CN110924884B - 带自动保护的钻具浮阀 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带自动保护的钻具浮阀，包括阀体、阀套、阀座、保护筒和蘑菇头阀芯。蘑菇头阀芯下方设有限位套，一方面保证泥浆通道顺畅，另一方面保护弹簧免于疲劳破坏；保护筒为浮动式结构，可以在泥浆通道开启后下降形成保护腔有效保护密封环，防止泥浆的直接冲击，能延长密封环使用寿命；当密封环被压缩到设定量时，阀座下端的下锥形限位面与蘑菇头阀芯的上部锥面贴合在一起，可对密封环进行保护，防止压力过大而损坏，延长密封环和弹簧的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及石油工业钻井内防喷工具技术领域，特别涉及一种带自动保护的钻具浮阀。
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层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，泥浆直接冲蚀密封件、弹簧没有限位防护，常常因为密封面冲蚀、弹簧受损等情况而导致浮阀失效，造成在安装与维护过程中，装配困难，效率低下，在使用过程中，密封经常失效，弹簧易于疲劳过度，故障率高，可靠性低，使用寿命短，大大推高了钻井成本，最关键的是当起下钻作业、反循环、井下发生井涌或井喷时，弹簧失效，箭式阀芯关闭不严，失去防止钻井液回流，阻止泥沙进入钻柱的作用，起不到防堵、防喷的目的，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。
发明内容
为了解决以上存在的问题，本发明提供了一种能防止泥浆冲击、防止无限度挤压密封件，能延长密封件使用寿命的带自动保护的钻具浮阀。
为了实现上述目的，本发明采用以下具体方案：
一种带自动保护的钻具浮阀，其特征在于，包括：
阀体，所述阀体内由上至下分别安装有阀套和分流座，所述阀套坐在分流座上，所述分流座上还安装有导向弹簧座，所述导向弹簧座上安装有弹簧，所述阀套内腔位于上部的内壁上固定设有弹性挡圈；
阀座，所述阀座设置在阀套内腔并与阀套固定且密封配合，所述阀座的上端内圆端面设有上锥形限位面，所述阀座的下端内圆端面由内向外依次设有下锥形限位面和阀座密封锥面，所述下锥形限位面与阀座密封锥面之间通过台阶平行设置，且阀座密封锥面位于下锥形限位面的下方，所述阀座的下部外侧由外向内分别设有固定环和密封环，所述固定环的外表面与阀座外表面平齐，所述密封环的下端伸出阀座密封锥面；
保护筒，所述保护筒活动设置在阀座腔体内，所述阀套内位于阀座上端面与弹性挡圈之间设有活动腔，所述活动腔与阀座腔体连通；所述保护筒的上端设置在活动腔内上下移动，保护筒向下移动时下端伸出阀座腔体与阀套形成用于保护密封环的保护腔；
蘑菇头阀芯，所述蘑菇头阀芯的下部通过弹簧活动设置在导向弹簧座内，所述蘑菇头阀芯的锥形外表面分别设有与下锥形限位面和阀座密封锥面相对应的上部锥面和下部锥面，闭合时所述蘑菇头阀芯的上部锥面分别与阀座的下锥形限位面和保护筒下端相接触，下部锥面与阀座密封锥面具有间隙。
优选的，所述保护筒包括下端的保护筒本体和上端的外径大于保护筒本体外径的喇叭口，所述喇叭口位于活动腔内且外圆锥面与上锥形限位面相配合或有一个夹角，以防止液体表面张力阻碍保护筒向上运动。
优选的，所述固定环的外表面与阀套内壁接触，所述固定环的下端内壁设有内径逐渐变小的倾斜面，所述倾斜面使密封环的下端与阀座密封锥面保持垂直设置，所述固定环下端的内圆端面与阀座下端的阀座密封锥面在一条直线上。
优选的，所述导向弹簧座的上端设有用于限定蘑菇头阀芯向下移动位置的限位套。
优选的，所述阀体内位于阀座的下方设有直径大于阀套直径的缓流腔,阀套上设有连通缓流腔的开口。
优选的，所述阀套上设有与阀体密封的r形密封圈。
优选的，所述导向弹簧座固定在分流座的中部，且导向弹簧座的中部设有用于蘑菇头阀芯穿过的导向腔体，分流座上开有液流通道。
优选的，所述阀座、密封环均采用形状记忆复合材料或弹性记忆复合材料加工而成，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）阀体为整体式结构，强度高钢性强；
（2）蘑菇头阀芯下方设有限位套，一方面保证泥浆通道顺畅，另一方面保护弹簧免于疲劳破坏；
（3）保护筒为浮动式结构，可以在泥浆通道开启后下降形成保护腔有效保护密封环，防止泥浆的直接冲击，能延长密封环使用寿命；
（4）密封环被压缩到设定量时，阀座下端的下锥形限位面与蘑菇头阀芯的上部锥面贴合在一起，可对密封环进行保护，防止压力过大而损坏；
（5）阀座和密封环均由形状记忆复合材料或弹性记忆复合材料加工而成，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。
（6）蘑菇头阀芯下部锥面为密封面，泥浆直接冲击上部锥面，并从下部锥面上部掠过，从而对下部锥面进行保护。
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、密封环使用寿命长，操作简便，使用与维护成本低，带有自动保护功能，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；
图中： 1、阀体，2、阀座，21、上锥形限位面，22、下锥形限位面，23、倾斜面，24、阀座密封锥面，3、保护筒，31、保护筒本体，32、喇叭口，33、活动腔，4、蘑菇头阀芯，41、上部锥面，42、下部锥面，5、阀套，6、分流座，7、导向弹簧座，8、弹簧，9、弹性挡圈，11、密封环，12、固定环，13、限位套，14、缓流腔，15、r形密封圈。
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。
实施例1
参照图1和图2，一种带自动保护的钻具浮阀，包括阀体1、阀座2、阀套5、保护筒3和蘑菇头阀芯4。。
其中，在阀体1内由上至下分别安装有阀套5和分流座6，分流座6与阀套5可拆卸连接在一起，分流座6坐在阀体1的内孔台阶上，阀套5坐在分流座6上，分流座6的中部还安装有导向弹簧座7，导向弹簧座7上套装有弹簧8，通过弹簧8能使蘑菇头阀芯4复位。在阀套5内腔位于上部的内壁上固定设有弹性挡圈9，通过弹性挡圈9可以限定保护筒3的上行位置。
阀座2设置在阀套5内腔并与阀套5通过销钉连接在一起，阀座2与阀套5之间保持密封配合。阀座2、密封环11和固定环12组合为一体形成整体式结构。阀座2的上端内圆端面设有上锥形限位面21，阀座2的下端内圆端面由内向外依次设有下锥形限位面22和阀座密封锥面24，下锥形限位面22与阀座密封锥面24之间通过台阶平行设置，且阀座密封锥面24位于下锥形限位面22的下方，阀座2的下部外侧由外向内分别设有固定环12和密封环11，固定环12的外表面与阀座2外表面平齐，密封环11的下端伸出阀座密封锥面24，并且蘑菇头阀芯4的锥形外表面分别设有与下锥形限位面22和阀座密封锥面24相对应的上部锥面41和下部锥面42，闭合时蘑菇头阀芯4的上部锥面41分别与阀座2的下锥形限位面22和保护筒3下端相接触，下部锥面42与阀座密封锥面24具有间隙。另外，固定环12的外表面与阀套5内壁接触，固定环12的下端内壁设有内径逐渐变小的倾斜面23，通过倾斜面23使密封环11的下端与阀座密封锥面24保持垂直设置，固定环12下端的内圆端面与阀座2下端的阀座密封锥面24在一条直线上。通过上述结构在蘑菇头阀芯4向上移动关闭泥浆通道时，保护筒3先被蘑菇头阀芯4的上部锥面41顶起，然后密封环11的下端与蘑菇头阀芯4的下部锥面42接触，继续在弹簧力和下部泥浆作用下，使蘑菇头阀芯4继续向上移动进而压缩密封环11下端，当密封环11被压缩到设定量时，阀座2下端的下锥形限位面22与蘑菇头阀芯4的上部锥面41贴合在一起，而下部锥面42与阀座密封锥面24具有间隙，这样在压缩密封环11实现密封的同时可对密封环11进行保护，防止压力过大而损坏。
保护筒3活动设置在阀座2的腔体内，保护筒3包括下端的保护筒本体31和喇叭口32，喇叭口32的上端外径大于保护筒本体31的外径，阀套5内位于阀座2与弹性挡圈9之间设有活动腔33，喇叭口32位于活动腔33内且外圆锥面与上锥形限位面21相配合或有一个夹角，以防止液体表面张力阻碍保护筒3向上运动。这样喇叭口32在泥浆和蘑菇头阀芯4作用下在活动腔33内上下移动，当泥浆通道打开后，保护筒3向下移动时喇叭口32与阀座2的上锥形限位面21接触限位，此时下端伸出阀座2的内腔，保护筒3的下端与阀套5形成保护腔，这样可以对密封环11进行遮挡保护，防止泥浆直接冲击，延长密封环11的使用寿命。
蘑菇头阀芯4的下部通过弹簧8活动设置在导向弹簧座7内，蘑菇头阀芯4整体式或组合式结构，上表面为台阶式结构，上表面硬化处理，或在下部锥面42处镶嵌硬质材料环。蘑菇头阀芯4的锥形外表面分别设有与下锥形限位面22和阀座密封锥面24相对应的上部锥面41和下部锥面42，下部锥面42为密封面，打开泥浆泵，泥浆直接冲击上部锥面41，并从下部锥面42上方掠过，从而可对下部锥面42进行保护；除阀体1外的各配件可组成整体式阀芯。停泵时，蘑菇头阀芯4在弹簧力和泥浆作用下向上移动，关闭泥浆通道，蘑菇头阀芯4的锥形外表面先与保护筒3的下端接触，再与密封环11下端接触，继续向上移动，当密封环11被压缩到设定量时，蘑菇头阀芯4的上部锥面41与阀座2的下锥形限位面22相接触配合，从而起到限位作用，这样使下部锥面42与阀座密封锥面24之间形成一定的保护间隙，这样在压缩密封环11实现密封的同时可对密封环11进行保护，防止压力过大而损坏。
实施例2
其他与实施例1基本相同，不同之处在于，在导向弹簧座7的上端设有限位套13，通过限位套13可以用于限定蘑菇头阀芯4向下移动的最下端位置，一方面保证泥浆通道顺畅，另一方面保护弹簧8免于疲劳破坏，延长使用寿命。
另外，在阀套5内位于阀座2的下方设有直径大于阀套5直径的缓流腔14,阀套5上设有连通缓流腔14的开口，通过缓流腔14能起到良好的缓冲作用，防止泥浆的硬性冲击。
在阀套5上设有与阀体1密封的r形密封圈15。
导向弹簧座7固定在分流座6的中部，且导向弹簧座7的中部设有用于蘑菇头阀芯4穿过的导向腔体，这样使蘑菇头阀芯4更加平稳。
阀座2、密封环11和固定环12组合为一体形成整体式结构。阀座2、密封环11均采用形状记忆复合材料或弹性记忆复合材料加工而成，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。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。
本发明的工作原理如下：
带自动保护的钻具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，泥浆从上部进入带自动保护的钻具浮阀的阀体1的上部内孔，泥浆压力克服弹簧8的弹力，推动蘑菇头阀芯4压缩弹簧8沿导向弹簧座7的导向腔体下行，蘑菇头阀芯4的上部锥面41和下部锥面42分别与阀座2的下锥形限位面22和密封环11脱离接触，当蘑菇头阀芯4的下端面接触到限位套13时，停止下移，同时弹簧8被保护，达到设定的最大压缩量，同时泥浆依次经保护筒3的内孔、蘑菇头阀芯4上部锥面41、缓流腔14、分流座6和阀体1下部内腔，最后流入下部钻具，同时保护筒3在泥浆和自重作用下向下移动直至喇叭口32与阀座2的上锥形限位面21接触，此时保护筒3的下端伸出阀座2的内腔，使保护筒3的下端与阀套5形成保护腔，这样可以对密封环11进行遮挡保护，防止泥浆直接冲击，延长密封环11的使用寿命。
泥浆泵关闭时，泥浆停止循环，泥浆在蘑菇头阀芯4处的压力消失，蘑菇头阀芯4在被压缩状态的弹簧8的弹簧力和下部泥浆的作用下向上移动，同时保护筒3被顶起，这样可使蘑菇头阀芯4的下部锥面42与密封环11下端紧密贴合在一起，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。在泥浆压力及弹簧力的继续作用下，蘑菇头阀芯4继续上行，压缩密封环11，使蘑菇头阀芯4的上部锥面41与阀座2的下锥形限位面22相接触，这样可对密封环11进行保护，防止压力过大而损坏，延长了使用寿命。
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 (8)
1.一种带自动保护的钻具浮阀，其特征在于，包括：
阀体，所述阀体内由上至下分别安装有阀套和分流座，所述阀套坐在分流座上，所述分流座上还安装有导向弹簧座，所述导向弹簧座上安装有弹簧，所述阀套内腔位于上部的内壁上固定设有弹性挡圈；
阀座，所述阀座设置在阀套内腔并与阀套固定且密封配合，所述阀座的上端内圆端面设有上锥形限位面，所述阀座的下端内圆端面由内向外依次设有下锥形限位面和阀座密封锥面，所述下锥形限位面与阀座密封锥面之间通过台阶平行设置，且阀座密封锥面位于下锥形限位面的下方，所述阀座的下部外侧由外向内分别设有固定环和密封环，所述固定环的外表面与阀座外表面平齐，所述密封环的下端伸出阀座密封锥面；
保护筒，所述保护筒活动设置在阀座腔体内，所述阀套内位于阀座上端面与弹性挡圈之间设有活动腔，所述活动腔与阀座腔体连通；所述保护筒的上端设置在活动腔内上下移动，保护筒向下移动时下端伸出阀座腔体与阀套形成用于保护密封环的保护腔；
蘑菇头阀芯，所述蘑菇头阀芯的下部通过弹簧活动设置在导向弹簧座内，所述蘑菇头阀芯的锥形外表面分别设有与下锥形限位面和阀座密封锥面相对应的上部锥面和下部锥面，闭合时所述蘑菇头阀芯的上部锥面分别与阀座的下锥形限位面和保护筒下端相接触，下部锥面与阀座密封锥面具有间隙。
2.根据权利要求1所述的带自动保护的钻具浮阀，其特征在于：所述保护筒包括下端的保护筒本体和上端的外径大于保护筒本体外径的喇叭口，所述喇叭口位于活动腔内且外圆锥面与上锥形限位面相配合或有一个夹角。
3.根据权利要求1或2所述的带自动保护的钻具浮阀，其特征在于：所述固定环的外表面与阀套内壁接触，所述固定环的下端内壁设有内径逐渐变小的倾斜面，所述倾斜面使密封环的下端与阀座密封锥面保持垂直设置，所述固定环下端的内圆端面与阀座下端的阀座密封锥面在一条直线上。
4.根据权利要求3所述的带自动保护的钻具浮阀，其特征在于：所述导向弹簧座的上端设有用于限定蘑菇头阀芯向下移动位置的限位套。
5.根据权利要求3所述的带自动保护的钻具浮阀，其特征在于：所述阀体内位于阀座的下方设有直径大于阀套直径的缓流腔,阀套上设有连通缓流腔的开口。
6.根据权利要求3所述的带自动保护的钻具浮阀，其特征在于：所述阀套上设有与阀体密封的r形密封圈。
7.根据权利要求3所述的带自动保护的钻具浮阀，其特征在于：所述导向弹簧座固定在分流座的中部，且导向弹簧座的中部设有用于蘑菇头阀芯穿过的导向腔体，分流座上开有液流通道。
8.根据权利要求3所述的带自动保护的钻具浮阀，其特征在于：所述阀座、密封环均采用形状记忆复合材料或弹性记忆复合材料加工而成，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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2020
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Denomination of invention: Drilling tool float valve with automatic protection Granted publication date: 20200519 Pledgee: Bank of China Limited Dongying Branch Pledgor: DONGYING NERA PETROLEUM MECHANICAL MANUFACTURING CO.,LTD. Registration number: Y2024980008959 |