CN106321013A - 单球投掷式多次循环阀 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种单球投掷式多次循环阀，主要包括壳体、阀门活塞、转位控制主体。所述的壳体上安装有壳体喷嘴，同时阀门活塞与转位控制主体安装在壳体内，可实现沿壳体轴向方向滑动。壳体、阀门活塞和转位控制主体内部开通孔形成流体主流道，在第一阀位，阀门活塞堵住壳体喷嘴，隔断主流道和井眼环空的连通；在第二阀位，阀门活塞失去对壳体喷嘴的堵塞，使得流体能够沿主流道经过壳体喷嘴转移到井眼环空。转位控制主体具有与固定销结合的控制槽轨道，引导阀门活塞在第一阀位和第二阀位之间转换。本发明在钻井操作过程中的使用可加速移除井眼环空的岩屑，保护井下钻具组合，提升钻井效率，降低钻井成本。

Description

单球投掷式多次循环阀

技术领域

本发明涉及一种用于石油天然气工程领域，主要应用于钻井操作过程中，特别是大位移井、水平井的钻井过程中的单球投掷式多次循环阀。

背景技术

在打油井或气井的时候，首先打一个开钻孔，然后在开钻孔上安装钻机，将由钻头、钻铤、方钻杆等组成的钻柱下入井中，使钻头接触开钻孔，准备开始钻进。在正常钻井过程中，启动地面或井下动力驱动系统，通过钻柱带动钻头旋转，借助刹车系统，控制钻柱作用在钻头上的力，对钻头施加适当的钻压以破碎岩石；同时开启钻井液泵循环钻井液，钻井液在钻杆中循环，起到润滑和冷却钻头的作用，同时也起到冲洗井底，带出岩屑的作用。当钻井液浸没钻头后，钻井液从钻柱和井眼形成的井眼环空中流出。

在钻井作业过程中，钻井液绕过井底钻具总成直接从井底钻具组合上端的钻柱内将钻井液转移到井眼环空，这一过程是周期性间断的。例如，想要限制钻井液通过井下动力钻具或者钻头的循环速率。钻井液绕过井底钻具总成，可以在井眼环空中有更高的循环速率。在钻柱恢复工作前，就特别需要更高的循环速率来更好的携带岩屑和清洗井眼。在一段时间后，钻井液又可以恢复从井底钻具总成流过。要实现重新定向钻井液液流方向的功能，通常情况下是在钻头上端安装循环阀。

常规的循环阀在一次起下钻过程中通常受限于开启次数。例如，常规循环阀可能就选择性地开启3到4次就必须起钻复位。这一类工具通过一个可变形的投掷球再结合更小的球来确定流道，或者从该阀门工具流向井眼环空，或者从该阀门工具流向另一井下工具。随着每一个球通过阀门工具，落入安装在工具下端的球捕捉器内，但是一旦球捕捉器装满，或者由于这个循环阀的启动次数的限制，循环阀就必须起钻拉回地面清空捕捉器，重置阀门。当清空球捕捉器后，循环阀再一次下入井筒，待随后启用。因此，液流在井眼中的循环就必须重复地起钻回地面重置循环阀，然后再下入工具，这一过程既浪费时间，又增加了钻井花费。此外，这一类循环阀在含有诸如堵漏材料等大量杂质的液流环境中是不方便操作的，也不利于开启直通流道或者旁通流道。

因此，为了解决现有循环阀开启次数限制、需要反复起下钻复位阀门的问题，提高钻井效率，缩短钻井时间，需要一种成本效益高、重复启动次数不受限制、起下钻次数少且选择性开启的液流循环阀。

发明内容

本发明的目的在于：为解决解决现有循环阀开启次数限制、需要反复起下钻复位阀门的问题，特提供单球投掷式多次循环阀。

本发明的技术方案是：单球投掷式多次循环阀包括上接头、壳体、投球、球座、套筒、活塞喷嘴、阀门活塞、壳体喷嘴、转位控制主体、心轴、固定销、弹簧、弹簧定位套、浮动活塞、下接头；其特征在于：所述上接头、壳体、下接头依次通过丝扣相连；所述壳体设置有壳体喷嘴，壳体内安装有套筒；所述阀门活塞顶端设置球座，投球工作状态时，投球坐封于球座；阀门活塞中部设计有活塞喷嘴；阀门活塞下端与转位控制主体通过丝扣相连接，共同串于心轴上；所述转位控制主体具有与固定销结合的控制槽轨道，控制槽轨道分布于转位控制主体圆周方向上，固定销设置于壳体上，转位控制主体能够相对于固定销移动，进而带动阀门活塞共同沿着心轴轴向滑动，从而实现阀门活塞在第一阀位(直通工作状态)和第二阀位(旁通工作状态)之间转换；转位控制主体下端依次安装弹簧、弹簧定位套、浮动活塞，分别套于心轴上；所述心轴下端开有泄压孔，下端内孔设有花键槽，依次套上浮动活塞、弹簧定位套、弹簧、转位控制主体、阀门活塞共同穿入壳体内部，心轴下部与壳体通过丝扣相连实现定位；所述固定销安装于壳体上，同时插入转位控制主体上的控制槽轨道内。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)提高钻井效率，特别是在钻大位移井和水平井中的应用，提高井眼环空钻井液流速和提高湍流的形成，加速岩屑移除井眼环空到地面；(2)操作简单，仅仅需要投掷一个球就可以简单的操作；(3)循环次数没有限制，依靠水力方式开启阀门，而不需要多个球进行控制；(4)通用性好，可以安装到钻柱的任何位置；(5)安全系数高，不需要在每个循环周期内打断钻柱；(6)兼容性高，不同尺寸的钻柱内径可以配合使用各种尺寸的投球；(7)缩短无形中浪费的时间，不用浪费时间起钻清空球捕捉器，重置阀门；(8)维护井控安全，当液流压力明显降低时，阀门可以自动地关闭液流出口。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明图1在投球前的工作状态结构示意图。

图3是本发明图1在直通工作状态(第一阀位)的结构示意图。

图4是本发明图1在旁通工作状态(第二阀位)的结构示意图。

图中1.上接头，2.壳体，3.投球，4.球座，5.套筒，6.活塞喷嘴，7.阀门活塞，8.壳体喷嘴，9.转位控制主体,10.心轴，11.固定销，12.弹簧,13.弹簧定位套，14.浮动活塞，15.下接头。

图5是示出剖开线A-A的图1所示的转位控制主体的透视图。

图6是本发明图1转位控制主体的控制槽的平面展开图，就好似转位控制主体表面沿着图5的线A-A轴向剖开的展开图。图中A1、A3、A1’为控制槽下端端点，A2为第一阀位轨道上端点，A4为第二阀位上端点，B1、B3、B4为转位过渡槽。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

参见附图，单球投掷式多次循环阀包括上接头1、壳体2、投球3、球座4、套筒5、活塞喷嘴6、阀门活塞7、壳体喷嘴8、转位控制主体9、心轴10、固定销11、弹簧12、弹簧定位套13、浮动活塞14、下接头15；所述上接头1、壳体2、下接头15依次通过丝扣相连；所述壳体2设置有壳体喷嘴8，壳体2内安装有套筒5；所述阀门活塞7顶端设置球座4，投球工作状态时，投球3坐封于球座4；阀门活塞7中部设计有活塞喷嘴6；阀门活塞7下端与转位控制主体9通过丝扣相连接，共同串于心轴10上；所述转位控制主体9具有与固定销11结合的控制槽轨道，控制槽轨道分布于转位控制主体9圆周方向上，固定销11设置于壳体2上，转位控制主体9能够相对于固定销11移动，进而带动阀门活塞7共同沿着心轴10轴向滑动，从而实现阀门活塞7在第一阀位(直通工作状态)和第二阀位(旁通工作状态)之间转换；转位控制主体9下端依次安装弹簧12、弹簧定位套13、浮动活塞14，分别套于心轴10上；所述心轴10下端开有泄压孔，下端内孔设有花键槽，依次套上浮动活塞14、弹簧定位套13、弹簧12、转位控制主体9、阀门活塞7共同穿入壳体2内部，心轴10下部与壳体2通过丝扣相连实现定位；所述固定销10安装于壳体2上，同时插入转位控制主体上的控制槽轨道内。当单球投掷式控制阀处于投球前的工作状态时，参见附图2，流体沿着上接头1内部箭头所示的流道从上接头1依次通过阀门活塞7、转位控制主体9、心轴10，再到下接头15，再流向下接头15下端可能连接的工具，例如钻头等。当投球工作时，单球投掷式控制阀处于直通工作状态时，参见附图3，流体沿着上接头1内部箭头所示的流道，通过上接头1，绕过投球3，再经过阀门活塞7上端主体部分的活塞喷嘴6的内流孔，如图中箭头所示的流向，再依次通过转位控制主体9、心轴10，再到下接头15，再流向下接头下端可能连接的工具，例如钻头等。类似地，当投球工作时，单球投掷式控制阀处于旁通工作状态时，参见附图4，流体沿着上接头1内部箭头所示流道，通过上接头1，绕过投球3，再经过壳体2上的壳体喷嘴8的液流环空出口8，流向井眼环空。

参见附图2，单球投掷式控制阀处于投球前的工作状态。在这个工作状态，心轴10固定于阀门活塞7和下接头15之间，阀门活塞7封堵住壳体喷嘴8的液流环空出口，流体沿着上接头1内部箭头所示的流道从上接头1依次通过阀门活塞7、转位控制主体9、心轴10，再到下接头15，在流向下接头15下端可能连接的工具，例如钻头等。

参见附图3，投球工作时，单球投掷式控制阀处于直通工作状态，投球3阻挡住阀门活塞7上端的入口，堵住流体最初的直流通道，阀门活塞7在水力作用下压缩弹簧12向下移动，使得阀门活塞7处于第一阀位，同时阀门活塞7继续封堵住壳体喷嘴8的液流环空出口；流体沿着上接头1内部的箭头所示的流道，通过上接头1，绕过投球3，再经过活塞喷嘴6的内流孔，如投球附近的箭头所示的流向，再依次通过转位控制主体9、心轴10，再到下接头15，在流向下接头15下端可能连接的工具，例如钻头等。

参见附图4，投球工作时，单球投掷式控制阀处于旁通工作状态，投球3继续阻挡住阀门活塞7上端的入口，由于工作状态的需要，通过水力的变化，使得阀门活塞处于第二阀位，此时，活塞喷嘴6的液体内流孔被心轴10上端部分封堵住，同时，阀门活塞7不再封堵壳体喷嘴8的液流环空出口，使得阀门内部流道与井眼环空相连通，流体沿着上接头1内部箭头所示流道，通过上接头1，绕过投球3，再经过壳体喷嘴8的液流环空出口，流向井眼环空。从而可以使得液体不再流向下接头15和与下接头15连接的装置。

参见附图6，假定固定销11在转位控制主体9上的控制槽轨道的盲端轴向部分的下端部处A1开始。当转位控制主体9相对于固定销11开始向下移动时，固定销11沿着轴向部分槽轴向向上行进，并进入偏离部分槽B1，当固定销11通过偏离部分槽B1时，使得转位控制主体9相对于固定销11旋转一定的角度；当固定销11通过偏离部分槽B1后，进入轴向部分槽，最终到抵达槽18盲端轴向部分的上端部A2。同时这一过程带动阀门活塞7轴向移动和周向旋转，当固定销抵达A2时，从而使得阀门活塞7移动到第一阀位位置。当水力减小时，例如通过降低在表面上的泵的活动，弹簧12的弹力最终能够克服水力作用，使得转位控制主体9相对于固定销11沿着轴向部分槽向反方向移动，并进入偏离部分槽B2，当固定销11通过偏离部分槽B2时，使得转位控制主体9相对于固定销11反向旋转相同的角度；当固定销11通过偏离部分槽B2后，进入轴向部分槽，最终到抵达控制槽盲端轴向部分的下端部A3。同时这一过程带动阀门活塞7轴向移动和周向旋转，当固定销抵达A3时，从而使得阀门活塞7移动到最初的位置。

同样地，固定销11在转位控制主体9上的控制槽的盲端轴向部分的下端部A3处开始。当转位控制主体9相对于固定销11开始向下移动时，固定销11沿着轴向部分槽轴向向上行进，并进入偏离部分槽B3，当固定销11通过偏离部分槽B3时，使得转位控制主体9相对于固定销11旋转一定的角度；当固定销11通过偏离部分槽B3后，进入轴向部分槽，最终到抵达控制槽盲端轴向部分的上端部A4。同时这一过程带动阀门活塞7轴向移动和周向旋转，当固定销11抵达A4时，从而使得阀门活塞7移动到第二阀位位置。当水力减小时，例如通过降低在表面上的泵的活动，弹簧12的弹力最终能够克服水力作用，使得转位控制主体9相对于固定销11沿着轴向部分槽向反方向移动，并进入偏离部分槽B4，当固定销11通过偏离部分槽B4时，使得转位控制主体9相对于固定销11反向旋转相同的角度；当固定销11通过偏离部分槽B4后，进入轴向部分槽，最终到抵达控制槽盲端轴向部分的下端部A1’。同时这一过程带动阀门活塞7轴向移动和周向旋转，当固定销抵达A1’时，从而使得阀门活塞6移动到最初的位置。

同理，当固定销处于转位控制主体8上的控制槽的其他任何位置时，工作原理与上述对应位置工作原理相同。

通过本发明的使用，可以很好的解决现有循环阀开启次数限制、需要反复起下钻复位阀门的问题，在钻井操作过程中的使用可加速移除井眼环空岩屑，提高钻井效率，保护井下钻具组合，缩短钻井时间，降低钻井成本。

Claims (4)

1.单球投掷式多次循环阀，其特征在于：所述的多次循环阀包括上接头、壳体、投球、球座、套筒、活塞喷嘴、阀门活塞、壳体喷嘴、转位控制主体、心轴、固定销、弹簧、弹簧定位套、浮动活塞、下接头，所述上接头(1)、壳体(2)、下接头(3)依次通过丝扣相连；所述壳体(2)设置有壳体喷嘴(8)，壳体(2)内安装有套筒(5)；所述阀门活塞(7)顶端设置球座(4)，投球工作状态时，投球(3)坐封于球座(4)；阀门活塞(7)中部设计有活塞喷嘴(6)；阀门活塞(7)下端与转位控制主体(9)通过丝扣相连接，共同串于心轴(10)上；所述转位控制主体(9)具有与固定销(11)结合的控制槽轨道，控制槽轨道分布于转位控制主体(9)圆周方向上，固定销(11)设置于壳体(2)上；转位控制主体(9)下端依次安装弹簧(12)、弹簧定位套(13)、浮动活塞(14)，分别套于心轴(10)上；所述心轴(10)下端开有泄压孔，下端内孔开有花键槽，依次套上浮动活塞(14)、弹簧定位套(13)、弹簧(12)、转位控制主体(9)、阀门活塞(7)共同穿入壳体(2)内部，心轴(10)下部与壳体(2)通过丝扣相连实现定位；所述固定销(11)安装于壳体(2)上，同时插入转位控制主体上的控制槽轨道内。

2.根据权利要求1所述的单球投掷式多次循环阀，其特征在于：所述转位控制主体(9)下端圆周方向等间距布置有短槽轨道，上端等间距的交错布置有短槽第一阀位轨道和长槽第二阀位轨道，上端和下端通过转位过渡槽轨道连通。

3.根据权利要求1所述的单球投掷式多次循环阀，其特征在于：所述阀门活塞顶端设有可供安装球座的槽。

4.根据权利要求1所述的单球投掷式多次循环阀，其特征在于：所述阀门活塞中部设有沿圆周方向均布有4个通孔。