CN110671066B - 石油钻井用注油浮阀 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种石油钻井用注油浮阀，将耐压较差的O形圈替换为截面为矩形、密封面为弧形、两面有环形支撑弹簧、高硬度的S形圈；增设高压台，减小密封间隙，提高密封圈的耐压能力；将阀套的受压部分内加厚，同时增设抗变形台，减小该部位与注油浮阀外壳的间隙，上述组合设计提高了整个装置的强度，大大提高了密封效果和耐压能力；同时通过增设防砂缝，同时将O形密封圈替换为具有自清洁功能的Y形圈，大大降低了活塞动作的阻力，降低了砂卡的事故率。

Description

石油钻井用注油浮阀

技术领域

本发明涉及石油工业钻井内防喷工具技术领域，特别涉及一种石油钻井用注油浮阀。

背景技术

在石油、天然气及其他钻井和修井作业中，为防止在接单根或起下钻时，环空里的泥浆返至钻柱内而喷洒到钻台上，同时为了防止底层流体在地底压力的作用下进入钻具发生溢流、井涌或井喷的情况发生，而在钻柱底部连接一个钻具浮阀。

常用的钻具浮阀有箭式钻具浮阀和板式钻具浮阀，开泵时泥浆压力推动箭式阀芯下移或阀板翻转打开泥浆通道，停泵时在弹簧力及地层压力的作用下箭式阀芯和阀板复位，关闭泥浆通道，防止泥浆回流，阻止其进入钻柱，起到内防喷的目的。

目前使用较普便的钻具浮阀大多结构不合理，泥浆直接冲蚀密封面、弹簧没有防护、工作中无润滑，常常因为密封面冲蚀、弹簧受损、阀芯被卡等情况而导致浮阀失效，故障率高、可靠性低、使用寿命短、消耗严重、效率低下，存在着极大的安全隐患，使钻井作业处于极大的风险之中，严重威胁相关人员与设施的安全，不能满足日益恶劣的井下工况需求。这种情况严重制约着油田的生存与发展。

中国专利CN107152544A（本公司之前提交的发明专利申请）公开了一种石油钻井用注油浮阀，注油浮阀壳体为一圆管形，两端加工有螺纹，浮阀芯体与连接阀套间设有浮动油腔，其内部注满高温润滑油或高温润滑脂，在泥浆通道上设有沉砂槽和双重密封副及一道密封副保护台阶，还设有限位台和护管对复位弹簧进行保护，浮阀缩颈体由高硬度高耐磨性材料加工而成，具有结构简单、强度高、安全性能好、可靠性高、抗冲蚀性能强、使用寿命长，操作简便，使用与维护成本低的优点；但是上述石油钻井用注油阀加工装配完成后从下部试压105Mpa验证耐压性能，在使用过程中，开泵时泥浆从上部流下，推动活塞克服弹簧力下移，打开泥浆通道；停泵时，活塞在弹簧力的做用下上移，关闭泥浆通道；该试压过程中发现存在以下两个问题：（1）试压时活塞下部O形圈被破坏，外部边缘部分被撕裂挤入活塞与阀套的间隙，阀套产生塑性变形；（2）使用过程中，泥砂在上部O密封圈以上段活塞与阀套的较小的环形间隙中沉积，增大活塞的动作阻力，容易发生砂卡。

发明内容

为了解决以上存在的问题，本发明提供了一种强度高、密封效果好且不易砂卡的石油钻井用注油浮阀。

本发明的技术方案基于以下原因分析：

（1）由于阀套壁厚较薄，且O形圈耐压超过35Mpa时，正常的硬度和密封间隙已不能满足动密封的要求。

（2）活塞外壁的上部外径与阀套内径相当，且二者之间进一步通过O形圈密封，且由于O形圈的圆形轮廓，其外侧与阀套之间容易沉积砂砾，而随着活塞移动（上移）时，砂砾容易被卡紧在活塞、阀套以及密封圈之间，大大增加了活塞移动的阻力，甚至发生砂卡导致活塞无法正常移动。

为了实现上述目的，本发明采用以下具体方案：

一种石油钻井用注油浮阀，包括注油浮阀外壳以及其内部自上而下依次连接的固定座以及阀套；所述固定座的上端敞开、下端封闭的圆柱管状结构，所述固定座与阀套的上部相互连接且二者的外壁与油浮阀外壳之间构成第一环空腔，所述固定座的内腔设有与第一环空腔贯通的一个或多个第一孔道，所述阀套的上部内腔设有与第一环空腔贯通的一个或多个第二孔道；

所述阀套内自上而下安装有相互连接的台阶式注油活塞和护管；所述台阶式注油活塞为中空管状结构，其内腔与护管相互贯通；所述台阶式注油活塞的上、下两端外壁分别沿径向向外延伸形成第一密封台阶和第二密封台阶，且所述第一密封台阶的外径大于第二密封台阶的外径；所述台阶式注油活塞的第一密封台阶和第二密封台阶分别与阀套的上部、下部之间构成滑动密封配合，所述台阶式注油活塞外壁的中部与阀套之间构成油腔；所述护管与阀套之间形成环空空间，其内安装有弹簧，且所述弹簧的一端与台阶式注油活塞的下端抵靠、另一端与阀套下端上的台阶抵靠；

所述阀套的上部、固定座下端以及台阶式注油活塞的上端互相对应构成液压作用腔，所述液压作用腔通过第二孔道与第一环空腔连通；

所述固定座的下端安装有主密封，所述台阶式注油活塞上安装有节流密封环；所述主密封和节流密封环相互接触后能够将台阶式注油活塞内腔封闭；

所述台阶式注油活塞的第一密封台阶上部外径小于阀套内径，二者在径向上构成防砂缝，位于防砂缝下部的台阶式注油活塞第一密封台阶外壁上开有密封槽，其内安装有Y形密封圈，所述Y形密封圈整体安装在密封槽内且其外侧凸出密封槽外与阀套内壁构成密封配合，所述防砂缝与Y形密封圈的Y型内槽通过Y形密封圈与密封槽之间的缝隙相互连通；

所述阀套下部与台阶式注油活塞第二密封台阶构成滑动密封配合的部分内壁加厚且外壁沿径向向外延伸形成抗变形台，所述抗变形台与注油浮阀外壳内壁紧密配合；所述台阶式注油活塞的第二密封台阶与阀套构成滑动密封配合的外壁上设有密封槽，所述密封槽内安装有截面为矩形、密封面为弧形且上下两面设有环形支撑弹簧的S形密封圈；位于所述S形密封圈上部的台阶式注油活塞第二密封台阶外壁沿径向向外延伸形成高压台，所述高压台与阀套内壁紧密滑动配合。

进一步的，所述的固定座以及阀套之间通过径向布置的开槽无头螺钉固定在一起。

进一步的，所述Y形密封圈、S形密封圈均采用弹性记忆复合材料，阀套和台阶式注油活塞均由形状记忆复合材料加工而成；更进一步的，所述形状记忆复合材料和弹性记忆复合材料为含有镍、钛的复合材料。

与现有技术性比，本发明具有以下优点：

（1）本发明将耐压较差的O形圈替换为截面为矩形、密封面为弧形、两面有环形支撑弹簧、高硬度的S形圈；增设高压台，减小密封间隙，提高密封圈的耐压能力；将阀套的受压部分内加厚，同时增设抗变形台，减小该部位与注油浮阀外壳的间隙。本发明提高了整个装置的强度，且大大提高了密封效果和耐压能力。

（2）增设防砂缝，同时将O形密封圈替换为具有自清洁功能的Y形密封圈；当活塞上移时，Y形密封圈的外侧边能够刮掉阀套和活塞之间的砂砾，并将砂砾引入并暂时存积在Y形密封圈的沟槽内，大大降低了活塞动作的阻力，降低了砂卡的事故率。

（3）台阶式注油活塞的设置，即注油活塞的两端为上大下小的台阶式密封端设计，当试压时，压力作用于底部的小密封端推动整个注油活塞上移，能够减少试压对密封圈的损害；而工作时，压力作用于上部的大密封端推动整个注油活塞下移，又能够满足了工作时活塞状态的稳定。

（4）Y形密封圈、S形密封圈均采用弹性记忆复合材料，阀套和台阶式注油活塞均由形状记忆复合材料加工而成；Y形密封圈、S形密封圈以及阀套和台阶式注油活塞在试压或工作时会产生形变，分别采用弹性记忆复合材料和形状记忆复合材料可以使其在试压或工作结束后恢复初始的尺寸精度，改善产品使用效果，延长使用寿命。

综上所述，本发明结构简单、强度高、安全性能好、可靠性高、抗冲蚀性能强、使用寿命长，操作简便，使用与维护成本低，本发明的应用，大大降低了钻井风险和生产成本。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1中的A部放大结构示意图；

图3是图1中的B部放大结构示意图；

图4是图3中的S形密封圈的结构示意图；

图5是图1中的C部放大结构示意图；

图中： 1、注油浮阀外壳，2、胶环，3、阀套，4、O形圈，5、弹簧，6、S形密封圈，61、密封面，62、环形支撑弹簧，7、台阶式注油活塞，71、防砂缝，72、高压台，73、第一密封台阶，74、第二密封台阶，8、油腔，9、限位台阶，10、Y形密封圈，11、固定座，12、主密封，13、开槽无头螺钉，14、节流密封环，15、护管，16、第一环空腔，17、第一孔道，18、第二孔道，19、液压作用腔，20、第二环空腔。

具体实施方式

现结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步的描述，由于本发明是在本公司之前提交的公开号为CN107152544A的发明专利申请的基础上所作的进一步的改进，因此部分结构存在共性，对于该部分不再做过多的表述。

实施例1

参照图1-5，一种石油钻井用注油浮阀，其主体结构如下：

注油浮阀包括注油浮阀外壳1以及其内部自上而下依次连接的固定座11以及阀套3；固定座11的上端敞开、下端封闭的圆柱管状结构，固定座11与阀套3的上部相互连接且二者的外壁与注油浮阀外壳1之间构成第一环空腔16，所述固定座11的内腔设有与第一环空腔16贯通的一个或多个第一孔道17，所述阀套3的上部内腔设有与第一环空腔16贯通的一个或多个第二孔道18。

阀套3内自上而下安装有相互连接的台阶式注油活塞7和护管15；所述台阶式注油活塞7为中空管状结构，其内腔与护管15相互贯通；台阶式注油活塞7的上、下两端外壁分别沿径向向外延伸形成第一密封台阶73和第二密封台阶74，且第一密封台阶73的外径大于第二密封台阶74的外径；台阶式注油活塞7的第一密封台阶73和第二密封台阶74分别与阀套3的上部、下部之间构成滑动密封配合，台阶式注油活塞7外壁的中部与阀套3之间构成油腔8（其内设有高温润滑油或高温润滑脂），台阶式注油活塞7的设置减少了试压对密封圈的损害，同时满足了工作时活塞状态的稳定；护管15与阀套3之间形成第二环空腔20，其内安装有弹簧5，且弹簧5的一端与台阶式注油活塞7的下端抵靠、另一端与阀套3下端上的台阶抵靠。

阀套3的上部、固定座11下端以及台阶式注油活塞7的上端互相对应构成液压作用腔19，液压作用腔19通过第二孔道18与第一环空腔16连通。

固定座11的下端安装有主密封12，台阶式注油活塞7上安装有节流密封环14；主密封12和节流密封环14相互接触后能够将台阶式注油活塞7内腔封闭。

在上述主体机构的基础上，本发明进一步做以下优化：

台阶式注油活塞7外壁的第一密封台阶73上部外径小于阀套3内径，二者在径向上构成防砂缝71，位于防砂缝71下部的台阶式注油活塞7第一密封台阶73外壁上开有密封槽，其内安装有Y形密封圈10，Y形密封圈10整体安装在密封槽内且其外侧凸出密封槽外与阀套3内壁构成密封配合，防砂缝71与Y形密封圈10的Y型内槽通过Y形密封圈10与密封槽之间的缝隙相互连通。本发明通过增设防砂缝（此处加大了活塞和阀套的间隙），同时将O形密封圈替换为具有自清洁功能的Y形密封圈；当活塞上移时，Y形密封圈的外侧边能够自动刮掉阀套和活塞之间的砂砾（自洁功能），并将砂砾引入并暂时存积在Y形密封圈的沟槽内，大大降低了活塞动作的阻力，降低了砂卡的事故率。

阀套3下部与台阶式注油活塞7第二密封台阶74构成滑动密封配合的部分内壁加厚、外壁沿径向向外延伸形成抗变形台31，抗变形台31与注油浮阀外壳1内壁紧密配合；台阶式注油活塞7的第二密封台阶74与阀套3构成滑动密封配合的部分上设有密封槽，密封槽内安装有截面为矩形、密封面61为弧形且上下两面设有环形支撑弹簧62的S形密封圈6；位于S形密封圈6上部的台阶式注油活塞7第二密封台阶74外壁沿径向向外延伸形成高压台72，高压台72与阀套3内壁紧密配合。本发明将耐压较差的O形圈替换为截面为矩形、密封面为弧形、两面有环形支撑弹簧、高硬度的S形圈；增设高压台，减小密封间隙，提高密封圈的耐压能力；将阀套的受压部分内加厚，同时增设抗变形台，减小该部位与注油浮阀外壳的间隙。通过上述组合设计，能够提高了整个装置的强度，且大大提高了密封效果和耐压能力。

本发明的工作原理如下：

石油钻井用注油浮阀初始为关闭状态，将其通过上下两端螺纹接入钻柱，泥浆通道连通完毕，可以进行正常的钻井、起下钻等作业。打开泥浆泵，泥浆从上部进入石油钻井用注油浮阀的注油浮阀外壳1的上部内孔，部分泥浆由第一孔道17流入第一环空腔16，再由第二孔道18汇入液压作用腔19，泥浆压力克服台阶式注油活塞7与阀套3间的摩擦力和弹簧5的预紧力，推动台阶式注油活塞7及与其固定为一体的节流密封环14，连同油腔8内的高温润滑油或高温润滑脂，压缩弹簧5向下移动，节流密封环14与主密封12脱离接触，泥浆即依次进入节流密封环14、护管15、注油浮阀外壳1的内孔，最后流入下部钻具，循环泥浆在节流密封环14处因节流效应而产生一个压差，该压差保持弹簧5处于被压缩状态，节流密封环14与主密封12始终处于脱离状态，泥浆通道处于打开状态，该压差、弹簧5的压缩量与节流密封环14距离主密封12的间隙随泥浆泵排量的增加而增大，当节流密封环14距离主密封12的间隙增大到设定值时，限位台阶9支撑住台阶式注油活塞7，弹簧5的压缩量与台阶式注油活塞7距主密封的间隙不再随泥浆泵排量的增加而增大，石油钻井用注油浮阀处于稳定的打开状态，弹簧5被保护，泥浆顺利通过。

泥浆泵关闭时，泥浆停止循环，泥浆在节流密封环14处的压差消失，处于被压缩状态的弹簧5克服台阶式注油活塞7与阀套3间的摩擦力推动台阶式注油活塞7及与其固定为一体的节流密封环14，连同油腔8内的高温润滑油或高温润滑脂，向上移动，台阶式注油活塞7上部内孔倒角与主密封12下部台阶以下的圆锥面紧密贴合在一起，形成密封副，关闭泥浆通道，防止下部泥浆沿钻柱内孔回流,防止地层压力向上传递，避免溢流、井涌、井喷等事故的发生，也防止了泥浆的浪费和环境污染。

实施例2

参照图1-5，一种石油钻井用注油浮阀，在实施例1公开的技术方案基础上，还包括：固定座11以及阀套3之间通过径向布置的开槽无头螺钉13固定在一起，即将现有技术中的圆柱销或内六角圆柱头螺钉替换为开槽无头螺钉13，由于其无头螺纹结构，保证固定效果的同时占用空间以及外露面积更小，可以提高防冲蚀能力。

实施例3

参照图1-5，一种石油钻井用注油浮阀，在实施例1或2公开的技术方案基础上，还包括： Y形密封圈10、S形密封圈6均采用弹性记忆复合材料，阀套3和台阶式注油活塞7均采用形状记忆复合材料。其在本阀门中的工作原理为：Y形密封圈10、S形密封圈6以及阀套3和台阶式注油活塞7在试压或工作时会产生形变，分别采用弹性记忆复合材料和形状记忆复合材料可以使其在试压或工作结束后恢复初始的尺寸精度，改善产品使用效果，延长使用寿命。

通过对上述各实施例，有助于公众对本发明的理解，本发明的保护范围不局限于以上各实施例，任何对本发明各部件特征或整体结构形式而非实质内容的变更都视为本发明的技术方案。

Claims (4)

1.一种石油钻井用注油浮阀，其特征在于：

包括注油浮阀外壳（1）以及其内部自上而下依次连接的固定座（11）以及阀套（3）；所述固定座（11）为上端敞开、下端封闭的圆柱管状结构，所述固定座（11）与阀套（3）的上部相互连接且二者的外壁与注油浮阀外壳（1）之间构成第一环空腔（16），所述固定座（11）的内腔设有与第一环空腔（16）贯通的一个或多个第一孔道（17），所述阀套（3）的上部内腔设有与第一环空腔（16）贯通的一个或多个第二孔道（18）；

所述阀套（3）内自上而下安装有相互连接的台阶式注油活塞（7）和护管（15）；所述台阶式注油活塞（7）为中空管状结构，其内腔与护管（15）相互贯通；所述台阶式注油活塞（7）的上、下两端外壁分别沿径向向外延伸形成第一密封台阶（73）和第二密封台阶（74），且所述第一密封台阶（73）的外径大于第二密封台阶（74）的外径；所述台阶式注油活塞（7）的第一密封台阶（73）和第二密封台阶（74）分别与阀套（3）的上部、下部之间构成滑动密封配合，所述台阶式注油活塞（7）外壁的中部与阀套（3）之间构成油腔（8）；所述护管（15）与阀套（3）之间形成第二环空腔（20），其内安装有弹簧（5），且所述弹簧（5）的一端与台阶式注油活塞（7）的下端抵靠、另一端与阀套（3）下端上的台阶抵靠；

所述阀套（3）的上部、固定座（11）下端以及台阶式注油活塞（7）的上端互相对应构成液压作用腔（19），所述液压作用腔（19）通过第二孔道（18）与第一环空腔（16）连通；

所述固定座（11）的下端安装有主密封（12），所述台阶式注油活塞（7）上安装有节流密封环（14）；所述主密封（12）和节流密封环（14）相互接触后能够将台阶式注油活塞（7）内腔封闭；

所述台阶式注油活塞（7）的第一密封台阶（73）上部外径小于阀套（3）内径，二者在径向上构成防砂缝（71），位于防砂缝（71）下部的台阶式注油活塞（7）第一密封台阶（73）外壁上开有密封槽，其内安装有Y形密封圈（10），所述Y形密封圈（10）整体安装在密封槽内且其外侧凸出密封槽外与阀套（3）内壁构成密封配合，所述防砂缝（71）与Y形密封圈（10）的Y型内槽通过Y形密封圈（10）与密封槽之间的缝隙相互连通；

所述阀套（3）下部与台阶式注油活塞（7）第二密封台阶（74）构成滑动密封配合的部分内壁加厚且外壁沿径向向外延伸形成抗变形台（31），所述抗变形台（31）与注油浮阀外壳（1）内壁紧密配合；所述台阶式注油活塞（7）的第二密封台阶（74）与阀套（3）构成滑动密封配合的外壁上设有密封槽，所述密封槽内安装有截面为矩形、密封面为弧形且上下两面设有环形支撑弹簧的S形密封圈（6）；位于所述S形密封圈（6）上部的台阶式注油活塞（7）第二密封台阶外壁（74）沿径向向外延伸形成高压台（72），所述高压台（72）与阀套（3）内壁紧密滑动配合。

2.根据权利要求1所述的石油钻井用注油浮阀，其特征在于：所述的固定座（11）以及阀套（3）之间通过径向布置的开槽无头螺钉（13）固定在一起。

3.根据权利要求1或2所述的石油钻井用注油浮阀，其特征在于：所述Y形密封圈（10）、S形密封圈（6）均采用弹性记忆复合材料，阀套（3）和台阶式注油活塞（7）均由形状记忆复合材料加工而成。

4.根据权利要求3所述的石油钻井用注油浮阀，其特征在于：所述形状记忆复合材料和弹性记忆复合材料为含有镍、钛的复合材料。

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