沿着环形流动路径11的流体流速的增加可以防止沿着环形流动路径11流动的流体降低到低于流体的滑脱速度，进而可以防止被夹带在环形流动路径11中的钻屑沉降。在该实施例中，当滑动套筒80设置在上部位置且循环阀10设置在关闭位置时，限制流体在壳体12的通孔18与环空9之间流动，因而，经由上端14进入通孔18的包括钻柱流动路径13的流体中的几乎全部流体都经由下端16流出壳体12。

当形成径向流动路径17且钻柱流动路径13的环空部分被转向到环空9时，第二压力P2和第三压力P3减小，由此降低第二压降P2-P3。由沿着径向流动路径17的流动引起的第二压降P2-P3的减小相应地降低了施加到滑动套筒80的向下净压力。因而，沿钻柱流动路径13的流体流必须额外地增加到大于所述致动流速的第二操作流速。随着流速增加到第二操作流速，滑动套筒80被完全致动到下部位置，在该位置，第二端84接合壳体12的下肩部29或被设置成与下肩部29直接相邻，从而将循环阀10置于打开位置。另外，在第二操作流速下施加到滑动套筒80的向下净压力足以将滑动套筒80保持在下部位置，因而将循环阀10保持在打开位置。通过将沿着钻柱流动路径13流动的流体的流速从第二操作流速减小到第一操作流速，可以将循环阀10从打开位置致动到闭合位置，这将施加到滑动套筒80的向下净压力减小到足以允许偏压构件122使滑动套筒向上移位到上部位置的程度。此外，由上环形肩部114施加到滑动套筒80的附加压力(以第二压力P2向下)和由下环形肩部120施加到滑动套筒80的附加压力(以第三压力P3向上)有助于加速滑动套筒80在上部位置和下部位置之间的致动。

如上文所简述的，当循环阀10处于图9所示的打开位置时，从钻柱流动路径13进入循环阀10的流体流的第一部分经由径向延伸的流动路径17被转向到环形流动路径11，而流体的其余部分或第二部分13a继续沿着钻柱流动路径13流动并在壳体12的下端16处流出循环阀10。通过改变设置在壳体12的端口32中的喷嘴34的性能特性，可以调节从钻柱流动路径13进入循环阀10的流体的被转向到环形流动路径11的部分。特别地，如果希望将进入循环阀10的流体流中的更大部分引导到环形流动路径11(即，增加沿径向流动路径17流动的第一部分并减小第二部分13a)，可以将喷嘴34选择成使得它们各自的孔眼两端具有相对较低的压降(例如，具有相对较大的流动面积的孔眼)，从而喷嘴34通过壳体12的端口32产生相对较小的限流。类似地，如果希望将进入循环阀10的流体中的更少部分引导至环形流动路径11(即，减小沿径向流动路径17流动的第一部分并增加第二部分13a)，可以将喷嘴34选择成使得它们各自的孔眼两端具有相对较大的压降(例如，具有相对较小的流动面积的孔眼)，从而喷嘴34通过壳体12的端口32产生相对较大的限流。换句话说，喷嘴34被构造成使从钻柱流动路径13进入循环阀10的流体的预选部分分配到或流动到环空9中。

此外，可以通过调节由喷嘴94和100提供的限流的程度来调节循环阀10在关闭位置和打开位置之间的致动。特别地，具有相对高的限流的喷嘴94和100(例如，包括相对较小的孔眼94c和100c的喷嘴94和100)将使循环阀10以沿着钻柱流动路径13的流体的相对低的流速(即，相对低的第二操作流速)从关闭位置致动到打开位置。相反，具有相对低的限流的喷嘴94、100(例如，包括相对大的孔眼94c和100c的喷嘴94和100)将使循环阀10以沿着钻柱流动路径13的流体的相对高的流速(即，相对高的第二操作流速)从关闭位置致动到打开位置。

参考图10，示出了钻井系统1的环空增压阀或循环阀200的另一实施例。循环阀200具有与上面讨论的循环阀10共同的特征，并且这些共享特征被类似地标记。在图10所示的实施例中，循环阀200包括外壳体210和设置在壳体210的中心孔212内的滑动套筒250。外壳体210包括在壳体210的上端和下端之间延伸的中心孔212，该中心孔212由大致圆筒形的内表面214限定。滑动套筒250包括在套筒250的上端和下端之间延伸的中心孔252，该中心孔252由大致圆筒形的内表面258限定。在这种布置中，在壳体210的孔212与套筒250的孔252之间提供流体连通，从而建立钻柱流动路径13。

在图10所示的实施例中，循环阀200不包括在径向上设置在壳体210和滑动套筒250之间的阀套。而是，壳体210的内表面214包括径向向内延伸的凸缘216。当循环阀200设置在关闭位置(如图10所示)时，内表面214的凸缘216限定被设置成与滑动套筒250的上端直接相邻的上环形肩部62。另外，在该实施例中，允许滑动套筒250相对于壳体210旋转。因而，滑动套筒250的大致圆筒形的外表面256包括在其中径向延伸的环形凹槽258，其中，环形凹槽258与上端口102沿轴向对齐。在这种布置中，当循环阀200处于打开位置时，可以经由环形凹槽258在壳体210的径向端口32与滑动套筒250的上端口102之间建立流体连通，而与滑动套筒250相对于壳体210的角度定向无关。换句话说，当循环阀200被设置在打开位置并且滑动套筒250的上端口102和壳体210的径向端口32沿周向不对齐时，流体从上端口102沿着流动路径流动，沿着环形凹槽258在周向上流动并且流入壳体210的径向端口32中。

虽然已经示出和描述了例证性实施例，但在不脱离本文的范围或教导的情况下，本领域技术人员可以对其做出修改。本文描述的实施例仅是例证性的，而不是限制性的。一旦完全理解上述公开，则对于本领域技术人员而言，所述系统和设备的许多修改和变型都是可能的并且将变得显而易见。例如，可以改变各种部件的相对尺寸、各种部件的制造材料以及其它参数。此外，虽然板载体中的开口被示出为圆，但它们也可以包括其它形状，例如椭圆形或正方形。因而，所附权利要求书旨在被解释为包含所有这些修改和变型。

Claims (20)

1.一种循环阀，包括：

壳体，所述壳体具有通孔和壳体端口；和

滑动套筒，所述滑动套筒设置在所述壳体的所述通孔中，并具有第一径向端口，其中，所述滑动套筒包括：

第一喷嘴，所述第一喷嘴被构造成在流过所述第一喷嘴的流体中提供第一压降，并且被设置在所述滑动套筒的通孔中；和

第二喷嘴，所述第二喷嘴被构造成在流过所述第二喷嘴的流体中提供第二压降，其中，所述第二喷嘴设置在所述滑动套筒的所述通孔中并与所述第一喷嘴沿轴向间隔开；

其中，当所述滑动套筒设置在第一位置时，限制所述滑动套筒的所述通孔与所述壳体端口之间的流体流动，而当所述滑动套筒设置在第二位置时，允许所述滑动套筒的所述通孔与所述壳体端口之间的流体流动，

其中，响应于流经所述循环阀的流体流的流速的变化，所述滑动套筒被在所述第一位置和所述第二位置之间致动。

2.根据权利要求1所述的循环阀，其中，所述第一喷嘴和所述第二喷嘴均被构造成允许工具穿过。

3.根据权利要求1所述的循环阀，其中，当所述滑动套筒处于所述第二位置时，在所述滑动套筒的所述通孔与围绕所述循环阀的环形流动路径之间提供流体连通。

4.根据权利要求1所述的循环阀，还包括偏压构件，所述偏压构件在所述壳体的所述通孔中设置在所述滑动套筒的环形肩部与所述壳体的环形肩部之间，以对所述滑动套筒施加偏压力。

5.根据权利要求4所述的循环阀，其中：

响应于流经所述循环阀的流体的第一流速，所述偏压构件将所述滑动套筒保持在所述第一位置；

响应于流经所述循环阀的流体的第二流速，所述滑动套筒被从所述第一位置致动到所述第二位置；并且

所述第二流速大于所述第一流速。

6.根据权利要求1所述的循环阀，其中，响应于由于流过所述第一喷嘴和所述第二喷嘴的流体流中的所述第一压降和所述第二压降而施加到所述滑动套筒的压力，所述滑动套筒被从所述第一位置致动到所述第二位置。

7.根据权利要求1所述的循环阀，其中，所述壳体端口中设有喷嘴，该喷嘴被构造成在流过该喷嘴的流体中提供压降。

8.根据权利要求1所述的循环阀，其中，所述滑动套筒还包括延伸到所述滑动套筒的外表面中的环形凹槽，其中，所述环形凹槽与所述第一径向端口沿轴向对齐。

9.一种循环阀，包括：

壳体，所述壳体具有通孔和壳体端口，所述壳体端口中设有喷嘴，其中，所述喷嘴被构造成在流过所述喷嘴的流体中提供压降；和

滑动套筒，所述滑动套筒设置在所述壳体的所述通孔中，其中，所述滑动套筒包括通孔和第一径向端口；

其中，当所述滑动套筒设置在第一位置时，限制所述滑动套筒的所述通孔与所述壳体端口之间的流体流动；

其中，当所述滑动套筒设置在第二位置时，允许所述滑动套筒的所述通孔与所述壳体端口之间的流体流动；

其中，响应于流经所述循环阀的流体流，在设置于所述滑动套筒的所述通孔中的第一限流器处在所述流体流中产生第一压降，并且在设置于所述滑动套筒的所述通孔中的第二限流器处在所述流体流中产生第二压降。

10.根据权利要求9所述的循环阀，其中：

响应于流经所述循环阀的流体流的流速的变化，所述滑动套筒被在所述第一位置和第二位置之间致动；并且

设置在所述壳体端口中的所述喷嘴被构造成使进入所述循环阀的所述流体流的预选部分通过所述滑动套筒的所述第一径向端口转向。

11.根据权利要求9所述的循环阀，其中，所述第一压降大于所述第二压降。

12.根据权利要求9所述的循环阀，其中，所述滑动套筒还包括：

第一喷嘴，所述第一喷嘴设置在所述滑动套筒的所述通孔中，其中，所述第一喷嘴被构造成响应于所述流体流而提供所述第一压降；和

第二喷嘴，所述第二喷嘴设置在所述滑动套筒的所述通孔中并与所述第一喷嘴沿轴向间隔开，其中，所述第二喷嘴被构造成响应于所述流体流而提供所述第二压降。

13.根据权利要求12所述的循环阀，其中，所述第一喷嘴和所述第二喷嘴均被构造成允许工具穿过。

14.根据权利要求9所述的循环阀，其中，当所述滑动套筒处于所述第二位置时，在所述滑动套筒的所述通孔与围绕所述循环阀的环形流动路径之间提供流体连通。

15.根据权利要求9所述的循环阀，还包括偏压构件，所述偏压构件在所述壳体的所述通孔中设置在所述滑动套筒的环形肩部与所述壳体的环形肩部之间，其中，所述偏压构件被构造成对所述滑动套筒施加偏压力。

16.根据权利要求9所述的循环阀，其中，所述滑动套筒还包括：

第二径向端口，所述第二径向端口被构造成在所述滑动套筒的所述通孔与所述滑动套筒的第一环形肩部之间提供流体连通；和

多个沿周向间隔开的狭槽，所述多个沿周向间隔开的狭槽径向地延伸到所述滑动套筒的外表面中，其中，所述狭槽被构造成在所述滑动套筒的第二环形肩部与所述壳体的所述通孔之间提供流体连通。

17.一种控制流经设置在井眼中的循环阀的流体流的方法，包括：

使流体以第一流速流过第一喷嘴和第二喷嘴，所述第一喷嘴和所述第二喷嘴设置在滑动套筒的通孔中，所述滑动套筒设置在所述循环阀的壳体中；

使所述流体以第二流速流过所述第一喷嘴和所述第二喷嘴，以将所述滑动套筒从第一位置致动到第二位置；以及

响应于将所述滑动套筒从所述第一位置致动到第二位置，使来自所述滑动套筒的所述通孔的所述流体流过所述壳体的壳体端口。

18.根据权利要求17所述的方法，还包括：

随着所述流体穿过所述第一喷嘴，在所述流体流中产生第一压降；和

随着所述流体穿过所述第二喷嘴，在所述流体流中产生第二压降。

19.根据权利要求18所述的方法，还包括：响应于在所述流体流中产生所述第一压降和所述第二压降，在所述滑动套筒上产生压力，以将所述滑动套筒从所述第一位置致动到所述第二位置。

20.根据权利要求18所述的方法，其中，所述第一压降大于所述第二压降。