[發明專利]一種天然氣開采用井口多級渦式調節閥

在審

• 申請號: 201711176017.2
• 申請日: 2017-11-22
• 公開（公告）號: CN107940007A
• 公開（公告）日: 2018-04-20
• 發明（設計）人: 陳家慶;潘威丞;丁國棟;姬宜朋;孟浩
• 申請（專利權）人: 北京石油化工學院
• 主分類號: F16K3/314
• 分類號: F16K3/314;F16K3/30;F16K27/04;F16K35/06;F16K41/02;F15D1/00
• 代理公司: 北京凱特來知識產權代理有限公司11260
• 代理人: 鄭立明,趙鎮勇

技術領域

本發明涉及一種天然氣開采領域的壓力及流量調節用閥門，尤其涉及一種天然氣開采用井口多級渦式調節閥，適用于固相雜質含量高、壓差大等較為惡劣的工況環境。

背景技術

隨著社會經濟的不斷發展和人們對環境保護問題的日益關注，天然氣的使用消費量逐漸增加，天然氣勘探開發力度也相應不斷增強。在實際生產過程中，天然氣井產出物中常含有泥砂、水合物、硫化氫等雜質，同時部分氣井的地層壓力很高，這些都使得天然氣井井口節流閥經常處于磨礪性雜質、大壓差、高流速等惡劣工況環境之下。正因為如此，從結構設計、材料選擇、制造裝配、質量檢驗、運行管理、維護檢修等環節都對天然氣井井口節流閥有較高要求。

針對人們是否在天然氣開采作業過程中對井口流量和壓力進行調整控制，天然氣井口用節流閥可分為固定式和可調式兩大類。現階段可調式的使用量約占90％以上，并先后出現了針式(也稱錐形)、柱塞式(也稱外套筒式)和籠套式(也稱內套筒式)等單級可調式結構和迷宮式、多級套筒式、串級式等多級可調式結構。

針式節流閥是最早用于井口節流閥的單級可調式結構，其閥桿頂部采用針型結構，閥座內孔設10°錐面的密封面與閥針配合實現密封，通過針形閥芯的軸向移動，來控制閥腔環空間隙面積的大小，從而達到調節流量和壓力的目的。柱塞式節流閥是針形節流閥的一種變形，它是將針形節流閥針芯與型腔的配合改變成為柱塞與閥籠的配合。通過柱塞的軸向移動，改變閥籠孔上參與流通的孔道面積，從而達到調節流量和壓力的目的。由于柱塞式節流閥的柱塞桿強度更高，因此不容易被高速、磨礪性氣流沖蝕損壞。籠套式節流閥于1984年被提出，主要通過外籠套與內套筒的配合，使流體通過內套筒時將其具有的能量耗散，從而達到調節流量和壓力的目的。與前兩種單級可調式節流閥相比，其抗沖蝕性能更為優良，在惡劣工況下的使用壽命更長。目前，美國Cameron公司(現被Schlumberger集團兼并)、加拿大Master Flo Valve公司(瑪特芙閥門)、美國Flowserve(福斯)公司都有成熟的籠套式節流閥產品。以美國Cameron公司的CC系列籠套式節流閥產品為例，其主要通過更換不同節流孔的套筒(如CC15、CC20、CC40型)來實現根據不同井口壓力、溫度等工況參數對流量進行調節的目的；CC系列節流閥產品還可更換HPHT籠套，用于需要對高溫高壓井口參數進行調節的場合。

盡管人們從內部結構設計、材料選擇等方面進行了大量努力，但前述單級調節式節流閥仍然無法完全克服其固有的缺陷，亦即節流降壓過程中往往會發生氣蝕、沖刷、高噪音及管道振動等現象，致使調節性能下降。針對這一現象，此時人們往往更多地選用多級可調式節流閥。

根據閥芯結構特性，可用作于天然氣井口節流閥的多級可調式節流閥常分為迷宮式、多級套筒式、串級式等幾種。相比于單級可調式節流閥，其最大特征是閥芯具有多級流道，通過多級調節后的流體壓力能夠呈線性穩定下降，從而達到節流降壓的效果。目前美國Control Components Inc(CCI)公司、美國Cameron公司、美國Flowserve公司、英國Kentintrol公司等都推出了各自的多級可調式節流閥。客觀而言，雖然多級可調式節流閥能夠適應高壓差的工況條件，但現有產品在結構設計上也存在一些較為明顯的缺點。如美國Cameron公司的MS-33型多級套筒式節流閥，通過柱塞與多個直徑不同的套筒之間配合，促使流體達到多次節流效果，從而實現壓力、流速的平穩過渡。MS-33型多級套筒式節流閥雖然大大減輕了沖刷、高噪音及管道振動等現象，但在有限的徑向空間尺寸下，該節流閥的多個套筒式結構必然致使單個套筒的徑向厚度過于單薄，從而嚴重影響了抗沖蝕強度。長期工作時，外側套筒很容易發生磨損現象，從而降低閥芯壽命。美國Control Components Inc(CCI)公司生產的節流閥通過三維迷宮式流道，大大減輕了沖刷、高噪音及管道振動等現象，并具有一定的抗磨損能力。但客觀而言，該節流閥仍然存在一些結構設計上的弊端，例如，當高壓氣井產出物含有大量細小雜質時，非圓滑迷宮式流道設計會使其產生嚴重堵塞問題，從而難以長時間穩定運行。

總的來看，當前的天然氣開采作業往往存在著高壓、侵蝕性流體、夾帶砂粒以及其它固體雜質等復雜惡劣狀況，隨著人們對產品工作性能要求的不斷提高以及油氣開采行業自身降本增效、節能減排壓力的逐步增大，現有的天然氣井口調節設備難以很好地滿足上述復雜惡劣狀況，頻繁更換或維修節流閥的傳統做法已無法滿足需求，為了維持油井生產效率、降低閥門維修成本，亟待創新開發出一種能夠適應復雜惡劣工況的天然氣井井口節流閥。