CN111059298A - 一种油田钻井及测试用的高性能新型节流阀 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及阀门技术领域，具体涉及一种油田钻井及测试用的高性能新型节流阀，它包括阀体，该阀体内设有阀芯套，阀芯套安装于阀体内且处于节流阀进口孔上端的圆柱面设有两组组合密封圈；所述阀芯套内部设置有组合密封圈；所述阀芯套内设置有阀芯，阀芯套内设有一组弹性蓄能型密封圈，弹性蓄能型密封圈内设有阀杆；所述阀杆一端设有外螺纹，其内部设有一平衡孔C，阀杆通过螺纹与阀芯紧密连接；它具有无振动、耐冲蚀、现场维护便利以及具有线性流量特性和流通能力优异等各项优异性能于一身，能满足超高压井和“三高”井施工作业的钻井/测试用节流阀，符合超深井及“三高”井勘探开发的高端井控安全装备和测试及完井装备。

Description

一种油田钻井及测试用的高性能新型节流阀
【技术领域】
本发明涉及阀门技术领域，具体涉及一种油田钻井及测试用的高性能新型节流阀。
【背景技术】
在油田各种高压流体控制设备或装置中，节流阀是压力、流量的主要控制部件，通过调节节流阀的开度，达到控制流体压力和流量的目的。国家能源安全战略推进急需解决超深井及“三高”井勘探开发所需的高端井控安全装备和测试及完井装备，该新型节流阀属国内首创，近四年的各种试验及使用验证证明其性能优异，社会、经济效益卓越。随着国内外超深井及“三高”井技术的不断提高和实施，所面临的井口压力也越来越高，作为钻井/测试用主要控压部件的节流阀，其节流性能和安全可靠性也日益受到高度重视，特别是在超高压井和“三高”井的施工作业中，对性能优异、安全可靠的节流阀的需求更加迫切。
目前，国内钻井用节流阀主要有筒形、针形、楔形和孔板式，测试返排用节流阀主要有针形、楔形，而这些节流阀在节流过程中出现的主要问题就是——冲击振动！振动造成阀芯断裂，断裂后的阀芯，一方面堵塞节流通道，使节流阀无法调节而失效，另一方面对下游设备产生巨大的冲击破坏，这些都会给施工造成巨大的安全事故；同时节流阀的振动也会使整个设备体系产生振动，造成其它设备无法正常工作，甚至失效。在测试返排中需串联十只以上节流阀才能完成相应作业，成本极高。因此，上述四种节流阀根本无法满足超高压井和“三高”井的施工作业，这给钻井、测试返排生产带来了极大的困扰，安全生产无法得到根本保障。因此，防止节流阀在工作中产生振动，是本发明要解决的主要问题。
【发明内容】
本发明的目的在于针对现有技术的缺陷和不足，提供一种结构简单，设计合理、使用方便的一种油田钻井及测试用的高性能新型节流阀。
本发明所述的一种油田钻井及测试用的高性能新型节流阀，它包括阀体，该阀体内设有阀芯套，阀芯套安装于阀体内且处于节流阀进口孔上端的圆柱面设有两组组合密封圈；所述阀芯套内部设置有组合密封圈；
所述阀芯套内设置有阀芯，阀芯套内设有一组弹性蓄能型密封圈，弹性蓄能型密封圈内设有阀杆；所述阀杆一端设有外螺纹，其内部设有一平衡孔C，阀杆通过螺纹与阀芯紧密连接；所述阀杆另一端通过连接销与连接杆相连接；所述连接杆另一端通过螺纹与传动螺母相连接；所述传动螺母大外圆沿径向连接一开度指示杆，开度指示杆指示节流阀的开度，防止传动螺母绕轴线旋转；所述传动螺母另一端为内螺纹，与传动丝杆外螺纹旋合；所述传动丝杆另一端安装有手轮；所述阀芯套通过由壬接头固定于阀体上；所述阀芯套大端面通过螺钉安装有连接法兰；所述连接法兰内部安装有，内孔为六方孔的滑套，通过滑套的内孔与连接杆外六方相配合，用于防止阀杆及连接杆旋转；所述连接法兰另一端通过螺钉安装有支架；所述支架内通过螺钉固定有传动螺母；所述支架另一端通过螺钉安装有轴承座，轴承座内设置有传动丝杆；所述传动丝杆大外圆两端面各设置有一组止推轴承；
所述阀体内设置有阀座；所述阀芯在阀杆的牵引下，沿阀座的轴线移动，在与阀座不同的配合位置，形成不同的通流面积。
进一步地，所述组合密封圈由一个O型橡胶密封圈一与一个非金属密封挡圈一组成。
进一步地，所述两组组合密封圈，用于密封阀芯套外圆与阀体内孔之间的缝隙。
进一步地，所述组合密封圈由一个O型橡胶密封圈二与一个非金属密封挡圈二组成。
进一步地，所述组合密封圈用于密封阀芯套内孔与阀芯外圆柱面之间的缝隙。
进一步地，所述阀座两端对称设计，其内孔为圆柱孔和圆锥孔的组合；
进一步地，所述传动丝杆大外圆两端面各设置有一组止推轴承。
采用上述结构后，本发明有益效果为：本发明所述的一种油田钻井及测试用的高性能新型节流阀，它具有无振动、耐冲蚀、现场维护便利以及具有线性流量特性和流通能力优异等各项优异性能于一身，能满足超高压井和“三高”井施工作业的钻井/测试用节流阀，符合超深井及“三高”井勘探开发的高端井控安全装备和测试及完井装备。
【附图说明】
此处所说明的附图是用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，但并不构成对本发明的不当限定，在附图中：
图1是本发明的结构及安装示意图；
图2是本发明阀芯套与阀芯位置关系局部放大图；
附图标记说明：
1、出口法兰短节；2、直孔防磨套；3、锥孔防磨套；4、阀座；5、组合密封圈；6、阀芯；7、阀芯套；8、滑套；9、连接销；10、连接杆；11、指示杆；12、支架；13、轴承座；14、手轮；15、止推轴承；16、传动丝杆；17、传动螺母；18、阀杆；19、连接法兰；20、由壬接头；21、弹性蓄能型密封圈；22、组合密封圈；23、阀体。
【具体实施方式】
下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，其中的示意性实施例以及说明仅用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
如图1-图2所示，本具体实施方式所述的一种油田钻井及测试用的高性能新型节流阀，它包括阀体23，该阀体23内设有阀芯套7，阀芯套7安装于阀体23内且处于节流阀进口孔上端的圆柱面设有两组组合密封圈22；所述阀芯套7内部设置有组合密封圈5；
所述阀芯套7内设置有阀芯6，阀芯套7内设有一组弹性蓄能型密封圈21，弹性蓄能型密封圈21内设有阀杆18；所述阀杆18一端设有外螺纹，其内部设有一平衡孔C，阀杆18通过螺纹与阀芯紧密连接；所述阀杆18另一端通过连接销9与连接杆10相连接；所述连接杆10另一端通过螺纹与传动螺母17相连接；所述传动螺母17大外圆沿径向连接一开度指示杆11，开度指示杆11指示节流阀的开度，防止传动螺母17绕轴线旋转；所述传动螺母17另一端为内螺纹，与传动丝杆16外螺纹旋合；所述传动丝杆16另一端安装有手轮14，用于传动操作动力；所述阀芯套7通过由壬接头20固定于阀体23上；所述阀芯套7大端面通过螺钉安装有连接法兰19；所述连接法兰19内部安装有，内孔为六方孔的滑套8，通过滑套8的内孔与连接杆10外六方相配合，用于防止阀杆18及连接杆10旋转；所述连接法兰19另一端通过螺钉安装有支架12；所述支架12内通过螺钉固定有传动螺母17；所述支架12另一端通过螺钉安装有轴承座13，轴承座13内设置有传动丝杆16；所述传动丝杆16大外圆两端面各设置有一组止推轴承15；
所述阀体23内设置有阀座4；所述阀芯6在阀杆18的牵引下，沿阀座4的轴线移动，在与阀座4不同的配合位置，形成不同的通流面积，可实现节流阀的连续、线性调节。
进一步地，所述组合密封圈22由一个O型橡胶密封圈一与一个非金属密封挡圈一组成。
进一步地，所述两组组合密封圈22，用于密封阀芯套7外圆与阀体23内孔之间的缝隙。
进一步地，所述组合密封圈5由一个O型橡胶密封圈二与一个非金属密封挡圈二组成。
进一步地，所述组合密封圈5用于密封阀芯套7内孔与阀芯6外圆柱面之间的缝隙。
进一步地，所述阀座4两端对称设计，其内孔为圆柱孔和圆锥孔的组合；
进一步地，所述传动丝杆16大外圆两端面各设置有一组止推轴承15。
本发明的工作原理如下：
本发明在具体的使用时，当节流阀在工作过程中，首先阀芯6因在阀芯套7的保护下免受了流体的直接冲击，从而减小或避免了阀芯6的横向冲击振动；另一方面，以阀芯6与阀座4相配合形成的最小通流面积处即节流环线为界，其以上部分的阀体23内腔(进口端)形成高压区，节流环线以下即节流阀出口端形成低压区。
由于阀杆18内设有平衡孔C，且阀芯套7内部设置有一组合密封圈5，密封阀芯套7内孔与阀芯6外圆柱面之间的缝隙，从而使阀芯套7的内腔压力与节流阀出口端的压力相同，即形成低压区，这样，在阀芯6的节流环线(直径￠d)与阀芯6大外圆(直径￠D)之间所形成的环形面积S的上下两侧承受了不同的压力，即环形面积S的上部承受低压，环形面积S的下部承受高压，其压力差为△P，因此在压力差△P的作用下，阀芯6承受着一个方向向上的力△P*S，使阀芯6在力△P*S的作用下自始至终靠向阀杆18的端部，保证阀芯6在节流过程中不产生振动；
另一方面，阀杆18被阀芯套7有效地保护起来，使其避免了流体直接或间接冲击而产生的振动，阀杆18所受到的力是压力差所产生的力，此力将阀杆18始终承受轴向压应力而靠在止推轴承15上，进而使节流阀的操作扭矩最小更轻便；同时，阀芯6在阀芯套7的内部有足够的支承长度(大于阀芯6长度的1/2)，即支承长度大于伸出长度，并且支承部分的直径也大于伸出部分的直径，因此，更进一步提高了阀芯6的抗振性，确保了阀芯6在节流过程中不产生振动。
在节流阀的设计结构中，通过开度指示杆11来限制传动螺母17的旋转，使其只能沿轴线直线移动，同样通过滑套8内六方孔限制连接杆10及阀杆18(阀杆18通过连接销9与连接杆10相连接)的旋转，使其也只能沿轴线直线移动。连接杆10另一端通过螺纹与传动螺母17相连接，阀杆18另一端设有外螺纹，通过螺纹连接套24与阀芯6紧密连接。
因此，在节流阀的操作过程中，旋转手轮14带动传动丝杆16旋转，传动丝杆16通过与传动螺母17相配合的螺纹带动传动螺母17、连接杆10、阀杆18及阀芯6沿轴线移动，完成对节流阀开度的调整。本发明主要应用于油田各种高压流体的压力、流量控制设备或装置。
本发明与传统的阀门相比，有如下创新：
(1)节流阀在工作过程中，其上、下游(进、出口)会产生压力差。在以往的节流阀结构设计中，压力差是节流阀产生振动的主要原因之一。因为，当流体通过节流点后，压力降低流速加快，阀门会产生振动，特别是在小开度时引起的振动更大。本发明充分利用压力差来达到减振的目的。
一方面，将阀芯设计成节流部分直径小支承部分直径大，然后利用压力差作用在直径差形成的环形面积上所产生的力将阀芯紧紧地靠在阀杆的端部，并将支承长度大于伸出长度，使阀芯有足够的支承长度，从而达到减振的目的。
另一方面，阀杆被阀芯套有效地保护起来，使其避免了流体直接或间接冲击而产生的振动。因此，在节流阀调节过程中，不管流体多么复杂多么不规则，压力多高，节流开度多小，节流阀都不会产生振动。
(2)阀杆螺纹端加工一平衡孔，使阀芯套内腔与节流阀下游(出口端)贯通形成低压区，达到利用压力差减振的目的。
(3)阀杆密封采用弹簧蓄能型密封圈：在以往的节流阀结构设计中，阀杆密封均采用盘根(多只密封圈组合在一起)密封结构，通过压紧盘根达到密封阀杆的目的，这样阀杆所受到的摩擦力大，操作扭矩也大，并且在高压时密封效果差甚至失效。本发明的阀杆密封采用一只弹簧蓄能型密封圈即可达到密封阀杆的目的，这样操作扭矩小，而且系统压力会辅助弹簧蓄能，压力越高密封效果越好。
(4)阀杆操作扭矩小：阀杆没有承受横向力和拉力，仅受到压力差所产生的轴向压应力，此力经部件传递最终作用在止推轴承上，进而使节流阀的操作扭矩最小更轻便。
(5)开度指示杆即可限制传动螺母旋转，又可以指示节流阀的开度。
本发明的实际应用说明如下：
本发明先后经历了现场模拟井喷的冲蚀、控压对比试验、现场实际生产循环压井作业、测试返排试验等实战考验。为了检验钻井过程中发生井涌等危险情况下，在进行节流循环压井时节流阀的核心部件耐冲蚀能力、节流的稳定性、节流阀的抗振性和控压能力，本发明举例说明如下：
(1)中石化西南局在四川元坝Y12-1H井，将本发明节流阀与国内现常用的楔形节流阀和孔板式节流阀安装于同一管汇中，在相同的工况下模拟井喷进行节流阀冲蚀、抗振、控压对比试验。试验结果表明，本发明节流阀很好地完成了整个试验过程，不管是耐冲蚀能力、节流的稳定性、控压能力以及抗振性均表现出优异的性能，而楔形节流阀和孔板式节流阀在尚未到达冲蚀振动阶段就因控压未达到要求而终止了试验。
(2)安装有本发明节流阀的重型节流管汇在中石化亚洲第一深井“川深1井”投入使用。自投入使用起至成功完钻，设备始终运行良好
(3)新疆超深井顺南蓬1井发生溢流，安装有本发明节流阀的重型节流管汇经历了连续节流循环压井，历时共计7小时40分，在整个过程中，本发明节流阀始终工作平稳、调压稳定、无任何振动。事后打开节流阀检查冲蚀情况，除阀芯和阀芯套有轻微冲蚀痕迹外，其它部件基本完好，无需任何整改组装后继续使用。
(4)为检验本发明节流阀在实际工况下的控压能力、稳定性、耐冲蚀能力及抗振能力，塔里木油田启动新技术重大先导试验，在博孜9井将本发明节流阀安装在压力最高、流体介质最复杂苛刻、控压要求最精细的测试返排系统进行实际工况下的现场使用试验。在高压状态下，历时36小时的实际控压操作，本发明节流阀自始至终工作平稳、调压稳定、无任何振动。试验后打开节流阀检查冲蚀情况，除阀座锥孔有微量冲蚀外，其它部件基本完好，满足试验要求。
本发明所述的一种油田钻井及测试用的高性能新型节流阀，它设计结构简单、合理，实现了钻井/测试用高性能新型节流阀无振动的目的。它具有无振动、耐冲蚀、现场维护便利以及具有线性流量特性和流通能力优异等各项优异性能于一身，能满足超高压井和“三高”井施工作业的钻井/测试用节流阀，符合超深井及“三高”井勘探开发的高端井控安全装备和测试及完井装备。
以上所述仅是本发明的较佳实施方式，故凡依本发明专利申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均包括于本发明专利申请范围内。

Claims (7)

1.一种油田钻井及测试用的高性能新型节流阀，其特征在于：它包括阀体，该阀体内设有阀芯套，阀芯套安装于阀体内且处于节流阀进口孔上端的圆柱面设有两组组合密封圈；所述阀芯套内部设置有组合密封圈；
所述阀芯套内设置有阀芯，阀芯套内设有一组弹性蓄能型密封圈，弹性蓄能型密封圈内设有阀杆；所述阀杆一端设有外螺纹，其内部设有一平衡孔C，阀杆通过螺纹与阀芯紧密连接；所述阀杆另一端通过连接销与连接杆相连接；所述连接杆另一端通过螺纹与传动螺母相连接；所述传动螺母大外圆沿径向连接一开度指示杆，开度指示杆指示节流阀的开度，防止传动螺母绕轴线旋转；所述传动螺母另一端为内螺纹，与传动丝杆外螺纹旋合；所述传动丝杆另一端安装有手轮；所述阀芯套通过由壬接头固定于阀体上；所述阀芯套大端面通过螺钉安装有连接法兰；所述连接法兰内部安装有，内孔为六方孔的滑套，通过滑套的内孔与连接杆外六方相配合，用于防止阀杆及连接杆旋转；所述连接法兰另一端通过螺钉安装有支架；所述支架内通过螺钉固定有传动螺母；所述支架另一端通过螺钉安装有轴承座，轴承座内设置有传动丝杆；所述传动丝杆大外圆两端面各设置有一组止推轴承；
所述阀体内设置有阀座；所述阀芯在阀杆的牵引下，沿阀座的轴线移动，在与阀座不同的配合位置，形成不同的通流面积。
2.根据权利要求1所述的一种油田钻井及测试用的高性能新型节流阀，其特征在于：所述组合密封圈由一个O型橡胶密封圈一与一个非金属密封挡圈一组成。
3.根据权利要求1所述的一种油田钻井及测试用的高性能新型节流阀，其特征在于：所述两组组合密封圈，用于密封阀芯套外圆与阀体内孔之间的缝隙。
4.根据权利要求1所述的一种油田钻井及测试用的高性能新型节流阀，其特征在于：所述组合密封圈由一个O型橡胶密封圈二与一个非金属密封挡圈二组成。
5.根据权利要求1所述的一种油田钻井及测试用的高性能新型节流阀，其特征在于：所述组合密封圈用于密封阀芯套内孔与阀芯外圆柱面之间的缝隙。
6.根据权利要求1所述的一种油田钻井及测试用的高性能新型节流阀，其特征在于：所述阀座两端对称设计，其内孔为圆柱孔和圆锥孔的组合。
7.根据权利要求1所述的一种油田钻井及测试用的高性能新型节流阀，其特征在于：所述传动丝杆大外圆两端面各设置有一组止推轴承。
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