CN103147720A - 液压开关阀 - Google Patents

Abstract

本发明关于一种连接于井下测试管柱的液压开关阀，为中空管体，具有外层、中间层和内层，外层沿轴向设有上接头、中间接头、球阀外筒和下接头；中间层具有可滑动地的中空心轴，通过心轴剪钉固定于中间接头，在心轴下端还设有连接爪、连接短节、上座圈和下座圈，上座圈侧壁开设有两平行凹槽，两长条形的操作臂分别嵌设于两个平行凹槽内，操作臂的顶端与连接短节的底端扣接；内层在心轴内腔上部设有顶端能被投球卡封的球座套体，内层在上、下座圈内设有球阀总成，球阀总成具有上球座、下球座及结合于两球座中的球阀，球阀与上球座间设有座弹簧，球阀与操作臂的凸起操作端配合；上接头设有外循环孔，心轴设有内循环孔和位于内、外循环孔之间的泄压孔。

Description

液压开关阀

技术领域

本发明是关于一种油气井试油试采井下工具，尤其是指一种液压开关阀。

背景技术

在试油(气)井中，有多个射孔层段需要分别取得试油资料，就需要分层试油。传统的分层试油方式采用下桥塞或注水泥塞将已试层封死，然后逐层上返上部层段进行试油，试油完毕、投产时还需钻掉水泥塞。其缺点在于多次起下管柱、下桥塞(或注水泥塞)，施工周期长、速度慢、费用高，容易对油气层造成污染。

美国专利NO.2006/0207764公开了一种多层测试、注入、生产系统的示例。此专利涉及一种能够使多个目的层被连续测试的组件。所述组件包括多个阀，且每一个阀可通过将阀致动物体投下到相应的阀内而致动。阀可以按预定顺序被相继致动到打开状态，并且在将相应的阀致动到打开状态之后对不同层进行测试或采取增产措施。但是，该发明所涉及的阀上、下各有一组传压管线接口，施工时需要通过寄生的传压管线来控制阀的操作，该结构使管柱组装、起、下变得工序复杂、施工周期长；传压管线的存在使管柱无法安装安全接头，一旦遇卡时难以实现安全解脱。且传压管线易发生损坏、不可靠，导致施工成功率降低。所以，该专利虽然使井下多层测试不需反复起下管柱，但其并未完全克服油井测试效率低下、安全性低等技术问题。

中国专利第200920172899.X号公开了一种井下投球控制开关阀，其技术路线是：当通过投球、油管加压操作开启时，滑阀在推力作用下下行，滑阀下端推动弹簧爪带动操作臂，操作臂通过凸起推动球阀旋转，实现关闭球阀，滑阀继续下行至弹簧爪内部，直到循环孔打开。但是，该实用新型在结构和原理上存在如下缺陷：按照该实用新型具体实施方式中的说明，“球阀关闭的行程要小于循环孔打开的行程”，也就是说下部的球阀关闭在循环孔打开之前；而一旦球阀关闭后，则上下两个钢球之间会因为液体的不可压缩形成“死腔”，即滑阀将不会再有行程，则循环孔是不会开启的，因此，该实用新型是不可能实现的。此外，即便是该阀经过改进设计，使得“球阀关闭的行程大于循环孔打开的行程”，那么一旦循环孔首先打开，液流将从循环孔排至油套环空，不仅使液压骤减而无法继续驱动球阀关闭，还会使井液渗入地层，对油层造成污染。

发明内容

针对背景技术中所述的现有井下投球控制开关阀不能实现关闭下段后连通上段的技术问题，本发明的目的在于提供一种液压开关阀，通过在心轴设置泄压孔，使得球阀关闭后心轴内的液流可以缓慢经由泄压孔和外循环孔排至油套环空，不会形成背景技术所述的“死腔”，从而使心轴能被进一步向下推抵，直至内外循环孔完全连通。

该目的是由以下的技术方案所实现的：

一种液压开关阀，连接于井下测试管柱上，所述液压开关阀为一多层的中空管状体，沿径向具有外层、中间层和内层，所述外层沿轴向自上而下连接有上接头、中间接头、球阀外筒和下接头；所述中间层具有可滑动地设置于所述外层内侧的中空心轴，心轴通过心轴剪钉固定于中间接头，所述中间层在心轴下端沿心轴的轴线延长线方向还依序设有连接爪、连接短节、上座圈和下座圈，上座圈侧壁上开设有两个平行凹槽，两个长条形的操作臂分别嵌设于所述两个平行凹槽内，操作臂的顶端与连接短节的底端扣接；所述内层在心轴内腔上部设有顶端能被投球卡封的球座套体，所述内层在上、下座圈内设有球阀总成，球阀总成具有上球座、下球座及结合于两球座中的球阀，球阀与上球座间设有座弹簧，而球阀与操作臂的凸起操作端配合；其中，所述上接头设有外循环孔，所述心轴在所述外循环孔的上侧还设有内循环孔和泄压孔，所述泄压孔的轴向位置位于所述外循环孔和内循环孔之间。

如上所述的液压开关阀，所述外循环孔和内循环孔之间的轴向距离大于所述球阀的轴向行程；而所述外循环孔和泄压孔的轴向距离小于或等于所述球阀的轴向行程。

如上所述的液压开关阀，所述球座套体通过一球座套体剪钉固定于所述心轴内腔上部，且用于剪断球座套体剪钉的设计剪切力大于用于剪断所述心轴剪钉的设计剪切力。

如上所述的液压开关阀，所述球阀上设有两个凹洞，分别与各所述操作臂的凸起操作端相卡合；而所述连接短节下端具有一凹槽，所述操作臂的上端具有凸起，该凸起与连接短节下端的凹槽扣合。

如上所述的液压开关阀，所述球座套体的顶面具有一能与投球配合密封管柱内腔的密封面，而球座套体的下部环设有多个密封圈；所述心轴的外壁在其内循环孔上部、内循环孔与该上接头外循环孔之间、该上接头外循环孔下方均设有与上接头内壁配合的密封圈。

如上所述的液压开关阀，所述连接爪的上部利用弹力卡在所述心轴的下端。

上述液压开关阀用于一种不起下管柱多层段连续试油系统。针对背景技术中所述的传统分层试油技术存在的多次起下管柱、下桥塞(或注水泥塞)、施工周期长、费用高、易造成地层污染的缺点，以及美国专利设置寄生的传压管线依然影响井下测试效率的问题，本发明还提供一种不起下管柱多层段连续试油系统及其操作方法，该系统及操作方法可实现不起下管柱就能完成多层多段连续测试、增产改造、排液一系列井下作业工序，具有施工操作简单、组装方便、施工周期短等突出优点。

所述不起下管柱多层段连续试油系统，串接于井下测试管柱上，包括沿管柱轴向顺序串接的上子系统、多个分层测试系统及下子系统，其中：上子系统包括沿管柱轴向顺序串接的多次循环阀、主测试阀、全通径压力计托筒、安全接头和顶部液压封隔器；多个分层测试系统沿管柱轴向顺序串接于管柱上，每个分层测试系统对应一油层，而各所述分层测试系统包括顺序串接的液压开关阀、安全接头及分层液压封隔器，其中的液压开关阀是如上所述的液压开关阀；下子系统包括沿管柱轴向顺序串接的液压滑套、传压接头及监测压力计。

如上所述的多层段连续试油系统，所述分层液压封隔器均设置在油层之间，而所述液压开关阀均设置于油层处。

如上所述的多层段连续试油系统，位于下方的所述分层测试系统的液压开关阀的球座套体的直径小于位于上方的所述分层测试系统的液压开关阀的球座套体的直径。

本发明还提供上述不起下管柱多层段连续试油系统的操作方法，包括如下步骤：

第一步封隔各层：将所述多层段连续试油系统下入井内，调整管柱，使该顶部液压封隔器到达设计深度，装井口，管柱内加压至设定的坐封压力，坐封全部液压封隔器，封隔各层；

第二步最下层试油：坐封后，管柱内升压至设定的液压滑套开启压力，液压滑套打开，沟通最下部的测试层；关主测试阀，采用抽吸或连续油管气举方式降液面，直到降至设定的测试压差为止；通过环空加压操作主测试阀多次开关，进行最下层油层测试；

第三步第二层试油：第二层是邻接于所述最下层上部的油层；下层试油结束后，关主测试阀，打开多次循环阀，进行洗井、压井、油管内替入液垫；替液结束后，关闭多次循环阀，打开主测试阀，管柱内投进与对应于所述第二层油层的液压开关阀相对应的球，待球入位，加压至设定压力，打开该液压开关阀，关闭下部油层的同时沟通上部油层；关主测试阀，采用抽吸或连续油管气举方式降液面，直到降至设定的测试压差为止；打开主测试阀，通过环空加压操作主测试阀多次开关，进行第二层测试；

第四步其它层试油：按油层逐层向上的顺序，重复第三步完成全部各个油层的分层试油；

第五步压井、解封、起管柱：完成全部层测试后，打开多次循环阀，进行洗井、压井作业；压井结束后，拆井口，直接上提管柱，分级、依次解封全部封隔器，将不起下管柱多层段连续试油系统全部起出。

如上所述的操作方法，其中所述液压滑套开启压力高于所述坐封压力。

如上所述的操作方法，其中每一层油层在测试结束后，还进行增产改造、排液、求产作业。

如上所述的操作方法，其中从所述第二层开始，按如下方法进行增产改造、排液及求产作业：通过油管加压剪断所述液压开关阀的球座套体剪钉，打开注入通道进行增产改造、排液、求产作业，直至当前层试油结束。

借由以上技术方案，本发明的优点在于：

1.本发明的多层段连续试油系统结构合理而紧凑，起下管柱施工操作方便、周期短，井控风险小，一趟下入管柱便可将全部工具下入井内，也不需要寄生的传压管线，连续、依次对各测试层进行测试、注入、排液的施工作业，测试时可实现井下多次开关井，解封时，实现分级、依次解封全部封隔器，不需起下管柱就能完成多层多段连续作业；

2.本发明的液压开关阀通过在心轴设置泄压孔，使得球阀关闭后心轴内的液流可以缓慢经由泄压孔和外循环孔排至油套环空，不会形成背景技术所述的“死腔”，从而使心轴能被进一步向下推抵，直至内外循环孔连通；

3.本发明的液压开关阀设置有两级剪钉(球座套体剪钉和心轴剪钉)，并且剪断球座套体剪钉的设计剪切力更大，使本发明的液压开关阀可以分级剪切，在测试时只剪断心轴剪钉，加压过程中，心轴上部不与内、外循环孔连通，使洗井液不会排至油套环空，避免了污染油层；而当需要注入作业时，加压剪断球座套体剪钉方便后续的注入工序。

本发明的液压开关阀不仅仅能应用于不起下管柱多层段连续试油系统，还可以作为投球内加压式旁通阀应用于单层作业的油气井测试——酸压联作管柱。

在现有油气井单层测试——酸压联作施工后期、起出管柱前，一般要打开井下循环阀进行循环洗、压井，压井结束后才能开始起管柱。因此，井下测试——酸压联作管柱必须要配置循环阀。现有常用于测试——酸压联作管柱的循环阀是哈利伯顿公司出厂的的液压安全循环阀，该阀采用环空加压的方式，使破裂盘破裂，环空压力通过破裂盘孔推动循环心轴下行，被循环心轴封闭的循环孔打开，从而形成循环通道。

然而该工具存在以下不足或隐患：第一，测试酸压联作施工时，主测试阀操作压力、酸压时平衡压力、循环阀开启压力都是采用环空加压的方式，三个压力值设计是从小到大，并且最大不能超过套管承压极限。压力值设计级别越多，设计越困难，发生冲突的可能性越大。特别是循环阀的开启压力设定值和酸压时平衡压力容易发生矛盾，使酸压时平衡压力的设置受到很大局限；第二，破裂盘及其盘根试压比较困难，在井下经常发生密封失效，导致阀中途打开；第三，下钻速度过快时产生的压力激动或破裂盘压力值不准时，容易导致阀中途打开，导致施工失败；第四，空气腔一旦混进黄油或漏失进水，影响心轴下行空间，导致该阀开启失败；第五，如果测试层上方有已射开层时，环空加压困难，无法打开。

当单层作业的油气井测试——酸压联作管柱换用本发明的液压开关阀替换现有旁通阀时，在施工后期、起出管柱前，通过投球、管柱内加压操作的方式，可以提供可靠的洗、压井通道，提高了单层作业的油气井测试——酸压联作的成功率，也不会因为旁通阀的原因使酸压时平衡压力的设置受到局限。

附图说明

图1为本发明不起下管柱多层段连续试油系统的示意图；

图2为本发明的液压开关阀的半剖视图；

图3为本发明的液压开关阀的在球座套体部分的局部半剖视图；

图4为本发明的液压开关阀的在球阀总成部分的局部半剖视图。

具体实施方式

为令本发明的目的、技术手段及技术效果有更完整及清楚的揭露，以下进行详细说明，并请一并参阅附图及部件标号。

本发明提供一种结构合理而紧凑的液压开关阀，如图2所示，因其轴向尺寸较长，为清晰体现其各部分结构，特将图2中的球座套体部分和球阀总成部分分别放大如图3和图4所示。下面请一并参阅图2～图4，本发明的液压开关阀1连接于井下测试管柱上，为一多层的中空管状体，沿径向具有外层、中间层和内层，所述外层沿轴向自上而下连接有上接头101、中间接头102、球阀外筒103和下接头104；所述中间层具有可滑动地设置于所述外层内侧的中空心轴105，心轴105通过心轴剪钉106固定于中间接头102，所述中间层在心轴105下端沿心轴的轴线延长线方向还依序设有连接爪107、连接短节108、上座圈111和下座圈112，上座圈111侧壁上开设有两个平行凹槽(图中未示出)，两个长条形的操作臂109分别嵌设于所述两个平行凹槽内，操作臂109的顶端与连接短节108的底端扣接；所述内层在心轴105内腔上部设有顶端能被投球130卡封的球座套体110，所述内层在上、下座圈111、112内设有球阀总成12，球阀总成12具有上球座121、下球座123及结合于两球座中的球阀122，球阀122与上球座111间设有座弹簧124，而球阀122与操作臂109的凸起操作端109a配合；其中，所述上接头101设有外循环孔101a，所述心轴105在所述外循环孔101a的上侧还设有内循环孔105a和泄压孔113，所述泄压孔113的轴向位置位于所述外循环孔101a和内循环孔105a之间。

进一步地，请参阅图3，所述外循环孔101a和内循环孔105a之间的轴向距离大于所述球阀122的轴向行程；而所述外循环孔101a和泄压孔113的轴向距离小于或等于所述球阀122的轴向行程。借此，当心轴105下行时，会首先沟通泄压孔113和外循环孔101a进行泄压，在泄压作用下心轴105能够继续下行，并关闭球阀122，同时连通内循环孔105a和外循环孔101a打开上部循环通道。

请再参阅图2和图3，所述球座套体110通过一球座套体剪钉114固定于所述心轴105内腔上部，且用于剪断球座套体剪钉114的设计剪切力大于用于剪断所述心轴剪钉106的设计剪切力。借此，能够实现加压后先剪断心轴剪钉，后剪断球座套体剪钉。

请再参阅图4，所述球阀122上设有两个凹洞122a，分别与各操作臂109的凸起操作端109a相卡合，以实现心轴105轴向移动向球阀122转动的运动转换；而所述连接短节108下端具有一凹槽108a，所述操作臂109的上端具有凸起109b，该凸起109b与连接短节108下端的凹槽108a扣合，借由嵌卡设计能使心轴的轴向下沉运动的传递更为稳定可靠。

请再参阅图3，所述球座套体110的顶面具有一能与投球130配合密封管柱内腔的密封面110a，而球座套体110的下部环设有多个密封圈115；所述心轴105的外壁在其内循环孔105a上部、内循环孔105a与该上接头101外循环孔101a之间、该上接头外循环孔101a下方三处均设有与上接头101内壁配合的密封圈116，借以防止液流从缝隙中通过。

较佳地，所述连接爪107的上部利用弹力卡在所述心轴105的下端。

上述本发明的液压开关阀，其工作原理如下：

液压开关阀与管柱连接在一起，下入井内，当完成下层测试，需要测试上层时，从地面投入相应尺寸的球。当球落入对应的球座套体并密封其下段管柱后，上段管柱加压，压力转换成对心轴向下的推力并剪断心轴剪钉；在推力作用下，心轴下行，位于上接头外循环孔上侧的密封圈116通过外循环孔，而后连通泄压孔与外循环孔，打开排空通道；心轴继续下行，推动连接爪、连接短节带动操作臂，通过凸起操作端推动球阀旋转实现关闭球阀；心轴继续下行，至本次行程的终点时，此时为心轴下行过程的最大行程，心轴的内循环孔与上接头的外循环孔刚好处于对正位置，下侧通道完全打开。当需要注入作业时，给油管加压至超过球座套体剪钉设计剪断压力，当球座套体受到的压力转换位纵向推力，剪断球座套体剪钉，球座套体下行至心轴的一内台阶处，注入通道全部打开，可进行增产改造、排液作业。

本发明还提供一种不起下管柱多层段连续试油系统，如图1所示，串接于井下测试管柱21上，所述多层段连续试油系统包括沿管柱21轴向顺序串接的上子系统200、多个分层测试系统300及下子系统400，其中：上子系统200包括沿管柱21轴向顺序串接的多次循环阀22、主测试阀23、全通径压力计托筒24、安全接头25和顶部液压封隔器26；多个分层测试系统300沿管柱21轴向顺序串接于管柱21上，每个分层测试系统300对应一油层，且包括顺序串接的如上述的液压开关阀1、安全接头28及分层液压封隔器29；下子系统400包括沿管柱21轴向顺序串接的液压滑套36、传压接头37及监测压力计38。

较佳地，所述分层液压封隔器29均设置在油层之间用以封隔各层，而所述液压开关阀1均设置于油层处用以连通或关闭当前油层，如图1所示。

为实现各分层测试系统300从下至上通过投入不同直径的投球逐层关闭，位于下方的所述分层测试系统300的液压开关阀1的球座套体110的直径小于位于上方的所述分层测试系统300的液压开关阀1的球座套体110的直径。

本发明还提供上述不起下管柱多层段连续试油系统的操作方法，包括如下步骤：

第一步封隔各层：将所述多层段连续试油系统下入井内，调整管柱21，使该顶部液压封隔器26到达设计深度，装井口，管柱内加压至设定的坐封压力，坐封全部液压封隔器(包括顶部液压封隔器26及全部分层液压封隔器29)，封隔各层；

第二步最下层试油：坐封后，管柱内升压至设定的液压滑套开启压力，液压滑套36打开，沟通最下部的测试层；关主测试阀23，采用抽吸或连续油管气举方式降液面，直到降至设定的测试压差为止；通过环空加压操作主测试阀23多次开关，进行最下层油层测试；

第三步第二层试油：第二层是邻接于所述最下层上部的油层；下层试油结束后，关主测试阀23，打开多次循环阀22，进行洗井、压井、油管内替入液垫；替液结束后，关闭多次循环阀22，打开主测试阀23，管柱21内投进与对应于所述第二层油层的液压开关阀1相对应的球，待球入位，加压至设定压力，打开该液压开关阀1，关闭下部油层的同时沟通上部油层；关主测试阀23，采用抽吸或连续油管气举方式降液面，直到降至设定的测试压差为止；打开主测试阀23，通过环空加压操作主测试阀23多次开关，进行第二层测试；

第四步其它层试油：按油层逐层向上的顺序，重复第三步完成全部各个油层的分层试油；

第五步压井、解封、起管柱：完成全部层测试后，打开多次循环阀22，进行洗井、压井作业；压井结束后，拆井口，直接上提管柱，分级、依次解封全部封隔器，将不起下管柱多层段连续试油系统全部起出。

在上述操作方法中，所述液压滑套开启压力高于所述坐封压力。

在上述操作方法中，每一层油层在测试结束后，如果需要，还可以进行增产改造、排液、求产作业。

在上述操作方法中，从所述第二层开始，按如下方法进行增产改造、排液及求产作业：通过油管加压剪断所述液压开关阀1的球座套体剪钉114，连通外循环孔101a和内循环孔105a，打开注入通道进行增产改造、排液、求产作业，直至当前层试油结束。

上述本发明的不起下管柱多层段连续试油系统及其使用方法，能实现不动管柱进行逐层试油，完成每一层的压前测试、增产改造及压后排液、求产作业。

本发明的液压开关阀除应用在不起下管柱多层段连续试油系统之外，还能应用于单层作业的油气井测试——酸压联作管柱，其操作方法如下：

本发明的液压开关阀作为一种投球内加压式旁通阀，安装在主测试阀上方，随单层作业的油气井测试——酸压联作管柱其它工具一起入井，安装时液压开关阀处于油层位置，外循环孔被内循环孔与上接头之间的密封圈封住，循环孔为关闭状态，下部的球阀为打开状态。当测试、酸压、排液求产结束后，通过投球、管柱内加压操作的方式，使液压开关阀的球阀关闭，封闭球阀下方的生产通道；心轴继续下行至全部行程的终点，使心轴的内循环孔与上接头的外循环孔刚好处于对正位置，打开旁通阀的旁通道道，提供可靠的洗、压井通道。与其它旁通阀相比，本发明可提高单层作业的油气井测试——酸压联作的成功率，也避免因为旁通阀的原因使酸压时平衡压力的设置受到局限，使测试——酸压联作的应用效果最大化。

以上所举仅为本发明示意性的部分实施例，并非用以限制本发明的范围，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应包括在本专利保护范围之内。

Claims (6)

1.一种液压开关阀，连接于井下测试管柱上，其特征在于，所述液压开关阀为一多层的中空管状体，沿径向具有外层、中间层和内层，所述外层沿轴向自上而下连接有上接头、中间接头、球阀外筒和下接头；所述中间层具有可滑动地设置于所述外层内侧的中空心轴，心轴通过心轴剪钉固定于中间接头，所述中间层在心轴下端沿心轴的轴线延长线方向还依序设有连接爪、连接短节、上座圈和下座圈，上座圈侧壁上开设有两个平行凹槽，两个长条形的操作臂分别嵌设于所述两个平行凹槽内，操作臂的顶端与连接短节的底端扣接；所述内层在心轴内腔上部设有顶端能被投球卡封的球座套体，所述内层在上、下座圈内设有球阀总成，球阀总成具有上球座、下球座及结合于两球座中的球阀，球阀与上球座间设有座弹簧，而球阀与操作臂的凸起操作端配合；

其中，所述上接头设有外循环孔，所述心轴在所述外循环孔的上侧还设有内循环孔和泄压孔，所述泄压孔的轴向位置位于所述外循环孔和内循环孔之间。

2.根据权利要求1所述的液压开关阀，其特征在于，所述外循环孔和内循环孔之间的轴向距离大于所述球阀的轴向行程；而所述外循环孔和泄压孔的轴向距离小于或等于所述球阀的轴向行程。

3.根据权利要求1所述的液压开关阀，其特征在于，所述球座套体通过一球座套体剪钉固定于所述心轴内腔上部，且用于剪断球座套体剪钉的设计剪切力大于用于剪断所述心轴剪钉的设计剪切力。

4.根据权利要求1-3任一项所述的液压开关阀，其特征在于，所述球阀上设有两个凹洞，分别与各所述操作臂的凸起操作端相卡合；而所述连接短节下端具有一凹槽，所述操作臂的上端具有凸起，该凸起与连接短节下端的凹槽扣合。

5.根据权利要求1-3任一项所述的液压开关阀，其特征在于，所述球座套体的顶面具有一能与投球配合密封管柱内腔的密封面，而球座套体的下部环设有多个密封圈；所述心轴的外壁在其内循环孔上部、内循环孔与该上接头外循环孔之间、该上接头外循环孔下方均设有与上接头内壁配合的密封圈。

6.根据权利要求1-3任一项所述的液压开关阀，其特征在于，所述连接爪的上部利用弹力卡在所述心轴的下端。

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