CN105019860B - 一种垂直式重力高压单流阀串 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种垂直式重力高压单流阀串，属于石油钻采工程、石油化工设备领域。本装置包括阀体(1)、球座(2)和钢球(3)；每个单流阀的阀体(1)均为圆管状，包括大径段和小径段，在所述大径段的内部设有台阶，所述小径段安装到下一个单流阀的阀体(1)的大径段的内孔中；上一个单流阀的球座(2)安装在下一个单流阀的阀体(1)的所述台阶上，球座(2)的下端面与台阶接触，球座(2)的上端面与上一个单流阀的阀体(1)的下端面接触，两个阀体(1)将球座(2)卡住；在球座(2)上放置钢球(3)，钢球(3)位于上一个单流阀的阀体(1)的内孔中。

Description

一种垂直式重力高压单流阀串

技术领域

本发明属于石油钻采工程、石油化工设备领域，具体涉及一种垂直式重力高压单流阀串，可用于油田注水、注气、注泡沫、气水交替驱调剖堵水、酸化压裂等施工。也可用于化工、火力发电、供热、供水等其它用于低粘度流体传输的管道输送系统.

背景技术

常规单流阀有平式的和垂直式的两种。无论是平式的还是垂直式的，内部结构均是弹簧，正常输送流体时，依靠流体压力顶开弹簧顶针，通道开启，停输时，由于单流阀内弹簧的弹力作用，顶针回位堵塞通道，流体不能回流，从而达到单向流的目的。但弹簧式单流阀在设计上有缺憾，若弹簧生锈后弹性减小或失效，阀芯回不到位，在平式阀中由于重力偏移影响和流程中的脏物、污物造成顶针加不到位，导致回流通道不密封。多年来，油田生产系统中的单流阀在用过一段时间后，起不到单向流的目的，导致高压流体(如水、气、调剖液、泡沫液等)返吐回流到输送系统内，进入其它井，导致地层出砂，封隔器解封、调剖液污染其它层和流程。由于返吐造成系统压力高，不便于注同一口井注水和注气的交替注入操作，存在安全隐患。

针对注水井回流问题，目前有一种注水井井口单流阀，由封堵接头、阀罩、出口接头、阀球、阀座接头组成，注入水经地面注水管线进入注水井井口单流阀内，顶起阀球后，从出口接头流入注水井井口装置并注入井内；当注水井因故停注后，阀球下落，阻止地层水返回地面注水管线。但由于注入水含杂质原因，在单流阀的阀座与阀球密封面易结垢，或是注入水中含有颗粒物质等，从而发生单流阀失效故障。同时，这种单流阀因只有一个，一旦失效便无法保证地层水返吐事件的发生。

目前油田钻井、注水、注气、调剖使用的高压单流阀，尽管形式、结构千差万别，但都是一个单流阀，单一密封面(或线)，并非单流阀串由多个密封面复合密封，在注空气泡沫等复杂的多相流中容易发生故障。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术存在的容易发生回流通道密封失效，注入流体倒流，导致井内注入的流体(如水、气、调剖液、泡沫液等)返吐回流到注入系统内或倒灌到其它井，返吐回流导致地层出砂，封隔器解封、调剖液污染其它层和流程问题；以及现用注水井井口单流阀由于注入水含杂质原因易结垢，或是注入水中含有颗粒物质等易发生单流阀失效的问题，本发明提供了一种垂直式重力高压单流阀串装置，可以避免在注水、注气、注泡沫、调剖等作业施工时，因流体回流原因造成的事故发生。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种垂直式重力高压单流阀串，包括垂直安装的依次串接的至少2个单流阀，每个单流阀包括阀体1、球座2和钢球3；

每个单流阀的阀体1均为圆管状，包括大径段和小径段，在所述大径段的内部设有台阶，所述小径段安装到下一个单流阀的阀体1的大径段的内孔中；

上一个单流阀的球座2安装在下一个单流阀的阀体1的所述台阶上，球座2的下端面与台阶接触，球座2的上端面与上一个单流阀的阀体1的下端面接触，两个阀体1将球座2卡住；

在球座2上放置钢球3，钢球3位于上一个单流阀的阀体1的内孔中。

各个单流阀之间采用丝扣连接。

所述垂直式重力高压单流阀串进一步包括限位销钉5，在每个单流阀的阀体1的大径段的内部均开有同轴线的盲孔和螺纹孔，两者位于阀体1的水平直径方向上；所述盲孔和螺纹孔位于台阶的下方，所述限位销钉5插入螺纹孔后，水平穿过整个阀体1的内腔，其顶端插入到盲孔内；

在每个单流阀的阀体1内，限位销钉5位于钢球3的上方。

所述限位销钉5包括螺纹段和圆柱销段，螺纹段的外径大于圆柱销段的直径，在两者之间设置有密封圈；

在螺纹段的端面设有一字开口。

每个球座2的上下面均为密封面，在每个球座2的上下面均放置有密封圈4。

所述垂直式重力高压单流阀串进一步包括转接头7，所述转接头7的下端与最顶端的单流阀的阀体1连接，在最上端的单流阀的阀体1内的台阶上设有球座2，所述球座2的上端面与转接头7的下端面接触，在该球座2上方放置有钢球3，该钢球3位于转接头7的内腔内；

所述转接头的上端通过丝扣、焊接、法兰或卡箍与系统管道连接。

在最底端的单流阀的下部连接有一个阀体1，最底端的单流阀的球座2安装在该阀体1的台阶上，该阀体1的下部通过丝扣、焊接、法兰或卡箍与系统管线连接。

所述垂直式重力高压单流阀串进一步包括限位销6，在转接头7的上部开有同轴线的两个销孔，两者位于转接头的水平直径方向上，所述限位销6插入到这两个销孔内；所述限位销6位于转接头7内的钢球3的上方；

所述限位销6为圆柱销，其与转接头7上的销孔是过盈配合。

在每个单流阀的阀体1上均开有清洗孔，其设置在大径段的侧面，位于限位销钉5的下方；在所述清洗孔上连接有支管，在支管的开口端装有丝堵10。

在所述阀体1上端开有平行槽，该平行槽的方向与限位销钉5的方向垂直。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：采用本发明的垂直式重力高压单流阀串装置后，由于钢球的重力作用能自动回落座封，采用多个阀串联在一起，达到多重密封的目的，单流阀与系统管道或单流阀串之间的连接方式可以采用丝扣、焊接、法兰、卡箍等多种方式联接。防止注入系统中流体回流，消除在交替注入不同介质时，由于回流的操作不便和在注入作业过程中的不安全因素。

附图说明

图1垂直式重力高压单流阀串图。

图2垂直式重力高压单流阀串关闭状态图。

图3垂直式重力高压单流阀串法兰连接方式。

图4垂直式重力高压单流阀串焊接方式。

图5带清洗孔垂直式重力高压单流阀串焊接方式。

图6垂直式重力高压单流阀串限位销钉图。

其中，1阀体 2球座 3钢球 4密封圈 5限位销钉 6限位销 7转接头 8卡箍头 9法兰 10丝堵 501一字开口 502螺纹 503颈部 504圆柱销 505密封圈。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

针对目前在用的弹簧式单流阀的拆开解剖发现，不密封的主要原因有四个方面：一是生锈造成弹簧顶针不到位、二是弹簧疲劳造成顶针不到位，三是由于重力影响或脏物造成密封不严，四是只有一个单流阀，一旦不密封则整个管路单向不密封。

经过分析和研究，发现抽油泵固定凡尔在抽油时，反向关闭效果很好，只要球座不损坏，都能正常关闭。因此本发明根据抽油泵固定凡尔利用钢球重力回落密封的原理设计了流体注入的垂直式重力高压阀，在正向注入流体时，利用流程管道压力顶开阀座上的钢球，打开正向通道，在停注时，由于正向压力小于或等于反向回流压力，在阀内钢球回落到阀座上封堵回流通道。

对于一个阀阀座容易损坏的问题，本发明改进为阀串，即多个阀串联在一起，达到多重密封的目的。

单流阀与系统管道之间的连接方式可以采用丝扣、焊接、法兰、卡箍等多种方式联接。

为了清洗钢球，可以在阀体上开孔连接支管加装丝堵，在正常注入流体时拧紧丝堵，清洗时拧出丝堵即可清洗单流阀。具体来说，如图5所示，在每个单流阀的阀体1上均开有清洗孔，有清洗孔的单流阀阀体更为复杂，要增加阀体1大径段的长度及厚度，在大径段限位销下侧面开孔引出清洗孔，在所述清洗孔上连接支管，并加装丝堵10，支管与阀座为一体，工作时支管通道用丝堵封死。清洗时拧出丝堵10，用专用工具取出钢球，清洗内腔，在正常注入流体时拧紧丝堵。

具体来说，针对存在的问题，改弹簧弹力封闭反向通道为钢球重力封闭反向通道。垂直式重力高压单流阀串装置不使用弹簧，利用阀内钢球的重力，在正向注入流体时，利用管道压力顶开钢球打开注入通道，停注时，单流阀两端压力平衡，钢球依靠重力回落堵塞通道，反向通道自动封闭。采用垂直式重力高压单流阀串装置后，达到多重密封的目的，可以避免此类事故发生。

本发明的垂直式重力高压单流阀串包括：多个单流阀串接，立式安装。单流阀包括阀体1、球座2、钢球3、密封圈4、限位销钉5、限位销6和流体通道；阀体1为圆管状，内部阀腔供安装球座2、钢球3、密封圈4及流体通道，阀体上留一个盲孔和一个螺纹孔，安装限位销钉5或限位销6。上下单流阀单元采取丝扣连接。

垂直式重力高压单流阀串与系统管道连接可采用卡箍、法兰和焊接等多种方式连接；推荐连接方式是卡箍连接。图1和图2中是采用卡箍头8连接的，图3给出的是采用法兰连接的实施例，采用的是法兰9，图4给出的是采用焊接方式连接。

如图1所示，所述的垂直式重力高压单流阀串结构：3个阀体1、3个球座2、3个钢球3、6个密封圈4、1支限位销、2支限位销钉、1个转接头及2个卡箍头组成。上一个单流阀的球座安装在下一个单流阀的阀体上；上一个单流阀公扣与下一个单流阀母扣相连接。安装时把底部单流阀体垂直固定在工作台上，先把1个密封圈放置在内腔底部密封圈槽，然后放置球座，再放置1个密封圈，把钢球放置在球座上；拧上中间单流阀阀体，同底部单流阀依次放置密封圈、球座、密封圈、钢球等；拧上中间单流阀阀体，同底部单流阀依次放置密封圈、球座、密封圈、钢球、转接头；安装限位销，拧紧限位销丝扣，最后安装卡箍头。

本发明设计的阀体结构上有足够的空间安装钢球、球座及流通通道，上紧上下单流阀体连接丝扣固定球座并密封丝扣间隙和球座与阀体问间隙，阀体上安装定位销钉，阻止钢球在流体作用下上升反坐在，转接头上安装限位销作用是阻止上部单流阀钢球被流体冲走。

单个单流阀在使用过程中阀座容易刺漏，阀座一旦刺漏要更换整个阀，维护成本高；垂直式重力高压单流阀串不是简单地把多个单流阀叠加在一起，而是各个单流阀紧密结合，多重密封，一体安装，一旦阀座损坏，只需更换阀座，不需要更换整个阀，维护成本低。

阀体1为圆管状，内部阀腔供安装球座2、钢球3、密封圈5及流体通道，阀体上留一个盲孔和一个螺纹孔，安装限位销钉5。上部和中间阀体，上为母扣，下为公扣，而底部阀体底部为光头，无丝扣方便与管件、管道焊接。

垂直式重力高压单流阀串易损件是球座2和钢球3，采取丝扣连接易于更换易损件，球座上下两个密封面(球座2为圆环状，中间轴向通孔，上下两面对称，加工时精度一致，通孔与上下两个圆环面之间的球磨成的面，均能与钢球接触形成密封即是密封面，使用时只有上密封面与钢球接触))，两面都可以密封，当一面刺漏时，在现场没有备用件的情况下，可将其翻转过来，换另一面使用。

如图6所示，垂直式重力高压单流阀串限位销钉5是由一字开口501、螺纹502、颈部503、圆柱销504及密封圈505组成，安装时，先把密封圈505放置在阀体1的定位销孔内，再把圆柱体504水平插入阀体1定位销孔内，拧紧丝扣。

限位销6是圆柱销，符合gb-119标准。转接头7是固定顶部一级球座2，与管线连接伸出部分，并安装限位销6(现有单流阀是用弹簧固定或用凡尔罩来固定，本发明用限位销可使得阀有更大的流动空间，减少流动阻力。)，顶部单流阀球座2固定不再是阀体1，而是转接头；转接头带丝扣端与下一单流阀体丝扣连接，光头部分与管道系统连接，限位销6插入销孔后，两端电焊封死。

垂直式重力高压单流阀串与管线连接方式有：卡箍连接、法兰连接、焊接等多种方式，其中，采取卡箍连接时，底部单流阀阀体1和顶部转接头7与卡箍头8焊接；而采取法兰连接时，底部单流阀阀体1和顶部转接头7与法兰9焊接；采取焊接连接时，底部单流阀阀体1和顶部转接头7与管道系统管体焊接；推荐连接方式是卡箍连接。

垂直式重力高压单流阀串使用时垂直安装，不能水平安装或反装。在使用过程中，经过多次实验发现3个单流阀串联最合适，在流通阻力、使用周期和安装空间3个方面均最合适，当然也可以根据具体需要采用更多或更少的单流阀串联使用。输送流体时，流体在管道压力作用下上冲顶开钢球，打开通道，流体由低至高流动；停输时，钢球失去流体上冲力的支持，在重力作用下落回球座上，堵塞通道，反向通道自动封闭，如图2所示。

所述单流阀是由阀体、球座、钢球、限位销及密封件等组成。动密封是球座和钢球，内部结构无弹簧，阀关闭动力是钢球的重力。

所述的阀体1呈圆管状，一端是公扣，另一端是母扣，单流阀体问采取丝扣连接，上紧连接丝扣，挤压球座上下两面外缘的密封圈，使密封球座外边缘与阀体间隙和阀体公母丝扣间隙无渗漏和球座外缘窜。

所述的限位销6是圆柱销，与转接头通孔过盈配合。限位销钉5一端为圆柱销，另一端是带螺纹，颈部穿密封圈，如图6所示，限位销钉5是圆柱梢与丝堵的结合体，拧紧丝扣时，圆柱销刚好插入阀体的销盲孔内，限位销丝挤压颈部穿密封圈，使扣处无渗漏。

转接头7呈圆管状，一端是公扣，另一端为光头，光头外缘切倒角。公扣与阀体母扣连接，固定顶部一级球座。光头端与管线焊接或与卡箍、法兰焊接。转接头7上钻有限位销孔。

密封件是公制密封胶垫圈；安装位置在限位销钉颈部和球座上下面外缘。

为了拆装方便，保证承压能力下，可以在阀体上开平行槽便于工具夹紧，平行槽方向与限位销方向垂直。

垂直式重力高压单流阀串与系统管道连接可采用丝扣、法兰、卡箍和焊接等多种方式连接。

本发明专利的突出优点是：采用本发明的垂直式重力高压单流阀串装置后，钢球在重力作用能自动回落座封，采用多个阀串联在一起，达到多重密封的目的，单流阀与系统管道连接方式可以采用丝扣、焊接、法兰、卡箍等多种方式联接。防止注入系统中流体回流，消除了在交替注入不同介质(如气、液交替注入)由于回流的操作不便和在注入作业过程中的不安全的最大隐患。

利用本发明，停注时，由于管道内正向压力低于或等于反向压力，加上钢球的重力，钢球回落球座达到密封的目的，采用阀串可以起到多种保障的作用。连接方式可以是卡箍连接、焊接、法兰连接及丝扣连接等多种方式。单流阀旁设有支管可以方便清洗单流阀，从根本上解决管道输送流体的单向流返吐的问题。解决了在在管道具流中因返吐而出现的不安全隐患问题和不同介质传输需关停泵操作问题。

本发明可用于目前油田注水、注气、注泡沫、气水交替驱调剖堵水、酸化压裂等施工。也可用于化工、火力发电、供热、供水等其它用于流体传输的管道输送系统。

上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。

Claims (10)

1.一种垂直式重力高压单流阀串，其特征在于：所述垂直式重力高压单流阀串包括垂直安装的依次串接的至少2个单流阀，每个单流阀包括阀体(1)、球座(2)和钢球(3)；

每个单流阀的阀体(1)均为圆管状，包括大径段和小径段，在所述大径段的内部设有台阶，所述小径段安装到下一个单流阀的阀体(1)的大径段的内孔中；

上一个单流阀的球座(2)安装在下一个单流阀的阀体(1)的所述台阶上，球座(2)的下端面与台阶接触，球座(2)的上端面与上一个单流阀的阀体(1)的下端面接触，两个阀体(1)将球座(2)卡住；

在球座(2)上放置钢球(3)，钢球(3)位于上一个单流阀的阀体(1)的内孔中；

所述垂直式重力高压单流阀串进一步包括转接头(7)，所述转接头(7)的下端与最顶端的单流阀的阀体(1)连接，在最顶端的单流阀的阀体(1)内的台阶上设有球座(2)，设于最顶端的单流阀的阀体(1)内的球座(2)的上端面与转接头(7)的下端面接触，在设于最顶端的单流阀的阀体(1)内的球座(2)上方放置有钢球(3)，放置于设于最顶端的单流阀的阀体(1)内的球座(2)上方的钢球(3)位于转接头(7)的内腔内。

2.根据权利要求1所述的垂直式重力高压单流阀串，其特征在于：各个单流阀之间采用丝扣连接。

3.根据权利要求2所述的垂直式重力高压单流阀串，其特征在于：所述垂直式重力高压单流阀串进一步包括限位销钉(5)，在每个单流阀的阀体(1)的大径段的内部均开有同轴线的盲孔和螺纹孔，两者位于阀体(1)的水平直径方向上；所述盲孔和螺纹孔位于台阶的下方，所述限位销钉(5)插入螺纹孔后，水平穿过整个阀体(1)的内腔，其顶端插入到盲孔内；

在每个单流阀的阀体(1)内，限位销钉(5)位于钢球(3)的上方。

4.根据权利要求3所述的垂直式重力高压单流阀串，其特征在于：所述限位销钉(5)包括螺纹段和圆柱销段，螺纹段的外径大于圆柱销段的直径，在两者之间设置有密封圈；

在螺纹段的端面设有一字开口。

5.根据权利要求4所述的垂直式重力高压单流阀串，其特征在于：每个球座(2)的上下面均为密封面，在每个球座(2)的上下面均放置有密封圈(4)。

6.根据权利要求5所述的垂直式重力高压单流阀串，其特征在于：所述转接头的上端通过丝扣、焊接、法兰或卡箍与系统管道连接。

7.根据权利要求6所述的垂直式重力高压单流阀串，其特征在于：在最底端的单流阀的下部连接有一个阀体(1)，最底端的单流阀的球座(2)安装在最底端的单流阀的下部所连接的阀体(1)的台阶上，最底端的单流阀的下部所连接的阀体(1)的下部通过丝扣、焊接、法兰或卡箍与系统管线连接。

8.根据权利要求7所述的垂直式重力高压单流阀串，其特征在于：所述垂直式重力高压单流阀串进一步包括限位销(6)，在转接头(7)的上部开有同轴线的两个销孔，两者位于转接头的水平直径方向上，所述限位销(6)插入到这两个销孔内；所述限位销(6)位于转接头(7)内的钢球(3)的上方；

所述限位销(6)为圆柱销，其与转接头(7)上的销孔是过盈配合。

9.根据权利要求3至8任一项所述的垂直式重力高压单流阀串，其特征在于：在每个单流阀的阀体(1)上均开有清洗孔，其设置在大径段的侧面，位于限位销钉(5)的下方；在所述清洗孔上连接有支管，在支管的开口端装有丝堵(10)。

10.根据权利要求3至8任一项所述的垂直式重力高压单流阀串，其特征在于：在所述阀体(1)上端开有平行槽，该平行槽的方向与限位销钉(5)的方向垂直。