专利名称：高压油井的陶瓷元件的制作方法
技术领域：
本发明通常涉及高压油井的管子元件，具体而言涉及陶瓷材料在所述油井的减压器组件中的耐磨元件中的应用。
背景技术：
世界上的许多油井设备都在高压下工作。换句话说，油井内的压力非常高(例如3000到5000psi)，从而在没有泵送的情况下将原油输送到地面。除非受到限制，原油以较高速度流动到地面，并且含有砂子和其它杂质，这些砂子和杂质腐蚀油井管子元件的内表面。为了限制开采出来的原油中携带的砂子和杂质的量，需要在油井的井口端处使用一个减压器以在出口管处维持较高油井压力。例如，一个六英寸内径的油井管通过一系列狭窄的管道元件而减小为3英寸油井管。在减压器组件中，流道然后进一步减小为小于1英寸，甚至小于二分之一英寸。
已知的减压装置由碳钢制成，并且具有用硬质合金镶嵌件镶衬到流道的内表面。磨蚀性的油砂混合物不仅磨损流道的内表面，而且在减流器的外径处形成回流并磨损该减流器的钢质主体，结果导致减流器严重损坏。在减流器周围的金属壳体也经常被严重磨损。长时间对减压器的连续磨损导致所需的工作压力持续缓慢损失，直到减压器严重破坏需要用新的进行替换。工作压力的这种损耗导致砂子的含量不断增加，结果降低了石油开采的效率。公知的减流器的平均寿命是4-12周。替换一个减压器和/或者其它元件所需的油井停产时间通常是4-8小时。高压油井通常每天产油约5000-12000筒。显然，现在的油井减压组件的结构需要在耐磨性和使用寿命上进行改进。
发明内容
因此，本发明的一个主要目的是延长高压油井元件的使用寿命，从而提高石油开采效率。
本发明的另外一个目的是最小化高压油井元件的钢质表面的磨蚀性磨损。
本发明的另外一个目的是通过密封减压阀和减压器之间的孔隙来最小化减压器和减压阀主体之间的腐蚀性沟道作用(回流)。
本发明的另外一个目的是增加易于受到腐蚀性磨损的流道表面的耐磨性。
本发明的另外一个目的是最小化紊流，以降低沟道作用和腐蚀的可能性。
上述的和其它的目的可以在一个完全由固体陶瓷材料制成的减压器、在一个衬有陶瓷材料的减压阀和在衬有陶瓷的窄小孔眼管道元件中实现；所有易受流量影响的陶瓷部件都包括改进的流道设计。陶瓷材料是从各类工程陶瓷中选择出来的任何一种陶瓷材料，参考具有卓越机械性质的陶瓷材料。
陶瓷减压器降低钢质减压器所受到的内部腐蚀和外部腐蚀。陶瓷减压器安装在衬有陶瓷减压阀的下游端。减压阀的可替换的陶瓷衬套比钢更耐磨，因此保护减压阀流道内部的钢质表面。陶瓷衬套还在减压器和减压阀流道壁之间区域提供较好的密封区。在狭窄孔眼元件以及减压阀内的陶瓷衬套不仅比钢或者硬质合金材料更耐磨，而且允许对流道进行更精确的设计，因此降低了紊乱涡流的损坏效应。
附图描述参照附图，上述发明内容以及下面对本发明的一个优选实施例的详细描述将更加容易理解。这些附图包括
图1是一个高压油井减压器组件的侧视图；图2是沿着2-2线表示图1中的减压阀内部部分剖面的侧视图；图3是沿着3-3线表示图2中的减压阀的上游流道内使用的陶瓷衬套的剖面图；图4表示图3中的陶瓷衬套的另外一个实施例的剖面图；图5A是图2中的减压阀中使用的换向室衬套的侧视图；图5B是沿着图5A中的5B-5B线表示换向室衬套的端部视图；图6A是在图2中所示的减压阀中使用的键板衬套的侧视图；图6B是沿着图6A中的6B-6B线的键板衬套的端部视图；图7是沿着图2中的7-7线表示减压阀中使用的下游圆柱衬套的侧向剖面图；图8是在图2中的减压阀中使用的陶瓷减流器的侧视图；图9是图8中所示的陶瓷减流器的另外一个实施例的侧视图；
图10是沿着图1中的10-10线表示减压器组件中使用的浅管适配器横截面的侧视图；图11是根据本发明的一个减压阀的另外一个实施例的侧视图；图12是沿着图11中的12-12线表示减压阀的上游流道内使用的陶瓷衬套的剖面图；以及图13是沿着图11中的13-13线表示减压阀中使用的下游衬套的剖面图。
优选实施例描述参考附图，其中相同的附图标记表示相同或者对应的部件，如图1，表示一个用于高压油井井口的减压器组件。为了定向，来自油井的油流流过根据本发明的减压器组件，向着油处理管流动，此方向如箭头所示。一个减压阀10通过一个隔离阀19连接到井口总管25。减压阀10的下游一侧连接到一个第一浅管适配器20，该适配器20连接到一个第二浅管适配器30。第二浅管适配器30连接到管道，该管将油引导到油处理设备(未示出)。
参考图2，减压阀10具有一个金属主体，该主体包括一个上游流道11、换向室16、下游流道17和一个键板凹槽18。减压器40设置在下游流道17内，并且具有一个六角头42和一个密封肩43，该密封肩43伸入到换向室16内并靠近上游流道11。上游流道衬套50设置在上游流道11内，下游流道衬套80设置在下游流道17内。上游流道衬套和下游流道衬套50、80分别用来防止来自油井的油/砂混合物磨损上游流道11和下游流道17的内壁。换向室衬套60位于换向室16内，用于防止换向室16的内壁的腐蚀和磨损。一个键板衬套70放置在键板凹槽18内，该凹槽18位于换向室16内并靠近下游流道17。键板衬套70用来防止键板凹槽18的金属壁的腐蚀和磨损。
一个端帽15用于封闭换向室16。端帽15可以取下，以允许使用换向室16，从而安装和取下换向室衬套60和键板衬套70。端帽15可以被拧开并取下，以使用换向室16。通过将换向室衬套60滑出换向室16可以取下该换向室衬套60。一旦换向室衬套60取下后，通过从键板凹槽18中倾斜键板衬套70，并穿过换向室16将其拉出从而从出口开口中取出。当换向室衬套60和键板衬套70被取出后，可以装卸减压器40的六角头42，用于取出或者安装减压器40。
端帽15具有一个端口13，该端口给压力表或者其它压力测量装置提供了一个连接点。一个第二端口14形成在减压阀10的主体上靠近键板凹槽18的地方，以给第二压力表或者压力测量装置提供一个连接点。
上游流道11通常是圆柱形，并且具有一个以第一直径为特点的入口部和一个以小于第一直径的第二直径为特点的出口部52。入口部和出口部在上游流道维持点12会合，该维持点12作为上游流道衬套50的一个挡块。参考附图3，表示根据本发明的一个上游流道衬套50。该上游流道衬套50通常是圆柱形，并且具有一个入口部和一个出口部。入口部的直径基本上与上游流道11的入口部内径相同；而出口部的外径基本上等于上游流道11的出口部的内径。这种结构在上游流道衬套50的外表面形成一个肩挡块53；当内端52插入到上游流道11内时，该挡块53与上游流道维持点12紧靠。肩挡块53与维持点12的紧靠用于在油流动时防止衬套朝着换向室16的方向移动。上游流道50具有一个从开口51延伸到出口部52的内部流道。开口51最好形成喇叭口形状，以减弱油进入到上游流道衬套50内时产生的流动紊流。在图3所述的实施例中，当内部流道经过出口部52时，其逐渐缩小为一个较小截面。锥形的通道54释放了油在其穿过上游流道11时产生的某些压力和紊流。上游流道衬套50由陶瓷材料制成。
图4所示为上游流道衬套50的另外一个实施例。在图4中的实施例中，内部流道55具有相同的横截面积，以使流量最大化。
参考附图2、5A、5B，换向室衬套60放置在减压阀10的换向室16内。换向室衬套60由陶瓷材料制成。衬套60通常是圆柱形，并且具有一个尺寸使得衬套60的外表面和换向室16的内表面之间形成紧密配合的外径。在衬套60的一端形成凹槽64。凹槽的尺寸允许当减压器40全部拧入到下游流道17内时在减压器40的六角头42和肩部43周围形成一定空间。一个中央通孔61沿着换向室衬套60的长度方向延伸，以在凹槽64和用于压力指示的端口13之间提供一个通路。换向室衬套60具有一个形成于其上的键槽62，该键槽62沿着换向室衬套60外部的纵向的一部分延伸。换向室衬套60还具有一个位于凹槽64和键槽62之间的键板通孔63，以在凹槽64和端口14之间形成流体连通。
参考附图2、6A、6B，键板衬套70位于减压阀10的键板凹槽18内。键板衬套70含有一个键板通孔71，该通孔与键板端口14和键板通孔63对齐，以在凹槽64和键板端口14之间形成流体连通。键板衬套70还具有一个形成在其上的键72，其尺寸刚好与衬套60内的键槽62配合，以保证键板衬套70和换向室衬套60之间的正确对齐。键板衬套70由陶瓷材料制成。
参考附图2、7，下游流道衬套80放置在下游流道17内。下游流道衬套80基本上为圆柱形并且具有一个尺寸使得衬套80与下游流道17之间形成紧密配合的外径。由于这种结构，下游流道衬套80可防止油在衬套和下游流道17的内壁之间形成回流。下游流道衬套80延伸的长度小于下游流道17的整个长度，因此形成一个连接区域，在该区域，减压器40可以被连接到减压阀10的主体上。在所示的实施例中，减压器40通过螺纹连接到下游流道17内。下游流道衬套80由陶瓷材料制成。
如图2所示，减压器40位于下游流道17内并伸入到换向室16内。参考附图8，显示了减压器40的优选配置。减压器40基本上是圆柱形并且具有一个与下游流道衬套80的内径基本上相同的外径。在靠近肩部43的外表面上形成一系列的螺纹44。减压器由陶瓷材料形成。一个中央通道45从入口41到出口49纵向穿过减压器40的主体。中央通道45为喇叭口形状，从而在油从入口41流过中央通道时形成较大的内径，从而提供一种减压效应。当减压器40拧入到下游流道17内时，密封肩部43挤压一个垫片或者垫圈以实现流体紧密密封，阻止来自换向室16的腐蚀性油砂流。垫片或垫圈最好由Buena-N垫圈材料或者与该材料等价的材料制成。
图9表示了减压器40的另外一个实施例。图9中的实施例具有基本上圆柱形的主体，该主体包括一个头部92，并且在该头部92上带有多个入口46，以给油提供入口。减压器40具有一个纵向形成的中央通道48。中央通道48沿其整个长度具有基本上相同的横截面，并且从头部92延伸到减压器40另外一端的出口94。入口46与中央通道48形成流体连通。六边形肩部47形成在减压器40的周围靠近头部92的位置。六边形肩部47完成图8中的实施例的六角头42和肩部43的功能。
参考附图2，通过拧下螺栓而打开减压阀10两端的法兰连接、从处理管子中取出减压阀10并且将上游流道圆柱形衬套50和下游流道圆柱形衬套80分别滑出上游流道11和下游流道17，可以取出上游流道圆柱形衬套50和下游流道圆柱形衬套80。这些衬套的安装过程与上述过程相反。
参考附图10，表示一个浅管组件，包括一个第一浅管适配器20和第二浅管适配器30。第一浅管适配器20具有一个钢质主体，该钢质主体具有一个沿其整个长度横截面基本相同的中央纵向通道21。一个具有基本上相同的外径23的陶瓷通道衬套22，其外径23的尺寸使得在第一浅管适配器20内的中央通道21内形成一个轻压配合。陶瓷通道衬套22基本上延伸穿过中央通道21的整个长度。陶瓷通道衬套22具有一个流道24，延伸穿过陶瓷通道衬套22。流道24的横截面积沿着油流从靠近减压阀10的浅管适配器20的入口向着靠近第二浅管适配器30的出口方向逐渐增宽。流道24的逐渐增宽或者喇叭口形状使紊流、磨蚀性和流量最小化，这些可能加剧穿过流道24的油砂流引起的磨损和腐蚀，因此增加了浅管适配器20的使用寿命。
第二浅管适配器30具有一个钢质主体，该钢质主体具有一个中央纵向通道31。一个陶瓷通道衬套32具有基本上相同的外径33，其外径33的尺寸使得在第二浅管适配器30内的中央通道31内形成一个轻压配合。陶瓷通道衬套32具有一个流道36，该流道36从靠近减压阀10的第一浅管适配器的入口延伸到靠近下游的处理管道的出口(未示出)。流道36具有一个喇叭口部34，并且具有均匀的横截面35。喇叭口部34从陶瓷衬套32的部分长度的入口开始延伸。喇叭口的大小使得第一浅管适配器20的流道24的喇叭口是连续的。均匀横截面35的内径的尺寸与下游的处理管道的内径相等。
如上所述，减压器40、上游流道衬套50、换向室衬套60、键板衬套70、下游流道衬套80和纵向中央通道22、32都由陶瓷材料制成。陶瓷材料是从各类工程陶瓷中特别是呈现卓越耐磨性和强度的工程陶瓷材料中选择的。优选的陶瓷材料是氧化铝(矾土)氧化铬、高铝、氧化钛(二氧化钛)、氧化锆陶瓷(包括全稳定或者部分稳定的氧化锆)，以及这些金属氧化物的组合物。应该相信，任何类型的金属氧化物陶瓷都将提供适合的性能。使用制造上述元件的部分稳定的氧化锆(PSZ)已经获得了极佳的结果。被认为适用于上述的元件的具体的PSZ类包括Mg-PSZ和玻璃质PSZ。氮化硅、石英和金刚砂陶瓷也适用于制造这些元件。
现在参考图11，它表示根据本发明的一个减压阀的另外一个实施例。该减压阀110具有一个金属体120，该金属体120包括一个上游流道111和一个下游流道117。上游流道111具有一个入口部115和一个出口部116，两者在维持点112会合。一个上游流道衬套150设置在上游流道111内，类似地，一个下游流道衬套180放置在下游流道117内。通道衬套150和180联合其它部件，分别用来防止通道111和117的内壁受到来自油井的穿过减压阀110的油/砂混合物的腐蚀。在金属体120上形成一个压力表端口114，为压力表或者其它测量装置提供一个连接点。压力表端口114的一个端部与下游流道117形成流体连通。
上游流道衬套150可滑动地设置在上游流道111内。如图12所示，上游流道衬套150基本上是圆柱形并且具有一个以第一直径为特征的入口部151和一个以小于所述的第一直径的第二直径为特征的出口部152。入口部151的外径基本上与上游流道111的入口部115的内径相等，而出口部152的外径基本上与上游流道111的出口部116的内径相等。这种结构提供了一个肩部153，当流道衬套150被插入到上游流道111内时，该肩部153与维持点112紧靠。肩部153与维持点112的紧靠用于防止当油流过减压阀110时衬套150向着下游流道180移动。上游流道衬套150具有一个内部通道154，它从入口部151延伸到出口部152。通道154最好为锥形，以减小油流过上游流道衬套150时产生的紊流。在如图12所述的实施例中，当内部通道154经过出口部152时，内部通道154逐渐变细形成一个较小的截面。上游流道衬套150最好由上述的陶瓷材料制成。
下游流道衬套180可滑动地放置在下游流道117内，如图11所示。参考附图13，下游流道衬套180基本上为圆柱形，具有一个入口端181和一个出口端182。下游流道衬套180具有一个通孔183，其定向和定位成与压力表端口114对齐。通孔183沿着径向穿过下游流道衬套180，与下游流道衬套180的内部通道184形成流体连通。一个凹槽185形成在衬套180的入口端181内。凹槽185基本上为圆柱形，其尺寸和位置允许其容纳上游流道衬套150的内端155。内部通道184在衬套180的入口端181和出口端182之间延伸。内部通道184在出口端182附近为喇叭口形，以减少紊流，这些紊流将加剧因油砂流导致的磨损和腐蚀。下游流道衬套180最好由所述的陶瓷材料制成。
参照本发明的实施例，已经描述了一个减压阀，该阀只具有上游流道和下游流道陶瓷衬套。这些陶瓷衬套可滑动地放置在减压阀装置的流体流动通道内，以保护通道的金属壁不受腐蚀。而且，该实施例的减压阀的元件比第一个实施例少，因此更加易于组装和拆卸。上游流道衬套与下游流道衬套连接，因此使得它们牢固地固定在其位置上。
从上述的描述和附图可以看出，本发明提供了一个新颖的装置，用于延长高压油井元件的使用寿命，以及通过显著地降低高压油井井口的减压器组件中部件的磨损速率而维持所需的操作压力。尽管本发明已经参照具体的元件和组件进行了描述，包括对一个陶瓷减压器、一个带陶瓷衬套的减压阀和一个带陶瓷衬套的浅管适配器的描述，应该能够理解，任何在该减压器组件中承受高压油/砂混合物流导致的腐蚀磨损的金属元件都可以用陶瓷材料制成或者使用陶瓷材料的衬套，以显著降低磨损或者腐蚀的速率。本发明的一个显著的优点是，使用根据本发明的陶瓷元件的高压油井可以在维持较低砂含量的同时维持油井较高的压力下工作。与公知的元件相比，所需的高压可以在较长的时间内维持，因为元件的损坏被最小化。由于陶瓷元件增加的耐磨性和更加有效的流量设计，在废弃元件替换时的油井停产导致的油井产量损失也大大降低。
本领域的普通技术人员应该能够理解，在上述的实施例的基础上可以改变或者改进而不偏离本发明的广义的发明构思。因此应该能够理解，本发明不限于所公开的具体的实施例，而是覆盖了所附的权利要求书所定义的本发明的实质和范围内的所有的改进和变化。
权利要求
1.一种增加高压油井的流量控制元件的使用寿命的方法，包括如下步骤提供一个由金属材料制成的流量控制元件主体，所述的主体具有一个形成于其中的通道；以及将一个由陶瓷材料制成的衬套放置在所述的通道内。
2.一种高压油井的压力控制元件，所述的元件由陶瓷材料制成。
3.一种高压油井的减压装置，包括一个圆柱体，具有一个沿着纵向从入口穿过圆柱体到达出口的中央流道；用于将所述的主体固定在一个减压阀壳体通道内的装置；以及密封装置，用于防止向前流动的油进入所述的主体和减压阀壳体通道之间的空间；其特征在于，所述的主体由陶瓷材料制成。
4.一种高压油井的减压组件，包括一个由金属材料制成的壳体，所述的壳体包括一个入口通道、一个出口通道和一个换向室；一个减压器，放置在所述的出口通道内；一个第一陶瓷衬套，放置在所述的入口通道内；一个第二陶瓷衬套，放置在所述的出口通道内；以及一个第三陶瓷衬套，放置在所述的换向通道内。
5.根据权利要求4所述的减压组件，其特征在于，所述的减压器由陶瓷材料制成。
6.一种高压油井的浅管，包括一个由金属材料制成的主体，所述的主体具有沿着纵向穿过主体的中央通道；以及一个放置在所述的主体的所述的中央通道内的陶瓷衬套，所述的陶瓷衬套具有一个沿着纵向穿过该衬套的流道。
7.根据权利要求6所述的浅管，其特征在于，所述的陶瓷衬套的流道沿着其长度方向为喇叭口形，使得当流道从所述流道的入口端延伸到出口端时，提供逐渐增大的横截面。
8.一种高压油井的减压组件，包括壳体，所述的壳体包括一个入口通道和一个出口通道；放置在所述的入口通道内的第一陶瓷衬套；以及放置在所述的出口通道内的第二陶瓷衬套。
9.根据权利要求8所述的减压组件，其特征在于，所述的第一陶瓷衬套与所述的第二陶瓷衬套互相连通。
全文摘要
本发明公开了一种高压油井的减压组件。该组件包括一个具有入口通道和出口通道的金属体，所述的两个通道衬有陶瓷镶嵌物。该组件还包括可拆卸的减压装置，该减压装置优选由陶瓷材料制成。与该减压组件有关的浅管部件从较小内部流径逐渐变化到下游油处理管道的较大内部流径。该浅管部件具有金属主体，其流道衬有陶瓷镶嵌物。陶瓷镶嵌物放置在金属浅管内，并且最好设计成一个锥形的流道，该锥形流道从减压组件的出口通道到处理管道逐渐增加内部流径。在减压组件中使用陶瓷镶嵌物和衬套提供了一种增加高压油井的流量控制元件使用寿命的方法。
文档编号E21B43/12GK1425102SQ00818521
公开日2003年6月18日 申请日期2000年11月28日 优先权日1999年11月30日
发明者I·M·门特斯, C·R·贝恩兹格 申请人:卡彭特高级陶瓷公司