CN115836153A - 具有单晶流动导管的节流器 - Google Patents

Abstract

一种节流器，该节流器包括：保持架，保持架具有延伸穿过保持架的多个开口；第一流体端口和第二流体端口，保持架中的开口流体地置于第一流体端口与第二流体端口之间；以及可选择性定位的阻挡构件，该阻挡构件相对于开口定位成选择性地覆盖部分开口或全部开口，其中，延伸穿过保持架的开口的表面是单晶材料。该单晶材料可以设置为插入件，该插入件具有穿过插入件的开口并且相对于保持架固定就位。

Description

具有单晶流动导管的节流器

相关申请的交叉引用

本申请要求于2020年8月6日提交的序列号为63/062,147的美国临时专利申请的权益，该美国临时专利申请通过参引并入本文中。

技术领域

本发明涉及流体流动的控制领域，更具体地涉及石油和天然气生产中的流体流动以及对该生产中所用设备的控制，并且更具体地涉及构造成允许或禁止通过其中一个或更多个流动开口的流动的节流器，其中，一个开口可以是完全暴露的以用于通过该开口的流动，而其他开口是不暴露的、部分暴露的或完全暴露的以用于通过所述其他开口的流动。

背景技术

流体节流器用于在流动管线中提供可控的可变开口，流动管线例如为具有液体比如控制流体或者井下或井产流体、比如液态原油或者原油与气体的混合物、比如用于提升的夹带空气或者自然夹带的烃类气体的流动管线。例如，当阀在流动管线——在该流动管线中，在流动管线的入口处存在处于压力下的液体，并且流动管线的出口侧上的流体压力较低——中打开时，液体将从阀入口流向阀出口并且同时经历压力下降。如果液体的压力下降到低于其蒸气压力，则在流体中将出现蒸汽气泡或蒸汽腔。如果液体随后经历压力增加，则蒸汽气泡或蒸汽腔将破裂，从而导致气穴现象，气穴现象可能导致流动管线和控制部件的腐蚀。另外，在使用节流器对油田生产环境中的流体流速和压降进行控制的情况下，流动通过节流器的流体将包含通常为沙、钻井岩屑和其它固体之类的磨料，所述磨料在流动通过节流器时往往会磨损节流器的表面，特别是磨损用作节流器中的流动通道的较小直径开口的入口、出口和向内面向的表面，其中，通过选择性地改变直接暴露于经过节流器的流体的体积的开口的数目，来改变通过节流器的流的可用横截面面积。这种侵蚀以及气穴现象导致流动通过节流器的流体的流动特性随着节流器的使用寿命而改变。通常，节流器在全新时可以提供最佳性能，但是该性能随着时间的推移而退化。当节流器用于来自新生产井的流动管线中时，节流器将通常会遇到流体流动中的大量颗粒，从而导致节流器性能迅速恶化。

一种对流体回路——在流体回路中，当流体流动通过各种限制装置、阀和流动导管时可能会遇到不同的压力——中的流动进行控制的方法，该方法采用流体节流器来对经过其中的流体的流动或压降进行调节。可以对节流器进行动态控制，其中，可供流体流动通过的横截面面积可以是可调节的，并且也可以基于流体节流器的上游或下游的流体状况进行调节。用于实现这种可变流动面积的一种方法包括提供一种节流器，该节流器具有置于节流器流体入口与节流器流体出口之间的多个流动通道，以及提供阻挡机构以选择性地阻塞开口中的一个或更多个开口，从而防止或基本上控制通过其中的流体流动。在这种构造中，阻挡机构与其中具有开口的壁间隔开，使得将不会发生通过节流器的流动的完全关闭的情况，因为流体可以在阻挡机构的表面与相邻壁之间泄漏，待被选择性覆盖的节流通道穿过该相邻壁定位。另外，开口中的任何一个单独的开口可以被部分地阻塞，以限制通过该开口的流动开口面积。例如，如果例如在节流器入口与节流器出口之间设置有10个面积相等的流动通道，则这些开口的面积的0％至100％可以被覆盖，以允许流体流动通过这些开口或者基本上限制流体流动通过这些开口。在较高的压力出现在流体流动出口处而不是入口处并且十个开口中的一个开口被打开以供流动通过该开口的情况下，通过该开口的流动速度将相对较高，并且压降将相对较高，但是通过节流器的流量相对较低。对于节流器的紧上游所给定的流体压力而言，可用于流过节流器的开口的数目、面积或者数目和面积越大，流体速度和压降相对越低，并且通过节流器的总的可实现流量越高。通常，节流器构造成离散数目的开口被部分地或完全地阻塞或打开，并且该节流器在这些预设设定之间“转换”。

一种这样的装置被称为保持架和插塞式节流器，其中，在节流器的上游或入口侧与节流器的下游或出口侧之间置有筒形保持架，该筒形保持架具有穿过该筒形保持架的开口，并且插塞能够在保持架内移动以选择性地阻塞这些开口中的一个或更多个开口。该保持架呈带环形壁的筒形件的形式，其中，开口沿着保持架的环形壁的长度或高度方向间隔开，并且通过使插塞移动，所述开口中的不同开口在流体节流器的入口侧与出口侧之间被阻塞，并且因此这些开口中的一个或更多个开口可以被部分地阻塞。通过对在壁的周向方向和纵向方向上穿过环形壁的开口进行适当地间隔和定尺寸，当使插塞移动以覆盖或不覆盖穿过保持架的附加开口时，可以实现未被覆盖的开口的总开口面积的连续或几乎连续的变化。

石油和天然气勘探和生产中所使用的另一种流体节流器设计是外部套筒节流器。此处，帽形或罐形形状的实心外套筒能够在就座的密封位置和与座部间隔开的附加位置之间移动，并且罐形或帽形形状的套筒围绕内部保持架。将外部套筒朝向座部或远离座部移动暴露了延伸穿过保持架的开口，从而允许流体流过穿过该开口，并且所述开口均与座部间隔开，从而导致了座部附近的低流动速度。

在流体节流器中遇到的一个问题是对形成通过流体节流器的可变流动面积的开口的腐蚀。随着时间的推移，经过开口的流体将腐蚀开口的壁和插塞的面对表面。当插塞磨损时，其圆周局部变小，从而允许插塞的壁与保持架的面对表面之间的流动更大，从而导致节流器的流动特性发生变化。同样，保持架的壁的腐蚀也改变了通过该保持架的流动面积的表面面积，从而导致使用节流器的流体流动控制发生变化。为了解决该问题，已经使用碳化物、例如碳化钨来形成节流器的具有流动开口的部分，然而，这种材料随着时间的推移仍然会被腐蚀，特别是在流体流动中存在颗粒或气穴的情况下更是如此。另外，在跨开口存在较大压力的情况下，保持架和插塞的局部变形可能导致它们之间的摩擦接触，从而导致用以使插塞在保持架中移动所需能量的变化，并且还导致摩擦接触表面处的磨损。因为海底环境中的流体节流器通常由流体控制回路中的流体压力操作，其中，流体压力存储或积聚在蓄能器中，摩擦接触的这种摩擦增加了必须提供以使泥料在保持架中移动的压力，并且还可能导致插塞在保持架中的移动延迟，从而使流动管线中由节流器实现的流体流动和压力的控制能力削弱。

另外，保持架中的开口表面的腐蚀导致阀操作中的变化，尤其是“阀内件”或穿过阀的流动特性的变化，这与插塞或外部套筒的移动量以及压降和通过阀的流体流量的变化有关。随着开口表面的腐蚀，这导致阀内件的变化，因为流体与开口之间的摩擦随着开口轮廓的变化而变化，并且随着开口由于其腐蚀而变大，初始开口的点或开口直接面向通过节流器的流动流的点相对于插塞或外部套筒的位置发生变化。这导致节流器控制性能下降，并且可能导致节流器中气穴现象增加，从而进一步侵蚀节流器表面并进一步降低节流器性能。

发明内容

一种节流器，该节流器包括：保持架，该保持架具有延伸穿过保持架的多个开口；第一流体端口和第二流体端口，保持架中的开口流体地置于第一流体端口与第二流体端口之间；以及可选择性定位的阻挡构件，该阻挡构件相对于开口定位成选择性地覆盖一部分开口或全部开口，其中，延伸穿过保持架的开口的表面是单晶材料。单晶材料可以设置为插入件，该插入件具有穿过插入件的开口并且相对于保持架固定就位。

附图说明

图1是节流器的保持架的外部视图，例如插塞和保持架节流器或外部套筒节流器。

图2是插塞和套筒节流器的截面图，其中，插塞位于通过节流器的最小流动处。

图3是图2的插塞和保持架节流器的截面图，其中，插塞被移动成增加通过节流器的流量。

图4和图5是在插塞有侧载和无侧载的情况下的插塞在保持架中的定位示意图。

图6和图7是提供了图1至图3中的保持架的开口的流动插入件的平面图和截面图。

图8、图9、图10和图11是图示了图7的插入件的替代构造的截面图。

图12是替代性插入件构造的截面图，其中，插入件在垫环的内部延伸并铜焊至垫环。

图13是替代性插入件构造的截面图，其中，插入件被压配到保持架开口中。

图14是外部套筒节流器的截面图，其示出了保持架和开口与其保持架中的流动通道的关系。

具体实施方式

首先参照图1和图2，示意性地示出了插塞和保持架流体节流器10，以展示插塞12在保持架14中的操作。此处，保持架14是直的筒形管，其具有面向入口歧管18的外表面16、周向围绕内部容积22的内表面20、以及多个开口26，所述多个开口26各自穿过内表面20和外表面16开口并且使得内部容积22的一部分与入口歧管50之间能够流体连通。保持架14还包括出口端部24和远离出口端部24的第二端部28。

节流器本体30包括周向壁32，周向壁32具有内壁36、外壁34、出口端部38以及远离出口端部38的第二本体端部40。出口端部38包括延伸穿过出口端部38并与保持架14的内部容积22流体连通的孔42，并且第二本体端部40包括穿过第二本体端部的开口，保持架14的第二端部28位于该开口中。孔42可以是带螺纹的，或者以其他方式构造成附接至从节流器10延伸的出口导管(未示出)。具有延伸穿过其中的中央开口48的覆盖板46位于第二本体端部40和保持架14的第二端部28上方，并且比如通过延伸穿过其中的开口并进入第二本体端部40中的螺纹孔中的紧固件(未示出)、夹具或其它具有适当流体密封件(未示出)的机构固定至节流器30。覆盖板46将保持架14保持在节流器本体30的内部容积内。保持架14的外表面16、第二本体端部40的内表面、保持架14的外端部24以及本体的内壁36一起限定了围绕保持架14的入口歧管50的边界。保持架14的内壁表面20延伸为直的环形壁，其具有多个开口26，所述多个开口26各自在内壁表面20中开口。

插塞12包括直的筒形插塞外壁52，使得在插塞外壁52与保持架14的相邻内表面20之间存在数量级为约0.005英寸至0.0010英寸的径向间隙。插塞外壁52连接至附接凸台54，附接凸台54又连接至致动杆56，致动杆56通过流体或其它操作机构以可操作的方式沿箭头L的方向纵向地移动、沿箭头R的方向旋转地移动、或者既沿R方向旋转地移动又沿L方向纵向地移动。致动杆56通常在其一个端部处旋拧到凸台52中的对应的螺纹开口(未示出)中。致动杆56在方向L上的运动使插塞的下壁58的位置移动，使得插塞16远离出口端部38的运动导致开口26变得未被阻塞，如在图3中所示出的，从而允许通过保持架14的更大的流动面积，并且反之亦然。如在图3中所示出的，在插塞12被拉离用作节流器的正常流体出口的孔42的情况下，由于多个开口26未被覆盖，因此流体可以从歧管内的正常入口60流动至完全地或部分地未被覆盖的开口26，并且然后流动通过所述开口并最终通过孔42流出。

在图1至图3的节流器10的实施方式中，保持架14和插塞12中的至少一者包括单晶材料，例如蓝宝石或红宝石材料。在图1至图3中，整个保持架14、或插塞12的插塞外壁52部分、或所述两者均包括单晶材料。与各自的碳化物表面相比，这提供了许多优点。首先，单晶材料具有比碳化物大的抗侵蚀性和更低的静摩擦，即、彼此接触的表面的吸引力小于碳化物与碳化物或碳化物与钢的接触的吸引力。如在4中所示出的，标称径向间隙r在插塞12在保持架14内居中时为r，并且如果一侧、该侧与另一侧相反、或插塞受到高流体载荷FL，则插塞外壁52可以抵靠保持架14的内表面20被加载，如在图5中所示出的，使得保持架14与插塞之间的最大间隙为2r，并且保持架14与插塞之间的最小间隙为零。在碳化物对碳化物或碳化物对钢的接触中，与在给定载荷下使表面相对于彼此移动所需的力相对应的静摩擦明显大于单晶对钢或单晶对单晶接触表面的静摩擦，并且因此使插塞移动沿方向L所需的操作力明显较小。另外，由于单晶材料与碳化物或钢材料相比具有更好的磨损特性和更低的静摩擦，因此插塞12与保持架14之间的接触不会像插塞和保持架是钢和碳化物中的一种或两种时那样对装置有害。这允许插塞12与保持架14之间有更小的径向公差，即、r可以在小于0.005英寸的数量级上。

参照图6和图7，在其另一方面，保持架14包括一种基部材料、例如不锈钢，并且开口26设置成穿过插入件76，并且插入件76铜焊在保持架14的径向和周向上的阶梯状开口74中。此处，阶梯状开口74从保持架20的内表面20和外表面延伸并在保持架20的内表面20和外表面处开口，并且其包括位于其中的周向阶梯部68，使得该开口包括从内表面20向内延伸的小直径周向壁66、从保持架14的外表面16向内延伸的大直径周向壁72、以及在小直径周向壁66的内部终端部与大直径周向壁72之间延伸的径向延伸的环形凸缘壁70。插入件76包括面向歧管的大环形壁80、面向保持架内部的小环形壁82、以及在面向歧管的大环形壁80与面向保持架内部的小环形壁82之间间隔开的环形中间壁84。内部环形壁86在面向保持架内部的小环形壁82与环形中间壁84之间延伸，并且外部环形壁在面向歧管的大环形壁80与环形中间壁84之间延伸。此处，插入件76是单晶材料、比如蓝宝石或红宝石，并且它在每个阶梯状开口74中铜焊至保持架14的底层材料。替代性地，如在图7中以虚线所示出的，同样由单晶材料构成的垫环90可以位于保持架14内并且铜焊至面向保持架内部的小环形壁82。

单晶插入件76的使用允许在插入件76的面向歧管的大环形壁80与内周向壁90的相交处保持流动轮廓92，这允许节流器设计者通过保持架14中的开口26提供不同的流动特性，并且因此允许节流器使用者在保持架14中的插塞12的行程距离的部分或全部行程距离上具有使用者可选的调节特性。在图9中，一个这样的流动轮廓是插入件76的面向歧管的大环形壁80与内周向壁90的直角连接。在图8中，流动轮廓92在插入件76的面向歧管的大环形壁80与内周向壁90的接合部处设置为环形四分之一倒圆向内凹入的拐角。在图10和图11中，流动轮廓设置为具有曲折点98的双弯曲部段，其中，第一弯曲内壁100从曲折点98延伸至大环形壁80，并且第二弯曲内壁102从曲折点98延伸至插入件76的内周向壁90。由于单晶材料与钢和碳化物材料相比提供了更好的抗侵蚀性和抗冲击性，因此与相同流动条件下的碳化钨或钢部件中的类似轮廓相比，流动轮廓92将被保持相当长的时间，从而允许节流器设计具有流动调节特征来调节通过节流器10的流动特性，不会在存在严重气蚀或高颗粒载荷的情况下出现钢或碳化物的碎裂或侵蚀而在流动特征92处产生碎裂或侵蚀的空隙96。流动特征92也可以设置在内周向壁90与插入件76的面向内的小直径壁82的相交处、或者设置在保持架的内表面20侧上采用垫环以将插入件76固定至其并固定在保持架14的开口26内的地方、在插入件的面对穿过其中的开口的内部下游拐角上、或者在插入件76和垫环两者上。此处特别考虑了多种不同的流动轮廓，包括所示的直角和带圆角的四分之一圆、其他凹入或凸出的流动轮廓，以及具有从如图10所示的从曲折线延伸的凸出部分和凹入部分两者的混合式流动轮廓。

可以通过将插入件76直接铜焊至保持架14的底层材料、或者如图9所示通过提供垫环106可以实现将插入件76固定成延伸穿过保持架14的阶梯状开口74，其中，垫环106具有内部环形表面112，内部环形表面112部分地搁靠环形凹部120的基部壁124，垫环106从保持架14的内表面20向内延伸并且部分地覆盖和面对保持架14的基部壁120，并且部分地面对插入件76的小环形壁82并且沿着它们之间的内周向分隔线126铜焊至插入件。插入件76在凹部120的深度方向上不如从保持架20的内表面20到基部壁122的距离厚。此处，内周向环状表面108在平面图中具有与插入件90的内周向壁90相同的直径或圆周以及相同的几何形状，并且外周向环状壁110的直径大于阶梯状开口74在保持架14的内表面处的直径。

如在图12中所示出的，插入件76可以延伸成在内周向环状表面108的内部延伸，并且环形中间壁84的外表面向内延伸至垫环106的内圆周的内部并且在那里固定至垫环106。例如，内周向环状表面108和环形中间壁84可以包括配合螺纹，使得插入件在环形中间壁84插入穿过阶梯状开口之后被旋拧到内周向环状表面108上的螺纹中。此处，插入件铜焊至螺纹环，以允许插入件旋拧到内周向环状表面108上的螺纹中。替代性地，可以不存在螺纹，并且插入件76在插入件76的小环形壁82与垫环106的面向保持架内部的环形壁114的邻接表面处沿着铜焊圆周118铜焊至垫环。

如在图13中所示出的，插入件76也可以构造成被压配合到保持架14的开口中。此处，尽管插入件76可以被压配合到阶梯状开口74中，但是此处非阶梯状开口134从保持架14的外表面16到内表面20延伸穿过保持架14，并且由具有直径130的大致直的筒形直边内表面136定界。同样地，此处单晶材料的插入件76包括具有直径132的大致直的筒形直边外表面，其中，外径132是千分之几英寸，例如在自由状态下、即在被压配合到保持架14的非阶梯状开口134中之前，该直径比直的筒形直边内表面136的内径大0.005英寸至0.015英寸。插入件76到保持架中的开口中的压配合将环固定就位，并且还在插入件中施加内部压缩，这通过在插入件76的表面处提供更高的抗冲击性来增加插入件单晶材料的耐腐蚀性。

参照图14，示出了节流器的替代构造，此处为外部套筒节流器200。此处，具有穿过其中的开口的保持架14从支撑壁202向外套筒204的内部延伸。外部套筒210呈带盖的套筒、罐或帽的形状，外部套筒210具有从盖状件214延伸的筒形结构壁212并封围内部空间216，保持架14从支撑壁202延伸到内部空间216中。座部206接纳在围绕保持架14延伸并位于支撑壁202内部的周向凹槽218中，并且结构壁212的终端部222终止于平坦的环形表面，该环形表面能够相对于座部206移动并可以压靠座部206以密封通过节流器的流体流动。外部套筒210的面向内部空间216的内壁衬有周向衬里224和帽衬里226。外部套筒210能够沿箭头228的方向移动，以将其终端部朝向座部206和远离座部206移动，并且由此暴露保持架14中的一个或更多个开口26，以引导流体流动通过所述开口。如与此处的图2至图6的保持架14一样，开口可以设置在单晶套筒中，该单晶套筒提供了结构壁以及保持架14的内表面16、外表面20，或者作为如在本文中关于图7至图13所示和所述的插入件提供。

Claims (15)

1.一种节流器，所述节流器具有：保持架，所述保持架具有延伸穿过所述保持架的多个开口；第一流体端口和第二流体端口，所述保持架中的所述开口流体地置于所述第一流体端口与所述第二流体端口之间；以及能够选择性地定位的阻挡构件，所述阻挡构件相对于所述开口定位成选择性地覆盖部分所述开口或全部所述开口，其中，延伸穿过所述保持架的所述开口的表面是单晶材料。

2.根据权利要求1所述的节流器，其中，所述保持架包括单晶材料。

3.根据权利要求2所述的节流器，其中，所述单晶材料为蓝宝石。

4.根据权利要求1所述的节流器，其中，所述单晶材料为红宝石。

5.根据权利要求1所述的节流器，还包括第一开口和插入件，所述第一开口延伸穿过所述保持架，所述插入件中具有在所述第一开口内延伸的第二开口，并且所述插入件是单晶材料。

6.根据权利要求5所述的节流器，还包括垫环，其中，所述插入件连接至所述垫环，其中，所述保持架的一部分在所述插入件与所述垫环之间延伸。

7.根据权利要求6所述的节流器，其中，所述插入件通过所述插入件与所述垫环之间的铜焊连接至所述垫环。

8.根据权利要求6所述的节流器，其中，所述插入件包括第一螺纹，并且所述垫环包含对应相配的第二螺纹。

9.根据权利要求5所述的节流器，其中，在自由状态下，所述第一开口略小于所述插入件的外圆周，并且所述插入件在所述第一开口内处于压缩应力下。

10.根据权利要求1所述的节流器，其中，穿过所述保持架的不同开口具有不同的流动轮廓。

11.根据权利要求1所述的节流器，其中，所述阻挡构件是设置在所述保持架内的插塞。

12.根据权利要求1所述的节流器，其中，所述阻挡构件是位于所述保持架外部的套筒。

13.一种节流器，包括：

保持架，所述保持架具有穿过所述保持架的开口；

围绕所述保持架的盖状件，所述盖状件包括外周向壁、覆盖部分和开口，所述保持架能够通过所述开口移动到所述盖状件的内部和外部；

其中，所述保持架中的所述开口包括单晶材料。

14.根据权利要求13所述的节流器，其中，所述单晶材料是固定在所述保持架内的插入件。

15.根据权利要求13所述的节流器，其中，所述保持架包括单晶材料。

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