本實(shí)用新型涉及一種用于將處理流體注入鉆孔中的閥和方法。鉆孔例如是用于開采烴(油氣)的井眼。

背景技術(shù)：

在烴生產(chǎn)的第一階段，也稱作一次開采，儲層壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于井眼內(nèi)部的井底壓力。這種高自然壓差驅(qū)動烴朝向井眼并且向上升到地表。為了降低井底壓力或增大壓差以增大烴生產(chǎn)量，可以使用人工升舉系統(tǒng)。一次開采階段在儲層壓力已經(jīng)降低到開采率不再具有經(jīng)濟(jì)效益的水平時(shí)抵達(dá)其極限。在一次開采期間，僅僅產(chǎn)出原始烴地質(zhì)儲量的較小的百分比。例如，就油或氣儲層而言大約10％至20％。

烴生產(chǎn)的第二階段稱作二次開采，在此期間，諸如水或氣體的外部流體通過與生產(chǎn)井流體連通的一口或多口注入井被注入到儲層中。因此，儲層壓力可在較長時(shí)期內(nèi)保持處于較高水平并且烴可朝向井眼移動。二次開采階段在從生產(chǎn)井大量產(chǎn)出注入流體并且生產(chǎn)不再具有經(jīng)濟(jì)效益時(shí)達(dá)到極限。在氣儲層中相繼使用一次開采和二次開采可以生產(chǎn)例如油或氣地質(zhì)儲量的大約30％至45％。

提高油采收率(EOR)或提高天然氣采收率指的是用于增加可從儲層中提取的烴的量的技術(shù)。提高油采收率(EOR)或提高天然氣采收率有時(shí)稱作三次開采，因?yàn)橥ǔＦ湓诙伍_采之后實(shí)施，但是其也可以在烴儲層的生產(chǎn)周期內(nèi)的任何時(shí)間實(shí)施?？梢酝ㄟ^將處理流體注入到烴生產(chǎn)井眼中來實(shí)現(xiàn)提高油采收率(EOR)或提高天然氣采收率。

當(dāng)天然氣在正在產(chǎn)氣井中流入的地表時(shí)，如果天然氣的速度足夠高，則天然氣將液體運(yùn)載到地表。高氣體速度導(dǎo)致產(chǎn)生霧狀流型，在所述霧狀流型中，液體細(xì)小地分散在氣體中。結(jié)果，在生產(chǎn)管或生產(chǎn) 導(dǎo)管中存在小量液體，從而導(dǎo)致因作用在流動流體上的重力而引起的壓降。因?yàn)樯a(chǎn)管中的氣體速度隨著時(shí)間下降，所以由氣運(yùn)載的液體速度甚至更快地下降。液體在導(dǎo)管壁上的流型致使液體聚集在井的底部，這會減緩或停止氣開采。

針對這個(gè)問題的可行解決方案包括安裝速度管柱、注入發(fā)泡劑的毛細(xì)管管柱或連續(xù)或間斷將水泵送到地表的泵，以便移除由水產(chǎn)生的靜水障礙。慣例是使用稱作柱塞的裝置來舉升液體。投入市場的改進(jìn)的電動泵可以增強(qiáng)技術(shù)的效力。

相同的理念還可以在油井處于生產(chǎn)結(jié)束期時(shí)應(yīng)用于油井。在這種情況中，儲層壓力下降到一低水平，使得其不能將油/水柱的重量舉升到地表。通過在特定點(diǎn)將氣體(諸如氮?dú)?注入井眼中，流體柱的密度可夠減小至使得儲層壓力能夠再次將流體舉升到表面的值。

因?yàn)槎喾N烴生產(chǎn)井眼現(xiàn)在接近它們的二次開采期末期或已經(jīng)經(jīng)歷了二次開采階段，所以提高油采收率(EOR)或提高天然氣采收率變得日益重要，以保持生產(chǎn)能力和延長井的生產(chǎn)壽命。結(jié)果，通常更加期望將處理流體或泡沫注入井眼中。

僅僅在荷蘭，氣井中的液體負(fù)荷當(dāng)前影響大約3.5MMm³/天的產(chǎn)氣能力。連同其它解決方案，當(dāng)前正施用化學(xué)發(fā)泡劑來解決這個(gè)問題。正在以成批模式或連續(xù)模式施加泡沫。

泡沫儲器和泵位于地表高度處。泵的容積受控并且準(zhǔn)確地給予泡沫。外徑例如為1/4”的毛細(xì)窄管順著生產(chǎn)管進(jìn)入到井眼的底部。氣井通常可以偏離豎直方向。因此，關(guān)于毛細(xì)管有兩段。沿著井孔的深度(AHD)是毛細(xì)管的絕對長度，而絕對豎直的深度(TVD)是相對于地表的垂直深度。在傾斜井眼中，TVD通常小于AHD。

加載液體的井眼的流動井底壓力(FBHP)典型地介于10bar和100bar之間。毛細(xì)管中的液體產(chǎn)生了一液柱，所述液柱提供了對應(yīng)于井眼的深度(TVD)的某一壓力。在TVD為3km的井眼中，毛細(xì)管的井底端部處的液柱的壓力可以為大約300bar。這種壓力針對更深的井眼而言可更高。毛細(xì)管的額定壓力例如為10,000psi(690bar)。調(diào) 壓閥施加在毛細(xì)管的井底端部處。在沒有設(shè)置這種閥的情況下，液柱將致使毛細(xì)管中的壓力恰好超過泵，以便如果泵停止時(shí)則降低到低于發(fā)泡劑的蒸發(fā)壓力。發(fā)泡劑蒸發(fā)，留下化學(xué)物質(zhì)的固體殘?jiān)@可能堵塞毛細(xì)管。

很多井眼設(shè)置有在地表控制的地下安全閥(SC-SSSV)。在保持通過毛細(xì)管柱注入發(fā)泡劑的同時(shí)保持SC-SSSV功能的能力需要研發(fā)新的設(shè)備以及修改現(xiàn)有設(shè)備。

一個(gè)選項(xiàng)是由本申請人研發(fā)的一種方法，該方法使用用于流體注入的現(xiàn)有SC-SSSV液壓控制系統(tǒng)。這種方法因此涉及修改安全閥設(shè)備并且使用其進(jìn)行泡沫注入。對于離岸應(yīng)用而言，本申請人研發(fā)了一種類似方法。兩種方法都需要一個(gè)或兩個(gè)化學(xué)背壓閥。利用永久安裝的流體注入管柱的當(dāng)前經(jīng)驗(yàn)表明：所需的背壓閥組件常常是整個(gè)系統(tǒng)中的最薄弱環(huán)節(jié)并且需要定期且費(fèi)用非常高的更換操作。因?yàn)楹芏嗖僮?陸上和離岸)在將來將安裝多種更多化學(xué)注入管柱，關(guān)鍵的是背壓閥組件在設(shè)定時(shí)間間隔期間無誤地工作。設(shè)定時(shí)間間隔可以為至少2年，但是如果井的剩余生命周期可能的話設(shè)定時(shí)間間隔優(yōu)選更長。

除了入井更換背壓閥是一項(xiàng)可能對人員和環(huán)境都造成損傷的高風(fēng)險(xiǎn)操作的事實(shí)之外，其還產(chǎn)生最低操作成本，例如，至少EUR30,000Euro(陸上)和EUR150,000(離岸)。在更換操作期間，還存在丟失設(shè)備的高潛在風(fēng)險(xiǎn)，這將需要非常高昂的附加打撈作業(yè)。

典型地，平均更換頻率為大約六個(gè)月。根據(jù)安裝的系統(tǒng)和故障機(jī)構(gòu)，與沒有生產(chǎn)的井(延期)有關(guān)的成本通常相對高。為了使得永久安裝的泡沫注入系統(tǒng)具有成本效率，平均更換頻率優(yōu)選地為大約2年或更多年。

因此，可靠背壓閥的設(shè)計(jì)對于未來無缺陷地輸送從液體加載井產(chǎn)出的氣(和油)的至關(guān)重要。

WO 2005/045183描述了一種用于將處理流體注入到井中的方法和系統(tǒng)。井可以包括在地表控制的地下安全閥(SC-SSV)，所述SC-SSV安裝在井眼的生產(chǎn)管中。安全閥典型地通過改變閥控制導(dǎo)管中的流體 壓力進(jìn)行控制，所述閥控制導(dǎo)管從井口延伸通過生產(chǎn)管與井眼套管之間的環(huán)形空間到達(dá)SC-SSV。處理流體注入導(dǎo)管連接到閥控制導(dǎo)管并且在生產(chǎn)管內(nèi)從安全閥向下懸垂至井的生產(chǎn)區(qū)。處理流體注入導(dǎo)管可以是鋼導(dǎo)管，所述鋼導(dǎo)管具有小于1厘米的外徑和一長度，所述長度使得該導(dǎo)管能夠抵達(dá)生產(chǎn)區(qū)。該長度例如為1km至3km。

在實(shí)踐中，處理流體注入導(dǎo)管在其下端處具有處理流體注入閥。處理流體注入閥通常是球座閥。因?yàn)樘幚砹黧w注入閥位于地表下方的相當(dāng)深的深度處，所以其可承受高工作壓力，例如100bar至300bar，有時(shí)甚至高達(dá)400bar至500bar或更大。在這種高工作壓力下，處理流體注入閥不得不在閉合位置與打開位置之間移動，以便精確地計(jì)量將處理流體注入到生產(chǎn)區(qū)中的注入。另外，處理流體通常含有化學(xué)品(諸如，發(fā)泡劑)，其可以導(dǎo)致處理流體注入閥結(jié)垢和腐蝕。這增加了發(fā)生故障的風(fēng)險(xiǎn)(諸如堵塞)并且因此可能對處理流體注入閥的可靠性造成負(fù)面影響。

US-2010/0096127公開了一種恒流量閥，所述恒流量閥包括：固定套筒，所述固定套筒具有入口和固定口，所述固定口貫穿固定套筒的側(cè)部形成；浮動套筒，所述浮動套筒與固定套筒同軸并且相對于浮動套筒可滑動；浮動口，所述浮動口貫穿浮動套筒的側(cè)部形成并且可與固定口選擇性地對準(zhǔn)；限流孔板，所述限流孔板位于浮動套筒的端部上并且與浮動口流體連通；和壓縮彈簧，所述壓縮彈簧在與固定套筒相對的限流孔板側(cè)上與限流孔板接觸。當(dāng)注入流體被引導(dǎo)到入口時(shí)，流體流到固定口、通過對準(zhǔn)的固定口和浮動口并且通過限流孔板，以便在限流孔板兩側(cè)產(chǎn)生壓差，所述壓差產(chǎn)生了使得浮動套筒滑動遠(yuǎn)離固定套筒的力。由于浮動口和固定口沒有對準(zhǔn)，這繼而減小了通過流量控制裝置的流動面積。減小的流動面積減小了通過口的流量，這繼而減小了限流孔板兩端的壓差。當(dāng)限流孔板兩端的壓力下降并且彈簧力基本相同時(shí)，浮動孔板將穩(wěn)定并且停止運(yùn)動，從而保持流體的恒定流率。

US-2010/0096127的恒流量閥設(shè)計(jì)成例如通過選擇某一彈簧力用 于預(yù)定的流體流率。不可能將流率調(diào)節(jié)到更低的流率，而只是使流動停止。另外，滑動套筒并且尤其是其環(huán)形空間以及對準(zhǔn)開口皆易于結(jié)垢和堵塞。后者增大了發(fā)生故障的風(fēng)險(xiǎn)而且對閥的可靠性造成負(fù)面影響。對于井下的惡劣環(huán)境而言，這種閥被證明太不可靠。

WO-2013/004609公開了一種泡沫注入閥，所述泡沫注入閥包括活塞，所述活塞可在殼體內(nèi)移動。殼體設(shè)置有側(cè)向開口。

盡管有如上所述的用于泡沫注入的可獲得的現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)，在實(shí)踐中，證明難以制造具有足夠的可靠性、堅(jiān)固性和/或使用周期的閥。再次參照惡劣的井下環(huán)境。在實(shí)踐中，因密封泄漏或閥堵塞而頻繁阻礙對閥將足夠量的泡沫注入到井中的控制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的是提供一種用于將處理流體注入井眼中的改進(jìn)的注入閥和方法。

本實(shí)用新型提供了一種用于將處理流體注入井眼中的注入閥，所述注入閥包括：

-缸體，所述缸體包括流體入口、至少一個(gè)側(cè)向流體出口和內(nèi)缸膛，所述內(nèi)缸膛提供了從流體入口朝向流體出口的流體通道；

-活塞構(gòu)件，所述活塞構(gòu)件能夠在閉合位置和打開位置之間運(yùn)動地布置在內(nèi)缸膛內(nèi)，其中在閉合位置中，活塞構(gòu)件堵塞從流體入口朝向流體出口的流體流動，并且其中在打開位置中，活塞構(gòu)件允許流體從流體入口流至流體出口；和

-迷宮式密封段，所述迷宮式密封段用于至少在流體入口和流體出口之間密封活塞構(gòu)件和缸體的內(nèi)表面之間的環(huán)形空間，所述迷宮式密封段包括多條周向槽。

在根據(jù)本實(shí)用新型的處理流體注入閥的情況中，由活塞構(gòu)件在缸體內(nèi)的運(yùn)動限定了閉合位置和(完全)打開位置。缸體是靜止不動的并且可以布置在防護(hù)殼內(nèi)。在閉合位置中，活塞構(gòu)件堵塞從管狀殼體中的軸向流體通道朝向套筒構(gòu)件的軸向流體通道的流動路徑，使得關(guān) 閉處理流體注入閥。即使在相對高的壓力條件下，并且注入流體在井眼中的壓差可超出200bar至300bar時(shí)，本實(shí)用新型的閥的泄漏率可以為零，或至少相對低。即使在處理流體注入閥在高工作壓力條件下注入流體時(shí)也可以保持泄漏率為零至非常低。根據(jù)本實(shí)用新型的注入閥的特定構(gòu)造防止結(jié)垢和腐蝕，并且因此顯著延長了注入閥的壽命。結(jié)果，閥可承受化學(xué)處理流體的影響，具有延長的預(yù)期使用期，并且維護(hù)可以是有限的。本實(shí)用新型的處理流體注入閥因降低了故障風(fēng)險(xiǎn)而是可靠的。典型地，閥可設(shè)計(jì)成利用化學(xué)處理流體在例如兩年或更長的延長時(shí)期內(nèi)連續(xù)工作而不出現(xiàn)故障。

在一個(gè)實(shí)施例中，迷宮式密封段的周向槽布置在活塞的外表面上。迷宮式密封段可以包括至少五條至十條槽。迷宮式密封段可以至少在流體入口和流體出口之間的長度上延伸。在改進(jìn)的實(shí)施例中，迷宮式密封段延伸超出流體出口。迷宮式密封段的超出流體出口的長度可以至少等于或大于迷宮式密封段的流體出口和靜態(tài)密封件之間的長度。

在優(yōu)選實(shí)施例中，在閉合位置中，活塞構(gòu)件的軸向端部表面抵靠由彈性材料制成的座部。座部定位成例如毗鄰缸體的軸向端部。

當(dāng)活塞構(gòu)件處于閉合位置中時(shí)，活塞的端部接合由彈性材料制成的座部。彈性材料例如可以包括橡膠。端部表面和彈性座部之間的接合確保處理流體注入閥關(guān)閉而沒有任何泄漏。圍繞活塞構(gòu)件徑向設(shè)置的密封構(gòu)件降低了座部的磨損。當(dāng)閥處于打開位置中時(shí)，在彈性密封件上不存在或幾乎不存在任何壓差。動態(tài)密封(活塞，并且可選的密封構(gòu)件)和靜態(tài)密封(彈性座部)彼此分離開。靜態(tài)密封件確保在靜態(tài)閉合位置中的適當(dāng)密封，從而限制或消除流體泄漏。堅(jiān)韌的密封構(gòu)件提供了動態(tài)條件下的密封。因此，本實(shí)用新型的閥將低到不存在的流體泄漏性和彈性密封件的使用期相對長相組合。

在一個(gè)實(shí)施例中，套筒構(gòu)件中的至少一個(gè)側(cè)向流體開口限定了可調(diào)節(jié)的流動區(qū)域，其中，通過控制活塞構(gòu)件在閉合位置和打開位置之間的位置可調(diào)節(jié)所述可調(diào)節(jié)的流動區(qū)域。還可能將活塞構(gòu)件控制到處于閉合位置和(完全)打開位置之間的至少一個(gè)部分打開位置中，并 且其中在活塞構(gòu)件處于打開位置的情況中，套筒構(gòu)件中的至少一個(gè)側(cè)向流體開口限定了第一流動區(qū)域，并且其中在活塞構(gòu)件處于其至少一個(gè)部分打開位置的情況中，套筒構(gòu)件的至少一個(gè)側(cè)向流體開口限定了第二流動區(qū)域，所述第二流動區(qū)域小于第一流動區(qū)域。

在活塞構(gòu)件處于打開位置的情況中，套筒構(gòu)件中的側(cè)向流體開口限定了對應(yīng)于預(yù)定最大體積流量的流動區(qū)域。在部分打開位置中，套筒構(gòu)件中的側(cè)向流體開口限定了相應(yīng)流動區(qū)域，所述相應(yīng)流動區(qū)域小于對應(yīng)于預(yù)定最大體積流量的流動區(qū)域。通過套筒軸向流體通道中控制處理流體的壓力，活塞構(gòu)件可從閉合位置移置到部分打開位置(“節(jié)流位置”)。因此，可通過使得活塞構(gòu)件移置來調(diào)節(jié)由套筒構(gòu)件中的側(cè)向流體開口限定的流動區(qū)域，并且因此可操作處理流體注入閥，以便將計(jì)量量的處理流體從處理流體注入導(dǎo)管運(yùn)送到烴生產(chǎn)井的生產(chǎn)區(qū)。換言之，可能精確地計(jì)量所注入的處理流體的量。例如，處理流體注入閥可以構(gòu)造成每小時(shí)或每天注入1至5升。

另外，當(dāng)處理流體是化學(xué)品(例如發(fā)泡劑)時(shí)，其可能在側(cè)向流體開口的邊緣上形成沉積物，這導(dǎo)致堵塞風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)這個(gè)實(shí)施例，可通過操作活塞構(gòu)件沖走任何殘余物來增大由套筒構(gòu)件中的側(cè)向流體開口限定的流動區(qū)域，所述殘余物可以在使用期間凝固到側(cè)向流體開口上。因此，可通過暫時(shí)增加通過側(cè)向流體開口的體積流量來定期清潔側(cè)向流體開口。這導(dǎo)致處理流體注入閥具有非常高的可靠性。

套筒構(gòu)件的至少一個(gè)側(cè)向流體開口可以包括單個(gè)側(cè)向流體開口或多個(gè)側(cè)向流體開口。

在特定實(shí)施例中，套筒構(gòu)件包括至少第一側(cè)向流體開口和至少第二側(cè)向流體開口，所述第二側(cè)向流體開口布置成與第一側(cè)向開口軸向間隔開，其中，活塞構(gòu)件可從閉合位置逐漸運(yùn)動到第一部分打開位置郵寄從第一部分打開位置運(yùn)動第二部分打開位置，其中，處于其第一部分打開位置中的活塞構(gòu)件允許處理流體流動通過套筒構(gòu)件中的第一側(cè)向流體開口并且堵塞處理流體從套筒構(gòu)件的軸向流體通道朝向套筒構(gòu)件的第二側(cè)向流體開口的流動，并且其中，處于其第二部分打開位 置中的活塞構(gòu)件允許處理流體流動通過套筒構(gòu)件中的第一側(cè)向流體開口和第二側(cè)向流體開口。

當(dāng)活塞構(gòu)件從閉合位置移置一段漸增的距離至第一部分打開位置時(shí)，允許處理流體流動通過一流動路徑，所述流動路徑從流體入口通過管狀殼體中的軸向流體通道、套筒構(gòu)件的軸向流體通道、套筒構(gòu)件中的第一側(cè)向流體開口、朝向管狀殼體中的側(cè)向流體出口。同時(shí)，活塞構(gòu)件(特別地其密封構(gòu)件)防止處理流體從流體入口流動通過管狀殼體中的軸向流體通道、通過套筒構(gòu)件中的軸向流體通道，進(jìn)入第二側(cè)向流體開口中。因此，操作處理流體注入閥，以便注入對應(yīng)于第一側(cè)向流體開口的計(jì)量體積的處理流體。

從第一部分打開位置，活塞構(gòu)件可以移置另一段漸增距離至第二部分打開位置，在第二部分打開位置中，允許處理流體流動通過套筒構(gòu)件中的第一側(cè)向流體開口和第二側(cè)向流體開口、流向管狀殼體中的側(cè)向流體出口。結(jié)果，增加了計(jì)量量的處理流體。應(yīng)當(dāng)注意的是，套筒構(gòu)件可包括：另外的側(cè)向流體開口，所述另外的側(cè)向流體開口布置成相互隔開一軸向距離并且因此提供了活塞構(gòu)件的另外的部分打開位置。在第二部分打開位置中，活塞構(gòu)件堵塞處理流體從套筒構(gòu)件中的軸向流體通道流向另外的側(cè)向流體開口的流動。

處理流體注入閥可能包括將活塞構(gòu)件偏壓至閉合位置的彈簧構(gòu)件。彈簧提供了作用在活塞構(gòu)件上以用于使得活塞構(gòu)件向閉合位置返回的偏壓力。偏壓力可被流入到管狀殼體中的軸向流體通道中并且作用到活塞構(gòu)件的壓力接收軸向端部表面上的處理流體壓力克服。當(dāng)處理流體注入導(dǎo)管內(nèi)的壓力增大時(shí)，其作用在活塞構(gòu)件的壓力接收端部表面上，以推動活塞構(gòu)件沿著朝向打開位置的方向相對于套筒構(gòu)件軸向運(yùn)動，并且彈簧構(gòu)件被活塞構(gòu)件壓縮。例如，彈簧構(gòu)件包括壓縮彈簧，所述壓縮彈簧布置成處于活塞構(gòu)件和定位螺釘之間的預(yù)壓力的作用下，所述定位螺釘被接收到管狀殼體中。

在一個(gè)實(shí)施例中，缸體可移除地布置在防護(hù)殼內(nèi)。因此，可易于更換缸體。

根據(jù)另一個(gè)方面，本實(shí)用新型提供了一種井眼，所述井眼設(shè)置有如上公開的注入閥。

根據(jù)另一個(gè)方面，本實(shí)用新型提供了一種用于使用如上公開的注入閥將流體注入井眼中的方法。

在一個(gè)實(shí)施例中，井眼可以設(shè)置有地下安全閥和至少一個(gè)注入閥。該方法可以包括以下步驟：

-將地下安全閥引入井眼中；

-設(shè)置了用于控制地下安全閥的液壓控制管路；

-將根據(jù)根據(jù)本申請所述的至少一個(gè)注入閥設(shè)置在液壓控制管路的在地下安全閥下方延伸的分段中；以及

-控制液壓控制管路中的流體壓力，以控制地下安全閥和所述至少一個(gè)注入閥。

在一個(gè)實(shí)施例中，控制流體壓力的步驟包括：

i)將流體壓力控制在介于0和第一閾值壓力之間的第一壓力范圍內(nèi)，其中，地下安全閥和所述至少一個(gè)注入閥都閉合；

ii)將流體壓力控制在介于第一閾值壓力和第二閾值壓力之間的第二壓力范圍中，其中，地下安全閥打開并且所述至少一個(gè)注入閥閉合；和

iii)將流體壓力控制在超出第二閾值壓力的第三壓力范圍中，其中，地下安全閥和至少一個(gè)注入閥都打開。

在本實(shí)用新型的第一方面中，提供了一種用于將處理流體注入井眼中的注入閥，其特征在于，所述注入閥包括：

-缸體，所述缸體包括流體入口、至少一個(gè)側(cè)向的流體出口和內(nèi)缸膛，所述內(nèi)缸膛提供了從流體入口朝向流體出口的流體通道；

-活塞構(gòu)件，所述活塞構(gòu)件能夠在閉合位置和打開位置之間運(yùn)動地布置在所述內(nèi)缸膛內(nèi)，其中在所述閉合位置中，所述活塞構(gòu)件堵塞從所述流體入口朝向所述流體出口的流體流動，并且其中在所述打開位置中，所述活塞構(gòu)件允許所述流體從所述流體入口流至所述流體出口；和

-迷宮式密封段，所述迷宮式密封段用于至少在所述流體入口和所述流體出口之間密封所述活塞構(gòu)件與所述缸體的內(nèi)表面之間的環(huán)形空間，所述迷宮式密封段包括多條周向槽；

所述迷宮式密封段至少在所述流體入口和所述流體出口之間的長度上延伸，所述迷宮式密封段延伸的長度為所述流體入口和所述流體出口之間的長度的至少兩倍。

所述迷宮式密封段的周向槽布置在所述活塞構(gòu)件的外表面上。

所述迷宮式密封段超出所述流體出口的長度至少等于或大于所述迷宮式密封段的在所述流體出口與靜態(tài)密封件之間的長度。

所述迷宮式密封段包括至少10條周向槽。

所述迷宮式密封段延伸超出所述流體出口。

所述周向槽的橫截面是正方形的。

所述缸體由防護(hù)殼包封，所述防護(hù)殼設(shè)置有彈簧構(gòu)件，所述彈簧構(gòu)件用于以閾值壓力偏壓所述活塞構(gòu)件。

所述缸體能夠更換地布置在所述防護(hù)殼中。

所述缸體的內(nèi)缸膛的壁和/或所述活塞構(gòu)件的壁設(shè)置有硬化層。

本實(shí)用新型提供了一種井眼，其特征在于，所述井眼包括：

-地下安全閥；

-液壓控制管路，所述液壓控制管路用于控制所述地下安全閥；

-至少一個(gè)注入閥，所述至少一個(gè)注入閥為根據(jù)本實(shí)用新型的第一方面所述的注入閥。

注入閥布置在所述液壓控制管路中、位于液壓控制管路的沿著地下安全閥向井下延伸的分段中，所述液壓控制管路適于控制地下安全閥和所述至少一個(gè)注入閥。

根據(jù)本實(shí)用新型的處理流體注入閥可以單獨(dú)地或者將特征任意組合地包括在權(quán)利要求和上文描述的特征中的任一特征。

附圖說明

現(xiàn)在將參照附圖僅僅以舉例的方式解釋本實(shí)用新型，其中：

圖1示出了設(shè)置有根據(jù)本實(shí)用新型的用于注入處理流體的系統(tǒng)的示例性烴生產(chǎn)井的截面圖；

圖2a示出了圖1中示出的注入處理流體的系統(tǒng)的處理流體注入閥的截面圖，其中，處理流體注入閥處于閉合位置中；

圖2b示出了圖2a中示出的處理流體注入閥的截面圖，其中，處理流體注入閥處于部分打開位置中(“節(jié)流位置”)；

圖2c示出了圖2a中示出的處理流體注入閥的截面圖，其中，處理流體注入閥處于打開位置中；

圖3示出了一種密封構(gòu)件，所述密封構(gòu)件用于將活塞構(gòu)件相對于圖2a中示出的處理流體注入閥的套筒構(gòu)件密封；

圖4a、4b、4c、4d示出了套筒構(gòu)件的示例性實(shí)施例的截面圖，所述套筒構(gòu)件包括一個(gè)或多個(gè)側(cè)向開口，所述側(cè)向開口可與圖2a中示出的處理流體注入閥一起使用；

圖5示出了本實(shí)用新型的閥的另一個(gè)實(shí)施例的截面圖；

圖6示出了本實(shí)用新型的閥的缸體構(gòu)件的實(shí)施例的透視圖；

圖7示出了本實(shí)用新型的閥的靜態(tài)密封件的實(shí)施例的截面；

圖8示出了圖7的靜態(tài)密封件的細(xì)節(jié)；

圖9示出了本實(shí)用新型的閥的又一個(gè)實(shí)施例的截面圖；

圖10示出了圖9的閥的活塞的一個(gè)實(shí)施例的透視圖；

圖11以圖9的閥的活塞的截面圖示出了細(xì)節(jié)；

圖12示出了處于閉合狀態(tài)的本實(shí)用新型的閥的一個(gè)實(shí)施例的截面圖；

圖13示出了處于(部分)打開狀態(tài)的圖12的閥的實(shí)施例的截面圖；

圖14示出了曲線圖，所述曲線圖示出了本實(shí)用新型的閥的一個(gè)實(shí)施例的示例性測試結(jié)果，其表示閥兩端的壓差隨著時(shí)間的關(guān)系；和

圖15示出了另一個(gè)曲線圖，其表示本實(shí)用新型的閥的一個(gè)實(shí)施例的示例性測試結(jié)果。

具體實(shí)施方式

圖1示意性示出了根據(jù)本實(shí)用新型的井眼1。井眼1包括鉆孔4，已經(jīng)從地表3通過多個(gè)地層5、6、7、8直到生產(chǎn)地層9鉆出所述鉆孔。生產(chǎn)地層9包括烴，例如，油和/或氣。井眼4嵌襯有套管12和襯管15，所述襯管15通過襯管懸掛器13從最下方的套管12懸垂下來。襯管15從最下方的套管12延伸至生產(chǎn)地層9，并且包括穿孔11以用于允許從生產(chǎn)地層9至烴生產(chǎn)井1的生產(chǎn)區(qū)10流體連通。

生產(chǎn)管14布置在井眼4的套管12和襯管15內(nèi)?？梢砸远喾N方式構(gòu)造生產(chǎn)管14。例如，生產(chǎn)管14包括標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)管的分段，所述分段通過螺紋連接在一起。生產(chǎn)管14從烴生產(chǎn)井1的井口2延伸至生產(chǎn)區(qū)10。諸如油和/或氣的生產(chǎn)流體可以被運(yùn)送通過生產(chǎn)管14的內(nèi)部到達(dá)地表3處的井口2。采油樹16安裝在井口2處，以控制流體流入到井眼4中或流出井眼4。

井下安全閥17安裝在生產(chǎn)管14內(nèi)。在這個(gè)示例性實(shí)施例中，井下安全閥17構(gòu)造為在地表控制的地下安全閥。安全閥17可以位于大于50m的深度處，例如，位于大約100m的深度處。安全閥17在緊急情況中緊急關(guān)閉生產(chǎn)管14。安全閥17設(shè)計(jì)成故障保護(hù)件，即，在發(fā)生故障或損壞的情況中將井眼4與地表生產(chǎn)控制設(shè)備隔離開。在生產(chǎn)管14的外徑向表面與套管12之間限定了環(huán)形空間25。液壓控制管路18從地表3在環(huán)形空間25內(nèi)延伸到安全閥17，以便控制安全閥。

封隔器構(gòu)件24布置在生產(chǎn)管14和襯管15之間，以便將生產(chǎn)管14的下方部分固定到位并且使得環(huán)形空間25與生產(chǎn)管14的內(nèi)部基本隔離。例如，封隔器構(gòu)件24包括：用于將封隔器構(gòu)件24抵靠襯管15的壁固定的器件，諸如，滑動設(shè)備；和用于建立可靠液壓密封以便典型地通過可擴(kuò)展的彈性體元件隔離環(huán)形空間25的器件。生產(chǎn)管14的位于封隔器構(gòu)件24下方的部分通常被稱作尾部。

根據(jù)本實(shí)用新型的烴生產(chǎn)井1包括用于將處理流體注入到生產(chǎn)區(qū)10中的系統(tǒng)。用于將處理流體注入到生產(chǎn)區(qū)10中的系統(tǒng)包括處理流體注入導(dǎo)管19，所述處理流體注入導(dǎo)管19具有上供應(yīng)端部20和下排 放端部21。在這個(gè)示例性實(shí)施例中，上供應(yīng)端部20安裝在采油樹16中。

處理流體注入導(dǎo)管19布置在生產(chǎn)管14的內(nèi)部至安全閥17。處理流體注入導(dǎo)管19可以延伸通過安全閥17并且向下行進(jìn)通過生產(chǎn)管14的內(nèi)部直到位于生產(chǎn)區(qū)10中的下排放端部21。因此，處理流體注入導(dǎo)管19可以在安全閥17下方以及封隔器24下方延伸。處理流體注入導(dǎo)管19可以具有數(shù)千米長。

例如，處理流體注入導(dǎo)管19包括：上管，所述上管從井口2延伸至安全閥17；輸送管，所述輸送管布置在安全閥17中；和下管，所述下管從安全閥17延伸到生產(chǎn)區(qū)10。管的內(nèi)徑例如可以小于1cm，優(yōu)選地小于0.5cm。處理流體注入導(dǎo)管19的下端部包括處理流體注入閥22。

圖2a、2b、2c圖解了處理流體注入閥22的示例性實(shí)施例。處理流體注入閥22包括管狀殼體30，所述管狀殼體30包括圓周壁36和上端部短接31，所述上端部短接31固定在圓周壁36的上軸向端部處。套筒構(gòu)件39抵靠圓周壁36的肩部42裝配在管狀殼體30內(nèi)，所述肩部42向內(nèi)徑向延伸。座部構(gòu)件32固定在管狀殼體30內(nèi)、在套筒構(gòu)件39與上端部短接31之間。

流體入口37布置在管狀殼體30的上軸向端面中。流體入口37連接到處理流體注入導(dǎo)管19的下端部。側(cè)向流體出口38布置在管狀殼體30的圓周壁36中。管狀殼體30包括軸向流體通道34，所述軸向流體通道34延伸通過上端部短接31和座部構(gòu)件32。流體入口37與軸向流體通道34流體連通。套筒構(gòu)件39包括軸向流體通道40，所述軸向流體通道40與軸向流體通道34對準(zhǔn)，使得管狀殼體30的軸向流體通道34和套筒構(gòu)件39的軸向流體通道40彼此連接。

套筒構(gòu)件39包括至少一個(gè)側(cè)向流體開口41。在這個(gè)示例性實(shí)施例中，套筒構(gòu)件39包括五行側(cè)向流體開口41(見圖2c)。然而，套筒構(gòu)件39可以包括任何數(shù)量的側(cè)向流體開口行。每行側(cè)向流體開口41沿著圓周分布在套筒構(gòu)件39上，并且側(cè)向流體開口41行布置成相互 軸向間隔開。最上方行的側(cè)向流體開口41的直徑小于較低行的側(cè)向流體開口41的直徑。因此，行中的側(cè)向流體開口41的位于最上方行正下方的流動區(qū)域大于最上方行中的側(cè)向流體開口41的流動區(qū)域。

處理流體注入閥22包括活塞構(gòu)件43，所述活塞構(gòu)件43被套筒構(gòu)件39徑向包圍?；钊麡?gòu)件43圖2a中示出的閉合位置和圖2c中示出的完全打開位置之間可動地布置在套筒構(gòu)件39的軸向流體通道40內(nèi)。套筒構(gòu)件39的軸向流體通道40構(gòu)成了活塞室。活塞構(gòu)件43以相對緊密配合的方式布置在環(huán)繞的套筒構(gòu)件39內(nèi)。

活塞構(gòu)件43被彈簧構(gòu)件50偏壓到閉合位置。在這個(gè)示例性實(shí)施例中，彈簧構(gòu)件50包括壓縮彈簧，所述壓縮彈簧將偏壓力提供到活塞構(gòu)件43上，用于使得活塞構(gòu)件43朝向閉合位置返回。可通過定位螺釘51調(diào)節(jié)偏壓力，所述定位螺釘51由鎖定螺栓52固定。

活塞構(gòu)件43包括軸向端部表面44和外周表面45。活塞構(gòu)件43的外周表面45設(shè)置有密封構(gòu)件46。如圖3所示，在這個(gè)示例性實(shí)施例中，密封構(gòu)件46包括兩個(gè)金屬活塞環(huán)47(“硬封”)和彈性活塞環(huán)48(“軟封”)。因此，活塞環(huán)46、47從外周表面45徑向突出并且以密封方式與套筒構(gòu)件39的內(nèi)周表面接合。

在圖2a示出的閉合位置中，活塞構(gòu)件43的軸向端部表面44抵接座部構(gòu)件32，特別地抵接在座環(huán)33上，所述座環(huán)33包括彈性材料(“軟封”)。因此，處于閉合位置中的活塞構(gòu)件43堵塞處理流體從軸向流體通道34流向套筒構(gòu)件39的軸向流體通道40。密封構(gòu)件46和座部構(gòu)件32封閉從流體入口37通過軸向流體通道34、40和套筒構(gòu)件39中的側(cè)向流體開口41朝向側(cè)向流體出口38的流動路徑。通過使用密封構(gòu)件46和座部構(gòu)件32使得泄漏率非常低，而密封構(gòu)件46還防止座部構(gòu)件32磨損，使得處理流體注入閥22可長期以可靠方式操作。

可由流入到管狀殼體中的軸向流體通道34中并且作用到活塞構(gòu)件43的壓力接收軸向端部表面44上的處理流體壓力克服由彈簧構(gòu)件50施加到活塞構(gòu)件43上的偏壓力。當(dāng)在處理流體注入導(dǎo)管19內(nèi)部壓力增大時(shí)，處理流體注入導(dǎo)管作用在活塞構(gòu)件43的壓力接收端部表面 44上，以便推動活塞構(gòu)件43在套筒構(gòu)件39中的軸向流體通道40內(nèi)向下軸向運(yùn)動。這使得活塞構(gòu)件43脫離座部構(gòu)件32。通過控制處理流體的壓力，活塞構(gòu)件43可以以漸增或連續(xù)可變方式運(yùn)動。因此，活塞構(gòu)件43可被控制成位于圖2b示出的部分打開位置中(“節(jié)流位置”)。

在圖2b中示出的部分打開位置中，活塞構(gòu)件43使得最上方行的側(cè)向流體開口41打開。因此，活塞構(gòu)件43允許處理流體從流體入口37通過軸向流體通道34、40和套筒構(gòu)件39的最上方行中的側(cè)向流體開口41流向管狀殼體的圓周壁36中的側(cè)向流體出口38。因?yàn)榛钊麡?gòu)件43仍然堵塞位于最下方行下方行的側(cè)向流體開口41，所以最上方行的側(cè)向流體開口41的流動區(qū)域限定了流出處理流體注入閥22的處理流體的體積流量。

從圖2b中示出的部分打開位置，活塞構(gòu)件43可移動更長的一段漸增距離，以便打開位于最上方行側(cè)向流體開口41的正下方行的側(cè)向流體開口41。因此，套筒構(gòu)件中的側(cè)向流體開口41限定了可調(diào)節(jié)流動區(qū)域，其可通過控制活塞構(gòu)件43在圖2a中示出的閉合位置和在圖2c中示出的打開位置之間的位置進(jìn)行調(diào)節(jié)。

結(jié)果，可精確地計(jì)量從處理流體注入閥22排放的處理流體的量。另外，當(dāng)使用導(dǎo)致最上方行的側(cè)向流體開口41堵塞的化學(xué)處理流體時(shí)，活塞構(gòu)件43可暫時(shí)移動到較低位置，使得一行或多行較低行的側(cè)向流體開口41打開。結(jié)果，可暫時(shí)增加處理流體的體積流量，以便沖刷掉處理流體的任何結(jié)塊的殘余物以及以便清理側(cè)向流體開口41。

活塞構(gòu)件43可從圖2b中示出的部分打開位置移動到圖2c中示出的完全打開位置，其中，每行中的側(cè)向流體開口41是打開的。在活塞構(gòu)件43處于完全打開位置的情況中，套筒構(gòu)件39中的側(cè)向流體開口41限定了最大流動區(qū)域。如圖2c所示，最下方行的側(cè)向流體開口41可以仍然被處于打開位置中的活塞構(gòu)件43部分覆蓋。

可以以多種方式構(gòu)造套筒構(gòu)件39，特別地套筒構(gòu)件39中的一個(gè)或多個(gè)側(cè)向流體開口41。圖4a、4b、4d示出了具有單個(gè)側(cè)向流體開口41的套筒構(gòu)件的示例性實(shí)施例，而圖4c示出了在圖2a、2b、2c 中示出的套筒構(gòu)件39。

在優(yōu)選實(shí)施例中，本實(shí)用新型的注入閥具有以下性質(zhì)：

-閥能夠在入口處在至少介于大約250bar至350bar的壓力范圍內(nèi)密封而不會發(fā)生泄漏；和

-閥可在入口處保持超出350bar的壓力，而與此同時(shí)每小時(shí)注入小于5升的處理流體。

請注意的是，上述要求意味著在低流率條件下的壓力教高。還參照包括溫度和存在腐蝕性物質(zhì)的井下條件。目標(biāo)介質(zhì)(即，處理流體)典型地可以是具有與水基本類似的密度和粘度的流體。然而，處理流體自身可具有腐蝕性，原因在于處理流體典型地可以包括一種或多種酸或表面活性劑。結(jié)合注入閥的延長的所需壽命為大約數(shù)年(例如，至少5年至10年)以及關(guān)于將注入閥放置到井眼中或替換注入閥所需的顯著成本和時(shí)間，烴工業(yè)強(qiáng)烈需要可長期注入處理流體的可靠的注入閥。

參照圖5?；旧?，本實(shí)用新型的注入閥22如二沖程活塞發(fā)動機(jī)一樣工作。如箭頭100所示，流體處于入口34處，從而向活塞43的頂端部110提供了流體壓力P_fluid。缸體43由彈簧激發(fā)并且在高于設(shè)置壓力P_open的條件下打開，以便在保持流體柱壓的同時(shí)計(jì)量流體。取決于流體流量，活塞43將向下移動某一距離，以便在注入時(shí)獲得平衡。

處理流體通過活塞43與缸體39的內(nèi)表面之間的環(huán)形區(qū)域102的泄漏較少。活塞的壁與缸體39的壁之間的公差可介于約0.5μm至3μm。總直徑差可以為大約5μm或更小。

當(dāng)閉合時(shí)(流體壓力P_fluid＜P_open)，彈簧力104將活塞43推壓成抵靠靜態(tài)密封件33。在活塞沒有使得密封件33運(yùn)動并且接合密封件33的靜止?fàn)顟B(tài)中，注入閥可大約100％密封，即，基本無泄漏。靜態(tài)密封件例如是O型環(huán)，所述靜態(tài)密封件被活塞43的頂端部110壓縮成正確形狀和尺寸，從而密封在活塞的頂邊緣106上。

在圖5中示出的組件可以放置在防護(hù)殼30中(見圖2a至圖2c)。防護(hù)殼30可以包括彈簧室，所述彈簧室包括壓縮彈簧50。缸體39的 外表面可以設(shè)置有一個(gè)或多個(gè)環(huán)形密封環(huán)112(圖5、6)，以便密封防護(hù)殼30的壁36的內(nèi)表面。

在實(shí)際實(shí)施例中，缸體39(圖5)可以具有內(nèi)缸膛40，所述內(nèi)缸膛40優(yōu)選地是直缸膛。內(nèi)缸膛40的直徑可以介于大約5mm至30mm之間，例如為大約10mm。一個(gè)或多個(gè)出口41位于靜態(tài)密封件33下方的設(shè)定距離處。設(shè)定距離可以大約為內(nèi)缸膛的直徑?？商娲?，設(shè)定距離可以為至少4mm。設(shè)定距離可以針對注入狀態(tài)改善密封能力。

出口41的形狀可以與圖2a至2c類似?？商娲兀隹?1可以成大體三角形或類似于鍵孔，如圖6所示。出口的橫截面面積優(yōu)選地沿著活塞43打開所述出口的方向增大。出口的形狀提高了活塞的可靠性。兩個(gè)或更多個(gè)出口41可以設(shè)置成提供冗余量。如果出口41中的一個(gè)被堵塞，則注入閥22仍然工作。

參照例如圖7和圖8，靜態(tài)密封件33可以放置在缸體蓋114中。靜態(tài)密封件優(yōu)選地包括O型環(huán)。O型環(huán)可以布置在缸體蓋114中的對應(yīng)槽116中，其中，密封環(huán)33被密封壓縮環(huán)118壓縮，以獲得正確形狀。O型環(huán)可以由相對硬的耐化學(xué)材料(例如適當(dāng)?shù)木酆衔?制成。

圖8示出了缸體蓋組件的更加詳細(xì)的截面圖。當(dāng)流體壓力下降到低于閥的設(shè)定打開壓力時(shí)，彈簧力將活塞推入靜態(tài)密封件33到達(dá)其一部分中，靜態(tài)密封件33的所述一部分從位于帽狀環(huán)118與缸體蓋114的槽116之間的槽凸出，從而產(chǎn)生了基本100％的緊密密封。

在實(shí)際實(shí)施例中，槽116的尺寸可以為大約1.75mm[w]*2.1mm[1](圖8)。槽的體積為大約107mm³。對應(yīng)的密封環(huán)33的內(nèi)徑ID可以為大約9.2mm。上述示例性尺寸提供了靜態(tài)密封件，其中，活塞43不能將O型環(huán)33推入到槽116中。結(jié)果，甚至當(dāng)活塞在接合靜態(tài)密封件33時(shí)也將使得O型環(huán)變形時(shí)，O型環(huán)將提供適當(dāng)?shù)沫h(huán)形密封。

參照圖9、10和11，活塞的頂端部優(yōu)選地設(shè)置有迷宮式密封段120。迷宮式密封段可以包括多條槽122。在槽之間設(shè)置有對應(yīng)的突出凸緣124。迷宮可以例如包括至少10條周向槽。槽的橫截面可以為矩形形狀(圖11)。

在實(shí)際實(shí)施例中，槽的深度可以為大約0.5mm至1.5mm，例如大約1mm。槽的寬度可以大約為0.5mm至1.5mm，例如為大約0.8mm(圖11)。槽122連同活塞壁126和缸體壁40一起形成了迷宮式密封件。迷宮式密封構(gòu)件只是針對在活塞43與缸體壁40之間的環(huán)形區(qū)域102增加了流體摩擦。增加的流體摩擦減小了流體泄漏并且由此在流體流經(jīng)閥并且流出出口41之前增加了活塞遠(yuǎn)離靜態(tài)密封件向下行進(jìn)的距離。延遲的流體流動保護(hù)了靜態(tài)密封件。

在可替代實(shí)施例中，槽122可以布置在內(nèi)表面40中。在這個(gè)實(shí)施例中，缸體39的外表面優(yōu)選是光滑的。

另外，迷宮式密封件可以延伸越過出口41，以便增加出口和彈簧室之間的分段中的環(huán)形區(qū)域102中的流體摩擦。因此，迷宮式密封件還防止流體順著活塞43桿流向彈簧室和彈簧50。

在實(shí)際實(shí)施例中，迷宮式槽122在長度L1上延伸，所述長度L1至少為靜態(tài)密封件33與出口41之間的距離L2的兩倍。可替代地，迷宮式密封件在出口41下方的長度L3至少等于或大于迷宮式密封件122的出口41與靜態(tài)密封件33之間的長度(圖12)。

當(dāng)閥打開(活塞從靜態(tài)密封件向下行進(jìn))時(shí)，出口上方的密封能力下降，從而導(dǎo)致出口41下方的密封能力對應(yīng)增加。因?yàn)榱黧w將順著阻力最小的路徑流動，所述路徑替代順著延活塞43桿向下流的是，從出口41流出(例如，見圖13)，所以流體將不能抵達(dá)活塞43下方的彈簧室。

活塞的頂端部110可以具有圓形邊緣106，所述圓形邊緣106保護(hù)靜態(tài)密封件。邊緣的半徑可以為大約0.4mm(圖11)?；钊?3的外徑OD可以為大約9.995mm。缸體39的內(nèi)徑ID可以為10mm，從而形成活塞和缸體之間的直徑差為5μm。

迷宮式密封件通過分解流體中的壓力獲得其密封能力。這通過在流體流中產(chǎn)生湍流來實(shí)現(xiàn)，這將壓力轉(zhuǎn)變成熱能并且由此分解了壓力。迷宮式密封件由多條槽(最小可以大約為5條槽)構(gòu)成，從而產(chǎn)生了湍流。

在本實(shí)用新型的閥中，流體首先以層流流動通過入口34進(jìn)入到環(huán)形區(qū)域102中(例如，大約2.5μm或更小)。此后，流體進(jìn)入第一槽122a中，在所述第一槽122a中，所述流體極大減速，從而導(dǎo)致產(chǎn)生湍流。在槽內(nèi)，流體開始旋轉(zhuǎn)，從而使得層流停滯。從這個(gè)湍流，一段流體需要截?cái)?，以通過環(huán)形區(qū)域102的后續(xù)段轉(zhuǎn)移到下一條槽122b(圖8)。在下一條槽中，處理重新開始。此處理的致動器是迷宮式密封件兩端的壓差。

在一個(gè)實(shí)施例中，用于控制安全閥17的液壓控制管路18和用于將處理流體注入井眼中的注入導(dǎo)管19可以組合在單根液壓導(dǎo)管中。

在使用中，注入導(dǎo)管19中的處理流體被加壓至超過用于打開安全閥17的第一閾值壓力P1但低于用于打開注入閥22的第二閾值壓力P2的壓力。第一閾值壓力例如為大約200bar。第二閾值壓力可以介于大約2500bar至350bar之間。

根據(jù)本實(shí)用新型的注入閥22提供了相對于現(xiàn)有技術(shù)的若干優(yōu)勢。由于靜態(tài)密封環(huán)33和動態(tài)密封環(huán)的操作，靜態(tài)密封件不會受缸體43運(yùn)動影響。動態(tài)密封件優(yōu)選地由迷宮式密封件(圖12和圖13)提供。這顯著提高了靜態(tài)密封件的密封能力。在實(shí)踐中，本實(shí)用新型的注入閥的靜態(tài)密封件可提供無泄漏密封。

在此無泄漏可以由以下示例性應(yīng)力測試結(jié)果表示。彈簧50針對大約250bar(或3625psi)的偏壓壓力設(shè)置成32.5mm。閥22被加壓至1500psi(103bar)，以檢查泄漏、在此在入口34處提供的壓力。壓力在2:13min內(nèi)下降大約54pasi(3.7bar)。由系統(tǒng)中的空氣、密封件的固定等來可能導(dǎo)致這個(gè)壓力下降。入口34處的壓力增大，直到閥在4350psi(300bar)條件下打開為止。釋放壓力并且將壓力設(shè)置成1500psi(103bar)。在10分鐘之后，壓力降低了大約20psi(1.4bar)，這表明密封良好。

針對入口34和出口41之間的4mm或更大的距離并且使用具有光滑外表面的活塞，實(shí)踐中的泄漏率可以為大約1ml/小時(shí)或更小。后述距離相當(dāng)于距離L2，圖12所示。泄漏率針對入口和出口之間的 10mm的距離和光滑活塞可以為大約0.5ml/小時(shí)或更小。泄漏率隨著距離L2增加而減小。泄漏率還在活塞設(shè)置有迷宮式密封段120(圖9)時(shí)減小。當(dāng)使用迷宮式密封件120時(shí)，例如在大約300bar的壓差和4mm或更大的距離L2的情況下泄漏率小于0.3ml/小時(shí)，降至0ml/小時(shí)。

在另一個(gè)示例性測試中，觀察注入閥22的動態(tài)行為。首先，將相對有限流體流量施加到入口34。由加速器提供流體流量，從而提供了相對穩(wěn)定的流體流量。入口處的壓力因連續(xù)流體流量而增大，從而致使閥在壓力超出第二閾值壓力時(shí)打開。由于有限的流量，因此壓力再次下降，從而致使壓力下降并且閥再次關(guān)閉。閥將以節(jié)流方式打開和閉合。此后，流體流量甚至進(jìn)一步下降，從而致使閥22不太頻繁地打開和閉合，但是仍然完全重復(fù)地以相同的方式發(fā)揮作用。這在圖15的曲線圖的左段可以觀察到。

在另一個(gè)示例性測試中，使用單沖程空氣動力泵將相對大的流體流量供應(yīng)到注入閥22的入口，從而致使閥22在注入時(shí)保持打開。還可以觀察到泵的行程。觀察到大約3500psi的連續(xù)穩(wěn)定注入(盡管由泵進(jìn)行脈動供應(yīng))。在圖14的曲線圖中示出了截面的特寫圖。

在又一個(gè)示例性測試中，通過將彈簧設(shè)置成為大約45.5mm將打開壓力設(shè)置為大約350bar(或5075psi)。閥在5800psi(400bar)條件下打開并且在壓力下降至4300psi(297bar)時(shí)關(guān)閉。這種行為完全可重復(fù)。

而且，在相對低的流體流率條件下，通過打開和閉合使得閥節(jié)流。在更高的流體注入率的條件下，閥連續(xù)打開，從而持續(xù)注入。這在圖15的曲線圖中示出。在圖15的左側(cè)，穩(wěn)定注入的兩個(gè)段302、304是可見的，其在下面的曲線圖6中放大。此后，流體流量降低，從而致使注入閥22重復(fù)打開和閉合(圖15的段306所示)。可增加和減少通過閥22的流體流量，從而致使缸體43的節(jié)流頻率對應(yīng)地增加或減小。保持節(jié)流行為36分鐘。

包括迷宮式活塞構(gòu)造的實(shí)施例證明非常可靠，從而在延長的時(shí)間 期間內(nèi)提供了可重復(fù)的行為。相對于活塞43的其它實(shí)施例的行為(例如見圖2)，迷宮式活塞在更低的壓力和/或流體流率條件下得以穩(wěn)定，這表明密封能力更好。這由其它測試證實(shí)。其它類型的活塞可能將大量的(處理流體)流體泄漏到彈簧室(即，保持彈簧50的室)中。在上述一系列測試中，當(dāng)使用設(shè)置有迷宮式密封件的活塞43時(shí)基本沒有發(fā)生泄漏。不存在泄漏使得能夠防止處理流體與閥的某些部件(諸如，彈簧50)之間發(fā)生接觸。因?yàn)樘幚砹黧w典型地具有高腐蝕性，所以防止與彈簧接觸減小對彈簧的磨損并且顯著延長了閥的壽命。由于提高了活塞43的迷宮式密封段的密封，所以靜態(tài)密封件33不受流體流量的影響并且能夠適當(dāng)?shù)厥归y在其靜止的閉合位置中閉合(與圖2a比較)。在泄漏的情況中，靜態(tài)密封件的壽命將縮短。因此在與迷宮式密封件組合的情況下防止了后一種情況。另外，迷宮式密封件使得整個(gè)設(shè)計(jì)更具有更便宜、更易于制造而且具有更高程度的故障保護(hù)。上述優(yōu)勢通過理論和通過測試都得以證實(shí)。

在實(shí)際實(shí)施例中，彈簧50可以設(shè)置成250bar的打開壓力。閥實(shí)際上可以在入口34處的壓力介于大約250bar至300bar的范圍內(nèi)打開。閥可以在入口34處的壓力介于大約205bar至230bar的范圍內(nèi)關(guān)閉。計(jì)算結(jié)果表示預(yù)期打開壓力為大約252bar而預(yù)期閉合壓力為大約208bar。

如果彈簧設(shè)置成大約350bar的打開壓力，則閥實(shí)際上可以在入口34處的壓力介于360bar至400bar之間的范圍內(nèi)打開。如果入口34處的壓力下降至大約270bar至300bar，則閥可以閉合。計(jì)算結(jié)果表示預(yù)期打開壓力為大約352bar而預(yù)期閉合壓力為大約285bar。

可以由靜態(tài)密封件導(dǎo)致產(chǎn)生打開壓力偏差。如果靜態(tài)密封環(huán)33被超預(yù)期地壓縮，則應(yīng)當(dāng)克服彈簧力的入口34處流體壓力所作用的表面更小。這對應(yīng)于實(shí)踐中的所發(fā)現(xiàn)的閥行為。

很多現(xiàn)有技術(shù)閥因接收閥的運(yùn)動部件的閥座腐蝕而出現(xiàn)故障。即使當(dāng)閥座由非常硬的材料(諸如碳化鎢)制成時(shí)，也發(fā)生腐蝕。腐蝕率部分地取決于閥的行為。所施加的泡沫也會導(dǎo)致腐蝕。因?yàn)闅馍a(chǎn) (還有液體加載)通常是連續(xù)的，所以也連續(xù)地施加泡沫。例如，對于良好去液化，可需要大約每天15升處理流體?？梢砸恢?天每天24小時(shí)施加處理流體。因此，閥必須提供并且處理0.01升/分鐘的連續(xù)流，所述連續(xù)流可以增加至5升/分鐘。給定可高達(dá)200bar至300bar或更大的相當(dāng)大的壓差，閥僅僅在球和座之間打開僅僅很小間隙，從而致使流體速度高，這可能磨掉閥的金屬。除此之外，發(fā)生稱作氣穴現(xiàn)象的現(xiàn)象，在閥中出現(xiàn)的已知問題。氣穴現(xiàn)象是在液體中形成蒸汽空泡，即，小的無液體區(qū)域(“氣泡”或“氣隙”)，這由作用在液體上的力引起。通常在液體承受壓力快速變化時(shí)發(fā)生氣穴現(xiàn)象，所述壓力快速變化只是形成腔，在所述腔處壓力較低。當(dāng)承受較高壓力時(shí)，氣隙爆裂并且會產(chǎn)生密集的振動波。氣穴現(xiàn)象是引發(fā)磨損的重要原因?？拷饘俦砻娴膬?nèi)爆的塌陷氣隙導(dǎo)致通過重復(fù)內(nèi)爆的循環(huán)應(yīng)力。這導(dǎo)致閥的金屬表面發(fā)生表面疲勞。

在本實(shí)用新型的閥中，顯著降低了磨損率。靜態(tài)密封件33和動態(tài)密封件120之間的距離防止通過靜態(tài)密封件的處理流體的高流率，并且因此，防止閥座(即，靜態(tài)密封件)腐蝕，如上所述。當(dāng)本實(shí)用新型的閥打開時(shí)，存在小流體流率，因此保護(hù)了靜態(tài)密封件。隨著活塞朝向出口運(yùn)動，流體流率增加并且閥將穩(wěn)定。由于流體流動，因此活塞頂部可能小程度地磨損，但這種磨損不會影響靜態(tài)密封能力，原因在于軟封33能夠適于活塞頂部106的磨損。本設(shè)計(jì)的另一個(gè)有利方面在于活塞能夠運(yùn)動并且在節(jié)流時(shí)振動，而沒有與靜態(tài)密封件錘擊接觸。

在現(xiàn)有技術(shù)的閥中，這些運(yùn)動部件和靜態(tài)密封件之間的錘擊金屬對金屬接觸通常致使對閥座造成過度磨損。

典型地當(dāng)活塞至少部分運(yùn)動到打開位置時(shí)，在位于活塞和缸體之間的環(huán)形區(qū)域102中，在活塞43和缸體39之間處理流體流量可高達(dá)250m/s。這種高速度可致使相對軟的材料腐蝕。因?yàn)樽钅臀g材料相對柔軟，所以缸體39的內(nèi)缸膛40的壁和/或活塞43的外表面可以硬化?？梢允褂靡韵路椒ㄖ械囊环N使得內(nèi)缸膛40的壁和/或活塞43的壁硬化。

1)這種處理將碳擴(kuò)散到表面中。處理沒有覆蓋表面，而是穿透表面，通常穿透20μm至30μm深[21]。需要這樣是由于涂層可能對于活塞環(huán)的磨損效果敏感。例如，AISI316不銹鋼具有大約155HV0.05的硬度，并且在之后，硬度可以增加至大約900至1300HV0.05。是良好的選擇，原因在于其不會使得材料更易碎，所以不會改變材料的形狀和尺寸并且降低乃至消除了擦傷的可能性?？稍谟腗acclesfield的Springwood Close的Bodycote plc SK10 2XF獲得關(guān)于或類似處理的更多信息。

2)-16C。這是基于鎳的涂層，其通過火焰噴涂施加，其可以將例如AISI316不銹鋼的硬度從155HV升高至700HV0.05。首先施加-16C涂層，繼而將材料研磨到正確尺寸，最終具有厚度為例如介于約5μm至10μm之間的硬化層。由瑞士的Sulzer Metco Management AG提供-16C。

本實(shí)用新型的閥的可以承受流體侵蝕的部分是活塞43的頂部106，因?yàn)檫@個(gè)頂部位于在打開閥時(shí)流體被壓入到活塞和缸體之間的環(huán)形區(qū)域102中的位置處。

在一個(gè)實(shí)施例中，缸體的內(nèi)缸膛40的壁和活塞的頂部段可以由硬化層保護(hù)。在此活塞的頂部段包括頂端部110、邊緣106和活塞39的壁的至少一部分?；钊谋诘乃鲋辽僖徊糠职ɡ缤怀鐾咕?24。

在實(shí)際實(shí)施例中，針對內(nèi)缸膛40和活塞39選擇不同的硬化方法。為了防止擦傷，活塞設(shè)置有-16C。使用處理內(nèi)缸膛。

存在與施加涂層(諸如，-16C)有關(guān)的電化學(xué)腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)，在像這樣的腐蝕性環(huán)境中，所述-16C替代諸如 的表面處理。如前面所提到的，為了最小化侵蝕活塞頂部的風(fēng)險(xiǎn)，可以通過施加諸如-16C的涂層使活塞頂部的表面硬化。涂層具有與基底材料不同的材料成分并且被施加在基底材料的表面上，在所述表面上，其浸漬到基底材料中。這意味著這兩種材 料之間的導(dǎo)電性接近理想，從而提供了用于電化學(xué)腐蝕的電勢。為了將電化學(xué)腐蝕限制到對于流體注入而言可接受的水平，活塞的基底金屬與涂層的金屬之間的腐蝕電勢最小化。腐蝕電勢優(yōu)選地小于數(shù)百毫伏。

作為活塞的基底材料的良好選擇的718的標(biāo)準(zhǔn)電位是大約-150mV。-16C的標(biāo)準(zhǔn)電勢是大約-350mV。在此，電勢差為大約200mV。涂層是不太惰性的并且將如陽極一樣工作。電化學(xué)腐蝕可能發(fā)生，但腐蝕率將保持在可接受的界限內(nèi)。

本實(shí)用新型的注入閥能夠在至少2年期間可靠地發(fā)揮作用，并且在實(shí)踐中在長得多時(shí)間內(nèi)可靠地發(fā)揮作用。因此，本實(shí)用新型的閥是用于注入處理流體的設(shè)備的實(shí)現(xiàn)功能零件，以便限制液體加載和延長井眼的壽命。

為了進(jìn)行圖釋和解釋，以上說明描述了本實(shí)用新型的示例性實(shí)施例。然而，對于本領(lǐng)域中的技術(shù)人員顯而易見的是，在不背離本實(shí)用新型的范圍的前提下可能對上述示例性實(shí)施例作出多種修改方案。應(yīng)當(dāng)注意的是，上述特征可以組合，單個(gè)特征或特征的任意組合可以與權(quán)利要求的特征中的一個(gè)或多個(gè)特征相組合。