一種井下安全閥的製作方法

2023-04-25 15:10:06 1

專利名稱：一種井下安全閥的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種安全閥。特別是涉及一種用於超高溫環境或其它極端井況的油氣井井控的一種井下安全閥。
背景技術：
在石油開採業中，進行井下作業時經常出現由於開採設備發生故障等原因造成烴類流體流速加大卻又無法控制，這時就必須及時關閉通道，確保作業安全，避免發生更大的事故。實際生產中，必須要有一種裝置(井下安全閥)來關閉流體通道，實現阻斷功能。井下安全閥是一種防止井噴、保證生產安全的井下設備。當出現緊急情況時通過從閥體連接到地面的控制管線卸壓關閉閥板實現油氣井的關閉，需要開啟時可以通過管線加液壓打開閥板進行開採。世界各國越來越重視環境保護和安全生產，很多國家對油氣井的安全生產都有詳細的法律法規，強調位於人口稠密地區、重要經濟區、海洋和內陸水域可能發生自噴或外溢的油氣井都安裝井下安全閥。目前，國內海上有自噴能力的油氣井都安裝有井下安全閥，陸上油田也越來越多地在油氣井中使用井下安全閥。「系統調研了國外最知名的幾家大公司的井下安全閥技術，哈裡伯頓的耐壓最為突出，高壓137. 9MPa，貝殼休斯的產品耐溫最高，達到177°C」——載錄於《石油機械》2008 年第36卷第7期由江漢油田分公司採油工藝研究院的一篇調查報告「國外井下安全閥的技術現狀」。高溫下對設備的密封性影響極大，特別是對密封件的老化加快導緻密封失效，控制井下安全閥開關的活塞就會失效，井下安全閥就不能正常工作，目前世界上最好的耐溫橡膠是美國派克公司生產的全氟橡膠可以在316°C下工作短期時間，也無法滿足數年的井下安全閥工作壽命。此外可靠性、活塞防沙塵、用於深海的超深安裝和活塞、本體的氣密封也是井下安全閥的重要技術指標，世界各大公司也針對這些技術指標進行不斷的研究，以提高產品性能。稠油是一種密度和粘度極高的石油，我國的儲量豐富。目前針對稠油開採使用的最好方法是注射高溫蒸汽，降低稠油粘度實現自噴或人工舉升。這種開採形式要求生產管柱必須承受350°C高溫，目前採用此工藝生產的井由於沒有合適的設備均沒有使用井下安全閥，因為這種極端環境對井下安全閥的密封性要求極高。本發明主要針對高溫密封問題， 發明一種用於350°C高溫的井下安全閥。井下安全閥目前需要解決以下技術問題1)目前世界上的井下安全閥要麼採用活塞式結構，要麼採用滑動心軸結構推動閥板的開啟和關閉，這兩種結構都必須有密封件密封，這就會帶來以下缺點a)無法承受高溫；b)井下的沙塵一旦進入密封面可能導致卡死；c)反覆的開啟關閉可能導緻密封件損壞，因此使用次數有限。2)傳統的井下安全閥由於彈簧的彈力有限，加上活塞或滑動心軸由於杆件的穩定性原因截面面積不能太小，導致開啟、關閉壓力不能太高，因此很難滿足超深安裝。
3)傳統的井下安全閥連接的控制管線是通過卡套連接到管線後用NPT螺紋纏繞膠帶擰入進壓孔的。這種結構不能擺脫對膠帶的依賴，溫度會使密封失效。4)井下安全閥的本體在高溫下的靜密封問題。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是，提供一種能夠在超高溫蒸汽熱採、高氣密性要求、 超深安裝、高出沙環境和高腐蝕井況的極端環境下使用的一種井下安全閥。本發明所採用的技術方案是一種井下安全閥，包括有由依次連接的頂部接頭、閥體、外筒和尾部接頭構成的本體，所述的本體內設置有中心管，所述的頂部接頭的上端和尾部接頭的下端分別連接外部油管，所述的外筒與中心管之間的間隙內設置有波紋管組件， 所述的波紋管組件的底端與固定在中心管外周壁上的定位環相連接，所述的外筒下埠的內壁上形成有凸臺，所述的中心管在位於定位環下側與凸臺之間的外周上套有壓簧，所述的外筒的底端連接有板閥組件，所述的頂部接頭上設置有控制管線，所述的控制管線通過控制管線連接組件嵌入在頂部接頭上，並與形成在閥體壁內的液壓油路連通，所述的閥體壁內的液壓油路的底埠連接波紋管組件的頂端。所述的閥體壁內的液壓油路的底埠與波紋管組件的頂端採用螺紋連接並通過金屬密封墊密封。所述的中心管的外周上還套有擋圈，所述的擋圈位於壓簧的下方，被支撐在凸臺的上面。所述的定位環的下端通過銷釘定位到中心管外圓的小凸臺上，定位環的上端通過彈性卡圈限位。所述的波紋管組件包括有用於與液壓油路的底埠螺紋連接的上接頭，焊接在上接頭下端的封頭，與封頭通過鋼絲穿入連接的外筒，所述的封頭的外側還通過螺紋連接有頂塞，所述的頂塞底端與所述的外筒頂端接觸連接，還設置有位於外筒內部中心軸處的伸縮接頭，以及設置在外筒內部的波紋管，所述波紋管的上端焊接在封頭上，所述波紋管的下端焊接在所述伸縮接頭上，在外筒的外部底端還設置有通過連接杆與所述的伸縮接頭相連接的傳動組件，所述的傳動組件連接所述的定位環。所述的傳動組件是由多個短板和長板通過轉動銷軸連接構成的可伸縮結構。所述的板閥組件包括有固定連接在外筒下埠內側的閥座，通過軸和套在軸上的扭簧連接在閥座下埠的閥板。所述的控制管線連接組件包括有通過螺扣連接在頂部接頭內的堵頭，所述的堵頭底端還依次設置有頂絲帽和鎖緊環，所述的控制管線依次貫穿堵頭、頂絲帽和鎖緊環與形成在閥體壁內的液壓油路連通。所述的頂部接頭與閥體之間、閥體與外筒之間、以及外筒與尾部接頭之間的連接為螺紋連接，所述螺紋連接的內螺紋和外螺紋採用帶單面斜度的鋸齒螺紋連接，所述螺紋連接部分的前端和後端各設有一道金屬密封面，具有內螺紋的部件和具有外螺紋的部件通過金屬密封面的過盈配合實現內外密封。所述的用於提供液壓動力推動中心管的波紋管組件設置有1 5個，所述的用於液壓傳動的傳動組件還可設置有2-10級。
本發明的一種井下安全閥，不使用任何橡膠或高分子材料密封件解決高溫下的動 密封和靜密封問題，改變傳統的活塞式結構或滑動心軸結構採用新的傳動結構調節閥板的 開啟和關閉壓力，改變動密封結構提高產品的使用次數和壽命，改變控制管線的連接方式 使之不使用膠帶且更可靠。能夠在超高溫蒸汽熱採、高氣密性要求、超深安裝、高出沙環境 和高腐蝕井況的極端環境下使用。


圖1是本發明高溫井下安全閥的結構示意圖；圖2是本發明波紋管組件示意圖；圖3是本發明控制管線硬密封示意圖；圖4是本發明本體間連接部分的結構示意圖；圖5是本發明本體的螺紋連接結構示意圖。其中1 頂部接頭2 控制管線連接組件3:閥體4:金屬密封環5 波紋管組件6 外筒7 定位環8 壓簧9:中心管10:擋圈11 板閥組件12 尾部接頭13 油管14 控制管線15 扭簧16 液壓油路17:閥座18 軸19:閥板20:凸臺21:內螺紋22:外螺紋23:金屬密封面
具體實施例方式下面結合實施例和附圖對本發明的一種井下安全閥做出詳細說明。如圖1所示，本發明的一種井下安全閥，包括有由依次連接的頂部接頭1、閥體3、 外筒6和尾部接頭12構成的本體，本體的材料是由適合井況的相應金屬加工而成，本體是 連接油管和其它動作件的殼體。所述的本體內設置有中心管9，所述的頂部接頭1的上端和尾部接頭12的下端分 別連接外部油管13，所述的外筒6與中心管9之間的間隙內設置有波紋管組件5，所述的波 紋管組件5的底端與固定在中心管9外周壁上的定位環7相連接，所述的定位環7的下端通 過銷釘定位到中心管9外圓的小凸臺上，定位環7的上端通過彈性卡圈限位。所述的外筒 6下埠的內壁上形成有凸臺20，所述的中心管9在位於定位環7下側與凸臺20之間的外 周上套有壓簧8，所述的中心管9的外周上還套有擋圈10，所述的擋圈10位於壓簧8的下 方，被支撐在凸臺20的上面。所述的外筒6的底端連接有板閥組件11，所述的頂部接頭1 上設置有控制管線14，所述的控制管線14通過控制管線連接組件2嵌入在頂部接頭1上，並與形成在閥體3壁內的液壓油路16連通，所述該形成在閥體3壁內的液壓油路16的底埠連接波紋管組件5的頂端。所述的形成在閥體3壁內的液壓油路16的底埠與波紋管組件5的頂端採用螺紋連接並通過金屬密封墊4密封。所述的板閥組件11包括有固定連接在外筒6下埠內側的閥座17，通過軸18和套在軸18上的扭簧15連接在閥座17下埠的閥板19。由閥座17、閥板19、軸18和扭簧 15組成的板閥組件11，再加上中心管9，提供了流體的通過和關閉。如圖2所示，所述的波紋管組件5包括有用於與液壓油路16的底埠螺紋連接的上接頭5-1，焊接在上接頭5-1下端的封頭5-7，與封頭5-7通過鋼絲5_3穿入連接的外筒 5-4，所述的封頭5-7的外側還螺紋連接有頂塞5-2，所述的頂塞5-2底端與所述的外筒5_4 頂端接觸連接，還設置位於外筒5-4內部中心軸處的伸縮接頭5-6，以及設置在外筒5-4內部的波紋管5-5，所述波紋管5-5的上端焊接在所述封頭5-7上，所述波紋管5-5的下端焊接在所述伸縮接頭5-6上，在外筒5-4的外部底端還設置有通過連接杆5-8與所述的伸縮接頭5-6相連接的傳動組件5-9，所述的傳動組件5-9連接所述的定位環7。所述的傳動組件5-9是由多個短板5-91和長板5_92通過轉動銷軸5_93連接構成的可伸縮結構。所述的波紋管5-5，是本發明在高溫動密封設計中的核心部件，是採用抗腐蝕和耐溫金屬材料製造，具備密封、伸縮和彈性功能，用於代替井下安全閥的活塞提供中心管移動動力源。因此，具有高溫下穩定的動密封、抗腐蝕和抗疲勞的性能，滿足350°C高溫使用要求，通過焊接連接於封頭5-7和伸縮接頭5-6之間，通過液壓加內壓的形式實現移動，為中心管提供動力實現開啟。所述的用於提供液壓動力推動中心管9的波紋管組件5設置有1 5個，所述的用於液壓傳動的傳動組件5-9還可設置有2-10級。所述的波紋管組件5和傳動組件5-9 有多種組合，無論採用哪種組合均屬於該專利保護範圍內。如圖3所示，所述的控制管線連接組件2包括有通過螺扣連接在頂部接頭1內的堵頭2-1，所述的堵頭2-1底端還依次設置有頂絲帽2-3和鎖緊環2-3，所述的控制管線14 依次貫穿堵頭2-1、頂絲帽2-3和鎖緊環2-3與形成在閥體3壁內的液壓油路16連通。鎖緊環2-3為鍍鉻的不鏽鋼零件，表面硬度可以達到HRC60可以保證擠如控制管線。安裝時通過堵頭2-1旋緊頂絲帽，頂絲帽壓緊鎖緊環2-3，鎖緊環2-3有錐度會收緊，消除與控制管線的間隙，實現硬密封。不用錐管NPT螺紋連接，實現高溫密封。採用直連硬密封結構通過鎖扣鎖死控制管線實現井下安全閥和控制管線的可靠連接、密封，鎖扣經過鍍鉻處理方便鎖緊控制管線。沒有使用任何橡膠材料，保證高溫密封性能。液壓油通過控制管線進入閥體腔室，通過進壓孔作用于波紋管，在液壓作用下使金屬波紋管伸長，推動傳動組件，再通過傳動組件推動中心管克服彈簧阻力向向尾部接頭方向運動，頂開閥板實現上、下油管導通。當需要關閉時，地面控制管線瀉壓，彈簧壓回波紋管和中心管，閥板在彈簧的作用下關閉，實現井控。如圖4、圖5所示，所述的頂部接頭1與閥體3之間、閥體3與外筒6之間、以及外筒6與尾部接頭12之間的連接為螺紋連接，所述螺紋連接的內螺紋21和外螺紋22採用帶單面斜度的鋸齒螺紋連接，所述螺紋連接部分的前端和後端各設有一道金屬密封面23，具有內螺紋21的部件和具有外螺紋22的部件通過金屬密封面23的過盈配合實現內外密封。 即，內外螺紋連接後靠前部和後部各一處小錐度密封面，靠螺紋機緊後提供硬密封，前部密封面主要承受內壓高壓氣密封，後部密封面提供輔助內壓氣密封同時提供外壓氣密封，徹底阻斷洩漏，螺紋牙型為前面帶錐度的鋸齒螺紋提供足夠的拉力強度，前部錐度方便旋入。由於本體是連接油管和其它動作件的殼體，因為要承受高溫350 °C、高壓 5000-10000PSI和數十噸的油管重量，因此對密封和螺紋的強度要求很高。因此，所述的頂部接頭ι與閥體3之間、閥體3與外筒6之間、以及外筒6與尾部接頭12之間的連接螺紋採用前後小錐面硬密封設計，充足的預緊力使內外錐面貼合當加工精度足夠在不使用任何密封件的情況下滿足高溫和氣密封要求，螺紋為29度斜度的鋸齒螺紋，牙高為1mm。沒有使用任何橡膠材料，保證高溫密封性能。本發明的一種井下安全閥，上下螺紋連接油管並安裝一根連續的控制管線下入井中，控制管線加壓推動波紋管伸出經過傳遞組件推動中心管下移，壓縮壓簧打開閥板，當需要關閉時，控制管線卸壓，彈簧推動中心管和波紋管後移，關閉閥板如圖2所示。核心動密封部件採用波紋管結構提供可靠的動密封，由於是金屬密封其工作溫度可以達到400°C，可以解決350°C的高溫問題。波紋管為封閉腔體不可能有沙塵進入，外部的小顆粒對它沒有影響。波紋管的往復運動疲勞次數按照國家標準可以達到20萬次，因此大大提高了開關的使用次數。由于波紋管為封閉金屬可以保證在不破壞的情況下永不滲漏，因此安全性極高。由于波紋管的行程有限，設計有多級傳動組件，使行程成正比放大滿足中心管位移行程，同時推力成反比減小解決彈簧抗力不足的問題實現超深安裝如圖2所
7J\ ο採用直連硬密封結構，通過鎖扣鎖死控制管線，實現井下安全閥和控制管線的可靠連接，鎖扣經過鍍鉻處理方便鎖緊控制管線如圖3所示。高溫井下安全閥本體連接螺紋採用特殊的前後小錐面硬密封設計，充足的預緊力使內外錐面貼合當加工精度足夠在不使用任何密封件的情況下滿足高溫和氣密封要求，螺紋為特殊的29度斜度的鋸齒螺紋，方便上扣和有效防止退扣，牙高只有Imm滿足薄壁連接強度，如圖4所示。
權利要求
1.一種井下安全閥，其特徵在於，包括有由依次連接的頂部接頭(1)、閥體(3)、外筒 (6)和尾部接頭(12)構成的本體，所述的本體內設置有中心管(9)，所述的頂部接頭(1)的上端和尾部接頭(12)的下端分別連接外部油管(13)，所述的外筒(6)與中心管(9)之間的間隙內設置有波紋管組件(5)，所述的波紋管組件(5)的底端與固定在中心管(9)外周壁上的定位環(7)相連接，所述的外筒(6)下埠的內壁上形成有凸臺(20)，所述的中心管(9)在位於定位環(7)下側與凸臺(20)之間的外周上套有壓簧(8)，所述的外筒(6)的底端連接有板閥組件(11)，所述的頂部接頭(1)上設置有控制管線(14)，所述的控制管線 (14)通過控制管線連接組件(2)嵌入在頂部接頭(1)上，並與形成在閥體(3)壁內的液壓油路(16)連通，所述的閥體(3)壁內的液壓油路(16)的底埠連接波紋管組件(5)的頂端。
2.根據權利要求1所述的一種井下安全閥，其特徵在於，所述的在閥體(3)壁內的液壓油路(16)的底埠與波紋管組件(5)的頂端採用螺紋連接並通過金屬密封墊(4)密封。
3.根據權利要求1所述的一種井下安全閥，其特徵在於，所述的中心管(9)的外周上還套有擋圈(10)，所述的擋圈(10)位於壓簧(8)的下方，被支撐在凸臺(20)的上面。
4.根據權利要求1所述的一種井下安全閥，其特徵在於，所述的定位環(7)的下端通過銷釘定位到中心管(9)外圓的小凸臺上，定位環(7)的上端通過彈性卡圈限位。
5.根據權利要求1所述的一種井下安全閥，其特徵在於，所述的波紋管組件(5)包括有用於與液壓油路(16)的底埠螺紋連接的上接頭(5-1)，焊接在上接頭(5-1)下端的封頭(5-7)，與封頭(5-7)通過鋼絲(5-3)穿入連接的外筒(5-4)，所述的封頭(5-7)的外側還通過螺紋連接有頂塞(5-2)，所述的頂塞(5-2)底端與所述的外筒(5-4)頂端接觸連接， 還設置有位於外筒(5-4)內部中心軸處的伸縮接頭(5-6)，以及設置在外筒(5-4)內部的波紋管(5-5)，所述波紋管(5-5)的上端焊接在封頭(5-7)上，所述波紋管(5-5)的下端焊接在所述伸縮接頭(5-6)上，在外筒(5-4)的外部底端還設置有通過連接杆(5-8)與所述的伸縮接頭(5-6)相連接的傳動組件(5-9)，所述的傳動組件(5-9)連接所述的定位環(7)。
6.根據權利要求5所述的一種井下安全閥，其特徵在於，所述的傳動組件(5-9)是由多個短板(5-91)和長板(5-92)通過轉動銷軸(5-93)連接構成的可伸縮結構。
7.根據權利要求1所述的一種井下安全閥，其特徵在於，所述的板閥組件(11)包括有固定連接在外筒(6)下埠內側的閥座(17)，通過軸(18)和套在軸(18)上的扭簧(15)連接在閥座(17)下埠的閥板(19)。
8.根據權利要求1所述的一種井下安全閥，其特徵在於，所述的控制管線連接組件(2) 包括有通過螺扣連接在頂部接頭(1)內的堵頭(2-1)，所述的堵頭(2-1)底端還依次設置有頂絲帽(2-3)和鎖緊環(2-3)，所述的控制管線(14)依次貫穿堵頭(2-1)、頂絲帽(2-3)和鎖緊環(2-3)與形成在閥體(3)壁內的液壓油路(16)連通。
9.根據權利要求1所述的一種井下安全閥，其特徵在於，所述的頂部接頭(1)與閥體 ⑶之間、閥體⑶與外筒(6)之間、以及外筒(6)與尾部接頭(12)之間的連接為螺紋連接，所述螺紋連接的內螺紋(21)和外螺紋(22)採用帶單面斜度的鋸齒螺紋連接，所述螺紋連接部分的前端和後端各設有一道金屬密封面(23)，具有內螺紋(21)的部件和具有外螺紋(22)的部件通過金屬密封面(23)的過盈配合實現內外密封。
10.根據權利要求5所述的一種井下安全閥，其特徵在於，所述的用於提供液壓動力推動中心管(9)的波紋管組件(5)設置有1 5個，所述的用於液壓傳動的傳動組件(5-9) 還可設置有2-10級。
全文摘要
一種井下安全閥，由依次連接的頂部接頭、閥體、外筒和尾部接頭構成的本體內設置有中心管，頂部接頭的上端和尾部接頭的下端分別連接外部油管，外筒與中心管之間的間隙內設置有波紋管組件，波紋管組件的底端與固定在中心管外周壁上的定位環相連接，外筒下埠的內壁上形成有凸臺，中心管在位於定位環下側與凸臺之間的外周上套有壓簧，外筒的底端連接有板閥組件，頂部接頭上設置有控制管線，控制管線通過控制管線連接組件嵌入在頂部接頭上，並與形成在閥體壁內的液壓油路連通，閥體壁內的液壓油路的底埠連接波紋管組件的頂端。本發明能夠在超高溫蒸汽熱採、高氣密性要求、超深安裝、高出沙環境和高腐蝕井況的極端環境下使用。
文檔編號E21B34/06GK102409998SQ201110336249
公開日2012年4月11日 申請日期2011年10月28日 優先權日2011年10月28日
發明者劉志龍, 趙中奇, 陳舟聖 申請人:中國海洋石油總公司, 中海油能源發展股份有限公司, 湖南唯科拓石油科技服務有限公司