CN107940007A - 一种天然气开采用井口多级涡式调节阀 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种天然气开采用井口多级涡式调节阀，包括手轮、阀盖、阀体、阀顶盖、轴承顶盖、隔离套筒、盘根盒、多级涡式调节阀芯、柱塞阀杆、阀杆下填料、阀杆上填料；多级涡式调节阀芯安装在阀体内，由阀芯上套筒、阀芯下套筒共同配合定位；阀盖与阀体通过螺栓进行连接,多级涡式调节阀芯通过移动柱塞杆改变调节盘片工作数量从而调节流量，这种工作方式可以保证调节流量时保持良好的线性度。多级涡式调节阀在多级稳定降压节流调速的基础上，能够有效整合流体，降低流体湍流强度；多级涡式调节阀阀芯圆柱形阻碍板的配置使其在控制流体的过程中，大幅减轻壁面冲蚀，从而提高阀体的使用寿命；能够适应高压、侵蚀性流体、夹带砂粒以及其它机械杂质等复杂恶劣状况。

Description

一种天然气开采用井口多级涡式调节阀

技术领域

本发明涉及一种天然气开采领域的压力及流量调节用阀门，尤其涉及一种天然气开采用井口多级涡式调节阀，适用于固相杂质含量高、压差大等较为恶劣的工况环境。

背景技术

随着社会经济的不断发展和人们对环境保护问题的日益关注，天然气的使用消费量逐渐增加，天然气勘探开发力度也相应不断增强。在实际生产过程中，天然气井产出物中常含有泥砂、水合物、硫化氢等杂质，同时部分气井的地层压力很高，这些都使得天然气井井口节流阀经常处于磨砺性杂质、大压差、高流速等恶劣工况环境之下。正因为如此，从结构设计、材料选择、制造装配、质量检验、运行管理、维护检修等环节都对天然气井井口节流阀有较高要求。

针对人们是否在天然气开采作业过程中对井口流量和压力进行调整控制，天然气井口用节流阀可分为固定式和可调式两大类。现阶段可调式的使用量约占90％以上，并先后出现了针式(也称锥形)、柱塞式(也称外套筒式)和笼套式(也称内套筒式)等单级可调式结构和迷宫式、多级套筒式、串级式等多级可调式结构。

针式节流阀是最早用于井口节流阀的单级可调式结构，其阀杆顶部采用针型结构，阀座内孔设10°锥面的密封面与阀针配合实现密封，通过针形阀芯的轴向移动，来控制阀腔环空间隙面积的大小，从而达到调节流量和压力的目的。柱塞式节流阀是针形节流阀的一种变形，它是将针形节流阀针芯与型腔的配合改变成为柱塞与阀笼的配合。通过柱塞的轴向移动，改变阀笼孔上参与流通的孔道面积，从而达到调节流量和压力的目的。由于柱塞式节流阀的柱塞杆强度更高，因此不容易被高速、磨砺性气流冲蚀损坏。笼套式节流阀于1984年被提出，主要通过外笼套与内套筒的配合，使流体通过内套筒时将其具有的能量耗散，从而达到调节流量和压力的目的。与前两种单级可调式节流阀相比，其抗冲蚀性能更为优良，在恶劣工况下的使用寿命更长。目前，美国Cameron公司(现被Schlumberger集团兼并)、加拿大Master Flo Valve公司(玛特芙阀门)、美国Flowserve(福斯)公司都有成熟的笼套式节流阀产品。以美国Cameron公司的CC系列笼套式节流阀产品为例，其主要通过更换不同节流孔的套筒(如CC15、CC20、CC40型)来实现根据不同井口压力、温度等工况参数对流量进行调节的目的；CC系列节流阀产品还可更换HPHT笼套，用于需要对高温高压井口参数进行调节的场合。

尽管人们从内部结构设计、材料选择等方面进行了大量努力，但前述单级调节式节流阀仍然无法完全克服其固有的缺陷，亦即节流降压过程中往往会发生气蚀、冲刷、高噪音及管道振动等现象，致使调节性能下降。针对这一现象，此时人们往往更多地选用多级可调式节流阀。

根据阀芯结构特性，可用作于天然气井口节流阀的多级可调式节流阀常分为迷宫式、多级套筒式、串级式等几种。相比于单级可调式节流阀，其最大特征是阀芯具有多级流道，通过多级调节后的流体压力能够呈线性稳定下降，从而达到节流降压的效果。目前美国Control Components Inc(CCI)公司、美国Cameron公司、美国Flowserve公司、英国Kentintrol公司等都推出了各自的多级可调式节流阀。客观而言，虽然多级可调式节流阀能够适应高压差的工况条件，但现有产品在结构设计上也存在一些较为明显的缺点。如美国Cameron公司的MS-33型多级套筒式节流阀，通过柱塞与多个直径不同的套筒之间配合，促使流体达到多次节流效果，从而实现压力、流速的平稳过渡。MS-33型多级套筒式节流阀虽然大大减轻了冲刷、高噪音及管道振动等现象，但在有限的径向空间尺寸下，该节流阀的多个套筒式结构必然致使单个套筒的径向厚度过于单薄，从而严重影响了抗冲蚀强度。长期工作时，外侧套筒很容易发生磨损现象，从而降低阀芯寿命。美国Control ComponentsInc(CCI)公司生产的节流阀通过三维迷宫式流道，大大减轻了冲刷、高噪音及管道振动等现象，并具有一定的抗磨损能力。但客观而言，该节流阀仍然存在一些结构设计上的弊端，例如，当高压气井产出物含有大量细小杂质时，非圆滑迷宫式流道设计会使其产生严重堵塞问题，从而难以长时间稳定运行。

总的来看，当前的天然气开采作业往往存在着高压、侵蚀性流体、夹带砂粒以及其它固体杂质等复杂恶劣状况，随着人们对产品工作性能要求的不断提高以及油气开采行业自身降本增效、节能减排压力的逐步增大，现有的天然气井口调节设备难以很好地满足上述复杂恶劣状况，频繁更换或维修节流阀的传统做法已无法满足需求，为了维持油井生产效率、降低阀门维修成本，亟待创新开发出一种能够适应复杂恶劣工况的天然气井井口节流阀。

发明内容

本发明的目的是提供一种天然气开采用井口多级涡式调节阀。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的天然气开采用井口多级涡式调节阀，包括手轮、阀盖、阀体、阀顶盖、轴承顶盖、隔离套筒、盘根盒、多级涡式调节阀芯、柱塞阀杆、阀杆下填料、阀杆上填料；

所述阀顶盖与轴承顶盖间的轴承装配有锁紧定位螺钉，当锁紧定位螺钉拧紧时柱塞阀杆被限位；

所述柱塞阀杆包括上杆、下杆、柱塞体三个部分，主要与阀顶盖、隔离套筒、导向环、阀盖、盘根盒、阀芯上套筒、多级涡式调节阀芯接触，柱塞阀杆与阀顶盖通过螺纹装配，柱塞阀杆底部的柱塞体装配在所述多级涡式调节阀芯内；

所述阀体内部密封由盘根盒及填料共同配合密封，阀体的旁口为入口，底口为出口。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的天然气开采用井口多级涡式调节阀，适用于高压、多杂质工况的天然气井井口节流阀，在多级稳定降压节流调速的基础上，能够有效整合流体，降低流体湍流强度；阀芯圆柱形阻碍板的配置使其在控制流体的过程中，大幅减轻壁面冲蚀，从而提高阀体的使用寿命；能够适应高压、侵蚀性流体、夹带砂粒以及其它机械杂质等复杂恶劣状况。

附图说明

图1为本发明实施例提供的天然气开采用井口多级涡式调节阀的正视结构示意图。

图2a、图2b分别为本发明实施例提供的天然气开采用井口多级涡式调节阀的正三轴测图和半轴测剖视图；

图3为本发明实施例中多级涡式调节阀芯结构示意图；

图4a、图4b分别为本发明实施例中调节盘片零件俯视图和调节盘片和导杆装配示意图；

图5为本发明实施例中阀芯调节盘片节流原理图；

图6为本发明实施例中阀芯调节盘片多级流体整流示意图；

图7为本发明实施例中阀芯调节盘片柱型阻碍板壁面流线图；

图8为现有技术中常规多级节流流道与本发明实施例中由圆柱形阻碍板形成的节流流道对比图；

图9为本发明实施例中阻碍板部分变化结构示意图。

图中各标记如下：1-手轮、2-手轮装配销、3-阀顶盖、4-锁紧定位螺钉、5-轴承顶盖、6-隔离套筒、7-导向环、8-阀盖、9-盘根盒、10-阀芯上套筒、11-多级涡式调节阀芯、12-阀芯下套筒、13-下阀芯密封圈、14-阀体、15-泄压螺钉、16-上阀芯密封圈、17-阀体螺栓、18-密封垫环、19-阀杆下填料、20-阀杆上填料、21-圆柱销、22-阀盖装配销、23-轴承、24-油杯、25-手轮销、26-柱塞阀杆、27-上阀芯盖、28-阀芯上密封垫圈、29-调节盘片、30-导杆、31-下阀芯盖、32-阀芯下密封垫圈。

具体实施方式

下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

本发明的天然气开采用井口多级涡式调节阀，其较佳的具体实施方式是：

包括手轮、阀盖、阀体、阀顶盖、轴承顶盖、隔离套筒、盘根盒、多级涡式调节阀芯、柱塞阀杆、阀杆下填料、阀杆上填料；

所述阀顶盖与轴承顶盖间的轴承装配有锁紧定位螺钉，当锁紧定位螺钉拧紧时柱塞阀杆被限位；

所述柱塞阀杆包括上杆、下杆、柱塞体三个部分，主要与阀顶盖、隔离套筒、导向环、阀盖、盘根盒、阀芯上套筒、多级涡式调节阀芯接触，柱塞阀杆与阀顶盖通过螺纹装配，柱塞阀杆底部的柱塞体装配在所述多级涡式调节阀芯内；

所述阀体内部密封由盘根盒及填料共同配合密封，阀体的旁口为入口，底口为出口。

所述的多级涡式调节阀芯包括阀芯盖、阀芯上密封垫圈、调节盘片、导杆、下阀芯盖、阀芯下密封垫圈，所述阀芯盖与阀芯上套筒配合定位，所述下阀芯盖与阀芯下套筒配合定位。

所述阀芯上密封垫圈和阀芯下密封垫圈采用橡胶材质，下密封垫圈较上密封垫圈厚5～7mm，所述调节盘片的数目为10-15个，所述调节盘片由四根定位导杆共同配合定位。

所述的调节盘片具有多级圆柱形阻碍板，其阻碍板减压级数一般大于4级，且不超过10级，这些阻碍板沿中心轴对称布置，阻碍板由内而外体积逐级减小，递减系数为1.2-1.5，每一级阻碍板之间的间距d为：d＝π/4n×kD_L-D，其中，D_L为当前流道级数直径，k为导杆占用系数，D为圆柱形阻碍板的直径，n为单个区域阻碍板数量，相邻圆柱形阻碍板节流流道最小间距a约为：a＝[(d+D)/2]²+d_r ²-(d+D)d_rcos(π/4-πk/8n)-D(1+j)/2，其中，d为当前级数相邻阻碍板间间距，k为导杆占用系数，D为圆柱形阻碍板的直径，d_r为相邻两级圆柱形阻碍板所在圆的半径差，j为阻碍板递减级数，n为单个区域阻碍板数量。

所述的圆柱形阻碍板的每一级流道都具有沙漏形状结构，流体在阀体内经过多个沙漏形状结构，会产生多个涡流效应。

所述的阻碍板外形采用圆柱形、椭圆形、圆角四边形或月牙形结构。

本发明的天然气开采用井口多级涡式调节阀，适用于高压、多杂质工况的天然气井井口节流阀，由于该节流阀装配有能产生涡流的多级调节阀芯，因此称此类阀芯为多级涡式调节阀芯，称装配有此类阀芯的调节阀为多级涡式调节阀。多级涡式调节阀采用角式调节阀阀体，主要包括手轮、阀顶盖、轴承顶盖、隔离套筒、盘根盒、阀芯上套筒、多级涡式调节阀芯、阀芯下套筒、下阀芯密封圈、阀体、上阀芯密封圈、阀体螺栓、密封垫环、阀杆下填料、阀杆上填料、油杯、柱塞阀杆、密封垫圈、导杆、下阀芯盖等部件；其中多级涡式调节阀芯安装在阀体内，由阀芯上套筒、阀芯下套筒共同配合定位；阀盖与阀体通过螺栓进行连接；阀体的旁口为入口，底口为出口，二者均通过标准法兰连接天然气生产管路。

本发明的多级涡式调节阀芯是本发明的核心部件，通过移动柱塞杆改变调节盘片工作数量从而调节流量，这种工作方式可以保证调节流量时保持良好的线性度。所述调节盘片按圆心对称分为四个区域，每个区域包括装配定位导杆的区域和调节流体的区域。

在装配定位导杆的区域中，在其壁面中心处设有定位孔，相邻调节盘片通过定位孔装配定位导杆，所以调节盘片由四根定位导杆共同配合定位。

在调节流体的区域中，为加强阀体的抗冲蚀强度，由内而外依次设有多个圆滑的圆柱形板阻碍流体的流速及压力，阻碍板由内到外直径逐级递减。圆柱形阻碍板通过邻级之间互相配合会形成沙漏形状的节流流道，流体通过这些流道时，由于良好的流动特性可以极大程度地缓解死区的产生，从而降低流体湍流强度。由于调节盘片每一级均设置了多个圆柱形阻碍板，因此不会由于单个流道的塌陷或堵塞而对整个阀体形成损坏，从而使阀芯失效。

由本发明提供的上述技术方案可以看出，本发明有如下特点：

1.多级涡式调节阀在多级稳定降压节流调速的基础上，能够有效整合流体，降低流体湍流强度。

2.多级涡式调节阀阀芯圆柱形阻碍板的配置使其在控制流体的过程中，大幅减轻壁面冲蚀，从而提高阀体的使用寿命。

3.能够适应高压、侵蚀性流体、夹带砂粒以及其它机械杂质等复杂恶劣状况。

具体实施例：

如图1至图4b所示，多级涡式调节阀主要由手轮1、手轮装配销2、阀顶盖3、锁紧定位螺钉4、轴承顶盖5、隔离套筒6、导向环7、阀盖8、盘根盒9、阀芯上套筒10、多级涡式调节阀芯11、阀芯下套筒12、下阀芯密封圈13、阀体14、泄压螺钉15、上阀芯密封圈16、阀体螺栓17、密封垫环18、阀杆下填料19、阀杆上填料20、圆柱销21、阀体盖装配销22、轴承23、油杯24、手轮销25、柱塞阀杆26等部件组成。阀盖8与阀体14连接的阀体螺栓17为M44螺栓；手轮1与阀顶盖3通过平头键26连接；阀顶盖3与轴承顶盖5间的轴承23为角接触球轴承；盘根盒9、阀杆上填料10、阀杆下填料12共同配合阀杆与阀体的密封；阀芯套筒内下阀芯密封圈13和上阀芯密封圈16均采用O型密封圈；阀盖8和阀顶盖3之间装有定位销，盘根盒9和阀体14间装有密封垫环18用于密封；柱塞阀杆26的上杆、下杆、柱塞体这三个部分保持严格对中，下杆与上杆通过螺纹配合，末端装配柱塞体。柱塞体需保持工作状态下的密封性。

多级涡式调节阀芯11由上阀芯盖27、阀芯上密封垫圈28、调节盘片29、导杆30、下阀芯盖31、阀芯下密封垫圈32等组成；调节盘片29的本体厚度为10mm，为能够保持良好的调节能力，一般阀芯总高在100～150mm之间，本次实例高度为134mm；多级涡式调节阀芯的密封垫圈采用O型橡胶垫圈，分别装配在上、下阀芯盖内，下密封垫圈32较上密封垫圈28厚5～7mm，本次实例上下密封垫圈厚度分别选为4mm和10mm；调节盘片21数目一般为10-15个，本次实例采用数量为10个；调节盘片沿圆心分为4个区域，壁面区域设有4个定位孔用于装配定位导杆22，相邻调节盘片通过4根定位导杆共同配合定位。每个区域内都有4-7级圆柱形阻碍板，并呈轴心对称布置，本次实例采用5级控制；调节盘片中圆柱形阻碍板为保持阀芯密封性，并减少调节盘片加工成本，应保持圆柱形阻碍板在调节盘片上的凸起高度与盘片总高一致；为保证阀芯具有多级节流效果，圆柱形阻碍板直径从外而内逐级递减，递减级数一般为1.2-1.5。每一级阻碍板之间的间距d为：d＝π/4n×kD_L-D，其中D_L为当前流道级数直径，k为导杆占用系数，D为圆柱形阻碍板的直径，n为单个区域阻碍板数量。相邻圆柱形阻碍板节流流道最小间距a约为：a＝[(d+D)/2]²+d_r ²-(d+D)d_rcos(π/4-πk/8n)-D(1+j)/2，其中d为当前级数相邻阻碍板间间距，k为导杆占用系数，D为圆柱形阻碍板的直径，d_r为相邻两级圆柱形阻碍板所在圆的半径差，n为单个区域阻碍板数量，j为阻碍板递减级数。本次实例中，导杆占用系数为0.7，单个区域内阻碍板数量为3.5，阻碍板递减级数为1.3。

图5展示了流体在本发明调节盘片中的变化情况，由于多级圆柱形阻碍板的特殊配置，使流体可以从入口的散射流动平缓过渡到出口的同向流动，因此具有良好的整流效果。并且由于本发明的多级调节特性，使得在高压环境下工作时压降平缓，运行更加稳定。

图6展示了普通微孔节流与圆柱形阻碍板节流时流体的状态示意图，从图中可以看出，使用普通微孔节流时会因流道突变而形成死区。相比之下，多级涡式调节阀芯使用邻级之间圆柱形阻碍板互相配合形成的沙漏形状节流流道，流体通过这些流道时，由于良好的流动特性可以减少死区，从而降低湍流强度。

图7进一步展示了本发明中的圆柱形阻碍板，从图中可以看出，当流体垂直流向壁面时，圆柱形阻碍板的光滑特性会迫使流体沿壁面做涡流运动，与矩形阻碍体相比，其与来流的交互更小，因此具有更强的防冲蚀能力。由图中还可以看出，当流体通过阀芯时，由于圆柱形阻碍板的无棱角特性，使得抗堵塞能力也比一般阀体更强。

图8为常规多级节流流道与由圆柱形阻碍板形成的节流流道对比图，结合图5至图7可以看出本发明因其特殊的调节特性相比于常规多级控制阀具有如下优点：①形成更少死区，大幅降低湍流强度；②更少的壁面冲蚀，延长阀门使用寿命；③更好的流体整流效果，流体可以更好的流动；④更好的适应高压、侵蚀性流体、夹带砂粒以及其它机械杂质等复杂恶劣状况。

本发明多级涡式调节阀的工作过程如下：通过逆时针转动手轮1而使得柱塞阀杆26上移，底部柱塞体从多级涡式调节阀芯11体内拔出，多级涡式阀芯处于打开状态。多级涡式阀芯打开后，阀体前后压力将发生变化，天然气源源不断地从侧部法兰入口流入，通过多级涡式调节阀芯时，由于流道横截面积发生变化，使得流体流量与压力发生变化。当流体从多级涡式调节阀芯流出后，将经由阀体14的下部法兰出口流出，从而完成调节过程。

由于本发明阀芯所固有的调节特性，使其能适应多种复杂严峻工况的天然气井，尤其是在含有固相介质的情况下损伤较小；此外本发明在调节流量过程中精度高，线性度好，运行时稳定安静，无噪音、振动现象。

图9展示了本发明圆柱形阻碍板的一些变化设计，如圆角四边形、椭圆形、月牙形等都可实现本发明所阐述的原理，因此与本发明原理相同但阀芯配置方式不同的相关结构也应在本发明的保护范围之内。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种天然气开采用井口多级涡式调节阀，其特征在于，包括手轮(1)、阀盖(8)、阀体(14)、阀顶盖(3)、轴承顶盖(5)、隔离套筒(6)、盘根盒(9)、多级涡式调节阀芯(11)、柱塞阀杆(26)、阀杆下填料(19)、阀杆上填料(20)；

所述阀顶盖(3)与轴承顶盖(5)间的轴承(23)装配有锁紧定位螺钉(4)，当锁紧定位螺钉(4)拧紧时柱塞阀杆(26)被限位；

所述柱塞阀杆(26)包括上杆、下杆、柱塞体三个部分，主要与阀顶盖(3)、隔离套筒(6)、导向环(7)、阀盖(8)、盘根盒(9)、阀芯上套筒(10)、多级涡式调节阀芯(11)接触，柱塞阀杆(26)与阀顶盖(3)通过螺纹装配，柱塞阀杆(26)底部的柱塞体装配在所述多级涡式调节阀芯(11)内；

所述阀体(14)内部密封由盘根盒(9)及填料共同配合密封，阀体(14)的旁口为入口，底口为出口。

2.根据权利要求1所述的天然气开采用井口多级涡式调节阀，其特征在于，所述的多级涡式调节阀芯(11)包括阀芯盖(27)、阀芯上密封垫圈(28)、调节盘片(29)、导杆(30)、下阀芯盖(31)、阀芯下密封垫圈(32)，所述阀芯盖(27)与阀芯上套筒(10)配合定位，所述下阀芯盖(31)与阀芯下套筒(12)配合定位。

3.根据权利要求2所述的天然气开采用井口多级涡式调节阀，其特征在于，所述阀芯上密封垫圈(28)和阀芯下密封垫圈(32)采用橡胶材质，下密封垫圈(32)较上密封垫圈(28)厚5～7mm，所述调节盘片(29)的数目为10-15个，所述调节盘片(29)由四根定位导杆(30)共同配合定位。

4.根据权利要求3所述的天然气开采用井口多级涡式调节阀，其特征在于，所述的调节盘片(29)具有多级圆柱形阻碍板，其阻碍板减压级数一般大于4级，且不超过10级，这些阻碍板沿中心轴对称布置，阻碍板由内而外体积逐级减小，递减系数为1.2-1.5，每一级阻碍板之间的间距d为：d＝π/4n×kD_L-D，其中，D_L为当前流道级数直径，k为导杆占用系数，D为圆柱形阻碍板的直径，n为单个区域阻碍板数量，相邻圆柱形阻碍板节流流道最小间距a约为：a＝[(d+D)/2]²+d_r ²-(d+D)d_rcos(π/4-πk/8n)-D(1+j)/2，其中，d为当前级数相邻阻碍板间间距，k为导杆占用系数，D为圆柱形阻碍板的直径，d_r为相邻两级圆柱形阻碍板所在圆的半径差，j为阻碍板递减级数，n为单个区域阻碍板数量。

5.根据权利要求4所述的天然气开采用井口多级涡式调节阀，其特征在于，所述的圆柱形阻碍板的每一级流道都具有沙漏形状结构，流体在阀体内经过多个沙漏形状结构，会产生多个涡流效应。

6.根据权利要求5所述的天然气开采用井口多级涡式调节阀，其特征在于，所述的阻碍板外形采用圆柱形、椭圆形、圆角四边形或月牙形结构。