CN103821477B - 自平衡井下安全阀 - Google Patents

Abstract

本发明属于油气田开发领域，具体地，涉及一种自平衡井下安全阀。自平衡井下安全阀，采用柱形环空结构，包括：上接头、活塞套、弹簧套、连接接头、下接头、驱动管、中心管、弹簧、阀座结构；其特征在于：上接头、活塞套、弹簧套、连接接头、下接头依次固定连接形成中空的壳体，驱动管、中心管、弹簧、阀座结构设置在上接头、活塞套、弹簧套、连接接头、下接头所形成的壳体内，且驱动管与中心管固定连接，弹簧设在中心管上，弹簧的顶端、底端分别抵靠在驱动管的底部、连接头的顶部，连接接头的下端设有阀座结构。本发明能出色地完成正常工作状态下的油井开闭动作的同时，设计有较为可靠的后期补救功能，大大提高了井口安全系统的可靠性。

Description

自平衡井下安全阀

技术领域

本发明属于油气田开发领域，具体地，涉及一种自平衡井下安全阀。

背景技术

井下安全阀是井口安全系统的重要组成部分，其发展经历了约70年的时间。常见安全阀的工作原理如下：在正常工作时，地面的控制液作用在活塞杆上，活塞杆顶推驱动管和中心管、同时弹簧被压缩，阀板打开，保持地面控制液的压力供应，阀板常开，油井上下连通；当出现紧急情况需要关闭油井时，将地面的控制液卸荷，中心管、驱动管在弹簧力的作用下上行，中心管作用在阀板上的力消失，阀板在扭簧的作用下关闭油井。

目前，井下安全阀存在以下问题：当安全阀在一些超深井中使用时，控制管线或者密封圈易出现泄漏，造成油套空间内的高压油液进入活塞腔。则活塞上的作用力居高不下，即使将地面的控制液卸荷，中心管也无法在弹簧力的作用下上行，造成阀板无法关闭的情况；当井下安全阀开闭动作频繁或操作压力过高时，易造成密封圈的失效，这将带来井下安全阀本体泄漏的问题，安全阀因系统失压而关闭时，油井无法正常工作。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题，本发明提供一种自平衡井下安全阀，创新性地设计了阀板结构，增加了强行打开阀板时用到的永久锁定结构，以及在超深井环境中涉及到的自平衡结构，大大改善了井下安全阀的总体性能，将井下安全阀的下入深度提高到1000米。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种自平衡井下安全阀，采用柱形环空结构，包括：上接头、活塞套、弹簧套、连接接头、下接头、驱动管、中心管、弹簧、阀座结构；上接头、活塞套、弹簧套、连接接头、下接头依次固定连接形成中空的壳体，驱动管、中心管、弹簧、阀座结构设置在上接头、活塞套、弹簧套、连接接头、下接头所形成的壳体内，且驱动管与中心管固定连接，弹簧设在中心管上，弹簧的顶端、底端分别抵靠在驱动管的底部、连接接头的顶部，连接接头的下端设有阀座结构。

相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：与现有的井下安全阀相比，能出色地完成正常工作状态下的油井开闭动作的同时，设计有较为可靠的后期补救功能，在安全阀因密封圈密封失效或是控制管线泄漏而无法正常工作时，通过永久锁定装置和自平衡装置，完成安全阀的永久关闭或永久打开操作，并为安全阀的维修提供便利，大大提高了井口安全系统的可靠性。

附图说明

图1是自平衡井下安全阀打开状态示意图；

图2是自平衡井下安全阀关闭状态示意图；

图3是自平衡井下安全阀下入永久锁定井下工具后的示意图；

图4是自平衡井下安全阀自平衡动作后的示意图；

图5是阀板的轴测图；

图6是永久锁定井下工具；

图中：1、上接头，2、控制管线，3、第一固定销，4、锁定筒，5、锁簧，6、活塞套，7、第一密封圈，8、第二密封圈，9、活塞杆，10、驱动管，11、第三密封圈，12、剪切销钉，13、弹簧，14、弹簧套，15、中心管，16、第四密封圈，17、连接接头，18、第五密封圈，19、阀座结构，20、支撑筒，21、第二固定销，22、下接头，23、永久锁定井下工具，61、开孔，62、活塞腔，63、锁孔，121、销钉内孔，141、直角凸起，142、弹簧腔，191、阀座，192、第六密封圈，193、阀座插头，194、销钉，195、扭簧，196、阀板，1961、阀板上端面，1962、阀板侧面，231、耳板。

具体实施方式

如图1、图2、图3、图4所示，自平衡井下安全阀，采用柱形环空结构，包括：上接头1、活塞套6、弹簧套14、连接接头17、下接头22、驱动管10、中心管15、弹簧13、阀座结构19。

上接头1为圆柱壳体结构，下端带有外螺纹。

活塞套6为变截面圆柱壳体，上段外径小、下段外径大，上段、下段衔结位置形成一台阶面，下段的壳体壁内设有活塞腔62，在台阶面上设有与活塞腔62贯通的开孔61，控制管线2通过开孔61与活塞腔62连通；活塞腔62内设有活塞杆9；活塞杆9由活塞腔62的下端装入，活塞杆9顶端的外壁上带有三圈密封圈，活塞杆9的下端面与驱动管10的台阶面接触；由控制管线2流入活塞腔62的控制液作用于活塞杆9的上端面，作用力经活塞杆9传递给驱动管10。

活塞套6顶端内壁上设有内螺纹，活塞套6通过该内螺纹与上接头1的外螺纹配合；为增强密封效果，活塞套6下段底部一段外壁车去一定厚度，进行表面精加工后开设共两道的第一密封槽，第一密封槽内装入第一密封圈7，活塞套6下段车去一定厚度部分向上的位置处设有外螺纹。

活塞套6中间的空腔形成一径缩段，径缩段位于台阶面等高的位置；锁定筒4紧顶径缩段下部安装，锁定筒4通过第一固定销3固定在活塞套6中间的空腔内；活塞套6空腔的底部设有第二密封槽、锁孔63，锁孔63位于第二密封槽的上部，第二密封圈8在驱动管10与活塞套6之间形成密封。

弹簧套14为薄壁圆筒结构，弹簧套14的外径与活塞套6下段的外径相同，上端、下端均带有内螺纹，弹簧套14通过上端的内螺纹与活塞套6下端的外螺纹配合；弹簧套14的空腔内设置直角凸起141，活塞套6、弹簧套14组装后直角凸起141的顶面与活塞套6的底面接触；弹簧套14的中部开有剪切销钉安装孔，剪切销钉安装孔内设有剪切销钉12，剪切销钉12的中部开有一定深度的销钉内孔121。

正常工作时，油套空间(油管和套管之间的环形空间)和弹簧腔142被隔开；当油套空间中的高压油发生泄漏进入活塞腔62后，作用到驱动管10上的力增大，驱动管10继续下行，剪切销钉12被剪断后，中部的小孔可将油套空间与弹簧腔142贯通，如图4。

连接接头17为变截面圆柱壳体结构，上段外径大、下段外径小，上段、下段之间通过斜面过渡；上段外壁上部设有第一外螺纹、下部设有第二外螺纹，第一外螺纹与第二外螺纹之间的部分为光圆柱面，光圆柱面的外径与弹簧套14的外径相同；第一外螺纹与弹簧套14下部的内螺纹配合，第一外螺纹上侧开有第四密封槽，第四密封槽内装入第四密封圈16；第二外螺纹下侧开有第五密封槽，第五密封槽内装入第五密封圈18；下段外壁的下端设有第三外螺纹，连接接头17内部空腔的上部小、底部大，形成一台阶面。

下接头22为变截面圆柱壳体结构，下接头22外部分为上段、中段、下段三部分，上段和中段为圆柱面，下段为圆锥面；上段外径大、中段外径小，上段、中段之间通过45°的锥面过渡；中段的外径比下段外径大，中段、下段之间通过45°的锥面过渡；上段的外径与弹簧套14的外径相同；下接头22上部带有内螺纹，下接头22的内螺纹与连接接头17的第二外螺纹配合；下接头下段的锥面上带有外螺纹。

下接头22的内部空腔自上而下分为上段、中段、下段三部分，上段、中段之间直角过渡，形成台阶面；中段、下段之间直角过渡，形成台阶面；中段空腔内沿圆周方向等间距设有六个销孔，内部空腔的上段内径与弹簧套14的内径相同；内部空腔的中段安装有支撑筒20；支撑筒20为圆柱壳体结构，支撑筒20的外径与下接头22中段空腔的内径相同，支撑筒20内孔直径上段大、下段小，上下两段之间通过直角过渡，衔结位置形成一台阶面，支撑筒20上段沿圆周方向等间距设有共六个的第二固定销21，支撑筒20通过第二固定销21与下接头22的销孔固定，支撑筒20的底端与下接头22的中段空腔、下段空腔之间的台阶面相距一定距离。

锁定筒4为圆柱壳体结构，锁定筒4的外径与活塞套6空腔的下部内径相同，锁定筒4的内孔直径上段大、下段小，上段、下段孔壁之间通过45°的锥面过渡；锁定筒4外壁的底部开有锁簧孔，锁簧孔内装有锁簧5，锁簧5由弹簧和弹子组成；组装时，先下入弹簧，再下入弹子，安装锁定筒4之前先使用外力压缩锁簧5，使得弹子完全进入锁簧孔。

驱动管10为变截面圆柱壳体结构，上段外径小、中段外径大，下段外径小于中段外径、大于上段外径，上段与中段之间形成一台阶面，中段与下段之间通过45°的锥面过渡；驱动管10上段外径与活塞套6下部空腔的内径相同；驱动管10的中段外径与弹簧套14的内径相同，驱动管10中段上设有共两道的第三密封槽，第三密封槽内装入第三密封圈11，第三密封圈11在弹簧套14与驱动管10之间形成密封；驱动管10的下端带有内螺纹；驱动管10安装后上段伸入活塞套6下部的空腔，中段外壁与弹簧套14的内壁接触，台阶面与活塞杆9的底部接触。

中心管15为圆柱壳体结构，外径稍小于连接接头17的内径，中心管15从连接接头17的内部空腔穿过，顶端带有外螺纹，中心管15通过顶端的外螺纹与驱动管10的内螺纹配合。

弹簧13安装在弹簧套14内，套设在中心管15上，弹簧13顶端与驱动管10的下端面接触，弹簧13底端与连接接头17的上端面接触。

阀座结构19，包括：阀座191、阀座插头193和阀板196；阀座191为圆柱壳体结构，阀座191外径小于弹簧套14的内径、大于连接接头17下段的外径，阀座191的内径上段大、下段小，上段、下段之间形成台阶面；阀座191的上段带有内螺纹，与连接接头17的第三外螺纹配合；下段空腔中间位置设有一台阶面。

阀座插头193为薄壁圆筒结构，下端面为球面，安装后阀座插头193的上端面与连接接头17空腔内的台阶面接触，下端面的边缘线抵在阀座191下段的台阶面上，阀座191与连接接头17连接的同时将阀座插头193固定；阀座插头193的外壁设有第六密封槽，第六密封槽内设有第六密封圈192，第六密封圈192在连接接头17与阀座插头193之间形成密封。

阀座191下部切去边角后焊接有两块耳板，耳板内装有销钉194，销钉194穿过阀板196的销孔把阀板铰接在阀座上，穿入销钉194的扭簧195将阀板196压紧。

阀板196设计为曲面阀板，球面密封，上端面1961采用与中心管15相切的曲面结构，减少阀板196重量的同时增加了与中心管15的接触面积，减小了撞击的影响；阀板196的侧面1962为球面，密封接合面较大，而且在阀板旋转过程中，球面和球面之间始终能够很好的闭合，密封效果大大改善；阀板196远离铰链的一端切去不必要的部分，有效地减轻了阀板196的重量，进一步减小了中心管15的冲击对阀板196的影响。

如图1，阀板196打开时，上端面1961与中心管15的外壁接触，如图2，阀板196关闭时，阀板的侧面1962与阀座插头193的下端面接触。

永久锁定井下工具23为一变截面轴类零件，下部的外侧对称设有两处耳板231。

上述的自平衡井下安全阀操作方法如下：

(1)、安全阀连同油管下入到井下，开始工作之前，安全阀的阀板处于关闭状态；

正常工作时，地面的控制液经控制管线进入活塞套内的活塞腔，向活塞杆施加向下的压力，活塞杆推动驱动管，驱动管带动中心管下行，同时压缩弹簧，一部分驱动力转化为弹簧力储存起来，中心管顶开阀板，使得油管内部上下连通，实现打开操作，打开后的安全阀如图1，完全打开时，中心管下端抵靠在支撑筒20内孔的台阶面上，阀板的上端面紧靠中心管外壁；在驱动管下行的过程中，中段与下段之间的过渡面始终处于剪切销钉之上。

(2)、当出现紧急情况或者维修需要关井时，首先将控制管线内的控制液卸荷，这样作用在活塞杆上的压力消失，在弹簧力的作用下，驱动管带动中心管上行，阀板在扭簧的作用下闭合，阀板上端面与阀座插头下端面球面密封，从而截断中心管内部的油液，实现对油井的关闭，关闭后的安全阀如图2。

(3)、永久锁定井下工具，永久打开井下安全阀：当安全阀因系统失压而关闭时，为保持油井的正常流通，需下入永久锁定井下工具将安全阀强行打开，下入永久锁定井下工具后，向其施压，井下工具向锁定筒传递压力，第一固定销被剪断，锁定筒下行推动驱动管，驱动管带动中心管下行打开阀板，同时可控制锁定套筒上锁簧的位置，使其弹入锁孔完成永久锁定；完全打开时，中心管下端抵靠在支撑筒内孔的台阶面上，阀板的上端面紧靠中心管外壁。

(4)、自平衡动作：当控制管线出现泄漏或密封损坏时，油套空间的高压油进入活塞腔，易造成无法关闭阀板的情况，此装置在这种情况发生时，开始自平衡动作。进入活塞腔的高压油推动活塞杆、驱动管下行，驱动管下行的过程中剪断剪切销钉，进而剪切销钉中部的小孔连通油套空间和弹簧腔，高压油进入弹簧腔，作用到驱动管底面上，由于在设计中，使得高压油向上的作用面比向下的作用面大，再加上弹簧力的作用，中心管、驱动管上行，阀板在扭簧的作用下关断油井。

剪切销钉被剪断的过程中第二固定销也被剪断，中心管推动支撑筒下行，支撑筒若继续下行，最后将落在下接头内部空腔的自上而下第二个台阶面上，此位置是中心管下行的极限位置。

(5)、外力作用下的自平衡：当控制管线泄漏后的油压不足以剪断剪切销钉时，可下入井下工具，旋转锁定筒不让锁簧进入锁孔，向井下工具施加压力，强行剪断第一固定销及剪切销钉，同样能完成自平衡动作。

Claims (9)

1.一种自平衡井下安全阀，采用柱形环空结构，包括：上接头、活塞套、弹簧套、连接接头、下接头、驱动管、中心管、弹簧、阀座结构；其特征在于：上接头、活塞套、弹簧套、连接接头、下接头依次固定连接形成中空的壳体，弹簧套为薄壁圆筒结构，弹簧套的中部开有剪切销钉安装孔，剪切销钉安装孔内设有剪切销钉，剪切销钉的中部开有一定深度的销钉内孔，驱动管、中心管、弹簧、阀座结构设置在上接头、活塞套、弹簧套、连接接头、下接头所形成的壳体内，且驱动管与中心管固定连接，弹簧设在中心管上，弹簧的顶端、底端分别抵靠在驱动管的底部、连接接头的顶部，连接接头的下端设有阀座结构。

2.根据权利要求1所述的自平衡井下安全阀，其特征在于，活塞套为变截面圆柱壳体，上段外径小、下段外径大，上段、下段衔结位置形成一台阶面，下段的壳体壁内设有活塞腔，在台阶面设有与活塞腔贯通的开孔，控制管线通过开孔与活塞腔连通；活塞腔内设有活塞杆；活塞套中间的空腔形成一径缩段，径缩段位于台阶面等高的位置；活塞套中间的空腔内装有锁定筒，锁定筒紧顶径缩段下部安装，锁定筒通过第一固定销固定在活塞套中间的空腔内；活塞套空腔的底部设有第二密封槽、锁孔，锁孔位于第二密封槽的上部，第二密封圈在驱动管与活塞套之间形成密封。

3.根据权利要求2所述的自平衡井下安全阀，其特征在于，锁定筒为圆柱壳体结构，锁定筒的外径与活塞套空腔的下部内径相同，锁定筒的内孔直径上段大、下段小，上段、下段孔壁之间通过45°的锥面过渡；锁定筒外壁的底部开有锁簧孔，锁簧孔内装有锁簧，锁簧由弹簧和弹子组成。

4.根据权利要求3所述的自平衡井下安全阀，其特征在于，下接头为变截面圆柱壳体结构，内部空腔的中段安装有支撑筒。

5.根据权利要求4所述的自平衡井下安全阀，其特征在于，驱动管为变截面圆柱壳体结构，上段外径小、中段外径大，下段外径小于中段外径、大于上段外径，上段与中段之间形成一台阶面，中段与下段之间通过45°的锥面过渡；驱动管上段外径与活塞套下部空腔的内径相同；驱动管的中段外径与弹簧套的内径相同。

6.根据权利要求5所述的自平衡井下安全阀，其特征在于，中心管为圆柱壳体结构，外径稍小于连接接头的内径，中心管从连接接头的内部空腔穿过；弹簧安装在弹簧套内，套在中心管上，弹簧顶端与驱动管的下端面接触，弹簧底端与连接接头的上端面接触。

7.根据权利要求6所述的自平衡井下安全阀，其特征在于，阀座结构，包括：阀座、阀座插头和阀板；阀座为圆柱壳体结构，阀座外径小于弹簧套的内径、大于连接接头下段的外径，阀座的内径上段大、下段小，上段、下段之间形成台阶面；阀座的上段带有内螺纹，与连接接头的第三外螺纹配合；下段空腔中间位置设有一台阶面；阀座插头为薄壁圆筒结构，下端面为球面，安装后阀座插头的上端面与连接接头空腔内的台阶面接触，下端面的边缘线抵在阀座下段的台阶面上，阀座与连接接头连接的同时将阀座插头固定；阀座插头的外壁设有第六密封槽，第六密封槽内设有第六密封圈，第六密封圈在连接接头与阀座插头之间形成密封；阀座下部切去边角后焊接有两块耳板，耳板内装有销钉，销钉穿过阀板的销孔把阀板铰接在阀座上，穿入销钉的扭簧将阀板压紧；阀板设计为曲面阀板，球面密封，上端面采用与中心管相切的曲面结构；阀板的侧面为球面。

8.根据权利要求7所述的自平衡井下安全阀，其特征在于，上接头为圆柱壳体结构，下端带有外螺纹；活塞杆顶端的外壁上带有三圈密封圈，活塞杆的下端面与驱动管的台阶面接触；活塞套顶端内壁上设有内螺纹，活塞套通过该内螺纹与上接头的外螺纹配合；活塞套下段底部一段外壁车去一定厚度，进行表面精加工后开设两道第一密封槽，第一密封槽内装入第一密封圈，活塞套下段车去一定厚度部分向上的位置处设有外螺纹；弹簧套的外径与活塞套下段的外径相同，上端、下端均带有内螺纹，弹簧套通过上端的内螺纹与活塞套下端的外螺纹配合；弹簧套的空腔内设置直角凸起，活塞套、弹簧套组装后直角凸起的顶面与活塞套的底面接触；连接接头为变截面圆柱壳体结构，上段外径大、下段外径小，上段、下段之间通过斜面过渡；上段外壁上部设有第一外螺纹、下部设有第二外螺纹，第一外螺纹与第二外螺纹之间的部分为光圆柱面，光圆柱面的外径与弹簧腔的外径相同；第一外螺纹与弹簧套下部的内螺纹配合，第一外螺纹上侧开有第四密封槽，第四密封槽内装入第四密封圈；第二外螺纹下侧开有第五密封槽，第五密封槽内装入第五密封圈；下段外壁的下端设有第三外螺纹，连接接头内部空腔的上部小、底部大，形成一台阶面；下接头外部分为上段、中段、下段三部分，上段和中段为圆柱面，下段为圆锥面；上段外径大、中段外径小，上段、中段之间通过45°的锥面过渡；中段的外径比下段外径大，中段、下段之间通过45°的锥面过渡；上段的外径与弹簧套的外径相同；下接头上部带有内螺纹，下接头的内螺纹与连接接头的第二螺纹配合；下接头下段的锥面上带有外螺纹；下接头的内部空腔自上而下分为上段、中段、下段三部分，上段、中段之间直角过渡，形成台阶面；中段、下段之间直角过渡，形成台阶面；中段空腔内沿圆周方向等间距设有六个销孔，内部空腔的上段内径与弹簧套的内径相同；内部空腔的中段安装有支撑筒；支撑筒为圆柱壳体结构，支撑筒的外径与下接头中段空腔的内径相同，支撑筒内孔直径上段大、下段小，上下两段之间通过直角过渡，衔结位置形成一台阶面，支撑筒上段沿圆周方向等间距分布共六个的第二固定销，支撑筒通过第二固定销与下接头的销孔固定，支撑筒的底端与下接头的中段空腔、下段空腔之间的台阶面相距一定距离。

9.根据权利要求8所述的自平衡井下安全阀，其特征在于，驱动管中段上设有共两道的第三密封槽，第三密封槽内装入第三密封圈，第三密封圈在弹簧套与驱动管之间形成密封；驱动管的下端带有内螺纹；驱动管安装后上段伸入活塞套下部的空腔，中段外壁与弹簧套的内壁接触，台阶面与活塞杆的底部接触；中心管为圆柱壳体结构，外径稍小于连接接头的内径，中心管从连接接头的内部空腔穿过，顶端带有外螺纹，中心管通过顶端的外螺纹与驱动管的内螺纹配合。