[发明专利]一种流量系数随开度线性变化的控压钻井节流阀筒形阀针

说明书

技术领域

本发明涉及节流阀技术领域，特别是一种流量系数随开度线性变化的控压钻井节流阀筒形阀针。

背景技术

控压钻井是当今钻井工况日益复杂情况下的发展趋势。节流阀在控压钻井作业中承担着控制钻井液流速、精确调节井口压力的工作。因此各种形式的阀芯被设计出来，以满足不同的工况要求。目前，筒形阀芯是控压钻井作业中运用最广的阀芯形式之一。它克服了针型阀芯末端易冲蚀破坏、笼套式和孔板式阀芯在泥浆介质下工作寿命短和堵塞的问题。且几何形状规则、结构简单，比其他形式阀芯具有更好的机械加工性能和更简单的装配结构。

流量系数是节流阀最重要的参数之一，表示节流阀对液体的阻碍能力大小，是节流阀的固有参数，不随工况的改变而改变。在工作过程中，节流阀执行机构通过改变阀芯开度，使阀芯与阀座之间形成一定的过流面积，从而得到所需的流量系数，继而得到一定的井口压力。换言之，一种阀芯结构对应一种固定的流量系数-开度关系。且节流阀的流量系数-开度线性程度越高，控压钻井控制系统对井口压力的调节精度就越高。

国内已经出现了一些针对节流阀或调节阀阀芯的研究成果。中国专利85100559公开了一种低压降调节阀及其轮廓曲线的设计方法，主要针对在压降比为0.1工况下的流量调节阀使用。该调节阀具有较好的实用性，但并不适用于控压钻井高压、大流量的工况。中国专利201310375420公开了一种偏心节流阀，包括有阀体、阀盖、阀芯、阀杆及驱动机构。其主要特点是阀芯为密封盘，密封盘上设有偏心导流孔，偏心导流孔随密封盘的旋转与阀座的连接孔重合导通或分离闭合，从而改变过流面积。该节流阀主要优点是流量控制稳定、密封性好，节流原理类似于孔板式节流阀；缺点是耐冲蚀性差，且出口流体偏心明显，在特殊工况下会对下游管路造成严重冲蚀损坏。中国专利201220100901.4公开了一种液动楔形节流阀，其中楔形阀芯具有很好的耐冲蚀性，液动执行机构较手轮驱动更为省力。但楔形阀芯节流特性差，节流效果不明显，且形成的偏心液体容易对下游管路造成破坏。中国专利201320423468.2全自动无级变速线性泄压装置，其通过步进电机控制阀芯的位置，但该阀芯仍为传统针形阀芯，未能改善存在的技术问题。

相比国外系列化、专业化的控压钻井节流阀阀芯产品，目前国内还没有针对控压钻井节流阀阀芯结构及其流量系数-开度特性进行系统化的研究。常用的阀芯结构仍然是根据经验来生产和改进，阀门的节流性能没有得到明显的提高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种寿命长、控制精度高、拆装更换方便、流量系数随开度线性变化的控压钻井节流阀筒形阀针。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种流量系数随开度线性变化的控压钻井节流阀筒形阀针，它包括阀芯、阀杆和连接螺栓，阀杆的下端面上设有一个凸柱，阀芯的上端面上设有与凸柱相配合的凹槽，凸柱的下端面上设有轴向内孔，且轴向内孔沿阀杆轴向延伸至阀杆内部，阀杆的上部设置有沿径向延伸的径向内孔，径向内孔连通轴向内孔与阀杆外部，轴向内孔的底部设置有内螺纹，凹槽的底面上设置有连接孔，阀芯通过凹槽套装于阀杆底部的凸柱上，连接螺栓穿过连接孔后通过螺纹与轴向内孔连接，连接螺栓将阀芯压紧于阀杆上，连接螺栓的中心设置有轴向通孔，轴向通孔连通轴向内孔与阀芯的端面外部的空间。

所述的凸柱为沿从上到下的方向直径逐渐减小的锥台型；所述的凹槽为与凸柱相配合的、直径沿从上到下的方向直径逐渐减小的锥台型槽。

所述的凸柱的锥形面的锥度为8～15°，凹槽的锥形面的锥度也为8～15°。

所述的连接螺栓与阀芯之间设置有弹簧垫圈，阀芯的下端面上设置有容置弹簧垫圈和连接螺栓头部的沉孔。

所述的连接螺栓头部的下端面设有工具孔。

所述的阀芯的材质为YG8合金，阀杆和连接螺栓的材质为12Cr13。

所述的阀芯的形面轮廓方程为其中x为阀芯行程，0mm≤x≤30mm；D为节流阀通径，mm。

本发明具有以下优点：

本发明寿命长、控制精度高、拆装更换方便、流量系数随开度线性变化，针对流量系数对筒形阀芯的几何结构进行理论推导和数学建模，得出了一种流量系数随阀芯开度线性变化的新型筒形阀芯。阀芯工作部分由螺栓连接在阀杆上，可以在冲蚀破坏后进行快速更换，降低了阀门维修成本和劳动强度。本发明具有控制精度高、可控性好、耐冲蚀、使用寿命长等特点。