CN103821477B - 自平衡井下安全阀 - Google Patents

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Abstract

本发明属于油气田开发领域,具体地,涉及一种自平衡井下安全阀。自平衡井下安全阀,采用柱形环空结构,包括:上接头、活塞套、弹簧套、连接接头、下接头、驱动管、中心管、弹簧、阀座结构;其特征在于:上接头、活塞套、弹簧套、连接接头、下接头依次固定连接形成中空的壳体,驱动管、中心管、弹簧、阀座结构设置在上接头、活塞套、弹簧套、连接接头、下接头所形成的壳体内,且驱动管与中心管固定连接,弹簧设在中心管上,弹簧的顶端、底端分别抵靠在驱动管的底部、连接头的顶部,连接接头的下端设有阀座结构。本发明能出色地完成正常工作状态下的油井开闭动作的同时,设计有较为可靠的后期补救功能,大大提高了井口安全系统的可靠性。

Description

自平衡井下安全阀
技术领域
本发明属于油气田开发领域,具体地,涉及一种自平衡井下安全阀。
背景技术
井下安全阀是井口安全系统的重要组成部分,其发展经历了约70年的时间。常见安全阀的工作原理如下:在正常工作时,地面的控制液作用在活塞杆上,活塞杆顶推驱动管和中心管、同时弹簧被压缩,阀板打开,保持地面控制液的压力供应,阀板常开,油井上下连通;当出现紧急情况需要关闭油井时,将地面的控制液卸荷,中心管、驱动管在弹簧力的作用下上行,中心管作用在阀板上的力消失,阀板在扭簧的作用下关闭油井。
目前,井下安全阀存在以下问题:当安全阀在一些超深井中使用时,控制管线或者密封圈易出现泄漏,造成油套空间内的高压油液进入活塞腔。则活塞上的作用力居高不下,即使将地面的控制液卸荷,中心管也无法在弹簧力的作用下上行,造成阀板无法关闭的情况;当井下安全阀开闭动作频繁或操作压力过高时,易造成密封圈的失效,这将带来井下安全阀本体泄漏的问题,安全阀因系统失压而关闭时,油井无法正常工作。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题,本发明提供一种自平衡井下安全阀,创新性地设计了阀板结构,增加了强行打开阀板时用到的永久锁定结构,以及在超深井环境中涉及到的自平衡结构,大大改善了井下安全阀的总体性能,将井下安全阀的下入深度提高到1000米。
为实现上述目的,本发明所采用的技术方案如下:
一种自平衡井下安全阀,采用柱形环空结构,包括:上接头、活塞套、弹簧套、连接接头、下接头、驱动管、中心管、弹簧、阀座结构;上接头、活塞套、弹簧套、连接接头、下接头依次固定连接形成中空的壳体,驱动管、中心管、弹簧、阀座结构设置在上接头、活塞套、弹簧套、连接接头、下接头所形成的壳体内,且驱动管与中心管固定连接,弹簧设在中心管上,弹簧的顶端、底端分别抵靠在驱动管的底部、连接接头的顶部,连接接头的下端设有阀座结构。
相对于现有技术,本发明具有如下有益效果:与现有的井下安全阀相比,能出色地完成正常工作状态下的油井开闭动作的同时,设计有较为可靠的后期补救功能,在安全阀因密封圈密封失效或是控制管线泄漏而无法正常工作时,通过永久锁定装置和自平衡装置,完成安全阀的永久关闭或永久打开操作,并为安全阀的维修提供便利,大大提高了井口安全系统的可靠性。
附图说明
图1是自平衡井下安全阀打开状态示意图;
图2是自平衡井下安全阀关闭状态示意图;
图3是自平衡井下安全阀下入永久锁定井下工具后的示意图;
图4是自平衡井下安全阀自平衡动作后的示意图;
图5是阀板的轴测图;
图6是永久锁定井下工具;
图中:1、上接头,2、控制管线,3、第一固定销,4、锁定筒,5、锁簧,6、活塞套,7、第一密封圈,8、第二密封圈,9、活塞杆,10、驱动管,11、第三密封圈,12、剪切销钉,13、弹簧,14、弹簧套,15、中心管,16、第四密封圈,17、连接接头,18、第五密封圈,19、阀座结构,20、支撑筒,21、第二固定销,22、下接头,23、永久锁定井下工具,61、开孔,62、活塞腔,63、锁孔,121、销钉内孔,141、直角凸起,142、弹簧腔,191、阀座,192、第六密封圈,193、阀座插头,194、销钉,195、扭簧,196、阀板,1961、阀板上端面,1962、阀板侧面,231、耳板。
具体实施方式
如图1、图2、图3、图4所示,自平衡井下安全阀,采用柱形环空结构,包括:上接头1、活塞套6、弹簧套14、连接接头17、下接头22、驱动管10、中心管15、弹簧13、阀座结构19。
上接头1为圆柱壳体结构,下端带有外螺纹。
活塞套6为变截面圆柱壳体,上段外径小、下段外径大,上段、下段衔结位置形成一台阶面,下段的壳体壁内设有活塞腔62,在台阶面上设有与活塞腔62贯通的开孔61,控制管线2通过开孔61与活塞腔62连通;活塞腔62内设有活塞杆9;活塞杆9由活塞腔62的下端装入,活塞杆9顶端的外壁上带有三圈密封圈,活塞杆9的下端面与驱动管10的台阶面接触;由控制管线2流入活塞腔62的控制液作用于活塞杆9的上端面,作用力经活塞杆9传递给驱动管10。
活塞套6顶端内壁上设有内螺纹,活塞套6通过该内螺纹与上接头1的外螺纹配合;为增强密封效果,活塞套6下段底部一段外壁车去一定厚度,进行表面精加工后开设共两道的第一密封槽,第一密封槽内装入第一密封圈7,活塞套6下段车去一定厚度部分向上的位置处设有外螺纹。
活塞套6中间的空腔形成一径缩段,径缩段位于台阶面等高的位置;锁定筒4紧顶径缩段下部安装,锁定筒4通过第一固定销3固定在活塞套6中间的空腔内;活塞套6空腔的底部设有第二密封槽、锁孔63,锁孔63位于第二密封槽的上部,第二密封圈8在驱动管10与活塞套6之间形成密封。
弹簧套14为薄壁圆筒结构,弹簧套14的外径与活塞套6下段的外径相同,上端、下端均带有内螺纹,弹簧套14通过上端的内螺纹与活塞套6下端的外螺纹配合;弹簧套14的空腔内设置直角凸起141,活塞套6、弹簧套14组装后直角凸起141的顶面与活塞套6的底面接触;弹簧套14的中部开有剪切销钉安装孔,剪切销钉安装孔内设有剪切销钉12,剪切销钉12的中部开有一定深度的销钉内孔121。
正常工作时,油套空间(油管和套管之间的环形空间)和弹簧腔142被隔开;当油套空间中的高压油发生泄漏进入活塞腔62后,作用到驱动管10上的力增大,驱动管10继续下行,剪切销钉12被剪断后,中部的小孔可将油套空间与弹簧腔142贯通,如图4。
连接接头17为变截面圆柱壳体结构,上段外径大、下段外径小,上段、下段之间通过斜面过渡;上段外壁上部设有第一外螺纹、下部设有第二外螺纹,第一外螺纹与第二外螺纹之间的部分为光圆柱面,光圆柱面的外径与弹簧套14的外径相同;第一外螺纹与弹簧套14下部的内螺纹配合,第一外螺纹上侧开有第四密封槽,第四密封槽内装入第四密封圈16;第二外螺纹下侧开有第五密封槽,第五密封槽内装入第五密封圈18;下段外壁的下端设有第三外螺纹,连接接头17内部空腔的上部小、底部大,形成一台阶面。
下接头22为变截面圆柱壳体结构,下接头22外部分为上段、中段、下段三部分,上段和中段为圆柱面,下段为圆锥面;上段外径大、中段外径小,上段、中段之间通过45°的锥面过渡;中段的外径比下段外径大,中段、下段之间通过45°的锥面过渡;上段的外径与弹簧套14的外径相同;下接头22上部带有内螺纹,下接头22的内螺纹与连接接头17的第二外螺纹配合;下接头下段的锥面上带有外螺纹。
下接头22的内部空腔自上而下分为上段、中段、下段三部分,上段、中段之间直角过渡,形成台阶面;中段、下段之间直角过渡,形成台阶面;中段空腔内沿圆周方向等间距设有六个销孔,内部空腔的上段内径与弹簧套14的内径相同;内部空腔的中段安装有支撑筒20;支撑筒20为圆柱壳体结构,支撑筒20的外径与下接头22中段空腔的内径相同,支撑筒20内孔直径上段大、下段小,上下两段之间通过直角过渡,衔结位置形成一台阶面,支撑筒20上段沿圆周方向等间距设有共六个的第二固定销21,支撑筒20通过第二固定销21与下接头22的销孔固定,支撑筒20的底端与下接头22的中段空腔、下段空腔之间的台阶面相距一定距离。
锁定筒4为圆柱壳体结构,锁定筒4的外径与活塞套6空腔的下部内径相同,锁定筒4的内孔直径上段大、下段小,上段、下段孔壁之间通过45°的锥面过渡;锁定筒4外壁的底部开有锁簧孔,锁簧孔内装有锁簧5,锁簧5由弹簧和弹子组成;组装时,先下入弹簧,再下入弹子,安装锁定筒4之前先使用外力压缩锁簧5,使得弹子完全进入锁簧孔。
驱动管10为变截面圆柱壳体结构,上段外径小、中段外径大,下段外径小于中段外径、大于上段外径,上段与中段之间形成一台阶面,中段与下段之间通过45°的锥面过渡;驱动管10上段外径与活塞套6下部空腔的内径相同;驱动管10的中段外径与弹簧套14的内径相同,驱动管10中段上设有共两道的第三密封槽,第三密封槽内装入第三密封圈11,第三密封圈11在弹簧套14与驱动管10之间形成密封;驱动管10的下端带有内螺纹;驱动管10安装后上段伸入活塞套6下部的空腔,中段外壁与弹簧套14的内壁接触,台阶面与活塞杆9的底部接触。
中心管15为圆柱壳体结构,外径稍小于连接接头17的内径,中心管15从连接接头17的内部空腔穿过,顶端带有外螺纹,中心管15通过顶端的外螺纹与驱动管10的内螺纹配合。
弹簧13安装在弹簧套14内,套设在中心管15上,弹簧13顶端与驱动管10的下端面接触,弹簧13底端与连接接头17的上端面接触。
阀座结构19,包括:阀座191、阀座插头193和阀板196;阀座191为圆柱壳体结构,阀座191外径小于弹簧套14的内径、大于连接接头17下段的外径,阀座191的内径上段大、下段小,上段、下段之间形成台阶面;阀座191的上段带有内螺纹,与连接接头17的第三外螺纹配合;下段空腔中间位置设有一台阶面。
阀座插头193为薄壁圆筒结构,下端面为球面,安装后阀座插头193的上端面与连接接头17空腔内的台阶面接触,下端面的边缘线抵在阀座191下段的台阶面上,阀座191与连接接头17连接的同时将阀座插头193固定;阀座插头193的外壁设有第六密封槽,第六密封槽内设有第六密封圈192,第六密封圈192在连接接头17与阀座插头193之间形成密封。
阀座191下部切去边角后焊接有两块耳板,耳板内装有销钉194,销钉194穿过阀板196的销孔把阀板铰接在阀座上,穿入销钉194的扭簧195将阀板196压紧。
阀板196设计为曲面阀板,球面密封,上端面1961采用与中心管15相切的曲面结构,减少阀板196重量的同时增加了与中心管15的接触面积,减小了撞击的影响;阀板196的侧面1962为球面,密封接合面较大,而且在阀板旋转过程中,球面和球面之间始终能够很好的闭合,密封效果大大改善;阀板196远离铰链的一端切去不必要的部分,有效地减轻了阀板196的重量,进一步减小了中心管15的冲击对阀板196的影响。
如图1,阀板196打开时,上端面1961与中心管15的外壁接触,如图2,阀板196关闭时,阀板的侧面1962与阀座插头193的下端面接触。
永久锁定井下工具23为一变截面轴类零件,下部的外侧对称设有两处耳板231。
上述的自平衡井下安全阀操作方法如下:
(1)、安全阀连同油管下入到井下,开始工作之前,安全阀的阀板处于关闭状态;
正常工作时,地面的控制液经控制管线进入活塞套内的活塞腔,向活塞杆施加向下的压力,活塞杆推动驱动管,驱动管带动中心管下行,同时压缩弹簧,一部分驱动力转化为弹簧力储存起来,中心管顶开阀板,使得油管内部上下连通,实现打开操作,打开后的安全阀如图1,完全打开时,中心管下端抵靠在支撑筒20内孔的台阶面上,阀板的上端面紧靠中心管外壁;在驱动管下行的过程中,中段与下段之间的过渡面始终处于剪切销钉之上。
(2)、当出现紧急情况或者维修需要关井时,首先将控制管线内的控制液卸荷,这样作用在活塞杆上的压力消失,在弹簧力的作用下,驱动管带动中心管上行,阀板在扭簧的作用下闭合,阀板上端面与阀座插头下端面球面密封,从而截断中心管内部的油液,实现对油井的关闭,关闭后的安全阀如图2。
(3)、永久锁定井下工具,永久打开井下安全阀:当安全阀因系统失压而关闭时,为保持油井的正常流通,需下入永久锁定井下工具将安全阀强行打开,下入永久锁定井下工具后,向其施压,井下工具向锁定筒传递压力,第一固定销被剪断,锁定筒下行推动驱动管,驱动管带动中心管下行打开阀板,同时可控制锁定套筒上锁簧的位置,使其弹入锁孔完成永久锁定;完全打开时,中心管下端抵靠在支撑筒内孔的台阶面上,阀板的上端面紧靠中心管外壁。
(4)、自平衡动作:当控制管线出现泄漏或密封损坏时,油套空间的高压油进入活塞腔,易造成无法关闭阀板的情况,此装置在这种情况发生时,开始自平衡动作。进入活塞腔的高压油推动活塞杆、驱动管下行,驱动管下行的过程中剪断剪切销钉,进而剪切销钉中部的小孔连通油套空间和弹簧腔,高压油进入弹簧腔,作用到驱动管底面上,由于在设计中,使得高压油向上的作用面比向下的作用面大,再加上弹簧力的作用,中心管、驱动管上行,阀板在扭簧的作用下关断油井。
剪切销钉被剪断的过程中第二固定销也被剪断,中心管推动支撑筒下行,支撑筒若继续下行,最后将落在下接头内部空腔的自上而下第二个台阶面上,此位置是中心管下行的极限位置。
(5)、外力作用下的自平衡:当控制管线泄漏后的油压不足以剪断剪切销钉时,可下入井下工具,旋转锁定筒不让锁簧进入锁孔,向井下工具施加压力,强行剪断第一固定销及剪切销钉,同样能完成自平衡动作。

Claims (9)

1.一种自平衡井下安全阀,采用柱形环空结构,包括:上接头、活塞套、弹簧套、连接接头、下接头、驱动管、中心管、弹簧、阀座结构;其特征在于:上接头、活塞套、弹簧套、连接接头、下接头依次固定连接形成中空的壳体,弹簧套为薄壁圆筒结构,弹簧套的中部开有剪切销钉安装孔,剪切销钉安装孔内设有剪切销钉,剪切销钉的中部开有一定深度的销钉内孔,驱动管、中心管、弹簧、阀座结构设置在上接头、活塞套、弹簧套、连接接头、下接头所形成的壳体内,且驱动管与中心管固定连接,弹簧设在中心管上,弹簧的顶端、底端分别抵靠在驱动管的底部、连接接头的顶部,连接接头的下端设有阀座结构。
2.根据权利要求1所述的自平衡井下安全阀,其特征在于,活塞套为变截面圆柱壳体,上段外径小、下段外径大,上段、下段衔结位置形成一台阶面,下段的壳体壁内设有活塞腔,在台阶面设有与活塞腔贯通的开孔,控制管线通过开孔与活塞腔连通;活塞腔内设有活塞杆;活塞套中间的空腔形成一径缩段,径缩段位于台阶面等高的位置;活塞套中间的空腔内装有锁定筒,锁定筒紧顶径缩段下部安装,锁定筒通过第一固定销固定在活塞套中间的空腔内;活塞套空腔的底部设有第二密封槽、锁孔,锁孔位于第二密封槽的上部,第二密封圈在驱动管与活塞套之间形成密封。
3.根据权利要求2所述的自平衡井下安全阀,其特征在于,锁定筒为圆柱壳体结构,锁定筒的外径与活塞套空腔的下部内径相同,锁定筒的内孔直径上段大、下段小,上段、下段孔壁之间通过45°的锥面过渡;锁定筒外壁的底部开有锁簧孔,锁簧孔内装有锁簧,锁簧由弹簧和弹子组成。
4.根据权利要求3所述的自平衡井下安全阀,其特征在于,下接头为变截面圆柱壳体结构,内部空腔的中段安装有支撑筒。
5.根据权利要求4所述的自平衡井下安全阀,其特征在于,驱动管为变截面圆柱壳体结构,上段外径小、中段外径大,下段外径小于中段外径、大于上段外径,上段与中段之间形成一台阶面,中段与下段之间通过45°的锥面过渡;驱动管上段外径与活塞套下部空腔的内径相同;驱动管的中段外径与弹簧套的内径相同。
6.根据权利要求5所述的自平衡井下安全阀,其特征在于,中心管为圆柱壳体结构,外径稍小于连接接头的内径,中心管从连接接头的内部空腔穿过;弹簧安装在弹簧套内,套在中心管上,弹簧顶端与驱动管的下端面接触,弹簧底端与连接接头的上端面接触。
7.根据权利要求6所述的自平衡井下安全阀,其特征在于,阀座结构,包括:阀座、阀座插头和阀板;阀座为圆柱壳体结构,阀座外径小于弹簧套的内径、大于连接接头下段的外径,阀座的内径上段大、下段小,上段、下段之间形成台阶面;阀座的上段带有内螺纹,与连接接头的第三外螺纹配合;下段空腔中间位置设有一台阶面;阀座插头为薄壁圆筒结构,下端面为球面,安装后阀座插头的上端面与连接接头空腔内的台阶面接触,下端面的边缘线抵在阀座下段的台阶面上,阀座与连接接头连接的同时将阀座插头固定;阀座插头的外壁设有第六密封槽,第六密封槽内设有第六密封圈,第六密封圈在连接接头与阀座插头之间形成密封;阀座下部切去边角后焊接有两块耳板,耳板内装有销钉,销钉穿过阀板的销孔把阀板铰接在阀座上,穿入销钉的扭簧将阀板压紧;阀板设计为曲面阀板,球面密封,上端面采用与中心管相切的曲面结构;阀板的侧面为球面。
8.根据权利要求7所述的自平衡井下安全阀,其特征在于,上接头为圆柱壳体结构,下端带有外螺纹;活塞杆顶端的外壁上带有三圈密封圈,活塞杆的下端面与驱动管的台阶面接触;活塞套顶端内壁上设有内螺纹,活塞套通过该内螺纹与上接头的外螺纹配合;活塞套下段底部一段外壁车去一定厚度,进行表面精加工后开设两道第一密封槽,第一密封槽内装入第一密封圈,活塞套下段车去一定厚度部分向上的位置处设有外螺纹;弹簧套的外径与活塞套下段的外径相同,上端、下端均带有内螺纹,弹簧套通过上端的内螺纹与活塞套下端的外螺纹配合;弹簧套的空腔内设置直角凸起,活塞套、弹簧套组装后直角凸起的顶面与活塞套的底面接触;连接接头为变截面圆柱壳体结构,上段外径大、下段外径小,上段、下段之间通过斜面过渡;上段外壁上部设有第一外螺纹、下部设有第二外螺纹,第一外螺纹与第二外螺纹之间的部分为光圆柱面,光圆柱面的外径与弹簧腔的外径相同;第一外螺纹与弹簧套下部的内螺纹配合,第一外螺纹上侧开有第四密封槽,第四密封槽内装入第四密封圈;第二外螺纹下侧开有第五密封槽,第五密封槽内装入第五密封圈;下段外壁的下端设有第三外螺纹,连接接头内部空腔的上部小、底部大,形成一台阶面;下接头外部分为上段、中段、下段三部分,上段和中段为圆柱面,下段为圆锥面;上段外径大、中段外径小,上段、中段之间通过45°的锥面过渡;中段的外径比下段外径大,中段、下段之间通过45°的锥面过渡;上段的外径与弹簧套的外径相同;下接头上部带有内螺纹,下接头的内螺纹与连接接头的第二螺纹配合;下接头下段的锥面上带有外螺纹;下接头的内部空腔自上而下分为上段、中段、下段三部分,上段、中段之间直角过渡,形成台阶面;中段、下段之间直角过渡,形成台阶面;中段空腔内沿圆周方向等间距设有六个销孔,内部空腔的上段内径与弹簧套的内径相同;内部空腔的中段安装有支撑筒;支撑筒为圆柱壳体结构,支撑筒的外径与下接头中段空腔的内径相同,支撑筒内孔直径上段大、下段小,上下两段之间通过直角过渡,衔结位置形成一台阶面,支撑筒上段沿圆周方向等间距分布共六个的第二固定销,支撑筒通过第二固定销与下接头的销孔固定,支撑筒的底端与下接头的中段空腔、下段空腔之间的台阶面相距一定距离。
9.根据权利要求8所述的自平衡井下安全阀,其特征在于,驱动管中段上设有共两道的第三密封槽,第三密封槽内装入第三密封圈,第三密封圈在弹簧套与驱动管之间形成密封;驱动管的下端带有内螺纹;驱动管安装后上段伸入活塞套下部的空腔,中段外壁与弹簧套的内壁接触,台阶面与活塞杆的底部接触;中心管为圆柱壳体结构,外径稍小于连接接头的内径,中心管从连接接头的内部空腔穿过,顶端带有外螺纹,中心管通过顶端的外螺纹与驱动管的内螺纹配合。
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