CN102409998B - 一种井下安全阀 - Google Patents

Abstract

一种井下安全阀，由依次连接的顶部接头、阀体、外筒和尾部接头构成的本体内设置有中心管，顶部接头的上端和尾部接头的下端分别连接外部油管，外筒与中心管之间的间隙内设置有波纹管组件，波纹管组件的底端与固定在中心管外周壁上的定位环相连接，外筒下端口的内壁上形成有凸台，中心管在位于定位环下侧与凸台之间的外周上套有压簧，外筒的底端连接有板阀组件，顶部接头上设置有控制管线，控制管线通过控制管线连接组件嵌入在顶部接头上，并与形成在阀体壁内的液压油路连通，阀体壁内的液压油路的底端口连接波纹管组件的顶端。本发明能够在超高温蒸汽热采、高气密性要求、超深安装、高出沙环境和高腐蚀井况的极端环境下使用。

Description

一种井下安全阀

技术领域

本发明涉及一种安全阀。特别是涉及一种用于超高温环境或其它极端井况的油气井井控的一种井下安全阀。

背景技术

在石油开采业中，进行井下作业时经常出现由于开采设备发生故障等原因造成烃类流体流速加大却又无法控制，这时就必须及时关闭通道，确保作业安全，避免发生更大的事故。实际生产中，必须要有一种装置(井下安全阀)来关闭流体通道，实现阻断功能。

井下安全阀是一种防止井喷、保证生产安全的井下设备。当出现紧急情况时通过从阀体连接到地面的控制管线卸压关闭阀板实现油气井的关闭，需要开启时可以通过管线加液压打开阀板进行开采。

世界各国越来越重视环境保护和安全生产，很多国家对油气井的安全生产都有详细的法律法规，强调位于人口稠密地区、重要经济区、海洋和内陆水域可能发生自喷或外溢的油气井都安装井下安全阀。目前，国内海上有自喷能力的油气井都安装有井下安全阀，陆上油田也越来越多地在油气井中使用井下安全阀。

“系统调研了国外最知名的几家大公司的井下安全阀技术，哈里伯顿的耐压最为突出，高压137.9MPa，贝壳休斯的产品耐温最高，达到177℃”——载录于《石油机械》2008年第36卷第7期由江汉油田分公司采油工艺研究院的一篇调查报告“国外井下安全阀的技术现状”。高温下对设备的密封性影响极大，特别是对密封件的老化加快导致密封失效，控制井下安全阀开关的活塞就会失效，井下安全阀就不能正常工作，目前世界上最好的耐温橡胶是美国派克公司生产的全氟橡胶可以在316℃下工作短期时间，也无法满足数年的井下安全阀工作寿命。此外可靠性、活塞防沙尘、用于深海的超深安装和活塞、本体的气密封也是井下安全阀的重要技术指标，世界各大公司也针对这些技术指标进行不断的研究，以提高产品性能。

稠油是一种密度和粘度极高的石油，我国的储量丰富。目前针对稠油开采使用的最好方法是注射高温蒸汽，降低稠油粘度实现自喷或人工举升。这种开采形式要求生产管柱必须承受350℃高温，目前采用此工艺生产的井由于没有合适的设备均没有使用井下安全阀，因为这种极端环境对井下安全阀的密封性要求极高。本发明主要针对高温密封问题，发明一种用于350℃高温的井下安全阀。

井下安全阀目前需要解决以下技术问题：

1)目前世界上的井下安全阀要么采用活塞式结构，要么采用滑动心轴结构推动阀板的开启和关闭，这两种结构都必须有密封件密封，这就会带来以下缺点：a)无法承受高温；b)井下的沙尘一旦进入密封面可能导致卡死；c)反复的开启关闭可能导致密封件损坏，因此使用次数有限。

2)传统的井下安全阀由于弹簧的弹力有限，加上活塞或滑动心轴由于杆件的稳定性原因截面面积不能太小，导致开启、关闭压力不能太高，因此很难满足超深安装。

3)传统的井下安全阀连接的控制管线是通过卡套连接到管线后用NPT螺纹缠绕胶带拧入进压孔的。这种结构不能摆脱对胶带的依赖，温度会使密封失效。

4)井下安全阀的本体在高温下的静密封问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够在超高温蒸汽热采、高气密性要求、超深安装、高出沙环境和高腐蚀井况的极端环境下使用的一种井下安全阀。

本发明所采用的技术方案是：一种井下安全阀，包括有由依次连接的顶部接头、阀体、外筒和尾部接头构成的本体，所述的本体内设置有中心管，所述的顶部接头的上端和尾部接头的下端分别连接外部油管，所述的外筒与中心管之间的间隙内设置有波纹管组件，所述的波纹管组件的底端与固定在中心管外周壁上的定位环相连接，所述的外筒下端口的内壁上形成有凸台，所述的中心管在位于定位环下侧与凸台之间的外周上套有压簧，所述的外筒的底端连接有板阀组件，所述的顶部接头上设置有控制管线，所述的控制管线通过控制管线连接组件嵌入在顶部接头上，并与形成在阀体壁内的液压油路连通，所述的阀体壁内的液压油路的底端口连接波纹管组件的顶端。

所述的阀体壁内的液压油路的底端口与波纹管组件的顶端采用螺纹连接并通过金属密封垫密封。

所述的中心管的外周上还套有挡圈，所述的挡圈位于压簧的下方，被支撑在凸台的上面。

所述的定位环的下端通过销钉定位到中心管外圆的小凸台上，定位环的上端通过弹性卡圈限位。

所述的波纹管组件包括有用于与液压油路的底端口螺纹连接的上接头，焊接在上接头下端的封头，与封头通过钢丝穿入连接的外筒，所述的封头的外侧还通过螺纹连接有顶塞，所述的顶塞底端与所述的外筒顶端接触连接，还设置有位于外筒内部中心轴处的伸缩接头，以及设置在外筒内部的波纹管，所述波纹管的上端焊接在封头上，所述波纹管的下端焊接在所述伸缩接头上，在外筒的外部底端还设置有通过连接杆与所述的伸缩接头相连接的传动组件，所述的传动组件连接所述的定位环。

所述的传动组件是由多个短板和长板通过转动销轴连接构成的可伸缩结构。

所述的板阀组件包括有固定连接在外筒下端口内侧的阀座，通过轴和套在轴上的扭簧连接在阀座下端口的阀板。

所述的控制管线连接组件包括有通过螺扣连接在顶部接头内的堵头，所述的堵头底端还依次设置有顶丝帽和锁紧环，所述的控制管线依次贯穿堵头、顶丝帽和锁紧环与形成在阀体壁内的液压油路连通。

所述的顶部接头与阀体之间、阀体与外筒之间、以及外筒与尾部接头之间的连接为螺纹连接，所述螺纹连接的内螺纹和外螺纹采用带单面斜度的锯齿螺纹连接，所述螺纹连接部分的前端和后端各设有一道金属密封面，具有内螺纹的部件和具有外螺纹的部件通过金属密封面的过盈配合实现内外密封。

所述的用于提供液压动力推动中心管的波纹管组件设置有1～5个，所述的用于液压传动的传动组件还可设置有2-10级。

本发明的一种井下安全阀，不使用任何橡胶或高分子材料密封件解决高温下的动密封和静密封问题，改变传统的活塞式结构或滑动心轴结构采用新的传动结构调节阀板的开启和关闭压力，改变动密封结构提高产品的使用次数和寿命，改变控制管线的连接方式使之不使用胶带且更可靠。能够在超高温蒸汽热采、高气密性要求、超深安装、高出沙环境和高腐蚀井况的极端环境下使用。

附图说明

图1是本发明高温井下安全阀的结构示意图；

图2是本发明波纹管组件示意图；

图3是本发明控制管线硬密封示意图；

图4是本发明本体间连接部分的结构示意图；

图5是本发明本体的螺纹连接结构示意图。

其中：

1：顶部接头                    2：控制管线连接组件

3：阀体                        4：金属密封环

5：波纹管组件                  6：外筒

7：定位环                      8：压簧

9：中心管                      10：挡圈

11：板阀组件                   12：尾部接头

13：油管                       14：控制管线

15：扭簧                       16：液压油路

17：阀座                       18：轴

19：阀板                       20：凸台

21：内螺纹                     22：外螺纹

23：金属密封面

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的一种井下安全阀做出详细说明。

如图1所示，本发明的一种井下安全阀，包括有由依次连接的顶部接头1、阀体3、外筒6和尾部接头12构成的本体，本体的材料是由适合井况的相应金属加工而成，本体是连接油管和其它动作件的壳体。

所述的本体内设置有中心管9，所述的顶部接头1的上端和尾部接头12的下端分别连接外部油管13，所述的外筒6与中心管9之间的间隙内设置有波纹管组件5，所述的波纹管组件5的底端与固定在中心管9外周壁上的定位环7相连接，所述的定位环7的下端通过销钉定位到中心管9外圆的小凸台上，定位环7的上端通过弹性卡圈限位。所述的外筒6下端口的内壁上形成有凸台20，所述的中心管9在位于定位环7下侧与凸台20之间的外周上套有压簧8，所述的中心管9的外周上还套有挡圈10，所述的挡圈10位于压簧8的下方，被支撑在凸台20的上面。所述的外筒6的底端连接有板阀组件11，所述的顶部接头1上设置有控制管线14，所述的控制管线14通过控制管线连接组件2嵌入在顶部接头1上，并与形成在阀体3壁内的液压油路16连通，所述该形成在阀体3壁内的液压油路16的底端口连接波纹管组件5的顶端。所述的形成在阀体3壁内的液压油路16的底端口与波纹管组件5的顶端采用螺纹连接并通过金属密封垫4密封。

所述的板阀组件11包括有固定连接在外筒6下端口内侧的阀座17，通过轴18和套在轴18上的扭簧15连接在阀座17下端口的阀板19。由阀座17、阀板19、轴18和扭簧15组成的板阀组件11，再加上中心管9，提供了流体的通过和关闭。

如图2所示，所述的波纹管组件5包括有用于与液压油路16的底端口螺纹连接的上接头5-1，焊接在上接头5-1下端的封头5-7，与封头5-7通过钢丝5-3穿入连接的外筒5-4，所述的封头5-7的外侧还螺纹连接有顶塞5-2，所述的顶塞5-2底端与所述的外筒5-4顶端接触连接，还设置位于外筒5-4内部中心轴处的伸缩接头5-6，以及设置在外筒5-4内部的波纹管5-5，所述波纹管5-5的上端焊接在所述封头5-7上，所述波纹管5-5的下端焊接在所述伸缩接头5-6上，在外筒5-4的外部底端还设置有通过连接杆5-8与所述的伸缩接头5-6相连接的传动组件5-9，所述的传动组件5-9连接所述的定位环7。

所述的传动组件5-9是由多个短板5-91和长板5-92通过转动销轴5-93连接构成的可伸缩结构。

所述的波纹管5-5，是本发明在高温动密封设计中的核心部件，是采用抗腐蚀和耐温金属材料制造，具备密封、伸缩和弹性功能，用于代替井下安全阀的活塞提供中心管移动动力源。因此，具有高温下稳定的动密封、抗腐蚀和抗疲劳的性能，满足350℃高温使用要求，通过焊接连接于封头5-7和伸缩接头5-6之间，通过液压加内压的形式实现移动，为中心管提供动力实现开启。

所述的用于提供液压动力推动中心管9的波纹管组件5设置有1～5个，所述的用于液压传动的传动组件5-9还可设置有2-10级。所述的波纹管组件5和传动组件5-9有多种组合，无论采用哪种组合均属于该专利保护范围内。

如图3所示，所述的控制管线连接组件2包括有通过螺扣连接在顶部接头1内的堵头2-1，所述的堵头2-1底端还依次设置有顶丝帽2-3和锁紧环2-3，所述的控制管线14依次贯穿堵头2-1、顶丝帽2-3和锁紧环2-3与形成在阀体3壁内的液压油路16连通。

锁紧环2-3为镀铬的不锈钢零件，表面硬度可以达到HRC60可以保证挤如控制管线。安装时通过堵头2-1旋紧顶丝帽，顶丝帽压紧锁紧环2-3，锁紧环2-3有锥度会收紧，消除与控制管线的间隙，实现硬密封。不用锥管NPT螺纹连接，实现高温密封。

采用直连硬密封结构通过锁扣锁死控制管线实现井下安全阀和控制管线的可靠连接、密封，锁扣经过镀铬处理方便锁紧控制管线。没有使用任何橡胶材料，保证高温密封性能。

液压油通过控制管线进入阀体腔室，通过进压孔作用于波纹管，在液压作用下使金属波纹管伸长，推动传动组件，再通过传动组件推动中心管克服弹簧阻力向向尾部接头方向运动，顶开阀板实现上、下油管导通。当需要关闭时，地面控制管线泻压，弹簧压回波纹管和中心管，阀板在弹簧的作用下关闭，实现井控。

如图4、图5所示，所述的顶部接头1与阀体3之间、阀体3与外筒6之间、以及外筒6与尾部接头12之间的连接为螺纹连接，所述螺纹连接的内螺纹21和外螺纹22采用带单面斜度的锯齿螺纹连接，所述螺纹连接部分的前端和后端各设有一道金属密封面23，具有内螺纹21的部件和具有外螺纹22的部件通过金属密封面23的过盈配合实现内外密封。即，内外螺纹连接后靠前部和后部各一处小锥度密封面，靠螺纹机紧后提供硬密封，前部密封面主要承受内压高压气密封，后部密封面提供辅助内压气密封同时提供外压气密封，彻底阻断泄漏，螺纹牙型为前面带锥度的锯齿螺纹提供足够的拉力强度，前部锥度方便旋入。

由于本体是连接油管和其它动作件的壳体，因为要承受高温350℃、高压5000-10000PSI和数十吨的油管重量，因此对密封和螺纹的强度要求很高。因此，所述的顶部接头1与阀体3之间、阀体3与外筒6之间、以及外筒6与尾部接头12之间的连接螺纹采用前后小锥面硬密封设计，充足的预紧力使内外锥面贴合当加工精度足够在不使用任何密封件的情况下满足高温和气密封要求，螺纹为29度斜度的锯齿螺纹，牙高为1mm。没有使用任何橡胶材料，保证高温密封性能。

本发明的一种井下安全阀，上下螺纹连接油管并安装一根连续的控制管线下入井中，控制管线加压推动波纹管伸出经过传递组件推动中心管下移，压缩压簧打开阀板，当需要关闭时，控制管线卸压，弹簧推动中心管和波纹管后移，关闭阀板如图2所示。

核心动密封部件采用波纹管结构提供可靠的动密封，由于是金属密封其工作温度可以达到400℃，可以解决350℃的高温问题。波纹管为封闭腔体不可能有沙尘进入，外部的小颗粒对它没有影响。波纹管的往复运动疲劳次数按照国家标准可以达到20万次，因此大大提高了开关的使用次数。由于波纹管为封闭金属可以保证在不破坏的情况下永不渗漏，因此安全性极高。由于波纹管的行程有限，设计有多级传动组件，使行程成正比放大满足中心管位移行程，同时推力成反比减小解决弹簧抗力不足的问题实现超深安装如图2所示。

采用直连硬密封结构，通过锁扣锁死控制管线，实现井下安全阀和控制管线的可靠连接，锁扣经过镀铬处理方便锁紧控制管线如图3所示。

高温井下安全阀本体连接螺纹采用特殊的前后小锥面硬密封设计，充足的预紧力使内外锥面贴合当加工精度足够在不使用任何密封件的情况下满足高温和气密封要求，螺纹为特殊的29度斜度的锯齿螺纹，方便上扣和有效防止退扣，牙高只有1mm满足薄壁连接强度，如图4所示。

Claims (2)

1.一种井下安全阀，其特征在于，包括有由依次连接的顶部接头（1）、阀体（3）、外筒（6）和尾部接头（12）构成的本体，所述的本体内设置有中心管（9），所述的顶部接头（1）的上端和尾部接头（12）的下端分别连接外部油管（13），所述的外筒（6）与中心管（9）之间的间隙内设置有波纹管组件（5），所述的波纹管组件（5）的底端与固定在中心管（9）外周壁上的定位环（7）相连接，所述的外筒（6）下端口的内壁上形成有凸台（20），所述的中心管（9）在位于定位环（7）下侧与凸台（20）之间的外周上套有压簧（8），所述的外筒（6）的底端连接有板阀组件（11），所述的顶部接头（1）上设置有控制管线（14），所述的控制管线（14）通过控制管线连接组件（2）嵌入在顶部接头（1）上，并与形成在阀体（3）壁内的液压油路（16）连通，所述的阀体（3）壁内的液压油路（16）的底端口连接波纹管组件（5）的顶端，所述的波纹管组件（5）包括有用于与液压油路（16）的底端口螺纹连接的上接头（5－1），焊接在上接头（5－1）下端的封头（5－7），与封头（5－7）通过钢丝（5－3）穿入连接的外筒（5－4），所述的封头（5－7）的外侧还通过螺纹连接有顶塞（5－2），所述的顶塞（5－2）底端与所述的外筒（5－4）顶端接触连接，还设置有位于外筒（5－4）内部中心轴处的伸缩接头（5－6），以及设置在外筒（5－4）内部的波纹管（5－5），所述波纹管（5－5）的上端焊接在封头（5－7）上，所述波纹管（5－5）的下端焊接在所述伸缩接头（5－6）上，在外筒（5－4）的外部底端还设置有通过连接杆（5－8）与所述的伸缩接头（5－6）相连接的传动组件（5－9），所述的传动组件（5－9）连接所述的定位环（7），所述的传动组件（5－9）是由多个短板（5－91）和长板（5－92）通过转动销轴（5－93）连接构成的可伸缩结构。

2.根据权利要求1所述的一种井下安全阀，其特征在于，所述的在阀体（3）壁内的液压油路（16）的底端口与波纹管组件（5）的顶端采用螺纹连接并通过金属密封垫（4）密封。

3．根据权利要求1所述的一种井下安全阀，其特征在于，所述的中心管（9）的外周上还套有挡圈（10），所述的挡圈（10）位于压簧（8）的下方，被支撑在凸台（20）的上面。

4．根据权利要求1所述的一种井下安全阀，其特征在于，所述的定位环（7）的下端通过销钉定位到中心管（9）外圆的小凸台上，定位环（7）的上端通过弹性卡圈限位。

5．根据权利要求1所述的一种井下安全阀，其特征在于，所述的板阀组件（11）包括有固定连接在外筒（6）下端口内侧的阀座（17），通过轴（18）和套在轴（18）上的扭簧（15）连接在阀座（17）下端口的阀板（19）。

6．根据权利要求1所述的一种井下安全阀，其特征在于，所述的控制管线连接组件（2）包括有通过螺扣连接在顶部接头（1）内的堵头（2－1），所述的堵头（2－1）底端还依次设置有顶丝帽（2－3）和锁紧环（2－3），所述的控制管线（14）依次贯穿堵头（2－1）、顶丝帽（2－3）和锁紧环（2－3）与形成在阀体（3）壁内的液压油路（16）连通。

7．根据权利要求1所述的一种井下安全阀，其特征在于，所述的顶部接头（1）与阀体（3）之间、阀体（3）与外筒（6）之间、以及外筒（6）与尾部接头（12）之间的连接为螺纹连接，所述螺纹连接的内螺纹（21）和外螺纹（22）采用带单面斜度的锯齿螺纹连接，所述螺纹连接部分的前端和后端各设有一道金属密封面（23），具有内螺纹（21）的部件和具有外螺纹（22）的部件通过金属密封面（23）的过盈配合实现内外密封。

8．根据权利要求1所述的一种井下安全阀，其特征在于，所述的用于提供液压动力推动中心管（9）的波纹管组件（5）设置有1～5个，所述的用于液压传动的传动组件（5－9）设置有2-10级。