CN1260033A - 密封的弹性材料减压阀 - Google Patents

Abstract

在具有密封轴承形式的滚锥钻头中或其它密封流体系统中使用的一个减压阀(40)。该减压阀(40)包括一个安装在钻头的润滑系统中的阀体(44)和一个在其中具有一个通常关闭的流孔的弹性材料阀元件(42)。该阀元件(42)包括一个限定所述孔的柔性凸缘(48),其被布置成以允许在一个方向该孔流动以减低超过预定量的压力,并阻止在相反方向的流动。

Description

密封的弹性材料减压阀

发明的技术领域

本发明涉及一种减压阀，更具体地说，本发明涉及用在一个与滚锥钻头相关的密封润滑系统中和承受压力变化的其它密封系统中的一种减压阀。

发明的背景

用于钻油井和气井的滚锥钻头经常具有一个密封的润滑系统。这些钻头一般与一个补偿系统合为一体，以限制密封在钻头中的润滑剂与靠近钻头的井孔流体之间的任何压力差。一个通用的设备是将两种流体分开的柔性膜片。该膜片响应下井的条件以维持跨过与润滑系统相关的流体密封表面的平衡压力。柔性膜片也通常补偿润滑剂的容积变化，该容积变化可以出现在泄露或热膨胀和冷收缩的形式之中。在特定的条件下，润滑剂的膨胀可能超过相关润滑系统的容量设计限制，并在润滑系统中产生不希望的高压。如果这样的高压没有被有效地排出或释放，可能会发生对防止井孔流体流入的流体密封的损坏和从润滑系统中润滑剂的泄露。

以前对采用各种类型的机械的和/或弹性材料柱塞式减压阀所作的尝试取得了有限的成功。多家钻头生产厂家现在提供各种类型的两种可接受的减压阀设计，以达到减压的目的。一种系统包括一个圆盘弹簧，该圆盘弹簧对膜片的周围施加一个轴向的密封力。在一些选择的压力差上，以类似于一个瞬时释放型减压阀的方式，弹性力被克服以减轻压力。第二种系统包含在补偿膜片自身中的一个开槽或小孔的一些结构形式。当承受一个选择的压力差时，过多的压力随着该开槽或小孔的变形被排出。根据所选择的设计，这种类型的系统可以起一个单向或双向减压阀的作用。名称为“用于钻头润滑系统的减压设备”的美国专利3,847,234讲述了一个分开的双向减压膜片的使用，和相关的座部件，其可螺纹固定在一个成形于钻头中的特定通道中。

发明的概述

根据本发明所讲述的内容，与现有技术中用于滚锥钻头的减压机构相关的缺点和问题已经基本上被减少或消除。

本发明的一个目的是提供一个整装的并带有一个弹性材料芯的标准减压阀组件，其主要用于密封的带轴承的滚锥钻头中。本发明也适用于其它多个商业应用，在这些情况下，由于恶劣的环境条件可能导致对机械类型的减压阀的污染和/或腐蚀。

本发明在这里提供了一个与现有技术的减压阀在安装和功能上相比更高级的减压装置。结合在本发明的讲述中的一个弹性材料元件保持在一个固定的位置上，借此消除了当以前的槽/穿孔的膜片在动态地循环以补偿润滑剂的容积变化时，施加在它们上的变形弯曲应力。用于钻油井或气井的滚锥钻头通常具有一个密封的润滑系统，该润滑系统被注入所选择的润滑流体。在钻下孔期间，温度的波动可导致密封润滑系统中的流体压力的巨大变化。如果增加的压力没有被补偿或释放，可能损坏一个或更多的密封。

本发明可以容易地设计出新产品或结合到现有的产品之中，而不需重新设计，改变工具、制造工艺、或与产品的升级相关的存货清单。

由于它的小尺寸，以及结合到一个与钻头相关的密封润滑系统或任何其它类型的要求一个减压机构的密封流体系统中的标准的方法，因而可以用小的改进费用达到随后的改进和提高，并显著减少对于市场完成改进所要求的时间。几乎通用的互换性提供了可以在一个不同的压力减少范围内选择结合在本发明中的减压阀的自由性，以满足特定客户和应用的要求。

对本发明的进一步改进和提高可以被结合在一种经济和方便的方式中。结合本发明的减压阀的功能通常是和与钻头相关的其它部件相独立的。

对传统产品的改进经常要求一个重新设计和多个提供减压机构的相关部件的重新加工。当要求通常的几个系列的成比例大小的部件，以提供全部范围的产品时，设计改变的问题被进一步复杂化。其通常会影响到几百个部件。

当一个特定的应用指示提出对一个具有减压特征的密封流体系统的需要时，通过提供实际的选择，一个结合在本发明内容中的减压阀可以有效地提供一个竞争的优势。

附图简述

通过结合以下附图所作的详细描述，本发明的更加全面的理解及它的优点将会更加明显：

图1是一个示意图，显示了沿着一个滚锥钻头的一个臂剖开的局部截面，该滚锥钻头具有一个根据本发明制造的装配在其内的减压阀；

图2是一个放大的大致沿图1中的2-2线的剖面的示意图，详细地显示了减压阀；

图3是一个沿图2中的3-3线的剖面的示意图，具有在其第一、关闭位置的减压阀；

图4是一个与图2类似的剖面的示意图，具有在其第二、打开位置的减压阀；

图5是一个沿图4中的5-5线的剖面的示意图，具有在其第二打开位置的减压阀；

图6是局部剖开的正视的示意图，显示了根据本发明具有一个减压阀的封闭腔或密封流体系统的一个实例。

本发明的详细描述

通过参考图1到6，本发明的优先实施例和它的优点可以被最佳的理解，其中在所有视图中相同的参考标号用于相同的部件。

  图1说明了一般指示为10的一个滚锥钻头的一个实施例的部分截面图。滚锥钻头10包括一个压力补偿润滑系统，该压力补偿润滑系统具有一个根据本发明的密封的弹性材料减压阀。在一个完全的滚锥钻头中一般具有三个臂，每个臂具有一个独立的润滑系统，以用于安装在相关轴的各自的切削锥上。

在图1中只部分显示了滚锥钻头10，其优选包括一具有螺纹体部分12的钻头体，以将滚锥钻头10连接到一个钻杆柱的下端(未示出)。一个滚锥组件16被可旋转地安装到一个从支承臂14上伸出的轴15上。

滚锥组件16通常具有锥形的结构，在其外围具有多个由参考标号24所指示的切削元件。如在钻井技术所公知的，当切割元件24嵌入一个井孔的壁和底面上时，滚锥钻头10的旋转成形了一个井孔(未示出)。

滚锥组件16具有一个内部圆柱腔17，该内部圆柱腔17具有可被旋转地支承在轴15上的形状。如图1所示，内腔17容纳着一个推进钮22，以与轴15推进轴承接合，并容纳着设置在内腔17中的多个球轴承18和轴瓦20，以与轴15旋转轴承接合。

滚锥组件16由穿过设在轴15上的球通道50而插入的球轴承18保持在轴15上。一旦插入，球轴承18防止滚锥组件16从轴15上脱离。随后球通道50用固定在位的一个球塞52关闭。

一个开向滚锥钻头10的外表面的润滑剂腔70位于锥支承臂14上。润滑剂腔70包含一个通常指示为72的润滑剂储存器。润滑剂储存器72包括一个位于润滑剂腔70之内的通常为圆柱形的润滑剂罐74。润滑剂罐74包括一个限定了一个封闭的润滑剂室78的封闭端76。封闭端76具有一个位于其内的润滑剂开口80。润滑剂罐74的相对端包括一个支承柔性的弹性膜片84的凸缘肩82，该膜片84封闭了润滑剂罐74。一个帽86盖住膜片84并限定出一个面向膜片84的外部室88，以提供一个能够供膜片84扩张的容积。帽86、膜片84和润滑剂罐74通过一个卡环90被保持在润滑剂腔70中。帽86还包括一个开口36，以将膜片84的外表面置于与围绕着滚锥钻头10的外部井孔流体的流体连通之中。膜片84和润滑剂罐74之间的润滑剂室78中可以被加入适当的润滑剂，以提供在滚锥钻头10中用于球轴承18、轴瓦20和推进钮22的润滑的来源。

穿过臂14钻一个润滑剂通道26，以将润滑剂腔70与球通道50流体连通。从润滑剂腔70的一端，大体上靠近在润滑剂罐74内的润滑剂开口80处开始钻润滑剂通道26。球通道50还提供在润滑剂通道26和球轴承18、轴瓦20和推进钮22之间的流体连通。

在滚锥钻头10外侧的外部流体压力通过膜片84被传输到在润滑剂罐74中的润滑剂中。膜片84的柔性将润滑剂保持在一个压力，该压力通常等于在滚锥钻头10外侧的外部流体的压力。这个压力通过润滑剂通道26和球通道50传递。

一个弹性材料密封37环绕着滚锥组件16中的轴15的一部分，以将润滑剂保持在滚锥组件16中并环绕着球轴承18、轴瓦20和/或推进钮22。弹性材料密封37还防止有害材料进入滚锥组件16以及通过破坏球轴承18、轴瓦20和/或推进钮22而引起过早的钻头故障。

提供一个膜片84，以尽力防止跨过弹性材料的密封37的强加的高压力差。有时过多的压力差跨过滚锥钻头10被不注意地强加，即，在润滑系统中的压力实质上变得比泥浆和其它钻孔流体的压力高。例如，润滑剂膨胀可以超过膜片84的容积设计限制并在润滑系统中产生不希望的高压。如果这样的高压没有有效地被排出或释放，可能会发生防止井孔流体进入的流体密封的损坏和从润滑系统中润滑剂的泄露。

为了将润滑剂引入滚锥组件16中，一个与润滑剂通道26相交的注入通道38穿过锥支承臂14的一部分而延伸。通道38的外端优选设有螺纹，用来接受一个润滑剂配件(未示出)，以将所需数量的润滑剂注入与支撑臂14和滚锥组件16相关的润滑系统中。在将润滑剂注入润滑系统和滚锥组件16之后，如所希望的那样，一个带螺纹的塞(未示出)或一个减压阀40可插入到通道38中，以密封通道38并防止在通道38和滚锥组件10的外部之间的连通。

根据本发明制造的减压阀40可以被插入到通道38中。尽管图1显示了一个插入到通道38中的带螺纹的减压阀40，但也可以使用任何类型的机械连接或紧固技术完成在减压阀40和滚锥钻头10之间的连接。在另一个实施例中，减压阀40可以成形为与滚锥钻头10成一体的一个部件。

尽管在图1中显示了位于注入通道38中的减压阀40，但减压阀40也可以位于支承臂14之中的任何位置，只要允许在密封的润滑系统和井孔之间提供连通即可。在图2、3、4和5中更加清楚地显示了减压阀40的详细结构。

本发明的一个实施例包括具有一个弹性材料阀元件42的减压阀40，该阀元件42优选模塑到并封闭在一个阀体44之中。弹性材料阀元件42基本上为圆柱状并包括一个从一端110向相对的一端112延伸的漏斗状的腔43。弹性材料阀元件42的相对端112通常是封闭的。例如，弹性材料阀元件42可以由腈的化合物制成以及阀体44可以由锌磷酸盐合金钢制成。

一个小孔或流孔46优选成形在弹性材料阀元件42中，其从腔43延伸通过阀元件42的端部112。在图3、4和5中更加清楚地显示了孔46。孔46可被模塑在阀元件42之中或通过一个尖的针形工具(未示出)穿过阀元件42而成形在其中。对于图2-5中显示的实施例，孔46利用后者的技术成形。

在本发明的一个实施例中，通过使用一个精密的工具从阀体44的内侧端(没有螺纹)到阀体44的外侧端(有螺纹)穿过阀元件42，使流孔46从内侧向外成形。通过以这种方式穿透阀元件42，用精密工具成形的流孔46将更加可能允许润滑剂从内侧向外流动，而不是允许泥浆或其它井孔流体从外侧向内流动。这样保护了轴承系统以及与支承臂14和滚锥组件16相关的其它部件不受到杂物的污染，并允许建立在相关的密封润滑系统中的过多压力的释放。

如图2和3所示，孔46通常关闭并阻止跨过通道38在井孔(未示出)与润滑剂通道26之间的流体连通。这是阀元件42的设计的结果。在钻井期间，如果在滚锥钻头10外部的泥浆或其它井孔流体的压力比在支承臂14之中的润滑剂压力较高的话，孔46将保持在它的第一、关闭位置以阻止流体流动。

阀元件42优选成形有一个减小的直径部分，其部分限定一个柔性的环形凸缘48。当在润滑剂通道26中的润滑剂压力比靠近端部112的钻井泥浆或其它井孔流体的压力大时，选择环形凸缘48的结构和尺寸以允许其膨胀。图4示出了处于一个允许孔46打开的膨胀位置中的凸缘48。弹性材料阀元件42的几何尺寸是这样的，当承受到一个比润滑剂压力大的外部压力或井孔流体压力时，凸缘48将收缩，以迫使孔46关闭。这样，通过减压阀40通常只在一个方向发生流体流动。通过凸缘48密封孔46，泥浆或其它井孔流体通常被阻止进入滚锥钻头10的润滑系统。

在可替换的实施例中，阀元件42可以由任何弹性体或其它弹性材料成形。另外，对于与孔46和要求通过孔46的流体相关的所要求的打开和关闭压力，阀元件42的端部112和腔43可以适当地加以改变。例如，增加靠近端部112的阀元件42的外侧直径和/或增加孔46的长度，可以增加要求打开孔46的流体压力差。

本发明的一个优点是可以替换不同强度的弹性体以达到与减压阀相关的不同运行特性。本发明的另一个优点是可以改变阀元件42的尺寸和结构。阀元件42可以被制造成以在所要求的压力下打开。例如，凸缘48可以设计成，使得当在切削锥内的压力比在井孔中的压力至少高出100p.s.i.(磅/平方英寸)时，凸缘48将膨胀以及孔46打开，以允许通过孔46使流体流出滚锥组件16。在相同的实施例中，凸缘48可以设计成，使得当在井孔中的压力比在流体通道中的压力高出3800p.s.i.(磅/平方英寸)时，孔46将保持关闭并限制从井孔到通道38的流动。通过改变材料的类型和大小、流孔的形状和长度，减压阀的运行特性能够被控制以适合不同的应用。

对于一些应用，弹性材料阀元件能够被首先成形为不带完全穿过凸缘48而延伸的孔46。对这些实施例，凸缘48可以被这样刻划，以便使得所要求的压力差将使凸缘48裂开并有效地成形出孔46。另一方面，所选择的以成形凸缘48的弹性材料的厚度可以相对较薄，以便当在润滑剂通道26和滚锥钻头10的外部之间达到所要求的压力差时，凸缘48将裂开并释放过多的润滑剂压力到滚锥钻头10的外部。

由前面所述，值得评价的是，减压阀40能够被低成本的、容易的和快速的制造出来，其是对现有钻头的方便的改进，并在钻头的设计中不要求被结合成为新钻头的改变。根据本发明制造的与一个减压阀结合为一体的钻头，可以有效地防止由跨过润滑系统而强加于钻头中的不期望出现的压力差所引起的破坏。

此外，本发明的有益之处并不局限于钻头工业。如图6所示，提供了一个包括一封闭室60和减压阀40的密封流体系统59。室60可以代表任何与外界压力隔绝并在其中包含有流体的腔室。室60包括一个限定了一个腔64的外壳62。在外壳上优选具有一个带螺纹的圆柱状的开口66，以将减压阀40与外壳62相连。腔64通过外壳62与外界压力隔绝。

当在腔64中的压力偏离室60周围的外界压力时，减压阀40提供一个用于平衡室60的压力与外界压力的方法。此外，减压阀40可以位于开口66之中，以便室60外侧的高压力可以流进室60之中，以补偿在室60中的任何压力损失或压力降低。在这个实施例中，减压阀40可以被设置为阻止在相反方向的压力流动。

另一方面，减压阀40可以这样放置，以便在室60中存在的高压力可以通过减压阀40被释放出来，以平衡室60中的压力和外界压力。因此，减压阀将阻止较高的外界压力流入到室60中。通过改变流向、减压阀的型号和大小，本发明的内容可以被结合到任何要求释放或平衡在一个室中的流体压力的系统。此外，本发明可以被用于以下任何应用中，在这些应用中，由于恶劣的环境条件而不能接受一个机械类型的减压阀，在这种情况下，碎屑和杂质会引起机械阀、弹簧、金属座和其它工作部件的过度磨损。

尽管本发明及其优点已经被详细描述，可以理解的是在不脱离由所附的权利要求所限定的本发明的精神和范围下，能够对其进行不同的变化、替换和修改。

Claims (20)

1.在一个密封的流体系统中使用的一个减压阀，该减压阀包括：

  一个中空的阀体；

  一个通常为圆柱状的弹性材料阀元件，其位于该阀体之内；

  该阀元件包括一个第一端部和一个第二端部；

  一个成形于阀元件中的腔，该腔从所述第一端部向所述第二端部延

  伸；以及

  一个小孔，其至少部分地穿过阀元件而成形，以限定一个在该腔和

  所述阀元件的第二端部之间的流孔。

2.如权利要求1所述的减压阀，其特征在于，所述流孔被这样设置，

  以便当在流体系统中的流体压力超出流体系统外部的流体压力一预

  定量时，弹性材料阀元件将在它的第二端部裂开。

3.如权利要求1所述的减压阀，其特征在于，还包括：

  一个柔性凸缘，其靠近阀元件的第二端部成形，并具有至少部分地

  穿通它而延伸的流孔。

4.如权利要求1所述的减压阀，其特征在于，在所述阀元件之中的腔

  具有漏斗形状。

5.如权利要求1所述的减压阀，其特征在于，所述小孔从所述腔穿过

  该阀元件的第二端部而延伸。

6.如权利要求1所述的减压阀，其特征在于，所述阀体还包括一个在

  其上设有机械螺纹以用于使所述阀体和密封流体系统相连的第一端

  部。

7.如权利要求1所述的减压阀，其特征在于，所述小孔通过一个精密

  的针状工具成形。

8.如权利要求1所述的减压阀，其特征在于，使用一个精密的针状工

  具从所述阀元件的第一端部向所述阀元件的第二端部穿过而在阀元

  件之中成形出所述小孔，以调节通过所述流孔从所述阀元件的第一

  端部流向所述阀元件的第二端部的流体流动。

9.如权利要求1所述的减压阀，其特征在于，还包括：

  所述流孔具有一个第一、关闭位置，其阻止流体从密封的流体系统

  的外部流向密封的流体系统的内部；和

  所述流孔具有一个第二、打开位置，当在密封的流体系统中的流体

  压力与在密封的流体系统外部的流体压力之间的压力差超过一个预

  先选择的值时，其允许流体从密封的流体系统通过流孔向密封的流

  体系统的外部流动。

10.在一个滚锥钻头的密封流体系统中使用的一个减压阀，该减压阀包

  括：

  一个中空的阀体；

  一个通常为圆柱状的弹性材料阀元件，其位于该阀体之内；

  该阀元件包括一个第一端部和一个第二端部；

  一个成形于该阀元件中的腔，该腔从所述的第一端部向所述的第二

  端部延伸；和

一个小孔，其至少部分地穿过阀元件而成形，以限定出一个在所述腔和所述阀元件的第二端部之间的流孔；

所述弹性材料阀元件具有一个第一、关闭位置，其阻止流体从钻头的外部流向密封的润滑系统；以及

所述弹性材料阀元件具有一个第二、打开位置，当在润滑流体中的压力与在钻头的外部的流体的压力之间的压力差超过一个预先选择的值时，其允许润滑流体从密封的润滑系统通过所述通道向钻头的外部流动。

11.如权利要求10所述的减压阀，其特征在于，所述流孔被这样设置，

   以便当在滚锥钻头的密封润滑系统中的流体压力超过密封润滑系统

   外部的流体压力一预定量时，弹性材料阀元件将在其第二端部裂

   开。

12.如权利要求10所述的减压阀，其特征在于，还包括：

   一个柔性凸缘，其靠近阀元件的第二端部成形，并具有至少部分地

   穿过它而延伸的流孔。

13.如权利要求10所述的减压阀，其特征在于，所述小孔从所述腔延

  伸穿过该阀元件的第二端部。

14.如权利要求10所述的减压阀，其特征在于，所述腔具有漏斗形状。

15.如权利要求10所述的减压阀，其特征在于，所述阀体还包括一个

  在其上设有机械螺纹以用于使所述阀体和密封润滑系统相连的第一

  端部。

16.如权利要求10所述的减压阀，其特征在于，使用一个精密的针状

  工具从所述阀元件的第一端部向所述阀元件的第二端部穿过而在阀

  元件之中成形出所述小孔，以调节通过所述流孔并从所述阀元件的

  第一端部流向所述阀元件的第二端部的流体流动。

17.一个用于成形一个井孔的滚锥钻头，其包括：

  一个钻头体，其上端部分适合于连接到一个用于旋转该钻头体的钻

  杆柱上；

  多个呈角度间隔的支承臂，其与钻头体一起成形并依靠在其上，每

  个支承臂具有一个与一个轴相连接的内侧表面；

  每个轴具有一个与各自内侧表面相连接的且通常为圆柱状的上端部

  分，该轴通常从这里向下和向内突出；

  与支承臂数量相等的多个切削锥，每个切削锥可旋转地安装在各自

的一个轴上；

每个切削锥具有一个通常为圆柱状的用以接受各自的轴的腔；

每个支承臂具有一个润滑系统，该润滑系统具有一个润滑罐和设置

在其内的润滑剂通道，以向切削锥的圆柱状的腔提供润滑流体；

一个开口，其从钻头的外部向润滑剂通道中的一个延伸；

一个安装在该开口中的减压阀；

该减压阀包括一个可通过螺纹连接到支承臂上且通常为中空的阀

体；

安装在该阀体之内的一个弹性材料阀元件；

该弹性材料阀元件具有一个第一端部和一个第二端部；

一个成形于阀元件之中并从阀元件的第一端部向第二端部延伸的

腔；

一个小孔，其至少部分地穿过阀元件而成形，以限定一个在所述腔

和所述阀元件的第二端部之间的流孔；

所述弹性材料阀元件在第二端部处具有一个加强柔性凸缘；

所述弹性材料阀元件具有一个第一、关闭位置，其阻止流体从钻头

的外部流向润滑系统；以及

所述弹性材料阀元件具有一个第二位置，当润滑流体中的压力与在

钻头外部的流体的压力之间的压力差超过一个预先选择的值时，其

允许流体从密封的润滑系统通过所述通道流到钻头的外部。

18.如权利要求17所述的滚锥钻头，其特征在于，所述流孔被这样设

置，以便当在滚锥钻头中的密封润滑系统中的流体压力超过在该密

封润滑系统的外部的压力一个预定量时，弹性材料阀元件将在它的

第二端部裂开。

19.如权利要求17所述的滚锥钻头，其特征在于，所述小孔从所述腔

   延伸穿过阀元件的第二端部。

20.如权利要求17所述的滚锥钻头，其特征在于，所述位于阀元件中

   的腔具有漏斗形状。

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