[发明专利]阀组件

说明书

本发明涉及一种阀组件，更具体而言涉及一种用于连续循环钻井的阀组件。

通过位于钻柱基部的钻头的旋转来执行井眼钻孔。钻柱主要由在每端处通过螺纹连接结合至彼此的各个管接头构成。

钻头旋转是穿透地下地层并最终到达期望目标深度的关键功能。为了使钻头旋转，通常利用旋转台或顶部驱动器向钻柱提供扭矩，钻柱将致使下面的钻头旋转。钻头旋转还可以独立于钻柱旋转通过井底马达实现，该井底马达由沿着钻柱向下的钻井流体的流动提供能量。

在任一旋转方案中，钻井流体最终都是沿着钻柱向下，经过钻头并且通过井眼环空向上循环。钻井流体的这种流动用来提供充足的底孔清洁、切屑输送和钻头冷却。钻井流体还被期望通过在环空中产生足够压力而提供井眼稳定性，以防止地层流体的意外流入并且还防止井眼坍塌。钻井流体可以代表由油、合成或水基流体(其含有不同量的固态内容物以及充气液体、泡沫、薄雾和惰性气体)构成的各种混合物。

需要相当大的压力量来使钻井流体以成功地提供期望水平的底孔清洁、切屑输送和井眼压力所需的速率沿着以上描述的路径循环。结果，通常配置正排量泵来利用作为一段流动管道的顶部驱动器或方钻杆(kelly)沿着钻柱的顶部向下通过竖管歧管喷射钻井流体。正排量泵一般被称为泥浆泵，并且提供使流体移动通过整个钻井系统的必要机械力。

随着钻孔深度的增加，必须将附加管段添加至钻柱顶部，以便允许钻头朝向期望目标继续前进。另选地，当将钻头从孔拉出时，必须将管段从钻柱移除。传统上，增加钻管的过程都是通过停止钻井流体循环，将顶部驱动器从钻柱断开，增加一段管，将顶部驱动器再次连接至钻柱的顶部并再次开始钻井流体的循环来进行的。

在以上描述的过程期间终止流体循环给钻井带来了挑战，这些挑战可以通过其中并不停止循环的连续循环系统来解决。在这种一种提议中，钻井流体的流动被从顶部驱动器完全转移走并且被引导向钻柱中的侧端口。侧端口提供了通向钻柱主孔的另选流动路径。这样做时，在钻柱顶部被关闭且顶部驱动器端口以便增加另一段管时，循环能够不中断地连续通过侧端口。这种流动转移可以通过位于侧端口中的单向阀来实行，该单向阀具有用于软管的连接件，该软管经由立管歧管从钻探平台泥浆泵接收加压流体流。一旦将顶部驱动器再次连接，则还可以通过钻柱的顶部将钻井流体流动完全转移回来。

在美国专利8,210,266B2中公开的这种系统的一个实施方式中，在大体圆柱形的阀壳体中安装提升式止回阀，阀壳体位于钻柱壁中的侧端口内(如图5a、图5b、图5c、图5d、图6a、图6b、图6c和图6d中所示)。侧端口垂直于钻柱的主孔方向。圆柱形阀壳体通过与钻柱的侧端口螺纹接合而固定就位。圆柱形阀壳体还可以利用穿过壳体中的孔口延伸到钻柱本体中的锁定销而固定就位。这些锁定销防止阀壳体退出来。也可以使用将阀壳体紧固至侧端口的任何其它合适装置或螺栓。阀壳体还包含与容纳提升式止回阀的侧孔平行的中央孔。利用O型环在圆柱形阀壳体钻柱本体之间产生流体紧密的密封。

提升阀构件包括在一端以垂直方式安装至圆柱形盘的阀杆。圆形阀座位于圆柱形阀壳体的外侧。当位于关闭位置时，阀杆伸出到阀壳体的孔内，同时比壳体孔直径略为宽一点的圆柱形盘座置在阀座上。在关闭阀位置中，在阀座和圆柱形盘之间形成金属/金属密封。该金属/金属密封用作在连续循环系统断开的情况下防止流体在钻井时期期间从钻柱流出并通过阀壳体流回来的主要屏障。另外，将提升类型的阀组件完全冲洗定位在侧孔内具有不妨碍通过钻柱主孔流动的优点。

为了将阀构件径向定位在阀壳体的孔内，设置环形凸缘，该环形凸缘从具有金属辐条的阀壳体延伸到比阀杆的直径略宽的中央孔口内。阀杆延伸穿过该中央孔口。阀由弹簧偏压在关闭位置，该弹簧在设置在环形凸缘中的圆形凹槽之间向外朝向阀杆自由端延伸，其中该阀杆通过槽形螺母或其它机械螺母设计紧固。为了将提升阀推动到打开位置，必须克服弹簧力，由此将圆柱形盘从圆形阀座提升起来。这样做时，流体能够通过阀壳体的孔，围绕环状凸缘中的辐条，并通过盘和阀座之间的空间流到钻柱的主孔内。这种力可以借助于来自泥浆泵的加压流体流通过软管来部署，该软管可以从立管流动歧管连接至位于钻柱侧端口中的阀壳体。