專利名稱：壓力換位環壓控制球形測試開關閥的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于石油勘探試油測試井下測試器領域。
技術背景目前使用的環壓控制測試閥的關鍵部件是計量套，它主要是利用計量套的延時功能來完成測試閥的開啟、關閉操作。其特點是壓力平衡原理以及整機和計量套結構復雜，加工困難，制造成本高；測試閥軸向尺寸較長，操作不方便，保養要求高；測試操作控制壓力隨井深、井溫、井下壓力等因素的變化而改變；測試閥測試下井速度受限制，測試設計復雜；以及開井時需大型壓裂車持續工作，進行環空保壓，操作成本高。
發明內容
本實用新型的設計目的是設計一種壓力換位環壓控制球形測試開關閥，它采用滑套單流動力閥壓力平衡原理，用換位槽的變化來開啟、關閉球閥，原理及結構簡單，操作壓力恒定，并無需環空保壓。
具體的說，本實用新型包括環壓控制球形測試開關閥及其構成部分球閥操作機構、壓力平衡機構及換位動力機構。其結構分別為壓力換位環壓控制球型測試開關閥，其由球閥操作機構、壓力平衡機構和換位動力機構構成，球閥操作機構中的球閥外筒(6)與壓力平衡機構中的充氮接頭(8)一端連接，球閥操作機構中的連接短節(7)與壓力平衡機構中的充氮心軸(9)一端連接；壓力平衡機構中的氮腔外筒(10)和換位動力機構中的油室外筒(12)連接，壓力平衡機構中的充氮心軸(9)另一端和換位動力機構中的動力心軸(13)一端連接；換位動力機構中的排油短節(19)和壓力平衡機構中加壓外筒(20)連接，加壓外筒(20)另一端用下接頭(23)封閉；換位動力機構中的動力心軸(13)另一端與壓力平衡機構中的活塞心軸(21)連接。
環壓控制球形測試開關閥的球閥操作機構采用球型開關閥(3)來實現密封結構；且該球閥操作系統由上座圈(1)、操作銷(2)、球閥總成(3)、座彈簧(4)、下座圈(5)、球閥外筒(6)以及連接短節(7)組成；連接短節(7)與位于球閥(3)銷孔中的操作銷(2)連接，并帶動操作銷(2)撥動球閥(3)轉動而開啟或關閉；下座圈(5)以螺紋連于上座圈(1)上以限制球閥軸向定位尺寸，保證球閥軸向精度；為球閥(3)提供預緊力，保證球閥(3)低壓密封功能的座彈簧(4)置于球閥(3)旁并被下座圈(5)定位；球閥外筒(6)套在上座圈(1)外部。下座圈(5)以螺紋連于上座圈(1)上，可以限制球閥軸向定位尺寸，保證球閥軸向精度；座彈簧(4)為球閥(3)提供預緊力，保證球閥(3)低壓密封功能。
環壓控制球型測試開關閥的壓力平衡機構包括中段的氣體加壓部分和末端的油室加壓部分；中段的氣體加壓部分主要由充氮接頭(8)、充氮心軸(9)、氮腔外筒(10)、平衡活塞(11)構成；充氮接頭(8)一端與球閥操作系統中的球閥外筒(6)連接，另一端與氮腔外筒(10)連接；充氮心軸(9)位于氮腔外筒(10)內并且兩者之間形成一個腔室作為氮氣腔；平衡活塞(11)位于氮腔外筒(10)中并被換位動力系統中油室外筒(12)定位；末端的油室加壓部分由平衡活塞(22)、活塞心軸(21)、加壓外筒(20)組成；加壓外筒(20)一端與換位動力系統中的排油短節(19)連接，另一端與(23)連接，平衡活塞(22)固定在活塞心軸(21)上并一同位于加壓外筒(20)內。氮腔壓力在下井過程中與環空壓力不斷的趨于平衡。下井前，從充氮接頭(8)向充氮心軸(9)和充氮外筒(10)之間的氮腔充入高純度氮氣。在下井與環空加壓時，壓力經過下面的流道流入，推動平衡活塞(11)和(23)向上運動，直到氮腔的壓力與環空壓力平衡，并儲存一定的壓力能；環空泄壓時，儲存的壓力能釋放出來，推動平衡活塞(11)向下運動，最后氮腔壓力與環空壓力再次達到平衡。動力閥(17)上兩個方向的單流閥(18)，在壓力或推力的作用下打開。當只有一個方向的單流閥(18)打開時，動力閥(17)會在壓力的作用下運動到止點并打開；當兩個方向的單流閥(18)同時打開時，動力閥(17)上的流道溝通，液壓油就會經過流道流動。這樣，單流閥的開、關，就可使動力閥(17)或在壓力的作用下運動，或向氮腔輸送壓力能，或將氮腔中儲存的壓力能釋放出來。
環壓控制球型測試開關閥的換位動力機構主要由動力閥(17)、單流閥(18)、油室外筒(12)、鋼球(14)、動力心軸(13)、換位套(15)、卡套(16)和排油短節(19)組成；油室外筒(12)一端與壓力平衡系統中的氮腔外筒(10)連接，另一端與排油短節(19)連接；排油短節(19)另一端與壓力平衡系統中的加壓外筒(20)連接；動力心軸(13)位于油室外筒(12)中且一端與油室外筒的內壁形成一個液壓油室，另一端與排油短節(19)和位于其上的單流閥(18)之間又形成一個液壓油室；換位套(15)、卡套(16)、動力閥(17)分別依次套在動力心軸(13)上。在動力心軸(13)和換位套(15)之間開有如附圖5所示的近似“之”字形換位槽，在換位槽內置有鋼球(14)。動力閥的行程是球閥開啟或關閉行程L的兩倍。換位槽系統一方面保證鋼球(14)在換位槽內的自由滑動；另一方面，通過換位槽的長度變化，來達到控制球閥(3)的開啟、關閉。動力閥的行程＝2L，球閥開啟或關閉行程＝L。下井時，動力閥(17)處于上極限位置，鋼球(14)在換位槽位置1處，球閥(3)關閉。環空加壓時，油室中的液壓油壓力升高，當壓力達到一定值時，動力閥(17)兩個方向的單流閥(18)同時打開，流道溝通，液壓油就推動氮腔中的平衡活塞(11)向上運動，并儲存一定的壓力能；環空泄壓后，動力閥(17)右端單流閥(18)關閉，氮氣中的壓力能釋放出來，推動動力閥(17)向下運動，當動力閥(17)向下運動L時，鋼球(14)處于換位槽位置2，動力閥(17)就通過鋼球(14)拖動動力心軸(13)一起向下運動，同時操作銷(2)撥動球閥(3)轉動，當動力閥(17)向下運動2L，達到下極限位置時，球閥(3)完全打開；環空再次加壓，動力閥(17)左端單流閥(18)關閉，動力閥(17)在環空壓力的作用下向上運動，當動力閥(17)運動L時，鋼球在位置3處，動力閥(17)繼續向上并帶動動力心軸(13)一起運動，同時操作銷(2)推動球閥(3)轉動，當動力閥向上運動2L，達到上極限位置時，球閥完全關閉，同時推開動力閥(17)上左端的單流閥(18)打開，流道溝通，氮腔中儲存壓力能；環空泄壓，動力閥(17)右端單流閥(18)關閉，動力閥(17)在氮氣壓力的作用下向下運動，當動力閥(17)運動2L，到達下極限位置時，鋼球運動到位置4處，球閥(3)保持關閉位置不動。對環空繼續加壓、泄壓就可重復完成以上動作，達到多次開、關井的目的。
本實用新型優點是采用滑套單流動力閥壓力平衡原理和球型開關閥結構，實現了對環空“加壓+泄壓”打開，“加壓+泄壓”關閉的循環開、關動作，操作時無須環空穩壓就可實現多次開關井；結構簡單、緊湊；測試開關井密封可靠，環空加壓操作，以及測試閥全通徑功能。適用于各種套管井全通徑壓控地層測試作業，測試操作簡單方便、安全可靠。與背景技術相比具有以下幾個特點1.采用滑套壓力平衡原理，整機結構簡單、緊湊，加工更簡便，降低了加工成本；2.通過換位槽的變化來開啟或關閉球閥，使開關井更加安全、可靠，不會出現下井過程中，突然開井的情況；3、帶壓開井，采用拉動球閥，減小球閥與球座的正壓力，降低了球閥與球座之間的摩擦力，使球閥開關更靈活；4、在結構上淘汰了計量套，解決了計量套依靠進口，價格昂貴等問題，降低了整套工具的價格；5、操作壓力恒定，操作壓力不會隨井下條件的變化而變化，并且無需環空保壓，降低作業成本。
圖1為本實用新型總裝配結構示意圖(由于其橫向尺寸太長，故從中間截斷化為兩幅圖)。
圖2為本實用新型中球閥操作機構結構示意圖。
圖3為本實用新型中壓力平衡機構和換位動力機構結構示意圖(由于其橫向尺寸太長，故從中間截斷化為兩幅圖)。
圖4為本實用新型中換位動力機構的動力閥結構示意圖。
圖5為本實用新型中換位動力機構的換位槽結構示意圖。
具體實施方式
壓力換位環壓控制球型測試開關閥的總裝結構如圖1所示，由球閥操作機構、壓力平衡機構和換位動力機構構成，球閥操作機構中的球閥外筒(6)與壓力平衡機構中的充氮接頭(8)一端連接，球閥操作機構中的連接短節(7)與壓力平衡機構中的充氮心軸(9)一端連接；壓力平衡機構中的氮腔外筒(10)和換位動力機構中的油室外筒(12)連接，壓力平衡機構中的充氮心軸(9)另一端和換位動力機構中的動力心軸(13)一端連接；換位動力機構中的排油短節(19)和壓力平衡機構中加壓外筒(20)連接，加壓外筒(20)另一端用下接頭(23)封閉；換位動力機構中的動力心軸(13)另一端與壓力平衡機構中的活塞心軸(21)連接。本實用新型適用于177～339.7mm各種規格套管井試油測試領域。
環壓控制球型測試開關閥中的球閥操作機構的結構方案如圖2所示它主要由上座圈(1)、操作銷(2)、球閥總成(3)、座彈簧(4)、下座圈(5)、球閥外筒(6)、以及連接短節(7)等零件組成。連接短節(7)與位于球閥(3)銷孔中的操作銷(2)連接，并帶動操作銷(2)撥動球閥(3)轉動而開啟或關閉；下座圈(5)以螺紋連于上座圈(1)上以限制球閥軸向定位尺寸，保證球閥軸向精度；為球閥(3)提供預緊力，保證球閥(3)低壓密封功能的座彈簧(4)置于球閥(3)旁并被下座圈(5)定位；球閥外筒(6)套在上座圈(1)外部。下座圈(5)以螺紋連于上座圈(1)上，可以限制球閥軸向定位尺寸，保證球閥軸向精度；座彈簧(4)為球閥(3)提供預緊力，保證球閥(3)低壓密封功能。其工作原理是通過環空壓力操作，使連接短節(7)作相應的向上或下運動，帶動操作銷(2)撥動球閥(3)轉動，從而實現球閥的開啟(球閥通孔與測試閥通孔接通)或關閉(球閥球面與測試閥通孔實現密封而關閉)。上座圈(1)與下座圈(5)之間用螺紋連接，既為球閥組裝提供了長度空間又提高了組裝精度；座彈簧(4)為球閥(3)提供預緊力，保證球閥(3)的低壓密封性能。
環壓控制球型測試開關閥中的壓力平衡機構如圖3所示，主要由充氮接頭(8)、充氮心軸(9)、氮腔外筒(10)、平衡活塞(11)和(22)、油室心軸(21)、加壓外筒(20)、單流閥(18)等組成。充氮接頭(8)一端與球閥操作系統中的球閥外筒(6)連接，另一端與氮腔外筒(10)連接；充氮心軸(9)位于氮腔外筒(10)內并且兩者之間形成一個腔室作為氮氣腔；平衡活塞(11)位于氮腔外筒(10)中并被換位動力系統中油室外筒(12)定位；末端的油室加壓部分由平衡活塞(22)、活塞心軸(21)、加壓外筒(20)組成；加壓外筒(20)一端與換位動力系統中的排油短節(19)連接，另一端與(23)連接，平衡活塞(22)固定在活塞心軸(21)上并一同位于加壓外筒(20)內。氮腔壓力在下井過程中與環空壓力不斷的趨于平衡。下井前，從充氮接頭(8)向充氮心軸(9)和充氮外筒(10)之間的氮腔充入高純度氮氣。在下井與環空加壓時，壓力經過下面的流道流入，推動平衡活塞(11)和(23)向上運動，直到氮腔的壓力與環空壓力平衡，并儲存一定的壓力能；環空泄壓時，儲存的壓力能釋放出來，推動平衡活塞(11)向下運動，最后氮腔壓力與環空壓力再次達到平衡。
動力閥(17)結構示意圖如圖4所示，其上兩個方向的單流閥(18)，在壓力或推力的作用下打開。當只有一個方向的單流閥(18)打開時，動力閥(17)會在壓力的作用下運動到止點并打開；當兩個方向的單流閥(18)同時打開時，動力閥(17)上的流道溝通，液壓油就會經過流道流動。這樣，單流閥的開、關，就可使動力閥(17)或在壓力的作用下運動，或向氮腔輸送壓力能，或將氮腔中儲存的壓力能釋放出來。其工作原理是地面組裝時從充氮接頭(8)充入高純度氮氣和液壓硅油。下井時，兩單流閥(18)開啟，壓力推動平衡活塞(11)、(22)，使壓力一直處于內外平衡，球閥保持關閉。
環壓控制球型測試開關閥中的換位動力機構如圖3所示，主要由動力閥(17)、單流閥(18)、油室外筒(12)、鋼球(14)、動力心軸(13)、換位套(15)、卡套(16)和排油短節(19)等組成。動力心軸(13)設計有換位結構。油室外筒(12)一端與壓力平衡系統中的氮腔外筒(10)連接，另一端與排油短節(19)連接；排油短節(19)另一端與壓力平衡系統中的加壓外筒(20)連接；動力心軸(13)位于油室外筒(12)中且一端與油室外筒的內壁形成一個液壓油室，另一端與排油短節(19)和位于其上的單流閥(18)之間又形成一個液壓油室；換位套(15)、卡套(16)、動力閥(17)分別依次套在動力心軸(13)上。在動力心軸(13)和換位套(15)之間開有如附圖5所示的近似“之”字形換位槽，在換位槽內置有鋼球(14)。動力閥的行程是球閥開啟或關閉行程L的兩倍。其工作原理是操作時，動力閥(17)處于上極限位置，鋼球(14)位于換位槽位置1處，球閥(3)處于關閉位置。對環空加壓時，動力閥(17)上兩個方向的單流閥(18)同時打開，流道溝通，環空壓力推動氮腔中的平衡活塞(11)、(22)向上運動，儲存壓力能；環空泄壓時，動力閥(17)右端單流閥(18)關閉，氮腔壓力推動動力閥(17)向下運動，當換位套(15)帶動鋼球(14)運動到換位槽位置2時，就拖動動力心軸(13)一起向下運動，同時連接短節(7)拉動操作銷撥動球閥(3)轉動，當動力閥運動到下極限位置時，球閥(3)完全關閉。再次對環空加壓，動力閥(17)左端單向閥(18)關閉，動力閥(17)在環空壓力的推動下向上運動，當換位套(15)帶動鋼球(14)運動到換位槽位置3時，就帶動動力心軸(13)一起向上運動，同時連接短節(7)推動操作銷(2)撥動球閥(3)旋轉，當動力閥(17)運動到上極限位置時，球閥(3)完全打開；繼續對環空加壓，當達到一定壓力時，動力閥(17)上兩個方向的單流閥(18)同時打開，流道再次溝通，氮腔中儲存壓力能；環空泄壓，動力閥(17)右端單流閥(18)關閉，動力閥(17)在氮氣壓力的作用下向下運動，當動力閥(17)運動2L，到達下極限位置時，鋼球(14)運動到位置4處，球閥(3)保持在關閉位置不動。重復以上操作，就可多次打開或關閉球閥，達到開關井的目的。在這里，卡套(16)不僅具有連接功能，而且在換位時能夠保證換位套(15)的靈活轉動。
權利要求1.一種壓力換位環壓控制球型測試開關閥，其特征是由球閥操作機構、壓力平衡機構和換位動力機構構成，球閥操作機構中的球閥外筒(6)與壓力平衡機構中的充氮接頭(8)一端連接，球閥操作機構中的連接短節(7)與壓力平衡機構中的充氮心軸(9)一端連接；壓力平衡機構中的氮腔外筒(10)和換位動力機構中的油室外筒(12)連接，壓力平衡機構中的充氮心軸(9)另一端和換位動力機構中的動力心軸(13)一端連接；換位動力機構中的排油短節(19)和壓力平衡機構中加壓外筒(20)連接，加壓外筒(20)另一端用下接頭(23)封閉；換位動力機構中的動力心軸(13)另一端與壓力平衡機構中的活塞心軸(21)連接。
2.根據權利要求1所述的環壓控制球型測試開關閥，其特征是球閥操作機構的密封結構采用球型開關閥(3)；且該球閥操作機構由上座圈(1)、操作銷(2)、球閥總成(3)、座彈簧(4)、下座圈(5)、球閥外筒(6)以及連接短節(7)組成；帶動操作銷(2)撥動球閥(3)轉動而開啟或關閉的連接短節(7)與位于球閥(3)銷孔中的操作銷(2)連接；下座圈(5)以螺紋連于上座圈(1)上，座彈簧(4)置于球閥(3)旁并被下座圈(5)定位；球閥外筒(6)套在上座圈(1)外部。
3.根據權利要求1所述的環壓控制球型測試開關閥，其特征是壓力平衡機構包括中段的氣體加壓部分和末端的油室加壓部分；中段的氣體加壓部分主要由充氮接頭(8)、充氮心軸(9)、氮腔外筒(10)、平衡活塞(11)構成；充氮接頭(8)一端與球閥操作系統中的球閥外筒(6)連接，另一端與氮腔外筒(10)連接；充氮心軸(9)位于氮腔外筒(10)內并且兩者之間形成一個腔室作為氮氣腔；平衡活塞(11)位于氮腔外筒(10)中并被換位動力系統中油室外筒(12)定位；末端的油室加壓部分由平衡活塞(22)、活塞心軸(21)、加壓外筒(20)組成；加壓外筒(20)一端與換位動力系統中的排油短節(19)連接，另一端與下接頭(23)連接，平衡活塞(22)固定在活塞心軸(21)上并一同位于加壓外筒(20)內。
4.根據權利要求1所述的環壓控制球型測試開關閥，其特征是換位動力機構主要由動力閥(17)、單流閥(18)、油室外筒(12)、鋼球(14)、動力心軸(13)、換位套(15)、卡套(16)和排油短節(19)組成；油室外筒(12)一端與壓力平衡系統中的氮腔外筒(10)連接，另一端與排油短節(19)連接；排油短節(19)另一端與壓力平衡系統中的加壓外筒(20)連接；動力心軸(13)位于油室外筒(12)中且一端與油室外筒的內壁形成一個液壓油室，另一端與排油短節(19)和位于其上的單流閥(18)之間又形成一個液壓油室；換位套(15)、卡套(16)、動力閥(17)分別依次套在動力心軸(13)上。
5.根據權利要求4所述的環壓控制球型測試開關閥，其特征是在動力心軸(13)和換位套(15)之間開有近似“之”字形換位槽，在換位槽內置有鋼球(14)。
6.根據權利要求4所述的環壓控制球型測試開關閥，其特征是動力閥的行程是球閥開啟或關閉行程L的兩倍。
專利摘要本實用新型屬于石油勘探設備中的井下測試器。它由球閥操作機構、壓力平衡機構和換位動力機構四部分構成，球閥操作機構中的球閥外筒與壓力平衡機構中的充氮接頭一端連接，球閥操作機構中的連接短節與壓力平衡機構中的充氮心軸一端連接；壓力平衡機構中的氮腔外筒和換位動力機構中的油室外筒連接，壓力平衡機構中的充氮心軸另一端和換位動力機構中的動力心軸一端連接。其關鍵是采用滑套單流動力閥壓力平衡原理和球型開關閥結構，實現了對環空“加壓+泄壓”打開，“加壓+泄壓”關閉的循環開、關動作，操作時無須環空穩壓就可實現多次開關井。
文檔編號E21B47/00GK2612797SQ0229437
公開日2004年4月21日 申請日期2002年12月24日 優先權日2002年12月24日
發明者莊明之, 葛旭, 黃志遂 申請人:寶雞石油機械有限責任公司