专利名称：循环控制阀及相关的方法
技术领域：
本发明总体上涉及与地下井配合使用的设备和所执行的操作，并且在本文描述的 实施例中更具体地提供了一种循环控制阀及相关的方法。
背景技术：
通常，能够在井中选择性地允许和阻止经由管柱侧壁的循环流动是有利的。在将 管柱固结在井中的固井作业(cementing operation)结束时，有时需要使水泥从管柱外的 环空部分循环流动。又例如，在分阶段固井作业中，需要使水泥经由管柱中的侧壁开口流 动。还有许多其它的例子。尽管在过去为了实现上述目的而使用了循环控制阀，但其性却能不能完全令人满 意。由此可见，有必要对循环控制阀及相关方法的技术进行改进。
发明内容
在本说明书中，提出了一种循环控制阀，该循环控制阀解决了本技术领域中的至 少一个问题。在下文中描述的一个实例中，使用阀装置来控制阀的开启和关闭。在下文中 描述的另一实例中，利用阀的增压的内腔室与该阀的内部和/或外部之间的压差来控制阀 的开启和关闭。在一个方案中，提出了一种在地下井中使用的循环控制阀，该循环控制阀包括至 少一个开口，用以提供该阀的外部与贯穿该阀的内部纵向流道之间的流体连通；关闭装置， 用以选择性地允许和阻止经由开口的流动，该关闭装置设置在该阀的壳体组件内部；至少 一个阀装置，其在初始时阻止经由开口的流动；以及内腔室。阀装置响应于内部流道与阀的 外部之间的第一压差的作用而开启，以由此允许经由该开口的流体连通，而关闭装置响应 于内部流道与内腔室之间的第二压差而移位，以由此阻止经由该开口的流体连通。在另一个方案中，提出了一种循环控制阀，包括至少一个开口，用以提供内部纵 向流道与该阀的外部之间的流体连通；以及第一阀装置和第二阀装置，通过使第一阀装置 和第二阀装置中的每一个响应于跨越相应的阀装置施加的第一压差和第二压差中相应的 一个压差来提供流体连通。响应于对第一阀装置施加的第一压差而允许经由该开口的流体 连通，从而使第一活塞失去平衡，响应于对第二阀装置施加的第二压差而阻止经由该开口 的流体连通，从而使第二活塞失去平衡，该第二活塞的活塞面积大于第一活塞的活塞面积。在又一个方案中，提出了一种控制地下井中的管柱的内部流道与该管柱外的环空之间的循环流动的方法。该方法包括如下步骤将阀连接在管柱内，该阀包括至少一个开 口，用以提供内部流道与环空之间的流体连通；在内部流道与环空之间经由开口的流体连 通被阻止时，向内部流道施加第一增大的压力，由此使至少一个阀装置开启并允许内部流 道与环空之间经由第一阀装置和开口的流体连通；随后，在内部流道与环空之间经由开口 的流体连通被允许时，向内部流道施加第二增大的压力，由此使内部流道与环空之间经由 开口的流体连通被阻止。
本领域一般技术人员在细致地考虑了下文中对本发明的示范性实施例的详细说 明及附图之后，将易见本发明的上述的和其它的特征、优点、益处以及目的，其中，在各附图 中使用相同的附图标记表示类似的部件。
图1为体现本发明原理的井系统和相关方法的示意性局部剖视图。
图2A至图2D为可在图1的井系统和方法中使用的循环控制阀的接续的轴向部分 的放大剖视图，图中示出的该阀处于送入关闭构造。图3A至图3D为图2A至图2D的阀的接续的轴向部分的剖视图，图中示出的该阀 处于开启循环构造；图4A至图4D为图2A至图2D的阀的接续的轴向部分的剖视图，图中示出的该阀 处于随后的关闭构造；图5A至图5D为图2A至图2D的阀的接续的轴向部分的剖视图，图中示出的该阀 处于另一关闭构造；图6为图2A至图2D的阀的位移限制装置的进一步放大的正视图；图7A至图7D为可在图1的井系统和方法中使用的循环控制阀的另一构造的接续 的轴向部分的剖视图，图中示出的该阀处于送入关闭构造。图8A至图8D为图7A至图7D的阀的接续的轴向部分的剖视图，图中示出的该阀 处于开启循环构造；图9A至图9D为图7A至图7D的阀的接续的轴向部分的剖视图，图中示出的该阀 处于随后的关闭构造。图IOA至图IOC为可在图1的井系统和方法中使用的循环控制阀的另一构造的接 续的轴向部分的剖视图，图中示出的该阀处于送入关闭构造。图IlA至图IlC为图IOA至图IOC的阀的接续的轴向部分的剖视图，图中示出的 该阀处于开启循环构造；图12A至图12C为图IOA至图IOC的阀的接续的轴向部分的剖视图，图中示出的 该阀处于随后的关闭构造。图13A至图13C为可在图1的井系统和方法中使用的循环控制阀的另一构造的接 续的轴向部分的剖视图，图中示出的该阀处于送入关闭构造。图14为沿图13B的线14_14剖切的图13A至图13C的阀的剖视图；图15A至图15C为图13A至图13C的阀的接续的轴向部分的剖视图，图中示出的 该阀处于开启循环构造。图16为沿图15B的线16_16剖切的图15A至图15C的阀的剖视图；以及图17A至图17C为图13A至图13C的阀的接续的轴向部分的剖视图，图中示出的 该阀处于随后的关闭构造。
具体实施例方式应理解的是，在此描述的本发明的多个实施例可以在例如倾斜、倒置、水平、竖直 等各种取向方式以及在各种配置下运用，而不会背离本发明的原理。这些实施例仅作为有效地应用本发明的原理的示例来描述，本发明不受这些实施例的任何具体细节所限。在下文对本发明的典型实施例的描述中，使用诸如“上方”、“下方”、“上部”、“下部” 等方向性术语以方便参阅附图，通常，“上方”、“上部”、“向上”以及类似用语表示沿井筒朝 向地面的方向，而“下方”、“下部”、“向下”以及类似用语表示沿井筒远离地面的方向。图1中典型地示出了体现本发明原理的井系统10和相关方法。在井系统10中，管柱12安装在井筒14中，由此在该管柱外形成环空16。井筒14可加衬有套管或衬管，在 这种情况下，该环空16可形成在管柱12与套管或衬管之间。管柱12可以是采油管柱，其被固结在井筒14中以形成本领域技术人员所公知的 “注水泥完井(cemented completion)”。该术语描述了将采油管固结在另一未加衬的井筒 中的完井。然而，应明确理解的是，本发明绝不局限于在注水泥完井中使用，也不局限于本 文所描述的井系统10或方法的任何其它细节。如果将管柱12固结在井筒14中，则需要使水泥从环空16的上部循环。为此，在 井系统10中设置循环控制阀18。在固井作业将近结束时，阀18中的开口 20打开，以允许环空16与管柱12的内部 流道22之间的循环流动。当不再需要循环流动时，阀18中的开口 20关闭。现在另外参照图2A至图2D，其中以放大的比例更详细及典型地示出了阀18。阀 18可用于如上文所述的井系统10和相关的方法中，但作为选择，该阀也可用于其它的符合 本发明原理的系统和方法中。如图2A至图2D所示，阀18处于送入关闭构造，在该构造下，流道22与环空16之 间经由开口 20的流动被阻止。当在注水泥完井中使用该阀时，在管柱12被安装在井筒14 中并且水泥流入环空16中时会使用阀18的这种构造。当在分阶段固井作业中使用阀18 时，该阀可在水泥流入环空16中时开启。大体为管状的、呈衬套形式的关闭装置24可在阀18的外部壳体组件26内往复地 移动，从而选择性地允许和阻止流体经由开口 20的流动。关闭装置24上携带有挠性或弹 性的密封件28，用以跨越开口 20进行密封，但作为图2A至图2D的实施例的一个重要特征， 还设有金属对金属密封件30，以确保能够在另一密封件28失效的情况下防止泄漏。此外，还设有另一内部衬套36和附加的密封件32，从而能够切实地封闭开口 20。 利用例如与衬套内的内部移位轮廓件34接合的传统的移位工具能够将衬套36从流道22 中移出。在图5A至图5D中示出的衬套36处于其关闭位置。金属对金属密封件30通过包括活塞38、42的配置和偏置装置44的密封装置40 的作用而被加强。在密封装置40的一个重要特征中，无论是流道22中的压力大于环空16 中的压力，还是该环空中的压力大于该流道中的压力，活塞38、42中的至少一个都会向金 属对金属密封件30施加偏置力。密封装置40的这种特征是由于活塞38、42上的活塞面积具有差别的独特构造而 形成。正如本领域技术人员通过考虑如图2B所示的活塞38、42的配置而应领会到的，当流 道22中的压力大于环空16中的压力时，活塞将被向下偏置(如图中所见)，从而向金属对 金属密封件30施加向下的偏置力。当环空16中的压力大于流道22中的压力时，活塞38将被向上偏置(如图中所 见)，但活塞42将被向下偏置，从而仍向金属对金属密封件30施加向下的偏置力。因此，无论流道22与环空16之间的压差的方向如何，活塞42与关闭装置24之间的金属对金属密 封件30始终通过密封装置40而被加强。偏置装置44用于向金属对金属密封件30施加初始偏置力。安装在壳体组件26 中的卡环46限制关闭装置24向上的位移并且限制活塞38、40向下的位移。 借助增压的内腔室48将关闭装置24向上偏置。腔室48中例如可包含氮或其它 惰性气体，其压力超过井筒14中的阀18所预期经历的任何静水压力。如需要的话，也可在 腔室48中使用其它可压缩的流体，例如硅树脂等。关闭装置24下端上的密封件28、32将腔室48的上端封隔。关闭装置24的上端 暴露于流道22中的压力下。因此，如流道22中的压力充分地增大以至大于腔室48中的压 力，则关闭装置24将被偏置而向下移位。通过移位限制装置54限制关闭装置24相对于壳体组件26的位移。装置54包括 一个或多个固定到壳体组件26上的销或凸耳50以及可旋转地附连到关闭装置24上的衬 套56，该衬套上形成有一个或多个用于与凸耳接合的轮廓件52。现在另外参照图3A至图3D，其中典型地示出了在流道22中的压力已增大到大于 腔室48中的压力水平状态下的阀18的构造。其结果是，关闭装置24相对于壳体组件26 向下移位，此时允许流体经由开口 20流动。随后释放流道22中的增大的压力，以此将允许壳体组件26中的凸耳50与轮廓件 52的凹入部52a接合。这样就起到将关闭装置24固定在其开启位置的作用，而无需在流道 22中维持增大的压力。图6中典型地示出了衬套56和其上的轮廓件52的放大视图。在该视图中可看到， 凸耳50能够在该轮廓件的多个部分52a-52f之间相对于轮廓件52移位。最初，在图2A至图2D的送入构造中，凸耳50接合在大体笔直的、纵向延伸的轮廓 部52b中。当流道22中的压力增大以至大于腔室48中的压力时，凸耳50将接合于轮廓部 52d中(同时阀18开启)。随后释放流道22中的增大的压力，这将使凸耳50与轮廓部52a 接合，从而使阀18维持在其开启构造下。向流道22施加另一个增大的压力(该增大的压力大于腔室48中的压力)，将使凸 耳50与轮廓部52e接合(同时阀18仍开启)。随后释放流道22中的增大的压力，这将使 凸耳50与轮廓部52c接合，并且关闭装置24相应地移位到其关闭位置(如图4A至图4D 所示)。流道22中的压力的进一步增大和减小将不会导致阀18的进一步开启和关闭。相 反地，凸耳50将在轮廓部52c与52f之间前后移动。这在注水泥完井中是有利的，因为在 注水泥完井中不期望经由阀18的循环。然而，如需要时，通过例如使轮廓件52以传统的连 续J槽的形式围绕衬套56连续，可进一步设置阀18的开启和关闭。现在另外参照图4A至图4D，其中典型地示出了对流道22第二次施加增大的压力， 并随后如上文所述地释放增大的压力之后的阀18。阀18此时处于关闭构造，在该构造下， 流道22与环空16之间经由开口 20的流体连通被关闭装置24阻止。应注意到凸耳50此时与轮廓部52f接合，如图4B所示。这表明流道22中的压力 的进一步增大不会导致阀18开启，因为装置54限制了关闭装置24进一步向下的移位。然而，应当容易领会的是，轮廓件52也可构造成例如连续的J槽型轮廓件，以允许阀18多次开启和关闭。因此，如果适当地构造轮廓件52，则能够使关闭装置24响应于流道 22中的多次压力施加和释放而反复地向上和向下移位，以关闭和开启阀18。现在另外参照图5A至图5D，其中典型地示出了处于关闭构造的阀18，在该构造中 内衬套36已向上移位，因而此时该内衬套阻止了环空16与流道22之间的经由开口 20的 流动。可通过多种装置中的任何一种来实现衬套36的移位，但优选的是使用传统的电缆或 管道传送移位工具。在密封件28、32中的一个或多个发生泄漏、或者关闭装置24不能够阻止流道22 与环空16之间经由开口 20的流体连通的情况下，作为应急措施，衬套36可以被移位。如 需要，还可以(或者作为替代)设置密封孔58和锁闭轮廓件60，用以安装传统的封隔衬套。现在另外参照图7A至图7D，其中典型地示出了循环控制阀18的替代性的配置。 图7A至图7D的配置在很多方面与上文所述的配置类似，最显著的是，这两个配置均响应于 对流道22施加的压力增大的作用而开启，并响应于随后对该流道施加的压力增大的作用 而关闭。然而，图7A至图7D的配置利用阀装置62、64来控制关闭装置 24的移动。阀装置 62、64可以是例如传统的爆破片、具有安全销的换向阀(shuttlevalve)或任何其它类型的 可响应于一定的压力差的作用而开启的阀。阀装置62、64被选择为将相应的内腔室66、68 隔离使其不受井压力作用，直至跨越这些阀装置形成相应的预定压差的作用，此时阀装置 开启并允许经由这些阀装置的流体连通。关闭装置24上的径向扩大的活塞70的上侧暴露于腔室66，而该活塞的下侧暴露 于另一个腔室72。位于关闭装置24下方的衬套78上的另一径向扩大的活塞74的下侧暴 露于腔室68，而该活塞的上侧暴露于另一个腔室76。优选的是，所有的腔室66、68、72、76初始包含有处于相对较低压力(例如大气压) 下的可压缩的流体(例如空气)。然而，如需要，可采用其它的流体(例如，惰性气体，硅树 脂液等)和其它的压力。初始时，关闭装置24通过一个或多个安全销80而被保持在其关闭位置。然而，当 流道22中的压力增大为达到预定的压差(从流道到腔室66)时，则阀装置62将开启并允 许井压力进入腔室66中。因而形成的跨越活塞70(腔室66、72之间)的压差将导致对关 闭装置24施加向下的偏置力，从而剪断安全销80并使关闭装置向下移位。现在另外参照图8A至图8D，其中典型地示出了关闭装置24随着阀装置62的开启 而向下移位之后的阀18。此时，允许流道22与环空16之间经由开口 20的流体连通。当需要关闭阀18时，流道22与环空16中的压力可增大到预定的压差(从环空到 腔室68)以开启阀装置64。应注意到阀装置64物理地暴露于环空16，而不是暴露于流道 22，因此该阀装置在关闭装置24向下移位以使阀18开启之前并不与该流道流体连通。因 此，用于开启阀装置64的预定的压差不必大于用于开启阀装置62的预定的压差。当阀装置64开启时，将允许井压力进入腔室68中，并且因而形成的跨越活塞 74(腔室68、76之间)的压差将导致对衬套78施加向上的偏置力。衬套78将向上移位并 接触关闭装置24。由于活塞74比活塞70具有更大的活塞面积差(differential piston area)，因此由跨越活塞74的压差所产生的向上的偏置力将大于由活塞70上的压差所产生 的向下的偏置力，而关闭装置24将因此而向上移位。
现在另参照图9A至图9D，其中典型地示出了关闭装置24随着阀装置64开启而向 上移位之后的阀18。关闭装置24再次阻止了流道22与环空16之间经由开口 20的流体连通。此时，装在衬套78上的卡环82与形成在壳体组件26中的内部轮廓件84接合，从 而阻止关闭装置24随后的向下移位。应注意到，可设置内衬套36和/或锁闭轮廓件60以 及密封孔58，用以作为应急措施、或者作为当不再需要阀18的操作时的必然选择而确保能 够封闭开口 20。然而，在图7A至图9D的替代性的配置中，关闭装置24本身设有移位轮廓件86，用 以允许关闭装置在其不能被另外移位的情况下(例如，由于密封件泄漏或阀装置故障，等 等)从流道22的内部移位到其关闭位置(例如，使用传统的移位工具)。现在另外参照图IOA至图10B，其中典型地示出了处于其送入关闭构造的循环控 制阀18的另一构造。该实例的阀18与图7A至图9D的阀有些相似，其类似之处在于通过 开启阀装置62来使阀18开启，以及开启另一阀装置64(见图12B)来使阀18关闭。然而，在图IOA至图IOC的实例中，开启的是多个直径相对较大的阀装置62，这些 阀装置62本身提供了流道22与环空16之间的流体连通，而不需要使关闭装置24移位。相 反地，阀装置62响应于流道22至环空16的预定压差而开启，之后允许流道与环空之间经 由阀装置的流体连通。在图IlA至图IlC中，典型地示出了在阀装置62已开启之后的阀18。应注意到， 阀18的该截面是围绕该阀的纵轴线旋转了 90度的截面，从而可清楚地看到阀的其它各种 特征(例如阀装置64)。关闭装置24通过安全销80而被保持在与图IOA至图IOC中的位置相同的位置。 还应注意到，开启的阀装置62为在通道22与环空16之间流动的流体提供了相对较大的流 动面积。在图12A至图12C中，示出了在压力增大从而使阀装置64开启之后的阀18。与图 9A至图9C的阀18相似，阀装置64的这种开启使得衬套78向上移位从而剪断安全销80， 而关闭装置24向上移位从而封闭开口 20。而且，由于在阀装置62开启之前阀装置64暴露 于环空16并且未暴露于通道22，所以在阀装置62开启之后阀装置64不受通道22中的压 力的影响。滑动型棘轮锁止装置(ratchet locking device) 88将关闭装置24维持在如图 12A所示的关闭位置。在需要使阀18关闭的任何时刻，传统的移位工具(未示出)可与轮 廓件86接合，由此施加向上的力来剪断安全销80并使关闭装置24向上移位。现在另外参照图13A至图13C，其中典型地示出了处于其送入关闭构造的循环控 制阀18的另一构造。该实例的阀18与图7A至图9C的实例的阀在很多方面类同，但图13A 至图13C的实例中的关闭装置24向上移位来使阀开启(露出开口 20)，并且衬套74向下移 位而使关闭装置向下返回来关闭阀。除此之外，阀18的操作基本上相同。在图14中，可更详细地看到阀装置62围绕关闭装置24的排布。腔室66、72初始 时包含相对较低的压力(例如大气压)。当通道22中的压力超过预定值时，阀装置62开 启，由此使腔室66暴露于增大的压力下。在图15A至图15C中，典型地示出了在阀装置62开启之后处于其开启构造的阀18。由此形成的跨越活塞70的压差使得关闭装置24向上移位，从而露出开口20。在图16中可看到，腔室76延伸到填充/卸压端口 90。腔室76中的压力在初始时 较低(例如为大气压)。在图17A至图17C中，示出了在阀装置64开启之后处于其关闭构造的阀。通过对 环空加压或对通道22加压(由于环空与通道22经由开口 20连通)，使环空16中的压力增 大到预定值(即，达到预定的从环空到腔室68的压差)，来开启阀装置64。由于从腔室68到腔室76的压差，衬套78向下移位，剪断安全销92。衬套78的这 种向下移位还引起关闭装置24向下移位(由于活塞74上的活塞面积差大于活塞70上的 活塞面积差)。现在可充分地领会的是，上文对循环控制阀18的配置的描述提供了本领域内的 显著的改进。阀18能够可靠和方便地为流道22与环空16之间的循环提供大的流动面积， 并且在需要时还能够可靠和方便地阻止该流道与该环空之间的流体连通。具体地，上文的描述提出了一种在地下井中使用的循环控制阀18，该阀包括至少 一个开口 20，用以提供内部纵向流道22与该阀的外部(环空16)之间的流体连通。通过使 第一阀装置62和第二阀装置64中的每一个响应于跨越相应的阀装置施加的第一压差和第 二压差中相应的一个压差的作用而提供流体连通。响应于对第一阀装置62施加的第一压 差的作用而允许经由开口 20的流体连通，并且响应于对第二阀装置64施加的第二压差的 作用而阻止经由开口 20的流体连通。第一压差可以是内部流道22中的压力与阀18的第一内腔室66中的压力之间的 压差。第二压差可以是作用于阀18的外部的压力与该阀的第二内腔室68中的压力之间的压差。第二阀装置64可仅在经由开口 20的流体连通被允许时暴露于内部流道22中的 压力下。阀18的关闭装置24可响应于对第一阀装置62施加的第一压差而沿第一方向移 位，并且关闭装置24可响应于对第二阀装置64施加的第二压差而沿与第一方向相反的第 二方向移位。关闭装置24可包括限定内部流道22的内衬套。上文的描述还提出了一种循环控制阀18，其包括至少一个开口 20，用以提供该 阀的外部(环空16)与贯穿该阀的内部纵向流道22之间的流体连通；限定内部流道22的 大体呈管状的关闭装置24 ；以及用于容纳增压流体的内腔室48。关闭装置24响应于内部 流道22与内腔室48之间的第一压差的作用而沿第一方向移位，以由此允许经由开口 20的 流体连通；关闭装置响应于内部流道22与内腔室48之间的第二压差的作用而沿与第一方 向相反的第二方向移位，以由此阻止经由开口 20的流体连通。阀18还可包括移位限制装置54，移位限制装置54响应于关闭装置24沿第一方向 的移位而将该关闭装置限制在允许经由开口 20流体连通的位置处。移位限制装置54可允 许关闭装置24响应于第二压差的施加和随后第二压差的释放而沿第二方向移位。阀18还可包括密封装置40，该密封装置与关闭装置24配合操作来阻止经由开口 20的流体连通，该密封装置包括向金属对金属密封件30施加偏置力的活塞配置38、42。活 塞配置38、42可响应于内部流道22中的比作用于阀18外部的压力大的压力、以及响应于该内部流道中比作用于该阀外部的压力小的压力而将该偏置力施加到金属对金属密封件 30。阀18还可包括内衬套36，当经由开口 20的流体连通未被关闭装置24阻止时，内 衬套36可从阀的内部移位，从而选择性地允许和阻止内部流道22与阀的外部之间经由开 口 20的流体连通。还提出了一种控制地下井中的管柱12的内部流道22与该管柱外的环空16之间 的循环流动的方法。该方法包括如下步骤在管柱12内连接阀18，该阀包括至少一个开口 20，用以提供内部流道22与环空16之间的流体连通；在该内部流道与环空16之间经由开 口 20的流体连通被阻止时，向该内部流道22施加第一增大的压力，由此允许内部流道22 与环空16之间经由开口 20的流体连通；随后，在内部流道22与环空16之间经由开口 20 的流体连通被允许时，向内部流道22施加第二增大的压力，由此阻止该内部流道与该环空 之间经由该开口的流体连通。施加第一增大的压力的步骤还可包括选择性地允许第一增大的压力施加到阀 18的第一内腔室66，由此导致该阀的关闭装置24沿第一方向移位，以允许经由开口 20的 流体连通。施加第二增大的压力的步骤还可包括选择性地允许第二增大的压力施加到阀18 的第二内腔室68，由此导致关闭装置24沿与第一方向相反的第二方向移位，以阻止经由开 口 20的流体连通。施加第二增大的压力的步骤还可包括将该第二增大的压力施加到环空16。每个施加增大的压力的步骤还可包括使阀18内部的大体呈管状的关闭装置24 移位。该方法还可包括使内衬套36从阀18的内部移位，从而选择性地允许和阻止内部 流道22与环空16之间经由开口 20的流体连通的步骤。该方法还可包括从密封装置40的活塞配置38、42向金属对金属密封件30施加偏 置力的步骤，金属对金属密封件30选择性地阻止经由开口 20的流体连通，并且在该步骤 中，活塞配置响应于内部流道22中的压力比环空16中的压力大、以及响应于内部流道中的 压力比环空中的压力小而将该偏置力施加到金属对金属密封件。施加第一增大的压力的步骤还可包括使阀18的关闭装置24沿第一方向移位；施 加第二增大的压力的步骤还可包括随后释放该第二增大的压力，从而使关闭装置24沿与 第一方向相反的第二方向移位。上文还描述了一种循环控制阀18，其包括至少一个开口 20，用以提供该阀的外 部(环空16)与贯穿该阀18的内部纵向流道22之间的流体连通；关闭装置24;用于选择 性地允许和阻止经由开口 20的流动，该关闭装置设置在阀18的壳体组件26的内部；至少 一个第一阀装置62，其在初始时阻止经由开口 20的流动；内腔室68。第一阀装置62响应 于内部流道22与阀的外部之间的第一压差的作用而开启，以由此允许经由开口 20的流体 连通。关闭装置24响应于内部流道22与内腔室68之间的第二压差而移位，以由此阻止经 由开口 20的流体连通。阀18可包括响应于第二压差而开启的第二阀装置64。关闭装置24可从阀18的内部移位，以选择性地允许和阻止内部流道22与阀的外部之间经由开口 20的流体连通。
阀18可以不具有任何高增压的内部腔室。可通过经由内部流道22和阀18外部两者中的至少之一使压力增大来施加第二压差。当第一阀装置62阻止经由开口 20的流体连通时，第二阀装置64可暴露于阀18 外部的压力下。上文还描述了一种循环控制阀18，其包括至少一个开口 20，用以提供内部纵向 流道22与阀18的外部之间的流体连通；以及第一阀装置62和第二阀装置64。通过使第 一阀装置62和第二阀装置64中的每一个响应于跨越相应的阀装置施加的第一压差和第二 压差中相应的一个压差来提供流体连通。响应于对第一阀装置62施加的第一压差而允许 经由开口 20的流体连通，从而使 第一活塞70失去平衡，响应于对第二阀装置64施加的第 二压差而阻止经由开口 20的流体连通，从而使第二活塞74失去平衡，该第二活塞74的活 塞面积大于该第一活塞70的活塞面积。第一压差可以是内部流道22中的压力与阀18的第一内腔室66中的压力之间的 压差。第二压差可以是作用于阀18外部的压力与该阀的第二内腔室68中的压力之间的压差。第二阀装置64可仅在经由开口 20的流体连通被允许时暴露于内部流道22中的 压力下。阀18的关闭装置24可响应于对第一阀装置62施加的第一压差而沿第一方向移 位，并且关闭装置24可响应于对第二阀装置64施加的第二压差而沿与第一方向相反的第 二方向移位。关闭装置24可包括限定内部流道22的内衬套。还提出了一种控制地下井中的管柱12的内部流道22与该管柱外的环空16之间 的循环流动的方法。该方法包括如下步骤在管柱12内连接阀18，该阀包括至少一个开口 20，用以提供内部流道22与环空16之间的流体连通；在该内部流道22与环空16之间经由 开口 20的流体连通被阻止时，向该内部流道22施加第一增大的压力，由此使至少一个第一 阀装置62开启，因而允许内部流道22与环空16之间经由第一阀装置62和开口 20的流体 连通；随后，在内部流道与环空之间经由开口 20的流体连通被允许时，向内部流道22和环 空16施加第二增大的压力，由此使得内部流道22与环空16之间经由开口 20的流体连通 被阻止。施加第二增大的压力的步骤可包括选择性地允许第二增大的压力施加到阀18 的内腔室68，由此使得阀18的关闭装置24移位并阻止经由开口 20的流体连通。选择性地允许第二增大的压力施加到该阀的内腔室68的步骤还包括使至少一个 第二阀装置64开启。该方法可包括使关闭装置24从阀18的内部移位，以选择性地允许和阻止内部流 道22与环空16之间经由开口 20的流体连通的步骤。施加第二增大的压力的步骤可包括经由环空16施加第二增大的压力。施加第二 增大的压力的步骤可包括经由内部流道22施加第二增大的压力。毋庸置疑的是，本领域技术人员在仔细地考虑以上对本发明的典型实施例的说明 之后将容易领会到的是，可对这些具体实施例进行各种修改、添加、替换、删除以及其它的变化，并且这些变化均涵盖于本发明的原理的范围内。因此，前文的详细说明仅是通过阐释和例举的方式给出从而于清楚地理解，本发明的原理和范围则仅由随附的权利要求及其等 效替代物所限定。
权利要求
一种在地下井中使用的循环控制阀，所述阀包括至少一个开口，用以提供所述阀的外部与贯穿所述阀的内部纵向流道之间的流体连通；关闭装置，用以选择性地允许和阻止经由所述开口的流动，所述关闭装置设置在所述阀的壳体组件的内部；至少一个第一阀装置，其在初始时阻止经由所述开口的流动；内腔室；以及其中，所述第一阀装置响应于所述内部流道与所述阀的外部之间的第一压差的施加而开启，以由此允许经由所述开口的流体连通，而所述关闭装置响应于所述内部流道与所述内腔室之间的第二压差而移位，以由此阻止经由所述开口的流体连通。
2.如权利要求1所述的阀，还包括第二阀装置，该第二阀装置响应于所述第二压差而 开启。
3.如权利要求1所述的阀，其中所述关闭装置从所述阀的内部移位，以选择性地允许 和阻止所述内部流道与所述阀的外部之间经由所述开口的流体连通。
4.如权利要求1所述的阀，其中所述阀不具有任何高增压的内部腔室。
5.如权利要求1所述的阀，其中所述第二压差是通过经由所述内部流道和所述阀的外 部两者中的至少之一使压力增大来施加的。
6.如权利要求1所述的阀，其中，当所述第一阀装置阻止经由所述开口的流体连通时， 所述第二阀装置暴露于所述阀的外部的压力下。
7.—种在地下井中使用的循环控制阀，所述阀包括至少一个开口，用以提供内部纵向流道与所述阀的外部之间的流体连通；第一阀装置和第二阀装置，通过使所述第一阀装置和所述第二阀装置中的每一个响应 于跨越相应的阀装置施加的第一压差和第二压差中相应的一个压差来提供流体连通；以及其中，响应于对所述第一阀装置施加的所述第一压差而允许经由所述开口的流体连 通，由此使第一活塞失去平衡，并且响应于对所述第二阀装置施加的所述第二压差而阻止 经由所述开口的流体连通，由此使第二活塞失去平衡，该第二活塞的活塞面积大于该第一 活塞的活塞面积。
8.如权利要求7所述的阀，其中所述第一压差是所述内部流道中的压力与所述阀的第 一内腔室中的压力之间的压差。
9.如权利要求8所述的阀，其中第二压差是所述阀的外部的压力与所述阀的第二内腔 室中的压力之间的压差。
10.如权利要求7所述的阀，其中所述第二阀装置仅在经由所述开口的流体连通被允 许时暴露于所述内部流道中的压力下。
11.如权利要求7所述的阀，其中，所述阀的所述关闭装置响应于对所述第一阀装置施 加的所述第一压差而沿第一方向移位，并且所述关闭装置响应于对所述第二阀装置施加的 所述第二压差而沿与所述第一方向相反的第二方向移位。
12.如权利要求11所述的阀，其中，所述关闭装置包括限定所述内部流道的内衬套。
13.—种控制地下井中的管柱的内部流道与所述管柱外的环空之间的循环流动的方 法，所述方法包括如下步骤在所述管柱内连接阀，所述阀包括至少一个用以提供所述内部流道与所述环空之间的 流体连通的开口；在所述内部流道与所述环空之间经由所述开口的流体连通被阻止时，向所述内部流道 施加第一增大的压力，由此使至少一个第一阀装置开启并允许所述内部流道与所述环空之 间经由所述第一阀装置和所述开口的流体连通；以及随后，在所述内部流道与所述环空之间经由所述开口的流体连通被允许时，向所述内 部流道和所述环空施加第二增大的压力，由此使得所述内部流道与所述环空之间经由所述 开口的流体连通被阻止。
14.如权利要求13所述的方法，其中，所述施加第二增大的压力的步骤还包括选择性 地允许所述第二增大的压力施加到所述阀的内腔室，由此使得所述阀的关闭装置移位并阻 止经由所述开口的流体连通。
15.如权利要求14所述的方法，其中选择性地允许所述第二增大的压力施加到所述阀 的内腔室的步骤还包括使至少一个第二阀装置开启。
16.如权利要求14所述的方法，还包括使所述关闭装置从所述阀的内部移位，以选择 性地允许和阻止所述内部流道与所述环空之间经由所述开口的流体连通的步骤。
17.如权利要求13所述的方法，其中所述施加第二增大的压力的步骤还包括经由所 述环空施加所述第二增大的压力。
18.如权利要求13所述的方法，其中所述施加第二增大的压力的步骤还包括经由所述 内部流道施加所述第二增大的压力。
全文摘要
一种循环控制阀，包括开口，位于该阀的外部与内部流道之间；内部关闭装置，用以允许和阻止经由该开口的流动；阀装置，其在初始时阻止经由开口的流动；以及内腔室。阀装置基于流道与外部之间的压差的施加而开启，以由此允许经由该开口的连通，而关闭装置基于流道与内腔室之间的第二压差的施加而移位，以由此阻止经由开口的流体连通。另一阀包括第一阀装置和第二阀装置。基于对第一阀装置施加的第一压差而允许经由该开口的流体连通，从而使第一活塞失去平衡，并且响应于对第二阀装置施加的第二压差而阻止经由该开口的流体连通，从而使第二活塞失去平衡，该第二活塞的活塞面积大于该第一活塞的活塞面积。
文档编号E21B23/08GK101821473SQ200880111151
公开日2010年9月1日 申请日期2008年10月8日 优先权日2007年10月11日
发明者吉米·R·威廉森, 汤姆·斯旺 申请人:哈利伯顿能源服务公司