CN105008657B - 降低空蚀的油田节流装置 - Google Patents

Abstract

一种降低由于高压流体经过节流装置而产生的空蚀和/或闪蒸的节流装置(10)，包括具有高压入口端口(14)和低压出口端口(16)的壳体(12)，以及被定位在壳体内并具有用于流体从其中通过的通路的罐笼(18)。多个珠子(30)各自被定位在罐笼中，使得流体在通过罐笼时在罐笼和珠子之间以及在珠子之间流动。通过流体流经罐笼而降低流体压力，从而减少空蚀。

Description

降低空蚀的油田节流装置

相关申请的交叉引用

本申请要求提交于2012年3月14日，序列号第61/610,622号，发明名称为“ReducedCavitation Oilfield Choke”的美国临时申请的利益。

关于联邦政府赞助的研究或研发的声明

不适用。

参考附录

不适用。

背景技术

几十年来在油田的操作中一直使用节流装置(choke)来降低高压流动流体的流体压力，该高压流动的流体通常包含显著降低节流装置有效寿命的固体和/或化学物质。节流装置的寿命还会由于在高压流体减压时发生的空蚀(cavitation)和/或闪蒸(flashing)而显著降低。

为降低节流装置中的空蚀和闪蒸已经做出了各种尝试。可使用多个同心罐笼(cage)或多个堆叠的盘来限定出穿过节流装置的曲折路径，但是这样的设计的制造成本非常昂贵。在例如Weir Power & Industrial的用于它们的X-Stream节流装置的小册中公开了堆叠盘。制造从盘面延伸具有直径变化的交错圆柱体的多个盘的高成本是这些设计的显著缺陷。

通过本发明克服了现有技术中的缺陷，在下面公开了一种改进的降低空蚀的油田节流装置。

发明内容

在一个实施例中，降低由于高压流体通过节流装置产生空蚀和/或闪蒸的节流装置包括：具有高压入口端口和低压出口端口的壳体，以及被定位在壳体内并具有用于流体从其中穿过的通路的罐笼。多个珠子被各自定位在罐笼中，使得流体在通过罐笼时在罐笼和珠子之间以及珠子之间流动。通过流体流经罐笼降低了流体压力，从而降低了空蚀。

本发明提供了一种降低由于高压流体通过节流装置而产生的空蚀和/或闪蒸的节流装置，包括：壳体，其具有高压入口端口和低压出口端口；一个或多个罐笼，其被定位在壳体内，并具有将流体接收至罐笼内的一个或多个入口端口，以及使流体离开罐笼的一个或多个出口端口；致动器；流动控制器，其连接至致动器，并被配置成至少部分地阻断进入至少一个罐笼的入口端口；以及，多个珠子，其被定位在珠子罐笼内，使得流体在经过珠子罐笼时，在珠子罐笼和多个珠子之间以及珠子之间流动，并且在流体流经珠子罐笼时降低流体压力。

根据以下详细的说明，本发明的这些的和进一步的特征以及优点将变得显而易见，其中将对随附的附图进行参考。

附图说明

图1是节流装置的一个实施例的横截面视图。

图2是节流装置的可选实施例的横截面视图。

图3是节流装置的另一个实施例的横截面视图。

具体实施方式

参考图1，节流装置10包括壳体12，其具有高压入口端口14和低压出口端口16。罐笼(cage)18被定位在壳体内并具有用于使流体从其穿过的内部通路19。节流装置座20可被螺纹连接至壳体12，并且罐笼18可被收缩配合或以其它方式固定至节流装置座。在图1中，流体穿过壳体12的侧面进入并流动至在流动控制器(诸如控制套筒)24和罐笼18之间环形区域22中。套筒24可相对于罐笼轴向地上下移动以分别打开或关闭在罐笼侧面的多个端口26中的各自端口。在图1中，附图的左侧示出了完全关闭的套筒，而附图的右侧示出了完全打开的套筒。当套筒暴露出端口26时，流体流入罐笼并流至节流装置底部，然后流出端口16。帽36封住套筒24的上端部，并且密封圈38在套筒24的上端部处将帽和杆40之间密封。螺母42螺纹连接至壳体12并使帽36稳定。端口26可以射流的形式引导流体，其被引向并冲击罐笼18内的其它射流，从而增加了使流体减速且无空蚀的有用阶段。

依据本发明，可通过在罐笼内提供珠子30而显著降低空蚀。这些珠子可由碳化钨，或其它耐磨损和/或耐化学腐蚀的材料制成。可使珠子30有效地填满罐笼18的内部。并且可在进行任何其它热处理操作之前烧结至罐笼上。一旦将珠子填满罐笼，可将帽28放置到罐笼18的顶部上，从而稍微压挤在罐笼内的珠子30。然后罐笼和多个珠子可通过热等静压操作(HIP)被烧结以形成其中珠子彼此结合并被结合至罐笼的单个一体单元。随着高压流体在珠子之间并围绕珠子流过曲折的路径，能量被耗散，使得在节流装置中没有单个压力下降阶段使流体压力下降至产生空蚀或闪蒸的点以下。这些珠子也没有对腐蚀流体呈现任何尖角，其而可能迅速磨损和缩短减压件(trim)的有效寿命。通过提供由碳化钨制成的珠子，对这些珠子的化学腐蚀明显降低。与现有技术的设计相比，在罐笼内使用珠子显著降低了节流装置的制造成本。

图2是节流装置的可选实施例，其中，与图1中讨论的实施例功能相似的部件在图2中具有相同的附图标记。像图1那样，附图的左侧示出了完全关闭的套筒，而附图的右侧示出了完全打开的套筒。在图2的实施例中，包围珠子30的罐笼18在喷射罐笼52的下游，喷射罐笼接收来自端口14的流体并使流体通过端口54进入喷射罐笼52的内部56。如前面所讨论的，端口54优选地为放射状地偏置(radially offset)，使得被引至中心线58的冲击射流理想地遇到类似的射流，结果是一些流体被引至罐笼52的上端板60，且流体速度明显降低而没有空蚀或闪蒸。

因此图2的设计使用了喷射罐笼52以接收通路56中的流体，并使流体通过罐笼18的顶部28中的端口26。流体经过珠子30并通过多个排放端口16离开。图2的设计对于一些应用是优选的，这是因为与图1中的设计相比，附加的减速阶段降低了在珠子30上的拖曳(drag)。

图3是节流装置的另一个实施例的横截面视图。节流装置10的一部分类似于图2中的实施例，并且在图2实施例中所讨论的相似的部件在图3中具有相同的附图标记。像图2那样，附图的左侧示出了完全关闭的套筒，而附图的右侧示出了完全打开的套筒。节流装置10包括以上所说明的阀部件，以对从高压入口端口14通过节流装置而流出低压出口端口16的流体流动进行节流。手动式或动力驱动的致动器可使带有流动控制器(例如控制套筒24)的阀杆40升高或者降低，以不覆盖、部分覆盖，或完全覆盖喷射罐笼52的入口端口54，从而不阻断、部分阻断，或者完全阻断流入喷射罐笼52内部56的流体。顶帽28的端口26可使流体从喷射罐笼的内部流至珠子罐笼18中。

流体流动可围绕珠子罐笼的入口锥形部64流遍珠子30。珠子罐笼30可在其内直径68的基本全部的长度上形成螺纹。非限制性地且仅作为示例，可使用具有每英寸4个或更少螺纹的粗牙螺纹，例如ACME型螺纹。在珠子被安装在珠子罐笼内以后，与内直径68具有匹配螺纹的盖，例如端部插塞(plug)66，可被螺纹连接至珠子罐笼18中。正如对于一个本领域普通技术人员将显而易见的，也可使用除螺纹插塞以外的其它类型的盖，且插塞是示例性的。出口端口16可在端部插塞66中形成以使流体以相对于喷射罐笼52内部56的压力被降低的压力流出珠子罐笼。通过端口16离开珠子罐笼18的流体然后可流入低压出口端口16并流出节流装置10。

端部插塞66的位置可沿着珠子罐笼18的螺纹内直径68进行调整。这种可调整性使得进入珠子罐笼的珠子的不同装载量能够产生针对不同流量一性能范围内的节流，同时能够使用相同的减压件结构。进一步地，如果珠子罐笼被固体或其它杂质堵塞，珠子罐笼可在安装现场中被拆下并清洗。这种可调整性可进一步使得端部插塞被充分拧紧以使珠子罐笼中的珠子之间的自由空间被压缩，以使珠子表面之间保持接触，并限制从其中穿过的流体的不期望的流动路径。

螺纹内直径68解决了现有技术中另一个持续的挑战。节流装置的一个问题是围绕内直径68的表面的不期望的流体流动，使得流体绕过而未充分与珠子表面接触。典型地，流体流经的是阻力最小且围绕内直径68具有平滑表面的路径，流体流动能够沿内直径的平滑壁增加，因此，降低了节流装置降低压力的效率。与此相反，本发明在内直径68上提供了粗糙表面。术语“粗糙的”意图被广义地理解，并包括否则原本光滑的表面的多种变形，包括螺纹、通道、多孔，以及其它表面阻断。在至少一个实施例中，该粗糙表面是通过在内直径上的螺纹表面形成的。螺纹表面提供了粗糙的表面，其抑制流体流动的能力并导致与流体更多接触。内直径的全部长度都可形成螺纹以提供被粗糙化的最大表面积。但是，较少量的内直径表面可通过形成螺纹而被粗糙化。此外，内直径的一部分68A可形成螺纹以用于端部插塞66，且内直径的另一部分68B可不形成螺纹而被粗糙化。被粗糙化的部分68B可包括被***珠子罐笼的可选粗质衬垫68C，珠子可被安装至其中并然后用与螺纹接合的端部插塞66盖住，以压缩具有珠子的珠子罐笼的空间，并将珠子固定到位。

多个珠子提供了降低流体压力而无空蚀的期望效果。可使用具有或不具有锋利边缘的各种几何形状的珠子来填充罐笼，并提供穿过节流装置的期望的曲折的流动路径。例如，固体形状可以是但不限于球形，例如圆形、长圆形，或椭圆形配置，或可使用它们的任意组合。这些珠子可以是球体、卵石或岩石，或光滑或粗糙带锋利边缘，或可被包装成一个或多个罐笼的其它物体，以形成迂回流动路径，在其流过罐笼时减少流体压力，并因此，广义地使用的术语“珠子”涵盖了全部这样的物体。同样地，如以上所讨论的设计将珠子有效地固定在罐笼内，使得单个珠子不能随时间推移而相对于罐笼移动，珠子在罐笼内移动将很可能对减压件的寿命有损。此外，不同直径的珠子会更加阻碍流体流动，而可优选用于某些应用。珠子的直径还可作为它们在通过罐笼的流动通路中的位置的函数而改变。在其它应用中，在罐笼内提供珠子并使用盖来压缩珠子可能是足够的，正如以上所讨论的，而不用使用烧结的或其它操作来将珠子彼此结合并结合至罐笼上。对于全部实施例，珠子还可由不锈钢或其它金属，或由玻璃或陶瓷形成，并可通过环氧树脂或其它粘合剂被彼此粘结。

虽然在此已经比较详细说明了本发明的特定实施例，但是这仅是为了说明本发明不同方面的目的而进行的，而不是像随附的权利要求书中所限定的那样为了限制本发明的范围。那些本领域技术人员将理解的是，所示出的和说明的实施例是示例性的，在不背离本发明范围的情况下，在实现本发明时可进行各种其它的替换、备选和修改，包括但不限于本文特别讨论的那些设计实施例。

Claims (12)

1.一种降低由于高压流体通过节流装置而产生的空蚀和/或闪蒸的节流装置，包括：

壳体，其具有高压入口端口和低压出口端口；

至少一个罐笼，其被定位在所述壳体内，并具有将流体接收至所述罐笼中的一个或多个入口端口以及允许流体离开所述罐笼的一个或多个出口端口，其中，所述至少一个罐笼包括珠子罐笼；

致动器；

可移动的流动控制器，其被连接至所述致动器并被配置成至少部分地阻断进入所述珠子罐笼中的所述入口端口，以及

多个珠子，其被定位在所述珠子罐笼内，使得流体在通过所述珠子罐笼时在所述珠子罐笼和所述多个珠子之间以及在所述珠子之间流动，并且在流体通过所述珠子罐笼时流体压力被降低，

其中所述流动控制器被布置在所述壳体和所述珠子罐笼之间，使得当所述流动控制器将入口端口暴露于所述珠子罐笼时，流体流过所述流动控制器，流入所述珠子罐笼并通过所述珠子到所述低压出口端口。

2.如权利要求1所述的节流装置，其中，所述流动控制器包括控制套筒，所述控制套筒能随着所述致动器轴向移动，以打开和关闭进入所述珠子罐笼的所述入口端口。

3.如权利要求2所述的节流装置，还包括喷射罐笼，所述喷射罐笼被布置在所述壳体中在所述珠子罐笼的上游，其中所述喷射罐笼的入口端口接收来自所述高压入口端口的流体，并且所述喷射罐笼的出口端口使流体流入所述珠子罐笼，其中，所述喷射罐笼的内部通过所述喷射罐笼的所述出口端口与所述珠子罐笼的内部流体连通。

4.如权利要求3所述的节流装置，其中，所述喷射罐笼的至少一个入口端口被定位在所述喷射罐笼的侧面上，并与另一个入口端口径向相对，使得来自所述侧面入口端口的喷射流束在所述套筒内碰撞。

5.如权利要求1所述的节流装置，进一步包括盖，所述盖可移除地固定至所述珠子罐笼以将所述多个珠子保持在所述罐笼中。

6.如权利要求5所述的节流装置，其中，所述盖与所述珠子罐笼可调节地接合，以对于所述节流装置的不同流动范围压挤被加载到所述珠子罐笼中的各种数量的珠子。

7.如权利要求1所述的节流装置，其中，所述珠子罐笼的内直径的长度的至少一部分上形成螺纹，并且可移除地固定至所述珠子罐笼以将所述多个珠子保持在所述罐笼中的盖形成有相匹配的螺纹。

8.如权利要求5所述的节流装置，其中，所述珠子罐笼的所述出口端口形成在所述盖中。

9.如权利要求1所述的节流装置，其中，所述罐笼被收缩配合至节流装置座上，所述节流装置座被固定至所述节流装置的壳体。

10.如权利要求1所述的节流装置，其中，所述珠子被彼此结合并被结合至所述罐笼上。

11.如权利要求3所述的节流装置，其中，所述珠子通过烧结操作彼此结合并被结合至所述罐笼上。

12.如权利要求1所述的节流装置，其中，所述珠子为球形。