CN118223823A - 基于气体弹簧结构的井下测试阀 - Google Patents

Abstract

本发明公开的基于气体弹簧结构的井下测试阀，包括上接头，上接头内侧连接有球座短节，球座短节远离上接头一端连接有球笼，球笼内活动连接有球阀总成，球笼远离球座短节一端设置有执行机构，通过执行机构控制球阀总成的开关运动，执行机构设置于球阀外筒内侧，球阀外筒与球座短节连接；执行机构连接有动力机构，动力机构为执行机构提供驱动球阀总成开关运动的动力，动力机构远离上接头一端连接有下接头。本发明能够完成极端环境下的正常作业，保证石油和天然气的开采效率。

Description

基于气体弹簧结构的井下测试阀

技术领域

本发明属于石油、天然气井下试油测试作业设备技术领域，具体涉及一种基于气体弹簧结构的井下测试阀。

背景技术

石油和天然气是世界经济的命脉，石油和天然气井通常是采用钻机在地面打出深孔，再将石油和天然气从地底下引出到地面，在完成钻孔后通常需要将测试设备放入到油气井内对油气井进行测试，传统的方法是在管道的下端设置测试开关阀将油气介质引入到管道内后引出到地面。

目前市场上同类用于天然气井下试油测试作业的测试阀实际工作温度在10℃～150℃之间，而井下作业时常常会出现井下温度高于150℃以及海洋环境作业时，水下温度低于10℃的作业环境；当现有测试阀处于该作业环境下时，容易出现油套密封失效以及气体弹簧失效的问题，造成测试阀无法正常工作，甚至出现管柱泄漏造成井筒污染或井下事故的可能性，从而使作业成本及风险的大大增加。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于气体弹簧结构的井下测试阀，能够完成极端环境下的正常作业，保证石油和天然气的开采效率。

本发明所采用的技术方案是，基于气体弹簧结构的井下测试阀，包括上接头，上接头内侧连接有球座短节，球座短节远离上接头一端连接有球笼，球笼内活动连接有球阀总成，球笼远离球座短节一端设置有执行机构，通过执行机构控制球阀总成的开关运动，执行机构设置于球阀外筒内侧，球阀外筒与球座短节连接；

执行机构连接有动力机构，动力机构为执行机构提供驱动球阀总成开关运动的动力，动力机构远离上接头一端连接有下接头。

本发明的特征还在于，

执行机构包括拉套，拉套一端沿周向开有环形槽，环形槽上卡接有操作销，操作销与球阀总成连接，操作销沿球阀外筒轴向移动时，带动球阀总成进行开关运动；

拉套外侧沿径向开有若干个安装孔，若干个安装孔沿拉套周向均匀分布，安装孔内设置有锁块，拉套内连接有氮腔心轴，氮腔心轴外侧面与锁块底部抵接，使得锁块固定于安装孔位置。

拉套位于安装孔位置套有拉簧，拉簧对锁块施加向拉套轴心的压力。

氮腔心轴上设置沿氮腔心轴周向开有环形固定槽，环形固定槽宽度与锁块宽度相等。

动力机构包括氮气室，氮气室包括氮腔心轴，氮腔心轴外侧连接有剪切外筒，剪切外筒一端与球阀外筒连接，另一端连接有氮腔外筒，氮腔外筒与氮腔心轴之间形成容纳气体的腔室，腔室内靠近剪切外筒一侧设置有密封套和固定环，固定环和密封套套接于氮腔心轴外侧，密封套与氮腔心轴之间固定连接，固定环位于密封套与剪切外筒之间，氮腔外筒对应固定环位置开有上传压孔，环空压力通过上传压孔进入腔室实现氮腔心轴的移动；

腔室内远离密封套一侧设置有氮腔活塞，氮腔活塞远离密封套一侧通过过油通道连接有油室，油室提供动力推动氮腔活塞在腔室内进行往复运动，油室远离氮腔活塞一端与下接头连接。

剪切外筒上沿径向开有通孔，通孔内穿有剪销，剪销穿过通孔与氮腔心轴上的盲槽卡接，盲槽尺寸与剪销相匹配，剪销远离氮腔心轴端设置有丝堵，丝堵与剪切外筒连接。

剪切外筒上还沿径向开有用于排除积液的排泄孔。

油室包括油室外筒，油室外筒一端与氮腔外筒连接，另一端与下接头连接，油室外筒内侧设置有油室心轴，油室心轴与油室外筒之间设置有油室活塞和的计量套，计量套和油室活塞之间形成油腔；

油室外筒相对油室活塞远离计量套一侧开有下传压孔，环空压力通过下传压孔进入油室控制油室活塞相对油室心轴滑动，从而挤压油腔内油体通过计量套进入过油通道内推动氮腔活塞运动。

油室外筒上设置有注油塞，通过注油塞向油腔内注入油体。

计量套两侧分别设置有用于限定计量套位置的挡环和挡圈，挡环和挡圈套接于油室心轴外侧。

本发明的有益效果是，

(1)本发明基于气体弹簧结构的井下测试阀通过氮气室和油室的配合增大了氮气室腔室的体积，也就降低氮气室在下井前所需要充配的气压，意味着减少了因为预充高气压而带来的氮气泄漏及安全风险，同时通过大容量气体使得测试阀可以在更加高压高温的环境中工作时为球阀开关提供更稳定可靠的动力。

(2)本发明基于气体弹簧结构的井下测试阀通过在环空施加或泄放所施加的压力来压缩及释放气体弹簧从而带动球阀转动实现开关，达到开关井的目的。入井前根据地面温度、井下既定深度的温度及液柱向氮气室中预充一定的压力，使得测试阀在井下既定深度位置时气体弹簧压力与环空液柱压力尽可能达到平衡，防止在井下因为气体弹簧压力相比环空液柱压力过低造成气体弹簧压缩量不足，无法实现气体弹簧的压缩从而导致球阀无法开关，保证了测试阀在高温高压环境中，依然可以正常进行作业。

附图说明

图1是本发明基于气体弹簧结构的井下测试阀的结构示意图；

图2是本发明基于气体弹簧结构的井下测试阀中执行机构的结构示意图；

图3是本发明基于气体弹簧结构的井下测试阀中动力机构的结构示意图。

图中，1.上接头，2.球座短节，3.波形弹簧，4.球阀总成，5.操作销，6.球阀外筒，7.球笼，8.拉套，9.拉簧，10.锁块，11.剪切外筒，12.剪销，13.氮腔心轴，14.固定环，15.密封套，16.氮腔外筒，17.氮腔活塞，18.计量套，19.挡环，20.油室心轴，21.油室外筒，22.油室活塞，23.下接头，24.丝堵，25.注油塞，26.挡圈，27.上传压孔，28.下传压孔，29.排泄孔，30.过油通道，31.密封组件a，32.密封组件b。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

实施例1

如图1所示，本发明基于气体弹簧结构的井下测试阀包括上接头1，上接头1内侧连接有球座短节2，球座短节2远离上接头1一端连接有球笼7，球笼7内活动连接有球阀总成4，球阀总成4左侧的阀座位置设置有波形弹簧3，为球阀总成4提供预紧力。球笼7远离球座短节2一端设置有执行机构，通过执行机构控制球阀总成4的开关运动，执行机构设置于球阀外筒6内侧，球阀外筒6与球座短节2连接；

执行机构连接有动力机构，动力机构为执行机构提供驱动球阀总成4开关运动的动力，动力机构远离上接头1一端连接有下接头23。动力机构包括油室和氮气室，氮气室和油室上分别开有上传压孔27和下传压孔28，环空压力通过上传压孔27和下传压孔28进入氮气室和油室，通过控制环空压力的大小实现动力机构的作业，从而操控执行机构完成球阀总成4的开关。

具体地，入井前根据地面温度、井下既定深度的温度及液柱向氮气室中预充一定的压力，使得测试阀在井下既定深度位置时气体弹簧压力与环空液柱压力尽可能达到平衡，防止在井下因为气体弹簧压力相比环空液柱压力过低造成气体弹簧压缩量不足，无法实现气体弹簧的压缩从而导致球阀无法开关；或因为气体弹簧压力相比环空液柱压力过高需要环空试压过高的压力来压缩气体弹簧对井筒安全造成风险并给其他环空压力操作工具的操作带来不便。一般预充压力和环空液柱压差不超过10MPa。

实施例2

本发明基于气体弹簧结构的井下测试阀包括上接头1，上接头1内侧连接有球座短节2，球座短节2远离上接头1一端连接有球笼7，球笼7内活动连接有球阀总成4，球笼7远离球座短节2一端设置有执行机构，通过执行机构控制球阀总成4的开关运动，执行机构设置于球阀外筒6内侧，球阀外筒6与球座短节2连接；

如图2所示，执行机构包括拉套8，拉套8一端沿周向开有环形槽，环形槽上卡接有操作销5，操作销5与球阀总成4连接，具体地，操作销5远离拉套8一端设置有圆体形凸起，而球阀总成4上开有与圆体形凸起相匹配的圆孔，操作销5沿球阀外筒6轴向移动时，通过圆体形凸起带动球阀总成4进行开关运动；

拉套8外侧沿径向开有若干个安装孔，若干个安装孔沿拉套8周向均匀分布，安装孔内设置有锁块10，拉套8内连接有氮腔心轴13，氮腔心轴13外侧面与锁块10底部抵接，使得锁块10固定于安装孔位置。同时拉套8位于安装孔位置套有拉簧9，拉簧9对锁块10施加向拉套8轴心的压力，即保证锁块10位于安装孔位置不会掉落，又不会因为氮腔心轴13的抵接将锁块10顶出安装孔。

进一步地，氮腔心轴13上还设置有沿氮腔心轴13轴向开设的环形固定槽，环形固定槽宽度与锁块10宽度相等。通过拉簧9向轴心施加的压力，使锁块10落入环形固定槽后便难以再从环形固定槽中脱出。

初始状态时，环形固定槽位于锁块10的左侧，当氮腔心轴13向右侧移动时，环形固定槽随之移动，直至锁块10落入环形固定槽内，又由于锁块10外侧套接有拉簧9，使得氮腔心轴13与拉套8之间卡接固定，形成氮腔心轴13带动拉套8进行左右往复位移运动。

执行机构连接有动力机构，动力机构为执行机构提供驱动球阀总成4开关运动的动力，动力机构远离上接头1一端连接有下接头23。动力机构包括油室和氮气室，氮气室和油室上分别开有上传压孔27和下传压孔28，环空压力通过上传压孔27和下传压孔28进入氮气室和油室，通过控制环空压力的大小实现氮腔心轴13的往复位移运动，拉套8随着氮腔心轴13同步进行往复位移运动，从而实现操作销5带动球阀总成4进行旋转运动，实现球阀总成4的开关。

实施例3

本实施例在实施例2的基础上，氮腔心轴13为动力机构的组成部分，如图3所示，动力机构包括氮气室，氮腔心轴13位于氮气室内，氮腔心轴13外侧连接有剪切外筒11，剪切外筒11一端与球阀外筒6连接，另一端连接有氮腔外筒16，剪切外筒11上沿径向开有通孔，通孔内穿有剪销12，剪销12穿过通孔与氮腔心轴13上的盲槽卡接，盲槽尺寸与剪销12相匹配，剪销12远离氮腔心轴13设置有丝堵24，丝堵24与剪切外筒11连接，从而形成初始锁定状态；初始锁定状态时，由于剪销12插入氮腔心轴13的盲槽内，氮腔心轴13无法进行左右位移，随着环空压力的施加，氮腔心轴13被压力推动向右侧移动，直至环空压力所施加的推力大于剪销12的锁止力，完成初始锁定状态的解锁，锁块10落入氮腔心轴13的环形固定槽内，随着环空压力的变化控制氮腔心轴13往复移动，带动球阀总成4开关。

剪切外筒11上还设置有排泄孔29，由图3所示，氮腔心轴13与剪切外筒11接触面存在一个斜面，当氮腔心轴13向右侧进行移动时，剪切外筒11和氮腔心轴13之间会存在一个空腔，部分液体可能会通过间隙进入空腔内，当氮腔心轴13向左侧移动复位时，由于存在液体，氮腔心轴13无法恢复至初始位置，即便可以恢复也需要较长时间将液体排出，久而久之氮腔心轴13便无法进行位移运动。而排泄孔29可以在氮腔心轴13向左侧复位时，快速将空腔内的液体通过排泄孔29排出，确保氮腔心轴13的移动作业。

氮腔外筒16与氮腔心轴13之间形成容纳氮气的腔室，腔室内靠近剪切外筒11一侧设置有密封套15和固定环14，固定环14位于密封套15与剪切外筒11之间。固定环14和密封套15套接于氮腔心轴13外侧，密封套15与氮腔心轴13之间固定连接，密封套15上下两侧设置有起到密封作用的密封组件a31。

具体地，上传压孔27开设于氮腔外筒16对应固定环14远离密封套15一侧位置，环空压力通过上传压孔27进入腔室，使固定环14、密封套15和氮腔心轴13整体进行移动。

即通过增加环空压力向氮气室内增压，推动固定环14、密封套15和氮腔心轴13向右侧进行位移运动，由于密封套15与氮腔心轴13固接，所以氮腔心轴13随之进行同步运动，剪断剪销12，完成初步锁定状态的解锁。

腔室内远离剪切外筒11一侧设置有氮腔活塞17，氮腔活塞17远离密封套15一侧通过过油通道30连接有油室，氮腔活塞17上下两侧套接有密封组件b，避免氮气充入密封套15和氮腔活塞17之间发生泄漏。

氮腔外筒16相对密封套15和氮腔活塞17之间设置有限制密封套15带动氮腔心轴13移动距离的限位环，便于控制氮腔心轴13的往复移动距离。

油室包括油室外筒21，油室外筒21一端与氮腔外筒16连接，另一端连接有下接头23，油室外筒21内侧设置有油室心轴20，油室心轴20与油室外筒21之间设置有油室活塞22和控制油体流量的计量套18，计量套18和油室活塞22之间形成油腔，油室外筒21上设置有注油塞25，通过注油塞25向油腔内注入油体，下传压孔28开设于油室外筒21对应油室活塞22远离计量套18一侧位置。环空压力通过下传压孔28进入油室控制油室活塞22相对油室心轴20滑动，从而挤压油腔内油体通过计量套18进入过油通道30内推动氮腔活塞17运动。

进一步地，入井前通过注油塞25向过油通道30内注入油体，由于氮气室内充入氮气，其内部具有一定压力，油体无法进入氮腔活塞17的右端推动氮腔活塞17进行运动，仅能通过计量套18流入油腔，完成油腔的注油。

计量套18以及油室活塞22的上下两侧均设置有密封件，保证油腔的密封效果，提高测试阀的操控精准度。

计量套18两侧分别设置有用于限定计量套18位置的挡环19和挡圈26，挡环19和挡圈26套接于油室心轴20外侧。本发明测试阀作业时，计量套18两侧会出现压差，若不对计量套18实施限位固定，计量套18由于压差出现移动，则本发明控制球阀总成4开关作业的效率将大幅降低，甚至无法进行球阀总成4的操控。

进一步地，计量套18内设置有两条管线，分别为油体流入过油通道30的管线和过油通道30内油体回到油腔内的管线。油体流入过油通道30的管线中设置有操作阀，加压时，通过操控操作阀的阀门开关实现油腔内油体流入过油通道30。过油通道30内油体回到油腔内的管线内设置节流阀，使得进入过油通道30内的油体回至油腔的流速小于密封套15靠近上传压孔27一侧泄压的速度。

即通过设置计量套18，使得通过施加或保持环空压力时密封套15能第一时间发生位移，从而使氮腔心轴13带动球阀总成4转动。

具体地，氮气室在环空未进行加压操作时，腔室内压力和环空液柱压力是平衡的，增加环空加压时，压力自上传压孔27和下传压孔28分别进入氮气室和油室，推动密封套15和油室活塞22进行相向运动，由于计量套18内操作阀处于关闭状态，油腔内油体无法进入过油通道30推动氮腔活塞17，从而确保密封套15带动氮腔心轴13实现球阀总成4的转动；

当环空压力加至设定值时，氮腔心轴13已经移动到位，维持环空压力，开启计量套18内的操作阀，油腔内油体通过计量套18进入氮腔心轴13一端，推动氮腔心轴13对腔室内氮气进行压缩，直至压缩至腔室内气压与环空压力到达平衡，此时腔室内气压小于环空压力，故密封套15仍处于限位环位置。

撤去增加的环空压力，由于计量套18内节流阀的存在，进入氮腔活塞17一端的油体只能缓慢通过节流阀回到油腔内，因此，腔室内蓄积的压力第一时间推动密封套15带动氮腔心轴13实现反向位移，从而实现球阀的反向转动。腔室内压力快速释放后氮腔心轴很快到达限位点，此时腔室内的压力只能通过计量套18缓慢过油使油体回到油腔，此时腔室内压力就和环空液柱压力达到平衡。因此通过环空快速加压及泄压即可保证球阀总成4的开关。

本发明基于气体弹簧结构的井下测试阀分为初步锁定状态，解锁状态，和作业状态。

初步锁定状态时，操作销5一端的圆体形凸起与球阀总成4卡接，锁块10位于拉套8的安装孔内，且拉套8内侧的氮腔心轴13与锁块10底部抵接，氮腔心轴13上的环形固定槽位于锁块10的左侧；

剪销12穿过剪切外筒11上的通孔与氮腔心轴13上的盲槽连接，固定氮腔心轴13防止其进行位移；向氮气室的腔室内注入氮气，使其达到所需初步压力值，腔室内压力与环空液柱压力尽可能达到平衡。然后通过注油塞25向油室内注入油体后将测试阀入井。

解锁状态时，增加环空压力，环空压力自上传压孔27和下传压孔28分别进入氮气室和油室，此时由于计量套18中操作阀处于关闭状态，油腔内的油体无法进入氮腔活塞17一侧，在环空压力的作用下，密封套15带动氮腔心轴13向右侧移动，移动的力剪断剪销12，当密封套15移动至限位环处，锁块10刚好落入环形固定槽内，即拉套8与氮腔心轴13之间完成卡接，拉套8和氮腔心轴13形成同步运动，完成解锁，此时环空压力增加至设定值。

作业状态时，维持环空压力，由于密封套15受限位环限制无法进行移动，腔室内氮气不再受到压缩，腔室内压力小于环空压力，开启计量套18内操作阀的阀门，油体通过计量套18进入过油通道30,然后推动氮腔活塞17向密封套15移动，此时腔室内压力小于环空压力，故密封套15不发生移动，腔室内氮气进行蓄能；直至氮腔活塞17压缩至腔室内气压与环空压力到达平衡。

撤去增加的环空压力，由于计量套18内节流阀的存在，进入氮腔活塞17一端的油体只能缓慢通过节流阀回到油腔内，腔室内蓄积的压力第一时间推动密封套15带动氮腔心轴13实现反向位移，同时带动拉套8向左移动，由于操作销5与球阀总成4卡接，故操作销5带动球阀总成4进行旋转运动；

当需要操作销5带动球阀总成4复位时，再次增加环空压力，密封套15在环空压力的作用下再次向氮腔活塞17方向移动，从而带动氮腔心轴13、拉套8和操作销5移动，实现球阀总成4的复位，重复上述操作即可实现球阀总成4的开关作业控制。

Claims (10)

1.基于气体弹簧结构的井下测试阀，其特征在于，包括上接头(1)，所述上接头(1)内侧连接有球座短节(2)，所述球座短节(2)远离上接头(1)一端连接有球笼(7)，所述球笼(7)内活动连接有球阀总成(4)，所述球笼(7)远离球座短节(2)一端设置有执行机构，通过所述执行机构控制球阀总成(4)的开关运动，所述执行机构设置于球阀外筒(6)内侧，所述球阀外筒(6)与球座短节(2)连接；

所述执行机构连接有动力机构，动力机构为执行机构提供驱动球阀总成(4)开关运动的动力，所述动力机构远离上接头(1)一端连接有下接头(23)。

2.根据权利要求1所述的基于气体弹簧结构的井下测试阀，其特征在于，所述执行机构包括拉套(8)，所述拉套(8)一端沿周向开有环形槽，所述环形槽上卡接有操作销(5)，所述操作销(5)与球阀总成(4)连接，操作销(5)沿球阀外筒(6)轴向移动时，带动球阀总成(4)进行开关运动；

所述拉套(8)外侧沿径向开有若干个安装孔，若干个所述安装孔沿拉套(8)周向均匀分布，所述安装孔内设置有锁块(10)，所述拉套(8)内连接有氮腔心轴(13)，氮腔心轴(13)外侧面与锁块(10)底部抵接，使得锁块(10)固定于安装孔位置。

3.根据权利要求2所述的基于气体弹簧结构的井下测试阀，其特征在于，所述拉套(8)位于安装孔位置套有拉簧(9)，所述拉簧(9)对锁块(10)施加向拉套(8)轴心的压力。

4.根据权利要求3所述的基于气体弹簧结构的井下测试阀，其特征在于，所述氮腔心轴(13)上设置沿氮腔心轴(13)周向开有环形固定槽，所述环形固定槽宽度与锁块(10)宽度相等。

5.根据权利要求1～4任一所述的基于气体弹簧结构的井下测试阀，其特征在于，所述动力机构包括氮气室，所述氮气室包括氮腔心轴(13)，所述氮腔心轴(13)外侧连接有剪切外筒(11)，所述剪切外筒(11)一端与球阀外筒(6)连接，另一端连接有氮腔外筒(16)，所述氮腔外筒(16)与氮腔心轴(13)之间形成容纳气体的腔室，腔室内靠近剪切外筒(11)一侧设置有密封套(15)和固定环(14)，固定环(14)和密封套(15)套接于氮腔心轴(13)外侧，密封套(15)与氮腔心轴(13)之间固定连接，固定环(14)位于密封套(15)与剪切外筒(11)之间，氮腔外筒(16)对应固定环(14)位置开有上传压孔(27)，环空压力通过上传压孔(27)进入腔室实现氮腔心轴(13)的移动；

腔室内远离密封套(15)一侧设置有氮腔活塞(17)，所述氮腔活塞(17)远离密封套(15)一侧通过过油通道(30)连接有油室，油室提供动力推动氮腔活塞(17)在腔室内进行往复运动，油室远离氮腔活塞(17)一端与下接头(23)连接。

6.根据权利要求5所述的基于气体弹簧结构的井下测试阀，其特征在于，所述剪切外筒(11)上沿径向开有通孔，通孔内穿有剪销(12)，所述剪销(12)穿过通孔与氮腔心轴(13)上的盲槽卡接，所述盲槽尺寸与剪销(12)相匹配，所述剪销(12)远离氮腔心轴(13)端设置有丝堵(24)，所述丝堵(24)与剪切外筒(11)连接。

7.根据权利要求6所述的基于气体弹簧结构的井下测试阀，其特征在于，所述剪切外筒(11)上还沿径向开有用于排除积液的排泄孔(29)。

8.根据权利要求5所述的基于气体弹簧结构的井下测试阀，其特征在于，所述油室包括油室外筒(21)，所述油室外筒(21)一端与氮腔外筒(16)连接，另一端与下接头(23)连接，所述油室外筒(21)内侧设置有油室心轴(20)，所述油室心轴(20)与油室外筒(21)之间设置有油室活塞(22)和的计量套(18)，计量套(18)和油室活塞(22)之间形成油腔；

油室外筒(21)相对油室活塞(22)远离计量套(18)一侧开有下传压孔(28)，环空压力通过下传压孔(28)进入油室控制油室活塞(22)相对油室心轴(20)滑动，从而挤压油腔内油体通过计量套(18)进入过油通道(30)内推动氮腔活塞(17)运动。

9.根据权利要求8所述的基于气体弹簧结构的井下测试阀，其特征在于，所述油室外筒(21)上设置有注油塞(25)，通过所述注油塞(25)向油腔内注入油体。

10.根据权利要求8所述的基于气体弹簧结构的井下测试阀，其特征在于，所述计量套(18)两侧分别设置有用于限定计量套(18)位置的挡环(19)和挡圈(26)，所述挡环(19)和挡圈(26)套接于油室心轴(20)外侧。