CN109505993B - 可增加密封比压的岩心筒密封结构 - Google Patents

可增加密封比压的岩心筒密封结构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及可增加密封比压的岩心筒密封结构，包括岩芯筒、钻机外筒、锁子甲式翻板阀和触发机构，锁子甲式翻板阀包括阀座和锁子甲式的阀瓣；触发机构包括触发内筒和触发块，触发块放置于触发内筒侧壁的通孔中，钻机外筒内壁有与触发块适配的避让口；当岩芯筒位于阀座中时，阀瓣开启90°且位于触发内筒与钻机外筒之间；当将岩芯筒向上提升至一定高度时，阀瓣回到阀座顶面与阀口密封面密封接触，触发内筒底部压在阀瓣上。本发明采用锁子甲式翻板阀实现下端密封，该阀瓣形变能力强，可自动调整密封配合位置，配合成功率高，密封性能可靠，且阀瓣保压受力时具有反向自锁特性；同时又受压于回落的触发内筒，密封比压大，密封性能可靠。

Description

可增加密封比压的岩心筒密封结构
技术领域
本发明涉及取芯设备技术领域，尤其涉及可增加密封比压的岩心筒密封结构。
背景技术
目前，在保压取芯领域，保压筒上端一般采用活塞密封，保压筒下端通常采用球阀密封或者翻板阀密封。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；而现有的翻板阀，虽然结构简单，能够维持较高的压力，但其阀瓣为固定形状，不能变形，配合成功率低；此外，翻板阀在密封比压小时密封性能差。
发明内容
本发明旨在提供可增加密封比压的岩心筒密封结构，采用翻板阀实现下端密封，其翻板阀的阀瓣具有形变能力，配合成功率高，并增加触发机构来增大翻板阀关闭时的密封比压，提高阀门的密封性能。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
可增加密封比压的岩心筒密封结构，包括岩芯筒、钻机外筒、锁子甲式翻板阀和触发机构，锁子甲式翻板阀包括阀座和锁子甲式的阀瓣，阀座同轴安装在钻机外筒内壁上，阀瓣一端与阀座上端外侧壁活动连接，阀座顶部有与阀瓣匹配的阀口密封面；阀瓣包括弹性密封圈、弹性连接条、密封件和多个依次平行排列的锁条；弹性连接条将所有锁条串连并由弹性密封圈将所有锁条箍在一起形成整体结构，相邻两个锁条间设有密封件；
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，岩芯筒底部外侧壁有与触发块适配的凸起部；钻机外筒内壁有与触发块适配的避让口，触发块位于阀瓣上方，避让口位于触发块上方；
当岩芯筒位于阀座中时，触发内筒位于岩芯筒与钻机外筒之间，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，阀瓣开启90°且位于触发内筒与钻机外筒之间；当将岩芯筒向上提升至一定高度时，阀瓣回到阀座顶面与阀口密封面密封接触，相邻两个锁条密封接触，触发内筒底部压在阀瓣上。
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。
其中，锁条上有与弹性密封圈适配的卡槽，弹性密封圈装在卡槽中。
进一步的，当阀瓣开启90°时，锁条与阀座的轴线平行。
进一步的，当阀瓣与阀座密封接触时，阀瓣为圆形平板结构。
进一步的，除首尾两个锁条外，其余锁条的一面有楔形通槽，相对的另一面有与楔形通槽适配的凸部；
首尾两个锁条中的其中一个锁条上设有楔形通槽，另一个锁条上设有凸部；
相邻两个锁条中的其中一个锁条的凸部与另一个锁条的楔形通槽楔形配合，密封件设于楔形通槽的槽壁与凸部之间。
进一步的，楔形通槽其中一个槽壁上有限位台阶面一，对应的另一个锁条的凸部上有与限位台阶面一适配的限位台阶面二；
当阀瓣与阀座密封接触时，限位台阶面一和限位台阶面二位于弹性密封圈下方,限位台阶面一与限位台阶面二相抵触且限位台阶面一位于限位台阶面二外侧。
其中，密封件安装在楔形通槽的槽壁上。
进一步的，阀瓣通过弹簧片活动连接在阀座上，弹簧片包括转轴和具有弹性的弹片，阀座顶端外侧壁有与转轴相适配的转轴容置槽，转轴装在转轴容置槽中，阀瓣外表面有容纳弹片的弹片容置槽，弹片装在弹片容置槽中。
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：
本发明采用锁子甲式翻板阀实现下端密封，阀门开启时，锁子甲式阀瓣发生形变并隐藏于岩芯筒与钻机外筒之间，节约空间，可消除对钻取岩芯直径的限制；当将岩芯筒向上提升至一定高度时，锁子甲式的阀瓣自动关闭,该阀瓣形变能力强，可自动调整密封配合位置，配合成功率高，密封性能可靠，且阀瓣保压受力时具有反向自锁特性；同时又受压于回落的触发内筒，密封比压大，密封性能可靠。
附图说明
图1是锁子甲式翻板阀开启时本发明的结构示意图；
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是锁子甲式翻板阀关闭时本发明的结构示意图；
图5是图4中A处的放大图；
图6是岩芯筒位于阀座中时锁子甲式翻板阀的三维立体图；
图7是图6中阀瓣的俯视图；
图8是图7中A处的局部放大图；
图9是图8中A处的局部放大图；
图10是自然状态下阀瓣的三维立体图；
图11是阀瓣关闭时锁子甲式翻板阀的三维立体图；
图12是阀瓣受压密封时的三维立体图；
图13是阀瓣受压密封时的主视图；
图中：1-岩芯筒、2-钻机外筒、4-弹簧片、6-钻头、7-捕芯器、8-活塞、11-凸起部、12-环形槽、21-上外筒、22-下外筒、23-螺纹连接套、24-避让口、31-阀座、32-阀瓣、41-转轴、42-弹片、51-触发弹簧、52-触发内筒、53-触发块、521-台肩、201-锁条、202-弹性连接条、203-密封件、211-楔形通槽、212-凸部、213-限位台阶面一、214-限位台阶面二、231-密封条、232-金属密封件、233-石墨、234-辅助密封件、311-阀口密封面、321-弹片容置槽、322-弹性密封圈。
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、2、6所示，本发明公开的可增加密封比压的岩心筒密封结构，包括岩芯筒1、钻机外筒2、锁子甲式翻板阀和触发机构，锁子甲式翻板阀包括阀座31和锁子甲式的阀瓣32，阀座31同轴安装在钻机外筒2内壁上，阀瓣32一端与阀座31上端外侧壁活动连接，阀座31顶部有与阀瓣32匹配的阀口密封面311。
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，岩芯筒1底部外侧壁有与触发块53适配的凸起部11；钻机外筒2内壁有与触发块53适配的避让口24，触发块53位于阀瓣32上方，避让口24位于触发块53上方。
如图1、2所示，当岩芯筒1位于阀座31中时，触发内筒52位于岩芯筒1与钻机外筒2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，触发块53的外侧与钻机外筒2内壁接触，触发块53的内侧与岩芯筒1外壁接触，阀瓣32开启90°且位于触发内筒52与钻机外筒2之间。
如图4,5所示，当将岩芯筒1向上提升越过锁子甲式翻板阀，岩芯筒1底部的凸起部11带动触发块53上升，继而带动触发内筒52上升，当触发内筒52底部越过阀瓣32时，阀瓣32反转，回到阀座31顶面与阀口密封面311密封接触，锁子甲式翻板阀的关闭；当触发块53随岩芯筒1到达钻机外筒2的避让口24时，触发块53能够径向移位继而脱离岩芯筒1凸起部11的作用；当岩芯筒1底部越过避让口24时，触发块53失去岩芯筒1的作用力，触发内筒52在重力的作用下下滑，最终压在阀瓣32上，对阀瓣32施加密封比压。
在另一个实施方式中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，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2的台阶面上，触发弹簧51位于触发块53上方。当将岩芯筒1向上提升越过锁子甲式翻板阀，岩芯筒1底部的凸起部11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；当岩芯筒1底部越过避让口24时，触发块53失去岩芯筒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，最终压在阀瓣32上，对阀瓣32施加密封比压。
其中，如图5所示，钻机外筒2包括上外筒21、下外筒22和螺纹连接套23，螺纹连接套23下端设有内螺纹，螺纹连接套23上端设有外螺纹，下外筒22的上端与螺纹连接套23的下端螺纹连接，上外筒21的下端与螺纹连接套23的上端螺纹连接。
如图5、6所示，阀座31外壁有用于安装密封圈的环形槽12，环形槽12中装有密封圈实现阀座31与钻机外筒2之间的密封配合。
本实施方式中的锁子甲式翻板阀的结构如图6所示，如图7、8所示，阀瓣32包括弹性密封圈322、弹性连接条202、密封件203和多个依次平行排列的锁条201。锁条201至少有3个，锁条201的数量和尺寸根据阀口密封面的大小确定。弹性连接条202将所有锁条201串连并由弹性密封圈322将所有锁条201箍在一起形成整体结构，锁条201上有与弹性密封圈322适配的卡槽，弹性密封圈322装在卡槽中，相邻两个锁条201间设有密封件203。由于并行排列的多个锁条201由弹性连接条202串联，由弹性密封圈322紧箍，当阀瓣32或锁条201受外力时可使锁条201和弹性密封圈322发生弹性形变，继而相邻两个锁条201可发生相对位移及转动，因而阀瓣32在受外力时可发生形变。
如图2、6、7所示，当岩芯筒位于阀座31中时，由于触发内筒52岩心筒1的作用力，使阀瓣32开启90度，由于触发内筒52与钻机外筒2的双面作用力使相邻两个锁条201被撑开，阀瓣32发生形变最终隐藏在触发内筒52与钻机外筒2之间，且阀瓣32的内表面与触发内筒52的外侧壁完全贴合，节约空间，可消除对钻取岩芯直径的限制。此时，锁条201与阀座31的轴线平行。
如图4、5所示，当将岩芯筒1向上提升至一定高度时，阀瓣32回到阀座31顶面与阀口密封面311密封接触，相邻两个锁条201密封接触，从而阻断介质。
如图7、8所示，除首尾两个锁条201外，其余锁条201的一面有楔形通槽211，相对的另一面有与楔形通槽211适配的凸部212。首尾两个锁条201中的其中一个锁条201上设有楔形通槽211，另一个锁条201上设有凸部212；相邻两个锁条201中的其中一个锁条201的凸部212陷于另一个锁条201的楔形通槽211中。密封件203安装在楔形通槽211的槽壁上。
如图8、9所示，密封件203安装在楔形通槽211的其中一个槽壁上，楔形通槽211另一个槽壁上有限位台阶面一213，对应的另一个锁条201的凸部212上有与限位台阶一面213适配的限位台阶面二214。当阀瓣32与阀座31密封接触时，限位台阶面一213和限位台阶面二214位于弹性密封圈322下方，限位台阶面一213与限位台阶面二214相抵触且限位台阶面一213位于限位台阶面二214外侧，以防止阀瓣32受压时凸部212从楔形通槽211中退出，使其在保压受力时能够反向自锁。
密封件203包括用于提供软密封的密封条231、用于提供硬密封的金属密封件2032以及两个辅助密封件234。密封条231安装两个辅助密封件234之间，辅助密封件234对密封条231进行位置固定，同时对密封条231进行保护。
作为优选，密封件203还包括石墨233,密封条231位于石墨233与金属密封件2032之间，石墨233位于密封条231内侧，石墨材料可减小锁条201间的滑动阻力。由于楔形通槽211的槽壁具有一定倾斜度，如图7-13所示，闭合时，后边的锁条201首先接触前边锁条201的石墨233部分，石墨减小摩擦，利于闭合运动；然后首先起到密封作用的是密封条231，较软的密封条231首先满足初始密封条件，密封条231是长条的，横截面为圆形，其长度与相邻两个锁条201的接触长度一致。随着压力增大时，外侧的金属密封件2033也实现密封。其中，楔形通槽211可为V形或梯形等。
当阀瓣32与阀口密封面311密封接触时，弹性密封圈322位于阀瓣32中部，密封件203位于弹性密封圈322上方，弹性连接条202位于密封件203上方。由于弹性连接条202以及弹性密封圈322的压力，自然状态下，阀瓣32有变为平板结构的趋势，但是由于密封件203的阻挡作用，使阀瓣32在自然状态下为微弧形板结构，如图10所示。但当阀瓣32受压与阀座31密封接触时，如图11、12、13所示，相邻两个锁条201挤压密封件203实现密封接触，阀瓣32变形为圆形平板结构，与此同时，弹性密封圈322实现阀瓣与阀座之间的密封。
如图2、11所示，阀瓣32通过弹簧片4活动连接在阀座31上，弹簧片4包括转轴41和具有弹性的弹片42，阀座31顶端外侧壁有与转轴41相适配的转轴容置槽，转轴41装在转轴容置槽中，阀瓣32外表面有容纳弹片42的弹片容置槽321，弹片42装在弹片容置槽321中。弹片42为曲线型钢片，曲线型钢片卡在弹片容置槽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阀瓣32外表面的弹片容置槽321完全贴合。
在另一个实施方式中，阀瓣32通过销轴和扭力弹簧与阀座31上端外侧壁铰接。
如图1、3所示，岩芯筒1下端内壁设有捕芯器7，岩芯筒1上部装有活塞8，钻机外筒2下端连接钻头6，如图1、2所示，岩心钻取阶段，岩芯筒1下端穿过阀座31并延伸到钻机外筒2底部，此时阀瓣32开启90度，触发内筒52与阀瓣32紧密接触可限制阀瓣32转动。随着钻头6的钻进，岩芯从岩芯筒1下端进入岩芯筒1内并由捕芯器7抓紧，此时原位水环境可以侵入岩芯筒1内。
当将岩芯筒1提升，捕芯器7抓取岩心并随岩芯筒1向上移动，当提升到一定高度时，触发内筒52对阀瓣32失去限制作用，阀瓣32在弹簧的作用下，回到阀座31顶面与阀口密封面311密封接触，阀门关闭，最后再由回落的触发内筒52压在阀瓣32上，对阀瓣32施加密封比压，从而有效避免岩芯筒1内的液体流失。
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.可增加密封比压的岩心筒密封结构，其特征在于:包括岩芯筒、钻机外筒、锁子甲式翻板阀和触发机构，锁子甲式翻板阀包括阀座和锁子甲式的阀瓣，阀座同轴安装在钻机外筒内壁上，阀瓣一端与阀座上端外侧壁活动连接，阀座顶部有与阀瓣匹配的阀口密封面；阀瓣包括弹性密封圈、弹性连接条、密封件和多个依次平行排列的锁条；弹性连接条将所有锁条串连并由弹性密封圈将所有锁条箍在一起形成整体结构，相邻两个锁条间设有密封件；
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，岩芯筒底部外侧壁有与触发块适配的凸起部；钻机外筒内壁有与触发块适配的避让口，触发块位于阀瓣上方，避让口位于触发块上方；
当岩芯筒位于阀座中时，触发内筒位于岩芯筒与钻机外筒之间，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，阀瓣开启90°且位于触发内筒与钻机外筒之间；当将岩芯筒向上提升至一定高度时，阀瓣回到阀座顶面与阀口密封面密封接触，相邻两个锁条密封接触，触发内筒底部压在阀瓣上。
2.根据权利要求1所述的岩心筒密封结构，其特征在于：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。
3.根据权利要求1所述的岩心筒密封结构，其特征在于：锁条上有与弹性密封圈适配的卡槽，弹性密封圈装在卡槽中。
4.根据权利要求3所述的岩心筒密封结构，其特征在于：当阀瓣开启90°时，锁条与阀座的轴线平行。
5.根据权利要求1或4所述的岩心筒密封结构，其特征在于：当阀瓣与阀座密封接触时，阀瓣为圆形平板结构。
6.根据权利要求1或3所述的岩心筒密封结构，其特征在于：除首尾两个锁条外，其余锁条的一面有楔形通槽，相对的另一面有与楔形通槽适配的凸部；
首尾两个锁条中的其中一个锁条上设有楔形通槽，另一个锁条上设有凸部；
相邻两个锁条中的其中一个锁条的凸部与另一个锁条的楔形通槽楔形配合，密封件设于楔形通槽的槽壁与凸部之间。
7.根据权利要求6所述的岩心筒密封结构，其特征在于：楔形通槽其中一个槽壁上有限位台阶面一，对应的另一个锁条的凸部上有与限位台阶面一适配的限位台阶面二；
当阀瓣与阀座密封接触时，限位台阶面一和限位台阶面二位于弹性密封圈下方,限位台阶面一与限位台阶面二相抵触且限位台阶面一位于限位台阶面二外侧。
8.根据权利要求7所述的岩心筒密封结构，其特征在于：密封件安装在楔形通槽的槽壁上。
9.根据权利要求1或3所述的岩心筒密封结构，其特征在于：阀瓣通过弹簧片活动连接在阀座上，弹簧片包括转轴和具有弹性的弹片，阀座顶端外侧壁有与转轴相适配的转轴容置槽，转轴装在转轴容置槽中，阀瓣外表面有容纳弹片的弹片容置槽，弹片装在弹片容置槽中。
10.根据权利要求1所述的岩心筒密封结构，其特征在于：阀座的外壁与钻机外筒的内壁间设有密封圈。
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