CN104481437A - 一种带压低扭矩方钻杆旋塞阀 - Google Patents

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黄勇
黄建军
许召民
王业飞
冯林林
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    • E21B—EARTH DRILLING, e.g. DEEP DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B21/00—Methods or apparatus for flushing boreholes, e.g. by use of exhaust air from motor
    • E21B21/10—Valve arrangements in drilling-fluid circulation systems

Abstract

本发明公开了一种带压低扭矩方钻杆旋塞阀，属于钻井装备技术领域；所述旋塞阀包括阀体、下阀座、阀芯和上阀座；所述下阀座、上阀座和阀芯配合装配于阀体内，所述阀芯上部配合设置有穿透阀体的阀杆,所述下阀座与阀体的装配面间设置有第一密封圈，所述第一密封圈为唇形密封圈；本发明的带压低扭矩方钻杆旋塞阀，具有结构简单、使用方便的优点，解决了传统的方钻杆旋塞阀高压下开启难度大而影响钻井作业等问题，通过本发明技术方案的改进大大的减小了旋塞阀的开关力矩，使得在高压下开启旋塞阀成为可能，并可实现在70MPa的压差通过单人开启的低扭矩旋塞阀，较好的满足了市场和生产现场需求。

Description

一种带压低扭矩方钻杆旋塞阀
技术领域
本发明涉及一种阀门，尤其是一种带压低扭矩方钻杆旋塞阀，属于钻井装备技术领域。
背景技术
方钻杆旋塞阀为球阀结构，是通过钢球与阀座锥面形成密封。方钻杆旋塞阀的作用是在钻井过程中，当地层压力超过泥浆静液柱压力时，防止地层压力推动泥浆沿钻柱水眼向上喷出，保护水龙带不会因高压而被憋坏。方钻杆旋塞阀的使用，不仅能防止泥浆从钻具水眼喷出，保护水龙带不受地层高压的破坏，同时也起到节约泥浆、保持钻台清洁、减少环境污染的作用，最重要的是能避免发生严重的井喷事故。
常规的方钻杆旋塞阀由于阀内部钢球与阀座之间及操作旋钮与本体之间摩擦力矩过大使得开启力矩过大。在实际使用过程中经常需要打开旋塞阀，在钢球两端压差达到10MPa以上时，单人用操作扳手并带加力杆都无法开启，严重影响了旋塞阀的正常使用。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种新型的带压低扭矩方钻杆旋塞阀，在高压差情况下可以轻松的对阀门进行开启操作。
本发明采用的技术方案如下：
一种带压低扭矩方钻杆旋塞阀，包括阀体、下阀座、阀芯和上阀座；所述下阀座、上阀座和阀芯配合装配于阀体内，所述阀芯上部配合设置有穿透阀体的阀杆，所述下阀座与阀体的装配面间设置有第一密封圈，所述第一密封圈为唇形密封圈。
本发明的带压低扭矩方钻杆旋塞阀，所述上阀座与阀体的装配面间设置有第二密封圈，第二密封圈可以为O型密封圈，也可以为唇形密封圈，较好的为唇形密封圈。
本发明的带压低扭矩方钻杆旋塞阀，所述阀芯底部与阀体的装配面间、阀杆与阀体的横向装配面间，至少一处设置有轴承。
进一步的，所述阀芯底部与阀体的装配面间、阀杆与阀体的横向装配面间，均设置有轴承。
进一步的，所述阀杆与阀体的装配面间设置有第三密封圈，所述第三密封圈设置于轴承外侧的装配面位置。
本发明的带压低扭矩方钻杆旋塞阀，所述轴承为滚针轴承。
进一步的，所述阀体底部设置有支撑块，所述轴承通过支撑块设置于阀芯底部与阀体的装配面间。
本发明的带压低扭矩方钻杆旋塞阀，所述阀芯的阀座配合面的表面硬度为240-280HB。
本发明的带压低扭矩方钻杆旋塞阀，所述上阀座和下阀座的阀芯配合面的表面硬度为240-280HB。
本发明的带压低扭矩方钻杆旋塞阀，所述下阀座、阀芯和上阀座通过拼合扣环、扣环和挡圈定位装配于阀体内。
本发明的带压低扭矩方钻杆旋塞阀，所述阀体的一端部为公扣，另一端部为母扣。
旋塞阀结构原理（如图1所示）是通过阀芯的钢球面与阀座的锥面接触形成密封。
在旋塞阀阀芯钢球受到液压推力作用时，其开启力矩主要由阀芯钢球与阀座的摩擦力矩和阀杆与阀体之间的摩擦力矩构成。
经过发明人大量的、深入的分析发现：阀芯钢球与上阀座密封时，下阀座没有能够与钢球紧密接触，高压下致使泥浆通过阀芯与下阀座的间隙进入阀体间隙，造成阀杆与阀芯钢球止推面间的摩擦扭矩增大，从而导致在阀芯钢球两端产生压差时开启旋塞阀困难；本发明通过将传统下阀座和阀体装配面间“O”型密封圈设计，修改为下阀座与阀体装配面唇形密封圈密封方案；通过唇形密封圈密封不仅提高了密封效果，同时也达到在开关旋塞阀时力矩平衡，降低在阀门关闭状态下阀芯钢球对上阀座的推力使得阀芯钢球与阀座之间的摩擦力矩减小。
对阀芯钢球与上阀座之间的摩擦力矩分析，如图1所示：
M=FL      F为阀芯钢球与上阀座之间的摩擦力、L为摩擦力臂
F=μN     μ为摩擦系数，N为阀芯钢球对上阀座的正压力。
N=（F1+F2）/sinθ
从上述公式可以看出，减小阀芯钢球与上阀座之间的摩擦系数，及降低阀芯钢球对上阀座的压力均可降低摩擦力矩，但由于水眼及额定工作压力的限制使得阀芯钢球的外径减小困难，因此在井压下降低阀芯钢球对阀座的压力困难，故采用减低阀芯钢球与阀座摩擦系数的办法来减小摩擦力矩。本发明将阀芯的阀座配合面的表面硬度提高为240-280HB，上阀座和下阀座的阀芯配合面的表面硬度提高为240-280HB，有效的降低了阀芯钢球与阀座的摩擦系数，同时高硬度和耐磨性的阀芯解决了频繁开启旋塞阀极易导致阀芯钢球变形的问题，同时本发明通过特殊的唇形密封圈密封方案使得F1为0。
本发明还创造性的采用在阀芯底部与阀体的装配面间、阀杆与阀体的横向装配面间，两处至少一处设置轴承的方式来降低阀芯和阀体、阀杆与阀体件的摩擦力。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
所述带压低扭矩方钻杆旋塞阀，具有结构简单、使用方便的优点，解决了传统的方钻杆旋塞阀高压下开启难度大而影响钻井作业等问题，同过本发明技术方案的改进大大的减小了旋塞阀的开关力矩，使得在高压下开启旋塞阀成为可能，并可实现在70MPa的压差通过单人开启的低扭矩旋塞阀，较好的满足了市场和生产现场需求。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是传统方钻杆旋塞阀结构及受力分析图；
图2是本发明的带压低扭矩方钻杆旋塞阀结构示意图；
图3是本发明图2中A点放大示意图；
图4是本发明图2中B点放大示意图；
图5是本发明图2中C点放大示意图；
图中标记：1-阀体、2-第一密封圈、3-下阀座、4-阀芯、5-阀杆、6-第三密封圈、7-轴承、8-上阀座、9-支撑块、10-第二密封圈、11-拼合扣环、12-扣环、13-挡圈、14-公扣、15-母扣。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书（包括任何附加权利要求、摘要）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
实施例
本发明的带压低扭矩方钻杆旋塞阀，其结构如图2所示，包括阀体1、上阀座8、下阀座3和阀芯4；所述下阀座3、阀芯4和上阀座8通过配合的拼合扣环11、扣环12和挡圈13定位装配于阀体1内，所述阀芯4上部配合设置有穿透阀体1的阀杆5，所述阀杆5通过方形块和阀芯4的适配的方形槽进行装配；阀体1的一端部为公扣14，另一端部为母扣15。
本发明的带压低扭矩方钻杆旋塞阀，所述下阀座3和阀体1的装配面间设置有第一密封圈2，所述第一密封圈2为唇形密封圈，所述唇形密封圈设置于下阀座3与阀体1的竖直装配面位置(如图3所示)；所述上阀座8与阀体1的装配面间设置有第二密封圈10，所述第二密封圈10可以为“O”型密封圈或者唇形密封圈，本实施例中也选用唇形密封圈；所述阀杆5与阀体1的装配面间设置有第三密封圈6。
本发明的带压低扭矩方钻杆旋塞阀，所述阀芯4底部与阀体1的装配面间、所述阀杆5与阀体1的横向装配面间，至少一处设置有轴承7；本实施例中阀芯4底部与阀体1的装配面间、所述阀杆5与阀体1的横向装配面间，均设置有轴承7，所述轴承7为滚针轴承，所述第三密封圈6则设置于轴承7外侧的装配面位置(如图4所示)。其中：阀芯4底部与阀体1间的轴承7通过设置于阀体1底部的支撑块9安装，支撑块9设置有与轴承7内径适配的圆柱段，轴承7定位于圆柱段内(如图5所示)，阀杆5与阀体1横向装配面间的轴承7以阀杆5的外径进行定位装配(如图4所示)，轴承7的上下安装平面与两装配面相接触。
本实施例中，所述阀芯4的阀座配合面的表面硬度为240-280HB，所述上阀座8和下阀座3的阀芯配合面的表面硬度为240-280HB。
本发明的带压低扭矩方钻杆旋塞阀，具有结构简单、使用方便的优点，解决了传统的方钻杆旋塞阀高压下开启难度大而影响钻井作业等问题，同过本发明技术方案的改进大大的减小了旋塞阀的开关力矩，使得在高压下开启旋塞阀成为可能，并可实现在70MPa的压差通过单人开启的低扭矩旋塞阀，较好的满足了市场和生产现场需求。
所述带压低扭矩方钻杆旋塞阀，在川东钻探、塔里木油田使用实验中产生了非常好的使用效果，大大的减小了旋塞阀的开关力矩，使得在高压下开启旋塞阀成为可能。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (10)

1.一种带压低扭矩方钻杆旋塞阀，其特征在于：包括阀体（1）、下阀座（3）、阀芯（4）和上阀座（8）；所述下阀座（3）、上阀座（8）和阀芯（4）配合装配于阀体（1）内，所述阀芯（4）上部配合设置有穿透阀体（1）的阀杆（5），所述下阀座（3）与阀体（1）的装配面间设置有第一密封圈（2），所述第一密封圈（2）为唇形密封圈。
2.如权利要求1所述的带压低扭矩方钻杆旋塞阀，其特征在于：所述上阀座（8）与阀体（1）的装配面间设置有第二密封圈（10）。
3.如权利要求1所述的带压低扭矩方钻杆旋塞阀，其特征在于：所述阀芯（4）底部与阀体（1）的装配面间、阀杆（5）与阀体（1）的横向装配面间，至少一处设置有轴承（7）。
4.如权利要求3所述的带压低扭矩方钻杆旋塞阀，其特征在于：所述阀芯（4）底部与阀体（1）的装配面间、阀杆（5）与阀体（1）的横向装配面间，均设置有轴承（7）。
5.如权利要求4所述的带压低扭矩方钻杆旋塞阀，其特征在于：所述阀杆（5）与阀体（1）的装配面间设置有第三密封圈（6），所述第三密封圈（6）设置于轴承（7）外侧的装配面位置。
6.如权利要求3或4或5所述的带压低扭矩方钻杆旋塞阀，其特征在于：所述轴承（7）为滚针轴承。
7.如权利要求6所述的带压低扭矩方钻杆旋塞阀，其特征在于：所述阀体（1）底部设置有支撑块（9），所述轴承（7）通过支撑块（9）设置于阀芯（4）底部与阀体（1）的装配面间。
8.如权利要求1或2或3或4或5或7所述的带压低扭矩方钻杆旋塞阀，其特征在于：所述阀芯（4）的阀座配合面的表面硬度为240-280HB。
9.如权利要求1或2或3或4或5或7所述的带压低扭矩方钻杆旋塞阀，其特征在于：所述上阀座（8）和下阀座（3）的阀芯配合面的表面硬度为240-280HB。
10.如权利要求1或2或3或4或5或7所述的带压低扭矩方钻杆旋塞阀，其特征在于：所述下阀座（3）、阀芯（4）和上阀座（8）通过拼合扣环（11）、扣环（12）和挡圈（13）定位装配于阀体（1）内。
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