CN115788359A - 一种限制井下工具压差的阀门 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种限制井下工具压差的阀门。主要由上接头、外壳、下接头、不平衡活塞、弹性卡爪、可调预紧力套筒、弹簧组成，其中：上接头上设置有多个与外部相连通的泄压口，上接头与外壳相连接，弹性卡爪与外壳内部凹槽构成滑动插接配合，下接头上设置有多个与外部相连通的压力补偿口，可调预紧力套筒是多件式设计，可对弹簧的初始预紧力进行调整。随着阀内压差增大达到预设压差时，作用在阀体内部活塞上的作用力推动活塞运动以打开泄压口，使阀体内的压差减小，即可限制阀内压差。本发明的目的是：提供一种限制井下工具压差的技术，以保证井下工具在额定的压差下工作，减少机械故障，提高工作效率。

Description

一种限制井下工具压差的阀门

技术领域

本发明涉及一种限制压差的井下工具，尤其是用在石油、天然气钻井中保护动力钻具的压差控制工具。

背景技术

泥浆马达，也称为钻井马达，主要用于许多油气井钻井作业中，以井下旋转机械的方式提供动力，该动力主要用在钻头上。泥浆马达在结构和原理上类似于螺杆泵，主要由弹性定子衬套和转子组成，通常通过泵入高压钻井液驱动转子转动为泥浆马达提供动力，从而驱动钻头或其它井下工具。

泥浆马达在工作时最重要的一个参数是马达两端的压差，马达两端的压差决定了马达的扭矩，且压差越大，扭矩越大。但过大的压差会使得马达漏失和磨损增大，导致弹性定子和转子之间的密封接触失效，从而降低马达的工作效率，甚至可能对弹性定子衬套造成损坏，导致钻头或其它工具不能正常工作。

泥浆马达内部的定子常常选用橡胶这种超弹性材料，以便转子和定子之间进行密封，这是泥浆马达正常运转所必须的，但当泥浆马达两端的压差过大时，泥浆将绕过该密封，使得转子和定子之间的密封失效，定子橡胶也将发生失效。在某些情况下，这种损坏是灾难性的，导致马达完全故障。但通常在定子损害程度一定时，泥浆马达仍可工作，但输出的转矩和转速将会不可调控，若泥浆马达继续工作，定子将会进一步损坏，甚至可能会完全失效。因此为了保证泥浆马达或其他井下工具能够正常工作，不发生机械故障，最好是制是施加在泥浆马达或其他井下工具两端的压差。

此外，该限制井下工具压差的阀门还可以应用于其他需要限制压差的环境中。并且，该阀门不局限于只使用在泥浆马达两端压差的限制，甚至不局限于使用在钻井作业中，还可以用于完井、增产等井下作业中。

发明内容

本发明的目的是提供一种限制施加到井下工具压差的技术，以保证井下工具在额定的压差下正常工作，减少机械故障，提高工作效率。

为达到上述目的，本发明解决此问题提供了一种限制井下压差的工具，其结构主要包括：

壳体组件，主要由上接头、外壳和下接头组成。上述上接头上开设有一个或多个泄压口，泄压口为壳体组件与外部之间提供了流体连通的路径。在初始状态下该泄压口受到活塞的阻碍，处于关闭状态，当压力达到预定的开启压差时，活塞将向下移动，泄压口被完全打开，处于开启状态；外壳内部设置有与弹性卡爪相配合的第一凹槽和第二凹槽分别对应着阀体的关闭状态和打开状态；下接头上设置有压力补偿口，所述压力补偿口可使外部环空中的静压作用于阀体内部活塞上。

触发机构，即弹性卡爪。所述触发机构能够使不平衡活塞保持在关闭状态，直到阀体内部压差高于预定压差，此时，触发机构将与可移动活塞共同运动到打开位置，此外，上述触发机构可以双向操作，当阀体内部压差低于预定压差时，该触发机构与可移动活塞共同回到关闭位置。上述触发机构可以通过改变卡爪的几何参数、材料属和卡爪上的涂层来配置预定的触发力。

可调预紧力套筒组件可对弹簧长度进行轴向调节。所述可调预紧力套筒组件为分体式结构，该可调预紧力套筒组件可分为上部和下部，其中可调预紧力套筒下部设置的螺旋槽和圆柱槽，上部外表面上设置有定位圆柱，在具体工作时，可调预紧力套筒上部所设置的定位圆柱可绕下部上的螺旋槽进行旋转运动来调节轴向位置，当达到所预定位置时，可通过上部上的定位圆柱与下部中的圆柱槽配合进行轴向定位。

压力传感装置可以是一个不平衡活塞。所述活塞能够准确识别出阀体内部压差大小，此外，活塞受到弹簧的预紧力，该预紧力可通过可调预紧力套筒进行调整。活塞还可以通过一个或多个流体静力补偿口产生推动活塞关闭泄压口的力，所述静力补偿口与外部连通，能准确反映外部(环空)流体压力。

该工具还包括活塞和外壳内壁配合的密封，以防止当活塞处于关闭位置时流体从工具内部流向工具外部。密封可以安装在活塞或外壳的凹槽中，这样当活塞移动到开启位置时，密封不阻碍流体从阀体内部通过泄压口流向阀体外部。该密封可以是常规的弹性密封，也可以是由弹性密封元件和非弹性密封元件组成的多元件密封。

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，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍：

图1为本发明的限制井下工具压差的阀门在关闭状态下的结构示意图；

图2为本发明的限制井下工具压差的阀门在打开状态下的结构示意图；

图3为弹性卡爪初始状态下的结构示意图；

图4A为当阀门处于关闭位置时，卡爪和第一凹槽的相互作用；

图4B为当阀门处于关闭和打开位置之间的某一中间位置时的示意图；

图4C为当阀门处于开启位置时，卡爪和第二凹槽的相互作用；

图5A为拆卸状态下的可调预紧力套筒；

图5B为装配状态下的可调预紧力套筒；

图5C为工作状态下的调节到某一位置时的可调预紧力套筒；

图中：1、上接头，2、泄压口，3、不平衡活塞，4、外壳，5、螺钉，6、弹性卡爪，7、第一凹槽，8、第二凹槽，9、弹簧，10、可调预紧力套筒上部，11、可调预紧力套筒下部，12、压力补偿口，13、下接头，14、泥浆出口，15、泥浆入口。

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的一部分实施例，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。

请参阅图1和图2本发明提供一种技术方案：一种限制井下工具压差的阀门主要包括上接头1，在上接头1上设置有泥浆入口15和一个或者多个泄压口2，上接头2右端与外壳4相连接，在外壳4的内壁上设置有第一凹槽7和第二凹槽8，用来与弹性卡爪6的卡爪相配合，卡爪与第一凹槽7相配合时对应着阀门的关闭状态，与第二凹槽8配合时，对应着开启状态，外壳4右端与下接头13相连接，在所述下接头13上设置有一个或者多压力补偿口12，所述阀体内部的不平衡活塞3上设置有三个轴肩3a、3b、3c，其中轴肩3a和轴肩3b所受的压差始终相同，而轴肩3c所受压差为外部环空(未画出)的静压，在不平衡活塞3上固定有弹性卡爪6，两者通过一个或者多个螺钉5固定，在不平衡活塞3和可调预紧力套筒上部10之间设置有弹簧9，可调预紧力套筒下部11右端与下接头左端相接触进行轴向定位，在下接头13上设置有泥浆出口14。

其中，图3弹性卡爪6(触发机构)包括接头22和卡爪21，接头22与活塞3上的螺纹孔通过螺钉5连接，卡爪21与外壳4内部加工的凹槽7和凹槽8配合使用。接头22和活塞3的连接可以用多种方式固定，包括过盈配合、螺钉、螺栓、焊接等。所述弹性卡爪可充当限制井下工具压差的阀门的触发机构和关闭机构，图4A和图4C分别表示阀门关闭和阀门打开时的弹性卡爪6与外壳内部第一凹槽7和第二凹槽8的相对位置，图4B表示在阀门由关闭到打开的过程中的某一个中间位置。其中图4A为关闭位置，此时卡爪21与外壳内部第一凹槽7相配合，施加在活塞3上的压差将向井下方向施加一个推动活塞的力，它被弹簧9的力所抵抗，合力将使卡爪21前缘6b与第一凹槽7前缘7b相接触。这种接触将产生一个额外的力，即一个触发力，以阻碍阀门打开的趋势。这种触发力大小可由设计者通过改变各种弹性卡爪6和第一凹槽7的参数来控制和选择。一般来说，这些参数与系统的几何性质和材料性质有关。这些参数包括卡爪21的长度、截面积和材料的刚度，以及尺寸、形状和涂在夹头21上的涂层属性。除了这些固有的特性，第一凹槽7前缘7b面与卡爪21的前缘6b面的角度也将对阀门打开时的触发力产生重大影响，因此也可通过改变这个角度来改变触发力。需要注意的是，这个额外的触发力应该大于充分压缩弹簧后的弹簧力，使阀门能够完全打开。

具体的，在阀关闭状态下，泥浆液从泥浆入口15通过阀内部到达泥浆出口14，然后沿管柱向下通向泥浆马达(或其他工具)。阀内部存在压差，阀内部的泥浆压力作用在活塞3的轴肩3a和3b上，通常，轴肩3a的截面积为轴肩3b的截面积的1.2-2.5倍，因此泥浆压差始终在不平衡活塞3上产生一个向下的作用力，另外，通过静力补偿口12使环空(未画出)中的压力作用于活塞3的轴肩3c上产生一个推动活塞向上的作用力。轴肩3a、3b、3c的截面积都可进行设计，达到对开启压力进行配置的目的，但不管对轴肩3a、3b、3c的面积如何设计，轴肩3a的面积是始终大于轴肩3b的，始终产生推动活塞向下运动的合力，但活塞3的运动还受到弹簧9的弹簧力。一旦作用在活塞三个轴肩3a、3b、3c的力的合力超过了触发力，弹性卡爪6将滑出第一凹槽7，且作用在活塞3上的合力大于充分压缩弹簧9的弹簧力，使弹性卡爪6向下运动滑入第二凹槽8当中，此时泄压口2完全打开。阀体内部压差将会减小，压差减小逐渐使作用在活塞3上的合力小于弹簧9提供的弹簧力，在这种情况下，作用在活塞合力倾向于重新关闭阀门。然而，最好还提供一种关闭触发机制，以便能够更精确地控制阀门关闭时的压差，关闭触发机构的操作可以与打开触发机构基本相似，即，卡爪21后缘6a与第二凹槽8的后缘8a相接触，提供一个关闭触发力，与上面讨论的开启触发器一样，卡爪的几何参数和材料性能可以决定关闭触发力。需要注意的是，在设计开启触发力和关闭触发力时所对应的卡爪21的前缘6b面和后缘6a面几何和材料属性不一定相同。一旦弹簧9提供的弹簧力超过作用在活塞3上的压差和关闭触发力的合力时，卡爪21将被推动，滑出第二凹槽8，回到关闭状态时的第一凹槽7，导致泄压口2关闭。

另外，弹簧9在阀门关闭状态为活塞3运动提供的阻力和在打开状态为活塞3提供的推动力都可通过对弹簧的刚度系数、材料属性和初始预紧力进行调配。本发明提供一种可调预紧力套筒组件，所述可调预紧力套筒组件可对弹簧9在轴向上的初始长度进行调节，如图5A和5B所示。所述可调预紧力套筒是多件式设计，包括可调预紧力套筒上部10和可调预紧力套筒下部11。可调预紧力套筒上部10上的定位圆柱10a可以与可调预紧力套筒下部11所对应的圆柱槽11a相配合，且可调预紧力套筒上部10中的定位圆柱10a可在可调预紧力套筒下部11的螺旋槽11b中运动。所述可调预紧力套筒组件可通过增加可调预紧力套筒下部11中的圆柱槽11a的数量或减小可调预紧力套筒上部10中定位圆柱10a的尺寸，实现可调预紧力套筒上部伸缩长度在轴向上更精确细微的调节。具体调节过程为：如图5C所示，通过可调预紧力套筒上部10中的定位圆柱10a在下部11的螺旋槽11b中的螺旋运动使得可调预紧力套筒上部10在可调预紧力套筒下部11中伸长，达到所需长度后，通过可调预紧力套筒上部定位圆柱10a与可调预紧力套筒下部圆柱槽11a相配合进行轴向定位，从而达到调节弹簧初始预紧力的目的。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体，可以是机械连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个组件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种限制井下工具压差的阀门，其特征在于，包括上接头(1)、外壳(4)和下接头(13)，所述上接头(1)上设置有泥浆入口(15)和一个或者多个泄压口(2)，所述上接头(1)下端与外壳(4)上端连接，所述外壳(4)的内壁上设置有第一凹槽(7)和第二凹槽(8)，所述第一凹槽(7)和第二凹槽(8)用来与弹性卡爪(6)的卡爪相配合，所述外壳(4)下端与下接头(13)相连接，所述下接头(13)上设置有泥浆出口(14)和一个或多个压力补偿口(12)，所述弹性卡爪(6)上端与活塞(3)连接，所述活塞(3)外表面套有弹簧(9)，所述弹簧(9)下端设置有可调预紧力套筒上部(10)和可调预紧力套筒下部(11)，所述可调预紧力套筒上部(10)和可调预紧力套筒下部(11)配合使用可在轴向上对弹簧(9)的初始长度进行调节，所述可调预紧力套筒下部(11)与下接头(13)相接触；具体的，在阀关闭状态下，泥浆从泥浆入口(15)通过阀内部到达泥浆出口(14)，然后沿管柱向下通向泥浆马达，阀内部的泥浆压力作用在不平衡活塞(3)上，且始终在不平衡活塞(3)上产生一个推动不平衡活塞向下的合力，另外，通过静力补偿口(12)使阀体外部中静压也作用于不平衡活塞(3)上。可通过改变不平衡活塞(3)的轴肩截面积，从而改变不平衡活塞(3)所受合力，一旦作用在不平衡活塞(3)上的合力超过了预设的开启触发力，不平衡活塞(3)将被推动，使弹性卡爪(6)将会从第一凹槽(7)滑向第二凹槽(8)，此时弹簧(9)被压缩到预定位置，泄压口(2)完全打开，阀门处于打开状态，泥浆可从阀体内部通过泄压口(2)流向阀体外部环空，降低阀体内部的压差，压差减小使作用在不平衡活塞(3)上的合力减小，则压缩后的弹簧(9)将会推动不平衡活塞(3)带动弹性卡爪(6)运动，使弹性卡爪(6)从第二凹槽(8)滑动到第一凹槽(7)，此时阀门恢复到关闭状态，泄压口(2)完全关闭。

2.根据权力要求1所述的一种限制井下工具压差的阀门，其特征在于：所述不平衡活塞(3)为一体式结构且能够在阀体内部滑动，所述不平衡活塞(3)的上部轴肩(3a)截面积为下部轴肩(3b)截面积的1.2-2.5倍。

3.根据权力要求1所述的一种限制井下工具压差的阀门，其特征在于：所述可调预紧力套筒为分体式结构，所述可调预紧力套筒包括可调预紧力套筒上部(10)和可调预紧力套筒下部(11)，所述可调预紧力套筒上部(10)可绕可调预紧力套筒下部(11)中设置的螺旋槽(11b)旋转，所述可调预紧力套筒下部(11)可为可调预紧力套筒上部(10)中的定位圆柱(10a)提供圆柱槽(11a)进行轴向定位。

4.根据权力要求1所述的一种限制井下工具压差的阀门，其特征在于：所述外壳(4)上设置有第一凹槽(7)和第二凹槽(8)，分别对应着阀门的关闭状态和打开状态。

5.根据权力要求1所述的一种限制井下工具压差的阀门，其特征在于：所述弹性卡爪(6)与不平衡活塞(3)相连接，所述弹性卡爪(6)与外壳(4)内第一凹槽(7)和第二凹槽(8)相配合分别对应着阀门的关闭状态和打开状态，所述弹性卡爪(6)可作为触发机构。

6.根据权力要求1所述的一种限制井下工具压差的阀门，其特征在于：所述上接头(1)上设有泄压口(2)，所述泄压口(2)使阀体内部与外部环空相连通，所述泄压口(2)在阀关闭状态被不平衡活塞(3)所封堵，在开启状态下泄压口(2)完全打开。

7.根据权力要求1所述的一种限制井下工具压差的阀门，其特征在于：所述下接头(13)上设置有压力补偿口(12)，所述压力补偿口(12)使得阀体内部不平衡活塞(3)与外部环空相连通，使得外部环空中的静压作用于阀体内部不平衡活塞(3)的轴肩(3c)上。

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