CN109184604B - 一种新型一球式多次激活井下旁通阀及其系统和使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型一球式多次激活井下旁通阀，包括：上接头，其上具有出液口，其衔接处呈阶梯结构；外筒体，其与上接头的一端连接形成一个流通通道，所述外筒体与上接头的衔接处连接，且上接头靠出液口的一级阶梯凸出于所述外筒体的内壁，所述外筒体的其中一部分内壁向外凹陷依次形成球座腔和连接腔；滑套，其设置于上接头和外筒体内可堵住所述出液口，所述滑套外壁具有凸缘，所述一级阶梯通过限制凸缘向上接头的方向移动，凸缘另一端与连接腔之间设置有弹簧，所述弹簧套设于滑套外。本发明实现全程任意位置旁通阀的开启，极大提高钻井的效率且结构简单、成本较低。

Description

一种新型一球式多次激活井下旁通阀及其系统和使用方法

技术领域

本发明涉及钻井用旁通阀领域。更具体地说，本发明涉及一种一球式多次激活井下旁通阀，实现全程任意位置旁通阀的开启。

背景技术

对于现有的旁通阀，一般常用在卡钻、钻堵漏和井漏等问题。其中卡钻指的是由于施工不连续或是泵的排量较低，携砂的能力不强等原因，而导致砂的不断积累堵住钻头的情况。钻堵漏指的是在钻头工作的期间，遇到岩石开裂或是出现裂缝时，借助旁通阀向裂缝中灌入堵漏材料的措施。

根据国内外的研究表明：1.在钻井过程中，多次激活旁通阀可以极大提高钻井的工作效率。2.在泵不工作时，旁通阀关闭能有效的减轻U型效应。3.多次激活旁通阀的限制较少，可以很方便的对钻井进行大排量的清洗。4.可以保护并协助钻头在井下的工作。

在现有的旁通阀设计中，大多数产品只能实现一次对旁通阀的开启，若是再开启就需要起钻进行人工的再开启，因为在钻井的过程中会多次遇到以上情况，若是每次遇到情况都要起钻，会极大影响钻井的工作效率。

传统多次激活旁通阀每开启一次旁通阀，开阀球都会被球座切坏不能再次利用且对开阀球的性能要求也较高。

发明内容

本发明的目的是提供一种旁通阀，实现全程任意位置旁通阀的开启，极大提高钻井的效率且结构简单、成本较低。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种新型一球式多次激活井下旁通阀，包括：

上接头，其上具有出液口，其衔接处呈阶梯结构，；

外筒体，其与上接头的一端连接形成一个流通通道，所述外筒体与上接头的衔接处连接，且上接头靠出液口的一级阶梯凸出于所述外筒体的内壁，所述外筒体的其中一部分内壁向外凹陷依次形成球座腔和连接腔；

滑套，其设置于上接头和外筒体内可堵住所述出液口，所述滑套外壁具有凸缘，所述一级阶梯通过限制凸缘向上接头的方向移动，凸缘另一端与连接腔之间设置有弹簧，所述弹簧套设于滑套外；

一对球座相对设置，所述滑套沿轴向对所述球座进行卡设；

开阀球；

其中，当所述球座与所述外筒体内壁相抵时，所述开阀球在流体压力下无法通过一对球座，当压力继续增大时开阀球顶推球座压缩弹簧至球座被顶推进入球座腔，所述开阀球通过所述球座，所述出液口与所述流通通道连通。

优选的是，所述上接头与所述外筒体通过螺纹连接。

优选的是，所述上接头内壁位于出液口的两侧设置有密封圈。

优选的是，所述滑套上设置有键槽，所述球座上设置有卡键，所述键槽与所述卡键相配合将所述滑套和所述球座连接形成一个整体。

优选的是，所述球座腔由上接头向外筒体的方向直径逐渐变大之后维持不变，球座腔直径逐渐变大的部分与旁通阀轴线的夹角为20°～30°。

优选的是，所述滑套朝向外筒体的一端连接有球篮，所述球篮为内径大于开阀球且底部封闭的管状结构，其上开设有多个通孔。

优选的是，所述凸缘的一端沿环向均匀设置有多组旋转件，所述旋转件包括：

设置于凸缘一端的固定件；

具有外螺纹的卡柱，其一端可转动的与固定件连接；

1～2个桨叶，其间隔设置于所述卡柱靠近凸缘的一端；

任一旋转件的卡柱对应的一级阶梯均向内凹陷形成卡槽，且所述卡槽与所述出液口错开，所述卡槽的端口固定有具有内螺纹的卡套，所述卡柱与所述卡套螺纹配合，所述卡柱的长度设置为当滑套受压力向弹簧的方向运动至最大限度时，所述卡柱不与卡套脱离。

优选的是，所述桨叶包括：固定轴和三片叶片，所述叶片沿固定轴外壁面倾斜设置，所述叶片倾斜角度与水平面的夹角为30°，所述叶片位于上侧的边缘向上延伸并向叶片上方平行延伸且厚度逐渐变小至厚度为0.5～0.8mm，所述叶片下侧的厚度也逐渐变小至0.5～0.8mm；

所述叶片上均匀开设有气孔，任一气孔旁均设置有防堵件，且防堵件所在的叶片部位高于气孔所在的叶片部位，所述叶片内朝向气孔的方向开设有圆柱形的滑槽，滑槽朝向气孔的端口设置由环形的挡块，所述挡块的内壁设置有密封圈，所述防堵件的底部卡设于滑槽内滑动连接，其上部直径与挡块的内径相同；

其中，所述卡柱和卡套相配合的螺纹设置为当滑套带动卡柱向弹簧的方向运动时，所述叶片水平投影时其转动方向为叶片低端向高端的方向转动，当滑套带动卡柱向远离弹簧的方向运动时，所述叶片水平投影时其转动方向为叶片高端向低端的方向转动。

本发明还提供了一种旁通阀系统，包括多个旁通阀，多个旁通阀依次串联，且位于最下方的旁通阀中的滑套上设置球篮，所述球篮为内径大于开阀球且底部封闭的管状结构，其上开设有多个通孔。

本发明还提供了一种旁通阀系统的使用方法，包括以下步骤：

步骤一、将开阀球从上接头处投入；

步骤二、由旁通阀的上接头处增大压力，使开阀球到达目标旁通阀并使目标旁通阀的出液口与流通通道贯通。

本发明至少包括以下有益效果：本发明的旁通阀结构能够一球多次开启旁通阀，实现全程任意位置旁通阀的开启，极大提高钻井的效率且结构简单、成本较低。。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1是无球篮的旁通阀结构示意图；

图2是有球篮的旁通阀结构示意图；

图3是多个旁通阀串联示意图；

图4是无球篮的旁通阀结构中开阀球运动示意图A；

图5是无球篮的旁通阀结构中开阀球运动示意图B；

图6是无球篮的旁通阀结构中开阀球运动示意图C；

图7是无球篮的旁通阀结构中开阀球运动示意图D；

图8是无球篮的旁通阀结构中开阀球运动示意图E；

图9是有球篮的旁通阀结构中开阀球运动示意图A；

图10是有球篮的旁通阀结构中开阀球运动示意图B；

图11是有球篮的旁通阀结构中开阀球运动示意图C；

图12是有球篮的旁通阀结构中开阀球运动示意图D；

图13是有球篮的旁通阀结构中开阀球运动示意图E；

图14是旋转件示意图；

图15是桨叶示意图；

图16是防堵件示意图。

1-上接头，101-出液口，102-一级阶梯，103-密封圈，104-卡槽，105-卡套，2-外筒体，201-流通通道，202-球座腔，203-连接腔，3-滑套，301-凸缘，302-弹簧，303-键槽，4-球座，5-开阀球，6-球篮，601-通孔，71-固定件，72-卡柱，73-桨叶，731-固定轴，732-叶片，733-气孔，734-滑槽，735-挡块，736-防堵件。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，本发明提供一种新型一球式多次激活井下旁通阀，包括：

上接头1，其上具有出液口101，其衔接处呈阶梯结构，出液口101可以设置滤网，防止外部大直径的砂石进入旁通阀；

外筒体2，其与上接头1的一端连接形成一个流通通道201，所述外筒体2与上接头1的衔接处连接，且上接头1靠出液口101的一级阶梯102凸出于所述外筒体2的内壁，所述外筒体2的其中一部分内壁向外凹陷依次形成球座腔202和连接腔203；

滑套3，其设置于上接头1和外筒体2内可堵住所述出液口101，所述滑套3外壁具有凸缘301，所述一级阶梯102通过限制凸缘301向上接头1的方向移动，凸缘301另一端与连接腔203之间设置有弹簧302，所述弹簧302套设于滑套3外；

一对球座4相对设置，所述滑套沿轴向对所述球座4进行卡设；

开阀球5；

其中，当所述球座4与所述外筒体2内壁相抵时，所述开阀球5在流体压力下无法通过一对球座4，当压力继续增大时开阀球5顶推球座4压缩弹簧302至球座4被顶推进入球座腔202，所述开阀球5通过所述球座4，所述出液口101与所述流通通道201连通。

在上述技术方案中，主要采用了新的一种结构形式来达到对旁通阀的出液口101多次开启，先是投掷开阀球5并与球座4接触后，开阀球5的上端形成憋压，当压力达到一定值时，复位弹簧302开始被压缩外筒内部的滑套3、开阀球5、球座4向下移动。当压力不断增大时，复位弹簧302继续被压缩，滑套3、开阀球5、球座4接着向下移动，直到球座4下滑至外筒开有槽的部位，球座4被开阀球5推进槽中，球座4的间隙增大，开阀球5从中下落直至底部同时复位弹簧302推动球座4和滑套3复位，若想再开启该旁通阀，可再次投入一枚开阀球5。

在另一种技术方案中，所述上接头1与所述外筒体2通过螺纹连接，是因为考虑到滑套3、球座4、球篮6以及复位弹簧302的尺寸较大，无法从上端接头放入的问题，故将外筒与上端面分开并用螺纹再连接到一起。

在另一种技术方案中，所述上接头1内壁位于出液口101的两侧设置有密封圈，保证密封性。

在另一种技术方案中，所述滑套3上设置有键槽303，所述球座4上设置有卡键，所述键槽303与所述卡键相配合将所述滑套3和所述球座4连接形成一个整体。

在上述技术方案中，滑套3上端抵住凸缘301，下端抵住复位弹簧302，且滑套3其实是被球座4分为了上下两部分，滑套3的上下两部分与球座4之间设有键槽303从而使球座4下移时带动上下两部分滑套3下移，之后由复位弹簧302提供向上的推力，从而使各个零件达到定位。

在另一种技术方案中，所述球座腔202由上接头1向外筒体2的方向直径逐渐变大之后维持不变，球座腔202直径逐渐变大的部分与旁通阀轴线的夹角为20°～30°，球座腔202呈逐渐变大的空间方便球座4平稳进入球座腔202，也方便球座4从球座腔202中出来。

在另一种技术方案中，所述滑套3朝向外筒体2的一端连接有球篮6，所述球篮6为内径大于开阀球5且底部封闭的管状结构，其上开设有多个通孔601，方便灌入的液体排走。

在另一种技术方案中，如图14所示，所述凸缘301的一端沿环向均匀设置有多组旋转件，所述旋转件包括：

设置于凸缘301一端的固定件71；

具有外螺纹的卡柱72，其一端可转动的与固定件71连接；

1～2个桨叶73，其间隔设置于所述卡柱72靠近凸缘301的一端；

任一旋转件的卡柱72对应的一级阶梯102均向内凹陷形成卡槽104，且所述卡槽104与所述出液口101错开，所述卡槽104的端口固定有具有内螺纹的卡套105，所述卡柱72与所述卡套105螺纹配合，所述卡柱72的长度设置为当滑套3受压力向弹簧302的方向运动至最大限度时，所述卡柱72不与卡套105脱离。

在上述技术方案中，由于滑套3向下运动过程中其上端和上接头1衔接处形成一个环形的空腔，流体会进入到这个环形的空腔，流体中会有细粒的泥沙，当滑套3回位时，会有部分泥沙滞留在环形空腔中，长时间的堆积滑套3会向下移，最终无法关闭出液口101，为了解决这一技术问题，通过设置旋转件，当滑套3向下运动压缩复位弹簧302时，卡柱72从卡槽104中旋转出来，带动桨叶73转动，使在环形空腔中的泥沙不会沉积在底部，当复位弹簧302复位时，滑套3的推力将卡柱72顶推旋转进入卡槽104反向旋转，将泥沙鼓吹向上运动，伴随液体一起从环形空腔进入主流的流通通道201，从而达到防止泥沙沉积的问题。

在另一种技术方案中，如图15所示，所述桨叶73包括：固定轴731和三片叶片732，所述叶片732沿固定轴731外壁面倾斜设置，所述叶片732倾斜角度与水平面的夹角为30°，所述叶片732位于上侧的边缘向上延伸并向叶片732上方平行延伸且厚度逐渐变小至厚度为0.5～0.8mm，所述叶片732下侧的厚度也逐渐变小至0.5～0.8mm；

其中，所述卡柱72和卡套105相配合的螺纹设置为当滑套3带动卡柱72向弹簧302的方向运动时，所述叶片732水平投影时其转动方向为叶片732低端向高端的方向转动，当滑套3带动卡柱72向远离弹簧302的方向运动时，所述叶片732水平投影时其转动方向为叶片732高端向低端的方向转动。

在上述技术方案中，通过对叶片732的结构进行限定能够实现两个功能，当滑套3压缩弹簧302向下运动时，如图15所示，叶片732逆时针转动，具有防止泥沙沉积作用，叶片732顺时针转动时，叶片732首先是呈倾斜设置的，增大了与液体的切削面积，另外叶片732的上侧延伸出一个辅助叶片732与该叶片732的下侧都是厚度逐渐变薄的，优选不锈钢材质，厚度仅为0.5～0.8mm，像刀片，在旋转时，由于环形空腔的空间远小于主要的流通通道201，且滑套3向上运动，环形空腔的压力大于主流通道的压力，通过叶片732的旋转切削形成气泡，气泡夹渣着泥渣和液体形成一个混合物密度小于这个流体密度，因此向上运动，从而从环形空腔中排出，防止堵塞环形空腔。

在另一种技术方案中，如图16所示，所述叶片732上均匀开设有气孔733，任一气孔733旁均设置有防堵件，且防堵件736所在的叶片732部位高于气孔733所在的叶片732部位，所述叶片732内朝向气孔733的方向开设有圆柱形的滑槽734，滑槽734朝向气孔733的端口设置由环形的挡块735，所述挡块735的内壁设置有密封圈，所述防堵件的底部卡设于滑槽734内滑动连接，其上部直径与挡块735的内径相同；

在上述技术方案中，由于气孔733孔径小，泥沙容易堵塞气孔733，由于环形空腔本身空间小，也不方便拆装，在无辅助外力的情况下，利用叶片732自身旋转的切向力带动防堵件的伸缩，当叶片732顺时针运动时，防堵件从滑槽734中移动出来，对气孔733进行疏通，当叶片732逆时针旋转时，防堵件会缩回至滑槽734中，防止流体进入滑槽734设置了挡块735和密封圈起到隔绝的作用。

本发明还提供了一种旁通阀系统，包括多个旁通阀，多个旁通阀依次串联，且位于最下方的旁通阀中的滑套3上设置球篮6，所述球篮6为内径大于开阀球5且底部封闭的管状结构，其上开设有多个通孔601。

在上述技术方案中，旁通阀系统由多个旁通阀串联成一个整体如图3所示，其中最下端的旁通阀的结构如图2所示具有球篮6用于装开阀球5，剩余的旁通阀没有设置球篮6结构如图1所示，是开阀球5可通过滑套3进入下一个旁通阀。本发明旁通阀的主流道路线是从上接头1流入，流经滑套3、球座4，最后到达下一个旁通阀的球座4处或者到达球篮6底部。

本发明还提供了一种旁通阀系统的使用方法，包括以下步骤：

步骤一、将开阀球5从上接头1处投入；

步骤二、由旁通阀的上接头1处增大压力，使开阀球5到达目标旁通阀并使目标旁通阀的出液口101与流通通道201贯通。

具体为：若想开启某一指定位置的旁通阀，假设需要开启第二个位置的旁通阀，需从井口投掷一枚开阀球5，开阀球5与上端旁通阀的球座4接触后堵住主通道，开阀球5上部形成憋压，复位弹簧302被压缩，滑套3、球座4向下移动，滑套3的上端降到旁通阀的下端，此时压力持续增大，滑套3、球座4继续下移，当球座4到达外筒的球座腔202部位，由压力推动球座4进入球座腔202中，开球阀掉至第二个旁通阀里形状保持不变(上端旁通阀运动过程如图4～8、底端旁通阀中运动过程如图9～13所示),同时顶端旁通阀的复位弹簧302推动球座4和滑套3复位，上端旁通阀关闭。此时开阀球5与第二个旁通阀的球座4接触堵住主流道，同样开阀球5上部形成憋压，复位弹簧302被压缩，滑套3、球座4向下移动，滑套3的上端降到旁通阀的下端，此时压力保持稳定，滑套3、开阀球5、球座4稳定在一个位置，第二位置的旁通阀常开。若想关闭第二位置的旁通阀只需增大压力，开阀球5将会掉进下一个旁通阀，压力接着将开阀球5往下压并再次下落直至底端旁通阀的球篮6中，若想开启其他位置旁通阀方法与上述同理，从而达到任意位置的开启,从而解决任意位置卡钻、随钻堵漏等一些问题，从而能够极大的提高钻井的效率。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种新型一球式多次激活井下旁通阀，其特征在于，包括：

上接头，其上具有出液口，其衔接处呈阶梯结构；

外筒体，其与上接头的一端连接形成一个流通通道，所述外筒体与上接头的衔接处连接，且上接头靠出液口的一级阶梯凸出于所述外筒体的内壁，所述外筒体的其中一部分内壁向外凹陷依次形成球座腔和连接腔；

滑套，其设置于上接头和外筒体内可堵住所述出液口，所述滑套外壁具有凸缘，所述一级阶梯通过限制凸缘向上接头的方向移动，凸缘另一端与连接腔之间设置有弹簧，所述弹簧套设于滑套外；

一对球座相对设置，所述滑套沿轴向对所述球座进行卡设；

开阀球；

其中，当所述球座与所述外筒体内壁相抵时，所述开阀球在流体压力下无法通过一对球座，当压力继续增大时开阀球顶推球座压缩弹簧至球座被顶推进入球座腔，所述开阀球通过所述球座，所述出液口与所述流通通道连通。

2.如权利要求1所述的新型一球式多次激活井下旁通阀，其特征在于，所述上接头与所述外筒体通过螺纹连接。

3.如权利要求1所述的新型一球式多次激活井下旁通阀，其特征在于，所述上接头内壁位于出液口的两侧设置有密封圈。

4.如权利要求1所述的新型一球式多次激活井下旁通阀，其特征在于，所述滑套上设置有键槽，所述球座上设置有卡键，所述键槽与所述卡键相配合将所述滑套和所述球座连接形成一个整体。

5.如权利要求1所述的新型一球式多次激活井下旁通阀系统，其特征在于，所述球座腔由上接头向外筒体的方向直径逐渐变大之后维持不变，球座腔直径逐渐变大的部分与旁通阀轴线的夹角为20°～30°。

6.如权利要求1所述的新型一球式多次激活井下旁通阀，其特征在于，所述滑套朝向外筒体的一端连接有球篮，所述球篮为内径大于开阀球且底部封闭的管状结构，其上开设有多个通孔。

7.如权利要求1所述的新型一球式多次激活井下旁通阀，其特征在于，所述凸缘的一端沿环向均匀设置有多组旋转件，所述旋转件包括：

设置于凸缘一端的固定件；

具有外螺纹的卡柱，其一端可转动的与固定件连接；

1～2个桨叶，其间隔设置于所述卡柱靠近凸缘的一端；

任一旋转件的卡柱对应的一级阶梯均向内凹陷形成卡槽，且所述卡槽与所述出液口错开，所述卡槽的端口固定有具有内螺纹的卡套，所述卡柱与所述卡套螺纹配合，所述卡柱的长度设置为当滑套受压力向弹簧的方向运动至最大限度时，所述卡柱不与卡套脱离。

8.如权利要求7所述的新型一球式多次激活井下旁通阀，其特征在于，所述桨叶包括：固定轴和三片叶片，所述叶片沿固定轴外壁面倾斜设置，所述叶片倾斜角度与水平面的夹角为30°，所述叶片位于上侧的边缘向上延伸并向叶片上方平行延伸且厚度逐渐变小至厚度为0.5～0.8mm，所述叶片下侧的厚度也逐渐变小至0.5～0.8mm；

所述叶片上均匀开设有气孔，任一气孔旁均设置有防堵件，且防堵件所在的叶片部位高于气孔所在的叶片部位，所述叶片内朝向气孔的方向开设有圆柱形的滑槽，滑槽朝向气孔的端口设置由环形的挡块，所述挡块的内壁设置有密封圈，所述防堵件的底部卡设于滑槽内滑动连接，其上部直径与挡块的内径相同；

其中，所述卡柱和卡套相配合的螺纹设置为当滑套带动卡柱向弹簧的方向运动时，所述叶片水平投影时其转动方向为叶片低端向高端的方向转动，当滑套带动卡柱向远离弹簧的方向运动时，所述叶片水平投影时其转动方向为叶片高端向低端的方向转动。

9.旁通阀系统，包括多个权利 要求1～5任一所述的旁通阀，多个旁通阀依次串联，且位于最下方的旁通阀中的滑套上设置球篮，所述球篮为内径大于开阀球且底部封闭的管状结构，其上开设有多个通孔。

10.一种如权利要求9所述的旁通阀系统的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、将开阀球从上接头处投入；

步骤二、由旁通阀的上接头处增大压力，使开阀球到达目标旁通阀并使目标旁通阀的出液口与流通通道贯通。

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