天然气井电磁气动开关井阀.pdf

天然气井电磁气动开关井阀，应用于天然气井场及输气管道上。特征是：在阀体内有圆筒状主阀芯。在主阀芯上部固定有阀盖。主阀芯内有弹簧。在主阀芯壁上有平衡压力孔。在阀体与阀盖内有连通孔。在阀盖的顶部连接有磁头固定座。阀盖上有卸压孔。在磁头固定座上通过由壬帽固定有横向电磁头和纵向电磁头。在纵向磁芯的外壁上有环形凹槽，环形凹槽的位置是当纵向磁芯上提完全打开连通孔时，横向磁芯锁定纵向磁芯。效果是：能适用于天然气井口管线，在不依赖外接气源驱动情况下，依靠微弱电磁力完成阀门开关，并通过控制电路实现天然气井井口远程控制开关井及超欠压关井。在超欠压时自动截断气源实现保护。能实现远控开启、远控关闭、欠压自动关闭。

1、  一种天然气井电磁气动开关井阀，主要由阀体(1)、横向电磁头(2)、横向弹簧(3)、横向磁芯(4)、纵向电磁头(6)、纵向弹簧(7)、纵向磁芯(8)、磁头固定座(9)、阀盖(13)、弹簧(14)、主阀芯(15)组成，阀体(1)两侧有进气口和出气口，进气口和出气口能连接管线，阀体(1)的进气口内有进气通道，出气口内有出气通道，在进气通道和出气通道之间有阀芯座，在阀体(1)内有圆筒状主阀芯(15)，主阀芯(15)能在阀体(1)的中心孔内上下滑动，主阀芯(15)底平面在进气通道与出气通道之间的阀芯座上，其特征在于：在主阀芯(15)上部固定有阀盖(13)，主阀芯(15)内有弹簧(14)，阀盖(13)压在弹簧(14)的顶部，在主阀芯(15)壁上有平衡压力孔(17)，平衡压力孔(17)与阀体(1)的进气通道连通，在阀体(1)与阀盖(13)上有连通孔(12)，连通孔(12)的开口处一端在阀体(1)的出气通道内；连通孔(12)的开口处另一端在阀盖(13)的顶部中心位置，在阀盖(13)的顶部位置有凸起的圆柱体，圆柱体外壁有螺纹，圆柱体外壁螺纹上连接有磁头固定座(9)，在圆柱体上平面有环形凹槽，阀盖(13)上有卸压孔(11)，卸压孔(11)一端的开口在阀盖(13)圆柱体的顶部环形凹槽内，卸压孔(11)的另一端开口在阀盖(13)的底部；
在磁头固定座(9)上通过由壬帽(5)固定有横向电磁头(2)和纵向电磁头(6)，在纵向电磁头(6)内有纵向弹簧(7)和纵向磁芯(8)，纵向磁芯(8)为柱状形，纵向弹簧(7)能推动纵向磁芯(8)，纵向磁芯(8)的下端部在连通孔(12)的开口处，纵向磁芯(8)往复运动能打开或关闭连通孔(12)，在横向电磁头(2)内有横向弹簧(3)和横向磁芯(4)，横向磁芯(4)为柱状形，横向弹簧(3)能推动横向磁芯(4)，在纵向磁芯(8)的外壁上有环形凹槽，环形凹槽的位置是当纵向磁芯(8)上提完全打开连通孔(12)时，横向磁芯(4)的端部能嵌入纵向磁芯(8)的环形凹槽内，横向磁芯(4)锁定纵向磁芯(8)。

2、  根据权利要求1所述的天然气井电磁气动开关井阀，其特征是：在主阀芯(15)壁上套有丝网(18)，丝网(18)盖在平衡压力孔(17)上。

3、  根据权利要求1所述的天然气井电磁气动开关井阀，其特征是：在阀体1与主阀芯(15)之间固定有环形内衬(16)。

4、  根据权利要求1、2、或3所述的天然气井电磁气动开关井阀，其特征是：在纵向磁芯(8)的端部固定有密封盖(10)。

天然气井电磁气动开关井阀
技术领域
本发明涉及油田采气技术领域，特别涉及一种天然气井场及输气管道上的电磁气动开关阀。
背景技术
天然气井生产过程中，当采用井下节流工艺生产时，井筒及地面管线可采用中低压设计。此时为防止井下节流器失效对下游中低压管线及相应设备的破坏，同时防止因下游管线破裂造成天然气的大量泄露，井口需要安装高低压安全保护截断装置。此时开关井工作只能在井场完成。当气田面积大、生产井数量多、井位分散时，气井生产后期转入间歇生产时，开关井工作量大，无法实现人工开关井阀门，气井管理维护难度大；而当出现紧急情况时，无法及时关闭井口气源，存在一定安全隐患。因此需要研制一种新型远程控制开关井装置，以保证系统运行安全，减少人力物力消耗。而气井井位分散，无外接电源等，传统阀门无法满足现场需要。在这种背景条件下开发了一种维护工作量小，适用于天然气井的无线远控电磁气动开关井装置，能够实现远程控制紧急截断和开关井。
中国专利公开(公告)号：CN2918908Y，提供了一种“天然气用的直通式防爆电磁阀”，是用于压缩天然气为工作介质，在管路中实现开闭控制功能的天然气用的直角式防爆电磁阀。由壳体、出口接管、主活门部件、防爆电磁铁、先导活门部件、连接螺母组成，壳体一端经连接螺母与防爆电磁铁连接，壳体另一端与出口接管连接，主活门部件位于出口接管与壳体形成的空间内，先导活门部件位于防爆电磁铁中，其一端在壳体内；防爆电磁铁由线圈、衔铁、螺母、隔离套构成，衔铁内有阶梯轴向孔，阶梯轴向孔上有先导活门部件；有二个活门，工作时先导活门打开，主活门再打开，是分二步实现的，气体通过出口接管排于阀门的壳体内部，使用安全性提高。
发明内容
本发明的目的是：提供一种天然气井电磁气动开关井阀，能适用于天然气井口外输管线关闭，在不依赖外接高压气源驱动的情况下，在微弱电量控制下实现天然气井井口远程控制开关井及超欠压关井，实现气井生产的安全高效管理。该天然气井电磁气动开关井阀安装在采气井口外输管线上，当压力不在设定范围内时，通过RTU电路远程控制与设定压力比对，对电磁头供电实现阀门紧急关闭；在超欠压时自动截断气源实现保护。
本发明采用的技术方案是：天然气井电磁气动开关井阀，主要由阀体、横向电磁头、横向弹簧、横向磁芯、纵向电磁头、纵向弹簧、纵向磁芯、磁头固定座、阀盖、弹簧、主阀芯组成。阀体两侧有进气口和出气口，进气口和出气口能连接管线。阀体的进气口内有进气通道，出气口内有出气通道。在进气通道和出气通道之间有阀芯座。在阀体内有圆筒状主阀芯，主阀芯能在阀体的中心孔内上下滑动，主阀芯底平面在进气通道与出气通道之间的阀芯座上。其特征在于：在主阀芯上部固定有阀盖。主阀芯内有弹簧，阀盖压在弹簧的顶部。在主阀芯壁上有平衡压力孔，平衡压力孔与阀体的进气通道连通。在阀体与阀盖上有连通孔，连通孔的开口处一端在阀体的出气通道内；连通孔的开口处另一端在阀盖的顶部中心位置。在阀盖的顶部位置有凸起的圆柱体，圆柱体外壁有螺纹，圆柱体外壁螺纹上连接有磁头固定座。在圆柱体上平面有环形凹槽。阀盖上有卸压孔，卸压孔一端的开口在阀盖圆柱体的顶部环形凹槽内，卸压孔的另一端开口在阀盖的底部。卸压孔能将主阀芯内的高压气体导入连通孔。
在磁头固定座上通过由壬帽固定有横向电磁头和纵向电磁头。在纵向电磁头内有纵向弹簧和纵向磁芯，纵向磁芯为圆柱形。纵向弹簧能推动纵向磁芯，纵向磁芯的下端部在连通孔的开口处。纵向磁芯往复运动能打开或关闭连通孔。在横向电磁头内有横向弹簧和横向磁芯，横向磁芯为圆柱形，横向弹簧能推动横向磁芯。在纵向磁芯的外壁上有环形凹槽，环形凹槽的位置是当纵向磁芯上提完全打开连通孔时，横向磁芯的端部能嵌入纵向磁芯的环形凹槽内，横向磁芯能锁定纵向磁芯。
所述的横向电磁头和纵向电磁头是直流电控制的电磁头，内部有线圈和电磁铁，本领域的技术人员能完成，不是本发明的关键，不详细叙述。
为了减少或避免污物进入主阀芯内，在主阀芯壁上套有丝网，丝网盖在平衡压力孔上。
为了减低主阀芯滑动阻力，在阀体与主阀芯之间固定有环形内衬套。
为了纵向磁芯往复运动打开或关闭连通孔。在纵向磁芯的端部固定有密封盖。
本发明的有益效果：本发明天然气井电磁气动开关井阀，安装在采气井口外输管线上，能适用于天然气井口管线，在不依赖外接气源驱动情况下，在微弱电量控制下实现天然气井井口远程控制开关井及超欠压关井。当压力不在设定范围内时，通过RTU电路远程控制与设定压力比对，对电磁头供电实现阀门紧急关闭；在超欠压时自动截断气源实现保护。能实现远控开启、远控关闭、欠压自动关闭。
该天然气井电磁气动开关井阀具有结构紧凑、重量轻、安全可靠的特点。该装置采用现场太阳能低压直流12V供电，只需瞬间通电即完成阀门开关动作，阀芯位置不需电来保持，节约能源，特别适用于地处沙漠腹地、井口没有常规电源的情况。而常规电磁阀工作时须一直带电，对于气井井口长期带电造成不安全因素；常规电磁阀只能常开或者常关；常规电磁阀只有低压和小管径。
该装置的设计考虑了防爆、防腐、防砂的措施。装置所使用的电磁头属Exia级防爆型电磁头，电磁头的线圈及接线头全部用环氧树脂浇封，防爆性能极好，可承受36MPa的压力，电磁线圈具有EXd II CT4防爆等级。该装置阀体材料采用2Cr13(不锈钢)装置整体加工完成后电镀镍磷合金，是普通不锈钢抗硫化氢、抗腐蚀、抗氧化等的三倍。装置内部工作方式采用全封闭式咬合开关机构。阀芯安装过滤网和防砂橡皮圈，所以阀门实施开关动作过程中不会受到砂粒及其他固体物质的影响，从设备结构上解决了困扰已久的气体所带固体杂质造成的设备损坏问题。
开关时间小于1秒，开关井压力不受压差影响；使用功率30瓦，12AH的蓄电池充满电可满足开关近万次。
附图说明
图1是本发明天然气井电磁气动开关井阀结构剖面示意图。
图2是阀盖13结构示意图。
图3是阀体1结构示意图。
图4是主阀芯15结构示意图。
图5a是开启阀门时横向磁芯4与纵向磁芯8之间的锁定位置关系。
图5b是关闭阀门时横向磁芯4与纵向磁芯8之间的锁定位置关系。
图中，1.阀体，2.横向电磁头，3.横向弹簧，4.横向磁芯，5.由壬帽，6.纵向电磁头，7.纵向弹簧，8.纵向磁芯，9.磁头座，10.密封盖，11.卸压孔，12.连通孔，13.阀座，14.弹簧，15.主阀芯，16.内衬，17.平衡压力孔，18.丝网，19.密封垫，20.管线。
具体实施方式
实施例1：以一个天然气井电磁气动开关井阀为例，对本发明作进一步详细说明。
参阅图1。天然气井电磁气动开关井阀，主要由阀体1、横向电磁头2、横向弹簧3、横向磁芯4、纵向电磁头6、纵向弹簧7、纵向磁芯8、磁头固定座9、阀盖13、弹簧14、主阀芯15组成。阀体1采用2Cr13(不锈钢)整体加工成，然后电镀镍磷合金。阀体1两侧有进气口和出气口，进气口和出气口能连接管线20。进气口和出气口的内径为φ45毫米。阀体1的进气口内有进气通道，出气口内有出气通道。在进气通道和出气通道之间加工出一个平面阀芯座。在阀体1中心孔内有一个圆筒状主阀芯15，主阀芯15的外径是66毫米。在阀体1与主阀芯15之间固定有一个环形内衬套16。主阀芯15能在阀体1的中心孔内上下滑动，主阀芯15底平面在进气通道与出气通道之间的阀芯座上。在主阀芯15上部固定有阀盖13。主阀芯15内有弹簧14，阀盖13压在弹簧14的顶部。参阅图4。在主阀芯15壁上有一个平衡压力孔17，平衡压力孔17的直径为1.2毫米。在主阀芯15壁上套有一层铜丝网18，铜丝网18盖在平衡压力孔17上。平衡压力孔17与阀体1的进气通道连通。在主阀芯15的下平面上镶嵌固定有一个密封垫19。密封垫19与阀体1的平面阀芯座配合，起到密封作用。
参阅图1。在阀体1与阀盖13上有连通孔12，连通孔12的最小直径为2毫米。连通孔12分两部分一部分在阀体1上，另一部分在阀盖13上，安装后两部分连通孔12连通。在连通孔12的开口处一端在阀体1的出气通道内，连通孔12的开口处另一端在阀盖13的顶部中心位置。参阅图2。在阀盖13的顶部位置有凸起的圆柱体，圆柱体外壁有螺纹。参阅图1。圆柱体外壁螺纹上连接有磁头固定座9。在圆柱体上平面有环形凹槽。阀盖13上有一个卸压孔11，卸压孔11的直径为2毫米。卸压孔11一端的开口在阀盖13圆柱体的顶部环形凹槽内，卸压孔11的另一端开口在阀盖13的底部。卸压孔11能将主阀芯15内的高压气体导入连通孔12。进口压力为1～6MPa时，都能实现阀门平稳开启和关闭。
参阅图1。在磁头固定座9上通过由壬帽5固定有横向电磁头2和纵向电磁头6。由壬帽5是固定螺帽，在水管线上经常采用，技术人员能理解。在纵向电磁头6内有纵向弹簧7和纵向磁芯8，纵向磁芯8为圆柱形。在纵向磁芯8的端部固定有一个塑胶密封盖10。纵向弹簧7能推动纵向磁芯8，纵向磁芯8的下端部在连通孔12的开口处。纵向磁芯8往复运动能打开或关闭连通孔12。在横向电磁头2内有横向弹簧3和横向磁芯4，横向磁芯4为圆柱形，横向弹簧3能推动横向磁芯4。参阅图5a。横向磁芯4与纵向磁芯8相互垂直。在纵向磁芯8的外壁上有环形凹槽，环形凹槽的位置是当纵向磁芯8上提完全打开连通孔12时，横向磁芯4的端部能嵌入纵向磁芯8的环形凹槽内，横向磁芯4能锁定纵向磁芯8。
天然气井电磁气动开关井阀的工作过程：
参阅图1。开启阀门时，给纵向电磁头6通电，纵向电磁头6吸纵向磁芯8；横向电磁头2中的横向磁芯4靠横向弹簧3弹力伸出，横向磁芯4的端部插入纵向磁芯8的环形槽内，将纵向磁芯8锁定，纵向电磁头6断电。此时连通孔12被打开，主阀芯15内腔通过卸压孔11与连通孔12和出气通道低压连通，主阀芯15内的压力迅速下降，进气通道内的压力大于主阀芯15内腔压力，高压推动主阀芯15使主阀芯15向上移动，从而打开阀门。
关闭阀门时，横向电磁头2通电，横向电磁头2吸引横向铁芯4横向铁芯4的端部从纵向磁芯8的环形凹槽内退出，呈解锁状态；纵向磁芯8在纵向弹簧7弹力和重力作用下向下运动关闭连通孔12，横向电磁头2断电。由于纵向电磁头6内部腔内承受上游高压，所以连通孔12能被严密关闭。此时进气通道的高压气流通过主阀芯15的平衡压力孔17进入主阀芯15的内腔，使主阀芯15腔内压力与上游压力接近，在弹簧14的弹力作用下，主阀芯15向下运动，从而切断气流。此时上游压力继续升高，主阀芯15腔内通过平衡压力孔13继续进气，从而压力越来越高，主阀芯15向下压得更紧，阀门关闭更严密。
当阀体1的进气通道内气流压力过低时，通过RTU远程终端控制系统取阀体1进气口前的压力值与设定超欠压力值进行对比，当阀体1进气口前的压力值比设定超欠压力值小时，通过RTU控制对横向电磁头2通电，进而实现阀门关闭，完成超欠压自动保护。通过RTU接收远程控制系统信号，控制对电磁头供电完成阀门开关，能实现远程开关井功能。
横向电磁头2和纵向电磁头6与RTU远程终端控制系统的连接；横向电磁头2和纵向电磁头6与蓄电池(太阳能蓄电池)的连接；超欠压力值的设定，技术人员能根据实际要求完成。