专利名称：压力换位环压控制球形测试开关阀的制作方法
技术领域：
本实用新型属于石油勘探试油测试井下测试器领域。
技术背景目前使用的环压控制测试阀的关键部件是计量套，它主要是利用计量套的延时功能来完成测试阀的开启、关闭操作。其特点是压力平衡原理以及整机和计量套结构复杂，加工困难，制造成本高；测试阀轴向尺寸较长，操作不方便，保养要求高；测试操作控制压力随井深、井温、井下压力等因素的变化而改变；测试阀测试下井速度受限制，测试设计复杂；以及开井时需大型压裂车持续工作，进行环空保压，操作成本高。
发明内容
本实用新型的设计目的是设计一种压力换位环压控制球形测试开关阀，它采用滑套单流动力阀压力平衡原理，用换位槽的变化来开启、关闭球阀，原理及结构简单，操作压力恒定，并无需环空保压。
具体的说，本实用新型包括环压控制球形测试开关阀及其构成部分球阀操作机构、压力平衡机构及换位动力机构。其结构分别为压力换位环压控制球型测试开关阀，其由球阀操作机构、压力平衡机构和换位动力机构构成，球阀操作机构中的球阀外筒(6)与压力平衡机构中的充氮接头(8)一端连接，球阀操作机构中的连接短节(7)与压力平衡机构中的充氮心轴(9)一端连接；压力平衡机构中的氮腔外筒(10)和换位动力机构中的油室外筒(12)连接，压力平衡机构中的充氮心轴(9)另一端和换位动力机构中的动力心轴(13)一端连接；换位动力机构中的排油短节(19)和压力平衡机构中加压外筒(20)连接，加压外筒(20)另一端用下接头(23)封闭；换位动力机构中的动力心轴(13)另一端与压力平衡机构中的活塞心轴(21)连接。
环压控制球形测试开关阀的球阀操作机构采用球型开关阀(3)来实现密封结构；且该球阀操作系统由上座圈(1)、操作销(2)、球阀总成(3)、座弹簧(4)、下座圈(5)、球阀外筒(6)以及连接短节(7)组成；连接短节(7)与位于球阀(3)销孔中的操作销(2)连接，并带动操作销(2)拨动球阀(3)转动而开启或关闭；下座圈(5)以螺纹连于上座圈(1)上以限制球阀轴向定位尺寸，保证球阀轴向精度；为球阀(3)提供预紧力，保证球阀(3)低压密封功能的座弹簧(4)置于球阀(3)旁并被下座圈(5)定位；球阀外筒(6)套在上座圈(1)外部。下座圈(5)以螺纹连于上座圈(1)上，可以限制球阀轴向定位尺寸，保证球阀轴向精度；座弹簧(4)为球阀(3)提供预紧力，保证球阀(3)低压密封功能。
环压控制球型测试开关阀的压力平衡机构包括中段的气体加压部分和末端的油室加压部分；中段的气体加压部分主要由充氮接头(8)、充氮心轴(9)、氮腔外筒(10)、平衡活塞(11)构成；充氮接头(8)一端与球阀操作系统中的球阀外筒(6)连接，另一端与氮腔外筒(10)连接；充氮心轴(9)位于氮腔外筒(10)内并且两者之间形成一个腔室作为氮气腔；平衡活塞(11)位于氮腔外筒(10)中并被换位动力系统中油室外筒(12)定位；末端的油室加压部分由平衡活塞(22)、活塞心轴(21)、加压外筒(20)组成；加压外筒(20)一端与换位动力系统中的排油短节(19)连接，另一端与(23)连接，平衡活塞(22)固定在活塞心轴(21)上并一同位于加压外筒(20)内。氮腔压力在下井过程中与环空压力不断的趋于平衡。下井前，从充氮接头(8)向充氮心轴(9)和充氮外筒(10)之间的氮腔充入高纯度氮气。在下井与环空加压时，压力经过下面的流道流入，推动平衡活塞(11)和(23)向上运动，直到氮腔的压力与环空压力平衡，并储存一定的压力能；环空泄压时，储存的压力能释放出来，推动平衡活塞(11)向下运动，最后氮腔压力与环空压力再次达到平衡。动力阀(17)上两个方向的单流阀(18)，在压力或推力的作用下打开。当只有一个方向的单流阀(18)打开时，动力阀(17)会在压力的作用下运动到止点并打开；当两个方向的单流阀(18)同时打开时，动力阀(17)上的流道沟通，液压油就会经过流道流动。这样，单流阀的开、关，就可使动力阀(17)或在压力的作用下运动，或向氮腔输送压力能，或将氮腔中储存的压力能释放出来。
环压控制球型测试开关阀的换位动力机构主要由动力阀(17)、单流阀(18)、油室外筒(12)、钢球(14)、动力心轴(13)、换位套(15)、卡套(16)和排油短节(19)组成；油室外筒(12)一端与压力平衡系统中的氮腔外筒(10)连接，另一端与排油短节(19)连接；排油短节(19)另一端与压力平衡系统中的加压外筒(20)连接；动力心轴(13)位于油室外筒(12)中且一端与油室外筒的内壁形成一个液压油室，另一端与排油短节(19)和位于其上的单流阀(18)之间又形成一个液压油室；换位套(15)、卡套(16)、动力阀(17)分别依次套在动力心轴(13)上。在动力心轴(13)和换位套(15)之间开有如附图5所示的近似“之”字形换位槽，在换位槽内置有钢球(14)。动力阀的行程是球阀开启或关闭行程L的两倍。换位槽系统一方面保证钢球(14)在换位槽内的自由滑动；另一方面，通过换位槽的长度变化，来达到控制球阀(3)的开启、关闭。动力阀的行程＝2L，球阀开启或关闭行程＝L。下井时，动力阀(17)处于上极限位置，钢球(14)在换位槽位置1处，球阀(3)关闭。环空加压时，油室中的液压油压力升高，当压力达到一定值时，动力阀(17)两个方向的单流阀(18)同时打开，流道沟通，液压油就推动氮腔中的平衡活塞(11)向上运动，并储存一定的压力能；环空泄压后，动力阀(17)右端单流阀(18)关闭，氮气中的压力能释放出来，推动动力阀(17)向下运动，当动力阀(17)向下运动L时，钢球(14)处于换位槽位置2，动力阀(17)就通过钢球(14)拖动动力心轴(13)一起向下运动，同时操作销(2)拨动球阀(3)转动，当动力阀(17)向下运动2L，达到下极限位置时，球阀(3)完全打开；环空再次加压，动力阀(17)左端单流阀(18)关闭，动力阀(17)在环空压力的作用下向上运动，当动力阀(17)运动L时，钢球在位置3处，动力阀(17)继续向上并带动动力心轴(13)一起运动，同时操作销(2)推动球阀(3)转动，当动力阀向上运动2L，达到上极限位置时，球阀完全关闭，同时推开动力阀(17)上左端的单流阀(18)打开，流道沟通，氮腔中储存压力能；环空泄压，动力阀(17)右端单流阀(18)关闭，动力阀(17)在氮气压力的作用下向下运动，当动力阀(17)运动2L，到达下极限位置时，钢球运动到位置4处，球阀(3)保持关闭位置不动。对环空继续加压、泄压就可重复完成以上动作，达到多次开、关井的目的。
本实用新型优点是采用滑套单流动力阀压力平衡原理和球型开关阀结构，实现了对环空“加压+泄压”打开，“加压+泄压”关闭的循环开、关动作，操作时无须环空稳压就可实现多次开关井；结构简单、紧凑；测试开关井密封可靠，环空加压操作，以及测试阀全通径功能。适用于各种套管井全通径压控地层测试作业，测试操作简单方便、安全可靠。与背景技术相比具有以下几个特点1.采用滑套压力平衡原理，整机结构简单、紧凑，加工更简便，降低了加工成本；2.通过换位槽的变化来开启或关闭球阀，使开关井更加安全、可靠，不会出现下井过程中，突然开井的情况；3、带压开井，采用拉动球阀，减小球阀与球座的正压力，降低了球阀与球座之间的摩擦力，使球阀开关更灵活；4、在结构上淘汰了计量套，解决了计量套依靠进口，价格昂贵等问题，降低了整套工具的价格；5、操作压力恒定，操作压力不会随井下条件的变化而变化，并且无需环空保压，降低作业成本。
图1为本实用新型总装配结构示意图(由于其横向尺寸太长，故从中间截断化为两幅图)。
图2为本实用新型中球阀操作机构结构示意图。
图3为本实用新型中压力平衡机构和换位动力机构结构示意图(由于其横向尺寸太长，故从中间截断化为两幅图)。
图4为本实用新型中换位动力机构的动力阀结构示意图。
图5为本实用新型中换位动力机构的换位槽结构示意图。
具体实施方式
压力换位环压控制球型测试开关阀的总装结构如图1所示，由球阀操作机构、压力平衡机构和换位动力机构构成，球阀操作机构中的球阀外筒(6)与压力平衡机构中的充氮接头(8)一端连接，球阀操作机构中的连接短节(7)与压力平衡机构中的充氮心轴(9)一端连接；压力平衡机构中的氮腔外筒(10)和换位动力机构中的油室外筒(12)连接，压力平衡机构中的充氮心轴(9)另一端和换位动力机构中的动力心轴(13)一端连接；换位动力机构中的排油短节(19)和压力平衡机构中加压外筒(20)连接，加压外筒(20)另一端用下接头(23)封闭；换位动力机构中的动力心轴(13)另一端与压力平衡机构中的活塞心轴(21)连接。本实用新型适用于177～339.7mm各种规格套管井试油测试领域。
环压控制球型测试开关阀中的球阀操作机构的结构方案如图2所示它主要由上座圈(1)、操作销(2)、球阀总成(3)、座弹簧(4)、下座圈(5)、球阀外筒(6)、以及连接短节(7)等零件组成。连接短节(7)与位于球阀(3)销孔中的操作销(2)连接，并带动操作销(2)拨动球阀(3)转动而开启或关闭；下座圈(5)以螺纹连于上座圈(1)上以限制球阀轴向定位尺寸，保证球阀轴向精度；为球阀(3)提供预紧力，保证球阀(3)低压密封功能的座弹簧(4)置于球阀(3)旁并被下座圈(5)定位；球阀外筒(6)套在上座圈(1)外部。下座圈(5)以螺纹连于上座圈(1)上，可以限制球阀轴向定位尺寸，保证球阀轴向精度；座弹簧(4)为球阀(3)提供预紧力，保证球阀(3)低压密封功能。其工作原理是通过环空压力操作，使连接短节(7)作相应的向上或下运动，带动操作销(2)拨动球阀(3)转动，从而实现球阀的开启(球阀通孔与测试阀通孔接通)或关闭(球阀球面与测试阀通孔实现密封而关闭)。上座圈(1)与下座圈(5)之间用螺纹连接，既为球阀组装提供了长度空间又提高了组装精度；座弹簧(4)为球阀(3)提供预紧力，保证球阀(3)的低压密封性能。
环压控制球型测试开关阀中的压力平衡机构如图3所示，主要由充氮接头(8)、充氮心轴(9)、氮腔外筒(10)、平衡活塞(11)和(22)、油室心轴(21)、加压外筒(20)、单流阀(18)等组成。充氮接头(8)一端与球阀操作系统中的球阀外筒(6)连接，另一端与氮腔外筒(10)连接；充氮心轴(9)位于氮腔外筒(10)内并且两者之间形成一个腔室作为氮气腔；平衡活塞(11)位于氮腔外筒(10)中并被换位动力系统中油室外筒(12)定位；末端的油室加压部分由平衡活塞(22)、活塞心轴(21)、加压外筒(20)组成；加压外筒(20)一端与换位动力系统中的排油短节(19)连接，另一端与(23)连接，平衡活塞(22)固定在活塞心轴(21)上并一同位于加压外筒(20)内。氮腔压力在下井过程中与环空压力不断的趋于平衡。下井前，从充氮接头(8)向充氮心轴(9)和充氮外筒(10)之间的氮腔充入高纯度氮气。在下井与环空加压时，压力经过下面的流道流入，推动平衡活塞(11)和(23)向上运动，直到氮腔的压力与环空压力平衡，并储存一定的压力能；环空泄压时，储存的压力能释放出来，推动平衡活塞(11)向下运动，最后氮腔压力与环空压力再次达到平衡。
动力阀(17)结构示意图如图4所示，其上两个方向的单流阀(18)，在压力或推力的作用下打开。当只有一个方向的单流阀(18)打开时，动力阀(17)会在压力的作用下运动到止点并打开；当两个方向的单流阀(18)同时打开时，动力阀(17)上的流道沟通，液压油就会经过流道流动。这样，单流阀的开、关，就可使动力阀(17)或在压力的作用下运动，或向氮腔输送压力能，或将氮腔中储存的压力能释放出来。其工作原理是地面组装时从充氮接头(8)充入高纯度氮气和液压硅油。下井时，两单流阀(18)开启，压力推动平衡活塞(11)、(22)，使压力一直处于内外平衡，球阀保持关闭。
环压控制球型测试开关阀中的换位动力机构如图3所示，主要由动力阀(17)、单流阀(18)、油室外筒(12)、钢球(14)、动力心轴(13)、换位套(15)、卡套(16)和排油短节(19)等组成。动力心轴(13)设计有换位结构。油室外筒(12)一端与压力平衡系统中的氮腔外筒(10)连接，另一端与排油短节(19)连接；排油短节(19)另一端与压力平衡系统中的加压外筒(20)连接；动力心轴(13)位于油室外筒(12)中且一端与油室外筒的内壁形成一个液压油室，另一端与排油短节(19)和位于其上的单流阀(18)之间又形成一个液压油室；换位套(15)、卡套(16)、动力阀(17)分别依次套在动力心轴(13)上。在动力心轴(13)和换位套(15)之间开有如附图5所示的近似“之”字形换位槽，在换位槽内置有钢球(14)。动力阀的行程是球阀开启或关闭行程L的两倍。其工作原理是操作时，动力阀(17)处于上极限位置，钢球(14)位于换位槽位置1处，球阀(3)处于关闭位置。对环空加压时，动力阀(17)上两个方向的单流阀(18)同时打开，流道沟通，环空压力推动氮腔中的平衡活塞(11)、(22)向上运动，储存压力能；环空泄压时，动力阀(17)右端单流阀(18)关闭，氮腔压力推动动力阀(17)向下运动，当换位套(15)带动钢球(14)运动到换位槽位置2时，就拖动动力心轴(13)一起向下运动，同时连接短节(7)拉动操作销拨动球阀(3)转动，当动力阀运动到下极限位置时，球阀(3)完全关闭。再次对环空加压，动力阀(17)左端单向阀(18)关闭，动力阀(17)在环空压力的推动下向上运动，当换位套(15)带动钢球(14)运动到换位槽位置3时，就带动动力心轴(13)一起向上运动，同时连接短节(7)推动操作销(2)拨动球阀(3)旋转，当动力阀(17)运动到上极限位置时，球阀(3)完全打开；继续对环空加压，当达到一定压力时，动力阀(17)上两个方向的单流阀(18)同时打开，流道再次沟通，氮腔中储存压力能；环空泄压，动力阀(17)右端单流阀(18)关闭，动力阀(17)在氮气压力的作用下向下运动，当动力阀(17)运动2L，到达下极限位置时，钢球(14)运动到位置4处，球阀(3)保持在关闭位置不动。重复以上操作，就可多次打开或关闭球阀，达到开关井的目的。在这里，卡套(16)不仅具有连接功能，而且在换位时能够保证换位套(15)的灵活转动。
权利要求1.一种压力换位环压控制球型测试开关阀，其特征是由球阀操作机构、压力平衡机构和换位动力机构构成，球阀操作机构中的球阀外筒(6)与压力平衡机构中的充氮接头(8)一端连接，球阀操作机构中的连接短节(7)与压力平衡机构中的充氮心轴(9)一端连接；压力平衡机构中的氮腔外筒(10)和换位动力机构中的油室外筒(12)连接，压力平衡机构中的充氮心轴(9)另一端和换位动力机构中的动力心轴(13)一端连接；换位动力机构中的排油短节(19)和压力平衡机构中加压外筒(20)连接，加压外筒(20)另一端用下接头(23)封闭；换位动力机构中的动力心轴(13)另一端与压力平衡机构中的活塞心轴(21)连接。
2.根据权利要求1所述的环压控制球型测试开关阀，其特征是球阀操作机构的密封结构采用球型开关阀(3)；且该球阀操作机构由上座圈(1)、操作销(2)、球阀总成(3)、座弹簧(4)、下座圈(5)、球阀外筒(6)以及连接短节(7)组成；带动操作销(2)拨动球阀(3)转动而开启或关闭的连接短节(7)与位于球阀(3)销孔中的操作销(2)连接；下座圈(5)以螺纹连于上座圈(1)上，座弹簧(4)置于球阀(3)旁并被下座圈(5)定位；球阀外筒(6)套在上座圈(1)外部。
3.根据权利要求1所述的环压控制球型测试开关阀，其特征是压力平衡机构包括中段的气体加压部分和末端的油室加压部分；中段的气体加压部分主要由充氮接头(8)、充氮心轴(9)、氮腔外筒(10)、平衡活塞(11)构成；充氮接头(8)一端与球阀操作系统中的球阀外筒(6)连接，另一端与氮腔外筒(10)连接；充氮心轴(9)位于氮腔外筒(10)内并且两者之间形成一个腔室作为氮气腔；平衡活塞(11)位于氮腔外筒(10)中并被换位动力系统中油室外筒(12)定位；末端的油室加压部分由平衡活塞(22)、活塞心轴(21)、加压外筒(20)组成；加压外筒(20)一端与换位动力系统中的排油短节(19)连接，另一端与下接头(23)连接，平衡活塞(22)固定在活塞心轴(21)上并一同位于加压外筒(20)内。
4.根据权利要求1所述的环压控制球型测试开关阀，其特征是换位动力机构主要由动力阀(17)、单流阀(18)、油室外筒(12)、钢球(14)、动力心轴(13)、换位套(15)、卡套(16)和排油短节(19)组成；油室外筒(12)一端与压力平衡系统中的氮腔外筒(10)连接，另一端与排油短节(19)连接；排油短节(19)另一端与压力平衡系统中的加压外筒(20)连接；动力心轴(13)位于油室外筒(12)中且一端与油室外筒的内壁形成一个液压油室，另一端与排油短节(19)和位于其上的单流阀(18)之间又形成一个液压油室；换位套(15)、卡套(16)、动力阀(17)分别依次套在动力心轴(13)上。
5.根据权利要求4所述的环压控制球型测试开关阀，其特征是在动力心轴(13)和换位套(15)之间开有近似“之”字形换位槽，在换位槽内置有钢球(14)。
6.根据权利要求4所述的环压控制球型测试开关阀，其特征是动力阀的行程是球阀开启或关闭行程L的两倍。
专利摘要本实用新型属于石油勘探设备中的井下测试器。它由球阀操作机构、压力平衡机构和换位动力机构四部分构成，球阀操作机构中的球阀外筒与压力平衡机构中的充氮接头一端连接，球阀操作机构中的连接短节与压力平衡机构中的充氮心轴一端连接；压力平衡机构中的氮腔外筒和换位动力机构中的油室外筒连接，压力平衡机构中的充氮心轴另一端和换位动力机构中的动力心轴一端连接。其关键是采用滑套单流动力阀压力平衡原理和球型开关阀结构，实现了对环空“加压+泄压”打开，“加压+泄压”关闭的循环开、关动作，操作时无须环空稳压就可实现多次开关井。
文档编号E21B47/00GK2612797SQ0229437
公开日2004年4月21日 申请日期2002年12月24日 优先权日2002年12月24日
发明者庄明之, 葛旭, 黄志遂 申请人:宝鸡石油机械有限责任公司