一種液壓控制閥的製作方法

2024-02-05 15:18:15

本發明屬於石油工程完井技術領域，特別涉及一種液壓控制閥。

背景技術：

目前，海上油田水平井、分支井、大位移深井作業難度較大，常規鋼絲、電纜、連續油管作業不能滿足水平井、大斜度井注採調控要求，水平井、大斜度井多數採用籠統注採，井下生產動態不能即時調控，不能滿足儲層高效注採開發的需求；常規技術分層注採井，需下入管柱或鋼絲、電纜、連續油管作業，效率低，成本高，風險大；長期注採過程中地層參數發生變化需要進行注採動態調整，常規技術難以實現及時、經濟、高效調整需求；機電一體調控技術存在使用周期內耐久性、穩定性方面的問題；另外，海上油田平臺鋼絲電纜作業成本高，作業周期較長平臺不允許經常佔用頂甲板，常規技術無法保證注採的長期有效性。隨著油田開發的深入需要找到一種不依賴於鋼絲、電纜作業的新技術來解決這些生產面臨的問題。特別是對於海上油田需要一種不修井的井下分層智能控制技術，使油井開發逐步向智能井方向發展，滿足海上高效開發作業的需求。

目前，現有的閥門多數仍然需要進行鋼絲電纜作業，而已經研發出的液壓控制閥很難在深度較大的井下準確調整開度進行流量控制且其中的機電一體模塊存在耐久性和穩定性的問題。所以，已經有基於檔位定位方式的流體控制閥設計被提出，但是當前技術僅依靠單一的引導銷釘反覆承擔各方向大剪切應力的形式承受所有載荷，而此類閥門需要在井下極端環境下長期服役，這樣的受力點集中在薄弱位置的設計將較嚴重的影響其可靠性和使用壽命。

技術實現要素：

本發明的目的是為了克服現有技術中的不足，提供一種可實現多檔位開度的液壓控制閥，能夠僅靠液壓實現流量的準確調節，延長工作壽命，具有更高的可靠性。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的。

本發明的一種液壓控制閥，包括中心管，所述中心管側壁設置有內通孔和引導槽，所述中心管由上至下依次套設有上端接頭、上限位結構、滑套和下端接頭，所述上端接頭和下端接頭均設置有軸向液壓管路，所述滑套外套設有殼體，所述殼體上下兩端分別連接上端接頭和下端接頭，所述殼體側壁設置有外通孔，所述滑套內壁設置有環形凹槽，所述滑套側壁設置有與環形凹槽連通的連通孔，所述滑套側壁設置有沿引導槽滑動的導向銷釘，所述中心管外套設有下限位結構，所述下限位結構位於滑套內壁的環形凹槽內。

所述引導槽設置於內通孔的下端，所述引導槽設置為周向旋轉對稱的「等長槽」。

所述導向銷釘至少設置為一個，且所述導向銷釘的數量小於或等於「等長槽」的數量。

所述上限位結構下端和滑套上端均設置為相互配合實現換檔的螺旋結構，所述上限位結構和滑套之間設置有非接觸相位。

所述上限位結構螺旋結構的下端面和滑套螺旋結構的上端面均可設置為臺階狀或平面狀。

所述下限位結構固定於內通孔的上端。

所述滑套的中部外徑大於其自身上下兩部分的外徑。

與現有技術相比，本發明的技術方案所帶來的有益效果是：

(1)本發明中，上下兩端的液壓管路用於提供滑套沿軸向運動的動力，進而幫助產生換檔所需的沿軸向動力；內通孔、連通孔、外通孔以及滑套內壁的環形凹槽用於供輸送流體通過；設置於中心管管壁外側的引導槽僅用於引導滑套產生換檔動作所需的圍繞軸線的旋轉運動，不用於確定檔位及承力；

(2)本發明中，上限位結構和下限位結構用於與滑套對應構造相配合從而確定檔位並承力，防止控制閥其它薄弱位置(如導向銷釘、引導槽)承力；下限位結構和滑套內壁的環形凹槽相互配合的，在滑套進行換擋運動到達下死點時，替代導向銷釘承受衝擊載荷，避免薄弱部件承力，延長系統壽命；

(3)本發明中，相互配合的上限位結構和滑套上端部通過形狀或表面性能的設計實現自鎖，使其具備承受軸向載荷能力的同時，可以阻止滑套在到達各預定檔位後的旋轉運動，達到保護導向銷釘的目的；上限位結構和滑套之間設置了非接觸相位，以避免在換擋動作進行時受到擾動發生卡阻，提高系統的可靠性；

(4)本發明中，上限位結構和下限位結構通過細螺紋與中心管實現裝配，進而能夠通過調整裝配位置的方式放寬對機械加工的要求，同時該分體設計也能夠使得通過更換不同的限位結構改變控制閥的調節範圍與檔位分布，另外該設計也便於作為承力部件的顯微結構採用不同的材料以延長壽命；

(5)本發明全過程僅需液壓控制，無電子器件及線路參與，同時上限位結構和下限位結構避免導向銷釘在換檔時承受多方向過大的剪切載荷，設備可靠性與適應性高。

附圖說明

圖1是本發明的結構示意圖；

圖2是本發明實施例一中上限位結構和滑套對應的結構示意圖；

圖3是本發明實施例一中上限位結構和滑套對應的結構示意圖。

附圖標記:1中心管；101內通孔；102引導槽；2上限位結構；3滑套；301環形凹槽；302連通孔；4下限位結構；5導向銷釘；6上端接頭；7下端接頭；8殼體；801外通孔；9液壓管路。

具體實施方式

下面結合附圖及實施例進一步詳細介紹本發明的具體結構、工作原理內容。

如圖1所示，本發明的一種液壓控制閥，包括作為閥體主體部件的中心管1，所述中心管1側壁設置有內通孔101和引導槽102，所述引導槽102沿中心管1外壁周向設置，且位於內通孔101的下端，由於該引導槽102僅負責引導滑套3在檔位切換時圍繞軸線進行旋轉運動，不負責針對各檔位的定位及受力，所以可以設計為周向旋轉對稱的「等長槽」，沿圓周方向均勻分布且軸向長度相同。所述中心管1由上至下依次套設有上端接頭6、上限位結構2、滑套3和下端接頭7。

所述上端接頭6和下端接頭7均設置有軸向液壓管路9，所述上端接頭6和下端接頭7均與中心管1固定連接。所述滑套3外套設有殼體8，所述殼體8上下兩端分別固定連接上端接頭6和下端接頭7，所述殼體8側壁設置有外通孔801，所述外通孔801和內通孔101均沿相同徑向開設。所述滑套3的中部外徑大於其自身上下兩部分的外徑，便於液體推動滑套3軸向移動，所述滑套3內壁設置有環形凹槽301，使得滑套3內壁形成上下兩個臺肩，所述滑套3側壁設置有與環形凹槽301連通的連通孔302。所述中心管1外套設有下限位結構4，所述下限位結構4固定於內通孔101的上端，所述下限位結構4位於滑套3內壁的環形凹槽301內，通過與上下兩個臺肩的配合控制滑套3軸向移動的極限位置。所述滑套3側壁設置有沿引導槽102滑動的導向銷釘5，所述導向銷釘5至少設置為一個，由於上限位結構2和下限位結構4的設計取代了周向引導槽102的確定檔位功能使其可以設計為旋轉對稱的「等長槽」，所以所述導向銷釘5數目可設置為多個，最多可以與軸向「等長槽」的數目相同，以共同承受載荷，降低單個導向銷釘5承受的剪切力，增強系統可靠性與使用壽命，所述導向銷釘5僅用於引導滑套3產生換檔動作所需的圍繞軸線的旋轉運動，不用於確定檔位及承力。

所述上限位結構2下端和滑套3上端均設置為相互配合實現換檔的螺旋結構，所述上限位結構2和滑套3之間設置有非接觸相位，以避免在換擋動作進行時受到擾動發生卡阻，提高系統的可靠性。相互配合的上限位結構2和滑套3通過形狀或接觸面性能的設計實現自鎖，使其具備承受軸向載荷能力的同時，可以阻止滑套3在到達各預定檔位後的旋轉運動，保護導向銷釘5免受各個方向的剪切力，達到保護導向銷釘5的目的。所述上限位結構2和下限位結構4均通過細螺紋與中心管1實現裝配，進而能夠通過調整裝配位置的方式放寬對機械加工的要求，可調整裝配位置實現其代替導向銷釘5承力，同時該分體設計也能夠使得通過更換不同的限位結構改變控制閥的調節範圍與檔位分布，另外該設計也便於作為承力部件的顯微結構採用不同的材料以延長壽命。所述下限位結構4和滑套3內壁的環形凹槽301相互配合，在滑套3進行換擋運動到達上、下死點時，替代導向銷釘5承受衝擊載荷，避免薄弱部件承力，延長系統壽命。

換檔動作的動力通過額外的液壓系統藉助液壓管路9實現，液壓系統可以通過液壓管路9中液體的壓力提供的動力驅動滑套3向下移動，在引導槽102與導向銷釘5的配合下完成滑套3的旋轉換檔動作，從而通過改變上限位結構2與滑套3上端螺旋結構的相位配合關係，引起內通孔101和連通孔302相對位置關係的變化，實現內通孔101和外通孔801的連通，最終實現閥門開度的調節。全過程僅需液壓控制，無電子器件及線路參與，同時上限位結構2和下限位結構4避免導向銷釘5在換檔時承受多方向過大的剪切載荷，設備可靠性與適應性高。

所述上限位結構2下端的螺旋結構和滑套3上端的螺旋結構負責檔位確定與承力，能夠實現對檔位的精確設計及控制，所述下限位結構4和滑套3內壁上下兩個臺肩負責換檔運動到達上、下死點時替代導向銷釘5承受載荷，防止控制閥其它薄弱位置(如導向銷釘5、引導槽102)承力。限位結構是該閥體的關鍵設計。

實施例一

圖2為上限位結構2與滑套3上端對應結構的一種實施例，其中，上限位結構2螺旋結構的下端面和滑套3螺旋結構的上端面均設置為臺階狀，採用了臺階式的配合。圖2b為圖2a三維結構沿圓周展開的相位配合關係圖，該控制閥為八檔位，滑套3的換檔動作大致分為以下三個步驟：

(1)通過液壓管路9向內部注入液體，驅動滑套3向下移動，滑套3上端螺旋結構與上限位結構2完全脫開(即滑套3上端的臺階狀螺旋結構圍繞軸線進行旋轉運動時，不受上限位結構2的幹涉)；

(2)所述滑套3帶動其上部的臺階狀螺旋結構圍繞中心軸進行特定角度的旋轉運動(由於本實施例為八檔位，故不妨按照平均分配的方法，每次旋轉的角度為45°)；

(3)滑套3旋轉到位後，重新帶動滑套3上端部接近上限位結構2下端部，直至二者接觸，此時由於限位結構的形狀設計，與旋轉之前相比二者的接觸位置發生了變化，新的定位位置即為新的檔位位置。

圖2所述的結構設計中，滑套3的臺階狀螺旋結構的底層檔位所佔的圓周相位範圍為55°，頂層檔位所佔的圓周相位範圍為35°，其餘均為45°。對應的上限位結構2各檔位所佔的圓周相位範圍則均為45°。這樣，每個檔位中，接觸的檔位在左右均有5°的「非接觸相位」(如圖2b中標註)。該「非接觸相位」可以保證換檔運動受到一定程度擾動的情況下，系統仍然能夠可靠的進行換檔，避免卡阻。不同檔位的「非接觸相位」可以根據具體需求，通過裝配與機械設計的方式進行調整，不限於本實施例中的平均分配方式。

實施例二

圖3為上限位結構2與滑套3上端對應結構的另一種實施例，其中，上限位結構2螺旋結構的下端面和滑套3螺旋結構的上端面均設置為平面狀，採用了螺旋平面式的配合。圖3b為圖3a三維結構沿圓周展開的相位配合關係圖，該控制閥為八檔位。

為避免換擋動作中發生卡阻影響系統的可靠性，該螺旋平面式配合同樣設置了45°的「非接觸相位」。相比於臺階式配合，連續變化的螺旋平面式配合易於加工且便於對系統進行微調，但由於限位結構在承受軸向力的同時，需要抵抗滑套3相對中心管1的旋轉運動，所以在採用類似於螺旋平面式配合的斜面配合方案時需要通過設計形成自鎖，避免互相配合的上限位結構2和滑套3之間發生相對滑動。本實施例的自鎖在高低檔位差距較小時，螺旋升角θ較小，若設兩配合斜面間的摩擦係數為μ，當幾何尺寸設計使得tanθ<μ這個條件被滿足時，可以直接實現自鎖；在高低檔位差距較大使得螺旋升角θ較大時，則可通過提高接觸面摩擦係數μ的方式實現自鎖，滿足設計需要。

此外，以上實施例一和實施例二中，在進行換檔動作時，滑套3除需要進行沿軸向的往復運動外，還需進行圍繞軸線的旋轉運動，才能改變上限位結構2和滑套3的接觸相位實現檔位切換。旋轉運動仍需導向銷釘5在引導槽102的約束下執行，導向銷釘5在此過程中仍需承受相當程度的剪切力，但在此八檔位液壓控制閥實施例中，由於上限位結構2的存在使得引導槽102無須承擔檔位確定任務，所以引導槽102可以設置為周向旋轉對稱的「等長槽」結構，導向銷釘5可沿周向最多布置八個，有效分擔載荷，提高系統壽命及可靠性。

儘管上面結合附圖對本發明的功能及工作過程進行了描述，但本發明並不局限於上述的具體功能和工作過程，上述的具體實施方式僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領域的普通技術人員在本發明的啟示下，在不脫離本發明宗旨和權利要求所保護的範圍情況下，還可以做出很多形式，這些均屬於本發明的保護之內。