流体流动与压力控制系统及方法背景
本发明涉及用于控制流体流动和流体压力的系统及方法，更具体
而言，涉及这样一种系统和方法，即根据其设置一自动地移动以控制
系统内的流体流动的节流器，并在系统内无论存在或发生什么流动条
件都维持一期望的背压。
有许多需要控制系统内流体流动的背压的应用场合。例如，在钻
油井的钻探中，通常在井孔中悬挂一钻管，在其下端带有钻头，当使
钻头旋转时，使钻探流体如钻探泥浆循环，向下穿过钻探钻具的内
部，穿出钻头，向上穿过井孔的环道直至表面。维持这种流体循环目
的是，用于从井孔去除钻屑，冷却钻头，以及维持井孔内的静液压力
以控制生成气体，防止井喷等。在这些情况下，钻探泥浆的重量不足
以维持钻井内的底部钻孔压力，有必要对表面的钻探泥浆施加额外的
背压，以补偿缺乏静液头，从而使钻井保持在控制之下。这样，在一
些示例中，在回流线上安装用于钻探流体的背压控制装置。
背压控制装置，对控制由盐水或生成气体注入钻探流体引起的系
统内的、会导致井喷的冲击也是必要的。在这些情况下，足够的额外
背压必须施加于钻探流体，使得生成气体得到遏制和控制钻井，直至
可使较重的流体或泥浆向钻探钻具下循环，向上至环道以熄灭钻井。
还希望避免产生过量的背压，其可能使钻探钻具粘附，或损坏构造、
钻井外壳，或钻井头设备。
然而，当钻探流体通过背压控制装置时，钻探流体一定特征的变
量使维持对钻探流体的最佳背压复杂化。例如，杂质或生成气体的导
入可以改变流体的密度，和/或进入控制装置的流体的温度和体积会
变化。因此，直到在钻探流体的节流处获得响应这些变化条件的合适
变化，才可实现期望的背压。一般，传统装置要求手动控制和调节节
流装置孔，以维持期望的背压。然而，手动控制节流装置涉及滞后期，
且一般不准确。
委托给本发明的受让人的美国专利4,355,784公开一种用于控
制上述环境下的钻探流体的背压的设备和方法，其阐述了上述问题。
根据该装置，一平衡节流装置在屏罩内移动以控制钻探流体的流动和
背压。节流装置的一端受到钻探流体的压力，另一端受到控制流体的
压力。然而，在该设计中，当节流装置响应钻井流体压力的增加或控
制流体压力的减小从其闭合位置移向开启位置时，其经常移动太快又
太远，于是经常越过其正常操作位置。这能引起压力峰值，和/或允
许钻井表面附近的大量气体排出该装置，这两者都不利。
因此，就需要一种其结合有上述专利所公开的系统的所有优点的
方法和系统，其用于控制流动流体的背压，仍在该节流器从其关闭位
置移向开启位置时减小任何压力峰值和气体排出。
概述
因此，提供一种系统和方法，据此在屏罩内形成入口通道和出口
通道，节流部件可在屏罩内移动以控制流体从入口通道至出口通道的
流动，还向该流体施加背压。使该节流部件从完全关闭位置至开启位
置的运动受到阻尼。
节流装置自动地操作以维持对流动流体的预定背压，尽管流体条
件有变化。另外，在关闭和开启穿过该系统的流体流动的过程中，可
以实现将背压精确地控制在期望压力值。进一步，当节流装置从关闭
位置移至开启位置时，消除大的压力峰值和/或起始流体波动。
附图说明
图1-3和4是根据本发明的实施例的系统的剖视图，示出不同操
作模式；
图2是图1的局部放大视图；
图5类似图2，但示出本发明的可选实施例。
详细描述
参照图1，一般，参考数字10指根据本发明的实施例的背压控制
系统。系统10包括屏罩12，其具有从其长度延伸穿过的轴向孔14
和排放端14a。径向延伸入口通道16也形成于屏罩12，并孔14交
叉。可以理解，可在孔14的排放端14a和通道16的入口端设置连
接凸缘等(图中未示)以将它们连接于合适的流动线路。将来自下孔
钻井的钻探流体导入入口通道16，穿过屏罩12，一般从孔14的排放
端排出用于再循环。
阀帽18固定于与孔14的排放端14a相对的屏罩12的端部。阀
帽18的截面基本为T形，并具有延伸入屏罩的孔14的柱形部18a。
密封环19在形成于阀帽部18a的外表面的凹槽中延伸，并与屏罩12
的相应表面接合。阀帽18也包括交叉部18b，交叉部与柱形部18a
正交延伸并以任何传统方式紧固于屏罩12的相应端。
心轴20固定于阀帽18的端部，密封环22在心轴的外表面和阀
帽的相应内表面之间延伸。杆件30滑动地安装于穿过心轴20延伸的
轴向孔中，密封环32在形成于心轴的限定后一孔的内表面的凹槽中
延伸。在杆件30在待述条件下的心轴20的孔中滑动时，密封环32
与杆件30的外表面接合。杆件30的一端部从心轴20和阀帽18的相
应端突出，杆件30的另一端从心轴20的另一端突出并凸入孔14。
以任何已知方式将垫圈34安装于杆件30的后端，并夹持于其功
能下述的两扣环35a和35b之间。柱形节流部件36置于孔14中，其
一端与垫圈34贴靠。图1示出处于完全关闭位置的节流部件36，并
在孔14与入口通道16交叉处延伸以控制流体从后者流向前者，如下
所述。
柱形梭动件40滑动地安装在心轴20之上，密封环42在形成于
心轴的外表面的凹槽中延伸并与梭动件的相应内表面接合。类似地，
密封环44在形成于梭动件40的外表面的凹槽中延伸，并与屏罩12
的相应内表面接合。梭动件40具有其与屏罩12的内表面一起限定流
体室46a的直径减小部40a。另一流体室46b限定于心轴20的外表
面和阀帽部18a的相应内表面之间。室46a、46b连通并容纳来自形
成于阀帽18的通道48a控制流体。可以理解，通道48a与液压系统
(未示)连接用于循环进出通道的控制流体。在本文中，将控制流体
在预定期望的设定点压力下导入通道48a，从而进入室46a、46b，该
点压力如由设定点压力调节器确定，由置于相关控制台的仪表测量。
由于压力调节器、仪表和控制台是传统的，在此不再描述和图示。
控制流体进入室46a、46b，并动作抵抗梭动件40的相应的露出
端部。将梭动件40设计成可移动，以便来自室46a、46b的、具有对
梭动件的相应露出端部作用的预定设定点压力的控制流体引起的压
力，与由通道16中的、对梭动件的另一端的相应露出端部和保持器
50作用的钻探流体的压力引起的力相等。这样，梭动件40一般处于
平衡状态，如下所述。
通道48b也穿过阀帽部18形成，用于在操作前使系统通过放泄
阀或类似物(未示)放气。
梭动件40具有外部攻有螺纹、直径减小的端部40b，其在节流部
件36的部分之上延伸。密封环49在形成于端部40b的内表面的凹槽
内延伸，并与节流部件36的相应外表面接合。一个内部攻有螺纹的
调整螺母50螺纹地与梭动件40的端部40b接合，并在形成于节流部
件36的环形凸缘36a之上延伸，以将节流室夹持于梭动件。梭动件
40也具有两形成于其内直径的间隔凹槽，用于容纳扣环35a、35b。
因此，梭动件40在下述条件下的固定心轴20之上的轴向运动，引起
节流部件36的响应轴向运动，从而引起垫圈34和杆件30的运动。
两柱形衬套54a、54b设置在孔14的与通道16相交的下游。节
流座56也置于衬套54b的上游的孔中，密封环58在形成于节流座的
外表面的凹槽中延伸，并与屏罩12的内表面的相应部接合。通过静
止调整部件60将节流座56保持于孔14中，从而也将衬套54a、54b
保持于其中，通过扣环61将该节流座保持于形成于屏罩12的内表面
的凹槽中。衬套54a、54b和节流座56限定屏罩12的孔14中的排放
通道62，该通道从孔14与通道16的交叉处延伸至孔14的排放端
14a。使节流座56的内部直径相对节流部件36的外直径的尺寸成以
较紧配合将其容纳，如下所述。
如图2所示，使梭动件部40a的端部降低至较小直径，垫片66
贴靠如此形成的台肩。扣环68在形成于后端部的环形凹槽中延伸，
并顶着台肩保持垫片66。垫片66的外径向部径向地从梭动件部40a
的外表面向外延伸。环形唇缘18c从阀帽部18a的端部径向地向内延
伸，并使其尺寸成以限定其与垫片之间的限制空间，又允许垫片稍有
间隙地穿过唇缘。
这样，当梭动件40相对心轴20和阀帽18在下述条件下移动时，
垫片66穿过由唇缘18c限定的圆形空间。由于在垫片66的外表面和
唇缘18c的内表面之间的圆形空间内有控制流体，使梭动件40的随
后运动受到阻尼，即产生阻尼效应。这由于下述原因防止梭动件40
过快运动。
在操作中，假定节流部件36位于其最大开启位置，如图3所示。
在该位置，“节流”区域，即节流部件36的端部和节流座56之间的
区域，大于排放通道62的区域。这样，当钻探流体穿过入口通道16
和排放通道62，从屏罩12排放用于再循环时，对其没有施加有背压。
当由于上述原因希望对通道16的钻探流体施加背压时，在上述
预定设定点压力下，将来自上述外源的控制流体到入通道48a，这样
就进入室46a、46b。当钻探流体从正在钻探的钻井通过入口通道16，
进入屏罩12时，由节流部件36相对节流座56的轴向运动控制入口
通道16和排放通道之间有效开口或通道。该设计是这样的，即设定
点压力使节流部件从图3的最大开启位置移向图4的标准操作位置。
在后一位置，节流部件36节流入口通道16的流体，从而对通过钻井
孔延伸回的后一流体产生背压。这直至入口通道16中出现流体压
力，其以与由室46a、46b的控制流体的压力作用于梭动件另一端的
相同的力对梭动件40的相应端作用。节流部件36的该平衡条件是图
4所示的标准操作位置。在该位置，维持一在节流部件36和节流座
56的相应端部之间非常小的空隙，其允许相对小数量的钻探流体流
入排放室62而维持上述背压。
鉴于上述梭动件40的平衡条件，节流部件36，在钻探流体(如
循环速度、密度、和温度)的条件下的任何变化，导致对梭动件作用
的后一流体的压力的相应变化，从而使梭动件移动直至建立新的平衡
条件。这样，系统10建立并维持对钻探流体的预定背压，尽管其特
征有变化。
当然，通过仅仅将室46a、46b的控制流体的压力升高至高于预
定设定点压力的值，可使梭动件40，进而使节流室36移至图1的完
全关闭位置。这样沿图中所示的从右至左的方向驱动梭动件40，进
而驱动节流部件36，直至节流部件完全抵达关闭位置，在该位置阻
塞从入口通道16至排放通道12的流体流动。
如果希望将梭动件40，进而将节流部件36，从图1的关闭位置
移至图4的标准操作位置，把室46a、46b的控制流体的压力降至预
定设定点压力值(或增加入口通道16的钻探流体的压力)。这使梭
动件40沿图中所示的从左至右的方向移动，从而使入口通道16与排
放通道62连通，使钻探流体从前者流向后者。这后一流动会增加钻
探流体的压力，直至其与室46a、46b的控制流体的设定点压力相等
和该系统处于其上述标准平衡操作位置。这样，一旦设定该设定点压
力，控制台控制系统自动地从系统10供给或提取流体，以允许梭动
件40移至合适的位置来控制设定点压力。
在梭动件40，进而节流部件36从图1的关闭位置至图4的标准
操作位置的运动过程中，如上所述，垫片66穿过由阀帽18的唇缘
18c限定的圆形空间。由于在垫片66的外表面和唇缘18c的内表面
之间的限制环形空间有控制流体，梭动件40的后一运动，进而节流
部件36受到阻尼，即产生阻尼效应。这防止梭动件40的过快运动，
于是去除流体的任何峰值和/或启始波动，如果不阻尼该运动，其很
可能发生。
梭动件40的所有上述运动引起垫圈34和杆件30的相应运动。
于是，杆件30从屏罩12突出的局部长度从而变化，这样提供节流部
件36相对节流座50的相对位置的指示，因此提供流体节流和背压的
指示。
在入口通道16有大的压力跌落或希望关闭钻探流体的循环的情
况下，节流部件36移动，或使其移动至图1的其关闭位置以终止所
有的穿过屏罩12的流动。
上面所述有下述一些优点。例如，系统10自动地操作以维持对
钻探流体的预定背压，尽管流体条件有变化。另外，在上述节流部件
36的关闭和开启过程中，实现把背压非常精确控制在期望压力值。
进一步，如上强调，当节流部件36从关闭位置移至开启位置时，降
低钻探流体的任何压力峰值和/或启始波动。仍进一步，任何会阻塞
通道16的杂质都会增加钻探流体的压力，使梭动件40，进而使节流
部件36移动以增加两通道之间的连通，而将后一压力维持在设定点
压力，从而至少使部分杂质排放。此外，可使垫片66或梭动件部40c
的尺寸改变以相应地改变阻尼特性。
图5示出本发明的一可选实施例。根据该实施例，用形成于梭动
件部40a的端部的端部40c代替前述实施例的垫片66。端部40c整
体地与梭动件部40a形成，并最好由相同的原料加工成。端部40c
径向地从梭动件部40a的外表面向外突出，其功能与垫片66相同，
即其与阀帽18的唇缘配合以用上述的方式阻尼梭动件40的运动。
可以理解，可对上述内容进行变动，而不超出本发明的范围。例
如，本发明并不局限于油田环境的钻探流体的过程，但是等同地可应
用于涉及流体流动的控制和将背压施加于其的过程。
由于可对上述公开内容进行修改、更改和代替，可以理解，将后
附权利要求广泛地和以与本发明的范围一致的方式解释。
按照条约第19条的修改
1.删除。
2.如权利要求23所述的系统，其中上述节流部件可在上述屏
罩内的完全关闭位置和完全开启位置之间移至和移离完全关闭位
置、完全开启位置和标准操作位置。
3.如权利要求2所述的系统，其中上述垫片阻尼上述节流部件
从上述完全关闭位置的运动。
4.如权利要求2所述的系统，其中上述节流部件在上述关闭位
置和上述标准操作位置向上述流体施加上述背压。
5.删除。
6.删除。
7.删除。
8.删除。
9.如权利要求23所述的系统，其中上述屏罩的上述相应表面
凸向上述垫片以限定上述限制区域。
10.如权利要求23所述的系统，其中上述阻尼装置包括上述梭
动件的突出部，该突出部的上述外表面在上述室内移动，并与上述屏
罩的相应表面配合以限定用于上述室的上述流体的限制区域。
11.如权利要求10所述的系统，其中上述屏罩的上述相应表面
凸向上述梭动件的上述突出部以限定上述限制区域。
12.如权利要求23所述的系统，还包括一穿过上述心轴延伸的
杆件，该杆件的一端在上述屏罩外侧延伸，该杆件适合于响应上述梭
动件的运动的轴向运动，使得上述杆件的上述端部的位置指示上述屏
罩内的上述梭动件和节流元件的位置。
13.如权利要求23所述的系统，还包括座部件，用于容纳处于
完全关闭位置的上述节流部件。
14.如权利要求23所述的系统，其中在上述屏罩中形成有一轴
向孔，其局部形成上述出口通道，还包括固定于上述屏罩并在上述孔
的另一部分延伸的心轴，上述梭动件滑动地安装于该后一孔部内的
上述心轴。
15.一种控制流体的方法，其包括：在屏罩内形成入口通道和出
口通道；将控制流体导入上述屏罩以使该屏罩内的节流部件移动以控
制流体从上述入口通道流向上述出口通道，并向该流体施加背压；以
及阻尼上述节流部件的运动。
16.如权利要求15所述的方法，其中上述节流部件在完全关闭
位置和完全开启位置之间移向和移离完全关闭位置、完全开启位置和
标准操作位置。
17.如权利要求16所述的方法，其中上述阻尼步骤阻尼上述节
流部件从上述完全关闭位置的运动。
18.如权利要求16所述的方法，还包括向上述关闭位置和上述
标准操作位置的上述流体施加背压的步骤。
19.如权利要求15所述的方法，其中上述流体对上述节流部件
的一端作用，其中上述控制流体对上述节流部件的另一端作用以控制
上述屏罩内的上述节流部件的位置从而控制背压量。
20.如权利要求19所述的方法，其中由上述流体压力施加于上
述节流部件的上述另一端的力，与由前述流体施加于上述节流部件的
力相等。
21.如权利要求19所述的方法，还包括形成于上述屏罩的室用
于容纳控制流体，把上述流体压力施加于上述节流部件的上述另一
端。
22.如权利要求15所述的方法，其中上述阻尼步骤包括响应上
述节流部件的运动限定一用于上述室的上述流体的限制区域的步
骤。
23.一种流体控制系统，其包括：
一屏罩，其具有一入口通道、一其部分形成出口通道的轴向孔和一
室；
一节流部件，其适合于在上述屏罩内运动以控制流体从上述入口
通道至上述出口通道的流动，该流体对该节流部件的一端施加力；
一控制流体源，其与上述室连接使得该控制流体，以对上述入口
通道的上述流体施加背压的方式，对上述节流部件的另一端施加相等
的力以控制上述屏罩内的上述节流部件的位置；
一垫片，其与上述节流部件连接并从该节流部件径向地向外突
出，该垫片的外表面在上述室内移动并与该屏罩的相应表面配合，以
限制一用于上述室内的流体的限制区域，用于阻尼上述节流部件的运
动；
一心轴，其固定于上述屏罩并在上述孔的另一部分延伸；以及
一梭动件，其连接于上述节流部件并滑动地安装于上述后一孔部
内的上述心轴上。
24.一种流体控制系统，其包括：
一屏罩，其具有一入口通道、一其部分形成出口通道的轴向孔和一
室；
一节流部件，其适合于在上述屏罩内运动以控制流体从上述入口
通道至上述出口通道的流动，该流体对该节流部件的一端施加力；
一控制流体源，其与上述室连接使得该控制流体，以对上述入口
通道的上述流体施加背压的方式，对上述节流部件的另一端施加力以
控制上述屏罩内的上述节流部件的位置；以及
一阻尼部件，其连接于上述节流部件并从该节流部件径向地向外
突出，该阻尼部件的外表面在上述室内移动并与上述屏罩的相应表面
配合，以限定用于上述室内的上述流体的限制区域，用于阻尼上述节
流部件的运动。
25.如权利要求24所述的系统，其中上述节流部件可在上述屏
罩的完全关闭位置和完全开启位置之间移至和移离完全关闭位置、完
全开启位置和标准操作位置。
26.如权利要求25所述的系统，其中该阻尼部件阻尼上述节流
部件从上述关闭位置的运动。
27.如权利要求25所述的系统，其中上述节流部件对处于上述
关闭位置和上述标准操作位置的上述流体施加背压。
28.如权利要求23所述的系统，其中在上述屏罩内形成有轴向
孔，其部分形成上述出口通道；还包括连接于该屏罩并在上述孔的另
一部分延伸的心轴，和连接于上述节流部件并滑动地安装在上述后一
孔部内的上述心轴上的梭动件。
29.如权利要求28所述的系统，还包括形成于上述屏罩用于容
纳上述控制流体的室。
30.如权利要求29所述的系统，上述阻尼部件包括连接于上述
梭动件并从其径向地向外突出的垫片，该垫片的上述外表面在上述室
内移动并与上述屏罩的相应表面配合，以限制用于上述室的流体的限
制区域。
31.如权利要求30所述的系统，其中上述屏罩的上述相应表面
凸向上述垫片以限定上述限制区域。
32.如权利要求29所述的系统，其中上述阻尼装置包括上述梭
动件的突出部，该突出部的外表面在上述室内移动并与上述屏罩的相
应表面配合，以限定用于上述室的流体的限制区域。
33.如权利要求32所述的系统，其中上述屏罩的上述相应表面
凸向上述梭动件的上述突出部，以限定上述限制区域。
34.如权利要求28所述的系统，还包括一延伸穿过上述心轴的
杆件，其一端部在上述屏罩外延伸，该杆件适合用于响应上述梭动件
的运动的轴向运动，使得该杆件的上述端部的位置指示上述屏罩内的
上述梭动件和节流元件的位置。
35.如权利要求24所述的系统，还包括一用于容纳上述完全处
于关闭位置的节流部件的支座部件。
36.如权利要求23所述的系统，其中在上述屏罩内形成有轴向
孔，其部分形成上述出口通道，还包括在上述屏罩内固定并在上述孔
的另一部分延伸的心轴，以及一连接于上述节流部件并滑动地在上述
后一孔部内的上述心轴上安装的梭动件。
37.一种控制流体的方法，其包括下述步骤：
提供一屏罩，其具有一入口通道、一其局部形成出口通道的轴向孔
和一室；
将节流部件安装于上述屏罩，使得流体对上述节流部件的一端施
加一力，上述节流部件在上述屏罩内移动以控制流体从上述入口通道
流向上述出口通道；
将控制流体导入上述室，使得上述控制流体，以向上述入口通道
的流体施加背压的方式，向上述节流部件的另一端施加相等的力，以
控制上述屏罩内的上述节流部件的位置；以及
将阻尼部件以下述方式连接于上述节流部件，即该阻尼部件从该
节流部件突出，其外表面在上述室内移动并与上述屏罩的相应表面配
合，以限定用于上述室的流体的限制区域，阻尼上述节流部件的运
动。
38.如权利要求37所述的方法，其中上述节流部件在上述完全
关闭位置和上述完全开启位置之间移至和移离完全关闭位置、完全开
启位置和标准操作位置。
39.如权利要求38所述的系统，其中上述阻尼步骤阻尼上述节
流部件从上述完全关闭位置的运动。
40.一种流体控制系统，其包括：
一屏罩，其具有一入口通道、一其局部形成出口通道的轴向孔和一
室；
一节流部件，其适合于在上述屏罩内运动以控制流体从上述入口
通道流向上述出口通道，该流体向上述节流部件的一端施加一力；
一控制流体源，其连接于上述室，使得上述控制流体，以向上述
入口通道的上述流体施加背压的方式，向上述节流部件的另一端施加
一相等的力，以控制上述节流部件的位置；
一心轴，其连接于上述屏罩并在上述孔的另一部分内延伸；
一梭动件，其连接于上述节流部件并滑动地安装在上述后一孔部
内的上述心轴上；以及
一垫片，连接于上述梭动件并径向地从其向外突出，该垫片的外
表面在上述室内移动并与上述屏罩的相应表面配合，以限定用于上述
室的流体的限制区域，用于阻尼上述梭动件的运动。
41.如权利要求40所述的系统，其中上述节流部件在上述屏罩
内的上述完全关闭位置和上述完全开启位置之间可移至和移离完全
关闭位置、完全开启位置和标准操作位置。
42.如权利要求40所述的系统，其中上述阻尼部件阻尼上述节
流部件从上述完全关闭位置的运动。
43.如权利要求41所述的系统，其中上述节流部件在上述关闭
位置和上述标准操作位置向流体施加背压。
44.如权利要求40所述的系统，其中上述屏罩的上述相应表面
凸向上述垫片以限定上述限制区域。
45.如权利要求40所述的系统，还包括一延伸穿过上述心轴的
杆件，其一端部在上述屏罩外延伸，该杆件适合于响应上述梭动件的
运动的轴向运动，使得该杆件的上述端部的位置指示上述屏罩内的上
述梭动件和节流元件的位置。
46.如权利要求40所述的系统，还包括一用于容纳上述完全关
闭位置的上述节流部件的支座部件。