一种锥体旋进式可调恒流堵塞器

技术领域：

本发明涉及一种油气田开发领域中的井下工具，具体地说，是涉及应用于油田分层注水的一种可调恒流堵塞器。

背景技术：

二次注水是当油田开采后期的一种重要手段，目前，国内的大部分油田进入了高含水开发期，为了增加注水精度，注水工具越来越受重视，堵塞器作为分层注水技术的重要部件，虽然已经发明了可调恒流堵塞器，但是还是有很需要改进的地方。迄今外止，许多的可调恒流堵塞器的恒流部分都是利用弹簧-阀芯之间的负反馈原理实现恒流，文献公开号为108590606 A和202000982 U的专利文献所公开的可调恒流堵塞器均为这样的结构，虽然有人做出了利用弹性材料的延展性的膜片恒流结构，但是这种结构的可靠性远远不如弹簧结构高。市场上最多可调恒流堵塞器的可调结构都是通过旋转实现流量的可调，这种结构的最大的不足便是容易发生砂卡，且出水口的形状并不是最理想的形状，恒流的效果不理想。

发明内容：

为了解决背景技术中提到的技术问题，本发明提供一种锥体旋进式可调恒流堵塞器，当恒定流量需要调节时，由打捞杆传递扭矩至调节阀，调节阀同时与阀芯、锥形体螺纹连接，这样可以使锥形体受的力反馈到阀芯上，极大地增加了可调范围。

本发明的技术方案是：该种锥体旋进式可调恒流堵塞器，包括打捞矛1、上盖2、调节阀3、打捞弹簧4、调节杆5、阀芯6、阀芯座7、凸轮8、上主体9、下主体10、锥形体11、恒流弹簧12、销钉13及滤网14。其独特之处在于：

打捞矛1的主体为圆柱形阶梯轴，在所述打捞矛的中下部设置打捞矛圆台22，打捞矛圆台上表面21与打捞弹簧4接触；打捞矛圆台下表面23与上主体上限位面53在凸轮卡死状态下重合，当打捞堵塞器时二者分离，打捞弹簧4被压缩；在所述打捞矛的尾端开有打捞矛圆缺形孔25，与调节杆5上部的调节杆圆缺形轴26间隙配合，用于限制调节杆5的旋转，完成调节时扭矩的传递，使得所述打捞矛能沿所述调节杆上下移动；在所述打捞矛的上部设置有三个六十度的凸起20，用于和井下测调仪的卡爪配合，完成免打捞调控。

调节杆5的主体是一根阶梯圆柱轴，所述调节杆的上部设置调节杆圆缺形轴26，与打捞矛圆缺形孔25间隙配合，用来传递扭矩；所述调节杆具有调节杆圆台27，调节杆圆台27的上表面与上主体的下限位面54重合，调节杆圆台下表面28与下主体的上限位面58重合，以确保所述调节杆可以转动但无法上下移动；在所述调节杆的尾部设置调节杆圆缺形孔29；所述调节杆用于传递扭矩；

调节阀3主体是一根阶梯圆柱轴，所述调节阀的上部设置调节阀圆缺形轴31，与调节杆5尾部的调节杆圆缺形孔29间隙配合，用于限制调节阀3的转动；调节阀圆缺形轴31可在调节杆圆缺形孔29内上下移动；在调节阀圆缺形轴31下方设置调节阀圆台32，调节阀圆台下表面33在流量调节至最小时，与阀芯6的上表面39重合，起到限位作用；在调节阀圆台32的下方加工有调节阀上螺纹34，用于和阀芯6上的中心孔螺纹38相互啮合，调节阀上螺纹34和中心孔螺纹38相互转动能实现调节阀3相对于阀芯6的上下移动，起到调节流量的作用；调节阀3的尾部设置有调节阀下螺纹35，调节阀下螺纹35与锥形体螺纹36相互啮合，将锥形体11固定在调节阀3的尾部。

锥形体11的上半部分是圆柱体，下半部分是圆锥与圆台的组合体；锥形体螺纹孔36位于锥形体11的上半部；锥形体11与阀芯座7的进水孔45之间的环形面积为实际进水面积。

阀芯6包括阀芯圆柱面37、中心孔螺纹38、阀芯内顶面40、滑棱槽41以及矩形出水槽42；阀芯内顶面40下部开有两侧对称的两个矩形出水槽42，所述矩形出水槽的高度与堵塞器下主体出水孔60高度一致；阀芯6与注水堵塞器下主体10间隙配合，以实现注入水能通过间隙流入阀芯座与阀芯形成的内腔；中心孔螺纹38与调节阀上螺纹34配合，调节阀转动能实现锥形体与阀芯的相对移动；滑棱槽41与位于下主体10的销钉13配合，能够限制阀芯6的转动；阀芯6能够与恒流弹簧12相互作用沿滑棱槽41上下移动从而改变下主体出水孔60的实际出水面积；在阀芯6的外表面上设置有三道环形空气槽43，用于减少阀芯上下滑动的阻力以及增强密封和减少泄漏；在阀芯6的下部阶梯轴圆周加工阀芯下螺纹44，用于和阀芯座螺纹46相互配合。

阀芯座7具有进水孔45和阀芯座螺纹46；在阀芯座7的内部设置有阶梯孔，所述阶梯孔中一级阶梯的高度与阀芯下螺纹44高度相同，在所述一级阶梯的圆周面上加工阀芯座螺纹46，阀芯座螺纹46与阀芯下螺纹44相互啮合，组成完整的注水内腔；进水孔45的直径与锥形体11的最大直径相同。

调节阀3穿过阀芯6后通过螺纹连接，并与锥形体11通过螺纹连接；阀芯6与阀芯座7通过螺纹连接；阀芯座7与锥形体11通过配合，形成间隙，通过调节调节阀3能够调节阀芯座7与锥形体11的间隙过流面积，从而实现恒流量的调节。

上盖2的内部有上盖上顶面48，上盖上顶面用于和打捞矛圆台上表面21配合构成安装打捞弹簧4的空间，在上盖2的外表面设置有上盖螺纹47，用于和上主体上螺纹55啮合，完成密封与安装；

凸轮8中空，具有凸轮上顶面49，调节杆5穿过凸轮8；当打捞弹簧4下压所述打捞矛，打捞矛下顶面24与凸轮上顶面49重合，以使得所述凸轮无法转动，完成堵塞器在配水器中的固定；所述凸轮中设置有凸轮圆形通孔50，用于将所述凸轮固定于上主体9，打捞时，打捞矛1提起，凸轮8能够转动。

上主体9的上部设置有上主体上螺纹55，用于和上盖螺纹47配合；上主体9中部设置有矩形通孔51、上主体圆形通孔52和上主体上限制面53，其中，矩形通孔51用于安装凸轮8，上主体圆形通孔52用于将凸轮8固定在上主体中，上主体上限制面53，用于对打捞矛1的位置进行限制；上主体9的下部设置有上主体下限制面54和上主体下螺纹56，上主体下限制面54用于固定调节杆5，上主体下螺纹56用于和下主体上螺纹57相互啮合。

下主体10具有下主体上螺纹57、下主体上限制面58、下主体下螺纹61以及下主体出水孔60；其中，下主体上限制面58用于和调节杆圆台下表面28配合，限制调节杆的上下移动，下主体出水孔60位于下主体10的中部；下主体下螺纹61位于下主体10的下部，与滤网14上部的滤网螺纹62啮合；在下主体出水孔60的上部设置两个对称的销钉孔59，与阀芯6上的滑棱槽41对应。调节阀3、阀芯6、锥形体11和阀芯座7连接成整体后能在下主体10内上下滑动滑动，阀芯6的矩形出水槽42与下主体出水孔60配合，通过上下滑动可以调节出水面积，从而实现地层压力或注水压力波动情况下，流过堵塞器内注水量的恒定。

滤网14具有楔形注水孔63，楔形注水孔63的外表面宽度大于内表面宽度，楔形注水孔63的内表面为一条宽1mm的长条状进水通道；楔形注水孔63的外部加工圆角；在滤网14上部加工滤网螺纹62，用于和下主体下螺纹61啮合。

本发明具有如下有益效果：

为了解决锥形体与阀芯一起移动的问题，本发明提出了使调节阀上部在调节杆下部内滑动的方法，使其在传递扭矩的同时调节阀与调节杆不一起移动。为了解决砂卡问题将锥形体设计成上下移动的方式，调节锥形体与进水孔之间的环形面积可变实现流量可调。

另外，现有的恒流堵塞器通过弹簧的弹力与阀芯所受的流体压力平衡，从而实现恒流。但如果改变水嘴大小，进而流量改变，阀芯受力改变，难以与同一弹簧达到平衡，不再能实现恒流。而本种恒流堵塞器注入水经滤网由阀芯座的底孔进入堵塞器，再通过阀芯注入地层。由于阀芯可在注水堵塞器下主体内因注入压力或者地层压力的改变和弹簧弹力的共同作用下往复运动最终可达到平衡，可实现恒流注水。若恒定注水流量需要改变时，此时便可通过测调仪旋转打捞杆，由打捞杆传递扭矩至调节阀，调节阀同时与阀芯、锥形体螺纹连接，从而调节阀芯座与锥形体的间隙来控制进入堵塞器的流量，这样可以使锥形体受的力反馈到阀芯上，极大地增加了可调范围。本种恒流堵塞器采用锥形体与圆孔配合替代了以前的固定式水嘴，可在井下改变阀芯座与锥形体的间隙使阀芯在不同的注水量下能实现与同一弹簧达到平衡，实现注入流量恒定。

附图说明：

图1是本发明的结构剖视图。

图2是本发明的爆炸结构视图。

图3是本发明的打捞矛三维结构零件图,其中图(a)是打捞矛上等轴测三维结构示意图，图(b)为图(a)的下等测三维结构示意图。

图4是本发明的上盖三维结构零件图，其中图(a)是上盖上等轴测三维结构示意图，图(b)为图(a)沿中轴线全剖结构示意图。

图5是本发明的调节阀三维结构零件图，其中图(a)是调节阀上等轴测三维结构示意图，图(b)为图(a)的上等测三维结构示意图。

图6是本发明的打捞弹簧三维结构零件图。

图7是本发明的调节杆三维结构零件图，其中图(a)是调节阀下等轴测三维结构示意图，图(b)为图(a)的下等测三维结构示意图。

图8是本发明的阀芯三维结构零件图，其中图(a)是阀芯下等轴测三维结构示意图，图(b)为图(a)的下等测三维结构示意图。

图9是本发明的阀芯座三维结构零件图。

图10是本发明的凸轮三维结构零件图，其中图(a)是凸轮上等轴测三维结构示意图，图(b)为图(a)的下等测三维结构示意图。

图11是本发明的上主体三维结构零件图，其中图(a)是上主体的沿中轴线的全剖结构示意图，图(b)为上主体的上等轴测三维结构示意图。

图12是本发明的下主体三维结构零件图，其中图(a)为下主体的下等轴测结构示意图，图(b)为图(a)沿中轴线全剖结构示意图。

图13是本发明的锥形体三维结构零件图。

图14是本发明的恒流弹簧三维结构零件图。

图15是本发明的销钉三维结构零件图。

图16是本发明的滤网三维结构零件图。

图中1-打捞矛、2-上盖、3-调节阀、4-打捞弹簧、5-调节杆、6-阀芯、7-阀芯座、8-凸轮、9-上主体、10-下主体、11-锥形体、12-恒流弹簧、13-销钉、14-滤网、20-六十度凸起、21-打捞矛圆台上表面、22-打捞矛圆台、23-打捞矛圆台下表面、24-打捞矛下顶面、25-打捞矛圆缺形孔、26-调节杆圆缺形轴、27-调节杆圆台、28-调节杆圆台下表面、29-调节杆圆缺形孔、30-调节杆上表面、31-调节阀圆缺形轴、32-调节阀圆台、33-调节阀圆台下表面、34-调节阀上螺纹、35-调节阀下螺纹、36-锥形体螺纹、37-阀芯圆柱面、38-中心孔螺纹、39-阀芯上表面、40-阀芯内顶面、41-滑棱槽、42-矩形出水槽、43-环形槽、44-阀芯下螺纹、45-阀芯座进水孔、46-阀芯座螺纹、47-上盖螺纹、48-上盖上顶面、49-凸轮上顶面、50-凸轮圆通孔、51-矩形通孔、52-上主体圆通孔、53-上主体上限制面、54-上主体下限制面、55-上主体上螺纹、56-上主体下螺纹、57-下主体上螺纹、58-下主体上限制面、59-销钉孔、60-下主体出水孔、61-下主体下螺纹、62-滤网螺纹、63-楔形注水孔。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1至图16所示，本种锥体旋进式可调恒流堵塞器，由打捞杆、上盖、调节阀、打捞弹簧、调节杆、阀芯、阀芯座、凸轮、上主体、下主体、锥形体、恒流弹簧、销钉及滤网组成。

打捞矛的主要作用是实现打捞、调控、与定位凸轮配合完成堵塞器在配水器中的定位，当定位完成时，打捞矛由于打捞弹簧的作用，与凸轮的上表面重合，凸轮无法旋转，凸轮凸起部位卡住配水器的定位槽，完成定位。打捞堵塞器时，上提打捞矛，堵塞器的地面离开凸轮的上表面，凸轮可以在上主体的矩形通孔旋转，定位失效，完成打捞。打捞矛的下端有圆缺形孔，与调节杆的上部圆缺形轴间隙配合，调节杆可以在圆缺形孔内上下移动，但是不能旋转，打捞矛传递扭矩到调节杆。在打捞矛上部加工三个间隔六十度的凸起，为了与调微仪配合，完成可调部分的功能。

上盖的作用是完成整体的密封与打捞的功能，在上盖的内部的限制面与打捞矛圆台的上表面之间安装打捞弹簧，二者之间就是打捞弹簧的活动空间。

调节杆的作用就是传递扭矩，它上部的圆缺形杆可以在打捞矛的圆缺形孔内上下移动，在它的下部加工一个圆缺形孔可以将来自打捞矛的扭矩传递到调节阀。

调节阀的上部加工圆缺形轴是为了传递扭矩到锥形体，调节阀上的圆台主要就是定位作用，在圆台的下方加工螺纹，是为了与阀芯上的螺纹孔相互配合，当流量需要调节时，转动打捞矛，调节阀转动，阀性由于被限制只能上下移动，所以调节阀相对阀性上下移动，完成锥形体的相对于阀芯座进水孔的上下移动，完后可调的作用。

在调节阀的下部加工的螺纹与锥形体的螺纹孔配合，锥形体是固定在调节阀上面的。阀芯是一个圆柱形空心结构，在上部加工两个对称的矩形出水孔，与下主体的出水孔对应，在两个矩形孔之间加工两个对称的滑棱槽，与下主体上的两个销钉孔对应，在销钉的作用下，阀芯只能相对于下主体上下移动，不能旋转。在阀芯上表面加工螺纹通孔，与调节阀的螺纹配合，二者相对旋转实现锥形体的上下移动，是实现可调的重要设计。在阀芯的下部加工三道空气槽，减少阀芯上下移动阻力以及增强密封性，防止泄露。

阀芯座通过螺纹与阀芯配合组成完整的注水内腔，阀芯座进水孔的上表面与锥形体齐平之间的环形面积就是实际注水的过流面积。具体设计方法如下：

水经过堵塞器注入地层的同时作用在阀芯的两个端部，在弹簧的共同作用下，使阀芯随注水压差的变化而往复移动，从而改变阀芯与主体出水孔之间的过流面积，对流量进行调节使流量保持恒定。设流入堵塞器的注水压力为P

在分层注水技术中，各配注层段配注量取决于注水压力、地层的渗透能力等，通常通过堵塞器内水嘴的直径大小来调节注水量，堵塞器内水嘴为不完全收缩薄壁小孔结构，其流量Q的计算式为：

A

式中：A

式中：L--锥形体向上移动的距离；D--水嘴最大直径；r

根据上式按水嘴节流损失为0.4MPa的工况对水嘴直径进行设计，取水嘴流量系数C

表1不同恒流量对应的水嘴直径与锥形体上移距离

上主体上部设计螺纹与上盖的螺纹配合将上盖固定，中间加工一个矩形通孔用于安装凸轮，垂直于矩形在矩形通孔的中央加工一个圆形通孔，通过圆轴将凸轮固定在上主体，凸轮在打捞矛提起时是可旋转的，打捞矛下放，凸轮固定。在上主体尾部加工阶梯孔，直径与调节杆的圆台直径相同，高度与调节杆圆台高度相同，与下主体的上表面配合用于限制调节杆，使其不能上下移动，调节杆可以转动不影响传递扭矩。下主体上部加工螺纹与上主体的螺纹配合完成组装。在下主体的出水孔上方加工两个呈一百八十度对称的销钉孔，与阀芯的滑棱槽对应用于限制阀芯转动。下主体的出水孔设计成为弹簧的做功方程函数曲线的形状，是如下的原因：

弹簧的做功方程：

式中：W--弹簧的弹性势能；k--弹簧的刚度；x--弹簧的压缩量。由上式可知，在流量均匀变化的情况下，弹簧单位压缩量所需要的力会随这弹簧的压缩呈上式变化，出水孔的形形状设计成圆形对恒流注水有很大的影响，当出水孔的形状与弹簧的做功方程函数曲线相同时才是最理想的恒流注水出水孔。滤网的结构内部设计成直道，避免了三次节流，将滤网的进水孔设计成了楔形注水孔，楔形注水孔外面积大，对应滤网内部为一条一毫米的长条水道，增加了注入堵塞器水流的流速，将楔形的边设计了圆角处理，使水流呈坡形进入，最大程度的减少了水流冲蚀。

使用时，本种恒流堵塞器注入水经滤网由阀芯座的底孔进入堵塞器再通过阀芯注入地层。由于阀芯可在注水堵塞器下主体内因注入压力或者地层压力的改变和弹簧弹力的共同作用下往复运动最终可达到平衡，可实现恒流注水。若恒定注水流量需要改变时，此时便可通过测调仪旋转打捞杆从而调节阀芯座与锥形体的间隙来控制进入堵塞器的流量，阀芯在注水堵塞器下主体内因注入压力或者地层压力的改变和弹簧弹力的共同作用下往复运动最终可达到另外一种平衡，实现可调恒流注水。