CN101563522A - 步进式棘轮机构 - Google Patents

Abstract

一种步进式棘轮机构，该步进式棘轮机构允许组件增量运动，该组件可适于增量地打开或关闭可调节孔口(550)。所述步进式棘轮机构可包括改进的主体锁定环(10)，该主体锁定环允许沿心轴(20)在沿所述心轴的任一方向上增量地运动。所述步进式棘轮机构可通过将压力施加到所述机构而致动指定距离。所述步进式棘轮机构是利用压力驱动井下多位置装置的理想机构。改进的主体锁定环适于在所述心轴被向下泵送时将所述机构固定在各个设定位置，并且允许所述机构在所述心轴被泵送回来时渐进。

Description

步进式棘轮机构

交叉引用

本申请是非临时申请，并要求由Richard J.Ross于2006年7月3日递交的名称为“STEP RATCHET MECHANISM”的美国临时申请序列号No.60/818,425的优先权。

技术领域

本发明总体涉及一种步进式棘轮机构，该步进式棘轮机构可以是驱动多位置装置(例如可调节孔)的理想机构。步进式棘轮机构允许多位置装置在步进式棘轮机构每循环一次时运动预定增量距离。增量距离的运动使得可调节孔口能增量地打开以在完全打开孔口之前对密封进行压力测试。如受益于本公开的本领域普通技术人员将认识到的那样，步进式棘轮机构的每一循环所驱动的多位置装置的距离可通过改变步进式棘轮机构部件的物理尺寸来修改。步进式棘轮机构可包括主体锁定环或主体锁定夹头，在每次循环过程中，该主体锁定环或主体锁定夹头在步进式棘轮机构运动时将该机构锁定到心轴。该主体锁定环或主体锁定夹头还可以适于使步进式棘轮机构能沿心轴在相反方向上运动。

背景技术

主体锁定环用于将井下组件锁定到心轴是公知的。当前主体锁定环通常允许组件沿心轴在一个方向上运动，每当组件停止运动时，将组件向下锁定到心轴。主体锁定环通常允许组件沿心轴在一个方向上渐进，但是通常设计成用于将组件锁定到心轴，因而不允许组件沿心轴在另一个方向上运动或渐进。主体锁定环的该功能通常是可以接受的，因为主体锁定环的用途是将井下组件固定到心轴。当前使用主体锁定环的设计不允许组件如所期望的那样沿心轴在相反方向上运动。需要从心轴拆下井下组件时，井下组件和主体锁定环必须从井眼钻出来。

主体锁定环的单向渐进特性将其使用限制到仅需要沿一个方向运动的应用。提供这样一种装置是有利的，该装置沿一个方向渐进或增量地运动以将井下组件固定到例如心轴等结构，但是在需要时还允许井下组件沿所述结构在相反方向上运动。例如，这样的装置与流量孔口结合是有利的。井下孔口通常在过快的流速可能造成岩层损坏或产生泥沙时用于调节来自特定区域的流量。当前的主体锁定环可适用于在这种情况下使用。但是还期望在需要时能够关闭流量孔口，这使用当前的主体锁定环设计是不可能实现的。这样的装置将是非常有利的，该装置允许增量运动以打开流量孔口，从而在增量运动之间将流量孔口锁定适当位置，但是也允许沿相反方向运动，以关闭流量孔口。

鉴于上述情况，期望提供一种机构，该机构沿心轴在第一方向上提供增量运动，将组件固定到心轴，并且也允许所述机构沿心轴在第二方向上运动。进一步期望提供一种主体锁定环，该主体锁定环适于将组件锁定到心轴上，而且允许所述主体锁定环从所述心轴释放，使所述主体锁定环和任何连接的组件沿心轴运动。还期望提供一种机构，其可用于沿一个方向增量地驱动多位置装置，例如可调节孔口，还允许多位置装置沿相反方向运动，同时防止所述孔口运动。

本发明旨在克服或至少减小上面提出的一个或多个问题的影响。

发明内容

在一个实施方式中，步进式棘轮机构设置成使井下组件增量地运动，所述机构包括活动活塞、心轴、适于与所述心轴选择性地接合的主体锁定环、连接到所述主体锁定环的主体锁定环承载件、与所述主体锁定环承载件相邻定位的弹簧锁定件、弹簧保持件和定位在所述弹簧保持件中的弹簧，其中所述弹簧锁定件的一部分定位在所述弹簧保持件中，其中，所述活动活塞的运动接触所述主体锁定环承载件，使所述主体锁定环与所述心轴接合，并且使所述心轴、主体锁定环、主体锁定环承载件和弹簧锁定件运动，直到所述弹簧被完全压缩在所述弹簧保持件内。所述机构可包括下部转接器，该下部转接器定位成防止所述弹簧保持件的运动超过所述下部转接器。

在一个实施方式中，可以向该机构施加压力，以使活塞向下运动，直到所述弹簧保持件接触下部转接器，并且所述弹簧被完全压缩在所述弹簧保持件中。在从所述机构释放压力时，随着所述弹簧运动回到其未压缩状态，被压缩的弹簧可以使所述弹簧锁定件、主体锁定环承载件和主体锁定环沿着心轴向上运动。主体锁定环适于在弹簧运动回到其未压缩状态时允许沿心轴向上运动。摩擦力可在压力从所述机构释放使弹簧解除压缩时阻止所述心轴向上运动。可选的是，可利用一机构来防止心轴由于弹簧解除压缩而引起的运动。虽然就心轴和主体锁定环组件向下运动直到弹簧被完全压缩以及所述主体锁定环组件由于所述弹簧延伸到其未压缩状态而向上运动的方面讨论以上实施方式，但是如受益于本公开的本领域技术人员应理解的那样，所公开的实施方式可适于使所述心轴和所述主体锁定环组件沿任何相关方向运动，并且允许所述主体锁定环由于所述弹簧解除压缩而沿着相反方向运动。

在一个实施方式中，提供了一种用于使井下组件增量地运动的步进式棘轮机构，其中，所述机构包括活动活塞、心轴、适于与所述心轴选择性地接合的主体锁定夹头、连接到所述主体锁定夹头的主体锁定夹头承载件、与所述主体锁定夹头承载件相邻定位的弹簧锁定件、弹簧保持件和位于所述弹簧保持件中的弹簧，其中所述弹簧锁定件的一部分定位在所述弹簧保持件中，其中，所述活动活塞沿第一方向的运动接触所述主体锁定夹头承载件，从而使所述主体锁定夹头与所述心轴接合，并且使所述心轴、主体锁定夹头、主体锁定夹头承载件和弹簧锁定件沿着第一方向运动，直到所述弹簧被完全压缩在所述弹簧保持件内。所述机构可包括下部转接器，该下部转接器定位成防止所述弹簧保持件运动超过所述下部转接器。

可向所述机构施加压力，以使所述活塞沿第一方向运动，直到所述弹簧保持件接触下部转接器并且所述弹簧被完全压缩在所述弹簧保持件中。在释放所述机构上的压力时，被压缩的弹簧可在从所述机构释放压力时使所述弹簧锁定件、主体锁定夹头承载件和主体锁定夹头沿着所述心轴在第二方向上运动。主体锁定夹头可适于允许沿心轴在第二方向上运动。摩擦力可在从所述机构释放压力并且弹簧返回到其未压缩状态时防止所述心轴沿第二方向运动。可选的是，可利用一机构来防止心轴由于所述弹簧解除压缩而沿第二方向运动。

在一个实施方式中，提供了一种使井下组件增量地运动的步进式棘轮机构，其中，所述机构包括可在所述机构的腔室内运动的活塞、心轴、适于与所述心轴选择性地接合的双端主体锁定夹头、连接到所述主体锁定夹头的主体锁定夹头承载件、位于所述腔室内的弹簧和与所述弹簧的第一端相邻定位的缸体，其中，所述活动活塞沿第一方向的运动接触所述主体锁定夹头承载件，从而使所述主体锁定夹头与所述心轴接合，并使所述心轴、主体锁定夹头和主体锁定夹头承载件沿着第一方向运动，直到所述弹簧被所述缸体完全压缩在所述腔室内。所述机构可包括与所述弹簧第二端相邻定位的摩擦环和斜环。所述摩擦环可以是开口环，该开口环在所述腔室内的所述弹簧被压缩时通过所述斜环而推靠所述心轴。所述机构可包括下部转接器，该下部转接器与所述斜环相邻定位，以防止所述斜环运动。所述摩擦环和斜环防止所述心轴在压力释放并且所述弹簧返回到其未压缩状态时运动。

本公开的一个实施方式为在步进式棘轮机构中使用的主体锁定环，所述主体锁定环包括具有内表面和外表面的环，所述环包括纵向间隙。所述主体锁定环还包括位于所述外表面上的齿，所述齿适于与位于主体锁定环承载件的内部上的齿接合。所述主体锁定环还包括位于所述内表面上的齿，所述齿适于与位于心轴的外部上的齿选择性地接合，其中，所述主体锁定环的内齿适于沿第一方向与所述心轴的外部上的齿选择性地接合，并且允许所述主体锁定环沿所述心轴在第二方向上运动。

本公开的一个实施方式为在步进式棘轮机构中使用的主体锁定夹头，所述主体锁定夹头由具有夹头指的夹头构成，所述夹头指具有内表面和外表面。所述夹头指围绕所述夹头周边纵向定位。夹头指的数量可因应用而异，这是受益于本公开的本领域普通技术人员可以理解的。所述夹头指还包括位于所述外表面上的齿，所述齿适于与位于主体锁定夹头承载件的内表面上的齿接合。所述夹头指还包括位于所述内表面上的齿，所述齿适于与位于心轴的外部上的齿选择性地接合，其中，所述夹头指的内齿适于沿第一方向与所述心轴的外部上的齿选择性地接合，并且允许所述主体锁定夹头沿所述心轴在第二方向上运动。所述夹头指的长度可以改变，从而改变在所述棘轮机构中使用的压缩弹簧所需的弹簧常数，这是受益于本公开的本领域普通技术人员可以理解的。

本公开的一个实施方式为使多位置装置增量地运动的方法，所述方法包括向该装置施加压力的步骤，其中，所述压力使活塞在所述装置内沿第一方向从初始位置运动，所述活塞使一组件沿第一方向运动，所述组件包括主体锁定环、主体锁定环承载件、容纳弹簧的弹簧筒，其中所述主体锁定环在初始位置中与心轴接合，以使所述组件沿第一方向的运动提供所述心轴沿第一方向远离初始位置的运动。所述方法包括增加所述装置上的压力直到所述组件沿第一方向运动初始距离从而将所述弹簧完全压缩在所述弹簧筒内的步骤，以及从所述装置释放压力的步骤，在该第二步骤中，所述弹簧延伸，从而使所述组件沿第二方向运动。所述方法包括保持所述心轴以防止在从所述装置释放压力时所述心轴沿第二方向运动的步骤。在一个实施方式中，可利用一机构防止心轴沿第二方向运动。可选的是，可以仅利用摩擦力来防止所述心轴沿第二方向运动。

使多位置装置增量地运动的方法可还包括向所述装置再次施加压力的步骤，在该步骤中，所述压力使活塞在所述装置内沿第一方向运动，从而使所述组件和心轴沿第一方向运动，该方法还包括和增加所述装置上的压力直到所述组件和所述心轴沿第一方向运动一增量距离从而将所述弹簧完全压缩在所述弹簧筒内的步骤。所述方法可包括从所述装置释放压力的步骤，在该步骤中，所述弹簧扩展到未压缩状态，从而使所述组件沿第二方向运动；该方法还可包括在所述心轴沿第一方向运动所述增量距离后保持所述心轴以防止该心轴在压力从所述装置释放时沿第二方向运动的步骤。所述方法可包括重复如下这些步骤：向所述装置再次施加压力、将压力从所述装置释放、和保持所述心轴直到所述心轴已经沿第一方向到达最终位置。在一个实施方式中，所公开的方法的所述心轴可包括适于在所述装置的心轴已经沿第一方向增量地运动到所述最终位置时接触所述活塞的部分。所述方法可还包括向所述装置施加背压以使所述活塞在所述装置内沿第二方向运动直到所述活塞返回到其初始位置的步骤。所述活塞可通过接触位于所述心轴上的止动部或止挡部将所述心轴和主体锁定环组件拉回到初始位置。可选的是，所述活塞可仅将所述心轴定位在其初始位置中，并且所述背压可使所述主体锁定环组件沿第二方向运动回到其初始位置。

本公开的一个实施方式是增量地调节流量孔口的方法，所述方法包括向步进机构施加压力的步骤，所述步进机构包括全部定位在初始位置以将流量孔口完全关闭的主体锁定环组件、具有压缩弹簧的弹簧筒和心轴，其中，初始施加的压力使所述主体锁定环组件、所述弹簧筒和所述心轴沿第一方向运动一初始距离，直到所述弹簧筒接触止动部，所述心轴的初始距离的运动将所述流量孔口打开一初始距离。所述方法还包括如下步骤：在所述步进机构上增加压力，直到所述主体锁定组件和心轴沿第一方向运动一增量距离，从而将所述弹簧完全压缩在所述弹簧筒内，并且心轴增量地打开所述流量孔口。所述方法还包括将压力从所述步进机构释放的步骤，其中，所述弹簧运动到未压缩状态，从而使所述主体锁定组件沿第二方向运动。所述方法还包括保持所述心轴的步骤以防止在将压力从所述装置释放时所述心轴沿第二方向运动的步骤，在该布置中，所述流量孔口保持在其部分打开状态。

将压力施加在所述步进机构上和将步进机构上的压力释放，其中，每一次压力的施加都使所述主体锁定组件和所述心轴沿第一方向运动所述增量距离，以压缩所述弹簧筒内的所述弹簧，并且当释放压力时，所述弹簧被解除压缩，从而使所述主体锁定组件沿所述心轴在第二方向上运动，其中，所述心轴沿第一方向的增量运动增量地打开所述流量孔口。所述方法还包括在所述步进机构上循环施加压力，直到所述流量孔口被完全打开。所述方法可还包括向所述步进机构施加背压的步骤，其中，所述背压使所述活塞运动到其初始位置。所述心轴可包括止动部或止挡部，其中，所述活塞接触所述止动部或止挡部，从而使所述心轴运动回到其初始位置。

本公开的一个实施方式是具有外齿和内齿的主体锁定环，其中，所述外齿包括与主体锁定环承载件上的齿接合的垂直面，所述内齿包括与心轴上的齿接合的面。所述外齿的垂直面优选与所述外齿的水平面成90度，但是可以从所述外齿的水平面在约80度和95度之间变化。所述内齿的面已被后掠，以使所述主体锁定环沿所述心轴渐进。具体地说，所述内齿的面已被后掠到所述面与所述内齿的水平面成小于约70度。为了使主体锁定环夹到所述心轴，所述外齿与所述水平面的倾角(pitchangle)优选比从所述内齿的后掠面到水平面的角度小至少20度。所述内齿与所述内齿的水平面的倾角优选比所述外齿的垂直面的角小至少20度。另外，所述内齿的倾角优选与所述内齿的水平面成小于70度。根据本发明，对于主体锁定夹头的内齿和外齿来说，也可以与心轴和夹头承载件上的相应齿一起使用类似的构造。

附图说明

图1是包括主体锁定环10的步进式棘轮机构的一个实施方式的剖视图。

图2是包括主体锁定夹头50的步进式棘轮机构的一个实施方式的剖视图。

图3是在步进式棘轮机构的一个实施方式中使用的主体锁定夹头50的侧剖视图。

图4是与图3的主体锁定夹头50结合使用的夹头承载件60的侧剖视图。

图5是在步进式棘轮机构的一个实施方式中使用的主体锁定环10的立体图。

图6是主体锁定环10的接合齿的一个实施方式的剖视图，其中该锁定环10具有与主体锁定环承载件15接合的外齿11和与心轴20接合的内齿12。

图7是处于其初始位置的步进式棘轮机构的一个实施方式的剖视图。

图8是向系统施加一次压力循环后的图7的步进式棘轮机构的剖视图。

图9是图7的步进式棘轮机构的剖视图，该步进式棘轮机构已经被施加若干次循环，使得流量孔口处于在生产过程中其可保持贯穿流体端口50的位置。

图10是的图7的步进式棘轮机构的剖视图，该步进式棘轮机构已经被重复循环直到心轴已经运动到其最终位置，从而完全打开与流体通道500流体连通的流量孔口550。

图11是图7的步进式棘轮机构的剖视图，该步进式棘轮机构已经返回到初始位置，因而关闭流体孔口550。

图12是提供两个方向的渐进运动的步进式棘轮机构的一个实施方式。

图13是本公开的主体锁定环10的一个实施方式的剖视图。

图14是包括双端主体锁定夹头55的步进式棘轮机构的一个实施方式的剖视图。

图15A和15B是处于其初始位置的步进式棘轮机构的另一个实施方式的剖视图。

图16A和16B是在向系统施加一次压力循环后的图15A和15B的步进式棘轮机构的剖视图。

图17A和17B是图15A和15B的步进式棘轮机构的剖视图，该步进式棘轮机构已经被循环若干次，从而流量孔口处于完全打开位置。

图18A和18B是已经返回到初始位置因而关闭流量孔口的图15A和15B的步进式棘轮机构的剖视图。

虽然本发明可以有各种修改和可替代形式，但是已经通过附图中的示例示出并且将在本文详细描述具体实施方式。但是，应可理解，本发明不旨在限制于所公开的具体形式。而是本发明将覆盖落在由所附权利要求限定的本发明精神和范围内的所有改进、等同替换和选择。

具体实施方式

以下描述本发明的图示实施方式，它们可在使用适于增量驱动井下组件的步进式棘轮机构中采用。为了清楚起见，在该说明书中没有描述实际设备的所有特征。当然应理解，在任何这种实际实施方式的改进中，必须作出许多设备所特有的决定以于实现开发者的特定目标，例如遵守与系统和商业有关的限制，这些限制对于不同的设备来说是不同的。此外，这种改进工作可能是复杂和耗费时日的，但是对于那些受益于本公开的的普通技术人员来说仍然是常规的任务。

本发明的各种实施方式的其他方面和优点将从如下说明书和附图的描述而变得显而易见。

图1示出了步进式棘轮机构的一个实施方式，该步进式棘轮机构使用主体锁定环10，主体锁定环10与主体锁定环承载件15接合并且与心轴20选择性地接合。主体锁定环10包括内齿12(如图5所示)，内齿12与位于心轴20外部上的齿22选择性接合，主体锁定环10还包括外齿11(如图5所示)，外齿11与主体锁定环承载件15的内部上的齿16接合。主体锁定环10的内齿12适于允许主体锁定环10沿心轴20的一个方向渐进，并且还允许主体锁定环10在该机构被施加背压时沿心轴20在相反方向上运动，如下所述。

步进式棘轮机构包括定位在位于心轴20和顶部连接器130之间的腔室46中的活塞40。上部转接器160位于腔室46的一端，下部转接器210位于腔室46的另一端。活塞40可在腔室46中运动，并且包括例如O形环之类的上部密封元件41，以与顶部连接器130形成密封。活塞40还包括例如O形环之类的下部密封元件42，该下部密封元件42密封活塞40和心轴20之间的孔。在步进式棘轮机构的初始状态中，活塞40的上部定位成邻近上部转接器160的下部。

上部转接器160与顶部连接器130和心轴20面接。上部转接器160可包括：例如O形环之类的上部密封元件180，用于密封与顶部连接器130之间的界面；以及例如标准人字形迷宫密封之类的下部密封元件170，该下部密封元件170密封与心轴20之间的界面。上部转接器160包括上部端口105，该上部端口105允许向系统施加压力。下部转接器210位于顶部连接器130的另一端，并且包括位于连接界面之间的诸如O形环之类的密封元件230。下部转接器210包括流体端口210，并且与心轴20面接，该下部转接器210可在界面之间包括例如标准人字形迷宫密封之类的密封元件220。该实施方式可包括都位于心轴20和上部转接器160之间的锁定环保持件140和棘轮锁定环150。棘轮锁定环150可以是卡合到心轴20上的凹槽(未示出)中的开口卡环。锁定环保持件140为有助于将棘轮锁定环150固定到心轴上的卡环保持件。棘轮锁定环150提供了供活塞40接触以使心轴20运动回其初始位置的粗大末端(upset)，如下详细所述。

通过上部端口105施加的压力使活塞40沿顶部连接器130和心轴20之间的腔室46运动，从而远离上部转接器160运动。活塞40将接触主体锁定环承载件15的上部，将主体锁定环承载件15和主体锁定环10的组件沿与活塞相同的方向推动。当向该系统施加压力时，主体锁定环10推靠心轴20，使得齿12(如图5和6所示)与位于心轴20外部上的齿22接合。因而，主体锁定环10远离上部转接器160的运动也使心轴20远离上部转接器160运动。

初始施加的压力使主体锁定环保持件110运动，直到该主体锁定环保持件110与弹簧锁定件90相邻地定位。弹簧锁定件90与位于弹簧保持件70中的弹簧30相邻地定位。卡环80将弹簧保持件70和弹簧锁定件90保持在一起，并且维持弹簧30上的预载荷。孔75出于装配目的而提供到卡环80的入口。活塞40的运动使主体锁定环组件运动，并且使弹簧锁定件90远离上部转接器160运动，直到弹簧保持件70的下部接触下部转接器210的肩部211。

当弹簧锁定件90接触下部转接器210的肩部211时，弹簧30推压主体锁定环组件和心轴20而阻止其远离上部转接器160的进一步运动。当压力增加时，主体锁定环组件推靠对弹簧30进行压缩的弹簧锁定件90。所述压力增加，直到弹簧锁定件90和主体锁定组件使弹簧30变得完全压缩在弹簧保持件70内。如上面所讨论的那样，由于主体锁定环10的内齿12与心轴20的外齿22接合，因此主体锁定环组件的运动还使心轴20远离上部转接器160运动。在初始循环中，心轴20运动一初始距离，直到弹簧保持件70接触下部转接器210的肩部211，并且心轴20运动主体锁定环组件在压缩弹簧保持件70内的弹簧30的同时所行进的增量距离。在一个实施方式中，心轴20在最初压力循环过程中可行进5至6英寸。受益于本公开的本领域普通技术人员应理解，腔室的长度以及弹簧保持件70和锁环组件的尺寸可进行调整以修改心轴20的初始运动。在后继循环中，心轴20仅行进压缩弹簧保持件70中的弹簧30所需要的增量距离。在一些实施方式中，该增量距离可以是1/4英寸，但是该距离也可通过改变弹簧30和弹簧保持件70的尺寸以及弹簧30的强度来修改。

在弹簧30已经被完全压缩后，就可将压力从系统释放，使弹簧30返回到其非压缩状态，从而沿着相反方向将弹簧锁定件90和主体锁定环组件推开。当主体锁定环组件沿相反方向运动时，摩擦力将心轴20保持在适当位置。在一些实施方式中，当主体锁定环组件和弹簧锁定件90远离被压缩的弹簧30运动时，可采用单独的机构将心轴保持在适当位置。主体锁定环10的内齿12适于允许沿着心轴20在相反方向上的运动，如在下面关于图5和6的详细讨论。受益于本公开的本领域普通技术人员将认识到，弹簧30的弹簧常数必须大于使所述机构能够沿心轴20渐进所需的力。另外，主体锁定环组件必须足够坚固以承受克服弹簧常数以使机构渐进和使心轴20远离上部转接器160运动所需要的压力量。向系统施加的压力使所述机构能够再次使主体锁定环组件和心轴20向下运动一增量距离，直到弹簧30已经被完全压缩在弹簧保持件70内。如上面所讨论的那样，弹簧30的尺寸规定了在每一后继压力循环过程中心轴20运动的增量距离。在初始循环后，心轴20和主体锁定环的行程限于完全压缩弹簧30所需的距离。

可以使压力重复循环，以使心轴20沿组件向下增量地运动，直到心轴已经到达最终位置。心轴20可包括止动部21(如图7至图11所示)，在心轴20已经运动指定距离时该止动部21接触活塞40。止动部21防止步进式棘轮机构进一步循环。

可以向该系统施加背压，从而使活塞40远离下部转接器210运动而返回到其初始位置。活塞40可与棘轮锁定环150接合，从而将心轴20拉回到其初始位置。如受益于本公开的本领域普通技术人员应理解的那样，可选的是，心轴20可包括一粗大末端，活塞40可以与该粗大末端接合，从而将心轴拉回到其位置。同样，心轴20可与主体锁定环组件接合，从而将所述组件拉离下部转接器210而使其回到其初始位置。可选的是，可以利用施加背压而使主体锁定环组件和弹簧保持件70远离下部转接器210而运动到它们的初始位置。主体锁定环保持件110用于在心轴20运动回其初始位置时将主体锁定环110锚固到顶部连接器130。主体锁定环保持件110包括位于主体锁定环承载件15中的竖直销120。主体锁定环保持件110还包括穿过主体锁定环10中的开口13(如图5中所示)的轴向销100。轴向销100防止主体锁定环承载件15相对于主体锁定环10旋转。

图2示出了本公开的一个实施方式，该实施方式使用主体锁定夹头50和夹头承载件60代替图1的实施方式的主体锁定环10和主体锁定环承载件15。该机构以与图1的实施方式相同的方式操作。向该系统施加压力，并且活塞40沿顶部连接器130向下推动主体夹头组件远离上部转接器160。压力使主体锁定夹头50的内齿52与心轴20外部上的齿22接合，因而还使其沿顶部连接器130远离上部转接器160运动。当弹簧保持件70接触下部转接器210时，压力增加，直到夹头组件和弹簧锁定件90完全压缩位于弹簧保持件170中的弹簧30。夹头指54的长度允许更大程度地改变在步进式棘轮机构中使用的弹簧30的弹簧常数。

也可以通过下部转接器210中的流体端口200施加压力而向图2的系统施加背压，使活塞40远离下部转接器210运动而返回到其初始位置。活塞40可与心轴20上的棘轮锁定环150接合，从而将心轴20拉回其初始位置。受益于本公开的本领域技术人员应理解，可选的是，心轴20可包括一粗大末端，活塞40可与该粗大末端接合，从而将心轴拉回到其位置。同样，心轴20可与主体锁定夹头组件接合，从而将该组件远离下部转接器210拉动，并且使其回到其初始位置。可选的是，可以利用施加背压而使主体锁定夹头组件和弹簧保持件70远离下部转接器210运动到它们的初始位置。主体锁定夹头保持件111用于在心轴20运动回到其初始位置时将主体锁定夹头50锚固到顶部连接器130。主体锁定夹头保持件111包括位于主体锁定夹头承载件60中的竖直销121。主体锁定夹头保持件111还包括穿过主体锁定夹头50中的开口52(图3中所示)的轴向销101。轴向销101防止主体锁定夹头承载件60相对于主体锁定夹头50旋转。

图3是本公开的一个实施方式的主体锁定夹头50的立体图。主体锁定夹头50包括围绕夹头周边设置的夹头指54。夹头指54的数量和宽度可根据使用步进式棘轮机构的应用而改变，这是受益于本公开的本领域普通技术人员可理解的。各夹头指54的内表面包括适于选择性地与心轴20的外齿22接合的齿52。各夹头指54的外表面包括适于与主体锁定夹头承载件60的内齿61接合的齿51。图4示出了本公开的主体锁定夹头承载件60的一个实施方式。主体锁定夹头承载件60包括位于内表面上的齿61，所述齿61适于与位于夹头指54上的齿51接合。主体锁定夹头50可包括围绕所述周边设置的开口53，以有助于将主体锁定夹头50连接到主体锁定夹头保持件110。例如，销101可以通过主体锁定夹头50中的开口53从主体锁定夹头保持件110伸出。

图5是本公开的一个实施方式的主体锁定环10的立体图。主体锁定环10的内表面包括齿12，该齿12适于选择性地与心轴20的外齿22接合。主体锁定环10可包括位于主体中的间隙14。间隙14可有助于齿12与心轴的齿22的选择性接合。主体锁定环10的外表面包括适于与主体锁定环承载件15的内齿接合的齿11。主体锁定环10可包括围绕周边设置的开口13，用于有助于将主体锁定环10连接到主体锁定环保持件110。例如，销100可通过主体锁定环10中的开口13从主体锁定环保持件110伸出。

图6是主体锁定环10的齿的剖视图。主体锁定环10的外表面包括构造成与主体锁定环承载件15的内齿接合的齿11。主体锁定环10的内表面包括适于与位于心轴20的外表面上的齿22选择性地接合的齿12。外齿11上的90度面17与内齿上的明显小于90度的角相结合而允许主体锁定环承载件15使主体锁定环10沿心轴20在方向18上远离下部转接器(图6中未示出)渐进。外齿上的明显小于90度的角与内齿上90度的角相结合而防止主体锁定环承载件15沿心轴在相反方向19上运动。传统的主体锁定环通常在内齿和外齿上都具有90度面。所述90度角在传统的主体锁定环上实际上可以是仅85度，以使主体锁定环更容易制造。传统的主体锁定环和本公开的主体锁定环10都将沿心轴20在一个方向19上渐进，并且在沿另一个方向18上被推动时将锁定到心轴20上。但是，传统的主体锁定环并不允许心轴20进行相反运动以在主体锁定环10被锚固时使心轴20返回到其初始位置。

在图6的主体锁定环10的内表面上的齿12已经被修改以允许心轴20运动到其初始位置。具体的说，内齿12的面13的角已经被后掠，从而在主体锁定环10向后运动时该主体锁定环10可在方向19上沿心轴20渐进。这在向活塞40(图6中未示出)的下侧施加压力并且活塞40将心轴20向上拉到其初始位置时发生。当主体锁定环10通过主体锁定环保持件110和径向销100锚固到顶部连接器130时，主体锁定环10沿心轴20渐进。内齿12的面13的实际后掠角可根据应用进行不同程度的修改，这是受益于本公开的本领域普通技术人员可理解的。

图13示出了本公开的主体锁定环10的一个实施方式和对主体锁定环的内齿12的修改，该主体锁定环的功能与传统主体锁定环一样，并且在心轴向上运动到其初始位置时还允许主体锁定环10沿心轴渐进。外齿11的角度A优选为90度，以与主体锁定环承载件15的齿(未示出)接合。但是，角度A可在80到95度之间的范围，并且仍足以提供与主体锁定环承载件的齿接合的面，这是受益于本公开的本领域普通技术人员可理解的。

内齿12的角度D必须足够小，以使主体锁定环能沿心轴渐进。角度D的最大值可以约为70度。外齿11的角度B应比内齿12的角度D小至少20度，以使主体锁定环10夹到心轴上。用于内齿12的角度C的最大角约70度。角度C必须足够小，以使主体锁定环能沿心轴渐进，并且角度C应比外齿11的角度A小至少20度。

图7是与可调节孔口结合使用的步进式棘轮机构的剖视图。图7图示了处于初始状态的所述机构。在初始状态中，活塞40定位成抵靠顶部连接器的止动部131。孔口550位于密封件525的右侧，因而没有流体流经流体端口500。如上面所讨论的那样，向所述系统施加压力，活塞40远离流体端口500运动，直到其接触主体锁定环承载件15。压力使主体锁定环与心轴20接合，并且活塞的运动也使心轴运动而远离流体端口500。举例来说，可通过液压连接器570向系统施加压力，该液压连接器570与活塞40流体连通。液压管路(未示出)连接到连接器570并且延伸到地面。压力通过连接器570施加，以使活塞40运动而打开阀机构。图7中所示的实施方式包括节流环520。节流环520可由抗腐蚀材料构成，该节流环允许最少量的流动从其经过而到达流体端口500。

图8示出了在向系统施加第一压力循环之后的图7的实施方式。活塞40已经与主体锁定环承载件15接合，使主体锁定环承载件15、主体锁定环10、心轴20、弹簧锁定件90和弹簧保持件70远离流体端口500运动。弹簧保持件70具有接触肩部211，因而心轴20的进一步运动将限于弹簧锁定件90压缩弹簧保持件70内的弹簧30所需要的增量距离。在第一压力循环之后，孔口550已完全运动经过密封件525，因而防止密封件525损坏。当孔口550处于该位置时，节流环520将仍限制到流体端口500的最小流动。

图9示出在向系统施加若干次压力循环之后部分经过节流环520的可调节孔口550的位置。该位置可以是系统在通过流体端口500生产过程中所留下的位置。当井下储水池用尽时，可以向系统施加一个或两个压力循环以使孔口550经过节流环520更远地运动，从而增加通过流体端口500的流动路径。

图10示出了完全打开的可调节孔口550和完全循环的步进机构。可调节孔口550与流体端口500完全对准，以使流体流最大。活塞40与主体锁定环承载件15接合，并且通过心轴止动部21接触活塞40的上部而防止进一步循环。图11示出了位于完全关闭位置的可调节孔口550，该完全关闭位置位于密封件525的右侧。密封件525防止孔口550和流体端口500之间的任何流体流动。当心轴返回到由心轴止动部21与顶部连接器止动部131的对准表示的初始位置时，可调节口孔返回到关闭位置。向该系统施加背压而使心轴20、主体锁定环组件、弹簧保持件70和活塞40运动到它们的初始位置。关闭压力通过关闭管路(未示出)施加，关闭管路从地面延伸到液压连接器575。液压连接器575与活塞40的相对侧流体连通。如果期望运行多个串联组件，则连接器575提供用于将关闭管路(未示出)连接到附加的阀组件的附加出口。

图7至图11的实施方式的可调节孔口和流体端口是出于示例目的示出的，并且仅作为本公开的一个实施方式。像本领域普通技术人员所应理解的那样，可以改变与步进式棘轮机构结合使用的可调节孔口的实际构造。而且，像本领域普通技术人员所应理解的那样，该步进式棘轮机构适用于驱动若干不同的井下多位置装置。

图12示出了本公开的一个实施方式，该实施方式设置成沿着心轴20在两个方向上进行渐进运动。包括弹簧保持件30、弹簧310、弹簧锁定件380、主体锁定环保持件330、主体锁定环承载件350和主体锁定环320的上部步进式棘轮机构可连接到活塞325的一端。包括弹簧保持件400、弹簧410、弹簧锁定件480、主体锁定环保持件430、主体锁定环承载件415和主体锁定环420的下部步进式棘轮机构可连接到活塞325的另一端。这些部件可连接并构造成与上述其他实施方式一样。

活塞325和上部步进式棘轮机构和下部步进式棘轮机构沿着位于顶部连接器130和心轴20之间的腔室运动。上部步进式棘轮机构和下部步进式棘轮机构可分别与上部转接器160和下部转接器210相邻定位。压力可通过端口200或105引入腔室。压力使心轴运动。上部步进式棘轮机构和下部步进式棘轮机构的存在使心轴的位置沿任一方向渐进。主体锁定环320、420如上所述那样与心轴20上的齿接合。如果需要，该构造允许系统沿着任何方向进行增量运动。

图14示出了本公开的实施方式，该实施方式使用双端主体锁定夹头55和夹头承载件62代替图2中示出的主体锁定夹头50。该机构以与图2的实施方式类似的方式操作。向系统施加压力，活塞40在步进式棘轮机构的腔室中运动，从而沿着顶部连接器130向下推动双端主体锁定夹头组件远离上部转接器160。压力使主体锁定夹头55的内齿与心轴20的外部上的齿接合，因而也使心轴20沿顶部连接器130远离上部转接器160运动。双端主体锁定夹头组件将继续沿顶部连接器130运动，直到其接触缸体34。缸体34与弹簧31的一端相邻定位，弹簧31位于步进式棘轮机构的腔室内。当双端主体锁定夹头组件接触气缸34时，压力增加，直到缸体34完全压缩位于腔室内的弹簧31。使用定位在腔室内而不是定位在如图2所示的弹簧外壳内的弹簧31，为每次压力循环过程中运动的增量距离提供了更多的变化，并且允许使用更强的弹簧。

双端主体锁定夹头55的下端可包括粗大末端57和螺钉56，以防止双端主体锁定夹头55和主体锁定夹头承载件62之间的旋转。螺钉56可定位在图14中所示的主体锁定夹头承载件62的槽59(或大尺寸孔)内。主体锁定夹头承载件62的长度可在主体锁定夹头承载件62的端部与粗大末端57之间提供间隙58。该间隙为夹头承载件62向下运动以与主体锁定夹头55的螺纹接合提供了足够的空间。该步进机构也可包括与弹簧31的第二端相邻定位的摩擦环32和与摩擦环32相邻定位的斜环33。摩擦环31可以是开口环，该开口环在弹簧31被压缩在该机构的腔室中时通过斜环33而被压靠到心轴20上。摩擦环有助于增加摩擦力，以在主体锁定环沿着心轴被向上推回时将心轴保持在静止位置。

图15至图18示出了另一个系统，该系统使用与可调节孔口结合的本发明的步进式棘轮机构。图15A和15B示出处于初始位置的系统，其中可调节孔口处于关闭位置。图16A和16B示出了系统上的压力循环的第一行程。图17A和17B示出了系统的最终行程，其中可调节孔口处于完全打开位置。图18A和18B示出动力活塞和心轴已经被复位从而使所述孔口关闭的所述系统。

在该实施方式中，步进式棘轮机构包括上端夹头600、夹头承载件615、动力活塞640和心轴620。该心轴的下部包括一个或多个流动槽745，这些流动槽745可相对于外孔口外壳中的一个或多个径向流动端口747定位，以提供可调节流量孔口，如下面更详细所述。活塞640定位在由心轴620和活塞外壳610形成的腔室中。活塞与延伸穿过活塞壳体610的开口端口603流体连通。该开口端口终止于液压连接器，该液压连接器用于连接延伸到井的地面的液压控制管路(未示出)。活塞640包括上部和下部密封件组641，它们分别紧靠活塞外壳的内径和心轴的外径密封。当通过开口端口施加压力时，活塞640将从图15A所示的初始位置运动到图16A中所示的位置。活塞外壳610包括回路或关闭端口605，该回路或关闭端口605与开放端口类似，终止于用于液压控制管路(未示出)的液压连接器的一端处。可以通过控制管路、通过端口605施加地面压力，以使活塞640运动回到其初始位置，如图18A中所示。活塞间隔件642紧靠活塞640的一端，并且可滑动地容纳在活塞腔室中，并且与活塞一起运动。

双端夹头600为圆筒形状的套管，在该套管中具有多个纵向槽，因此夹头的中心部分(即夹头指)可扩张或收缩。举例来说，该夹头具有八个纵向槽，这些纵向槽等距离地定位在圆筒状套管的周围，从而形成多个柔性指，这些指的两端都被固定。该夹头包括靠近每个柔性指的中部的粗大末端区域，且在内表面上具有用于接合心轴620的螺纹，而在外表面上具有用于接合夹头承载件615的更大的粗螺纹。棘轮组件优选包括一个或多个销622，这些销622防止夹头600和承载件615之间的旋转，以保持配合螺纹对准。防旋转销622延伸穿过棘轮外壳650中的槽。推进套管625通过销632安装到棘轮间隔件633。棘轮间隔件633和棘轮外壳650一起容纳推进套管、夹头承载件和双端夹头，整个组件可滑动容纳在顶部连接器630中。

推进套管625紧靠夹头承载件615，并且当与活塞间隔件642接触时推靠该承载件，如图16A中所示。当向动力活塞640施加压力时，活塞间隔件642接触推进套管，如下所述。夹头承载件615又推靠棘轮外壳650的肩部。夹头承载件骑在夹头600的外螺纹的浅角侧，并且向下推动夹头，使夹头夹在心轴620的螺纹上。因而，活塞间隔件642将通过棘轮组件的部件向夹头承载件施加力，从而使夹头向下夹在心轴上，其中整个组件和心轴可向下运动。

图15至图18的棘轮机构包括双弹簧装置，所述双弹簧装置包括主弹簧670和副弹簧675，它们并行操作以提供更大的弹簧力。副弹簧675容纳在外部弹簧套管680的上部和内部弹簧套管685之间。主弹簧670容纳在外部弹簧套管的下部和心轴620之间。套管连接器690将内部弹簧套管连接到外部弹簧套管。弹簧推进器660从双弹簧装置延伸，并且如图16B中所示用于在与棘轮外壳650接触时压缩这些弹簧。当与棘轮外壳接触时，弹簧推进器向连接器690施加力，该连接器690又使副弹簧675压缩抵靠从外部弹簧套管径向延伸的向内肩部。同时，内部弹簧套管使主弹簧670压靠止动部695。与前面的实施方式相同，当压力从活塞640释放时，双弹簧装置将使夹头和夹头承载件相对于心轴向上返回，并且这些弹簧恢复到它们的未压缩状态。因而，通过使开口压力循环通断，心轴可向下朝向流量孔口机构增量地运动。以受控方式使心轴增量运动的能力允许如所描述的那样调节流量孔口。

双弹簧装置抵靠棘轮返回活塞700。在弹簧670和675失效的情况下，棘轮返回活塞可被液压地致动以对阀进行操作。活塞700在其外表面上具有两个密封件组701和702，以在活塞和弹簧外壳710的内径之间提供活塞区域。端口705延伸穿过弹簧外壳，以提供环面和活塞区域之间的连通。为了操作棘轮返回活塞700，向返回端口605施加例如500psi的压力。向开口端口施加较大的压力，以将动力活塞推动到图16A中所示的位置。为了通过返回活塞使棘轮组件沿着心轴向上增量地运动，将开口管路压力释放到与返回管路中相同的压力(在该示例中为500psi)。返回压力作用到返回活塞700上，并且超过通过端口705施加的环面压力。该压力差使返回活塞向上运动，从而相对于心轴向上推动棘轮组件。在所述条件下，棘轮返回活塞将以与双弹簧装置基本上相同的方式作用。本领域技术人员将意识到，棘轮返回活塞可与其他弹簧装置一起使用，例如在本发明其他实施方式中描述的弹簧装置。在开口管路中再次增加压力将导致动力活塞使心轴向下增量地运动。这些步骤可根据需要重复，直到系统孔口如图17中所示那样完全打开。

可调节流量孔口优选包括外部孔口套管735和内部孔口套管730，两个套管都由耐磨碳化物或其他硬材料制成。外部孔口套管735固定到外部壳体740，并且包括流动槽737，该流动槽与外部壳体740中的流动端口747基本对准。当动力活塞从其初始位置运动到图16A中所示的位置时，心轴620也向下运动，使心轴中的流动槽745运动经过密封外部壳体的上端的密封件组741。心轴流动槽745与内部孔口套管中的流动槽732基本对准，如图16B中所示。销752从套管730延伸到心轴中的配合键槽中。销752保持心轴流动槽745与流动槽732径向对准。当销接触键槽的端部时，一个或多个挡块750掉入心轴外径中的凹部内，以将内部孔口套管锁定到心轴，由此使内部孔口套管与心轴620一起运动。

当心轴向下步进运动时，通过可调节孔，内部孔口套管中的槽732将逐渐与外部孔口套管中的槽737对准。销755防止外部壳体和内部和外部孔口套管之间的相对旋转，以径向对准流动端口747和槽737和732。孔的尺寸可通过如上所述的心轴步进运动调节来控制经过孔的流量。图17B示出处于完全打开位置中的孔。碳化物内部和外部孔口套管提供对经过所述孔的流体流的耐磨性。

在一个实施方式中，活塞外壳610可包括指示器端口607，其与活塞腔室流体连通。液压连接器设置在用于液压管路(未示出)的端口端上。液压管路与减压阀一起可连到开放管路，以使指示器端口可用于监控活塞640和心轴620的位置。更具体地，当活塞640返回到其初始位置时，返回管路压力将在指示器端口607感受到。当返回管路压力超过用于减压阀的打开压力时，返回管路流体可从返回端口605经过活塞腔室循环回到指示器端口602，经过减压阀和沿开放控制管路向上到表面，提供活塞处于其初始位置中和可调节孔处于其关闭位置中的位置指示。活塞640上的外部密封件组641将防止返回管路流体到达指示器端口，直到密封件组在活塞到达其初始位置时经过所述端口。指示器端口还给使用者提供将用于所述系统的液体控制管路中的任何气体循环出来的路径。

虽然已经示出和描述了各种实施方式，但是本发明不限于这样的实施方式，并且应可理解，将包括对本领域技术人员显而易见的所有改进和改变。

Claims (33)

1.一种步进式棘轮机构，该步进式棘轮机构适于使心轴沿着第一方向运动并适于使所述心轴沿着第二方向运动，所述第二方向的运动与沿着第一方向的所述运动相反；所述步进式棘轮机构包括：

a.心轴，该心轴具有外径和外表面；

b.顶部连接器，该顶部连接器具有近端和远端以及比所述心轴的外径大的内径，所述顶部连接器围绕所述心轴，由此在所述顶部连接器和所述心轴之间形成腔室；

c.上部转接器，该上部转接器连接到所述顶部连接器的所述近端并与所述心轴相邻，所述上部转接器具有与所述腔室流体连通的端口；

d.下部转接器，该下部转接器连接到所述顶部连接器的所述远端并与所述心轴相邻，所述下部转接器具有与所述腔室流体连通的端口；

e.活动活塞，该活动活塞与所述顶部连接器和所述心轴相邻地位于所述腔室内，所述活动活塞适于基本防止所述上部转接器中的所述端口和所述下部转接器中的所述端口之间通过所述腔室而流体连通；

f.锁定机构，该锁定机构具有内表面和外表面，所述锁定机构的所述内表面适于与所述心轴选择性地接合；

g.锁定机构承载件，该锁定机构承载件具有内表面和外表面，所述锁定机构承载件的所述内表面适于与所述锁定机构的外表面选择性地接合；和

h.弹簧，该弹簧位于弹簧保持件中。

2.根据权利要求1所述的步进式棘轮机构，其中，所述心轴在操作上连接到一个或多个多位置装置。

3.根据权利要求1所述的步进式棘轮机构，其中，所述心轴在操作上连接到一个或多个可调节孔口和用于所述可调节孔口的相关流体端口。

4.根据权利要求3所述的步进式棘轮机构，其中，所述心轴的运动允许增量调节经过所述可调节孔口的流量。

5.根据权利要求1所述的步进式棘轮机构，该步进式棘轮机构还包括在位于所述腔室内在所述心轴上的止动部或止挡部。

6.根据权利要求5所述的步进式棘轮机构，其中，所述止动部或止挡部包括锁定环保持件和棘轮锁定环。

7.根据权利要求1所述的步进式棘轮机构，其中，所述锁定机构包括具有内表面和外表面的主体锁定环，所述主体锁定环的所述内表面适于与所述心轴选择性地接合，并且所述锁定机构承载件包括具有内表面和外表面的主体锁定环承载件，所述主体锁定环承载件的所述内表面适于与所述主体锁定环的所述外表面选择性地接合。

8.根据权利要求7所述的步进式棘轮机构，该步进式棘轮机构还包括连接到所述主体锁定环和所述主体锁定环承载件的主体锁定环保持件。

9.根据权利要求7所述的步进式棘轮机构，其中，所述主体锁定环包括位于所述外表面上的外齿，该外齿适于与位于所述主体锁定环承载件的内表面上的齿接合，所述主体锁定环还包括位于所述内表面上的内齿，该内齿适于与位于所述心轴的外表面上的齿选择性地接合，其中，所述主体锁定环的所述内齿适于沿第一方向与所述心轴的外部上的齿选择性地接合，以使所述主体锁定环沿着所述心轴在第二方向上运动。

10.根据权利要求9所述的步进式棘轮机构，其中，所述主体锁定环包括一环，在该环中包括纵向间隙。

11.根据权利要求9所述的步进式棘轮机构，其中，所述主体锁定环的外齿包括垂直面和倾斜面，所述主体锁定环的内齿包括第一和第二倾斜面。

12.根据权利要求11所述的步进式棘轮机构，其中

a.所述主体锁定环的外齿的垂直面从所述主体锁定环的外齿的水平面倾斜约80到95度之间；

b.所述主体锁定环的内齿的第一倾斜面从所述主体锁定环的内齿的水平面倾斜小于或等于约70度；

c.所述主体锁定环的外齿的倾斜面从所述主体锁定环的外齿的水平面倾斜一角度，该角度比所述主体锁定环的内齿的第一倾斜面从所述主体锁锁环的内齿的水平面倾斜的角度小约20度；

d.所述主体锁定环的内齿的第二倾斜面从所述主体锁定环的内齿的水平面倾斜小于或等于约70度；并且

e.所述主体锁定环的内齿的第二倾斜面从所述主体锁定环的内齿的水平面倾斜一角度，该角度比所述主体锁定环的外齿的垂直面从所述主体锁定环的外齿的水平面倾斜的角度小约20度。

13.根据权利要求1所述的步进式棘轮机构，其中，所述锁定机构包括主体锁定夹头，所述主体锁定夹头具有内表面和外表面，所述主体锁定夹头的所述内表面适于与所述心轴选择性地接合，并且所述锁定机构承载件包括主体锁定夹头承载件，所述主体锁定夹头承载件具有内表面和外表面，所述主体锁定夹头承载件的所述内表面适于与所述主体锁定夹头的外表面选择性地接合。

14.根据权利要求13所述的步进式棘轮机构，该步进式棘轮机构还包括连接到所述主体锁定夹头和所述主体锁定夹头承载件的主体锁定夹头保持件。

15.根据权利要求13所述的步进式棘轮机构，其中，所述主体锁定夹头包括位于所述外表面上的外齿，该外齿适于与位于所述主体锁定夹头承载件的内表面上的齿接合，所述主体锁定夹头还包括位于所述内表面上的内齿，该内齿适于与位于所述心轴的外表面上的齿选择性地接合，其中，所述主体锁定夹头的所述内齿适于沿第一方向与所述心轴的外部上的齿选择性地接合，并且允许所述主体锁定夹头沿所述心轴在第二方向上运动。

16.根据权利要求15所述的步进式棘轮机构，其中，所述主体锁定夹头的外齿包括垂直面和倾斜面，并且所述主体锁定夹头的内齿包括第一和第二倾斜面。

17.根据权利要求16所述的步进式棘轮机构，其中

a.所述主体锁定夹头的外齿的垂直面从所述主体锁定夹头的外齿的水平面倾斜约80到95度之间；

b.所述主体锁定夹头的内齿的第一倾斜面从所述主体锁定夹头的内齿的水平面倾斜小于或等于约70度；

c.所述主体锁定夹头的外齿的倾斜面从所述主体锁定夹头的外齿的水平面倾斜一角度，该角度比所述主体锁定夹头的内齿的第一倾斜面从所述主体锁定夹头的内齿的水平面倾斜的角度小约20度；

d.所述主体锁定夹头的内齿的第二倾斜面从所述主体锁定夹头的内齿的水平面倾斜小于或等于约70度；和

e.所述主体锁定夹头的内齿的第二倾斜面从所述主体锁定夹头的内齿的水平面倾斜一角度，该角度比所述主体锁定夹头的外齿的垂直面从所述主体锁定夹头的外齿的水平面倾斜的角度小约20度。

18.一种步进式棘轮机构，该步进式棘轮机构适于使心轴沿着第一方向运动，并适于使所述心轴沿着第二方向运动，所述第二方向的运动与沿着第一方向的所述运动相反；所述步进式棘轮机构包括：

a.心轴，该心轴具有外径和外表面以及纵向轴线；

b.顶部连接器，该顶部连接器具有近端和远端以及比所述心轴的外径大的内径，所述顶部连接器围绕所述心轴，由此在所述顶部连接器和所述心轴之间形成腔室；

c.上部转接器，该上部转接器连接到所述顶部连接器的近端并且与所述心轴相邻，所述上部转接器具有与所述腔室流体连通的端口；

d.下部转接器，下部转接器连接到所述顶部连接器的远端并且与所述心轴相邻，所述下部转接器具有与所述腔室流体连通的端口；

e.活动活塞，该活动活塞与所述顶部连接器和所述心轴相邻地位于所述腔室内，所述活动活塞适于基本上防止所述上部转接器中的所述端口和所述下部转接器中的所述端口之间通过所述腔室而流体连通；

f.具有内表面和外表面的双端主体锁定夹头，所述双端主体锁定夹头的所述内表面适于与所述心轴选择性地接合；

g.具有内表面和外表面的主体锁定夹头承载件，所述主体锁定夹头承载件的所述内表面适于与所述双端主体锁定夹头的外表面选择性地接合；和

h.弹簧，该弹簧具有近端和远端以及纵向轴线，其中，所述弹簧的纵向轴线基本上平行于所述心轴的所述纵向轴线，并且所述弹簧的所述近端比所述弹簧的所述远端相对更靠近所述顶部连接器的近端；和

i.缸体，该缸体与所述弹簧的近端相邻。

19.根据权利要求18所述的步进式棘轮机构，其中，所述双端主体锁定夹头包括位于所述外表面上的外齿，该外齿适于与位于所述双端主体锁定夹头承载件的内表面上的齿接合，所述双端主体锁定夹头还包括位于所述内表面上的内齿，该内齿适于与位于所述心轴的外表面上的齿选择性地接合，其中，所述双端主体锁定夹头的所述内齿适于沿第一方向与所述心轴的外部上的齿选择性地接合，以允许所述双端主体锁定夹头沿所述心轴在第二方向上运动。

20.根据权利要求19所述的步进式棘轮机构，其中，所述双端主体锁定夹头的外齿包括垂直面和倾斜面，并且所述双端主体锁定夹头的内齿包括第一和第二倾斜面。

21.根据权利要求20所述的步进式棘轮机构，其中

a.所述双端主体锁定夹头的外齿的垂直面从所述双端主体锁定夹头的外齿的水平面倾斜约80到95度之间；

b.所述双端主体锁定夹头的内齿的第一倾斜面从所述双端主体锁定夹头的内齿的水平面倾斜小于或等于约70度；

c.所述双端主体锁定夹头的外齿的倾斜面从所述双端主体锁定夹头的外齿的水平面倾斜一角度，该角度比所述双端主体锁定夹头的内齿的第一倾斜面从所述双端主体锁定夹头的内齿的水平面倾斜的角度小约20度；

d.所述双端主体锁定夹头的内齿的第二倾斜面从所述双端主体锁定夹头的内齿的水平面倾斜小于或等于约70度；并且

e.所述双端主体锁定夹头的内齿的第二倾斜面从所述双端主体锁定夹头的内齿的水平面倾斜一角度，该角度比所述双端主体锁定夹头的外齿的垂直面从所述双端主体锁定夹头的外齿的水平面倾斜的角度小约20度。

22.根据权利要求18所述的步进式棘轮机构，其中，所述心轴在操作上连接到一个或多个多位置装置。

23.根据权利要求18所述的步进式棘轮机构，其中，所述心轴在操作上连接到一个或多个可调节孔口和用于所述可调节孔口的相关流体端口。

24.根据权利要求23所述的步进式棘轮机构，其中，所述心轴的运动允许增量调节经过所述可调节孔口的流量。

25.一种步进式棘轮机构，该步进式棘轮机构适于使心轴沿着第一方向运动，并且适于使所述心轴沿着第二方向运动，所述第二方向的运动与沿着第一方向的所述运动相反；所述步进式棘轮机构包括：

a.心轴，该心轴具有外径和外表面；

b.顶部连接器，该顶部连接器具有近端和远端以及比所述心轴的外径大的内径，所述顶部连接器围绕所述心轴，由此在所述顶部连接器和所述心轴之间形成腔室；

c.上部转接器，该上部转接器连接到所述顶部连接器的近端并且与所述心轴相邻，所述上部转接器具有与所述腔室流体连通的端口；

d.下部转接器，该下部转接器连接到所述顶部连接器的远端并且与所述心轴相邻，所述下部转接器具有与所述腔室流体连通的端口；

e.活动活塞，该活动活塞具有近端和远端，所述活塞与所述顶部连接器和所述心轴相邻地位于所述腔室内，所述活动活塞适于基本上防止所述上部转接器中的所述端口和所述下部转接器中的所述端口之间通过所述腔室而流体连通；

f.上部锁定机构，该上部锁定机构连接到所述活塞的近端，所述上部锁定机构具有内表面和外表面，所述上部锁定机构的所述内表面适于与所述心轴选择性地接合；

g.上部锁定机构承载件，该上部锁定机构承载件具有内表面和外表面，所述上部锁定机构承载件的所述内表面适于与所述上部锁定机构的外表面选择性地接合；

h.上部弹簧，该上部弹簧位于上部弹簧保持件中；

i.下部锁定机构，该下部锁定机构连接到所述活塞的远端，所述下部锁定机构具有内表面和外表面，所述下部锁定机构的所述内表面适于与所述心轴选择性地接合；

j.下部锁定机构承载件，该下部锁定机构承载件具有内表面和外表面，所述下部锁定机构承载件的所述内表面适于与所述下部锁定机构的外表面选择性地接合；和

k.下部弹簧，该下部弹簧位于下部弹簧保持件中。

26.根据权利要求25所述的步进式棘轮机构，其中，所述心轴在操作上连接到一个或多个多位置装置。

27.根据权利要求25所述的步进式棘轮机构，其中，所述心轴在操作上连接到一个或多个可调节孔口和用于所述可调节孔口的相关流体端口。

28.根据权利要求27所述的步进式棘轮机构，其中，所述心轴的增量运动允许增量调节经过所述可调节孔口的流量。

29.根据权利要求25所述的步进式棘轮机构，其中，所述上部锁定机构包括位于所述外表面上的外齿，该外齿适于与位于所述上部锁定机构承载件的内表面上的齿接合，所述上部锁定机构还包括位于所述内表面上的内齿，该内齿适于与位于所述心轴的外表面上的齿选择性地接合，其中，所述上部锁定机构的所述内齿适于允许所述锁定机构沿所述心轴在第一方向上运动，并且沿第二方向与所述心轴的外部上的齿选择性地接合，并且所述下部锁定机构包括位于所述外表面上的外齿，该外齿适于与位于所述下部锁定机构承载件的内表面上的齿接合，所述下部锁定机构还包括位于所述内表面上的内齿，该内齿适于与位于所述心轴的外表面上的齿选择性地接合，其中，所述下部锁定机构的所述内齿适于沿第一方向与所述心轴的外部上的齿选择性地接合，以允许所述锁定机构沿所述心轴在第二方向上运动。

30.根据权利要求29所述的步进式棘轮机构，其中，所述上部和下部锁定机构的外齿包括垂直面和倾斜面，并且所述上部和下部锁定机构的内齿包括第一和第二倾斜面。

31.根据权利要求30所述的步进式棘轮机构，其中

a.所述上部和下部锁定机构的外齿的垂直面从所述上部和下部锁定机构的外齿的水平面倾斜约80到95度之间；

b.所述上部和下部锁定机构的内齿的第一倾斜面从所述上部和下部锁定机构的内齿的水平面倾斜小于或等于约70度；

c.所述上部和下部锁定机构的外齿的倾斜面从所述上部和下部锁定机构的外齿的水平面倾斜一角度，该角度比所述上部和下部锁定机构的内齿的第一倾斜面从所述上部和下部锁定机构的内齿的水平面倾斜的角度小约20度；

d.所述上部和下部锁定机构的内齿的第二倾斜面从所述上部和下部锁定机构的内齿的水平面倾斜小于或等于约70度；并且

e.所述上部和下部锁定机构的内齿的第二倾斜面从所述上部和下部锁定机构的内齿的水平面倾斜一角度，该角度比所述上部和下部锁定机构的外齿的垂直面从所述上部和下部锁定机构的外齿的水平面倾斜的角度小约20度。

32.根据权利要求25所述的步进式棘轮机构，其中，所述上部和下部锁定机构包括主体锁定环，并且其中所述上部和下部锁定机构承载件包括主体锁定环承载件。

33.根据权利要求25所述的步进式棘轮机构，其中，所述上部和下部锁定机构包括主体锁定夹头，并且其中所述上部和下部锁定机构承载件包括主体锁定夹头承载件。

Images