專利名稱：一種井下安全閥的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于油氣井開采設(shè)備，具體涉及一種用于油氣開采的井下安全閥。
背景技術(shù)：
在石油開采業(yè)中，進(jìn)行井下作業(yè)時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)由于開采設(shè)備發(fā)生故障等原因造成烴類流體流速加大卻又無(wú)法控制，這時(shí)就必須及時(shí)關(guān)閉通道，確保作業(yè)安全，避免發(fā)生更大的事故。實(shí)際生產(chǎn)中，必須要有一種裝置(井下安全閥)來(lái)關(guān)閉流體通道，實(shí)現(xiàn)阻斷功能。井下安全閥是一種防止井噴、保證生產(chǎn)安全的井下設(shè)備。當(dāng)出現(xiàn)緊急情況時(shí)通過(guò)從中接頭連接到地面的控制管線卸壓關(guān)閉閥板實(shí)現(xiàn)油氣井的關(guān)閉，需要開啟時(shí)可以通過(guò)管線加液壓打開閥板進(jìn)行開采。世界各國(guó)越來(lái)越重視環(huán)境保護(hù)和安全生產(chǎn)，很多國(guó)家對(duì)油氣井的安全生產(chǎn)都有詳 細(xì)的法律法規(guī)，強(qiáng)調(diào)位于人口稠密地區(qū)、重要經(jīng)濟(jì)區(qū)、海洋和內(nèi)陸水域可能發(fā)生自噴或外溢的油氣井都安裝井下安全閥。目前，國(guó)內(nèi)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(lái)越多地在油氣井中使用井下安全閥。在實(shí)際使用中，現(xiàn)有井下安全閥主要需克服的技術(shù)困難包括1)高溫性能，由于井深度的不斷加深和熱采技術(shù)的運(yùn)用需要在250甚至350攝氏度高溫環(huán)境下工作，目前世界上現(xiàn)有安全閥均不同程度使用了橡膠，其工作溫度均不能達(dá)到上述溫度；2)防止結(jié)蠟和水合物，現(xiàn)有的井下安全閥動(dòng)密封機(jī)構(gòu)采用活塞密封，一旦結(jié)蠟或生成水合物將導(dǎo)致安全閥不能正常關(guān)閉3)超深安裝，要求開啟和關(guān)閉壓力達(dá)到20. 7MPa(3000psi) ；4)抗高壓能力，要求內(nèi)壓指標(biāo)達(dá)到69MPa(IOOOOpsi)?！跋到y(tǒng)調(diào)研了國(guó)外最知名的幾家大公司的井下安全閥技術(shù)，哈里伯頓的耐壓最為突出，高壓137.9MPa，貝殼休斯的產(chǎn)品耐溫最高，達(dá)到177°C”——載錄于《石油機(jī)械》2008年第36卷第7期由江漢油田分公司采油工藝研究院的一篇調(diào)查報(bào)告“國(guó)外井下安全閥的技術(shù)現(xiàn)狀”。高溫下對(duì)設(shè)備的密封性影響極大，特別是對(duì)密封件的老化加快導(dǎo)致密封失效，控制井下安全閥開關(guān)的活塞就會(huì)失效，井下安全閥就不能正常工作，目前最好的耐溫橡膠是美國(guó)派克公司生產(chǎn)的全氟橡膠可以在316°C下工作短期時(shí)間，也無(wú)法滿足數(shù)年的井下安全閥工作壽命。當(dāng)今世界上各大公司一直在研究全金屬密封結(jié)構(gòu)的井下安全閥，用于到達(dá)最佳的可靠性。除了耐溫指標(biāo)外，活塞防沙塵、密封件防老化，用于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(shù)指標(biāo)，因此各大公司也針對(duì)這些技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行不斷的研究，以提聞廣品性能。井下安全閥目前需要解決以下技術(shù)問(wèn)題
I)目前世界上的井下安全閥要么采用活塞式結(jié)構(gòu)，要么采用滑動(dòng)心軸結(jié)構(gòu)推動(dòng)閥板的開啟和關(guān)閉，這兩種結(jié)構(gòu)都必須有密封件密封，這就會(huì)帶來(lái)以下缺點(diǎn)a)無(wú)法承受350°C高溫；b)井下的沙塵一旦進(jìn)入密封面可能導(dǎo)致卡死；c)反復(fù)的開啟關(guān)閉可能導(dǎo)致密封件損壞，因此使用次數(shù)有限。
2)傳統(tǒng)的井下安全閥由于彈簧的彈力有限，活塞由于桿件的穩(wěn)定性原因，要求截面面積不能太小，導(dǎo)致開啟、關(guān)閉壓力不能太高，因此很難滿足超深安裝。3)傳統(tǒng)的井下安全閥連接的控制管線是通過(guò)卡套連接到管線后用NPT螺紋纏繞膠帶擰入進(jìn)壓孔的。這種結(jié)構(gòu)不能擺脫對(duì)膠帶的依賴，溫度會(huì)使密封失效，而且NPT螺紋的IOOOOpsi高壓密封性能不佳。4)井下安全閥的本體在高溫下的靜密封問(wèn)題。5)控制管線和本體在高壓下的耐壓強(qiáng)度問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，提供一種能夠在高溫、高壓、腐蝕環(huán)境和深海中使用的井下安全閥，不使用橡膠，并且能夠滿足高壓密封要求。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的采用的技術(shù)方案如下
井下安全閥，包括由上接頭、中接頭、外筒和下接頭依次連接構(gòu)成的本體，所述本體內(nèi)設(shè)置有中心管；所述中接頭的管壁中設(shè)置有至少一套金屬波紋管組件，金屬波紋管組件的上端與本體上的與外接油管連接的油路通道連通，金屬波紋管組件的下端與固定在所述中心管外周壁上的定位環(huán)之間通過(guò)伸縮絞架組件相連接，所述外筒下端的內(nèi)壁上形成有凸臺(tái)，在所述中心管上位于所述定位環(huán)與所述凸臺(tái)之間套有壓簧，所述的外筒的下端設(shè)有與所述中心管軸向配合的彈性常閉閥板。所述金屬波紋管組件包括波紋管接頭、桿狀波紋管封頭和金屬波紋管，所述波紋管接頭的上端設(shè)有油嘴，所述波紋管封頭位于所述波紋管接頭內(nèi)，波紋管封頭的上端與所述波紋管接頭的上端之間設(shè)有彈性鋼球，所述金屬波紋管套在所述波紋管封頭上，其一端與所述波紋管接頭的下端口連接，另一端與所述波紋管封頭的下端連接；所述波紋管接頭的內(nèi)壁上設(shè)有凸環(huán)，所述波紋管封頭上設(shè)有球頭臺(tái)階與所述波紋管接頭內(nèi)壁上的凸環(huán)下端配合，所述彈性鋼珠與所述波紋管接頭內(nèi)壁上的凸環(huán)上端配合。所述金屬波紋管的波峰內(nèi)設(shè)置有內(nèi)支撐環(huán)，金屬波紋管的波谷外設(shè)置有外支撐環(huán)。所述金屬波紋管為若干根，金屬波紋管之間通過(guò)導(dǎo)環(huán)連接，金屬波紋管與所述波紋管封頭之間通過(guò)導(dǎo)向環(huán)連接。所述的上接頭與中接頭之間、中接頭與外筒之間、以及外筒與下接頭之間的連接為螺紋連接，其螺紋連接部分包括內(nèi)螺紋部分和外螺紋部分，它們之間采用帶斜度的鋸齒螺紋連接；螺紋連接部分的前端和后端分別設(shè)有帶錐度的前部密封面和后部密封面，內(nèi)螺紋部分和外螺紋部分之間通過(guò)前密封面和后部密封面的過(guò)盈配合實(shí)現(xiàn)內(nèi)外密封。本發(fā)明的特點(diǎn)是采用耐高溫的金屬波紋管組件作為動(dòng)密封件取代現(xiàn)有井下安全閥中的活塞結(jié)構(gòu)，金屬波紋管的波峰內(nèi)和波谷外設(shè)置有內(nèi)支撐環(huán)合外支撐環(huán)，可防止高壓下波紋管的波形屈服從而提高其抗內(nèi)外壓的強(qiáng)度，提高動(dòng)密封的使用壽命和高溫性能。金屬波紋管通過(guò)彈性鋼珠密封保護(hù)機(jī)構(gòu)使安全閥在開啟后控制管線壓力過(guò)載時(shí)滿足69MPa(IOOOOpsi)的強(qiáng)度要求，根據(jù)安裝深度的要求可以選擇普通彈簧或重載荷彈簧。金屬波紋管組件采用多個(gè)波紋管連接可提高單個(gè)波紋管的穩(wěn)定性。本發(fā)明是一種能夠在高溫、高壓、腐蝕環(huán)境和深海中使用的井下安全閥，不使用橡膠，并且能夠滿足高壓密封要求，可用于370°C高溫環(huán)境，同時(shí)具備IOOOOpsi高壓工作等級(jí)并且有效實(shí)現(xiàn)防水合物、防沙塵。下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案。


圖I是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是圖I中II處局部放大圖。圖3是圖2的B— B向視圖。圖4是圖I中III處局部放大圖。圖5是圖I的A— A向視圖。·圖6是本發(fā)明中的金屬波紋管組件結(jié)構(gòu)示意圖。圖7是圖6中IV處局部放大圖。圖8是圖I中I處局部放大圖。圖9是本發(fā)明中上接頭與中接頭之間、中接頭與外筒之間、以及外筒與下接頭之間的螺紋連接示意圖。圖10是圖9中V處局部放大圖。
具體實(shí)施例方式如圖I一圖7所示，本發(fā)明的井下安全閥，包括有由上接頭3、中接頭4、外筒6和下接頭12依次連接構(gòu)成的本體,本體的材料是由適合井況的相應(yīng)金屬加工而成,本體是連接油管和其它動(dòng)作件的載體。本體內(nèi)設(shè)置有中心管9，上接頭3的上端和下接頭12的下端分別連接外部油管13。中接頭4的管壁中設(shè)置有金屬波紋管組件5，金屬波紋管組件5根據(jù)設(shè)計(jì)要求設(shè)為I 4套成環(huán)形均布在中接頭4的管壁中，所述的波紋管組件5的上端與中接頭4通過(guò)螺紋連接，其密封是通過(guò)壓帽25壓緊頂絲帽251和鎖緊環(huán)252實(shí)現(xiàn)的。金屬波紋管組件5下端與固定在中心管9外周壁上的定位環(huán)7通過(guò)伸縮絞架組件相連接。伸縮絞架組件由多塊短板19，長(zhǎng)板20，短銷21對(duì)稱排列組成。伸縮絞架組件的上端通過(guò)中銷22與用螺釘18固定在中接頭4上的壓板17連接，通過(guò)長(zhǎng)銷23與金屬波紋管組件5相連，下端通過(guò)螺紋銷24與定位環(huán)7相連。定位環(huán)7的下端通過(guò)軸套配合定位到中心管9外圓的小凸臺(tái)31上,定位環(huán)7的上端通過(guò)彈性卡圈30限位。外筒6下端口的內(nèi)壁上形成有凸臺(tái)601,在中心管9上位于定位環(huán)7與凸臺(tái)601之間套有壓簧8，中心管9的外周上還套有擋圈10，擋圈10位于壓簧8的下方，被支撐在凸臺(tái)601的上面。外筒6的下端連接有閥座11，閥座11通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)銷15和扭簧14與閥板16裝配在一起，閥板16在扭簧14的作用下處于常關(guān)狀態(tài)。上接頭3上設(shè)置有與外接油路連接的控制管線I，控制管線I通過(guò)控制管線連接組件2過(guò)盈配合裝入上接頭3上，上接頭3與中接頭4的環(huán)形空間位置形成油路通道26，油路通道26通往中接頭4管壁中的金屬波紋管組件5內(nèi)部。通過(guò)液壓實(shí)現(xiàn)金屬波紋管組件5向下伸長(zhǎng)，金屬波紋管組件5的伸長(zhǎng)帶動(dòng)絞架組件推動(dòng)中心管9向下運(yùn)動(dòng)，頂開閥板16打開下接頭12下部油管13的通道實(shí)現(xiàn)開啟。當(dāng)控制管線I內(nèi)壓力釋放后，壓簧8推動(dòng)中心管9上移，提離閥板16，閥板16在扭簧14作用下復(fù)位關(guān)閉流體通道實(shí)現(xiàn)井控。
如圖6所示，金屬波紋管組件5是本發(fā)明的核心部件，包括由波紋管上接頭501和波紋管中接頭505連接而成的波紋管接頭、桿狀波紋管封頭504和多根金屬波紋管506，金屬波紋管506之間通過(guò)導(dǎo)環(huán)509連接,金屬波紋管506與波紋管封頭504之間通過(guò)導(dǎo)向環(huán)510連接。波紋管上接頭501的上端設(shè)有油嘴500，波紋管封頭504位于波紋管接頭內(nèi)，波紋管封頭504的上端與波紋管上接頭501的上端之間設(shè)有由鋼球503和彈簧502組成的彈性鋼球，金屬波紋管506套在波紋管封頭504上，其一端與波紋管中接頭505的下端口連接，另一端與波紋管封頭504的下端連接；波紋管中接頭505的內(nèi)壁上設(shè)有凸環(huán)5051，波紋管封頭504上設(shè)有球頭臺(tái)階29與波紋管中接頭505內(nèi)壁上的凸環(huán)5051的下端28配合，鋼球503與所述波紋管接頭內(nèi)壁上的凸環(huán)5051的上端27配合。
波紋管上接頭501、波紋管封頭504、波紋管中接頭505、金屬波紋管506、導(dǎo)環(huán)509和導(dǎo)向環(huán)510通過(guò)焊接共同組成所述金屬波紋管組件5的殼體。各部件均選用與井況適合的不銹鋼或高溫合金材料，具備密封、伸縮和彈性功能，用于代替?zhèn)鹘y(tǒng)井下安全閥的活塞結(jié)構(gòu)，提供中心管移動(dòng)動(dòng)力源。具有高溫下具有穩(wěn)定的動(dòng)密封、抗腐蝕和抗疲勞的性能，可達(dá)到350°C高溫使用要求。導(dǎo)向環(huán)510可防止波紋管壁和孔壁摩擦損壞。見(jiàn)圖7，金屬波紋管506的波峰內(nèi)設(shè)置有內(nèi)支撐環(huán)507，當(dāng)外壓載荷過(guò)大時(shí)可起到支撐作用防止波峰屈服，金屬波紋管506的波谷外設(shè)置有外支撐環(huán)508，當(dāng)內(nèi)壓載荷過(guò)大時(shí)可起到支撐作用防止波谷屈月艮，支撐環(huán)材料選用石棉合成材料或其它耐溫耐壓材料，工作溫度大于400攝氏度。波紋管封頭504下部通過(guò)螺紋連接推桿511并通過(guò)并緊螺母512固定。波紋管上接頭501內(nèi)的鋼球503通過(guò)彈簧502保持與波紋管封頭504的上端面接觸。當(dāng)波紋管封頭504受液壓作用移動(dòng)到位置27時(shí)，鋼球503在此處密封防止波紋管所受壓力過(guò)載，起到保護(hù)作用。當(dāng)波紋管封頭504受外壓作用其球頭臺(tái)階29移動(dòng)到位置28時(shí)，金屬波紋管506回縮距離受到限制壓差得到平衡，起到外壓保護(hù)作用。如圖8所示，所述的控制管線連接組件2包括有通過(guò)螺扣連接在上接頭3內(nèi)的堵頭201，所述的堵頭201底端還依次設(shè)置有頂絲帽202和鎖緊環(huán)203，控制管線I依次貫穿堵頭201、頂絲帽203和鎖緊環(huán)203形成液壓油路26，并通過(guò)鎖緊環(huán)203的過(guò)盈配合實(shí)現(xiàn)密封。鎖緊環(huán)203為鍍鉻的不銹鋼零件，表面硬度可以達(dá)到HRC60可以保證擠入控制管線I。安裝時(shí)通過(guò)堵頭201旋緊頂絲帽202，頂絲帽202壓緊鎖緊環(huán)203，鎖緊環(huán)203有錐度會(huì)收緊，消除與控制管線的間隙，實(shí)現(xiàn)硬密封。不用錐管NPT螺紋連接，實(shí)現(xiàn)高溫、高壓密封。如圖9、圖10所示，所述的上接頭3與中接頭4之間、中接頭4與外筒6之間、以及外筒6與下接頭12之間的連接均為螺紋連接，其螺紋連接部分包括內(nèi)螺紋部分32和外螺紋部分33，它們之間采用帶斜度的鋸齒螺紋連接。螺紋連接部分的前端和后端分別設(shè)有帶錐度的前部密封面34和后部密封面35，內(nèi)螺紋部分32和外螺紋部分33之間通過(guò)前密封面34和后部密封面35的過(guò)盈配合實(shí)現(xiàn)內(nèi)外密封。即，帶錐度的前部密封面34和后部密封面35，靠螺紋機(jī)緊后提供硬密封，前部密封面34主要承受內(nèi)壓高壓氣密封，后部密封面35提供輔助內(nèi)壓氣密封同時(shí)提供外壓氣密封，徹底阻斷泄漏，螺紋牙型為前面帶錐度的鋸齒螺紋提供足夠的拉力強(qiáng)度，前部錐度方便旋入。螺紋連接采用金屬對(duì)金屬密封形式提高耐高溫性能和密封可靠性。
由于本體是連接油管和其它動(dòng)作件的殼體，因?yàn)橐惺芨邷?、高壓和拉力載荷，因此對(duì)密封和螺紋的強(qiáng)度要求很高。因此，所述的上接頭3與中接頭4之間、中接頭4與外筒6之間、以及外筒6與下接頭12之間的連接螺紋采用前后小錐面硬密封設(shè)計(jì)，充足的預(yù)緊力使內(nèi)外錐面貼合當(dāng)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，螺紋為有斜度的鋸齒螺紋，牙高為1-1. 5_。不使用任何橡膠材料，保證高溫、高壓下的密封性能，如圖5所示。
工作原理
本發(fā)明的井下安全閥，其上接頭3和下接頭12的螺紋處連接油管13并在上接頭3的位置安裝一根連續(xù)的控制管線I下入井中，控制管線從地面加壓，液壓推動(dòng)金屬波紋管組件5向下伸出，通過(guò)伸縮絞架組件推動(dòng)中心管9向下運(yùn)動(dòng)壓縮壓簧8并推開閥板16，打開石油、天然氣的生產(chǎn)通道。當(dāng)遇到突發(fā)情況需要關(guān)閉時(shí)，控制管線卸壓，彈簧8推動(dòng)中心管9和金屬波紋管組件5上移，閥板16在扭簧14的作用下關(guān)閉，下部的高壓流體通道被封閉實(shí)現(xiàn)井控。
權(quán)利要求
1.一種井下安全閥，包括由上接頭、中接頭、外筒和下接頭依次連接構(gòu)成的本體，所述本體內(nèi)設(shè)置有中心管；其特征是所述中接頭的管壁中設(shè)置有至少一套金屬波紋管組件，金屬波紋管組件的上端與本體上的與外接油管連接的油路通道連通，金屬波紋管組件的下端與固定在所述中心管外周壁上的定位環(huán)之間通過(guò)伸縮絞架組件相連接，所述外筒下端的內(nèi)壁上形成有凸臺(tái)，在所述中心管上位于所述定位環(huán)與所述凸臺(tái)之間套有壓簧，所述的外筒的下端設(shè)有與所述中心管軸向配合的彈性常閉閥板。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的井下安全閥，其特征是所述金屬波紋管組件包括波紋管接頭、桿狀波紋管封頭和金屬波紋管，所述波紋管接頭的上端設(shè)有油嘴，所述波紋管封頭位于所述波紋管接頭內(nèi)，波紋管封頭的上端與所述波紋管接頭的上端之間設(shè)有彈性鋼球，所述金屬波紋管套在所述波紋管封頭上，其一端與所述波紋管接頭的下端口連接，另一端與所述波紋管封頭的下端連接；所述波紋管接頭的內(nèi)壁上設(shè)有凸環(huán)，所述波紋管封頭上設(shè)有球頭臺(tái)階與所述波紋管接頭內(nèi)壁上的凸環(huán)下端配合，所述彈性鋼珠與所述波紋管接頭內(nèi)壁上 的凸環(huán)上端配合。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的井下安全閥，其特征是所述金屬波紋管的波峰內(nèi)設(shè)置有內(nèi)支撐環(huán)，金屬波紋管的波谷外設(shè)置有外支撐環(huán)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的井下安全閥，其特征是所述金屬波紋管為若干根，金屬波紋管之間通過(guò)導(dǎo)環(huán)連接，金屬波紋管與所述波紋管封頭之間通過(guò)導(dǎo)向環(huán)連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的井下安全閥，其特征是所述的上接頭與中接頭之間、中接頭與外筒之間、以及外筒與下接頭之間的連接為螺紋連接，其螺紋連接部分包括內(nèi)螺紋部分和外螺紋部分，它們之間采用帶斜度的鋸齒螺紋連接；螺紋連接部分的前端和后端分別設(shè)有帶錐度的前部密封面和后部密封面，內(nèi)螺紋部分和外螺紋部分之間通過(guò)前密封面和后部密封面的過(guò)盈配合實(shí)現(xiàn)內(nèi)外密封。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種井下安全閥，包括由上接頭、中接頭、外筒和下接頭依次連接構(gòu)成的本體，所述本體內(nèi)設(shè)置有中心管；所述中接頭的管壁中設(shè)置有至少一套金屬波紋管組件，金屬波紋管組件的上端與本體上的與外接油管連接的油路通道連通，金屬波紋管組件的下端與固定在所述中心管外周壁上的定位環(huán)之間通過(guò)伸縮絞架組件相連接，所述外筒下端的內(nèi)壁上形成有凸臺(tái)，在所述中心管上位于所述定位環(huán)與所述凸臺(tái)之間套有壓簧，所述的外筒的下端設(shè)有與所述中心管軸向配合的彈性常閉閥板。本發(fā)明是一種能夠在高溫、高壓、腐蝕環(huán)境和深海中使用的井下安全閥，不使用橡膠，并且能夠滿足高壓密封要求。
文檔編號(hào)E21B34/12GK102720464SQ20121022921
公開日2012年10月10日 申請(qǐng)日期2012年7月4日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月4日
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