CN110107254A - 一种投球式多次激发旁通阀 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种投球式多次激发旁通阀，属于一种随钻井下作业工具。主要用于随钻堵漏或者洗井作业，具体包括钢球、上接头、上滑套、耐磨套、换位活塞、上限位筒、主壳体、换位销钉、止推轴承、上弹簧下滑套、下弹簧、下限位筒、球篮与下接头。旁通阀可根据钻完井作业工况的需要，通过投球憋压方式周期性打开或者关闭旁通通道，实现局部循环流量和方向的改变，完成中心流通、旁通流通、分流流通三种工作模式的切换，从而实现在随钻作业的前提下，完成堵漏或者洗井作业，节省了非生产时间；保护下方固相冲蚀敏感或流量受限的工具。
Description
技术领域
本发明属于石油天然气钻完井技术领域，具体涉及一种投球式多次激发旁通阀。
背景技术
石油天然气钻完井开发过程中，存在两种比较典型的作业需求：第一是需要大排量堵漏作业。正常情况下的钻井过程中泥浆循环的输入流量与输出流量大致相等，就如同血液一样保证整个循环系统的健康运行，但是往往在一些复杂地层会遇到漏失，致使泥浆返回地面的流量大量减少或者无返回，尤其天然气井前期钻井过程中“堵漏”、“防漏”是钻井日志中的高频词。泥浆具有清洁井眼、冷却钻具、维持井壁稳定等积极作用，没有正常循环的泥浆，钻井过程无法继续，因此必须要进行大排量堵漏作业。常规方法需要起出钻具组合，再下入专用堵漏工具和堵漏剂，堵漏完成后，再下入正常钻具组合进行钻井。另外，常用堵漏剂固相颗粒对钻具组合中的随钻测量工具、井下动力工具等有冲蚀磨砺作用，不宜长时间作业；
第二是需要大排量洗井。在大位移水平井或者井眼轨迹急剧变化的井段，钻井泥浆携带岩屑的能力明显减弱，岩屑沉积犹如人患有血栓一样，会阻碍钻井液的健康正常的循环，增加了钻井管柱的粘卡风险。在原本已下入的井下钻具组合上单纯加大排量理论上可以增强钻井液的流动性，但是同时也意味着整个循环压耗增加，管汇的高压安全风险明显增加，增益效果有限。另外对于一些有额定功率和排量的工具，过大排量可能损坏工具或者降低使用效果。
发明内容
本发明的目的是提供一种投球式多次激发旁通阀，解决了现有技术中存在的堵漏和洗井作业中耗费起下钻的时间以及对井下工具保护不到位的问题。
本发明所采用的技术方案是，
一种投球式多次激发旁通阀，包括上接头、主壳体、下接头和功能部件，上接头、主壳体、下接头通过螺纹连接，功能部件包括钢球、上滑套、耐磨套、换位活塞、上限位筒、换位销钉、止推轴承、上弹簧、下滑套、下弹簧、下限位筒和球篮，上滑套与耐磨套、换位活塞、止推轴承、上弹簧、下滑套中间台肩和下弹簧的端面依次相接触且均可在上接头、上限位筒和主壳体组成的圆柱腔体中轴向移动，上滑套设置有第一卡爪结构，第一卡爪结构能够在上限位筒中张开，换位活塞为大径圆柱和小径圆柱连接设置，小径圆柱周身依次均布分流旁通孔和独立旁通孔，大径圆柱表面有换位槽和第一密封圈沟槽，分流旁通孔、独立旁通孔和换位槽可沿轴向间歇性转动，上限位筒、换位销钉和主壳体之间螺纹连接，换位销钉一端插入换位槽中，中间台肩与上弹簧和下弹簧的端面相接，下弹簧、下限位筒、球篮和下接头的端面依次相接。
本发明的特点还在于，
上滑套设置有8个等分的第一卡爪结构，下滑套与上弹簧的同心配合段分布有4×4的呼吸孔，下滑套与下弹簧的同心配合段设置有8个等分的第一长腰形孔和8个等分的第二卡爪结构，下限位筒的内径中心流道具有第二扩径结构，8个第二卡爪结构能够在下限位筒的第二扩径结构处张开；上限位筒的端部设置有4个安装槽，上限位筒的外圆柱设置有与主壳体连接的螺纹，上限位筒的内部设置有有第一扩径结构和第二密封沟槽，下限位筒外8等分均布与内径相通的下限位筒分流流道，下限位筒设置有8个分流入孔和8个分流出孔，8个第二卡爪结构均沿周向设置有第一长腰形孔，8个分流入孔和8个分流出孔能够与第一长腰形孔对齐并实现分流。
主壳体的径向均布有6个旁通孔和2个螺纹孔，换位销钉插入换位槽并允许换位活塞在轴向移动的同时能够周向运动。
换位活塞的小径圆柱周身依次均布有6个分流旁通孔和6个独立旁通孔，换位活塞的大径圆柱表面设置有换位槽和3个第一密封沟槽，换位槽以间隔180°的方式分布到圆柱表面，每一种工作状态对应一种行程槽，行程槽分布间隔为60°，当换位槽到对应位置后，分流旁通孔和独立旁通孔可与旁通孔对齐构成流通通道。
球篮为中空结构，球篮的内部球座结构可阻止钢球的继续移动，球篮的周身均布6×6的第二长腰形孔，球篮的底部分布4个空隙槽，4个空隙槽为钢球移动到球座结构后导致中心流道过流面积明显减少的情况下提供另一流畅的旁通流道，锥形台肩可防止钢球径向和轴向移动。
钢球在使用过程中根据实际需要配备数颗；
当钢球投入第3n(n为自然数)颗时，旁通孔与独立旁通孔和分流旁通孔均不处于联通状态，旁通孔不打开，中心流道打开进行钻完井作业，即中心流通工作模式；
当钢球投入第3n+1颗时，独立旁通孔与旁通孔对齐，旁通孔打开，中心流道关闭，进行堵漏作业或者洗井循环作业，即旁通流通工作模式；
当钢球投入第3n+2颗时，分流旁通孔与旁通孔对齐，第一长腰形孔与分流入孔联通，旁通孔和中心流道都有流体通过，分流入孔按一定比例分流来使下方钻具在合适流量范围工作且钻井液连续循环，即分流流通工作模式。
上弹簧和下弹簧组合设计，刚度分别为K1和K2，初始预压缩力为Pl，初始预压缩量为x01和x02，当钢球在第一卡爪结构憋压时，以Pn压力同时压缩上弹簧和下弹簧，下弹簧的压缩量为△x1+x02，压力同时带动下滑套移动，下滑套移动的行程为△x1，换位活塞行程为x；当钢球在第二卡爪结构憋压时，以P’n的压力压缩下弹簧和放松上弹簧，上弹簧仍有压缩力作用，下弹簧的压缩量△x1+△x2+x02，下滑套的移动行程均为△x1+△x2，换位活塞的行程为0，相关参数存在以下关系：
上弹簧和下弹簧的压缩量以及换位槽的行程在不同工作模式的转换中存在一一对应的关系。
本发明的有益效果是；本发明一种投球式多次激发旁通阀，具有中心流通、旁通流通、分流流通三种工作模式，投球直径相同，组合弹簧设计减短整体长度，在停泵情况下旁通开关动作可保持的特点，节省了非生产时间；保护了因固相冲蚀敏感或流量受限的工具。
附图说明
图1是本发明一种投球式多次激发旁通阀的剖视图；
图2是本发明一种投球式多次激发旁通阀中上滑套和上限位筒的三维轴测图；
图3是本发明一种投球式多次激发旁通阀中换位活塞的三维轴测图；
图4是本发明一种投球式多次激发旁通阀中主壳体的半剖图；
图5是本发明一种投球式多次激发旁通阀中上弹簧和下弹簧组合设计示意图；
图6是本发明一种投球式多次激发旁通阀中下滑套的半剖图；
图7是本发明一种投球式多次激发旁通阀中下限位筒的半剖图；
图8是本发明一种投球式多次激发旁通阀中球篮的半剖图；
图9是本发明一种投球式多次激发旁通阀的三种工作模式的示意图。
图中，1.钢球，2.上接头，3.上滑套，4.耐磨套，5.换位活塞，6.上限位筒，7.主壳体，8.换位销钉，9.止推轴承，10.上弹簧，11.下滑套，12.下弹簧，13.下限位筒，14.球篮，15.下接头；
301.第一卡爪结构，501.分流旁通孔，502.独立旁通孔，503.换位槽，504.第一密封沟槽，601.安装槽，602.螺纹，603.第一扩径结构，604.第二密封沟槽，701.旁通孔，702.螺纹孔，1101.呼吸孔，1102.中间台肩，1103.第一长腰形孔，1104.第二卡爪结构，1301.分流入孔，1302.分流出孔，1303.第二扩径结构，1401.第二长腰形孔，1402.球座结构，1403.空隙槽，1404.锥形台肩；
Flow1301.下限位筒分流流道，Flow1302.下限位筒中心流道，Flow1401.球篮旁通流道，Flow1402.球篮中心流道，Flow501.中心流通工作模式，Flow502.旁通流通工作模式，Flow503.分流流通工作模式，5031.中心流通行程槽，5032.旁通流通行程槽，5033.分流流通行程槽。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
一种投球式多次激发旁通阀，包括上接头2、主壳体7、下接头15和功能部件，上接头2、主壳体7、下接头15通过螺纹连接，功能部件包括钢球1、上滑套3、耐磨套4、换位活塞5、上限位筒6、换位销钉8、止推轴承9、上弹簧10、下滑套11、下弹簧12、下限位筒13和球篮14，上滑套3与耐磨套4、换位活塞5、止推轴承9、上弹簧10、下滑套中间台肩1102和下弹簧12的端面依次相接触且均可在上接头2、上限位筒6和主壳体7组成的圆柱腔体中轴向移动，上滑套3设置有第一卡爪结构301，第一卡爪结构301能够在上限位筒6中张开，换位活塞5为大径圆柱和小径圆柱连接设置，小径圆柱周身依次均布分流旁通孔501和独立旁通孔502，大径圆柱表面有换位槽503和第一密封圈沟槽504，分流旁通孔501、独立旁通孔502和换位槽503可沿轴向间歇性转动，上限位筒6、换位销钉8和主壳体7之间螺纹连接，换位销钉8一端插入换位槽503中，中间台肩1102与上弹簧10和下弹簧12的端面相接，下弹簧12、下限位筒13、球篮14和下接头15的端面依次相接。
上滑套3设置有8个等分的第一卡爪结构301，下滑套11与上弹簧10的同心配合段分布有4×4的呼吸孔1101，下滑套11与下弹簧12的同心配合段设置有8个等分的第一长腰形孔1103和8个等分的第二卡爪结构1104，下限位筒13的内径中心流道具有第二扩径结构1303，8个第二卡爪结构1104能够在下限位筒13的第二扩径结构(1303)处张开；
上限位筒6的端部设置有4个安装槽601，上限位筒6的外圆柱设置有与主壳体7连接的螺纹，上限位筒6的内部设置有有第一扩径结构603和第二密封沟槽604，下限位筒13外8等分均布与内径相通的下限位筒分流流道Flow1301，下限位筒13设置有8个分流入孔1301和8个分流出孔1302，8个第二卡爪结构1104均沿周向设置有第一长腰形孔1103，8个分流入孔1301和8个分流出孔1302能够与第一长腰形孔1103对齐并实现分流。
主壳体7的径向均布有6个旁通孔701和2个螺纹孔702，换位销钉8插入换位槽503并允许换位活塞5在轴向移动的同时能够周向运动。
换位活塞5的小径圆柱周身依次均布有6个分流旁通孔501和6个独立旁通孔502，换位活塞5的大径圆柱表面设置有换位槽503和3个第一密封沟槽504，换位槽503以间隔180°的方式分布到圆柱表面，每一种工作状态对应一种行程槽，行程槽分布间隔为60°，当换位槽503到对应位置后，分流旁通孔501和独立旁通孔502可与旁通孔701对齐构成流通通道。
球篮14为中空结构，球篮14的内部球座结构1402可阻止钢球1的继续移动，球篮14的周身均布6×6的第二长腰形孔1401，球篮14的底部分布4个空隙槽1403，4个空隙槽1403为钢球1移动到球座结构1402后导致中心流道过流面积明显减少的情况下提供另一流畅的旁通流道，锥形台肩1404可防止钢球1径向和轴向移动。
钢球1在使用过程中根据实际需要配备数颗；
当钢球1投入第3n(n为自然数)颗时，旁通孔701与独立旁通孔502和分流旁通孔501均不处于联通状态，旁通孔701不打开，中心流道打开进行钻完井作业，即中心流通工作模式Flow501；
当钢球1投入第3n+1颗时，独立旁通孔502与旁通孔701对齐，旁通孔701打开，中心流道关闭，进行堵漏作业或者洗井循环作业，即旁通流通工作模式Flow502；
当钢球投入第3n+2颗时，分流旁通孔501与旁通孔701对齐，第一长腰形孔1103与分流入孔1301联通，旁通孔701和中心流道都有流体通过，分流入孔1301按一定比例分流来允许下方钻具在合适流量范围工作且钻井液连续循环，即分流流通工作模式Flow503。
上弹簧10和下弹簧12组合设计，刚度分别为K1和K2，初始预压缩力为Pl，初始预压缩量为x01和x02，当钢球1在第一卡爪结构301憋压时，以Pn压力同时压缩上弹簧10和下弹簧12，下弹簧12的压缩量为△x1+x02，压力同时带动下滑套11移动，下滑套11的行程为△x1，换位活塞5行程为x；当钢球1在第二卡爪结构1104憋压时，以P’n的压力压缩下弹簧12和放松上弹簧10，上弹簧10仍有压缩力作用，下弹簧12的压缩量△x1+△x2+x02，下滑套11的移动行程均为△x1+△x2，换位活塞5的行程为0，相关参数存在以下关系：
上弹簧10和下弹簧12的压缩量以及换位槽503的行程在不同工作模式的转换中存在一一对应的关系。
如图1所示，一种投球式多次激发旁通阀包括钢球1、上接头2、上滑套3、耐磨套4、换位活塞5、上限位筒6、主壳体7、换位销钉8、止推轴承9、上弹簧10、下滑套11、下弹簧12、下限位筒13、球篮14、下接头15。如图2所示，所述上滑套3等分设置有8个第一卡爪结构301，第一卡爪结构301能够在上限位筒6的第一扩径结构603中张开，上限位筒6的端部有安装槽601，外圆柱有螺纹602，内部有第一扩径结构603和第二密封沟槽604。如图3和图4所示，换位活塞5的小径圆柱周身依次均布分流旁通孔501和独立旁通孔502，换位活塞5的大径圆柱表面有换位槽503和第一密封沟槽504，主壳体7径向均布若干旁通孔701和螺纹孔702。
如图5、图6和图7所示，下滑套11与上弹簧10同心配合段均匀分布有呼吸孔1101，其中间台肩1102两边分别与上弹簧10和下弹簧12的端面配合，与下弹簧12同心配合段有等分第一长腰形孔1103，还有能够在下限位筒13的第二扩径结构1303张开的第二卡爪结构1104。下限位筒13外表面均布与内径相通的分流流道Flow1301，具有分流入孔1301和分流出孔1302，二者能够与下滑套11第一长腰形孔1103联通并实现分流，内径中心流道Flow1302设置有第二扩径结构1303。
组合弹簧的设计包括上弹簧11和下弹簧12，当钢球1在上滑套3的第一卡爪结构301进行憋压时以压力同时压缩上弹簧10和下弹簧12，下弹簧12的压缩同时带动下滑套移动，换位活塞也开始移动；当钢球1在下滑套11的第二卡爪结构1104进行憋压时以压力压缩下弹簧12和放松上弹簧10，此时上弹簧仍有压缩力作用，下弹簧12压缩，下滑套移动，换位活塞不动。
如图8所示，球篮14中空，内部球座结构可阻止钢球1的继续移动，周身均布的第二长腰形孔1401,底部均布空隙槽1403，为球移动到球座结构1402后导致中心流道Flow1401过流面积明显减少的情况下，提供了另一流畅的旁通流道Flow1402。锥形台肩1404可防止钢球径向和轴向移动。如图9所示，换位销钉8与主壳体7螺纹连接，并插入换位活塞5的换位槽503中，实现换位活塞5的轴向和周向运动。其中换位槽503包含与三种工作模式中心流通工作模式Flow501、旁通流通工作模式Flow502和分流流通工作模式Flow503，对应的行程槽为中心流通行程槽5031、旁通流通行程槽5032和分流流通行程槽5033。为了后续描叙方便，以横纵坐标组合标记换位销钉的位置。在中心流通工作模式Flow501下：旁通不打开，中心流道打开，正常钻完井作业；在旁通流通工作模式Flow502下：旁通孔打开，中心流道关闭，堵漏作业或者洗井循环作业；在分流流通工作模式Flow503下：旁通孔701和中心流道都有流体通过，按一定比例分流，保证下方钻具在合适流量范围工作并保证钻井液连续循环。
本发明一种投球式多次激发旁通阀的具体工作方式为：
操作实例一：将本发明工具连接到井下钻具组合中，正常钻进时，旁通孔701不打开，其作用相当于钻铤或者钻杆，即中心流通工作模式501，钻井液全部由工具中心流过至底部钻头水眼，返回环空至地面设备。此时换位销钉8位置处在中心流通行程槽5031的gD位置。
操作实例二：当钻完井过程中遇到漏失地层或者大位移水平井井段时，在钻井平台卸开钻杆，投入第一颗钢球1后旋紧钻杆，钢球1利用自重或者由钻井泵泵入的钻井液携至上滑套3的第一卡爪结构301堵住中心，继续开泵憋压，引起上滑套3推动耐磨套4轴向运动和换位活塞5轴向运动和周向转动，换位销钉8在换位槽503中由初始位置gD位置开始移动。当上滑套3的卡爪结构301抵达上限位筒6的第一扩径结构603后张开，此时换位销钉8在换位槽503中的由位置移动至fA，第一卡爪结构301张开后，钢球1通过并泄压，由钻井液携至下滑套的第二卡爪结构1104，此时钻井泵泵压有明显下降，暂时关闭钻井泵，由上弹簧10和下弹簧12的回复力推动止推轴承9轴向运动、换位活塞5轴向运动和周向转动、耐磨套4和上滑套3的轴向运动，同时换位销钉8在换位槽503中的位置移动至eC，此时换位活塞5的独立旁通孔502与主壳体7的旁通孔701对齐，旁通流通工作模式Flow1502开启，此时旁通孔打开，中心流道关闭，进行堵漏作业或者洗井循环作业。
操作实例三：当不需要过大排量通过某些井下工具但是仍需要大排量循环洗井或者小排量堵漏的时候，可再次投入第二颗钢球1，钢球1运动至上滑套3的第一卡爪结构301堵住中心，开泵憋压，引起上滑套3推动耐磨套4和换位活塞5运动，换位销钉8在换位槽503中由eC的位置开始移动，当上滑套3的第一卡爪结构301抵达上限位筒6的第一扩径结构603后张开，此时换位销钉8在换位槽503中的由位置eC移动至dA，第一卡爪结构301张开后，钢球1通过泄压，由钻井液携至下滑套的第二卡爪结构1104，此时钻井泵泵压有明显下降。暂时关闭钻井泵，由上弹簧10和下弹簧12的回复力推动止推轴承9轴向运动、换位活塞5轴向运动和周向转动以及耐磨套4和上滑套3的轴向运动，同时换位销钉8在换位槽503中的位置移动至cB，此时换位活塞5的分流旁通孔501与主壳体7的旁通孔701对齐，同时下滑套11的第一长腰形孔1103与下限位筒13的分流入孔1302联通，旁通流通工作模式Flow1503开启，此时旁通孔701和中心流道都有流体通过，按一定比例分流，保证下方钻具在合适流量范围工作和保证钻井液连续循环，同时也保护了井下的工具。
操作实例四：当需要关闭旁通孔701作业的时候，投入第三颗钢球1，在上滑套3同样憋压操作，钢球1通过上滑套3后抵达下滑套11，换位销钉8在换位槽503中的位置由cB移动至bA，停泵泄压后移动至aD(轴向位置同gD)，旁通孔701与换位活塞5的独立旁通孔702、分流旁通孔701均不处于联通状态，此时三颗钢球1均落在下滑套11的第二卡爪结构1104处，再次开启钻井泵，第一颗钢球1憋压，引起下滑套11轴向运动，其中间台肩1102压缩下弹簧12和放松上弹簧10，此时上弹簧10仍有压缩力作用，当下滑套11的第一长腰形孔1103与下限位筒13的分流入孔1302联通时泵压会有少量下降，加大流量继续开泵推动下滑套11轴向移动，直到其第二卡爪结构1104抵达下限位筒13的第二扩径结构1303时张开，第一颗钢球1通过，由钻井液携至球篮14内，直到球座结构1402停止移动，第二颗钢球1次第堵住第二卡爪结构1104中心，同样憋压通过，第三颗钢球1依次通过，三颗钢球1最终均落入球篮14。下弹簧12的回复力带动下滑套11和上弹簧10恢复初始状态，此时本发明一种投球式多次激发旁通阀已经进入操作实例一的状态，即中心流通工作模式Flow501。
当钻完井过程中遇到相关复杂地层和特殊井段时，可根据需要重复上述操作实例二至实例四，周期性打开旁通作业，根据需要切换工作模式，既保护了井下工具，又可以实现在随钻作业的前提下，完成堵漏或者洗井作业，达到了长时间工作的效果；同时在球篮14装满前不需要起下钻作业，大量节省了非生产作业时间，同时也节约了成本。
Claims (8)
1.一种投球式多次激发旁通阀，其特征在于，包括上接头(2)、主壳体(7)、下接头(15)和功能部件，所述上接头(2)、主壳体(7)、下接头(15)通过螺纹连接，所述功能部件包括钢球(1)、上滑套(3)、耐磨套(4)、换位活塞(5)、上限位筒(6)、换位销钉(8)、止推轴承(9)、上弹簧(10)、下滑套(11)、下弹簧(12)、下限位筒(13)和球篮(14)，所述上滑套(3)与耐磨套(4)、换位活塞(5)、止推轴承(9)、上弹簧(10)、下滑套中间台肩(1102)和下弹簧(12)的端面依次相接触且均可在上接头(2)、上限位筒(6)和主壳体(7)组成的圆柱腔体中轴向移动，所述上滑套(3)设置有第一卡爪结构(301)，所述第一卡爪结构(301)能够在上限位筒(6)中张开，所述换位活塞(5)为大径圆柱和小径圆柱连接设置，所述小径圆柱周身依次均布分流旁通孔(501)和独立旁通孔(502)，所述大径圆柱表面有换位槽(503)和第一密封圈沟槽(504)，所述分流旁通孔(501)、独立旁通孔(502)和换位槽(503)可沿轴向间歇性转动，所述上限位筒(6)、换位销钉(8)和主壳体(7)之间螺纹连接，所述换位销钉(8)一端插入换位槽(503)中，所述中间台肩(1102)与上弹簧(10)和下弹簧(12)的端面相接，所述下弹簧(12)、下限位筒(13)、球篮(14)和下接头(15)的端面依次相接。
2.根据权利要求1所述的一种投球式多次激发旁通阀，其特征在于，所述上滑套(3)设置有8个等分的第一卡爪结构(301)，所述下滑套(11)与上弹簧(10)的同心配合段分布有4×4的呼吸孔(1101)，所述下滑套(11)与下弹簧(12)的同心配合段设置有8个等分的第一长腰形孔(1103)和8个等分的第二卡爪结构(1104)，所述下限位筒(13)的内径中心流道具有第二扩径结构(1303)，所述8个第二卡爪结构(1104)能够在下限位筒(13)的第二扩径结构(1303)处张开；所述上限位筒(6)的端部设置有4个安装槽(601)，所述上限位筒(6)的外圆柱设置有与主壳体(7)连接的螺纹，所述上限位筒(6)的内部设置有有第一扩径结构(603)和第二密封沟槽(604)，所述下限位筒(13)外8等分均布与内径相通的下限位筒分流流道(Flow1301)，所述下限位筒(13)设置有8个分流入孔(1301)和8个分流出孔(1302)，所述8个第二卡爪结构(1104)均沿周向设置有第一长腰形孔(1103)，所述8个分流入孔(1301)和8个分流出孔(1302)能够与第一长腰形孔(1103)对齐并实现分流。
3.根据权利要求1所述的一种投球式多次激发旁通阀，其特征在于，所述主壳体(7)的径向均布有6个旁通孔(701)和2个螺纹孔(702)，所述换位销钉(8)插入换位槽(503)并允许换位活塞(5)在轴向移动的同时能够周向运动。
4.根据权利要求1所述的一种投球式多次激发旁通阀，其特征在于，所述换位活塞(5)的小径圆柱周身依次均布有6个分流旁通孔(501)和6个独立旁通孔(502)，所述换位活塞(5)的大径圆柱表面设置有换位槽(503)和3个第一密封沟槽(504)，所述换位槽(503)以间隔180°的方式分布到圆柱表面，每一种工作状态对应一种行程槽，行程槽分布间隔为60°，当换位槽(503)到对应位置后，所述分流旁通孔(501)和独立旁通孔(502)可与旁通孔(701)对齐构成流通通道。
5.根据权利要求1所述的一种投球式多次激发旁通阀，其特征在于，所述球篮(14)为中空结构，所述球篮(14)的内部球座结构(1402)可阻止钢球(1)的继续移动，所述球篮(14)的周身均布6×6的第二长腰形孔(1401)，所述球篮(14)的底部分布4个空隙槽(1403)，所述4个空隙槽(1403)为钢球(1)移动到球座结构(1402)后导致中心流道过流面积明显减少的情况下提供另一流畅的旁通流道，所述锥形台肩(1404)可防止钢球(1)径向和轴向移动。
6.根据权利要求1所述的一种投球式多次激发旁通阀，其特征在于，所述钢球(1)在使用过程中根据实际需要配备数颗；
当所述钢球(1)投入第3n(n为自然数)颗时，所述旁通孔(701)与独立旁通孔(502)和分流旁通孔(501)均不处于联通状态，所述旁通孔(701)不打开，所述中心流道打开进行钻完井作业，即中心流通工作模式(Flow501)；
当所述钢球(1)投入第3n+1颗时，所述独立旁通孔(502)与旁通孔(701)对齐，所述旁通孔(701)打开，所述中心流道关闭，进行堵漏作业或者洗井循环作业，即旁通流通工作模式(Flow502)；
当所述钢球投入第3n+2颗时，所述分流旁通孔(501)与旁通孔(701)对齐，所述第一长腰形孔(1103)与分流入孔(1301)联通，所述旁通孔(701)和中心流道都有流体通过，所述分流入孔(1301)按一定比例分流来允许下方钻具在合适流量范围工作且钻井液连续循环，即分流流通工作模式(Flow503)。
7.根据权利要求1所述的一种投球式多次激发旁通阀，其特征在于，所述上弹簧(10)和下弹簧(12)组合设计，刚度分别为K1和K2，初始预压缩力为Pl，初始预压缩量为x01和x02，当所述钢球(1)在第一卡爪结构(301)憋压时，以Pn压力同时压缩上弹簧(10)和下弹簧(12)，所述下弹簧(12)的压缩量为△x1+x02，压力同时带动下滑套(11)移动，所述下滑套(11)的行程为△x1，所述换位活塞(5)行程为x；当所述钢球(1)在第二卡爪结构(1104)憋压时，以P’n的压力压缩下弹簧(12)和放松上弹簧(10)，所述上弹簧(10)仍有压缩力作用，所述下弹簧(12)的压缩量△x1+△x2+x02，所述下滑套(11)的移动行程均为△x1+△x2，所述换位活塞(5)的行程为0，相关参数存在以下关系：
8.根据权利要求7所述的一种投球式多次激发旁通阀，其特征在于，所述上弹簧(10)和下弹簧(12)的压缩量以及换位槽(503)的行程在不同工作模式的转换中存在一一对应的关系。
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| GR01 | Patent grant | ||
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