CN109025879A - 保压筒密封结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及保压筒密封结构，包括岩心筒、内杆、钻机外筒和翻板阀，内杆的下端与岩心筒的内壁密封配合，内杆内设有气体容腔、液体通道和泄压通道，气体容腔中设有活塞，液体通道上端与气体容腔连通，液体通道的下端开口于内杆的底面，泄压通道入口处安装安全阀；翻板阀包括阀座和密封阀瓣，阀座安装在钻机外筒内壁上，密封阀瓣一端与阀座上端外侧壁活动连接，当岩心筒位于阀座中时，密封阀瓣开启90°，当将岩心筒向上提升至一定高度时，密封阀瓣关闭。本发明采用翻板阀实现下端密封，开启时密封阀瓣隐藏于内外筒之间，节约空间，可消除对钻取岩芯直径的限制；在上端密封部位设置泄压通道和安全阀，能及时泄压，迅速降低筒内的压力，避免损害设备。

Description

保压筒密封结构

技术领域

本发明涉及取芯设备技术领域，尤其涉及保压筒密封结构。

背景技术

岩心钻探是固体矿产地质勘探常采用的勘探手段。筒状钻头和钻具在孔底沿圆周环状破碎岩石，在孔底中心部分保留一个柱状的岩心，从孔内取出岩心用以研究地质和矿产的情况，故称为岩心钻探。

深地深海地区地层压力高，在进行岩心钻探时，为保证取到的岩样到达地面之后仍处于高压环境，需利用保压取芯筒储存并运输样品。保压取芯筒竖直吊入深地取芯区，当岩样被提拉进入保压筒后，保压筒上端一般采用活塞来密封，保压筒下端通常采用球阀来密封，以保证筒内高压环境。但球阀结构比较复杂，空间占据大，限制了钻取岩芯的直径，球阀加工工艺要求高，且当压力较大时，保压筒里面的液体会从球阀与岩心筒之间的缝隙渗出，不能维持较高的压力。

此外，深地深海区域通常有大量流体存在，因此所保压力往往以水压形式存在。现有的保压筒上端密封采用活塞形式，当钻机开始作业时，通入的高压钻井液会从岩心筒下端进入岩心筒内部，使岩心筒内部压力增大，而活塞密封结构调压能力有限，如果岩心筒内压力过大，容易损坏设备。

发明内容

本发明旨在提供保压筒密封结构，采用翻板阀实现保压筒下端密封，翻板阀结构简单，而且能够维持较高的压力，可提高密封性能；此外，还增设有泄压通道和安全阀，当筒内压力到达预定值时，安全阀开启，能够及时泄压，且泄压能力强，可有效保证岩心钻探安全进行。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

保压筒密封结构，包括岩心筒、内杆、钻机外筒和翻板阀，所述内杆的下端伸进岩心筒内，内杆的下端与岩心筒的内壁密封配合，内杆内设有气体容腔和液体通道，气体容腔中设有活塞二，液体通道上端与气体容腔连通，液体通道的下端开口于内杆的底面；

翻板阀包括阀座和密封阀瓣，阀座同轴安装在钻机外筒内壁上，密封阀瓣一端与阀座上端外侧壁活动连接，阀座顶部有与密封阀瓣匹配的阀口密封面；当岩心筒位于阀座中时，密封阀瓣开启90°且位于岩心筒与钻机外筒之间；当将岩心筒向上提升至一定高度时，密封阀瓣回到阀座顶面与阀口密封面密封接触。

进一步的，内杆底部膨大，内杆膨大部的外壁设有密封圈一，密封圈一与岩心筒内壁密封配合，密封圈一上方内杆的外壁与岩心筒内壁之间形成液体容腔一，岩心筒上部侧壁设有溢流孔；

内杆内设有泄压通道，泄压通道的出口与液体容腔一连通，泄压通道的入口位于内杆底面，泄压通道的入口处安装有安全阀。

其中，内杆外壁安装有密封圈二，密封圈二位于泄压通道的出口与密封圈一之间；当内杆相对于岩心筒移动到上止点时，密封圈二与岩心筒内壁密封配合，溢流孔位于密封圈二与密封圈一之间。

进一步的，内杆下端套装有端盖帽，端盖帽内壁与内杆底面之间的区域构成液体容腔二，端盖帽下端安装有活塞一，活塞一上设有液体流通孔，端盖帽对应液体流通孔的位置设有通孔。

优选地，液体容腔二中装有滤网。

进一步的，保压筒密封结构还包括触发机构，触发机构包括触发内筒和触发块，触发内筒侧壁上设有通孔，触发块放置于通孔中，岩心筒底部外侧壁有与触发块适配的凸起部；钻机外筒内壁有与凸起部适配的避让口，触发块位于密封阀瓣上方，避让口位于触发块上方；

当岩心筒位于阀座中时，触发内筒位于岩心筒与钻机外筒之间，触发内筒下端与阀座止口配合，触发块外凸于触发内筒的内侧壁，密封阀瓣位于触发内筒与钻机外筒之间；当将岩心筒向上提升至一定高度时，密封阀瓣回到阀座顶面与阀口密封面密封接触，触发内筒底部压在密封阀瓣上。

进一步的，触发机构还包括触发弹簧，触发弹簧套在触发内筒外，所述触发内筒外壁设有台肩，触发弹簧下端受压于台肩，触发弹簧上端顶在钻机外筒的台阶面上，触发弹簧位于触发块上方。

优选地，当密封阀瓣开启90°时，密封阀瓣内表面与触发内筒外壁完全贴合且其外表面与阀座外侧壁在同一个圆柱面内。

进一步的，密封阀瓣一端通过弹簧片与阀座上端外侧壁铰接。

其中，阀座的外壁与钻机外筒的内壁间设有密封圈。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明采用翻板阀实现下端密封，翻板阀结构简单，开启时密封阀瓣隐藏于内外筒之间，节约空间，可消除对钻取岩芯直径的限制；

2.当翻板阀关闭时，密封阀瓣受压于回落的触发内筒，密封比压大，可进一步提高阀门的密封性能；

3.在取芯过程中，如果岩心筒内液体压力过大，达到预定值时，安全阀将会打开，岩心筒内液体将会沿着活塞一上的液体流通孔进入内杆与岩心筒之间的液体容腔一中，并随岩心筒上部的溢出孔溢出，及时进行泄压，迅速降低岩心筒内的压力，避免压力过大而损害设备；

4.本发明通过气体容腔和活塞，可对岩心筒进行压力补偿，自动维持岩心筒内压力稳定，实现保压取芯。

附图说明

图1是取芯之前本发明的示意图；

图2是图1中A处的放大图；

图3是图1中B处的放大图；

图4是图1中C处的放大图；

图5是取芯时本发明的结构示意图；

图6是图5中A处的放大图；

图7是图5中B处的放大图；

图8是图5中C处的放大图；

图9是取芯完成后本发明的示意图；

图10是图9中A处的放大图；

图11是图9中B处的放大图；

图12是翻板阀的结构示意图；

图中：1-岩心筒、2-内杆、3-安全阀、4-活塞一、5-液体容腔一、6-泄压通道、7-液体容腔二、8-滤网、9-端盖帽、10-气体容腔、11-活塞二、12-密封圈一、13-溢流孔、14-液体通道、15-液体流通孔、16-钻机外筒、17-钻头、18-翻板阀、19-O型圈、20-密封圈二、21-限位台阶一、22-限位台阶二、23-捕芯器、24-弹簧片、25-避让口、26-凸起部、161-上外筒、162-下外筒、163-螺纹连接套、31-阀座、32-密封阀瓣、41-转轴、42-弹片、311-阀口密封面、321-凹槽、322-密封圈三、51-触发弹簧、52-触发内筒、53-触发块、521-台肩。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。

如图1-11所示，本发明公开的保压筒密封结构，包括岩心筒1、内杆2、钻机外筒16和翻板阀18，如图1、4所示，内杆2的下端伸进岩心筒1内，内杆2底部膨大，内杆2膨大部的外壁设有密封圈一12，密封圈一12与岩心筒1内壁密封配合。在内杆2下部外侧壁设有限位台阶一21，岩心筒1上部内侧壁有与限位台阶一21适配的限位台阶二22，限位台阶二22位于溢流孔13上方。

内杆2内设有气体容腔10和液体通道14，气体容腔10中设有活塞二11，液体通道14上端与气体容腔10连通，液体通道14的下端开口于内杆2的底面。活塞二11用于隔绝气液，实现岩心筒上端的密封。同时通过活塞二11的移动，可以调整岩心筒1内的压力。气体容腔10可连接有气体充放装置，便于对气体容腔10充放气。

内杆2下端套装有端盖帽9，端盖帽9内壁与内杆2底面之间的区域构成液体容腔二7，气体容腔10通过液体通道14与液体容腔二7连通。液体容腔二7中装有滤网8，可以过滤掉杂质，避免杂质进入气体容腔10内。端盖帽9下端安装有与岩心筒1内壁适配的活塞一4，活塞一4通过螺栓安装在端盖帽9上，活塞一4上设有液体流通孔15，端盖帽9对应液体流通孔15的位置设有通孔。液体流通孔15偏心设置，活塞一4上安装有O型圈19。在另一个实施方式中活塞一4上下设有两个，两个活塞一4固接，两个活塞一4上的液体流通孔15正对，位于下方的活塞一4上安装有O型圈19。

在另一个实施方式中，密封圈一12上方内杆2的外壁与岩心筒1内壁之间形成液体容腔一5，岩心筒1上部侧壁设有溢流孔13。内杆2内设有泄压通道6，泄压通道6的出口与液体容腔一5连通，泄压通道6的入口位于内杆2底面，泄压通道6的入口处安装有安全阀3，泄压通道6与液体容腔二7由安全阀3隔开，安全阀3在压力到达一定值时会打开，用于及时泄压。内杆2外壁安装有密封圈二20，密封圈二20位于泄压通道6的出口与密封圈一12之间。

如图1、3所示，翻板阀18包括阀座31和密封阀瓣32，阀座31同轴安装在钻机外筒16内壁上，密封阀瓣32一端与阀座31上端外侧壁活动连接，阀座31顶部有与密封阀瓣32匹配的阀口密封面311。

其中，钻机外筒16包括上外筒161、下外筒162和螺纹连接套163，螺纹连接套163下端设有内螺纹，螺纹连接套163上端设有外螺纹，下外筒162的上端与螺纹连接套163的下端螺纹连接，上外筒161的下端与螺纹连接套163的上端螺纹连接。其中，阀座31的底面与螺纹连接套163的顶面接触，阀座31的外壁与上外筒161的内壁间设有密封圈，密封圈安装在阀座31外壁上。

在另一个实施方式中，保压筒密封结构还包括触发机构，触发机构包括触发弹簧51、触发内筒52和触发块53，触发内筒52侧壁上设有通孔，触发块53放置于通孔中，岩心筒1底部外侧壁有与触发块53适配的凸起部26。钻机外筒16内壁有与凸起部26适配的避让口24，触发块53位于密封阀瓣32上方，避让口24位于触发块53上方。触发弹簧51套在触发内筒52外，触发内筒52外壁设有台肩521，触发弹簧51下端受压于台肩521，触发弹簧51上端顶在钻机外筒16的台阶面上，触发弹簧51位于触发块53上方。

如图1-4所示，在取芯工作开始前，岩心筒1下端穿过阀座31并延伸到钻机外筒16底部，钻机外筒16下端安装钻头17，内杆2的下端延伸到钻头17内，此时岩心筒1位于阀座31中时，触发内筒52位于岩心筒1与钻机外筒16之间，触发内筒52与密封阀瓣32紧密接触可限制密封阀瓣32转动。触发内筒52下端与阀座31止口配合，触发块53外凸于触发内筒52的内侧壁，触发块53的外侧与钻机外筒16内壁接触，触发块53的内侧与岩心筒1外壁接触，密封阀瓣32开启90°且位于触发内筒52与钻机外筒16之间。

如图5-8所示，随着钻井液的通入，钻机17下落，此时岩心筒1随钻机外筒16向下移动，钻井液逐渐填充进岩心筒1，此过程中，如果岩心筒1内的压力大于气体容腔10上部腔体内的压力，部分液体经液体流通孔15进入液体容腔二7，紧接着通过滤网8和液体通道14进入至气体容腔10内，压缩活塞二11直至气液达到平衡。如果压力到达预定值，安全阀3则被打开，液体经泄压通道6进入液体容腔一5中，最终通过岩心筒1上部的溢流孔13排出岩心筒1，可避免岩心筒1压力过大，保护钻机等器械设备。

同时，随着钻头17的钻进，岩芯从岩心筒1下端进入岩心筒1内并由捕芯器23抓紧，此时原位水环境可以侵入岩心筒1内。如图5、6所示，当限位台阶一21与限位台阶二22相抵时，岩心筒1与内杆2不能再轴向相对移动，内杆2相对于岩心筒1移动到上止点，此时密封圈二20与岩心筒1内壁密封配合，溢流孔13位于密封圈二20与密封圈一12之间。此时，岩心筒1依然位于阀座31中。

钻头17停钻后，当向上提拉内杆2，可带动岩心筒1一起上行，捕芯器7抓取岩心并随岩心筒1向上移动，如图9-11所示，当岩心筒1被提拉越过翻板阀18后，岩心筒1底部的凸起部26带动触发块53上升，继而带动触发内筒52压缩触发弹簧51并上升，当触发内筒52底部越过密封阀瓣32后，触发内筒52对密封阀瓣32失去限制作用，密封阀瓣32反转，回到阀座31顶面与阀口密封面311密封接触，从而关闭翻板阀18，实现岩心筒1下端的密封，通过上端活塞二11和下端翻板阀18的共同作用，可有效避免岩心筒1内液体的流失。

当触发块53随岩心筒1到达钻机外筒16的避让口24时，触发块53能够径向移位继而脱离岩心筒1凸起部26的作用；当岩心筒1底部越过避让口24后，触发块53失去岩心筒1的作用力，触发内筒52在触发弹簧51的弹力以及自身重力的作用下带动触发块53下滑，最终压在密封阀瓣32上，对翻板阀18施加密封比压。

本实施方式中翻板阀18的结构如图12所示，密封阀瓣32一端通过弹簧片24与阀座31上端外侧壁铰接。其中，弹簧片24包括转轴41和弹片42，阀座31侧壁顶端有与转轴41相适配的转轴容置槽，密封阀瓣32外表面有容纳弹片42的凹槽321。弹片42为曲线型钢片，曲线型钢片卡在凹槽321处，在外力作用下曲线型钢片能够伸直，其曲面可以变为平面并与密封阀瓣32外表面的凹槽321完全贴合。当触发内筒52底部越过密封阀瓣32时，夹在钻机外筒16与密封阀瓣32之间的弹片42释放弹力，密封阀瓣32在弹片42弹力和自身重力作用下反转，与阀座31实现密封配合。

当密封阀瓣32开启90°时，密封阀瓣32内表面与触发内筒52外壁完全贴合且其外表面与阀座31外侧壁在同一个圆柱面内。密封阀瓣32为由圆锥面或圆球面截取半圆管片获得的空间曲面，半圆管片外径与阀座31外径一致。密封阀瓣32外周设置有用于安装密封圈三322的环形凹槽，环形凹槽中装有密封圈三322。

在另一个实施方式中，密封阀瓣32通过销轴和扭力弹簧与阀座31上端外侧壁铰接。

在提钻过程中，岩心筒1内压力降低，活塞二11下方压力降低，平衡打破，气体容腔10内气体膨胀，活塞二11下移，压缩岩心筒1内液体，再次达到平衡。

本发明采用翻板阀实现下端密封，结构简单，节约空间，可消除对钻取岩芯直径的限制；上端密封结构具有防爆功能，可靠性好。

当然，本发明还可有其它多种实施方式，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.保压筒密封结构，其特征在于:包括岩心筒(1)、内杆(2)、钻机外筒(16)和翻板阀(18)，所述内杆(2)的下端伸进岩心筒(1)内，内杆(2)的下端与岩心筒(1)的内壁密封配合，内杆(2)内设有气体容腔(10)和液体通道(14)，气体容腔(10)中设有活塞二(11)，液体通道(14)上端与气体容腔(10)连通，液体通道(14)的下端开口于内杆(2)的底面；

翻板阀(18)包括阀座(31)和密封阀瓣(32)，阀座(31)同轴安装在钻机外筒(16)内壁上，密封阀瓣(32)一端与阀座(31)上端外侧壁活动连接，阀座(31)顶部有与密封阀瓣(32)匹配的阀口密封面(311)；当岩心筒(1)位于阀座(31)中时，密封阀瓣(32)开启90°且位于岩心筒(1)与钻机外筒(16)之间；当将岩心筒(1)向上提升至一定高度时，密封阀瓣(32)回到阀座(31)顶面与阀口密封面(311)密封接触。

2.根据权利要求1所述的保压筒密封结构，其特征在于：内杆(2)底部膨大，内杆(2)膨大部的外壁设有密封圈一(12)，密封圈一(12)与岩心筒(1)内壁密封配合，密封圈一(12)上方内杆(2)的外壁与岩心筒(1)内壁之间形成液体容腔一(5)，岩心筒(2)上部侧壁设有溢流孔(13)；

内杆(2)内设有泄压通道(6)，泄压通道(6)的出口与液体容腔一(5)连通，泄压通道(6)的入口位于内杆(2)底面，泄压通道(6)的入口处安装有安全阀(3)。

3.根据权利要求2所述的保压筒密封结构，其特征在于：内杆(2)外壁安装有密封圈二(20)，密封圈二(20)位于泄压通道(6)的出口与密封圈一(12)之间；当内杆(2)相对于岩心筒(1)移动到上止点时，密封圈二(20)与岩心筒(2)内壁密封配合，溢流孔(13)位于密封圈二(20)与密封圈一(12)之间。

4.根据权利要求1、2或3所述的保压筒密封结构，其特征在于：内杆(2)下端套装有端盖帽(9)，端盖帽(9)内壁与内杆(2)底面之间的区域构成液体容腔二(7)，端盖帽(9)下端安装有活塞一(4)，活塞一(4)上设有液体流通孔(15)，端盖帽(9)对应液体流通孔(15)的位置设有通孔。

5.根据权利要求4所述的保压筒密封结构，其特征在于：液体容腔二(7)中装有滤网(8)。

6.根据权利要求1所述的保压筒密封结构，其特征在于：还包括触发机构，触发机构包括触发内筒(52)和触发块(53)，触发内筒(52)侧壁上设有通孔，触发块(53)放置于通孔中，岩心筒(1)底部外侧壁有与触发块(53)适配的凸起部(26)；钻机外筒(16)内壁有与凸起部(26)适配的避让口(24)，触发块(53)位于密封阀瓣(32)上方，避让口(24)位于触发块(53)上方；

当岩心筒(1)位于阀座(31)中时，触发内筒(52)位于岩心筒(1)与钻机外筒(16)之间，触发内筒(52)下端与阀座(31)止口配合，触发块(53)外凸于触发内筒(52)的内侧壁，密封阀瓣(32)位于触发内筒(52)与钻机外筒(16)之间；当将岩心筒(1)向上提升至一定高度时，密封阀瓣(32)回到阀座(31)顶面与阀口密封面(311)密封接触，触发内筒(52)底部压在密封阀瓣(32)上。

7.根据权利要求6所述的保压筒密封结构，其特征在于：触发机构还包括触发弹簧(51)，触发弹簧(51)套在触发内筒(52)外，所述触发内筒(52)外壁设有台肩(521)，触发弹簧(51)下端受压于台肩(521)，触发弹簧(51)上端顶在钻机外筒(16)的台阶面上，触发弹簧(51)位于触发块(53)上方。

8.根据权利要求6或7所述的保压筒密封结构，其特征在于：当密封阀瓣(32)开启90°时，密封阀瓣(32)内表面与触发内筒(52)外壁完全贴合且其外表面与阀座(31)外侧壁在同一个圆柱面内。

9.根据权利要求1所述的保压筒密封结构，其特征在于：密封阀瓣(32)一端通过弹簧片(24)与阀座(31)上端外侧壁铰接。

10.根据权利要求1所述的保压筒密封结构，其特征在于：阀座(31)的外壁与钻机外筒(16)的内壁间设有密封圈。