CN111720609A - 一种精细控压钻井用电控孔板式节流阀 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种精细控压钻井用电控孔板式节流阀,包括多回转电动执行器、支撑架、联结件、孔板式节流阀。多回转电动执行器由手轮、离合器、蜗杆、涡轮、联轴机构、低惯量高转矩电机、主动锥齿轮、输出轴、从动锥齿轮、反馈轴、阀位绝对编码器、就地显示窗、手动/电动旋钮等组成。支撑架是将多回转电动执行器支撑并固定在孔板式节流阀上。联结件是将多回转电动执行器与孔板式节流阀联结在一起,传输扭矩,实现电动调控的功能。所述的孔板式节流阀,通过旋转阀瓣的角度改变节流阀内部通道的截面积的大小,从而达到调节流量、控制回压,实现对压力的精细控制的目的。
Description
技术领域
本发明涉及一种用多回转电动执行器控制的孔板式节流阀,尤其适用于在精细控压钻井中过程中通过孔板式节流阀精细调节控压通道的钻井液流量。
背景技术
精细控压钻井技术(MPD)是近年来发展起来的一项钻井新技术,主要用来解决深井钻井中由窄安全密度窗口、多压力系统、压力敏感性地层引起的井漏、井涌等井下复杂情况,以及含硫地地层、压力不确定性高风险勘探井的安全钻井问题。精细控压钻井的本质就是确定井底压力界限,从而利用多种工具和技术措施有效控制相应的环空压力剖面,有效控制地层流体侵入井筒,减少井涌、井漏等钻井复杂情况,以降低窄密度窗口条件下钻进时的风险与成本。其核心技术是通过随钻环空压力测量、地面自动节流调整回压以及压力补偿等手段,实现对井筒环空压力的闭环实时监测与精确控制。可见,通过控制井口回压来实现对井筒环空压力的精确控制,是需要解决的关键技术。
在目前的精细控压钻井作业中,采用的孔板式节流阀来控制井口回压。常用的孔板式节流阀控制模式有手动和液动两种,手动控制主要是人员在作业现场用手动旋转手轮控制节流阀开关,开关的精确度难以控制,且不可远程控制,在特殊环境要求下,存在一定风险。液压控制是采用液压油驱动液缸带动节流阀动作,虽可实现一定距离的远程控制但是距离有限,且液压油受温度环境影响较大,有一定安全隐患。液压油渗漏后对环境造成污染。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是,克服已有技术中存在的问题,提供一种安全可靠,结构简单,可远距离调控,且精准快速调控的精细控压钻井用电控孔板式节流阀。
为了解决上述技术问题,本发明采用的技术方案是:一种精细控压钻井用电控孔板式节流阀,包括多回转电动执行器、支撑架、联结件、孔板式节流阀、控制箱、电控信号线,多回转电动执行器通过支撑架支撑固定在孔板式节流阀上,再通过联结件将多回转电动执行器的输出轴与孔板式节流阀的阀杆联结起来,多回转电动执行器通过电控制信号线与控制箱连接,多回转电动执行器驱动孔板式节流阀的阀杆带动动阀瓣相对于固定阀瓣旋转一定的角度,从而改变节流阀内钻井液通道的截面积大小,调节流量,改变压力。
所述多回转电动执行器包括手轮、离合器、蜗杆、涡轮、联轴机构、低惯量高转矩电机、主动锥齿轮、输出轴、从动锥齿轮、反馈轴、阀位绝对编码器、就地显示窗、手动/电动旋钮,输出轴转动的同时带动主动锥齿轮、从动锥齿轮一转动,并通过阀位绝对编码器检测阀位变化,再通过反馈轴以数字形式显示在就地显示窗中。
所述阀位绝对编码器采用绝对位置编码技术,主电源掉电后人为改变阀位,无论有无电池存在,主电源恢复后阀位仍然正确且永不丢失,当输出轴转数的累计值上限达到2040转,执行器可设定行程范围。
执行机构的操作方式分为电动和手动操作,执行器上装有手轮用于手动操作,手动/电动旋钮用于将执行器切换到手动操作。
本发明的有益效果是:安全可靠,结构简单,可远距离调控,快速且精准调控。解决了传统手动和液动控制发生下开关效率低,误差大等局限性问题,而且实现了精细控压钻井闸阀的智能化控制。
附图说明
图1是本发明精细控压钻井用电控孔板式节流阀的结构图;
图2是本发明的多回转电动执行器的示意图;
图3是本发明的孔板式节流阀示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,均属于本发明的保护范围。
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述;显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例,基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中,需要说明的是,术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。此外,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等,应做广义理解,例如“连接”,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1-3所示,本发明的精细控压钻井用电控孔板式节流阀,包括多回转电动执行器1、支撑架2、联结件3、孔板式节流阀4、控制箱5、电控信号线6,多回转电动执行器1通过支撑架2支撑固定在孔板式节流阀6上,再通过联结件4将多回转电动执行器的输出轴1-8与孔板式节流阀的阀杆2-1联结起来,多回转电动执行器1通过电控制信号线6与控制箱5连接,多回转电动执行器1驱动孔板式节流阀4的阀杆2-1带动动阀瓣2-3相对于固定阀瓣2-4旋转一定的角度,从而改变节流阀内钻井液通道的截面积大小,调节流量,改变压力。
所述多回转电动执行器1包括手轮1-1、离合器1-2、蜗杆1-3、涡轮1-4、联轴机构1-5、低惯量高转矩电机1-6、主动锥齿轮1-7、输出轴1-8、从动锥齿轮1-9、反馈轴1-10、阀位绝对编码器1-11、就地显示窗1-12、手动/电动旋钮1-13,输出轴1-8转动的同时带动主动锥齿轮1-7、从动锥齿轮1-9一转动,并通过阀位绝对编码器1-11检测阀位变化,再通过反馈轴1-10以数字形式显示在就地显示窗1-12中。
所述阀位绝对编码器1-11采用绝对位置编码技术,主电源掉电后人为改变阀位,无论有无电池存在,主电源恢复后阀位仍然正确且永不丢失,当输出轴转数的累计值上限达到2040转,执行器可设定行程范围。
执行机构的操作方式分为电动和手动操作,执行器上装有手轮1-1用于手动操作,手动/电动旋钮1-13用于将执行器切换到手动操作。
当精细控压钻井用电控孔板式节流阀进行工作时,先向多回转电动执行器1供电,连接与控制箱5之间的控制信号线6,手动/电动旋钮1-13置于手动位置,调节动阀瓣2-3围绕固定阀瓣2-4旋转一定角度,观察阀位指示刻度2-6到达全关位(0),核对控制箱5显示控制电流为低位电流(4mA);再反向旋转到全开位(100%),核对控制箱5显示控制电流为高位电流(20mA)。然后将动阀瓣2-3旋转到50%开度位置。
在精细控压钻井过程中,当需要对井口回压进行控制时,由控制箱5将需要控制的压力值,计算需要的阀位控制电流大小(在4-20mA范围内),通过电控制信号线6传送到多回转电动执行器1,由其按照电流大小转化为对应的阀位值(0-100%),同时给低惯量高转矩电机1-6发出激励信号,低惯量高转矩电机1-6以定值扭矩驱动动阀瓣2-3旋转到阀位控制电流对应的角度,从而改变从孔板式节流阀4的进液端法兰2-2进入的钻井液通道的截面积大小,控制从孔板式节流阀4出液端2-5流出的钻井液流量,从事实现实现调节流量,改变井口回压的目的。
本发明有效解决了以往精细控压钻井时,传统手动和液动控制方式下开关效率低,误差大等局限性问题,提供了可远距离调控,快速且精准调控的节流阀开关动力装置和使用方法,具有结构简单,安全可靠的特点,实现了精细控压钻井闸阀的智能化控制。
具体地说,多回转电动执行器1固定和联结在孔板式节流阀4上,与孔板式节流阀4的中心线水平重合;支撑架2上端固定在多回转电动执行器1上,下端固定在孔板式节流阀4上;联结件3上端与多回转电动执行器1联结,下端与孔板式节流阀4联结,实现传递扭矩功能;孔板式节流阀4安装在多回转电动执行器1下端;控制箱5安装在距离多回转电动执行器25米以外的地方,通过电控信号线6传输电控信号对多回转电动执行器1进行控制。
如图2所示,手轮1-1安装在多回转电动执行器1的最上端,是顶装手轮,是在电源出现故障时,提供可靠的紧急手动操作;离合器1-2是用于在电动运转和手动操作之间相互切换,其中电动方式优先;蜗杆1-3与涡轮1-4配合,将旋转运动转换为直线运动;联轴机构1-5是将涡轮1-4与低惯量高转矩电机1-6联结起来;低惯量高转矩电机1-6是适应孔板式节流阀快转速、快停转的电机,将孔板式节流阀动阀瓣2-3转动的动力;主动锥齿轮1-7与从动锥齿轮1-9配合,将输出轴1-8的转动角度转换到反馈轴1-10,反馈到就地显示窗1-12;输出轴1-8是将低惯量高转矩电机1-6产生的扭矩传递到联结件3;阀位绝对编码器1-11是输出轴带动磁电绝对编码器转动,形成的编码信号并计算出当前阀位值,用作阀位显示信号,显示到就地显示窗1-12,由于绝对编码器获取的是阀位的绝对信息,掉电和干扰均不会对其造成影响,故得到的阀位永远是正确的;就地显示窗1-12是显示阀位、扭矩、报警、提示以及参数设定,可以变换不同方位,以适应不同位置的执行器的安装。
如图3所示,孔板式节流阀4是由阀杆2-1、进液法兰2-2、动阀瓣2-3、固定阀瓣2-4、出液法兰2-5、阀位指示刻度2-6组成。孔板式节流阀4是安装在多回转电动执行器1的下端,在多回转电动执行器1的控制下,调节动阀瓣2-3与固定阀瓣2-4的夹角,对进液法兰2-2的进入流量进行控制,实现对出液法兰2-5的排出流量调控,进而实现对出液法兰2-5的钻井液压力进行调控。
阀杆2-1与联结件3联结并接受传来的扭矩;进液法兰2-2是与上游的钻井液管道连接;动阀瓣2-3是孔板式节流阀4中通过围绕固定阀瓣2-4旋转一定角度来控制钻井液通道截面积大小的元件;固定阀瓣2-4是固定在孔板式节流阀4中,与动阀瓣2-3配合控制钻井液通道截面积大小;出液法兰2-5是孔板式节流阀4与下游控制钻井液回压的管道连接;阀位指示刻度2-6孔板式节流阀4上实时指示动阀瓣2-3转动后的阀位状态。
本发明提出的用电控孔板式节流阀,不仅能够实现远距离精准快速控制,而且电控对温度环境要求低,不存安全隐患,环境友好,有较高的安全性和准确性
上述电动孔板式节流阀的工作方法:在精细控压钻井过程中,当需要利用孔板式节流阀调节井口回压时,根据需要调节的压力计算出阀位及对应的控制电信号值,控制箱发出4-20mA控制电信号到多回转电动执行器,确定动阀瓣旋转角度,同时接通低惯量高转矩电机,以定值扭矩控制联轴机构带动蜗杆、蜗轮、离合器、输出轴、联结件驱动孔板式阀杆、节流阀动阀瓣旋转到指定角度,从而改变通道截面积,改变流量大小,进而调节压力。
本发明适用于精细控压钻井过程中快速且精准调控的孔板式节流阀开关,解决了传统手动和液压开关孔板式节流阀效率低,误差大等局限性问题,而且实现了孔板式节流阀的智能化控制,也可应用于其他筒式、针式、楔形节流阀的控制。
综上所述,本发明的内容并不局限在上述的实施例中,相同领域内的有识之士可以在本发明的技术指导思想之内可以轻易提出其他的实施例,但这种实施例都包括在本发明的范围之内。
Claims (4)
1.一种精细控压钻井用电控孔板式节流阀,其特征在于,包括多回转电动执行器(1)、支撑架(2)、联结件(3)、孔板式节流阀(4)、控制箱(5)、电控信号线(6),多回转电动执行器(1)通过支撑架(2)支撑固定在孔板式节流阀(6)上,再通过联结件(4)将多回转电动执行器的输出轴(1-8)与孔板式节流阀的阀杆(2-1)联结起来,多回转电动执行器(1)通过电控制信号线(6)与控制箱(5)连接,多回转电动执行器(1)驱动孔板式节流阀(4)的阀杆(2-1)带动动阀瓣(2-3)相对于固定阀瓣(2-4)旋转一定的角度,从而改变节流阀内钻井液通道的截面积大小,调节流量,改变压力。
2.根据权利要求1所述精细控压钻井用电控孔板式节流阀,其特征在于,所述多回转电动执行器(1)包括手轮(1-1)、离合器(1-2)、蜗杆(1-3)、涡轮(1-4)、联轴机构(1-5)、低惯量高转矩电机(1-6)、主动锥齿轮(1-7)、输出轴(1-8)、从动锥齿轮(1-9)、反馈轴(1-10)、阀位绝对编码器(1-11)、就地显示窗(1-12)、手动/电动旋钮(1-13),输出轴(1-8)转动的同时带动主动锥齿轮(1-7)、从动锥齿轮(1-9)一转动,并通过阀位绝对编码器(1-11)检测阀位变化,再通过反馈轴(1-10)以数字形式显示在就地显示窗(1-12)中。
3.根据权利要求2所述精细控压钻井用电控孔板式节流阀,其特征在于,所述阀位绝对编码器(1-11)采用绝对位置编码技术,主电源掉电后人为改变阀位,无论有无电池存在,主电源恢复后阀位仍然正确且永不丢失,当输出轴转数的累计值上限达到2040转,执行器可设定行程范围。
4.根据权利要求3所述精细控压钻井用电控孔板式节流阀,其特征在于,执行机构的操作方式分为电动和手动操作,执行器上装有手轮(1-1)用于手动操作,手动/电动旋钮(1-13)用于将执行器切换到手动操作。
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