CN111927391A - 用于油管内的安全阀及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于油管内的安全阀及其工作方法。当安全阀在油管内为坐封状态时，密封组合与油管内壁上的密封部配合密封；坐封后安全阀为开启状态时，流管流通孔与流通接头流通孔连通；安全阀为压井状态时，剪切塞流通孔与安全阀下接头流通孔连通。本发明可通过电缆携带下入至油管内指定深度并锚定，该油管内安全阀利用压差来实现开启，压差减小或消失后油管内安全阀自动关闭，实现安全开采的目的，且可在上提解封前，通过油管内加压的方式实现压井。

Description

用于油管内的安全阀及其工作方法

技术领域

本发明涉及一种用于油管内的安全阀及其工作方法，属于油气田开发技术领域。

背景技术

目前，电潜泵的使用基本是通过油管来下入和生产。即将电潜泵连接在生产油管串的末端；同时，下入时需使用接箍保护器将电缆绑定在油管串的外侧。这种方式下，泵的下入和回收都需要动生产管柱，流程较为繁琐，作业时间耗费巨大。

目前油田作业所使用的常规的油管携带回收井下安全阀，通常是阀板式结构，且下入时须外接一根液控管线并一直延伸到地面，通过地面往液控管线内加压来实现安全阀的开关控制。此类常规安全阀不适用于上述作业方式，原因有三：一是常规安全阀不能依靠电泵的工况来进行自动打开与关闭，须通过地面控制来进行；二是井下存在高压时，电泵启动后可能无法打开常规安全阀的阀板；三是常规安全阀不能下入井下任意深度，当下入深度超过额定深度值后，传统安全阀可能无法关闭。

因此，应该设计一种新的安全阀，以满足上述作业方式的要求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述问题，提供一种用于油管内的安全阀及其工作方法。本发明可通过电缆携带下入至油管内指定深度并锚定，该油管内安全阀利用压差来实现开启，压差减小或消失后油管内安全阀自动关闭，实现安全开采的目的，且可在上提解封前，通过油管内加压的方式实现压井。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种用于油管内的安全阀，其特征在于：包括安全阀上接头、活塞、进压接头、活塞室、流管、流通接头、弹簧、弹簧室、导杆、安全阀下接头、剪切塞、剪切销和尾堵；所述安全阀上接头、进压接头、活塞室、流通接头、弹簧室、安全阀下接头依次密封固定连接；活塞上端位于安全阀上接头内，下端与流管固定连接，活塞与流管内腔连通，流管上设置有流管流通孔，活塞外壁与活塞室内壁滑动密封配合，进压接头上设置有进压孔，进压孔下方的进压接头外壁上设置有密封组合，流通接头上设置有流通接头流通孔；弹簧套设在导杆上且位于弹簧室内，弹簧上端与流管配合，下端限位在安全阀下接头内，导杆下端连接剪切塞，剪切塞限位在安全阀下接头内且通过剪切销固定，剪切塞与安全阀下接头密封配合，剪切塞上设置有剪切塞流通孔，导杆内腔上端与流管内腔连通，下端与剪切塞内腔连通，安全阀下接头上设置有安全阀下接头流通孔，尾堵密封固定设置在安全阀下接头端口处；当安全阀在油管内为坐封状态时，密封组合与油管内壁上的密封部配合密封；坐封后安全阀为开启状态时，流管流通孔与流通接头流通孔连通；安全阀为压井状态时，剪切塞流通孔与安全阀下接头流通孔连通。

所述流通接头内壁上设置有刮环，刮环位于流通接头流通孔与活塞封和流通接头连接处之间。

所述安全阀上接头、进压接头、活塞室、流通接头、弹簧室、安全阀下接头依次螺纹连接且通过O形圈密封。

所述活塞和流管通过螺钉固定连接。

所述进压接头内壁上设置有拉杆封，拉杆封位于进压孔与上接关和进压接头连接处之间。

所述导杆包括导杆Ⅰ和导杆Ⅱ，导杆Ⅰ、导杆Ⅱ和剪切塞依次螺纹固定连接。

所述流管流通孔为多个，在流管上呈圆周状均匀分布，流通接头流通孔为多个，流通接头流通孔的孔径大于流管流通孔。

所述弹簧上端设置有衬垫，衬垫限位在导杆和流管之间，且流管支撑在衬垫外壁的台阶上。

所述密封组合包括2组背向安装的泛塞圈，活塞外壁与活塞室内壁通过设置在活塞外壁上的双向活塞封密封配合。

一种用于油管内的安全阀的工作方法，其特征在于，包括：

a、当安全阀在油管内为坐封状态时，油管内的压力区域包括安全阀内部区域P2、密封组合将油管内压力隔绝成的上部区域P1和下部区域P3；

b、当上部区域P1＞内部区域P2时，活塞在压差的作用下，推动流管向下运动，当流管运动至流管流通孔与流通接头流通孔连通时，内部区域P2和下部区域P3连通，安全阀开启；

c、在上部区域P1=内部区域P2或上部区域P1-内部区域P2小于开启压力时，活塞和流管在弹簧的推动下向上运动，当流管运动至流管流通孔与流通接头流通孔未连通时，安全阀关闭；

d、安全阀关闭后，需要压井作业时，剪切塞在内部区域P2和下部区域的压差作用下，剪切销被剪断，剪切塞向下移动至剪切塞流通孔与安全阀下接头流通孔连通时，内部区域P2与下部区域P3连通，压井液被压入地层，实现压井作业。

采用本发明的优点在于：

一、采用本发明后，在油气井的生产作业过程中，安全阀可通过电缆直接下入到油管中实现开采。下入和起出过程简单，直接下放和上提即可，作业方式灵活，作业时间及成本将大大降低。

二、本安全阀在井下工具的内外压差的作用下工作，可以实现自动开关，安全可靠，且理论上可下入任意深度。

三、相比常规安全阀，本发明无需回接液控管线至地面，简单高效。

四、相比常规安全阀的阀板式开关结构，本发明采用流管式开关结构，当地层压力较高时，也能可靠开启。

五、采用本发明后，可以在提出生产管柱前，实现压井作业，避免井喷井涌等意外事故的发生。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明坐封状态结构示意图；

图3为本发明开启状态结构示意图；

图4为本发明剪切压井状态结构示意图；

图5为与本发明配套使用的锚定装置结构示意图；

图6为锚定装置坐封状态结构示意图；

图中标记为：1、锚定上接头，2、O形圈Ⅰ，3、片弹簧，4、锁块，5、锁块座，6、芯轴，7、解锁弹簧，8、解锁杆，9、解锁块，10、O形圈Ⅱ, 11、解锁筒，12、O形圈Ⅲ， 13、卡圈，14、锚定下接头；15、安全阀上接头，16、O形圈Ⅳ, 17、拉杆封，18、活塞，19、进压接头，20、密封组合，21、O形圈Ⅴ, 22、双向活塞封，23、螺钉，24、活塞室，25、流管，26、刮环，27、流通接头，28、衬垫，29、弹簧，30、弹簧室，31、导杆Ⅰ，32、导杆Ⅱ，33、安全阀下接头，34、剪切塞，35、O形圈Ⅵ， 36、剪切销，37、堵头，38、油管，39、井液流动方向。

具体实施方式

实施例1

一种用于油管内的安全阀，包括安全阀上接头15、活塞18、进压接头19、活塞室24、流管25、流通接头27、弹簧29、弹簧室30、导杆、安全阀下接头33、剪切塞34、剪切销36和尾堵37；所述安全阀上接头15、进压接头19、活塞室24、流通接头27、弹簧室30、安全阀下接头33依次密封固定连接；活塞18上端位于安全阀上接头15内，下端与流管25固定连接，活塞18与流管25内腔连通，流管25上设置有流管流通孔，活塞18外壁与活塞室24内壁滑动密封配合，进压接头19上设置有进压孔，进压孔下方的进压接头19外壁上设置有密封组合，流通接头上设置有流通接头流通孔；弹簧套设在导杆上且位于弹簧室30内，弹簧上端与流管配合，下端限位在安全阀下接头内，导杆下端连接剪切塞34，剪切塞34限位在安全阀下接头33内且通过剪切销36固定，剪切塞34与安全阀下接头33密封配合，剪切塞34上设置有剪切塞流通孔，导杆内腔上端与流管25内腔连通，下端与剪切塞34内腔连通，安全阀下接头33上设置有安全阀下接头流通孔，尾堵37密封固定设置在安全阀下接头端口处；当安全阀在油管38内为坐封状态时，密封组合与油管内壁上的密封部配合密封；坐封后安全阀为开启状态时，流管流通孔与流通接头流通孔连通；安全阀为压井状态时，剪切塞流通孔与安全阀下接头流通孔连通。

所述流通接头27内壁上设置有刮环26，刮环26位于流通接头流通孔与活塞封和流通接头连接处之间。

所述安全阀上接头15、进压接头19、活塞室24、流通接头27、弹簧室30、安全阀下接头33依次螺纹连接且通过O形圈密封。

所述活塞18和流管25通过螺钉23固定连接。

所述进压接头内壁上设置有拉杆封17，拉杆封具有密封性好以及低摩擦力的特点，拉杆封位于进压孔与上接关和进压接头连接处之间，能够让活塞18有效密封并能顺畅滑动。

所述导杆包括导杆Ⅰ31和导杆Ⅱ32，导杆Ⅰ31、导杆Ⅱ32和剪切塞34依次螺纹固定连接。

所述流管流通孔为多个，在流管上呈圆周状均匀分布，流通接头流通孔为多个，流通接头流通孔的孔径大于流管流通孔。

所述弹簧上端设置有衬垫，衬垫限位在导杆和流管之间，且流管支撑在衬垫外壁的台阶上。

所述密封组合20包括2组背向安装的泛塞圈，活塞18外壁与活塞室24内壁通过设置在活塞外壁上的双向活塞封密封配合。

一种用于油管内的安全阀的工作方法，包括：

a、当安全阀在油管内为坐封状态时，油管内的压力区域包括安全阀内部区域P2、密封组合20将油管内压力隔绝成的上部区域P1和下部区域P3；

b、当上部区域P1＞内部区域P2时，活塞在压差的作用下，推动流管向下运动，当流管运动至流管流通孔与流通接头流通孔连通时，内部区域P2和下部区域P3连通，安全阀开启；井液流动方向39为从P3经流通接头流通孔、流管流通孔进入流管、活塞内腔，向上排出；

c、在上部区域P1=内部区域P2或上部区域P1-内部区域P2小于开启压力时，活塞18和流管25在弹簧29的推动下向上运动，当流管运动至流管流通孔与流通接头流通孔未连通时，安全阀关闭；

d、安全阀关闭后，需要压井作业时，剪切塞34在内部区域P2和下部区域P3的压差作用下，剪切销36被剪断，剪切塞34向下移动至剪切塞流通孔与安全阀下接头流通孔连通时，内部区域P2与下部区域P3连通，压井液被压入地层，实现压井作业。

实施例2

下面将结合附图，对本实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1，一种用于油管内的安全阀，包括安全阀上接头15、O形圈Ⅳ16、拉杆封17、活塞18、进压接头19、密封组合20、O形圈Ⅴ21、双向活塞封22、螺钉23、活塞室24、流管25、刮环26、流通接头27、衬垫28、弹簧29、弹簧室30、导杆Ⅰ31、导杆Ⅱ32、安全阀下接头33、剪切塞34、O形圈Ⅵ35、剪切销36、尾堵37。

本实施例中，安全阀上接头15、进压接头19、活塞室24、流通接头27、弹簧室30、安全阀下接头33、尾堵37通过螺纹连接。

所述活塞18与流管25通过螺钉23连接，其整体可在装置内部滑动，从而实现本装置的打开和关闭功能。

所述刮环26安装在流通接头27内，在流管25打开和关闭的过程中，能减小对流管25开口一侧的拉杆封17的冲蚀，延长使用寿命。

所述导杆Ⅰ31、导杆Ⅱ32、剪切塞34通过螺纹连接，起到对弹簧29导向的作用，避免弹簧29弯曲和拧结。

如图2所示，为所述油管内安全阀的下放到油管内的坐封状态。所述密封组合20，在油管内安全阀坐放到位后，将压力隔绝成上部区域和下部区域，再加上产品内部区域，则总共有三个区域：分别是上部区域（记为P1）、内部区域（记为P2）、下部区域（记为P3）。

如图3所示，为所述油管内安全阀的开启状态。所述油管内安全阀在P1＞P2时，活塞在压差的作用下，推动流管向下运动，当流管运动至流管流通孔与流通接头流通孔连通时，从而实现P2和P3的连通，即安全阀的开启。井液流动方向39为从P3经流通接头流通孔、流管流通孔进入流管、活塞内腔，向上排出。

所述油管内安全阀在P1=P2或P1-P2小于开启压力时，活塞18和流管25在弹簧29的推动下向上运动，当流管运动至流管流通孔与流通接头流通孔未连通时，实现安全阀的关闭。

如图4所示，为所述油管内安全阀的剪切压井状态。所述油管内安全阀在准备回收前，可通过油管加压的方式实现压井作业。剪切塞34在内部压力P2和下端压力P3的压差作用下，剪切销36被剪断，剪切塞34向下移动至剪切塞流通孔与安全阀下接头流通孔连通时，使得内部区域与下部区域连通，压井液被压入地层，实现压井作业。压井液流动方向为从活塞内腔进入，经流管内腔、导杆内腔、剪切塞内腔后，通过剪切塞流通孔、安全阀下接头流通孔流出。

实施例3

本油管内安全阀的作用是连接在电潜泵的下端并与之配合使用，通过电缆来直接下放和回收。要求此安全阀具有以下作用：当泵开启后，阀门自动打开；当泵关闭后，阀门自动关闭；当要起出电潜泵管串时，可通过直接上提电缆实现解封。且可在回收电泵管串前，通过油管内加压的方式实现压井。

采用此技术后，可极大的提高电潜泵的下放和回收效率，缩减作业费用及作业时间。

以下对本发明配套使用的锚定装置结构及配套使用方法进行说明。

用于油管内安全阀的锚定装置，包括锚定上接头1、O形圈Ⅰ2、片弹簧3、锁块4、锁块座5、芯轴6、解锁弹簧7、解锁杆8、解锁块9、O形圈Ⅱ10、解锁筒11、O形圈Ⅲ12、卡圈13、锚定下接头14。所述锚定上接头1和芯轴6密封固定连接，锁块座5、解锁筒11和锚定下接头14依次密封固定连接，芯轴6外壁上设置有密封件；所述锁块座5内设置有锁定机构，未坐封时锚定上接头1下端位于锁块座5内且限位在锁定机构上；解锁筒11内壁中设置有解锁弹簧7、解锁杆8和解锁块9，解锁筒11上贯通设置有压力平衡孔，解锁弹簧7设置在解锁杆8上端，芯轴6位于解锁筒11内，解锁块9由解锁杆8带动锁定或解锁芯轴6；在锚定装置坐封时，解锁杆8压缩解锁弹簧7相对于芯轴6向上运动带动解锁块9解锁芯轴6，锁定机构在锚定上接头1上端重力作用下解锁锚定上接头1，锚定上接头1和芯轴6向下运动完成坐封，芯轴6外壁上的密封件与解锁筒11内壁配合密封，密封件位于压力平衡孔下方。

所述解锁杆8下端与在油管内坐封位置处径向设置的凸起配合，解锁杆8外径大于油管内凸起的内径；在锚定装置坐封时，解锁杆8下端限位在在油管内的凸起处，解锁杆8压缩解锁弹簧7相对于芯轴6向上运动带动解锁块9解锁芯轴6。

所述锁定机构包括锁块4和片弹簧3，锁块座5圆周上贯通设有锁块槽，锁块槽内设置锁块4，片弹簧3限位在锁块4和锁块槽底部之间；锚定装置未坐封时，锁块4在片弹簧3的作用下处于向锁块座5收缩状态，锚定上接头1端部限位在锁块4上；锚定装置坐封时，解锁块9解锁芯轴6，在锚定上接头1上端重力作用下锁块4向锁块座5外张开，锚定上接头1和芯轴6向下运动完成坐封，芯轴6外壁上的密封件与解锁筒11内壁配合密封压力平衡孔向下的压力通道。

所述芯轴6上设置有锁槽，解锁块9上对应设置有锁齿，芯轴6上的锁槽与解锁块9上的锁齿配合锁定芯轴6。

所述解锁杆8上从上至下设置有锁定台阶和解锁台阶，锁定台阶内径小于解锁台阶内径，锚定装置未坐封时，解锁块9位于锁定台阶上锁定芯轴6，锚定装置坐封时，解锁杆8压缩解锁弹簧7向上运动带动解锁块9，解锁块9位于解锁台阶上。

所述解锁筒11上设置有解锁块孔，锚定装置未坐封时，解锁块9位于锁定台阶上且穿过解锁块孔锁定芯轴6，锚定装置坐封时，解锁杆8压缩解锁弹簧7向上运动带动解锁块9，解锁块9内侧位于解锁块孔内，外侧位于解锁台阶上。

所述锚定上接头1上设置有限位台阶，锚定装置坐封时，锚定上接头1通过限位台阶限位在锁块座5上。

所述锚定下接头14内固定设置有卡圈13，上提锚定上接头1和芯轴6解封时，卡圈13与芯轴6下端配合对芯轴6限位。

在上提锚定上接头1和芯轴6解封时，所述解锁弹簧7带动解锁杆8向下运动带动解锁块9至锁定台阶上锁定芯轴6。

所述锁块座5圆周上均匀设有多个锁块槽，每个锁块槽内设置有锁定机构。

如图6所示，为所述锚定装置的坐封（锚定）状态。当下入井中到位，且解锁杆8端部触碰到相应型面时，解锁杆8压缩解锁弹簧7，从而使解锁块9不再锁住解锁筒11和芯轴6，锚定上接头1在上端重力的作用下向下运动，使得锁块4张开从而实现坐封。锚定装置在未坐封时，内外压力相通，以保证下放过程的顺畅性。坐封后，芯轴6与解锁筒11在O形圈10的密封作用下，将内外压力隔绝，保证压差能够推动油管内安全阀打开。

所述锚定装置在坐封后，可通过直接上提的方式实现解封。解封后，芯轴6上移，锁块4收缩。同时，解锁块9在解锁杆8的推动下，再次将芯轴6和解锁筒11锁住，避免发生意外坐封而卡住的情况。

本锚定装置的作用是连接在电潜泵的下端并与之配合使用，通过电缆来直接下放和回收电潜泵。要求此锚定装置能够依靠电潜泵管串自身的重量来实现锚定与封堵，且可通过直接上提的方式来进行回收。采用此技术后，可极大的提高电潜泵的下放和回收效率，缩减作业费用及作业时间。

在配套使用时，锚定装置的锚定上接头接电潜泵，锚定下接头与安全阀上接头连接。锚定装置坐封后，锚定装置芯轴6外壁上的密封件与解锁筒11内壁配合密封压力平衡孔向下的压力通道，将内外压力隔绝，使安全阀上部区域P1＞内部区域P2，活塞在压差的作用下，推动流管向下运动，使内部区域P2和下部区域P3连通，安全阀开启。

Claims (10)

1.一种用于油管内的安全阀，其特征在于：包括安全阀上接头（15）、活塞（18）、进压接头（19）、活塞室（24）、流管（25）、流通接头（27）、弹簧（29）、弹簧室（30）、导杆、安全阀下接头（33）、剪切塞（34）、剪切销（36）和尾堵（37）；所述安全阀上接头（15）、进压接头（19）、活塞室（24）、流通接头（27）、弹簧室（30）、安全阀下接头（33）依次密封固定连接；活塞（18）上端位于安全阀上接头（15）内，下端与流管（25）固定连接，活塞（18）与流管（25）内腔连通，流管（25）上设置有流管流通孔，活塞（18）外壁与活塞室（24）内壁滑动密封配合，进压接头（19）上设置有进压孔，进压孔下方的进压接头（19）外壁上设置有密封组合（20），流通接头（27）上设置有流通接头流通孔；弹簧（29）套设在导杆上且位于弹簧室（30）内，弹簧（29）上端与流管（25）配合，下端限位在安全阀下接头（33）内，导杆下端连接剪切塞（34），剪切塞（34）限位在安全阀下接头（33）内且通过剪切销（36）固定，剪切塞（34）与安全阀下接头（33）密封配合，剪切塞（34）上设置有剪切塞流通孔，导杆内腔上端与流管（25）内腔连通，下端与剪切塞（34）内腔连通，安全阀下接头（33）上设置有安全阀下接头流通孔，尾堵（37）密封固定设置在安全阀下接头（33）端口处；当安全阀在油管内为坐封状态时，密封组合（20）与油管内壁上的密封部配合密封；坐封后安全阀为开启状态时，流管流通孔与流通接头流通孔连通；安全阀为压井状态时，剪切塞流通孔与安全阀下接头流通孔连通。

2.根据权利要求1所述的用于油管内的安全阀，其特征在于：所述流通接头（27）内壁上设置有刮环（26），刮环（26）位于流通接头流通孔与活塞封和流通接头（27）连接处之间。

3.根据权利要求1所述的用于油管内的安全阀，其特征在于：根据权利要求1所述的用于油管内的安全阀，其特征在于：所述安全阀上接头（15）、进压接头（19）、活塞室（24）、流通接头（27）、弹簧室（30）、安全阀下接头（33）依次螺纹连接且通过O形圈密封。

4.根据权利要求1所述的用于油管内的安全阀，其特征在于：所述活塞（18）和流管（25）通过螺钉（23）固定连接。

5.根据权利要求1所述的用于油管内的安全阀，其特征在于：所述进压接头（19）内壁上设置有拉杆封（17），拉杆封（17）位于进压孔与上接关和进压接头（19）连接处之间。

6.根据权利要求1所述的用于油管内的安全阀，其特征在于：所述导杆包括导杆Ⅰ（31）和导杆Ⅱ（32），导杆Ⅰ（31）、导杆Ⅱ（32）和剪切塞（34）依次螺纹固定连接。

7.根据权利要求1所述的用于油管内的安全阀，其特征在于：所述流管流通孔为多个，在流管（25）上呈圆周状均匀分布，流通接头流通孔为多个，流通接头流通孔的孔径大于流管流通孔。

8.根据权利要求1所述的用于油管内的安全阀，其特征在于：所述弹簧（29）上端设置有衬垫（28），衬垫（28）限位在导杆和流管（25）之间，且流管（25）支撑在衬垫（28）外壁的台阶上。

9.根据权利要求1所述的用于油管内的安全阀，其特征在于：所述密封组合（20）包括2组背向安装的泛塞圈，活塞（18）外壁与活塞室（24）内壁通过设置在活塞（18）外壁上的双向活塞封（22）密封配合。

10.根据权利要求1所述的用于油管内的安全阀的工作方法，其特征在于，包括：

a、当安全阀在油管内为坐封状态时，油管内的压力区域包括安全阀内部区域P2、密封组合（20）将油管内压力隔绝成的上部区域P1和下部区域P3；

b、当上部区域P1＞内部区域P2时，活塞（18）在压差的作用下，推动流管（25）向下运动，当流管（25）运动至流管流通孔与流通接头流通孔连通时，内部区域P2和下部区域P3连通，安全阀开启；

c、在上部区域P1=内部区域P2或上部区域P1-内部区域P2小于开启压力时，活塞（18）和流管（25）在弹簧（29）的推动下向上运动，当流管运动至流管流通孔与流通接头流通孔未连通时，安全阀关闭；

d、安全阀关闭后，需要压井作业时，剪切塞（34）在内部区域P2和下部区域（P3）的压差作用下，剪切销（36）被剪断，剪切塞（34）向下移动至剪切塞流通孔与安全阀下接头流通孔连通时，内部区域P2与下部区域P3连通，压井液被压入地层，实现压井作业。

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