CN102454383B - 用于阀的选择性转矩操作器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于阀的选择性转矩操作器。一种用于选择性地接合阀的促动驱动杆中的齿轮单元的低转矩操作器，其具有套环，套环具有轴向内孔和穿过其侧部的槽。该槽包括指向套环的上端的突出部且具有倾斜于套环轴线而定向的边缘。驱动轴插入于内孔中，且在低转矩条件期间，安装于驱动轴中的销接合该槽。该操作器还包括空转齿轮和大齿轮。带两个驱动销的从动轴插入到套环下侧上的内孔内。在低转矩条件期间，两个销中的上部销保持与形成于套环的下端上的肩部接触。在高转矩条件期间，这两个销中的下部销接合形成于大齿轮的下侧上的肩部。

Description

用于阀的选择性转矩操作器

技术领域

本发明大体而言涉及油井和气井的生产，且特定而言涉及用于减小促动阀所需转矩的装置。

背景技术

表面井孔穿过位于表面下方的地下地层形成。用于从表面井孔生产油和气的系统典型地包括设于井孔开口上的井口组件。典型表面井口组件包括高压井口外壳，高压井口外壳支承在较低压力井口外壳中且固定到导管套管上，导管套管向下延伸经过井口开口。井通常用一个或多个套管柱来加衬，套管柱同轴地穿过导管套管插入且比导管套管显著更深。套管柱从陷入于井口外壳中的套管悬挂器悬置。一个或多个管柱设于最内部的套管柱内；除了其它之外，其用于输送从下面的地层产生的井流体。采油树安装到井口外壳上端以控制井流体。采油树典型地为较大、较重组件，上面安装有多个阀和控制装置。

阀可为闸阀，其能由手轮手动地操作。为了促动在这些类型的阀中的闸，操作者必须向手轮施加旋转力或转矩。由于在打开或完全关闭位置闸所经历的高压，在这些位置需要更高转矩，这可能很难或甚至不能由一个或甚至两个操作者施加。因此，开发了齿轮，其以必须使手轮旋转经过更多的转数作为交换来减小在手轮上所需的转矩。但是，一旦克服了高转矩条件，通过中间闸位置操作该阀所需的转矩就显著地减小。因此，即使是在克服了高转矩条件之后，所需的较大转数也会导致操作者转动该手轮花费额外时间和力气。这样可能既成本较高又浪费。

因此需要一种技术，其允许操作者以低操作力气来克服高转矩条件，同时在克服了高转矩条件之后减少所需转数。

发明内容

在一实例实施例中，手操作的阀包括由可旋转的轴移动(stroke)至打开以及关闭(即往复运动至打开以及关闭)的构件或杆。阀还包括转矩选择器，其用于选择性地接合阀的促动驱动杆中的齿轮单元。选择器具有套环，套环具有轴向内孔和穿过其侧部的槽。该槽包括指向套环的上端的突出部且具有倾斜于套环轴线而定向的边缘。从动轴插入于内孔中，且在低转矩条件期间，安装于从动轴中的第一销接合槽中的突出部，低转矩条件典型地存在于打开与关闭中间的阀位置。另外，安装于阀杆上、位于第一销下方的第二销也在低转矩条件期间接合形成于套环下端上的肩部。这导致了阀杆的直接驱动机构，与高转矩条件相比，其允许较少转数来操作阀杆。

当操作者在手轮上所施加的力气由于阀杆中的高转矩条件而增加时，由操作者产生的力克服了弹簧的预设负荷，弹簧在一端联接到驱动轴且在另一端联接到套环。由操作者产生的力也造成安装于轴上的第一销沿着突出部中的斜边缘向下行进(ride down)，使得第一销与套环中的突出部脱离。此外，施加的力造成转矩选择器和大齿轮相对于外壳向上移动，造成安装于杆上的第二销与套环上的下肩部脱离。在大齿轮向上移动时，安装于杆上的第三或大齿轮销同时接合形成于大齿轮下部部分上的肩部。利用接合到大齿轮的大齿轮销，齿轮单元的全部机械优势有利地用于克服在杆处的转矩。这种机械优势允许单个操作者促动阀而无需额外操作者且利用更少操作力气。另外，一旦克服了高转矩条件，转矩选择器就允许齿轮机构自动地或选择性地回复到直接驱动低转矩机构，以允许阀更快操作(同与高转矩条件相关联的高转数相比)。

附图说明

图1是根据本发明的闸阀操作器的实例实施例的侧截面图，其中转矩选择器机构处于直接驱动接合。

图2是图1的闸阀操作器的实例实施例的透视局部截面图。

图3是图1的转矩选择器机构的实例实施例的透视图。

图4是根据本发明的闸阀操作器的实例实施例的侧截面图，其中转矩选择器机构处于转矩减小接合以向杆应用机械优势。

图5是图1的转矩选择器机构的一部分的替代实施例的侧视示意图。

具体实施方式

现将参看附图在下文中更全面地描述本公开的设备和方法，在附图中示出了实施例。但本公开的该主题可以许多不同形式实施且不应被认为限于本文所陈述的图示的实施例；而是提供这些实施例使得本公开将全面且完整，且将向本领域技术人员全面传达本发明的范围。贯穿全文，相同的标号指代相同的元件。为了便于参考附图，仅为了参考和说明而使用方向术语。举例而言，诸如“上部”、“下部”、“上方”、“下方”等等的方向术语是用于说明相关位置。

应了解本公开的主题并不限于图示和描述的构造、操作、精确材料或实施例的精确细节，因为对于本领域技术人员而言，修改和等效物将显然。在附图和说明书中，公开了本公开的说明性实施例，且尽管采用了具体术语，但它们仅用于一般且描述性的意义，而并不用于限制目的。相应地，本主题公开因而仅受所附权利要求的范围限制。

参看图1，示出了闸阀促动器或操作器10的实施例的截面图。该阀促动器包括外壳手轮12，其可操作地连接到驱动轴14，驱动轴14可绕轴线Y旋转。驱动轴14通过锁定螺母16和垫圈17而关于促动器10居中地保持。在此实例中，轴承19位于垫圈17的任一侧上，以在驱动轴14处提供径向支承，且便于驱动轴14旋转。锁定螺母16以螺纹的方式接合位于促动器10的外壳18的上表面中央的开口。外壳18具有法兰下端20，法兰下端20具有穿过它的多个在周向上间隔开的螺栓开口21，每个开口用于接纳带两个螺母的螺柱或螺栓22。螺柱22可用于将促动器10连接到阀(未图示)。

继续参看图1，至少一个空转齿轮30具有上端32，上端32由扣环29保持于在外壳18的上端处形成的开口31内。空转齿轮30的下部部分34向下延伸到外壳18内。间隙33限定于外壳18的内部与下部部分34的上表面之间。在此实例中，空转齿轮30的下部部分34具有比上部部分32更大的直径，且具有形成于其上的齿35，齿35接合形成于小齿轮36上的齿，小齿轮36连接到驱动轴14。小齿轮36随着驱动轴14旋转而旋转，且由此造成空转齿轮30的下部部分34旋转。大齿轮38位于外壳18内且在此实施例中外接空转齿轮30。由于空转齿轮齿35同时接合在大齿轮38上的齿37，大齿轮38也将随着空转齿轮30旋转而旋转。在高转矩条件期间接合大齿轮38以提供机械优势且在后面的部分中更详细地描述。

具有预设负荷的弹簧40外接小齿轮36下方的驱动轴14的一部分且保持于一组垫圈或扣环42内。示出上部扣环42在弹簧40的上端外接且锚固到驱动轴14，下部扣环43在弹簧40的下端处外接驱动轴14。轴承44位于底部垫圈42与转矩选择器或套环50的上表面之间。套环50设有内孔52，以使得驱动轴14在外壳18内居中。转矩选择器允许大齿轮38机构取决于转矩条件而接合和脱离。如图2和图3所示，在此实例中，内孔52具有与促动器10的轴线重合的轴线。选择器50具有在其侧部上形成的槽60，在此实施例中，槽60穿过选择器50延伸。槽60的一部分向上异型化(profiled)，以限定被示出为指向套环50的上端66(图3)的突出部62。突出部62的向上垂悬的侧部形成倾斜于套环50的轴线Y定向的边缘63。突出部62与沿径向突伸的唇缘64相交，沿径向突伸的唇缘64外接套环50的外表面。返回参看图1，唇缘64由形成于大齿轮38的下部主体67的内表面上的周向凹口或凹槽68接纳。由此唇缘64将转矩选择器保持于大齿轮38的下部主体67内。此实例中的下部主体67具有环形截面，且从大齿轮38的带齿的部分向下垂悬。

继续参看图1，驱动轴14插入于内孔52中，且沿径向安装于驱动轴14下部部分上的销70在低转矩条件期间接合槽60的突出部62。在此实施例中，在套环50的下端上的肩部80倾斜于套环50的轴线，且限定两个偏置的下表面81、83(图3)。阀杆84(或从动轴)通过内孔52插入于套环50的下端内。在低转矩条件期间，安装于阀杆84的上部部分上的第二销82接合肩部80从而将来自驱动轴14的旋转传递到杆80。杆80向下延伸且从外壳18的下端延伸出来，在一实例中，杆80的下端能用于促动闸(未图示)。

参看图4，示出促动器10处于高转矩接合位置。在此位置，在驱动轴14上的销70与套环50的突出部62脱离，且在阀杆84上的销82与套环50的下端上的下肩部80脱离。通过向手轮12施加充分转矩以克服弹簧40的预设负荷来发生第一销70和第二销82的脱离，从而压缩弹簧40且使得大齿轮38和套环50相对于阀杆84向上移动。第三销或大齿轮销90在第二销82下方的点处安装到阀杆84上。大齿轮销90接合形成于大齿轮下部主体67的下端94的内部上的肩部92。在此实例实施例中，肩部92倾斜于促动器10的轴线。大齿轮销90允许大齿轮30的机械优势增加由人施加到驱动轴14上的转矩，且由此将增加的转矩传输到阀杆84，从而允许该闸(未图示)的操作。在此实施例中，在由驱动轴14驱动的小齿轮36与空转齿轮30之间的齿轮比可为大约1∶1。在一实例实施例中，在小齿轮36与大齿轮38之间，齿轮比为大约1∶8，该齿轮比可解释为：对于小齿轮36的一次旋转，大齿轮38完成旋转的1/8。因此，当大齿轮38经由大齿轮销90接合到阀杆84时，小齿轮36的一次旋转也将使阀杆84转动一次旋转的1/8。另外，此实施例中的阀杆84可具有1/8的节距或者(8的)每英寸螺纹数，这解释为：阀杆84每回转一次该阀杆84就有1/8″的行程。因此，闸(未图示)将沿轴向移动那个量。

在操作中，当操作者经由手轮12向驱动轴14施加的力气由于阀杆84中的高转矩条件而增加时，由操作者产生的力克服弹簧40的预设负荷，弹簧40在一端联接到驱动轴14且在另一端联接到套环50。由操作者产生的力造成安装于驱动轴14上的第一销70沿着突出部62中的斜边缘63(图2和图3)向下行进，以朝向弹簧40向上拉套环50和大齿轮下部主体67。套环50的向上移动使得第一销70脱离套环50中的突出部62。随着第一销70沿着斜边缘向下行进且到达水平边缘59，大齿轮38和连接到该大齿轮38的转矩选择器被向上推动一定的量，该量由形成于槽60中的突出部62的高度限定。这种相对于外壳18和驱动轴14的向上移动使得第一销70脱离突出部62以及因此脱离转矩选择器，且也使得安装于阀杆84上的第二销82脱离选择器50上的下肩部80。安装于阀杆84上的第三或大齿轮销90在大齿轮38向上移动时接合形成于大齿轮38的下部部分94上的肩部92。在此实施例中，在打开或关闭循环结束时，在满足高转矩后，可能需要最小反转来接合第一销70以进行直接驱动。

在大齿轮销90接合到大齿轮38之后，旋转力或转矩从大齿轮38的较大直径传递到阀杆84，从而增加了到手轮12以施加到阀杆84上的转矩输入。由大齿轮38提供的此机械优势有利地用于克服阀杆84处的转矩。这种机械优势允许单个操作者促动该阀而无需额外操作者且利用更少操作力气。如先前所解释，在手轮12反转以使得销70滑动回到突出部62内时，转矩选择器使齿轮机构返回到直接驱动机构，以允许阀更快速地操作，这归因于使闸(未图示)在轴向上行进确定长度所需的来自阀杆84的低转数。

在图5所示的另一实施例中，转矩选择器或套环100具有穿过侧壁形成的槽102。转矩选择器具有突出部104，突出部104向上突出到转矩选择器的上端。唇缘106形成于转矩选择器的外部，以允许转矩选择器保持于大齿轮38内，且具有形成于转矩选择器的下端108处的下肩部110。在此实施例中，销70仅沿着槽102的倾斜边缘112行进，但并不如先前所述的实施例中那样到达水平边缘。槽102的三角形状排除了操作者反转该布置以使得第一销70与突出部104接合的需要，因为每当操作者释放手轮12时齿轮机构将自动地返回到低转矩条件。

虽然仅以本发明的形式中的一些形式示出或描述了本发明，但对于本领域技术人员将显然，其并非受此限制而是在不偏离本发明的范围的情况下易于做出各种变化。

Claims (15)

1.一种用于井口组件中的阀，其特征在于：

阀构件(84)，其由可旋转的轴在打开位置与关闭位置之间移动，所述可旋转的轴上安装有驱动构件；

转矩选择器，其与所述可旋转的轴可操作地相关联，具有低转矩位置和高转矩位置，所述转矩选择器的外边缘与所述驱动构件接合；

弹簧构件，其安装在所述可旋转的轴上以用于驱使所述转矩选择器到达一位置；以及

齿轮构件(38)，其与所述转矩选择器选择性地接合，

其中，

当所述转矩选择器处于所述低转矩位置时，转矩通过所述可旋转的轴直接联接到所述阀构件(84)；

当所述转矩选择器处于所述高转矩位置时，转矩通过所述齿轮构件(38)从所述可旋转的轴联接到所述阀构件(84)；以及

当施加在所述可旋转的轴的扭矩足够克服所述弹簧元件的预设载荷，所述转矩选择器自动地变换到所述高转矩位置，从而轴向地移动所述扭矩选择装置和所述齿轮构件。

2.根据权利要求1所述的阀，其特征在于，所述转矩选择器包括环形套环(50)，所述环形套环(50)具有这样的异型部：在处于所述低转矩位置时所述异型部接合所述可旋转的轴的端部，且当处于所述高转矩位置时所述套环(50)在轴向上移动使得所述异型部脱离所述可旋转的轴。

3.根据权利要求2所述的阀，其特征在于，所述可旋转的轴包括驱动轴和从动轴，所述阀构件(84)是从动轴，所述驱动轴(14)和从动轴各与所述套环(50)旋转地接合。

4.根据权利要求3所述的阀，其特征在于，所述驱动轴(14)通过安装到所述驱动轴(14)上的驱动构件(70)与所述套环(50)旋转地接合，所述驱动构件(70)接触形成于所述套环(50)的侧壁中的槽(60)的外边缘(63)的一部分，且其中，由所述驱动构件(70)接触的所述外边缘(63)的所述部分倾斜于所述套环(50)的轴线定向，使得当所述驱动构件(70)在靠近具有所述异型部的所述套环(50)的端部的方向中沿着所述外边缘(63)滑动时，所述套环(50)与所述驱动轴(14)脱开。

5.根据权利要求4所述的阀，其特征在于，所述异型部包括形成于所述套环(50)的下端上的肩部(80)，当所述转矩选择器处于所述低转矩位置时，所述肩部(80)接触提供于所述从动轴上的第一驱动构件(82)。

6.根据权利要求5所述的阀，其特征在于，当在所述驱动轴(14)上的所述驱动构件(70)沿着所述槽(60)的所述外边缘(63)朝向所述异型部滑动时，所述套环(50)在轴向上移动，使得在轴向上远离所述从动轴上的所述第一驱动构件(82)驱动所述异型部。

7.根据权利要求4所述的阀，其特征在于，所述槽(60)的一部分在远离所述异型部的方向中突出，所述槽(60)的所述一部分具有倾斜于所述套环(50)的轴线定向的侧向侧，所述侧向侧相交以限定所述槽(60)的楔形驱动端(62)。

8.根据权利要求7所述的阀，其特征在于，当所述驱动轴(14)上的驱动构件(70)沿着所述侧向侧远离所述槽(60)的所述楔形驱动端(62)滑动时，所述转矩选择器从所述低转矩位置变化到所述高转矩位置。

9.根据权利要求3所述的阀，其特征在于，所述弹簧构件(40)安装于所述驱动轴(14)上，且驱动所述套环(50)驱动到一位置，以便与所述驱动轴(14)旋转接合。

10.根据权利要求9所述的阀，其特征在于，还包括小齿轮(36)，所述小齿轮(36)可操作地连接到所述驱动轴(14)，以驱动所述齿轮构件(38)。

11.根据权利要求10所述的阀，其特征在于，所述驱动轴(14)通过安装于所述从动轴上的第二驱动构件(90)而与所述齿轮构件(38)旋转地接合，所述第二驱动构件(90)接触形成于所述齿轮构件(38)的下端(94)的内边缘上的肩部(92)，当所述转矩选择器处于高转矩位置时，所述小齿轮(36)经由所述齿轮构件(38)将转矩传输到所述从动轴。

12.根据权利要求11所述的阀，其特征在于，所述驱动轴(14)经由空转齿轮(30)驱动所述齿轮构件(38)，所述空转齿轮(30)可操作地连接在所述驱动轴(14)与所述齿轮构件(38)之间。

13.根据权利要求11所述的阀，其特征在于，所述转矩选择器在施加到所述驱动轴(14)上的转矩足以克服由所述弹簧构件(40)施加的预设负荷时自动地转移到所述高转矩位置，从而在轴向上移动所述套环(50)和所述齿轮构件(38)。

14.一种促动阀的方法，其特征在于：

提供转矩选择器，所述转矩选择器具有套环(50)以及低转矩位置和高转矩位置，所述套环(50)具有能够与阀杆选择性地接合的从动端和驱动端；

提供齿轮(38)，其具有能与所述阀杆选择性地接合的从动端和驱动端；

使所述阀杆与所述套环(50)的所述驱动端接合；

将驱动轴(14)的端部插入到所述套环(50)的所述从动端内；

联接所述套环(50)与所述驱动轴(14)，使得当所述驱动轴(14)处于指定转矩时，所述套环(50)在从所述驱动端朝向所述从动端的方向中相对于所述驱动轴(14)滑动，以使得所述驱动轴(14)与所述阀杆脱开；以及

联接所述齿轮(38)与所述驱动轴(14)，使得当所述驱动轴(14)处于指定转矩时，所述齿轮(38)在从所述驱动端朝向所述从动端的方向中相对于所述驱动轴(14)滑动，以接合所述阀杆。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征进一步在于：

旋转所述驱动轴(14)，使得所述套环(50)和阀杆旋转以促动附连到所述阀杆上的阀构件；

维持所述套环(50)端部上的驱动力，以维持在所述驱动轴(14)的所述驱动端与所述套环(50)之间的接合；

在所述套环(50)上施加具有一定量的轴向力，使得当所述阀杆中的所述转矩处于所述指定转矩时，所述驱动构件(70)沿着所述套环中的异型部(60)滑动；

通过在与将所述驱动轴(14)和阀杆设于所述高转矩位置的旋转的方向相反的方向中旋转所述阀杆来使得所述驱动轴(14)与所述阀杆重新接合，来重设所述低转矩位置；

其中，联接所述套环(50)与所述驱动轴(14)的步骤包括形成联接，所述联接包括固定于所述驱动轴(14)上的驱动构件(70)，由所述驱动构件(70)接合且具有设置成倾斜于所述驱动轴(14)的轴线的部分(62)的所述套环(50)中的异型部(60)；以及

通过旋转所述驱动轴(14)来施加指定转矩。