CN113863887B - 一种顶驱用ibop - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种顶驱用内防喷器(简称IBOP)，其包括IBOP阀体，所述IBOP阀体内设置有IBOP安全阀座，IBOP安全阀座包括上阀座、浮球、下阀座、阀座止推环，所述IBOP阀体上还设置有操作曲柄总成，操作曲柄总成包括操作曲柄、垫圈、铜套。顶驱用IBOP采用“对称浮动阀座”的补偿结构、阀座球面采用成型软密封，替代了传统IBOP金属球面接触的硬密封形式，减小摩擦和磨损，提高密封的可靠性，优化操作曲柄结构，减小了局部应力，解决了现有IBOP在高负载下浮球发生形变，浮球与阀座摩擦阻尼过大带来的IBOP在井控作业时无法可靠打开的问题，提高了工作寿命，增强了安全性能。主要解决了现有IBOP结构在单侧压力30MPa以及更高压力下开启扭矩过大，单人人力无法开启的难题。

Description

一种顶驱用IBOP

技术领域

本发明涉及石油天然气钻井高压钻井液通道中的安全阀领域，尤其涉及一种石油钻井水龙头或顶驱中应用的IBOP。

背景技术

内防喷器(Inside Blow Out Preventer，即IBOP)，是顶驱的重要组成部分，连接在顶驱主轴与保护接头之间，可以通过关闭IBOP阻断钻柱内部通道，从而防止井涌或者井喷时钻井液通过钻柱内部通道喷涌至钻台面。顶驱主轴下端和防保接头之间配备一对IBOP，上IBOP为液压驱动，下IBOP为手动操作，在井控作业发生时，先远程关闭上IBOP，再手动关闭下IBOP，在接入井控设备后，打开下IBOP进行井控作业。井控作业完成后，关闭下IBOP，移除井控设备，恢复正常钻井作业。

由于IBOP的工作性质和恶劣的工作环境，IBOP很容易发生故障或失效，轻则影响作业，重则造成重大安全事故。为了保证钻井作业的安全，IBOP在使用一段时间后必须进行更换，所以国内市场对IBOP产品的需求量很大。目前我国海上石油钻井作业中使用的IBOP存在阀芯高压下产生形变、球阀关闭后两侧压差导致的开关扭矩大，打开困难、阀体与阀座易被腐蚀、密封失效甚至阀体失效等问题，严重影响井控作业的时效和安全。国内市场对高性能IBOP产品的需求十分迫切。因此，有必要开展与海洋石油钻采相关的新材料、新装备、新技术的研究，解决我国该类产品市场上现有产品性能不足影响井控安全的问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种顶驱用IBOP，解决了现有IBOP阀芯在高压下发生形变、密封表面摩擦系数过大带来的在两端压差较大时IBOP无法可靠打开、钢制阀体与阀座容易被地层中溢出的硫化氢腐蚀、高压钻井液冲刷导致密封失效甚至阀体失效等问题。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

一种顶驱用IBOP，包括IBOP阀体，其特征在于，

所述IBOP阀体内设置有IBOP安全阀座，IBOP阀座包括上阀座、浮球、下阀座、阀座止推环；

所述浮球与上阀座、下阀座的接触面均设置有成型填料密封圈；

所述IBOP阀体上还设置有操作曲柄总成，操作曲柄总成包括操作曲柄、垫圈、铜套；

所述IBOP阀体上还设置有润滑脂加注通道；

所述成型填料密封圈改变了阀座与浮球的密封形式，成型填料密封圈用于提升密封性及隔离上阀座、下阀座与浮球球面的接触，从而降低阀座与浮球的摩擦阻尼；所述操作曲柄与铜套接触端面安装的垫圈极大的减少了IBOP的开启扭矩；所述阀座止推环与IBOP阀体通过螺纹连接，通过旋入旋出阀座止推环可调整IBOP开启的空载扭矩。

所述上阀座、浮球、下阀座均具有中心通道，这些中心通道沿轴向彼此对齐，并与IBOP阀体的通道对齐。

可选的，所述上阀座与阀座止推环的接触位置、下阀座与IBOP阀体的接触位置均设置有波形弹簧，补偿结构采用“对称浮动阀座”的组合方式，通过波形弹簧提供初始预紧密封比压，提升零件的形位公差，提升产品质量。

所述上阀座、下阀座均为一端带有外凸缘的圆筒结构。

所述上阀座、下阀座与浮球的接触面均设置有容置槽。

所述铜套为圆筒结构，其底部带有外凸缘，外部设置有用于安装密封的内凹槽，所述内凹槽处放置有密封圈用于操作曲柄总成与IBOP阀体的密封。

所述操作曲柄为上部设置有内六角孔的曲柄结构，其底部带有外凸缘，内部设置有内凹槽，底部设置有制动台。

所述操作曲柄无外凸缘的一端嵌入铜套的内部，在操作曲柄内部的内凹槽处放置有密封圈，所述垫圈设置在操作曲柄外凸缘与铜套外凸缘的接触位置。

所述IBOP阀体上设置有卡环，卡环用于预紧防松，防止阀座止推环后退。

所述IBOP阀体还设置有润滑脂加注通道，润滑脂加注通道与波形弹簧所在腔体连通，通过润滑脂加注通道打入润滑脂对波形弹簧进行润滑并可将渗入的钻井液及其他杂质推出下阀座波形弹簧安装腔。

所述润滑脂加注通道口还设置有NPT堵头，用于封堵润滑脂。

IBOP阀体基材厚度增加，大幅提升了阀体的结构强度和使用寿命，有效降低了阀体应力槽断裂等不利于产品本身及人员安全的危害风险。

双向的密封形式都改为阀前密封，安全阀座仍然具备阀后密封的能力，即增加了一道密封；在IBOP关闭时，浮球内部无压力进入，致使操作曲柄与铜套的端面上无负载压力，从而降低IBOP开启时的开启扭矩。

浮球采用高强度不锈钢或复合陶瓷材料制备，保证球体的硬度及承载强度，防止高压下产生较大形变，并对表面涂覆复合材料镀层，满足高温、高压、强腐蚀等工况场景。

改变操作曲柄的结构，在操作曲柄与铜套之间加装垫圈，降低开启扭矩，解决了IBOP单侧压差30MPa及以上时单人人力无法开启的问题。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：

本发明采用“对称浮动阀座”的补偿结构，阀座球面采用成型软密封，替代了传统IBOP金属球面接触的硬密封形式，减小摩擦和磨损，提高密封的可靠性，优化了操作曲柄结构，减小局部应力，对阀座结构进行流体动力学优化，减少介质对阀体的冲刷。解决了现有IBOP在高负载下浮球产生形变、浮球与阀座摩擦阻尼过大带来的IBOP在井控作业时无法可靠打开的问题，提高了工作寿命，增强了安全性能。主要解决了现有IBOP结构在单侧压力30MPa以及更高压力下开启扭矩过大，单人人力无法开启的行业难题。

附图说明

图1为本发明的上IBOP外形结构示意图；

图2为本发明的下IBOP外形结构示意图；

图3为本发明的上IBOP的结构截面示意图；

图4为本发明的IBOP的安全阀座的结构截面示意图；

图5为本发明的IBOP的操作曲柄总成的结构截面示意图。

【附图标记说明】

1：IBOP阀体；

2：阀座止推环；

3：上阀座；

4：浮球；

5：下阀座；

6：操作曲柄；

7：成型填料密封圈；

8：垫圈；

9：铜套；

10：波形弹簧；

11：卡环；

12：NPT堵头；

13：密封圈；

14：密封圈。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

实施例：

如图1、图2所示，为本发明的上IBOP、下IBOP的外形结构示意图，两者内部结构完全相同，在阀体外侧的开启装置上，上IBOP采用遥控开启，顶驱专门设置有一套液压推动装置，用于启闭上IBOP，下IBOP采用手动开启，一般配有力臂为1米的外六角扭矩扳手，将外六角扭矩扳手与操作曲柄上的内六角孔嵌套，转动外六角扭矩扳手，带动操作曲柄旋转，操作曲柄上的致动台与浮球上的致动槽相互契合，旋转时带动浮球旋转，实现人工启闭操作。

如图3所示，上IBOP包括具有管状通道的IBOP阀体1，所述IBOP阀体1内设置有阀座止推环2、上阀座3、浮球4、下阀座5、操作曲柄6、成型填料密封圈7、垫圈8、铜套9、波形弹簧10、卡环11、NPT堵头12。

所述IBOP阀体1的通道内设置有上阀座3、下阀座5，上阀座3与下阀座5均为一端带有外凸缘的圆筒结构，浮球4可旋转的容纳在所述上阀座3和下阀座5之间，上阀座3和下阀座5带有外凸缘的一端与浮球4接触，所述上阀座3、浮球4、下阀座5均具有中心通道，这些中心通道沿轴向彼此对齐，并与IBOP阀体1的管状通道对齐，浮球4的顶部及底部均设置有制动槽，IBOP阀体1上还设置有操作曲柄安装孔。

如图4所示，浮球4与上阀座3、下阀座5，按照上述的方式定位，浮球4具有左接触面和右接触面，右接触面与上阀座3接触，左接触面与下阀座5接触，上阀座3、下阀座5与浮球4的接触位置均设置有容置槽，每个接触面均套有成型填料密封圈7，成型填料密封圈7嵌在所述容置槽内，成型填料密封圈7用于提升密封性及隔离上阀座3、下阀座5与浮球4球面的接触，从而降低开启阻尼。普通IBOP采用球面与阀座弧面互研后密封，在单侧压力30MPa时，开启扭矩需要2000N·m左右，该IBOP球阀采用成型填料密封圈软密封，大幅降低了浮球与阀座之间的摩擦阻尼，在单侧压力30MPa时，开启扭矩仅可控制在500N·m以下，有效降低了IBOP的开启扭矩。

所述上阀座3右侧还设置有阀座止推环2，上阀座3不带外凸缘的一端嵌入阀座止推环2内，阀座止推环2与IBOP阀体1通过螺纹连接，通过旋入旋出阀座止推环2，可以调整IBOP开启的空载扭矩。

如图3所示，在上阀座3与阀座止推环2的接触位置、下阀座5与IBOP阀体1的接触位置均设置有波形弹簧10，结构整体通过波形弹簧10提供初始预紧密封比压，提高零件的形位公差，提升产品质量。

如图3、图5所示，所述铜套9为圆筒结构，其底部带有外凸缘，外部设置有内凹槽，所述内凹槽处放置有密封圈14用于操作曲柄总成与IBOP阀体1的密封。

所述操作曲柄6为上部设置有内六角孔的曲柄结构，其底部带有外凸缘，内部设置有内凹槽，底部设置有制动台。

所述操作曲柄6无外凸缘的一端嵌入铜套9的内部，组装成一个组件，在操作曲柄6内部的内凹槽处放置有密封圈13，密封圈13用于操作曲柄总成的密封，所述垫圈8设置在操作曲柄6外凸缘与铜套9外凸缘的接触位置，垫圈8极大的减小了IBOP的开启阻尼。

如图3所示，所述内防喷器阀体1上还设置有卡环11，卡环11设置在阀座止推环2的最右侧，与阀座止推环2卡合，卡环11用于预紧防松，防止阀座止推环2后退，IBOP阀体1上还设置有润滑脂加注通道，润滑脂加注通道与波形弹簧10所在腔体连通，通过润滑脂加注通道加注润滑脂对波形弹簧10进行润滑，并可将钻柱通道内渗入的钻井液推出，防止波形弹簧锈蚀和弹性失效，IBOP阀体1上还安装有NPT堵头12，NPT堵头12用于封堵润滑脂加注通道。

在浮球4表面、上阀座3、下阀座5的球面均喷涂特殊材料减磨镀层，起到降低阀座与浮球4的摩擦阻尼的作用。

上述的上阀座3、下阀座5、阀座止推环2、操作曲柄6等构件都包含配套的密封总成结构。

本发明采用“对称浮动阀座”的补偿结构，阀座球面采用成型软密封，替代了传统IBOP金属球面接触的硬密封形式，减小摩擦和磨损，提高密封的可靠性，优化了操作曲柄结构，减小局部应力，对阀座结构进行流体动力学优化，减少介质对阀体的冲刷。解决了现有IBOP在高负载下浮球产生形变、浮球与阀座摩擦阻尼过大带来的IBOP在井控作业时无法可靠打开的问题，提高了工作寿命，增强了安全性能。主要解决了现有IBOP结构在单侧压力30MPa以及更高压力下开启扭矩过大，单人人力无法开启的行业难题。

一种所述IBOP的安装方法，包括：

固定IBOP阀体1；

将成型填料密封圈7安装在下阀座5的容置槽内，用油脂将波形弹簧10与下阀座5“粘连”在一起形成一个组件，将所述组件安装进IBOP阀体1内；

将操作曲柄6套进铜套9内，在操作曲柄6与铜套9接触部位设置垫圈8形成一个组件，将所述组件安装进IBOP阀体1上的操作曲柄安装孔内；

调整操作曲柄6的致动台，与浮球4的致动槽相对应，将浮球4顺着凹凸台安装到IBOP阀体1内；

将成型填料密封圈7安装在上阀座3的容置槽内，用油脂将波形弹簧10与上阀座3“粘连”在一起形成一个组件，将所述组件安装进IBOP阀体1内；

沿螺纹旋入阀座止推环2，安装卡环11，通过旋入旋出阀座止推环2调整IBOP开启的空载扭矩；

安装到位后，在NPT堵头12位置的润滑脂加注通道加注润滑脂，预紧NPT堵头12，安装完成。

如上所述，便可较好的实现本发明。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员来说，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例作出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种顶驱用IBOP，包括IBOP阀体(1)，其特征在于，

所述IBOP阀体(1)内设置有IBOP安全阀座，IBOP安全阀座包括上阀座(3)、浮球(4)、下阀座(5)、阀座止推环(2)；

所述浮球(4)与上阀座(3)、下阀座(5)的接触面均设置有成型填料密封圈(7)；

所述IBOP阀体上还设置有操作曲柄总成，操作曲柄总成包括操作曲柄(6)、垫圈(8)、铜套(9)；

所述垫圈(8)设置在操作曲柄(6)与铜套(9)的接触部位；

所述上阀座(3)与阀座止推环(2)的接触位置、下阀座(5)与IBOP阀体(1)的接触位置均设置有波形弹簧(10)；

所述IBOP阀体(1)上还设置有润滑脂加注通道；

所述IBOP阀体(1)上的润滑脂加注通道与所述波形弹簧(10)所在腔体连通；

所述上阀座(3)的一侧设置所述阀座止推环(2)，所述上阀座(3)远离所述浮球(4)的一端嵌入所述阀座止推环(2)内，所述阀座止推环(2)与所述IBOP阀体(1)通过螺纹连接；

所述IBOP阀体(1)还设置有卡环(11)，卡环(11)与阀座止推环(2)卡合。

2.根据权利要求1所述的顶驱用IBOP，其特征在于，所述上阀座(3)、下阀座(5)均为一端带有外凸缘的圆筒结构。

3.根据权利要求2所述的顶驱用IBOP，其特征在于，所述上阀座(3)、下阀座(5)与浮球(4)的接触面均设置有容置槽。

4.根据权利要求1所述的顶驱用IBOP，其特征在于，所述IBOP阀体(1)上的润滑脂加注通道设置有NPT堵头(12)，用于封堵润滑脂加注通道。