CN113027365B - 一种钻磨多次开关循环阀 - Google Patents

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    • EFIXED CONSTRUCTIONS
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    • E21BEARTH DRILLING, e.g. DEEP DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B21/00Methods or apparatus for flushing boreholes, e.g. by use of exhaust air from motor
    • E21B21/10Valve arrangements in drilling-fluid circulation systems
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    • E21B21/103Down-hole by-pass valve arrangements, i.e. between the inside of the drill string and the annulus

Abstract

本发明提供了一种钻磨多次开关循环阀,包括中央形成有中空孔的外壳、设于所述外壳中空孔中的活塞杆和芯轴;所述活塞杆和所述芯轴的中央形成有贯通孔,所述活塞杆的一端限位于所述外壳中,另一端与所述芯轴的一端嵌套,所述活塞杆和所述芯轴间设有弹性组件;所述外壳的侧壁上形成有贯通的第一旁通口,所述芯轴的侧壁上形成有贯通的第二旁通口,当处于锁定状态时,所述第二旁通口与所述第一旁通口不连通,当所述活塞杆受力向所述芯轴移动时,在所述活塞杆通过所述弹性组件传递的驱动力作用下,所述锁定机构与所述第一限位部分离以使所述芯轴的第二旁通口与所述第一旁通口连通,本发明的循环阀开关方式简单、开关成功率高且能够实现无限次开关。

Description

一种钻磨多次开关循环阀
技术领域
本发明涉及油气井井下作业技术领域,尤其涉及一种钻磨多次开关循环阀。
背景技术
在油气井井下作业工程中,循环阀大量应用于清洗循环井筒作业,能够不起管柱进行井底碎屑返排清洗等操作,从而提高井下作业安全和施工效率。根据旁通阀开关次数限制,循环阀主要有一次性开关和多次开关两种形式。常规循环阀主要为一次性开关循环阀,通常以投球打开或销钉剪切方式打开旁通阀,成功率高,循环排量大,但是由于循环阀开启是一次性,因此循环作业完毕后必须上提至地面更换,降低施工效率。多次开关循环阀按旁通阀开关方式又分为液压开关和机械开关,其中主流方式为液压开关方式。液压开关方式主要通过开泵打压和投球后打压等方式进行开关操作,操作简便可行,为目前多次开关循环阀的主要形式,结构形式多种多样,但同时也存在一些问题。比如,由于开泵打压方式需要达到特定压力使得开关成功率较低;若使用投球后打压方式,需要额外投球设备及操作,并且由于结构限制开关次数一般只有2-4次。机械开关方式主要以上提下放管柱等方式进行操作,由于开关操作困难等原因并未大量应用。综上所述,开关方式简单、开关成功率高且能够实现无限次开关的循环阀为目前亟待解决的关键问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种钻磨多次开关循环阀,开关方式简单、开关成功率高且能够实现无限次开关。
为了达到以上目的,本发明一方面公开了一种钻磨多次开关循环阀,包括中央形成有中空孔的外壳、设于所述外壳中空孔中的活塞杆和芯轴;
所述活塞杆和所述芯轴的中央形成有贯通孔,所述活塞杆的一端限位于所述外壳中,另一端与所述芯轴的一端嵌套,所述活塞杆和所述芯轴间设有弹性组件;
所述外壳内表面形成有凸起的第一限位部,所述芯轴上设有锁定机构,所述芯轴远离所述活塞杆的一侧通过锁定机构与所述第一限位部的相抵限位于所述外壳中处于锁定状态;
所述外壳的侧壁上形成有贯通的第一旁通口,所述芯轴的侧壁上形成有贯通的第二旁通口,当处于锁定状态时,所述第二旁通口与所述第一旁通口不连通,当所述活塞杆受力向所述芯轴移动时,在所述活塞杆通过所述弹性组件传递的驱动力作用下,所述锁定机构与所述第一限位部分离以使所述芯轴的第二旁通口与所述外壳的第一旁通口连通。
优选的,所述锁定机构包括贯通所述芯轴的通孔、容置于所述通孔内的锁键和形成在所述活塞杆外表面上与所述锁键相匹配的凹槽,所述锁键的厚度大于所述通孔的厚度;
所述锁键分别与所述活塞杆的表面和所述第一限位部相抵以限位所述芯轴,所述活塞杆的凹槽移动至所述锁键处时,所述锁键移动至所述凹槽中,所述锁定机构与所述第一限位部分离。
优选的,所述循环阀的一端包括用于与油管连接的第一端头,另一端包括用于与钻磨工具连接的第二端头;
所述活塞杆设置于靠近所述第一端头的一侧,所述芯轴设置于靠近所述第二端头的一侧。
优选的,所述外壳包括上接头、与所述上接头固定连接的外筒以及与所述外筒连接的下接头,所述芯轴包括外接头,当所述锁定机构与所述第一限位部相抵时,所述下接头与所述外接头相抵;
所述上接头包括用于与油管连接的第一端头,所述第一端头形成有用于与油管连接的油管螺纹;
所述外接头包括用于与钻磨工具连接的第二端头,所述第二端头形成有用于与所述钻磨工具连接的钻磨螺纹。
优选的,所述油管螺纹为内螺纹,所述钻磨螺纹为外螺纹。
优选的,所述活塞杆包括与所述外壳内表面密封设置的第一圆环部、第二圆环部、第三圆环部和与所述芯轴内表面密封设置的第四圆环部,所述第三圆环部与所述芯轴间设有所述弹性组件;
所述第一圆环部、第二圆环部和第三圆环部的外径依次递增。
优选的,所述第一圆环部、第二圆环部和第三圆环部与所述外壳内表面通过第一密封圈、第二密封圈和第三密封圈密封设置;
所述第四圆环部与所述芯轴内表面通过第四密封圈密封设置。
优选的,所述凹槽的截面为梯形。
优选的,所述芯轴对应所述第二旁通口的外表面与所述外壳的内表面密封设置。
优选的,所述芯轴上进一步形成有第二限位部,当所述活塞杆与所述第二限位部相抵时,所述活塞杆的凹槽移动至所述锁键处。
本发明提供了一种可反复开关的开关循环阀,采用液压和机械相结合的方式进行井下旁通口开关操作,操作简单高效,适用于石油行业的钻磨循环清洗作业。本发明的开关循环阀设置有锁定机构实现旁通口的开启和关闭,能够提高循环阀开关功能的稳定性,防止意外开关。在钻磨循环过程中打开循环阀旁通口,能够大幅度减少流入下方工具排量,使得工具下方连接的马达低速运转甚至不工作,提高钻磨工具的寿命。本发明通过开泵和起下连续管等地面操作相结合,可进行远程多次开关循环阀,使得操作方式简单高效且能够不受限制多次开关,同时有效解决井下旁通口开关成功率低等问题,能够根据钻磨作业需要快速切换工作状态,提高钻磨作业和循环作业的效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出本发明一种钻磨多次开关循环阀一个具体实施例的剖面图。
图2示出本发明一种钻磨多次开关循环阀一个具体实施例开启过程的剖面图。
图3示出图2中A区域的放大图。
图4示出本发明一种钻磨多次开关循环阀一个具体实施例开启状态的剖面图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
根据本发明的一个方面,本实施例公开了一种钻磨多次开关循环阀。如图1-图3所示,本实施例中,循环阀包括中央形成有中空孔的外壳1、设于所述外壳1中空孔中的活塞杆2和芯轴3。其中,外壳1的中空孔可对活塞杆2和芯轴3起到扶正的作用。
其中,所述活塞杆2和所述芯轴3的中央形成有贯通孔32,所述活塞杆2的一端限位于所述外壳1中,另一端与所述芯轴3的一端嵌套,所述活塞杆2和所述芯轴3间设有弹性组件4。优选的,该弹性组件4可采用弹簧或弹片等弹性件。
所述外壳1内表面形成有凸起的第一限位部11,所述芯轴3上设有锁定机构,所述芯轴3远离所述活塞杆2的一侧通过锁定机构与所述第一限位部11的相抵限位于所述外壳1中处于锁定状态。
所述外壳1的侧壁上形成有贯通的第一旁通口12,所述芯轴3的侧壁上形成有贯通的第二旁通口31,当处于锁定状态时,所述第二旁通口31与所述第一旁通口12不连通,当所述活塞杆2受力向所述芯轴3移动时,在所述活塞杆2通过所述弹性组件4传递的驱动力作用下,所述锁定机构与所述第一限位部11分离以使所述芯轴3的第二旁通口31与所述外壳1的第一旁通口12连通。
本发明提供了一种可反复开关的开关循环阀,采用液压和机械相结合的方式进行井下旁通口开关操作,操作简单高效,适用于石油行业的钻磨循环清洗作业。本发明的开关循环阀设置有锁定机构实现旁通口的开启和关闭,能够提高循环阀开关功能的稳定性,防止意外开关。在钻磨循环过程中打开循环阀旁通口,能够大幅度减少流入下方工具排量,使得工具下方连接的马达低速运转甚至不工作,提高钻磨工具的寿命。本发明通过开泵和起下连续管等地面操作相结合,进行远程多次开关循环阀,使得操作方式简单高效且能够不受限制多次开关,同时有效解决井下旁通口开关成功率低等问题,能够根据钻磨作业需要快速切换工作状态,提高钻磨作业和循环作业的效率。
在优选的实施方式中,所述锁定机构包括贯通所述芯轴3的通孔32、容置于所述通孔32内的锁键33和形成在所述活塞杆2外表面上与所述锁键33相匹配的凹槽21,所述锁键33的厚度大于所述通孔32的厚度。所述锁键33分别与所述活塞杆2的表面和所述第一限位部11相抵以限位所述芯轴3,所述活塞杆2的凹槽21移动至所述锁键33处时,所述锁键33移动至所述凹槽21中,所述锁定机构与所述第一限位部11分离。
具体的,可以理解的是,在钻磨作业时,芯轴3上的通孔32与活塞杆2上的凹槽21错位,锁键33的内侧表面与嵌套在芯轴3内的活塞杆2的外表面相抵,由于锁键33的厚度大于通孔32的厚度,锁键33的外侧表面凸出于芯轴3的外侧表面,锁键33凸出芯轴3的部分与外壳1内表面上的第一限位部11相抵处于锁住状态,锁键33受到第一限位部11的阻碍无法向旁通口的方向移动,在该锁住状态下,外壳1上的第一旁通口12和芯轴3上的第二旁通口31不连通,从而可进行正常的钻磨作业。
当循环清洗时,如图2所示,可控制活塞杆2向芯轴3方向移动,活塞杆2移动带动弹性组件4移动,弹性组件4压缩向芯轴3施加推力,芯轴3在推力的作用下移动直至芯轴3上的通孔32移动至活塞杆2的凹槽21处,由于凹槽21的存在和第一限位部11的横向力的作用下,锁键33的一部分在通孔32中滑动移动至凹槽21中,则锁键33的外侧表面不再凸出芯轴3的表面,锁键33与第一限位部11脱离,从而芯轴3可在弹性组件4的作用下进一步移动直至芯轴3的第二旁通口31移动至外壳1的第一旁通口12附近,实现第二旁通口31与第一旁通口12的连通,如图4所示。而芯轴3、活塞杆2和外壳1内部都是中空的,通入的液体可经由外壳1、活塞杆2和芯轴3的中央流动至第二旁通口31,通过第二旁通口31和第一旁通口12流动至循环阀外部进行循环清洗。当循环清洗完毕后,控制活塞杆2返向移动,可使循环阀恢复至锁定状态,可再次进行钻磨工作。因此,本发明的循环阀可以反复开启和关闭,从而实现无限次的开关,结构和开关方式简单,开关成功率高。
在优选的实施方式中,所述凹槽21的截面为梯形。通过采用梯形截面的凹槽21,可便于锁键33进入和移出凹槽21,既可以保证循环阀正常开启和关闭,又可以降低操作的难度。当然,在其他实施方式中,凹槽21也可以选用其他截面形状,本发明对此并不作限定。
在优选的实施方式中,所述芯轴3上进一步形成有第二限位部34,当所述活塞杆2与所述第二限位部34相抵时,所述活塞杆2的凹槽21移动至所述锁键33处。在该优选的实施方式中,通过设置第二限位部34,可以限制活塞杆2的移动位置,当循环阀开启时,活塞杆2移动至第二限位部34时,凹槽21恰好移动至芯轴3上的通孔32处,便于凹槽21与通孔32的定位和锁键33的移动,以保证循环阀的开启。
在优选的实施方式中,所述循环阀的一端包括用于与油管连接的第一端头,另一端包括用于与钻磨工具连接的第二端头。
所述活塞杆2设置于靠近所述第一端头的一侧,所述芯轴3设置于靠近所述第二端头的一侧。
本实施例中的钻磨多次开关循环阀在工作时,循环阀的一端与油管连接,另一端与钻磨工具连接,并且活塞杆2设置于靠近油管的一端,芯轴3设置于靠近钻磨工具的一端。钻磨多次开关循环阀在工作时,钻磨工具和循环阀串下入指定深度进行钻磨作业,钻磨作业完成后将钻磨工具和循环阀上提预设距离后,可通过在地面打开与油管连接的泵进行升压推动活塞杆2移动,使第一旁通口12和第二旁通口31连通进行循环清洗。当循环清洗完毕后,使芯轴3上升返回原位置,将循环阀的旁通口关闭,再将钻磨工具和循环阀再次下入下一个深度进行钻磨作业,可重复以上步骤直至任务完成。
在优选的实施方式中,所述外壳1包括上接头13、与所述上接头13固定连接的外筒14以及与所述外筒14连接的下接头15,所述芯轴3包括外接头35,当所述锁定机构与所述第一限位部11相抵时,所述下接头15与所述外接头35相抵。其中,优选的,上接头13与外筒14间可通过密封圈16密封设置,以加强密封性。上接头13、外筒14和下接头15可通过常规螺栓实现连接,即在上接头13与外筒14以及外筒14与下接头15对应连接的位置形成螺纹并螺接以组合形成外壳1。
所述上接头13包括用于与油管连接的第一端头,所述第一端头形成有用于与油管连接的油管螺纹,可与油管通过螺纹连接的形式固定连接。所述外接头35包括用于与钻磨工具连接的第二端头,所述第二端头形成有用于与所述钻磨工具连接的钻磨螺纹,可与例如液力马达等钻磨工具通过螺纹连接的形式固定连接。可选的,所述油管螺纹为内螺纹,所述钻磨螺纹为外螺纹。在实际应用中,也可选用其他连接方式进行固定连接,本发明对此并不作限定。
在优选的实施方式中,所述活塞杆2包括与所述外壳1内表面密封设置的第一圆环部21、第二圆环部22、第三圆环部23和与所述芯轴3内表面密封设置的第四圆环部24,所述第三圆环部23与所述芯轴3间设有所述弹性组件4。所述第一圆环部21、第二圆环部22和第三圆环部23的外径依次递增,以对活塞杆2的一端进行限位。
在优选的实施方式中,所述第一圆环部21、第二圆环部22和第三圆环部23与所述外壳1内表面通过第一密封圈51、第二密封圈52和第三密封圈53密封设置。所述第四圆环部24与所述芯轴3内表面通过第四密封圈54密封设置。优选的,可先在外壳1、活塞杆2和芯轴3的表面形成密封圈沟槽,将各个密封圈设置在对应的密封圈沟槽中,通过密封圈与对应的表面的挤压实现密封设置,优选的,密封圈采用弹性材料形成。通过采用密封圈的滑动密封和中央流动通道的结构,可显著延长循环阀开关寿命。
在优选的实施方式中,当处于锁定状态时,所述芯轴3对应所述第二旁通口31的外表面与所述外壳1的内表面密封设置。相同原理,可在第二旁通口31沿外壳1长度方向的两侧设置两个密封圈36实现第二旁通口31与外壳1内表面的密封设置,优选的,可先在外壳1或芯轴3的表面形成密封圈沟槽,将密封圈36设置在对应的密封圈沟槽中,通过密封圈36与对应的表面的挤压实现密封设置,优选的,密封圈采用弹性材料形成。
在优选的实施方式中,第一旁通口12和/或第二旁通口31可设置多个,例如,可在外壳1的周向上均布多个第一旁通口12,第一旁通口12的数量可选择6个,也可以根据实际需要设置其他数量的第一旁通口12。也可在芯轴3的周向上均布多个第二旁通口31,第二旁通口31的数量和位置优选的与第一旁通口12对应,以实现液体流动。
在优选的实施方式中,所述芯轴3远离所述活塞杆2的一端可沿芯轴3周向设置至少一个长键6,长键6的设置方向与外壳1的长度方向一致,通过设置长键6的结构设计,可提高循环阀能够承受的扭矩大小。更优选的,可先在芯轴3的外表面设置至少一个长键沟槽37,然后在每个长键沟槽37内设置一个长键6,从而实现的设置和限位。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述,各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其,对于系统实施例而言,由于其基本相似于方法实施例,所以描述的比较简单,相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上所述仅为本申请的实施例而已,并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说,本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (9)

1.一种钻磨多次开关循环阀,其特征在于,包括中央形成有中空孔的外壳、设于所述外壳中空孔中的活塞杆和芯轴;
所述活塞杆和所述芯轴的中央形成有贯通孔,所述活塞杆的一端限位于所述外壳中,另一端与所述芯轴的一端嵌套,所述活塞杆和所述芯轴间设有弹性组件;
所述外壳内表面形成有凸起的第一限位部,所述芯轴上设有锁定机构,所述芯轴远离所述活塞杆的一侧通过锁定机构与所述第一限位部的相抵限位于所述外壳中处于锁定状态;
所述外壳的侧壁上形成有贯通的第一旁通口,所述芯轴的侧壁上形成有贯通的第二旁通口,当处于锁定状态时,所述第二旁通口与所述第一旁通口不连通,当所述活塞杆受力向所述芯轴移动时,在所述活塞杆通过所述弹性组件传递的驱动力作用下,所述锁定机构与所述第一限位部分离以使所述芯轴的第二旁通口与所述外壳的第一旁通口连通;
所述锁定机构包括贯通所述芯轴的通孔、容置于所述通孔内的锁键和形成在所述活塞杆外表面上与所述锁键相匹配的凹槽,所述锁键的厚度大于所述通孔的厚度;
所述锁键分别与所述活塞杆的表面和所述第一限位部相抵以限位所述芯轴,所述活塞杆的凹槽移动至所述锁键处时,所述锁键移动至所述凹槽中,所述锁定机构与所述第一限位部分离。
2.根据权利要求1所述的钻磨多次开关循环阀,其特征在于,所述循环阀的一端包括用于与油管连接的第一端头,另一端包括用于与钻磨工具连接的第二端头;
所述活塞杆设置于靠近所述第一端头的一侧,所述芯轴设置于靠近所述第二端头的一侧。
3.根据权利要求2所述的钻磨多次开关循环阀,其特征在于,所述外壳包括上接头、与所述上接头固定连接的外筒以及与所述外筒连接的下接头,所述芯轴包括外接头,当所述锁定机构与所述第一限位部相抵时,所述下接头与所述外接头相抵;
所述上接头包括用于与油管连接的第一端头,所述第一端头形成有用于与油管连接的油管螺纹;
所述外接头包括用于与钻磨工具连接的第二端头,所述第二端头形成有用于与所述钻磨工具连接的钻磨螺纹。
4.根据权利要求3所述的钻磨多次开关循环阀,其特征在于,所述油管螺纹为内螺纹,所述钻磨螺纹为外螺纹。
5.根据权利要求1所述的钻磨多次开关循环阀,其特征在于,所述活塞杆包括与所述外壳内表面密封设置的第一圆环部、第二圆环部、第三圆环部和与所述芯轴内表面密封设置的第四圆环部,所述第三圆环部与所述芯轴间设有所述弹性组件;
所述第一圆环部、第二圆环部和第三圆环部的外径依次递增。
6.根据权利要求5所述的钻磨多次开关循环阀,其特征在于,所述第一圆环部、第二圆环部和第三圆环部与所述外壳内表面通过第一密封圈、第二密封圈和第三密封圈密封设置;
所述第四圆环部与所述芯轴内表面通过第四密封圈密封设置。
7.根据权利要求1所述的钻磨多次开关循环阀,其特征在于,所述凹槽的截面为梯形。
8.根据权利要求1所述的钻磨多次开关循环阀,其特征在于,所述芯轴对应所述第二旁通口的外表面与所述外壳的内表面密封设置。
9.根据权利要求1所述的钻磨多次开关循环阀,其特征在于,所述芯轴上进一步形成有第二限位部,当所述活塞杆与所述第二限位部相抵时,所述活塞杆的凹槽移动至所述锁键处。
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