CN116291312B - 开关井计量节流装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种开关井计量节流装置，该装置包括：节流阀，开设有进口与出口；压力测量装置，连通于节流阀的进口和出口，被配置为监测节流阀的前后压差以及阀前和/或阀后压强；温度测量装置，连通于节流阀；以及控制机构，电连接于压力测量装置和温度测量装置，被配置为：接收远程控制信号并根据远程控制信号控制节流阀的开度；获取压力测量装置的和温度测量装置的监测结果，并根据所获取的监测结果确定质量流量和/或体积流量。本申请解决了现有开关井设备无法单独计量流体流量，操作实时性差的问题。实现了一种能够自动调节阀门开度，同时又能监测流体流量的开关井计量节流装置。

Description

开关井计量节流装置

技术领域

本申请涉及天然气开采技术领域，尤其涉及一种开关井计量节流装置。

背景技术

在气井生产中后期，气井压力降低、携液能力下降，低压气井与产水井的数量持续增多，导致气井产量降低，甚至停产。间歇性开关井能够依靠气井自身能量积攒，从而达到携液、复产的目的。间歇性开关井已成为气井生产后期稳产、增产的重要措施。低压间开生产井对复压要求较高，及时开关井对气井产能的恢复起着至关重要的作用。

目前开关井所使用的控制阀门多数为手动调节阀门与电动调节阀门。手动调节阀门需要人工调节，人力成本高，且气井管理效率不理想。电动调节阀门在使用过程中容易出现阀门内漏。并且，上述两类阀门均无法实现流体流量计量与自动调节的功能。当需要计量与调节流体流量时，通常在管线中串接安装流量计，再通过手动调节阀门开度的方式实现管线内流体流量的调节。上述计量与调节阀门流量的操作方式效率低下、实时性差且引入的人为误差较大。

发明内容

本申请实施例通过提供一种开关井计量节流装置，解决了现有技术中手动调节阀门与电动调节阀门均无法自动实现流体流量计量，且电动调节阀易出现内漏的问题。实现了一种能够自动计量阀门的流体流量与自动调节流体流量的开关井计量节流装置。

第一方面，本申请实施例提供了一种开关井计量节流装置，该开关井计量节流装置包括：

节流阀，开设有进口与出口；压力测量装置，连通于所述节流阀的所述进口和所述 出口，被配置为监测所述节流阀的前后压差以及阀前和/或阀后压强；温度测量装置，连通 于所述节流阀；以及控制机构，电连接于所述压力测量装置和所述温度测量装置，被配置 为：接收远程控制信号并根据所述远程控制信号控制所述节流阀的开度；获取所述压力测 量装置的和所述温度测量装置的监测结果，并根据所获取的监测结果确定质量流量和/或 体积流量；所述质量流量的计算公式为，所述体积流量的计算公式为；式中，Q_m为所述节流阀的质量流量，Q_v为所述节流阀的体积流量，A为所述 节流阀的流通面积，ρ为根据所述温度测量装置的监测结果确定的通过所述节流阀的流体 的介质密度，ΔP为所述节流阀的前后压差，α为根据所述节流阀的开度拟合的通过所述节 流阀的流体的流量系数；其中，，式中，A为所述节流阀的流通面积，A_底部为所述 节流阀底部的流通面积；

，

，式中，为液相流体的流量系数，为气相流体的流 量系数，K为所述节流阀的开度。

结合第一方面，在第一种可能的实现方式中，所述节流阀包括阀壳、驱动机构、调节机构和镶套；所述阀壳上设置有所述进口和所述出口；所述驱动机构与所述控制机构电连接，并与所述调节机构传动连接，被配置为在所述控制机构的控制下驱动所述调节机构移动；所述调节机构安装于所述阀壳内，当所述调节机构移动时调节所述进口和所述出口的连通开度；所述镶套安装于所述阀壳的内壁。

结合第一方面的第一种可能的实现方式，在第二种可能的实现方式中，所述调节机构包括阀杆和阀头；所述阀杆与所述阀壳的内壁间形成与所述进口连通的环腔，且所述阀杆的一端连接于所述驱动机构，所述阀杆的另一端安装有所述阀头；所述阀头开设有连通所述进口和所述出口的连通开口，且位于所述镶套内。

结合第一方面的第二种可能的实现方式，在第三种可能的实现方式中，所述连通开口为三角形。

结合第一方面的第二种可能的实现方式，在第四种可能的实现方式中，所述阀杆的远离所述驱动机构的端部开设有安装槽，且所述阀头可拆卸连接于所述安装槽的内壁。

结合第一方面的第四种可能的实现方式，在第五种可能的实现方式中，所述阀头的位于所述安装槽内的部分开设有固定环槽。

结合第一方面的第五种可能的实现方式，在第六种可能的实现方式中，所述调节机构还包括对开环，且所述对开环设置有外螺纹；所述对开环安装于所述固定环槽内并与所述安装槽的内壁螺纹连接。

结合第一方面的第二种可能的实现方式，在第七种可能的实现方式中，所述调节机构还包括安装于所述阀杆，并位于所述阀头外侧的密封圈；当所述节流阀处于关闭状态时，所述密封圈压紧所述镶套。

结合第一方面的第七种可能的实现方式，在第八种可能的实现方式中，所述镶套的顶部设置有朝向外侧的第一斜面，所述密封圈的底部设置有朝向内侧的第二斜面；当所述节流阀处于关闭状态时，所述第一斜面与所述第二斜面贴合密封。

结合第一方面的第七种可能的实现方式，在第九种可能的实现方式中，所述调节机构还包括固定圈，所述固定圈具有向内侧延伸的压紧凸台；所述固定圈安装于所述阀杆的远离所述驱动机构的端部，且所述压紧凸台与所述阀杆的端面夹紧所述密封圈。

本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本申请实施例实现了一种开关井计量节流装置，有效解决了现有开关井设备无法计量阀门内流体的流量且调节流量时操作实时性差的问题。本申请通过设置压力测量装置、温度测量装置与控制机构实现了一种既能够自动调节阀门开度，又能够监测流体流量的开关井计量节流装置。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的开关井计量节流装置的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的开关井计量节流装置的局部剖视图；

图3为图2中A区域的局部放大图；

图4为本申请实施例提供的阀头的结构示意图。

附图标记：1-节流阀；11-阀壳；112-进口；111-出口；12-驱动机构；121-切换装置；13-调节机构；132-阀杆；133-阀头；1331-连通开口；1332-固定环槽；1333-防转槽；134-安装槽；135-对开环；136-密封圈；1361-第二斜面；137-固定圈；1371-压紧凸台；14-镶套；141-第一斜面；2-压力测量装置；21-引压管线；3-温度测量装置；31-防爆挠性连接管；4-控制机构。

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、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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实施例和简化描述，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。术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，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，可以根据具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

如图1所示，本申请实施例提供了一种开关井计量节流装置，该开关井计量节流装 置包括：节流阀1，开设有进口112与出口111。压力测量装置2，连通于节流阀1的进口112和 出口111，被配置为监测节流阀1的前后压差以及阀前和/或阀后压强。温度测量装置3，连通 于节流阀1。以及控制机构4，电连接于压力测量装置2和温度测量装置3，被配置为：接收远 程控制信号并根据远程控制信号控制节流阀1的开度。获取压力测量装置2的和温度测量装 置3的监测结果，并根据所获取的监测结果确定质量流量和/或体积流量。质量流量的计算 公式为，体积流量的计算公式为。式中，Q_m为节流阀1的质量 流量，Q_v为节流阀1的体积流量，A为节流阀1的流通面积，ρ为根据温度测量装置3的监测结 果确定的通过节流阀1的流体的介质密度，ΔP为节流阀1的前后压差，α为根据节流阀1的开 度拟合的通过节流阀1的流体的流量系数。其中，，式中，A为节流阀1的流通面 积，A_底部为节流阀1底部的流通面积。

，

，式中，为液相流体的流量系数，为气相流体的流 量系数，K为节流阀1的开度。

具体地，，式中，A为节流阀1的流通面积，A_底部为节流阀1底部的流通面 积，即阀头133与阀座形成的环腔面积，在本申请实施例中取值为1063mm²，K为节流阀1的开 度。，，式中，为水的密度， 为空气的密度，T为温度，即温度测量装置3的监测结果。P为基础压力，计算公式为：，式中，P₁为压力测量装置2的监测结果，ΔP为节流阀1的前后压差。在 获取各开度对应的流量系数时，本申请实施例通过在节流阀1中接入流量计，通过流量计直 接测得通过节流阀1的体积流量或质量流量，结合体积流量或质量流量的计算公式得到液 相流体流量系数随开度的变化关系以及气相流体流量系数随开度的变化关系，如下：

，

，式中，为液相流体的流量系数，为气相流体的流 量系数，K为节流阀1的开度。

根据上述液相流体与气相流体计算公式可知，流量系数α只与节流阀1的开度K相关，通过上式得到各个开度与流量系数的对应关系，进而计算出各个开度下节流阀1的流量系数。本领域技术人员应当意识到上述实施例中对流通面积、介质密度与基础压力的计算仅仅为示例性的，不作为对本申请保护范围的限制。此外，流量系数根据开度拟合获得，本领域技术人员应当意识到，计算流量系数有多种方式，此处的计算方法仅为本申请提供的一种示例，不作为对本申请保护范围的限制。

在本申请实施例中，示例性地使用差压变送器作为压力测量装置2监测节流阀1的前后压差，并在节流阀1的阀前或阀后连接压力温度一体化变送器作为压力测量装置2与温度测量装置3监测阀前或阀后的压强与温度。此外，本领域技术人员亦可分别在节流阀1的阀前与阀后连接压力变送器作为压力测量装置2，并在节流阀1的阀前或阀后连接温度变送器作为温度测量装置3，监测获得节流阀1阀前与阀后的压力以及阀前或阀后的温度。通过阀前与阀后的压力计算出节流阀1的前后压差。在本申请实施例中，通过引压管线21将压力测量装置2分别连接在节流阀1的进口112与出口111处，获得节流阀1的前后压差以及阀前和/或阀后压强，通过阀前和/或阀后压强计算出通过节流阀1的流体的介质密度。温度测量装置3通过防爆挠性连接管31连接在节流阀1的阀前或阀后监测通过节流阀1的流体的温度。控制机构4根据获取的温度测量装置3监测的流体的温度，计算出通过节流阀1的流体的介质密度。在本申请实施例中，流体包括空气与水。

根据图1与图2所示，本申请将压力测量装置2、温度测量装置3、控制机构4与节流阀1连接，集成为一体化计量节流装置，此处仅作为本申请实施例，不作为对本申请保护范围的限制。本领域技术人员亦可将压力测量装置2、温度测量装置3以及控制机构4与节流阀1分开设置，能实现本申请中的技术方案即可。

在本申请实施例中，压力测量装置2与温度测量装置3将实时监测的结果分别通过各自的电路信号发送给控制机构4。控制机构4通过预先设定的算法对质量流量和/或体积流量进行计算。当节流阀1的开度变化时，阀内流体的流通面积发生改变，阀前与阀后压力随之发生变化，并引起温度改变。控制机构4根据压力测量装置2与温度测量装置3获取实时数值，计算当前节流阀1内流体的流量，实现节流阀1全行程下的流量计量与压力调节功能。需要注意的是，在本申请实施例中，获取阀前与阀后的压强时，需要先经过流场分析，确定节流阀1中合适的取压位置，使监测结果与实际结果无限趋近。

参照图2，节流阀1包括阀壳11、驱动机构12、调节机构13和镶套14。阀壳11上设置有进口112和出口111。驱动机构12与控制机构4电连接，并与调节机构13传动连接，被配置为在控制机构4的控制下驱动调节机构13移动。调节机构13安装于阀壳11内，当调节机构13移动时调节进口112和出口111的连通开度。镶套14安装于阀壳11的内壁。在本申请实施例中，驱动机构12还包括切换装置121，切换装置121用于设置驱动机构12的控制方式，即控制节流阀1的调节方式为手动调节或电动调节。

参照图2与图3，调节机构13包括阀杆132和阀头133。阀杆132与阀壳11的内壁间形成与进口112连通的环腔，且阀杆132的一端连接于驱动机构12，阀杆132的另一端安装有阀头133。阀头133开设有连通进口112和出口111的连通开口1331，且位于镶套14内。其中，连通开口1331沿阀头133周向设置。在本申请实施例中，在阀头133下端设置了四处连通开口1331，四处连通开口1331分别在互相垂直的两个径向上对称，且本申请实施例中将连通开口1331设置为三角形，阀头133上还设置有从顶部贯穿至底部的调节孔，具体结构如图4所示。需要注意的是，本领域技术人员应当意识到，图4所示的阀头133的结构仅为本申请提供的一个示例，不作为对本申请保护范围的限制。本领域技术人员亦可仅在进口112所在的方向开设一个连通开口1331，或仅在进口112所在的方向开设一组径向对称的连通开口1331。

在本申请实施例中，控制机构4还包括绝对值编码器与显示窗口。驱动机构12还包括直流电机与减速机构。直流电机通过设置的多级减速机构，将直流电机的转速转换为适合节流阀1使用的转速，并使节流阀1的调节速度可控。直流电机经过减速机构减速后通过驱动机构12实现对节流阀1开度的调节。绝对值编码器的一端与直流电机连接，另一端与驱动机构12连接，将电信号转换为直流脉冲，用于显示阀头133的位移，从而体现节流阀1的开度。

如图3所示，阀杆132的远离驱动机构12的端部开设有安装槽134，且阀头133可拆卸连接于安装槽134的内壁。阀头133的位于安装槽134内的部分开设有固定环槽1332。调节机构13还包括对开环135，且对开环135设置有外螺纹。对开环135安装于固定环槽1332内并与安装槽134的内壁螺纹连接。

调节机构13还包括安装于阀杆132，并位于阀头133外侧的密封圈136。当节流阀1处于关闭状态时，密封圈136压紧镶套14。镶套14的顶部设置有朝向外侧的第一斜面141，密封圈136的底部设置有朝向内侧的第二斜面1361。当节流阀1处于关闭状态时，第一斜面141与第二斜面1361贴合密封。此外，镶套14外侧设置有向外延伸的固定凸台，阀壳11内侧的阀座设置有与固定凸台抵接的固定凹台，用于防止阀头133向上移动的过程中将镶套14带动向上移动。如图3所示，在本申请实施例中，固定凸台与固定凹台设置于镶套14与阀座远离阀杆132的端部，此处仅为本申请中的一个示例，不作为对本申请保护范围的限制，本领域技术人员可根据实际使用需求，对固定凸台与固定凹台的位置与形状进行适当调整与改变，而不脱离本申请的保护范围。

调节机构13还包括固定圈137，固定圈137具有向内侧延伸的压紧凸台1371。固定圈137安装于阀杆132的远离驱动机构12的端部，且压紧凸台1371与阀杆132的端面夹紧密封圈136。

在本申请实施例中，阀头133、密封圈136与镶套14构成软硬双重密封，调节与密封相互独立，使节流阀1实现零泄漏。具体如下，节流阀1开启过程中，阀头133向上移动，密封圈136的第二斜面1361逐渐与镶套14的第一斜面141脱离，在第一斜面141与第二斜面1361脱离初期，节流阀1的流通面积仅为阀头133的连通开口1331顶部的小三角形，此时的流通面积较小，只有少量的流体能够通过节流阀1。当阀头133移动到一定高度，第一斜面141与第二斜面1361之间的距离逐渐增大，节流阀1的流通面积开始增大，内部的流体的流量也逐渐增大。在此过程中，通过节流阀1的流体的流量是逐渐增大的，能够保护阀头133与镶套14，避免一次涌入大量流体对节流阀1内部进行冲刷而使其损坏。

节流阀1关闭过程中，阀头133逐渐下落，阀头133与阀座间的流通面积逐步减小，直至节流阀1完全关闭。为避免流体介质从阀杆132与阀壳11之间的环腔进入阀头133，造成流体介质泄漏，使密封圈136的第二斜面1361与镶套14的第一斜面141贴合对节流阀1进一步密封，防止节流阀1出现泄漏。

并且，如图4所示，在本申请实施例中，设置有固定环槽1332，并延长了固定环槽1332的长度，能够增加气体导向和缓冲，使其在开井过程中更加稳定。示例性地，阀头133采用硬质合金，有良好的耐冲刷能力，阀头133下方的连通开口1331，能够提升节流阀1对流体流量与压力控制的精度。在固定环槽1332内侧的内壁上设置有两个径向对称的防转槽1333，防转槽1333能够防止阀头133在被阀杆132带动轴向移动的过程中发生转动。

本说明书中的各个实施方式采用递进的方式描述，各个实施方式之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施方式重点说明的都是与其他实施方式的不同之处。

以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对本申请限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种开关井计量节流装置，其特征在于，包括节流阀（1）、压力测量装置（2）、温度测量装置（3）与控制机构（4）；

所述节流阀（1）开设有进口（112）与出口（111）；

所述节流阀（1）包括阀壳（11）、驱动机构（12）、调节机构（13）和镶套（14）；

所述阀壳（11）上设置有所述进口（112）和所述出口（111）；

所述驱动机构（12）与所述控制机构（4）电连接，并与所述调节机构（13）传动连接，被配置为在所述控制机构（4）的控制下驱动所述调节机构（13）移动；

所述调节机构（13）安装于所述阀壳（11）内，当所述调节机构（13）移动时调节所述进口（112）和所述出口（111）的连通开度；

所述镶套（14）安装于所述阀壳（11）的内壁；

所述调节机构（13）包括阀杆（132）和阀头（133）；

所述阀杆（132）与所述阀壳（11）的内壁间形成与所述进口（112）连通的环腔，且所述阀杆（132）的一端连接于所述驱动机构（12），所述阀杆（132）的另一端安装有所述阀头（133）；

所述阀头（133）开设有连通所述进口（112）和所述出口（111）的连通开口（1331），且位于所述镶套（14）内；

所述调节机构（13）还包括安装于所述阀杆（132），并位于所述阀头（133）外侧的密封圈（136）；

当所述节流阀（1）处于关闭状态时，所述密封圈（136）压紧所述镶套（14）；

所述镶套（14）的顶部设置有朝向外侧的第一斜面（141），所述密封圈（136）的底部设置有朝向内侧的第二斜面（1361）；

当所述节流阀（1）处于关闭状态时，所述第一斜面（141）与所述第二斜面（1361）贴合密封；

所述调节机构（13）还包括固定圈（137），所述固定圈（137）具有向内侧延伸的压紧凸台（1371）；

所述固定圈（137）安装于所述阀杆（132）的远离所述驱动机构（12）的端部，且所述压紧凸台（1371）与所述阀杆（132）的端面夹紧所述密封圈（136）；

所述压力测量装置（2）连通于所述节流阀（1）的所述进口（112）和所述出口（111），被配置为监测所述节流阀（1）的前后压差以及阀前和/或阀后压强；

所述温度测量装置（3）连通于所述节流阀（1）；

所述控制机构（4）电连接于所述压力测量装置（2）和所述温度测量装置（3），被配置为：接收远程控制信号并根据所述远程控制信号控制所述节流阀（1）的开度；获取所述压力测量装置（2）的和所述温度测量装置（3）的监测结果，并根据所获取的监测结果确定质量流量和/或体积流量；

所述质量流量的计算公式为，所述体积流量的计算公式为；式中，Q_m为所述节流阀（1）的质量流量，Q_v为所述节流阀（1）的体积流量，A为所述节流阀（1）的流通面积，ρ为根据所述温度测量装置（3）的监测结果确定的通过所述节流阀（1）的流体的介质密度，ΔP为所述节流阀（1）的前后压差，α为根据所述节流阀（1）的开度拟合的通过所述节流阀（1）的流体的流量系数；

其中，，式中，A为所述节流阀（1）的流通面积，A_底部为所述节流阀（1）底部的流通面积；

，

，式中，/>为液相流体的流量系数，/>为气相流体的流量系数，K为所述节流阀（1）的开度。

2.根据权利要求1所述的开关井计量节流装置，其特征在于，所述连通开口（1331）为三角形。

3.根据权利要求1所述的开关井计量节流装置，其特征在于，所述阀杆（132）的远离所述驱动机构（12）的端部开设有安装槽（134），且所述阀头（133）可拆卸连接于所述安装槽（134）的内壁。

4.根据权利要求3所述的开关井计量节流装置，其特征在于，所述阀头（133）的位于所述安装槽（134）内的部分开设有固定环槽（1332）。

5.根据权利要求4所述的开关井计量节流装置，其特征在于，所述调节机构（13）还包括对开环（135），且所述对开环（135）设置有外螺纹；

所述对开环（135）安装于所述固定环槽（1332）内并与所述安装槽（134）的内壁螺纹连接。