流速控制系统和方法技术方案

流速控制系统包括壳体和滑动地设置在壳体内孔中的阀组件。壳体包括旁路开口。阀组件包括阀和设置在阀内孔中的孔口。该阀包括轴向延伸穿过阀套环的多个阀旁路孔。阀组件在关闭位置和完全打开位置之间滑动。弹簧朝向关闭位置偏置阀组件，在该关闭位置阀关闭壳体旁路开口。在打开位置，形成包括阀旁路孔和壳体旁路开口的旁路流体路径。阀组件在关闭位置受到流速控制，阀组件在打开位置受到压力控制。阀组件可以在包括套筒旁路开口的套筒组件内滑动，套筒旁路开口连接旁路流体路径中的阀旁路孔和壳体旁路开口。和壳体旁路开口。和壳体旁路开口。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】流速控制系统和方法
[0001]背景
[0002]在油井和气井的钻井过程中，井下钻井马达可以连接到钻柱(drill string)，以旋转和操纵钻头。常规的钻井马达通常提供利用动力部段的旋转，动力部段可以是由钻井流体或钻井泥浆的循环驱动的容积式马达。
[0003]随着井孔钻得更快，需要更高的钻井流体的流速来清除井孔中的钻屑。每个钻井马达被设计成以钻井流体的最大流速运行。例如，具有6.75英寸的外径的常规钻井马达可以被设计成最大流速约为600加仑每分钟(GPM)。超过钻井马达的最大流速可能会导致轴承部段因腐蚀而过早失效。
[0004]现有的工具可以将钻井马达上方的部分或全部钻井流体转移(divert)，以便在钻井流体到达钻井马达之前降低钻井流体的流速。如果使用工具将所有钻井流体旁通至环形空间，钻井流体可以被改为不同的介质(诸如LCM钻井流体或者甚至压裂流体)。一些旁路转向器工具(diverter tool)包括被动阀，被动阀由独立机构启动。例如，插入地表钻井流体中的球、镖或RFID装置在其到达转向器工具时与容器接合，并且这种相互作用打开阀以开始将钻井流体转移到钻井马达上方的井环形空间中。然而，这些被动阀工具从采取动作的时刻(例如，球或镖落在地表)到阀打开的时刻有10分钟到15分钟的延迟。这种延迟增加了钻井孔的成本。
[0005]其他旁路转向器工具包括主动阀，主动阀响应井下参数自动启动。例如，流速、压力、密度或旋转速率变化到预定阈值而自动打开阀，以将一部分钻井液转移到钻井马达上方的井孔环形空间中。然而，这些主动阀工具有时会被与地表启动无关的井下参数变化(诸如振动、钻头堵塞或马达失速)意外激活。需要一种主动阀工具，该主动阀工具并非意外启动地将流经钻柱的流体的一部分转移到井孔环形空间中。
[0006]附图简述
[0007]图1是处于关闭位置的流速控制系统的截面图。
[0008]图2是处于关闭位置的流速控制系统的一部分的详细截面图。
[0009]图3是流速控制系统的阀套筒的等距视图。
[0010]图4是阀套筒的另一等距视图。
[0011]图5是流速控制系统的阀的等距视图。
[0012]图6是阀的另一等距视图。
[0013]图7是阀的截面图。
[0014]图8是阀和孔口环(orifice ring)的截面图。
[0015]图9是流速控制系统的弹簧心轴的等距视图。
[0016]图10是设置在井孔内的管柱中的流速控制系统的示意图。
[0017]图11是处于部分打开位置的流速控制系统的截面图。
[0018]图12是处于部分打开位置的流速控制系统的一部分的详细截面图。
[0019]图13是处于完全打开位置的流速控制系统的截面图。
[0020]图14是处于完全打开位置的流速控制系统的一部分的详细截面图。
[0021]所选实施例的详细描述
[0022]一种流速控制系统包括滑动地设置在壳体内的阀组件。阀组件在关闭位置、部分打开位置和完全打开位置之间滑动。弹簧施加弹簧力以将阀组件朝关闭位置偏置。阀组件在关闭位置受到流速控制，且在完全打开位置受到压力控制。
[0023]在一个实施例中，流速控制系统还包括固定在壳体内的套筒组件。阀组件滑动地设置在套筒组件内，以在关闭位置、部分打开位置和完全打开位置之间滑动。
[0024]在关闭位置，流经系统的流体在第一主动阀区域上施加力。流体流速的增加在第一主动阀区域上施加增加的力。当增加的力超过克服弹簧力的阈值时，阀组件开始向部分打开位置滑动。当阀组件到达部分打开位置时，流体的一部分可以开始流过旁路流体路径，该旁路流体路径通向围绕壳体的环形空间。以这种方式，流速控制系统确保流向位于下方(即下游)的钻井马达的流体的流速不超过钻井马达设计所容许的最大流速值。替代地，多余的流体流通过旁路流体路径转移到围绕壳体的环形空间中。阀组件具有第二主动阀区域，该第二主动阀区域在部分打开位置变为主动，并且在完全打开位置保持主动。第二主动阀区域被阀组件的内孔和围绕壳体的环形空间之间的压力差向下偏置。在部分打开位置和完全打开位置，系统中的压力在第二主动阀区域上施加向下的力。当旁路流体流在部分打开位置开始时，施加到第二主动阀区域的力使阀组件朝向完全打开位置继续移动并防止阀组件关闭。
[0025]在一个实施例中，阀组件包括阀旁路孔，该阀旁路孔提供穿过阀套环(valve collar)的流体连通。在关闭位置，阀套环上方的压力等于阀套环下方的压力。因此，阀组件在关闭位置受到流速控制。然而，在部分打开位置和完全打开位置，阀旁路孔与围绕壳体的环形空间流体连通，使得阀套环下方的压力小于阀套环上方的压力。因此，阀组件在部分打开位置和完全打开位置是压力控制阀。
[0026]相应地，如果流体泵送暂时停止或减慢(例如，泵停止、钻头堵塞或马达失速)，阀组件将不会改变位置(即，阀组件将不会返回到关闭位置)，直到流速控制系统的内部和围绕壳体的环形空间之间的压力差减小。增大环形空间内的压力、减小钻柱内的压力、或者允许压力通过旁路流体路径均衡允许弹簧开始关闭阀，该弹簧在向上的方向上朝向关闭位置在阀组件上施加力。当该向上的力超过在向下方向上施加在第二主动阀区域上的力时，阀组件再次移动到关闭位置。
[0027]在一个实施例中，流速控制系统包括设置在阀组件和套筒组件之间的阻尼室。通过阀组件的径向表面的阻尼喷嘴允许阀组件的内孔和阻尼室之间的流体连通，以减慢阀组件相对于套筒组件的滑动移动。
[0028]在一个实施例中，流速控制系统可以包括完全旁路位置，在该完全旁路位置中，阀组件的内孔在旁路流体路径下方完全关闭。在该完全旁路位置，流经系统的所有钻井流体都转移至环形空间，并且钻井流体停止流向下方的马达。当流速控制系统处于完全旁路位置时，钻井流体可以被其它类型的流体(诸如LCM流体、射孔流体或压裂流体)替代。
[0029]图1和图2示出了处于关闭位置的流速控制系统的一个实施例。流速控制系统10包括上接头(upper sub)12、壳体14、和下接头16，上接头、壳体和下接头各自都具有带有内孔的大致管状的形状。上接头12的上端可以构造成连接到钻柱内的管状构件。壳体14的上端可以连接到上接头12的下端，并且壳体14的下端可以连接到下接头16的上端。下接头16的
下端可以构造成连接到钻柱内的管状构件。在一个实施例中，这些连接中的每一个都是螺纹连接。流速控制系统可以固定在包括钻井马达的井底组件(bottom hole assembly)上方的钻柱中。
[0030]流速控制系统10可以包括固定在壳体内孔18内的套筒组件17和滑动地设置在套筒组件17内的阀组件19。套筒组件17可以包括阀套筒20、阀挡块22和弹簧套筒24。上环26可以在阀套筒20的上端和上接头12的下端之间固定在壳体内孔18中。这样，套筒组件17在上环26和下壳体肩部28之间固定在壳体内孔18中。阀组件19可包括阀30、孔口环32和弹簧心轴34。弹簧36本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种流速控制系统，包括：壳体，所述壳体包括从壳体内孔径向延伸到所述壳体的外表面的一个或更多个壳体旁路开口；阀组件，所述阀组件滑动地设置在所述壳体内孔中，所述阀组件包括阀和孔口；其中，所述阀包括限定所述阀的上表面并限定外套环表面和下套环表面的阀套环、下阀肩部、从所述下套环表面延伸至所述下阀肩部的直径减小的外表面、从所述上表面轴向延伸至下端的阀内孔、以及在所述阀内孔和所述外套环表面之间轴向延伸穿过所述阀套环的多个阀旁路孔；其中，所述孔口设置在所述阀内孔中；并且其中，所述阀组件被构造成在关闭位置和完全打开位置之间滑动；弹簧，所述弹簧设置在所述壳体内孔中并围绕所述阀组件的一部分，其中，所述弹簧朝向所述关闭位置偏置所述阀组件；其中，在所述关闭位置，所述阀关闭所述壳体旁路开口，并且其中，在所述关闭位置，所述阀组件受到流速控制；其中，在部分打开位置和所述完全打开位置，旁路流体路径由所述阀旁路孔和所述壳体旁路开口形成；并且其中，在所述部分打开位置和所述完全打开位置，所述阀组件受到压力控制。2.根据权利要求1所述的流量控制系统，其中所述阀旁路孔中的每个从所述阀的所述上表面上的入口延伸到所述下套环表面上的出口。3.根据权利要求1所述的流量控制系统，其中，所述孔口由设置在所述阀内孔中的孔口环形成。4.根据权利要求1所述的流量控制系统，还包括静止地固定在所述壳体内孔中的套筒组件；其中，所述阀组件穿过所述套筒组件滑动地设置；其中，所述套筒组件包括围绕所述阀设置的阀套筒，所述阀套筒包括直径减小的部段和从内孔径向延伸到所述直径减小的部段的外表面的多个阀套筒旁路开口，其中，处于所述完全打开位置的所述旁路流体路径还包括所述阀套筒旁路开口。5.根据权利要求4所述的流量控制系统，还包括形成在所述阀组件和所述套筒组件之间的一个或更多个阻尼室，其中，一个或更多个阻尼喷嘴将所述阀组件的内孔流体连接到所述一个或更多个阻尼室，以减慢所述阀组件在所述套筒组件中的滑动移动。6.根据权利要求4所述的流量控制系统，其中，在所述阀套筒和所述阀之间形成金属对金属密封。7.根据权利要求4所述的流量控制系统，其中，处于所述部分打开位置和所述完全打开位置的所述旁路流体路径还包括限定在所述阀套筒和所述阀的所述直径减小的外表面之间的内部旁路室，其中，在所述部分打开位置和所述完全打开位置中，所述内部旁路室流体连接所述阀旁路孔和所述阀套筒旁路开口。8.根据权利要求7所述的流量控制系统，其中，处于所述部分打开位置和所述完全打开位置的所述旁路流体路径还包括限定在所述壳体和所述阀套筒的所述直径减小的部段之间的外部旁路室，其中，在所有位置中，所述外部旁路室流体连接所述阀套筒旁路开口和所述壳体旁路开口。9.根据权利要求8所述的流量控制系统，其中，所述阀组件还包括设置在所述阀和所述
孔口下方的弹簧心轴，所述弹簧心轴包括内孔和接合所述阀内孔的上端，其中，所述弹簧围绕所述弹簧心轴的外表面设置，并且其中，所述弹簧朝向所述关闭位置偏置所述弹簧心轴以朝向所述关闭位置偏置所述阀。10.根据权利要求9所述的流速控制系统，其中，所述弹簧心轴包括密封块，所述密封块带有具有扩大的直径的外表面，其中，所述弹簧朝向所述关闭位置偏置所述密封块。11.根据权利要求10所述的流速控制系统，还包括设置在所述壳体内孔中并围绕所述弹簧心轴和所述弹簧的弹簧套筒。12.根据权利要求11所述的流速控制系统，其中，所述密封块在所述弹簧心轴和所述弹簧套筒之间限定上阻尼室和下阻尼室，所述密封块包括将所述弹簧心轴的所述内孔流体连接到所述上阻尼室的至少一个上喷嘴和将所述弹簧心轴的所述内孔流体连接到所述下阻尼室的至少一个下喷嘴。13.根据权利要求12所述的流速控制系统，还包括上弹簧环和下弹簧环，所述上弹簧环和所述下弹簧环各自围绕所述弹簧心轴的所述外表面设置，其中，所述上弹簧环设置在...

【专利技术属性】
技术研发人员：巩特尔，
申请(专利权)人：修井作业解决方案公司，
类型：发明
国别省市：