CN1306148A - 多功能地层保护阀 - Google Patents

Abstract

一种在油井中使用的多功能地层保护阀,其阀体和阀瓣通过接头定位于壳体中,阀体顶部有一个V形槽,V形槽两侧的倾斜平面分别是直通阀座和旁通阀座,直通阀座连通产出液流道,旁通阀座连通油套环空,阀瓣铰链于V形槽中,液流通过本阀时能推动阀瓣翻转,分别遮挡直通阀座或旁通阀座;本阀须与封隔器或洗井皮碗配合使用,具有连通油套空间、无阻挡通过产出液、排出油管沉砂、阻止洗井液进入地层、防止地层在大压差下剧烈排液的功能。

Description

多功能地层保护阀

本发明涉及一种阀瓣式的流体方向、流量控制阀，具体说，涉及一种在油井中使用的具有多种功能的地层保护阀。

油井经过长期开采如果注水跟不上或因其他原因，会造成地层能量亏空，压力下降，在对油井进行热洗清蜡或反洗井的过程中会出现地层漏失，洗井液不能反出地面的情况。这会影响油井的正常生产与管理，还会造成地层污染。

为了解决漏失井的洗井问题，通常采用如图1所示的管柱结构：在抽油泵1以下，地层(产液层)5以上的油管柱上，从上至下依次下入连通短节2、洗井单流阀3、封隔器4等井下工具。它们的作用是：用封隔器隔断油套环空与地层的连通，防止从套管来的洗井液直接进入地层；用连通短节将套管与油管连通；用洗井单流阀阻止洗井液向下进入地层，迫使洗井液通过抽油泵和油管返回地面。或者下入一种如图2所示的，把上述连通短节、洗井单流阀和洗井皮碗组合成一体的叫洗井阀的井下工具。它是由壳体、接头、阀球、阀座和洗井皮碗等零件构成的；壳体和接头通过螺纹将阀球和球座固定在壳体内，壳体侧壁上有连通壳体内外的连通孔，接头上有洗井皮碗；其作用是：用洗井皮碗隔断油套环空，防止从套管来的洗井液直接进入地层；用连通孔将套管与油管连通；用阀球、阀座构成的球型单流阀阻止洗井液侵入油层。

现有用来保护地层的管柱结构或洗井阀存在的主要不足之处是：他们均含有常闭式的球型单流阀，阀体内的阀球阻挡流道，流道不是畅通的，这一方面增大了产出液的流阻，消耗产能，影响产液量，另一方面，油管内的沉砂不能通过单流阀沉入井底，容易造成砂埋现象，影响油井正常生产，甚至停产上修。

在油井生产中还存在另一种情况，当大量排防套管气或有偷盗者从套管盗油时，套压急剧下降会破坏油井原有的压力平衡，使油层的生产压差突然增大，地层在大压差下剧烈排液，容易引起油井激动，地层出砂。上述管柱结构和洗井阀也不具有防止地层在大压差下剧烈排液的功能。

本发明的主要目的是：克服现有技术的不足，提供一种既能连通油套空间，能阻止洗井液进入地层，又能在油井正常生产时保持阀体内的流道完全畅通的地层保护阀。

本发明的另一个目的是：进一步使本阀具有防止地层在大压差下剧烈排液的功能。

本发明的主要目的可以通过以下技术措施实现：提供一种多功能地层保护阀，含有壳体和接头，壳体和接头通过螺纹连接，壳体侧壁上有连通壳体内外的连通孔，壳体和接头的另外两端有与油管或井下工具连接的螺纹；在壳体内还含有阀体和阀瓣，它们通过接头固定在壳体内；阀体顶部有一个V形槽，V形槽两侧的倾斜平面分别是直通阀座和旁通阀座；直通阀座上的孔口与直通流道连通，直通流道贯通直通阀座一侧的阀体，与产出液流道连通；旁通阀座上的孔口与旁通流道连通，旁通流道在旁通阀座一侧的阀体内，在旁通流道经过的阀体侧壁上开有侧孔，旁通流道通过侧孔与壳体侧壁上的连通孔连通；在V型槽中有与V形槽底部为铰链的，可以左右摆动，分别遮挡直通阀座或旁通阀座的阀瓣；在旁通阀座与阀瓣的结合部，有保持阀瓣与旁通阀座之间留有过流缝隙的限位零件。

采用本发明的多功能地层保护阀与封隔器或洗井皮碗配合使用时，在本阀的下面有封隔器或洗井皮碗阻断油套环空。由于在阀体内有直通流道和旁通流道导流，当抽油泵上行处于抽油工况时，产出液的流向为：产出液流道——直通流道——直通阀座——抽油泵；当抽油泵下行处于非抽油工况时，产出液在地层能量和液流惯性的作用下将会继续流动，恢复套管液面，它的流向为：产出液流道——直通流道——直通阀座——旁通阀座——旁通流道——侧孔——连通孔——套管。

由于直通阀座和旁通阀座分别位于阀体顶部的V形槽两侧，阀瓣位于两阀座中间，液体从直通阀座流向旁通阀座时，必然会推动阀瓣从直通阀座一侧翻转到旁通阀座一侧。又由于阀瓣与V形槽底部为铰链，它一旦翻转到旁通阀座一侧就会因其重心位置的改变，长久停留在该处。这样，在以后的抽油工况下，直通流道就保持完全畅通的状态。

由于在旁通阀座与阀瓣的结合部有保持阀瓣与旁通阀座之间留有过流缝隙的限位块或限位螺钉或限位弹簧一类的限位零件，旁通阀座与阀瓣之间始终有一条过流缝隙，使油管与套管处于连通状态，可以恢复液面，反映压力。

在反洗井工况下，当地层压力低于油管液柱压力时，洗井液的流向为：套管——连通孔——侧孔——旁通流道——旁通阀座——直通阀座——直通流道。此时，若阀瓣遮挡在旁通阀座一侧，洗井液会推动阀瓣翻转到直通阀座一侧，关闭直通流道，阻止洗井液进入地层；洗井液被迫改变方向，经抽油泵从上部油管返回地面。

由于采用了上述技术措施，本阀既能连通油套空间，阻止洗井液进入地层，又能在油井生产时保持阀体内流道完全畅通，这既有利于减小产出液流阻，充分利用地层产能，增加产液量，又可使沉砂排入井底，防止砂埋现象发生。

本发明的另一个目的可以在上述技术方案的基础上加以实现：第一，用限位弹簧调节阀瓣与旁通阀座间的过流缝隙；第二，在阀体下部增加一个只允许产出液从产出液流道流向旁通流道的单流阀，单流阀在旁通流道的出口处可以有一个起限流作用的油嘴。

由于采用限位弹簧调节阀瓣与旁通阀座间的过流缝隙，当套管剧烈放空，套压迅速下降时，作用于阀瓣两侧的压差也会增大，当油套压差达到某一设定值时，液压力推动阀瓣压迫限位弹簧变形，关闭旁通流道；此时由于阀体上有连通产出液流道与旁通流道的单流阀和油嘴，产出液能通过单流阀和油嘴有控制地流向套管，恢复液面；当油套压差趋向平衡后，阀瓣在弹簧力的作用下重新打开与旁通阀座之间的过流缝隙，恢复油套连通。在反洗井工况下，单流阀是关闭的，不允许洗井液从旁通流道经单流阀到产出液流道。

采取上述措施后，本阀不仅在洗井时能保护地层免受污染，还具有防止地层在大压差下剧烈排液的功能，避免地层因剧烈排液引起出砂而受到损伤。

采用本发明的地层保护阀与封隔器或洗井皮碗配合使用，将具有连通油套空间、无阻挡通过产出液、排出油管沉砂、阻止洗井液进入地层、防止地层在大压差下剧烈排液的功能。与现有的洗井阀相比，不仅有利于保护地层免受洗井液污染，更有利于减小产出液流阻，增加产液量；有利于排出油管沉砂，防止砂埋阀体；有利于避免地层在大压差下剧烈排液引起的油井激动和出砂；全面保护油井地层在生产中免受伤害，综合经济效益显著。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是现有技术中防止洗井液进入地层的油井管柱结构图；

图2是一种洗井阀的结构示意图；

图3是本发明第一个实施例的纵剖面示意图；

图4是图3的A-A剖视图和B-B局部剖视图；

图5是图3的C-C剖视图；

图6是本发明第二个实施例的纵剖面示意图；

图7是本发明第三个实施例的纵剖面示意图；

实施例1如图3所示，展示了一种可以实现本发明主要目的的多功能地层保护阀结构。它包含壳体6和接头15，壳体和接头通过螺纹连接，壳体侧壁上有一个或多个连通壳体内外的连通孔11，壳体和接头的另外两端有与油管或井下工具连接的螺纹。

在壳体6内还包含阀体10和阀瓣22。阀体10为一个阶梯形的圆柱体，它的上段直径较小，下段直径较大，与壳体6的阶梯形内孔相配合，通过接头15固定在壳体6内。阀体10的顶部有一个V形槽，V形槽横贯阀体上段和阀体下段的一部分，V形槽两侧的倾斜平面分别是直通阀座21和旁通阀座9。直通阀座21的孔口与直通流道19连通，直通流道贯通直通阀座一侧的阀体10，与产出液流道17连通。旁通阀座9的孔口与旁通流道14连通，旁通流道在旁通阀座一侧的阀体10内，在旁通流道14经过的阀体10的外壁上开有侧孔13，侧孔13的开口位置在阀体下段上，旁通流道14通过侧孔13与壳体6侧壁上的连通孔11对应连通。为了使阀体10上的侧孔13以任何角度安装都能与壳体6上的连通孔11连通，在侧孔13所对应的阀体外表面上，可以有一个环形凹槽12。阀体上还可以含有密封圈18和20与壳体之间密封。

如图3、4、5所示：阀瓣22是一个半椭圆或近似半椭圆的板状零件，沿阀瓣的直边向两端有外伸的转轴24。阀瓣22置于V型槽中，其直边放在V形槽底部，其转轴24在V形槽和环绕V形槽外圆柱面的壳体6的共同约束下，形成铰链定位，阀瓣22可以绕转轴24左右摆动，分别遮挡直通阀座21或旁通阀座9。在旁通阀座9或阀瓣22的结合部，有突起的限位块8或限位螺钉23或如图6中所示的限位弹簧25等限位零件，用来保持阀瓣22与旁通阀座9之间留有过流缝隙7。

由于本阀须与封隔器或洗井皮碗配合使用，在本阀的下面有封隔器或洗井皮碗阻断油套环空，当抽油泵上行处于抽油工况时，产出液16的流向为：产出液流道17——直通流道19——直通阀座21——抽油泵；当抽油泵下行处于非抽油工况时，产出液在地层能量和液流惯性的作用下将会继续流动，恢复套管液面，它的流向为：产出液流道17——直通流道19——直通阀座21——旁通阀座9——旁通流道14——侧孔13——连通孔11——套管。

由于直通阀座21和旁通阀座9分别位于阀体10顶部的V形槽两侧，阀瓣22置于两阀座中间，液体从直通阀座21流向旁通阀座9时，必然会推动阀瓣22从直通阀座21一侧翻转到旁通阀座9一侧。又由于阀瓣22与V形槽底部为铰链，它一旦翻转到旁通阀座一侧就会因其重心位置的改变长期停留在该处。这样，在以后的抽油工况下，直通流道19就保持完全畅通的状态。

由于在旁通阀座9与阀瓣22的结合部有保持阀瓣与旁通阀座之间留有过流缝隙的限位块8或限位螺钉23等限位零件，旁通阀座与阀瓣之间始终有一条过流缝隙7，使油管与套管处于连通状态，可以恢复液面，反映压力。

在反洗井工况下，当地层压力低于油管液柱压力时，洗井液的流向为：套管——连通孔11——侧孔13——旁通流道14——旁通阀座9——直通阀座21——直通流道19。此时，若阀瓣22遮挡在旁通阀座9一侧，洗井液会推动阀瓣22翻转到直通阀座21一侧，关闭直通流道19，阻止洗井液进入地层；洗井液被迫改变方向，经抽油泵从上部油管返回地面。

实施例2如图6所示，展示了可以同时实现本发明两个目的的多功能地层保护阀的结构，它是在图3所示的多功能地层保护阀的基础上，在阀体10下部增加了连通产出液流道17与旁通流道14的单流阀和油嘴，并用限位弹簧25来控制阀瓣22与旁通阀座9之间的过流缝隙7。

阀体10中的单流阀可以采用现有技术中任何一种控制液流方向的单流阀，这里所示的是制作在阀体10上的最普通的球型单流阀。阀球28置于阀座螺钉27上，阀座螺钉27安装在阀体10下部的孔道29中，该孔道从阀体下部向上延伸，通过几个挡球过流孔30与通向旁通流道14的横孔31惯通，在横孔31的孔口处有螺纹与起限流作用的油嘴26相连，油嘴孔径的大小由油井相关参数确定，单流阀的流向只允许产出液16从产出液流道17流向旁通流道14。在反洗井工况下，单流阀是关闭的，不允许洗井液从旁通流道14经单流阀到产出液流道17。

限位弹簧25可以是板簧或钢丝弹簧，用螺钉或借用油嘴26的螺纹将其固定在旁通流道14的内壁上，其上端位于旁通阀座9上方，用来控制阀瓣22与旁通阀座9之间的过流缝隙7。当过流缝隙两侧的压差增大到某一设定值时时，液压力可以推动阀瓣22压迫限位弹簧25变形，关闭旁通阀座7，阻止液流通过。此时产出液16通过阀座螺钉27、阀球28、孔道29、挡球过流孔30、横孔31、和油嘴26有节制地流向旁通流道14，恢复液面。当油套力趋向平衡后，阀瓣22在限位弹簧25的推动下重新打开与旁通阀座9之间的过流缝隙7，恢复油套连通。

以上实施例1和2所示的多功能地层保护阀是不带封隔器或洗井皮碗的。这是因为洗井皮碗是单向密封的，耐压较底，在下井的过程中会与套管磨损，其密封效果远不如双向密封、耐压较高、在井下坐封的封隔器好；油井的井况又千差万别，有些井必须下封隔器封卡层位，有些井只需下光油管生产。为了使多功能地层保护阀有更多的灵活性，选择与封隔器还是洗井皮碗组合使用，实施例1和2所示的多功能地层保护阀是不带封隔器或洗井皮碗的。

实施例3如图7所示，是一种在实施例1和2所示的多功能地层保护阀的基础上，进一步在接头15上含有洗井皮碗32的多功能地层保护阀结构。洗井皮碗32由定位突缘33定位，用螺母34紧固在接头15的管径上。由于本实施例的多功能地层保护阀增加了洗井皮碗32，故不再需要与独立的封隔器或洗井皮碗配合使用。本实施例表明，将本发明与其他井下工具制成一体也在本发明实施方案之列。本发明中的壳体6和接头15可以是如图3和图6所示的与其他井下工具无关的独立零件，通过螺纹与其他井下工具连接组合后使用；也可以是如图7所示的与洗井皮碗32或封隔器等其他井下工具设计成一体的相关零件，直接设计成一体使用。

Claims (7)

1．一种用于保护油井地层的多功能地层保护阀，含有壳体[6]和接头[15]，壳体和接头通过螺纹连接，壳体侧壁上有连通壳体内外的连通孔[11]，壳体和接头的另外两端有与油管或井下工具连接的螺纹，其特征在于：在壳体内还含有阀体[10]和阀瓣[22]，通过接头[15]固定在壳体[6]内；阀体[10]顶部有一个V形槽，V形槽两侧的倾斜平面分别是直通阀座[21]和旁通阀座[9]；直通阀座[21]上的孔口与直通流道[19]连通，直通流道贯通直通阀座一侧的阀体[10]，与产出液流道[17]连通；旁通阀座[9]上的孔口与旁通流道[14]连通，旁通流道[14]在旁通阀座[9]一侧的阀体[10]内，旁通流道经过的阀体外壁上开有侧孔[13]，旁通流道[14]通过侧孔[13]与壳体[6]上的连通孔[11]对应连通；在V型槽中有与V形槽底部为铰链的，可以左右摆动，分别遮挡直通阀座[21]或旁通阀座[9]的阀瓣[22]；在旁通阀座[9]与阀瓣[22]的结合部，有保持阀瓣[22]与旁通阀座[9]之间留有过流缝隙[7]的限位零件。

2．如权利要求1所述的多功能地层保护阀，其特征在于：所述的阀体[10]为一阶梯形的圆柱体，阀体上段直径较小，阀体下段直径较大，与壳体[6]的阶梯形内孔相配合；阀体[10]顶部的V形槽横贯阀体上段和阀体下段的一部分；侧孔[13]开口在阀体下段上，在侧孔[13]所对应的阀体外表面上，可以有一个环形凹槽[12]；阀体[10]上还可以含有与壳体之间密封的密封圈[18]和[20]。

3．如权利要求1所述的多功能地层保护阀，其特征在于：所述的阀瓣[22]是一个半椭圆或近似半椭圆的板状零件，其直边两端有外伸的转轴[24]，该转轴在V形槽和环绕V形槽的壳体[6]的共同约束下形成铰链定位。

4．如权利要求1所述的多功能地层保护阀，其特征在于：所述的阀体[10]可以含有一个连通产出液流道[17]与旁通流道[14]的单流阀，单流阀的过流方向为，允许产出液[16]从产出液流道[17]流向旁通流道[14]，单流阀在旁通流道的出口处可以有一个油嘴[26]。

5．如权利要求1或权利要求4所述的多功能地层保护阀，其特征在于：所述的限位零件可以是限位块[8]、限位螺钉[23]或限位弹簧[25]。

6．如权利要求1或权利要求4所述的多功能地层保护阀，其特征在于：所述的壳体[6]或接头[15]可以是与其他井下工具无关的独立零件，也可以是与洗井皮碗[32]、封隔器或其他井下工具设计成一体的相关零件。

7．如权利要求1或权利要求4所述的多功能地层保护阀，其特征在于：所述的接头[15]上可以含有洗井皮碗[32]。

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