取心筒阀组件的制作方法

取心筒阀组件的制作方法
【专利摘要】一种在取心筒头组件的内管构件中使用的阀组件，该取心筒头组件能够定位在钻探设备的钻柱内。该阀组件使用两个分离的表面A和B以及具有力FS的偏置元件来进行工作。当存在流体静压力时，在这些表面上产生力：FA和FB。这些力与压力具有直接关系，随着压力的增大该力将增大并且反之亦然。表面面积设计成使得：FA>FB+FS，这将使阀在预定流体压力下时保持关闭，从而为钻探工指示出内管已经着落。当钻探工释放流体压力并且压力减小时，FA、FB和FS之间的力差减小，直到FA<FB+FS，则打开阀用于进行钻探。
【专利说明】取心筒阀组件

【技术领域】
[0001] 本发明总体上涉及取心筒。更具体地，本发明涉及取心筒头组件。

【背景技术】
[0002] 已知的是在各种连接中使用阀，阀通过在承受来自流体的特定压力时被打开来对 流体的供给进行控制。一种这样的应用是在绳索取心钻探中，如将在下文中描述的。
[0003] 当执行勘探钻探以收集来自从几百米到几千米深度的岩石样本时，使用了具有内 管和外管的双心管。该样本收集在通常具有几米长度的内管内。内管何时充满通常借助 于对心管内的冲水压力进行测量的压力计或类似物检测到。悬置在线材上的取回装置被 降低至管中以便收回带有样本的内管，所述取回装置包括以爪或"矛头（spearhead) "形式 存在的抓取装置，该抓取装置设置成与设置在内管的上端上/内管的上端中的抓取装置接 合。然后当线材被拉紧时，内管与外管脱开，并且带有样本的内管可以被升起。相反地，爪和 内管上的抓取装置可以用于使新的内管降落。这种类型的设备通常被称为绳索系统（wire line system)〇
[0004] 当插入新内管时，重要的是能够确定在钻探开始之前，内管已经实际上一直向下 到达外管的底部并且已经假定为用于钻探的正确位置。对关于管不再能够移动而是被牢固 地保持的确定通常被当作是内管已经到达其正确位置的指示。因此，根据已知技术，抓取装 置通常被设计成与一些类型的锁定构件结合，该锁定构件在内管已经达到正确位置时相对 于外管牢固地锁定内管。该锁定构件通常包括优选地为弹簧加载的钩状装置、锁定爪或闩 锁，该锁定爪或闩锁与设置在外管内侧中的凹部或肩部接合。内管的实际插入通常通过在 水的辅助下沿钻柱内侧"泵送"内管来执行。当内管牢固地位于适当位置时，水压将增大至 使得设置用于冲洗内管中的介质的阀被释放的程度。
[0005] 这种已知装置的一个问题在于，当内管插入钻柱中时，内管有时在其到达用于钻 探的正确位置之前卡住。通过目前使用的设计，随后发生的水压增加将在内管到达其正确 位置之前释放冲洗阀，并且在最坏的情况下，钻探将开始。首先从经济的角度来看这导致了 损失，因为钻探将不复存在。还存在底部处的心被毁坏的风险。因此，提供着落指示系统以 确保内管已到达其正确位置是有用的。
[0006] 提供着落指示系统的当前产业标准使用作为具有短信号持续时间的阀组件的球 和套管或者柱塞（附接至缩回壳体的球）和套管。
[0007] 用于取心筒阀的当前标准具有这样的压力信号，该压力信号持续时间非常短并且 很容易被钻探者错过，并且对于较深的孔是不可靠的，而且需要频繁的更换。先前已知的具 有持续的压力信号的阀由于阻塞阀的移动部分的泥和岩屑而是不可靠的。先前的阀在具有 非常低的地下水位以及非常深的孔的孔条件下也是受限的，因为这些阀不能应对大的流体 静压力差异。
[0008] 在US 6, 708, 784中描述的系统试图补救上述问题中的一些问题。US 6, 708, 784 公开了用于阀的方法，该阀包括可移动的阀元件，该阀元件具有第一侧部和第二侧部，该第 一侧部面向用于供给加压流体的装置并且在供给方向上受到来自所述流体的力的影响，该 第二侧部在相反方向上受到来自所述流体的力的影响。该阀设置有将阀元件的第一侧部与 阀元件的第二侧部连接的至少一个连接件，并且还包括通过将阀元件从关闭位置移位至打 开位置来打开阀的弹簧。该方法包括以下步骤：加压流体被供给至处于关闭位置的阀，使得 阀保持关闭；至关闭的阀的加压流体的供给停止，则第一侧部与第二侧部之间的压力差减 小，从而使弹簧能够打开阀，并且加压流体被供给至处于打开位置的阀，并且阀保持打开。
[0009] 然而，US 6, 708, 784中描述的阀组件不是自复位式的，并且在冲洗介质中存在有 岩屑和/或添加物时不能适当地起作用。
[0010] 因此，目前仍存在如下一种用于着落指示系统的阀组件的需要：该阀组件是自复 位式的，并且将与冲洗介质中的岩屑和/或添加物一起工作，同时在低水位条件下以及在 浅孔中适当地起作用。


【发明内容】

[0011] 本发明的目的是提供解决上述需求中的至少一个需求的阀组件。
[0012] 因此，本发明提供一种如下的阀组件：其在能够定位在钻探设备的钻柱内的取心 筒头组件中使用，该阀组件包括：
[0013] -着落肩部（landing shoulder);
[0014] -至少一个上游流体流动端口，该上游流体流动端口能够在着落肩部的上游定位 在钻探设备的流体管路内；
[0015] -至少一个下游流体流动端口，该下游流体流动端口能够在着落肩部的下游定位 在钻探设备的流体管路内；
[0016] -至少一个流体压力连通端口，该流体压力连通端口能够定位在钻探设备的流体 管路内；
[0017] -可移动的阀元件，该阀元件具有：第一侧部，该第一侧部通过至少一个压力端 口与加压流体流体连通并且具有在供给方向上受到来自所述流体的力F A影响的第一表面； 和面向相反的方向的第二侧部，该第二侧部通过至少一个上游流体流动端口与加压流体流 体连通并且具有在相反方向上受到来自所述流体的力F B的影响的第二表面；
[0018] -至少一个偏置元件，该偏置元件用于通过将阀元件从关闭位置移位到打开位置 来打开阀组件，
[0019] 其中，所述第二表面的面积大于所述第一表面的面积，使得在关闭方向上影响阀 元件的以来自加压流体作用在所述第二表面上的力F B的形式的力超过在打开方向上影响 阀元件的以对来自偏置元件的力Fs和来自加压流体作用在所述第一表面上的力F A进行结 合的形式的力，由此，阀元件在加压流体被供给时保持在阀的关闭位置。
[0020] 根据本发明，还提供了一种用于操作用在取心筒头组件中的阀组件的方法，该取 心筒头组件能够定位在由加压流体驱动的钻探设备的钻柱内，阀组件包括：
[0021] -着落肩部；
[0022] -至少一个上游流体流动端口，该上游流体流动端口能够在着落肩部的上游定位 在钻探设备的流体管路内；
[0023] -至少一个下游流体流动端口，该下游流体流动端口能够在着落肩部的下游定位 在钻探设备的流体管路内；
[0024] -至少一个流体压力连通端口，该流体压力连通端口能够定位在钻探设备的流体 管路内；
[0025] -可移动的阀元件，该阀元件具有：第一侧部，该第一侧部通过至少一个压力端 口与加压流体流体连通并且具有在供给方向上受到来自所述流体的力F A影响的第一表面； 和面向相反的方向的第二侧部，该第二侧部通过至少一个上游流体流动端口与加压流体流 体连通并且具有在相反方向上受到来自所述流体的力F B影响的第二表面；
[0026] -至少一个偏置元件，该偏置元件用于通过将阀元件从关闭位置移位到打开位置 来打开阀组件，
[0027] 其中，所述第二表面的面积大于所述第一表面的面积，使得在关闭方向上影响阀 元件的以来自加压流体作用在所述第二表面上的力F B的形式的力超过在打开方向上影响 阀元件的以来自偏置元件的力Fs和来自加压流体作用在所述第一表面上的力F A进行结合 的形式的力，
[0028] 该方法包括下述步骤：
[0029] a)将加压流体供给至处于关闭位置的阀元件，由此，阀组件保持关闭；
[0030] b)减少加压流体至关闭的阀组件的供给；以及
[0031] c)允许所述第一侧部与所述第二侧部之间的压力差减小，从而使得偏置元件能够 驱使阀元件朝向打开位置，并且因而允许流体流动通过至少一个上游流体流动端口。
[0032] 根据本发明，还提供了包括绳索取心钻机的绳索取心钻探系统，该绳索取心钻机 具有内管、外管和阀组件，通过该内管来收集岩心样本，外管连接至钻头，阀组件位于内管 的后端处，阀组件控制以加压流体形式存在的冲洗介质的供给，其中，阀组件如上述方式构 造。
[0033] 根据本发明的阀组件提供两个单独的端口，该两个单独的端口位于着落肩部的上 游并且允许流体压力将力施加至两个不同的表面，以消除了易于被岩屑堵塞的小流体通 道，并且允许在阀打开时对于钻探的明显较少受限的流动。流体压力用于锁定接合在钻柱 中的闩锁。这确保了当头部已经着落但流体压力尚未积聚时阀组件将保持关闭。该特征也 极大地降低了在闩锁沿钻柱向下行进时由闩锁施加至钻柱的内侧壁的压力，从而很大程度 地减小了摩擦，减少了对闩锁的磨损并且减少了行进至孔的底部的时间。阀组件因此可以 在低水位条件下和在浅孔中起作用。
[0034] 根据本发明的特定实施方式的阀组件也可以是自复位式的，US 6, 708, 784中描述 的系统中不存在该特征。US 6, 705, 784中公开的系统在岩屑存在于阀的滑动表面之间时将 不能适当地起作用。然而，根据本发明的阀组件还提供了减小的滑动表面区域，其中，增加 密封件以阻挡岩屑进入这些区域。

【专利附图】

【附图说明】
[0035] 前面的概要以及本发明的优选实施方式的详细描述在与附图结合起来阅读时将 被更好地理解。为了说明本发明的目的，在示意性的附图中示出有目前优选的实施方式。然 而应当理解，本发明不限于示出的确切布置和机构。在附图中：
[0036] 图1是根据本发明的优选实施方式的头组件的分解立体图，该头组件具有可互换 的中间闩锁本体。
[0037] 图2A至图2C是根据本发明的另一个优选实施方式的头组件的侧视截面图。
[0038] 图3A至图3C是对应于图6A至图6C中示出的视图相对应的头组件的详细的侧视 截面图，其示出了通过阀组件的流线。
[0039] 图4A至4D是根据本发明的另一个优选实施方式的具有阀组件的头组件的详细的 局部详细的侧视截面图，其示出了阀组件优选的顺序使用。
[0040] 图5A和图5B是图6A至图6C中示出的头组件的上闩锁本体和闩锁缩回壳体的局 部侧视图。
[0041] 图6A和图6B分别是在阀组件的优选的顺序使用的下降阶段期间、图6A至图6C 中示出的头组件的阀组件的局部截面视图和接合的上闩锁本体和闩锁缩回壳体的局部侧 视图。
[0042] 图7A和图7B分别是在阀组件的优选的顺序使用的信号阶段期间、图6A至图6C 中示出的头组件的阀组件的局部截面视图和接合的上闩锁本体和闩锁缩回壳体的局部侧 视图。
[0043] 图8A和图8B分别是在阀组件的优选的顺序使用的工作阶段期间、图6A至图6C 中示出的头组件的阀组件的局部截面视图和接合的上闩锁本体和闩锁缩回壳体的局部侧 视图。
[0044] 图9A和图9B分别是在阀组件的优选的顺序使用的转换至缩回/取回阶段期间、 图6A至图6C中示出的头组件的阀组件的局部截面视图和接合的上闩锁本体和闩锁缩回壳 体的局部侧视图。
[0045] 图10A和图10B分别是在阀组件的优选的顺序使用的缩回/取回阶段期间、图6A 至图6C中示出的头组件的阀组件的局部截面视图和接合的上闩锁本体和闩锁缩回壳体的 局部侧视图。

【具体实施方式】
[0046] 在详细说明本发明的任何实施方式之前，要理解本发明不限于其在下文的描述中 说明的或在下面的附图中示出的构型和部件的布置方式的细节中的应用。本发明能够用 于其他实施方式并能够以不同的方式来实施或执行。同样，要理解此处使用的用语和术语 是用于说明的目的而不应被作为限制。在此，"包括"、"包含"或"具有"及其变型的使用意 于涵盖随后列出的项目及其相等物以及附加的项目。除非另外指出或限制，词语"安装"、 "连接"、"支承"和"联接"及其变型将在广义的方面使用并涵盖直接和间接的安装、连接、支 承和联接，并因此意于包括两个构件之间直接连接（没有任何其他构件位于这两个构件之 间）以及构件之间的间接连接（其中一个或更多个其他构件位于构件之间）。另外，"连接" 和"联接"不限于物理的或机械的连接或联接。附加地，词语"下"、"上"、"向上"、"下方"和 "向下"指的是在被参照的附图中的方向。术语包括上文具体提到的词语、其派生词、以及词 语或类似含义。
[0047] 现在详细参照附图，其中，相同的附图标记始终用于指代相同的元件，在图1中示 出了用于钻探设备的取心筒头组件10的当前优选的实施方式的分解视图。
[0048] 取心筒头组件10能够定位在钻探设备的钻柱内。取心筒头组件10包括上闩锁本 体12和下闩锁本体14。头组件10还包括中间闩锁本体16,中间闩锁本体16使上闩锁本 体12与下闩锁本体14分离并且将上闩锁本体12可移除地联接到下闩锁本体14。图1示 出中间闩锁本体16A、16B、16C的三种不同的样例实施方式以说明中间闩锁本体16的可互 换性。在所有的情况下，中间闩锁本体16可移除地联接至上闩锁本体12和下闩锁本体14。 中间闩锁本体16容置有着落指示器装置18。由上闩锁本体12、下闩锁本体14、以及中间闩 锁本体16形成共同的中央孔20。
[0049] 优选地，如图1中所示，头组件包括上闩锁本体12,该上闩锁本体12具有锁闩组件 30和流体压力连通端口 32。下闩锁本体14通过可移除的套筒36保持着落肩部34,并且下 闩锁本体14包括位于着落肩部下游的流体流动端口 38。中间闩锁本体部件16还具有位于 着落肩部上游的流体流动端口 40,并且连接上闩锁本体12和下闩锁本体14,其中，中央孔 20连接流体流动端口 38和流体流动端口 40。中间闩锁本体16包括能够提供着落指示信号 的阀调机构42。共同的中央孔20呈现为穿过所有的本体部件。头组件优选地包括下述两 组端口 ：第一组用于与内部阀调机构42流体压力连通，第二组用于钻探所需的流体流，在 钻探中，流体流通过内部阀调机构42而被阻挡或者打开。该流体端口设计提供了在钻探期 间增大的流体流的优点，这意味着与没有旁通端口的头组件--其中所有流体从上闩锁本 体到下闩锁本体循环通过位于着落肩部上游的单个端口系统（因此更多地经受堵塞）-- 相比，不太可能积聚碎屑和塞进泥并且因此还产生更加有效的泵送系统。鉴于头组件可重 构的特性，可根据钻探情况来使用不同的阀调系统，并且因此可在开发出更新类型的阀时 容易地进行升级。图1示出了三种不同的头组件的示例，在这些头组件中上闩锁本体12和 下闩锁本体14相似并可以共用，但是其中，中间闩锁本体16的变换（changeout)允许使用 可根据特定钻探条件定制的不同的阀调机构设计。
[0050] 下面的部分将说明不同的阀调机构，这些阀调机构可通过不同的中间闩锁本体16 而变换，同时还受益于在着落肩部上游具有不同的流体压力连通端口 32和流体流动端口 40的优点。
[0051] 流体控制阀
[0052] 图2A-10B示出了根据本发明的另一个优选的实施方式的头组件的不同的实施方 式。再一次，头组件考虑到在上闩锁本体12与下闩锁本体14之间的可互换的中间闩锁本 体16。另外，中间闩锁本体中的阀调组件受益于使用分离的压力连通端口 32和流体流动 端口 40。头组件包括阀组件100,该阀组件100用在能够定位在钻探设备的钻柱中的取心 筒头组件10中。阀组件100包括在着落肩部上游的在取心筒头组件100的侧壁中形成的 至少一个压力端口 32。还存在至少一个流体流动端口 40,其形成在着落肩部下游的在取心 筒头组件100的侧壁中。阀组件100还包括可移动的阀元件218,该阀元件具有第一侧部 220,该第一侧部220与穿过头组件的加压流体流体连通并且具有受到来自所述流体的力F a 在供给方向上影响的第一表面。第二侧部222面向相反的方向，第二侧部222与穿过头组 件的加压流体流体连通且具有受到来自流体的力&在相反方向上影响的第二表面。诸如 弹簧224或者任何等同的弹性元件的偏置元件设置用于通过使阀元件218从阻挡至少一个 流体流动端口 40的关闭位置移位至打开位置来驱使阀组件朝向打开构型。偏置元件或弹 簧可以设计成可调节的。
[0053] 第二表面的面积大于第一表面的面积，使得在关闭方向上影响阀元件218的以来 自加压流体作用至第二表面上的力FB的形式的力超过在打开方向上影响阀元件的以来自 弹簧的力Fs与来自加压流体作用至第一表面上的力FA的结合形式的力，由此，当供给加压 流体时，阀元件保持在阀的关闭位置，如图2A和图3A中所示出的。
[0054] 优选地，当加压流体至关闭的阀的供给减小时，在所述第一侧部220与所述第二 侧部壁222之间的压力差减小，并且则弹簧224驱使阀元件218以使阀元件从其关闭位置 移位到打开位置，从而对至少一个流体流动端口 40解除堵塞，如图2B和3B中所示出的。
[0055] 优选地，阀组件还包括锁定装置，该锁定装置用于将阀元件机械地锁定在其关闭 位置中。在图4A至图4D中示出的一种可能的实施方式中，锁定装置包括压力套筒226,该 压力套筒226通过缩回壳体28机械地连接至内管构件的闩锁锁定机构232。在图2A至3C 以及图5A至图10B中示出了锁定装置的另一个可能的实施方式，并且将在下面更详细地描 述。
[0056] 根据本发明，还提供了用于操作在取心筒头组件中使用的阀组件的方法，该取心 筒头组件能够定位在由加压流体驱动的钻探设备的钻柱内，该方法包括下面的步骤：
[0057] a)将加压流体供给至处于其关闭位置的阀元件218,由此，阀组件保持关闭；
[0058] b)减小加压流体至关闭的阀组件的供给；以及
[0059] c)允许第一侧部220与第二侧部222之间的压力差减小，从而使得偏置元件224 能够驱使阀元件18朝向打开位置，并且从而允许流体流动通过至少一个流体流动端口并 且保持打开。
[0060] 优选地，当阀组件100还包括用于将阀元件机械地锁定在其关闭位置的锁定装置 时，在步骤a)中，阀元件处于机械锁定的关闭位置，并且该方法在步骤a)与步骤b)之间还 包括如下步骤：
[0061] i)导致锁定装置停止将阀元件218锁定在关闭位置。
[0062] 优选地，锁定装置包括压力套筒226,该压力套筒机械地连接至头组件的闩锁锁定 机构232,并且步骤i)还包括以下步骤：允许流体压力使压力套筒226移位并且使闩锁锁 定机构232的闩锁锁头（latch lock) 228接合。
[0063] 如上文所提到的，现在将提出如图2A至3C以及图5A至图10B中图示出的流体控 制的阀组件并且特别地锁定装置的另一个实施方式。优选地，阀元件为包括阀本体250和 阀活塞252的两件式的阀。阀本体250用以选择性地堵塞流体流动端口 40并且包括侧部 222,该侧部222施加力以驱使阀组件朝向关闭构型。阀活塞252包括侧部220,该侧部220 施加力以驱使阀组件朝向打开构型。阀活塞252还包括有槽杆254和销256,有槽杆254用 以允许流体流冲洗碎片，销256用以与上闩锁本体12和闩锁缩回壳体28中的异形槽协作 以能够选择性地将阀组件锁定在关闭构型。
[0064] 优选地，如图5A中更好示出的，上闩锁本体12包括异形槽258,该异形槽与阀活塞 252的销256协作以将阀锁定在关闭位置并且允许阀在流体压力的预定升高之后移动至打 开位置。更具体地，异形槽258允许销在主槽部260内的轴向运动。槽258的顶端262相 对于主槽部成一定角度地横向地延伸，至少部分地径向地并且朝向相反的底端延伸，以防 止销256向下运动。销256通过使阀组件朝向打开位置偏置的弹簧224而保持在径向延伸 的槽位置。
[0065] 优选地，随着流体压力升高并且侧部220表面上的力克服弹簧力时，阀本体250和 活塞252均将向上运动，并且阀活塞252上的销256将通过成角度的槽延伸部262被导向 以使销256朝向主槽部260径向地运动（或者使销256旋转），从而允许销并且因而阀构件 在压力被释放时进行轴向运动。
[0066] 优选地，如图5B中所示，闩锁缩回壳体28还具有与阀活塞252上的销256协作的 异形槽270。闩锁缩回壳体28在闩锁142缩回时自动地使销256移动至上闩锁本体12的 异形槽258上的锁定位置。因此，异形槽有助于将闩锁缩回壳体28和闩锁锁头保持在中间 向上位置，使得闩锁锁头未接合至闩锁142,从而大程度地减小下降期间钻杆上的闩锁曳力 (latch drag)〇
[0067] 异形槽270允许销256在主槽部272内的轴向运动。槽的底端274以至少部分地 径向地及轴向地低于主槽部272的方式相对主槽部272成一定角度地延伸，从而当闩锁缩 回壳体28向上移动以缩回闩锁142时使销256朝向上闩锁本体12中的锁定位置旋转。销 256在闩锁缩回的期间则可在平行于主槽的方向上朝向底端274向回延伸。
[0068] 优选地，缩回壳体28中的诸如弹簧或其他等同弹性元件的偏置元件280,在从打 捞筒（overshot)释放时且在下降阶段期间将偏置缩回壳体28朝向向下位置。异形槽270 的底端部274将防止缩回壳体28移动至完全向下位置因为缩回壳体28被保持在中间向上 位置，从而防止闩锁锁头与闩锁142接合，再次极大地减小了在下降期间钻杆上的闩锁曳 力。
[0069] 现在将描述阀组件的操作顺序。将对分别在图2A至图3C/图5A至图10B以及图 4A至图4D中示出的两组不同的实施方式中示出的部件进行参照。
[0070] 下降
[0071] 在将内管头组件插入钻柱中之前，闩锁缩回壳体28被向上（图2A、图4A或图6A 中的右侧）拉至其第一位置。这将使闩锁锁头228脱离并且允许闩锁142从接合位置自由 地移动至缩回位置并且反之亦然。阀偏置装置224和缩回壳体偏置装置236被压缩。在图 4A中示出的实施方式中，闩锁缩回壳体28直接连接至压力套筒226。压力套筒226和/或 闩锁缩回壳体28在其行进通过钻柱时保持在该第一位置中（通过机械锁），以减小在下降 期间钻杆上的闩锁曳力。在图2A或图6A至图6B中示出的实施方式中，附接至阀活塞252 的销256通过与异形槽258、270的相互作用而被限制并且因此被防止向下移动以锁定闩锁 142,因而减小钻杆上的闩锁曳力。阀本体250堵塞通过流体流动端口 40的流体流。
[0072] 信号
[0073] 当头组件10已经着落在正确位置中，对于图4B中示出的实施方式，流体压力将增 大并且作用在表面220上，并且以处于小于第二预定值--例如说诸如最大泵压力--的 第一预定值的力推动以使压力套筒226向下移动并且使闩锁锁头228接合，压力套筒226 通过闩锁缩回壳体28直接与闩锁锁头228连接。在该构型中，闩锁142被接合并且锁定在 外管中，并且允许通过槽242连接至缩回壳体28的阀元件218正常地操作。如果闩锁142 未处于正确位置中，闩锁锁头228以及其直接连接的部件将不能够向下移动至第二位置并 且允许阀正常地操作。流体压力将保持为高，甚至在其已经被释放至大气中之后亦是如此， 从而向钻探工指示出闩锁未正确地接合并且必须采取校正动作。在第二位置中，流体压力 继续升高并且通过压力连通端口 32作用在第一表面220上并且通过流体流动端口 38作用 在第二表面222上。第一表面面积小于第二表面面积，使得当存在流体压力时，由第二表面 面积产生的力大于由第一表面面积产生的力和弹簧224的力的合力。这在流体压力作用在 阀上时将保持阀处于关闭位置中。
[0074] 对于图7A至图7B中示出的实施方式，在相似的流体压力条件下，增大的压力将使 阀本体250和阀活塞252向上移位，这通过与异形槽258、260相互作用而使销256旋转出 其锁定构型。这允许阀活塞252移动并且允许缩回壳体28下降而闩锁142被接合。然而， 如果闩锁142阻塞，则缩回壳体28将不向下移动，从而阻挡阀活塞252和阀组件的移动并 且防止流体流动端口 40的打开。
[0075] 工作
[0076] 对于图4C的实施方式，当流体泵停止并且压力释放时，第一表面220与第二表面 222之间的压力差减小，使得偏置装置224或弹簧力将使阀元件218向下移动至打开的第三 位置。泵则将被返回打开并且钻探流体将穿过流体流动端口 40自由地流动至用于钻探的 钻头。
[0077] 对于图2B和图8A、8B中示出的实施方式，一旦流体压力被释放，则偏置装置224 或弹簧力还克服第一表面220与第二表面224之间的压力差以驱使阀元件218朝向打开位 置。在该构型中，流体流动通过阀活塞254中的槽并且流动通过阀本体250进入中央孔20。
[0078] 缩回/取回
[0079] 当内管充满心（core)时，取回装置或打捞筒沿钻柱被向下输送并且连接至矛头 50。对于图4D中示出的实施方式，连接至缩回壳体28的矛头50被向上拉以进行取回并且 使缩回壳体28越过其在下降期间所处的第一位置向上移动至其第四位置。可滑动地连接 至缩回壳体28的阀元件218和阀本体250向上移动越过第一位置同样还允许流体流动通 过孔口 260。当打捞筒与矛头50断开连接时，弹簧236将使阀组件回到第一下降位置并且 其将为沿孔下降的下一个运动做好准备。
[0080] 对于图2C和图9A至图9B中示出的实施方式，在类似的情况下，缩回壳体28的缩 回引起销256旋转朝向锁定构型，从而在矛头50的取回期间使闩锁142保持在开闩构型并 且使闩锁的在钻杆上的曳力最小化。该构型也将阀本体250定位在下述构型：该构型使流 体流动端口 40在取回操作期间保持打开。
[0081] 复位
[0082] 对于图10A至图10B中示出的实施方式，一旦阀组件返回至表面，阀本体150必须 在表面位置处被手动地移位，以将阀本体150定位在关闭构型中，而再次为沿孔向下的下 一次下降做好准备。对于图4A至图4D中示出的实施方式，复位可以自动地完成。
[0083] 本发明还提供了绳索取心钻探系统，该绳索取心钻探系统包括绳索取心钻，绳索 取心钻具有：内管，通过该内管来收集岩心样本；外管，该外管连接至钻头；以及阀组件，该 阀组件位于内管的后端处，所述阀组件控制以加压流体形式存在的冲洗介质的供给，其中， 阀组件以如以上提供的实施方式中的一个实施方式中描述的那样构造。
[〇〇84] 尽管本发明的优选实施方式已经在这里进行了详细描述并且在附图中示出，应当 理解的是本发明不限于这些精确的实施方式，并且各种改变和修改可以在不偏离本发明的 范围的情况下实现。
【权利要求】
1. 一种阀组件，所述阀组件用在能够定位在钻探设备的钻柱内的取心筒头组件中，所 述阀组件包括： -着落肩部； -至少一个上游流体流动端口，所述上游流体流动端口能够定位在所述着落肩部的上 游的所述钻探设备的流体管路内； -至少一个下游流体流动端口，所述下游流体流动端口能够定位在所述着落肩部的下 游的所述钻探设备的所述流体管路内； -至少一个流体压力连通端口，所述流体压力连通端口能够定位在所述钻探设备的所 述流体管路内； -可移动的阀元件，所述阀元件具有：第一侧部，所述第一侧部通过至少一个压力端 口与加压流体流体连通并且具有在供给方向上受到来自所述流体的力FA影响的第一表面； 和面向相反方向的第二侧部，所述第二侧部通过所述至少一个上游流体流动端口与加压流 体流体连通并且具有在相反方向上受到来自所述流体的力F B影响的第二表面； -至少一个偏置元件，所述偏置元件用于通过将所述阀元件从关闭位置移位到打开位 置来打开所述阀组件， 其中，所述第二表面的面积大于所述第一表面的面积，使得在关闭方向上影响所述阀 元件的以来自所述加压流体作用在所述第二表面上的所述力FB的形式的力超过了在打开 方向上影响所述阀元件的以对来自所述偏置元件的力F s和来自所述加压流体作用在所述 第一表面上的所述力FA进行结合的形式的力，由此，所述阀元件在所述加压流体被供给时 保持在阀的关闭位置中。
2. 根据权利要求1所述的阀组件，其中，当加压流体至关闭的所述阀的供给减少时，所 述第一侧部与所述第二侧部之间的压力差减小，并且于是所述偏置元件驱使所述阀元件从 其关闭位置移位到其打开位置。
3. 根据权利要求1或权利要求2所述的阀组件，还包括用于将所述阀元件机械地锁定 在所述阀元件的关闭位置中的锁定装置。
4. 根据权利要求3所述的阀组件，其中，所述锁定装置包括机械地连接至内管构件的 闩锁锁定机构的压力套筒。
5. 根据权利要求3所述的阀组件，其中，所述阀元件包括： -阀本体，所述阀本体包括所述第二表面；以及 -阀活塞，所述阀活塞包括： -活塞元件，所述活塞元件包括所述第一表面； -有槽杆，所述有槽杆将所述活塞元件连结至所述阀本体；以及 -销，所述销附接至所述活塞元件并且远离所述活塞元件径向地突出， 并且其中，所述锁定装置包括： -上闩锁本体，所述上闩锁本体具有与所述销协作的第一异形槽，所述第一槽包括沿 轴向方向延伸的主部和在横向于所述轴向方向且与所述轴向方向成径向的方向上延伸的 副部；以及 -闩锁缩回壳体，所述闩锁缩回壳体能够相对于所述上闩锁本体同轴地移位并且叠覆 在所述上闩锁本体上，所述闩锁缩回壳体具有与所述销协作的第二异形槽，所述第二槽包 括主部和副部，所述第二槽的主部沿所述轴向方向延伸，所述第二槽的副部在横向于所述 轴向方向并且与所述第一槽的副部延伸的横向方向平行的方向上延伸，所述闩锁缩回壳体 与内管构件的闩锁锁定机构协作，使得所述阀元件被锁定并且所述闩锁缩回壳体在所述销 在所述第一异形槽和所述第二异形槽的副部中移位时防止所述闩锁锁定机构与所述取心 筒头组件的闩锁接合。
6. -种用于操作在取心筒头组件中使用的阀组件的方法，所述取心筒头组件能够定位 在由加压流体驱动的钻探设备的钻柱内，所述阀组件包括： -着落肩部； -至少一个上游流体流动端口，所述上游流体流动端口能够定位在所述着落肩部的上 游的所述钻探设备的流体管路内； -至少一个下游流体流动端口，所述下游流体流动端口能够定位在所述着落肩部的下 游的所述钻探设备的所述流体管路内； -至少一个流体压力连通端口，所述流体压力连通端口能够定位在所述钻探设备的所 述流体管路内； -可移动的阀元件，所述阀元件具有：第一侧部，所述第一侧部通过所述至少一个压 力端口与加压流体流体连通并且具有在供给方向上受到来自所述流体的力FA影响的第一 表面；和面向相反方向的第二侧部，所述第二侧部通过所述至少一个上游流体流动端口与 加压流体流体连通并且具有在相反方向上受到来自所述流体的力F B影响的第二表面； -至少一个偏置元件，所述偏置元件用于通过将所述阀元件从关闭位置移位到打开位 置来打开所述阀组件， 其中，所述第二表面的面积大于所述第一表面的面积，使得在关闭方向上影响所述阀 元件的以来自所述加压流体作用在所述第二表面上的所述力FB的形式的力超过了在打开 方向上影响所述阀元件的以对来自所述偏置元件的力F s和来自所述加压流体作用在所述 第一表面上的所述力^进行结合的形式的力， 所述方法包括下述步骤： a) 将所述加压流体供给至处于其关闭位置的所述阀元件，因此所述阀组件保持关闭； b) 减小加压流体至关闭的阀组件的供给；以及 c) 允许所述第一侧部与所述第二侧部之间的压力差减小，从而使得所述偏置元件能够 驱使所述阀元件朝向所述打开位置，并且因而允许流体流动通过所述至少一个上游流体流 动端口。
7. 根据权利要求6所述的方法，其中，所述阀组件还包括用于将所述阀元件机械地锁 定在其关闭位置的锁定装置，其中，在步骤a)中，所述阀元件处于机械锁定的关闭位置，并 且所述方法在步骤a)与步骤b)之间还包括步骤： i)使所述锁定装置停止将所述阀元件锁定在所述关闭位置。
8. 根据权利要求7所述的方法，其中，所述锁定装置包括压力套筒，所述压力套筒机械 地连接至内管构件的闩锁锁定机构，并且所述步骤i)还包括允许流体压力使所述压力套 筒移位并且使所述闩锁锁定机构的闩锁锁头接合的步骤。
9. 根据权利要求7所述的方法，其中，所述阀元件包括： -阀本体，所述阀本体包括所述第二表面；以及 -阀活塞，所述阀活塞包括： -活塞元件，所述活塞元件包括所述第一表面； -有槽杆，所述有槽杆将所述活塞元件连结至所述阀本体；以及 -销，所述销附接至所述活塞元件并且远离所述活塞元件径向地突出， 并且其中，所述锁定装置包括： -上闩锁本体，所述上闩锁本体具有与所述销协作的第一异形槽，所述第一槽包括沿 轴向方向延伸的主部和在横向于所述轴向方向且与所述轴向方向成径向的方向上延伸的 副部；以及 -闩锁缩回壳体，所述闩锁缩回壳体能够相对于所述上闩锁本体同轴地移位并且叠覆 在所述上闩锁本体上，所述闩锁缩回壳体具有与所述销协作的第二异形槽，所述第二槽包 括主部和副部，所述第二槽的主部沿所述轴向方向延伸，所述第二槽的副部在横向于所述 轴向方向并且与所述第一槽的副部延伸的横向方向平行的方向上延伸，所述闩锁缩回壳体 与内管构件的闩锁锁定机构协作，使得所述阀元件被锁定并且所述闩锁缩回壳体在所述销 在所述第一异形槽和所述第二异形槽的副部中移位时防止所述闩锁锁定机构与所述取心 筒头组件的闩锁接合， 并且其中，步骤i)还包括下述步骤：在所述闩锁锁定机构的适当布置时使所述销从所 述第一异形槽和所述第二异形槽的副部移位至主部，从而允许所述销和所述阀活塞的轴向 运动。
10. -种包括绳索取心钻机的绳索取心钻探系统，所述绳索取心钻机具有内管、外管以 及阀组件，通过所述内管来收集岩心样本，所述外管连接至钻头，所述阀组件位于所述内管 的后端处，所述阀组件对形式为加压流体的冲洗介质的供给进行控制，其中，所述阀组件根 据权利要求1至5中的任一项所述而构造。
【文档编号】F16K3/26GK104067043SQ201280068138
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2012年1月27日 优先权日:2012年1月27日
【发明者】保罗·兰伯特, 帕特里克·萨尔瓦多, 帕特里克·陆 申请人:阿特拉斯·科普柯加拿大有限公司