CN1238649C - 流体控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种流体控制系统，其包括：一屏罩，其具有一入口通道、一其部分形成出口通道的轴向孔和一室；一节流部件，其适合于在上述屏罩内运动以控制流体从上述入口通道至上述出口通道的流动，该流体对该节流部件的一端施加力；一控制流体源，其与上述室连接使得该控制流体，以对上述入口通道的上述流体施加背压的方式，对上述节流部件的另一端施加相等的力以控制上述屏罩内的上述节流部件的位置；阀帽，其固定于与出口通道相对的屏罩的端部，且具有延伸入轴向孔的柱形部，该柱形部包括一个环形唇缘；一心轴，其固定于上述屏罩并在上述孔的另一部分延伸；以及一梭动件，其连接于上述节流部件并滑动地安装于上述孔的另一部分内的上述心轴上；一垫片，其与所述梭动件连接，并从该梭动件径向地向外突出，该垫片的外表面在上述室内移动并与该环形唇缘配合，以限制一用于上述室内的流体的限制区域，用于阻尼上述节流部件的运动。

Description

流体控制系统

                        技术领域

本发明涉及用于控制流体流动和流体压力的系统及方法，更具体而言，涉及这样一种系统和方法，即根据其设置一自动地移动以控制系统内的流体流动的节流器，并在系统内无论存在或发生什么流动条件都维持一期望的背压。

                        背景技术

有许多需要控制系统内流体流动的背压的应用场合。例如，在钻油井的钻探中，通常在井孔中悬挂一钻管，在其下端带有钻头，当使钻头旋转时，使钻探流体如钻探泥浆循环，向下穿过钻探钻具的内部，穿出钻头，向上穿过井孔的环道直至表面。维持这种流体循环目的是，用于从井孔去除钻屑，冷却钻头，以及维持井孔内的静液压力以控制生成气体，防止井喷等。在这些情况下，钻探泥浆的重量不足以维持钻井内的底部钻孔压力，有必要对表面的钻探泥浆施加额外的背压，以补偿缺乏静液头，从而使钻井保持在控制之下。这样，在一些示例中，在回流线上安装用于钻探流体的背压控制装置。

背压控制装置，对控制由盐水或生成气体注入钻探流体引起的系统内的、会导致井喷的冲击也是必要的。在这些情况下，足够的额外背压必须施加于钻探流体，使得生成气体得到遏制和控制钻井，直至可使较重的流体或泥浆向钻探钻具下循环，向上至环道以熄灭钻井。还希望避免产生过量的背压，其可能使钻探钻具粘附，或损坏构造、钻井外壳，或钻井头设备。

然而，当钻探流体通过背压控制装置时，钻探流体一定特征的变量使维持对钻探流体的最佳背压复杂化。例如，杂质或生成气体的导入可以改变流体的密度，和/或进入控制装置的流体的温度和体积会变化。因此，直到在钻探流体的节流处获得响应这些变化条件的合适变化，才可实现期望的背压。一般，传统装置要求手动控制和调节节流装置孔，以维持期望的背压。然而，手动控制节流装置涉及滞后期，且一般不准确。

委托给本发明的受让人的美国专利4,355,784公开一种用于控制上述环境下的钻探流体的背压的设备和方法，其阐述了上述问题。根据该装置，一平衡节流装置在屏罩内移动以控制钻探流体的流动和背压。节流装置的一端受到钻探流体的压力，另一端受到控制流体的压力。然而，在该设计中，当节流装置响应钻井流体压力的增加或控制流体压力的减小从其闭合位置移向开启位置时，其经常移动太快又太远，于是经常越过其正常操作位置。这能引起压力峰值，和/或允许钻井表面附近的大量气体排出该装置，这两者都不利。

因此，就需要一种其结合有上述专利所公开的系统的所有优点的方法和系统，其用于控制流动流体的背压，仍在该节流器从其关闭位置移向开启位置时减小任何压力峰值和气体排出。

                        发明内容

因此，提供一种系统和方法，据此在屏罩内形成入口通道和出口通道，节流部件可在屏罩内移动以控制流体从入口通道至出口通道的流动，还向该流体施加背压。使该节流部件从完全关闭位置至开启位置的运动受到阻尼。

节流装置自动地操作以维持对流动流体的预定背压，尽管流体条件有变化。另外，在关闭和开启穿过该系统的流体流动的过程中，可以实现将背压精确地控制在期望压力值。进一步，当节流装置从关闭位置移至开启位置时，消除大的压力峰值和/或起始流体波动。

本发明提供一种流体控制系统，其包括：

一屏罩，其具有一入口通道、一其部分形成出口通道的轴向孔和一室；

一节流部件，其适合于在上述屏罩内运动以控制流体从上述入口通道至上述出口通道的流动，该流体对该节流部件的一端施加力；

一控制流体源，其与上述室连接使得该控制流体，以对上述入口通道的上述流体施加背压的方式，对上述节流部件的另一端施加相等的力以控制上述屏罩内的上述节流部件的位置；

阀帽，其固定于与出口通道相对的屏罩的端部，且具有延伸入轴向孔的柱形部，该柱形部包括一个环形唇缘；

一心轴，其固定于上述屏罩并在上述孔的另一部分延伸；以及

一梭动件，其连接于上述节流部件并滑动地安装于上述孔的另一部分内的上述心轴上；

一垫片，其与所述梭动件连接，并从该梭动件径向地向外突出，该垫片的外表面在上述室内移动并与该环形唇缘配合，以限制一用于上述室内的流体的限制区域，用于阻尼上述节流部件的运动。

                        附图说明

图1-3和4是根据本发明的实施例的系统的剖视图，示出不同操作模式；

图2是图1的局部放大视图；

图5类似图2，但示出本发明的可选实施例。

                        具体实施方式

参照图1，一般，参考数字10指根据本发明的实施例的背压控制系统。系统10包括屏罩12，其具有从其长度延伸穿过的轴向孔14和排放端14a。径向延伸入口通道16也形成于屏罩12，并孔14交叉。可以理解，可在孔14的排放端14a和通道16的入口端设置连接凸缘等(图中未示)以将它们连接于合适的流动线路。将来自下孔钻井的钻探流体导入入口通道16，穿过屏罩12，一般从孔14的排放端排出用于再循环。

阀帽18固定于与孔14的排放端14a相对的屏罩12的端部。阀帽18的截面基本为T形，并具有延伸入屏罩的孔14的柱形部18a。密封环19在形成于阀帽部18a的外表面的凹槽中延伸，并与屏罩12的相应表面接合。阀帽18也包括交叉部18b，交叉部与柱形部18a正交延伸并以任何传统方式紧固于屏罩12的相应端。

心轴20固定于阀帽18的端部，密封环22在心轴的外表面和阀帽的相应内表面之间延伸。杆件30滑动地安装于穿过心轴20延伸的轴向孔中，密封环32在形成于心轴的限定后一孔的内表面的凹槽中延伸。在杆件30在待述条件下的心轴20的孔中滑动时，密封环32与杆件30的外表面接合。杆件30的一端部从心轴20和阀帽18的相应端突出，杆件30的另一端从心轴20的另一端突出并凸入孔14。

以任何已知方式将垫圈34安装于杆件30的后端，并夹持于其功能下述的两扣环35a和35b之间。柱形节流部件36置于孔14中，其一端与垫圈34贴靠。图1示出处于完全关闭位置的节流部件36，并在孔14与入口通道16交叉处延伸以控制流体从后者流向前者，如下所述。

柱形梭动件40滑动地安装在心轴20之上，密封环42在形成于心轴的外表面的凹槽中延伸并与梭动件的相应内表面接合。类似地，密封环44在形成于梭动件40的外表面的凹槽中延伸，并与屏罩12的相应内表面接合。梭动件40具有其与屏罩12的内表面一起限定流体室46a的直径减小部40a。另一流体室46b限定于心轴20的外表面和阀帽部18a的相应内表面之间。室46a、46b连通并容纳来自形成于阀帽18的通道48a控制流体。可以理解，通道48a与液压系统(未示)连接用于循环进出通道的控制流体。在本文中，将控制流体在预定期望的设定点压力下导入通道48a，从而进入室46a、46b，该点压力如由设定点压力调节器确定，由置于相关控制台的仪表测量。由于压力调节器、仪表和控制台是传统的，在此不再描述和图示。

控制流体进入室46a、46b，并动作抵抗梭动件40的相应的露出端部。将梭动件40设计成可移动，以便来自室46a、46b的、具有对梭动件的相应露出端部作用的预定设定点压力的控制流体引起的压力，与由通道16中的、对梭动件的另一端的相应露出端部和保持器50作用的钻探流体的压力引起的力相等。这样，梭动件40一般处于平衡状态，如下所述。

通道48b也穿过阀帽部18形成，用于在操作前使系统通过放泄阀或类似物(未示)放气。

梭动件40具有外部攻有螺纹、直径减小的端部40b，其在节流部件36的部分之上延伸。密封环49在形成于端部40b的内表面的凹槽内延伸，并与节流部件36的相应外表面接合。一个内部攻有螺纹的调整螺母螺纹地与梭动件40的端部40b接合，并在形成于节流部件36的环形凸缘36a之上延伸，以将节流室夹持于梭动件。梭动件40也具有两形成于其内直径的间隔凹槽，用于容纳扣环35a、35b。因此，梭动件40在下述条件下的固定心轴20之上的轴向运动，引起节流部件36的响应轴向运动，从而引起垫圈34和杆件30的运动。

两柱形衬套54a、54b设置在孔14的与通道16相交的下游。节流座56也置于衬套54b的上游的孔中，密封环58在形成于节流座的外表面的凹槽中延伸，并与屏罩12的内表面的相应部接合。通过静止调整部件60将节流座56保持于孔14中，从而也将衬套54a、54b保持于其中，通过扣环61将该节流座保持于形成于屏罩12的内表面的凹槽中。衬套54a、54b和节流座56限定屏罩12的孔14中的排放通道62，该通道从孔14与通道16的交叉处延伸至孔14的排放端14a。使节流座56的内部直径相对节流部件36的外直径的尺寸成以较紧配合将其容纳，如下所述。

如图2所示，使梭动件部40a的端部降低至较小直径，垫片66贴靠如此形成的台肩。扣环68在形成于后端部的环形凹槽中延伸，并顶着台肩保持垫片66。垫片66的外径向部径向地从梭动件部40a的外表面向外延伸。环形唇缘18c从阀帽部18a的端部径向地向内延伸，并使其尺寸成以限定其与垫片之间的限制空间，又允许垫片稍有间隙地穿过唇缘。

这样，当梭动件40相对心轴20和阀帽18在下述条件下移动时，垫片66穿过由唇缘18c限定的圆形空间。由于在垫片66的外表面和唇缘18c的内表面之间的圆形空间内有控制流体，使梭动件40的随后运动受到阻尼，即产生阻尼效应。这由于下述原因防止梭动件40过快运动。

在操作中，假定节流部件36位于其最大开启位置，如图3所示。在该位置，“节流”区域，即节流部件36的端部和节流座56之间的区域，大于排放通道62的区域。这样，当钻探流体穿过入口通道16和排放通道62，从屏罩12排放用于再循环时，对其没有施加有背压。

当由于上述原因希望对通道16的钻探流体施加背压时，在上述预定设定点压力下，将来自上述外源的控制流体到入通道48a，这样就进入室46a、46b。当钻探流体从正在钻探的钻井通过入口通道16，进入屏罩12时，由节流部件36相对节流座56的轴向运动控制入口通道16和排放通道之间有效开口或通道。该设计是这样的，即设定点压力使节流部件从图3的最大开启位置移向图4的标准操作位置。在后一位置，节流部件36节流入口通道16的流体，从而对通过钻井孔延伸回的后一流体产生背压。这直至入口通道16中出现流体压力，其以与由室46a、46b的控制流体的压力作用于梭动件另一端的相同的力对梭动件40的相应端作用。节流部件36的该平衡条件是图4所示的标准操作位置。在该位置，维持一在节流部件36和节流座56的相应端部之间非常小的空隙，其允许相对小数量的钻探流体流入排放通道62而维持上述背压。

鉴于上述梭动件40的平衡条件，节流部件36，在钻探流体(如循环速度、密度、和温度)的条件下的任何变化，导致对梭动件作用的后一流体的压力的相应变化，从而使梭动件移动直至建立新的平衡条件。这样，系统10建立并维持对钻探流体的预定背压，尽管其特征有变化。

当然，通过仅仅将室46a、46b的控制流体的压力升高至高于预定设定点压力的值，可使梭动件40，进而使节流室36移至图1的完全关闭位置。这样沿图中所示的从右至左的方向驱动梭动件40，进而驱动节流部件36，直至节流部件完全抵达关闭位置，在该位置阻塞从入口通道16至排放通道12的流体流动。

如果希望将梭动件40，进而将节流部件36，从图1的关闭位置移至图4的标准操作位置，把室46a、46b的控制流体的压力降至预定设定点压力值(或增加入口通道16的钻探流体的压力)。这使梭动件40沿图中所示的从左至右的方向移动，从而使入口通道16与排放通道62连通，使钻探流体从前者流向后者。这后一流动会增加钻探流体的压力，直至其与室46a、46b的控制流体的设定点压力相等和该系统处于其上述标准平衡操作位置。这样，一旦设定该设定点压力，控制台控制系统自动地从系统10供给或提取流体，以允许梭动件40移至合适的位置来控制设定点压力。

在梭动件40，进而节流部件36从图1的关闭位置至图4的标准操作位置的运动过程中，如上所述，垫片66穿过由阀帽18的唇缘18c限定的圆形空间。由于在垫片66的外表面和唇缘18c的内表面之间的限制环形空间有控制流体，梭动件40的后一运动，进而节流部件36受到阻尼，即产生阻尼效应。这防止梭动件40的过快运动，于是去除流体的任何峰值和/或启始波动，如果不阻尼该运动，其很可能发生。

梭动件40的所有上述运动引起垫圈34和杆件30的相应运动。于是，杆件30从屏罩12突出的局部长度从而变化，这样提供节流部件36相对节流座的相对位置的指示，因此提供流体节流和背压的指示。

在入口通道16有大的压力跌落或希望关闭钻探流体的循环的情况下，节流部件36移动，或使其移动至图1的其关闭位置以终止所有的穿过屏罩12的流动。

上面所述有下述一些优点。例如，系统10自动地操作以维持对钻探流体的预定背压，尽管流体条件有变化。另外，在上述节流部件36的关闭和开启过程中，实现把背压非常精确控制在期望压力值。进一步，如上强调，当节流部件36从关闭位置移至开启位置时，降低钻探流体的任何压力峰值和/或启始波动。仍进一步，任何会阻塞通道16的杂质都会增加钻探流体的压力，使梭动件40，进而使节流部件36移动以增加两通道之间的连通，而将后一压力维持在设定点压力，从而至少使部分杂质排放。此外，可使垫片66或梭动件部40c的尺寸改变以相应地改变阻尼特性。

图5示出本发明的一可选实施例。根据该实施例，用形成于梭动件部40a的端部的端部40c代替前述实施例的垫片66。端部40c整体地与梭动件部40a形成，并最好由相同的原料加工成。端部40c径向地从梭动件部40a的外表面向外突出，其功能与垫片66相同，即其与阀帽18的唇缘配合以用上述的方式阻尼梭动件40的运动。

可以理解，可对上述内容进行变动，而不超出本发明的范围。例如，本发明并不局限于油田环境的钻探流体的过程，但是等同地可应用于涉及流体流动的控制和将背压施加于其的过程。

由于可对上述公开内容进行修改、更改和代替，可以理解，将后附权利要求广泛地和以与本发明的范围一致的方式解释。

Claims (9)

1.一种流体控制系统，其包括：

一屏罩，其具有一入口通道、一其部分形成出口通道的轴向孔和一室；

一节流部件，其适合于在上述屏罩内运动以控制流体从上述入口通道至上述出口通道的流动，该流体对该节流部件的一端施加力；

一控制流体源，其与上述室连接使得该控制流体，以对上述入口通道的上述流体施加背压的方式，对上述节流部件的另一端施加相等的力以控制上述屏罩内的上述节流部件的位置；

阀帽，其固定于与出口通道相对的屏罩的端部，且具有延伸入轴向孔的柱形部，该柱形部包括一个环形唇缘；

一心轴，其固定于上述屏罩并在上述孔的另一部分延伸；以及

一梭动件，其连接于上述节流部件并滑动地安装于上述孔的另一部分内的上述心轴上；

一垫片，其与所述梭动件连接，并从该梭动件径向地向外突出，该垫片的外表面在上述室内移动并与该环形唇缘配合，以限制一用于上述室内的流体的限制区域，用于阻尼上述节流部件的运动。

2.如权利要求1所述的系统，其中上述节流部件可在上述屏罩内的完全关闭位置和完全开启位置之间移至和移离完全关闭位置、完全开启位置和标准操作位置。

3.如权利要求2所述的系统，其中上述垫片阻尼上述节流部件从上述完全关闭位置的运动。

4.如权利要求2所述的系统，其中上述节流部件在上述关闭位置和上述标准操作位置向上述流体施加上述背压。

5.如权利要求1所述的系统，其中上述阀帽的环形唇缘凸向上述垫片以限定上述限制区域。

6.如权利要求1所述的系统，其中，还包括上述梭动件的一个突出部，该突出部的上述外表面在上述室内移动，并与上述阀帽的环形唇缘配合以限定用于上述室的上述流体的限制区域。

7.如权利要求6所述的系统，其中上述阀帽的上述环形唇缘凸向上述梭动件的上述突出部以限定上述限制区域。

8.如权利要求1所述的系统，还包括一穿过上述心轴延伸的杆件，该杆件的一端在上述屏罩外侧延伸，该杆件适合于响应上述梭动件的运动而轴向运动，使得上述杆件的上述端部的位置指示上述屏罩内的上述梭动件和节流元件的位置。

9.如权利要求1所述的系统，还包括节流座，用于容纳处于完全关闭位置的上述节流部件。

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