一种井下安全阀的制作方法

本发明涉及油气井勘探开发技术领域，具体涉及一种用于油气勘探开发的井下安全阀。

背景技术：

在石油天然气勘探开发过程中，井下作业时常出现复杂情况（溢流、井侵、井喷），导致井下流体流速及压力异常，甚至无法控制，为了保证作业安全，必须快速、可靠地封堵井下高压流体。在实际生产中，对于钻杆、油管或注水管等内部，必须设置一种井下安全阀，当出现复杂情况时，可实现井筒内高压流体封堵；当处于复杂情况时，可实现井筒内高压流体安全释放；当处于正常情况时，可重新开启，恢复通道。井下安全阀是一种保证生产安全的井下工具。为了迅速和安全的封堵管柱内的高压流体，同时该类井下安全阀还应具有以下特点和功能，结构紧凑，可靠性高，安装方便，且使用寿命长；可输出大扭矩，剪切井筒内的钢丝、连续油管和电缆等；液压控制失效，自动封堵保护机制。然而，现有井下安全阀并不能很好满足石油勘探开发过程中各类作业工艺的要求，且存在如下问题：传动机构设计复杂，可靠性差；复杂环境下运动不平稳、易失效；多为单阀结构，无失效自动关闭机制；无正压连通功能，不能配合压井作业。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，实现了传动平稳精确，扭矩大，可剪切钢丝、连续油管等；具有双重封堵结构，以及液压失效自动关闭机制；可实现正压连通，释放井下高压流体功能；可与钻杆、油管和注水管等直接互换，适应范围广。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种井下安全阀，它包括阀壳、设置于阀壳内的上部封堵机构、下部封堵机构，阀壳的顶部螺纹连接有上管柱，阀壳的底部顺次螺纹连接有法兰盘和下管柱，阀壳内固设有止动块，止动块内穿插有连接筒，所述上部封堵机构包括上部定位阀座、上部球架阀座、上部活塞、上活塞筒和压缩弹簧a，上部球架阀座设置于连接筒上开口内，上部定位阀座设置于上部球架阀座与阀壳顶表面之间，上活塞筒滑动套于连接筒外部，上活塞筒内固设有沿阀壳轴向设置的齿条，上部活塞设置于上活塞筒顶部，上部活塞与阀壳顶表面之间形成有上环形油腔，压缩弹簧a套设于连接筒外且其两端分别连接于上活塞筒和止动块上，上部球阀芯设置于上部定位阀座和上部球架阀座之间，上部球阀芯的两端均设置有穿过球架阀座的固定轴，固定轴上安装有齿轮，齿轮与齿条啮合；

所述下部封堵机构包括下部球架阀座、下部定位阀座、下部球阀芯、下活塞筒、下部活塞和压缩弹簧b，下部球架阀座的上端部套固于连接筒的下端部，下部定位阀座设置于下部球架阀座与法兰盘之间，下活塞筒滑动套于下部球架阀座的外部，下活塞筒内固设有沿阀壳轴向设置的齿条，下部活塞设置于下活塞筒的底部，下部活塞与法兰盘之间形成有下环形油腔，压缩弹簧b套设于下部球架阀座外部且其两端分别连接于止动块和下活塞筒之间，所述下部球阀芯设置于下部球架阀座和下部定位阀座之间，下部球阀芯的两端均设置有穿过球架阀座的固定轴，固定轴上安装有齿轮，齿轮与齿条啮合；

所述阀壳的顶部设置有进油口a、进油口b和两个进油口c，进油口a与上环形油腔连通，进油口b与下环形油腔连通，其中一个进油口c连通止动块与上活塞筒之间的区域，另一个进油口c连通止动块与下活塞筒之间的区域；所述的上部球阀芯和下部球阀芯上均开设有u型槽。

所述的上部定位阀座的底部设置有半圆形孔i，所述的上部球架阀座的顶部设置有半圆形孔ii。

所述的上部球阀芯上的固定轴位于半圆形孔i和半圆形孔ii之间。

所述的下部定位阀座与法兰盘之间连接有弹簧呈间隔布置。

所述的上部球架阀座与连接筒之间连接有弹簧呈间隔布置。

所述的阀壳的顶部设置有两个进油口a、两个进油口b和两个进油口c。

所述的上部定位阀座与阀壳接触处、连接筒与下部球架阀座接触处均安装有密封圈。

所述的上活塞筒和下活塞筒内设置有长槽和方槽，方槽与长槽连通，所述齿条设置于长槽内，齿轮设置于方槽内。

附图说明

图1为本发明的主剖视图；

图2为阀壳的结构示意图；

图3为上部定位阀座的结构示意图；

图4为上部球架阀座的结构示意图；

图5为上活塞筒的结构示意图；

图6为上活塞筒与齿条的安装示意图；

图7为上部球阀芯的结构示意图；

图中，1-阀壳，2-上管柱，3-法兰盘，4-下管柱，5-止动块，6-连接筒，7-上部定位阀座，8-上部球架阀座，9-上部球阀芯，10-上部活塞，11-上活塞筒，12-压缩弹簧a，13-齿条，14-上环形油腔，15-固定轴，16-齿轮，17-下部球架阀座，18-下部定位阀座，19-下部球阀芯，20-下活塞筒，21-下部活塞，22-压缩弹簧b，23-下环形油腔，24-进油口a，25-进油口b，26-进油口c，27-u型槽，28-半圆形孔i，29-半圆形孔ii，30-弹簧，31-密封圈，32-长槽，33-方槽，91-通孔a，191-通孔b。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围不局限于以下所述：

如图1~7所示，一种井下安全阀，它包括阀壳1、设置于阀壳1内的上部封堵机构、下部封堵机构，阀壳1的顶部螺纹连接有上管柱2，阀壳1的底部顺次螺纹连接有法兰盘3和下管柱4，阀壳1内固设有止动块5，止动块5内穿插有连接筒6，所述上部封堵机构包括上部定位阀座7、上部球架阀座8、上部活塞10、上活塞筒11和压缩弹簧a12，上部球架阀座8设置于连接筒6上开口内，上部定位阀座7设置于上部球架阀座8与阀壳1顶表面之间，上活塞筒11滑动套于连接筒6外部，上活塞筒11内固设有沿阀壳1轴向设置的齿条13，上部活塞10设置于上活塞筒11顶部，上部活塞10与阀壳1顶表面之间形成有上环形油腔14，压缩弹簧a12套设于连接筒6外且其两端分别连接于上活塞筒11和止动块5上，上部球阀芯9设置于上部定位阀座7和上部球架阀座8之间，上部球阀芯9的两端均设置有穿过球架阀座的固定轴15，固定轴15上安装有齿轮16，齿轮16与齿条13啮合；

所述下部封堵机构包括下部球架阀座17、下部定位阀座18、下部球阀芯19、下活塞筒20、下部活塞21和压缩弹簧b22，下部球架阀座17的上端部套固于连接筒6的下端部，下部定位阀座18设置于下部球架阀座17与法兰盘3之间，下活塞筒20滑动套于下部球架阀座17的外部，下活塞筒20内固设有沿阀壳1轴向设置的齿条13，下部活塞21设置于下活塞筒20的底部，下部活塞21与法兰盘3之间形成有下环形油腔23，压缩弹簧b22套设于下部球架阀座17外部且其两端分别连接于止动块5和下活塞筒20之间，所述下部球阀芯19设置于下部球架阀座17和下部定位阀座18之间，下部球阀芯19的两端均设置有穿过球架阀座的固定轴15，固定轴15上安装有齿轮16，齿轮16与齿条13啮合；

所述阀壳1的顶部设置有进油口a24、进油口b25和两个进油口c26，进油口a24与上环形油腔14连通，进油口b25与下环形油腔23连通，其中一个进油口c26连通止动块5与上活塞筒11之间的区域，另一个进油口c26连通止动块5与下活塞筒20之间的区域；所述的上部球阀芯9和下部球阀芯19上均开设有u型槽27。

所述的上部定位阀座7的底部设置有半圆形孔i28，所述的上部球架阀座8的顶部设置有半圆形孔ii29。

所述的上部球阀芯9上的固定轴15位于半圆形孔i28和半圆形孔ii29之间。所述的下部定位阀座18与法兰盘3之间连接有弹簧呈间隔布置30。所述的上部球架阀座8与连接筒6之间连下活塞筒20接有弹簧呈间隔布置30。所述的阀壳1的顶部设置有两个进油口a24和两个进油口b25。所述的上部定位阀座7与阀壳1接触处、连接筒6与下部球架阀座17接触处均安装有密封圈31。

所述的上活塞筒11和内设置有长槽32和方槽33，方槽33与长槽32连通，所述齿条13设置于长槽32内，齿轮16设置于方槽33内。

本发明的工作过程如下：初始状态下，阀壳1的上部为公扣，连接上管柱2，阀壳1的下部为母扣，连接下管柱4。当向进油口a24通入的液压油进入上环形油腔14内，液压油推动上部活塞10及上活塞筒11一起向下移动，在移动过程中，齿条13带动齿轮16转动，从而带动上部球阀芯9平稳转动，压缩弹簧12一端紧靠止动块5不动，另一端向下继续被压缩，直至上部球阀芯9完全开启，实现了本发明井下安全阀的上球阀芯9开启。当向进油口b25通入的液压油进入下环形油腔23内，推动下部活塞21及下活塞筒20一起向上移动，在移动过程中，齿条13带动齿轮16转动，从而带动下部球阀芯19平稳转动，压缩弹簧22一端紧靠止动块5不动，另一端向下继续被压缩，直至下部球阀芯19完全开启，实现了本发明井下安全阀的下球阀芯19开启。当向进油口a24和进油口b25内同时通入液压油，该过程使得上部球阀芯9的通孔a91和下部球阀芯19的通孔b191相连通，实现本发明井下安全阀的完全开启。本发明井下安全阀的上下球阀芯具有单独开启和同时开启的功能，可更好的满足油田生产各类工艺要求。

在开启状态下，向进油口c26通入液压油进入止动块5与上活塞筒11之间的区域和止动块5与下活塞筒20之间的区域，液压油推动上活塞筒11及上部活塞10一起沿连接筒6向上移动，在移动过程中，齿条13带动齿轮16转动，从而带动上部球阀芯9平稳转动，驱动上部球阀芯9旋转。液压油推动下活塞筒20及下部活塞21一起向下移动，在移动过程中，齿条13带动齿轮16转动，从而带动下部球阀芯19平稳转动。使得上部球阀芯9和下部球阀芯19实现完全关闭。在上述过程中，压缩弹簧a12作用于上活塞筒11，压缩弹簧b22作用与下活塞筒20，进一步驱动活塞移动，从而实现上部球阀芯9和下部球阀芯19的辅助关闭，实现了本发明井下安全阀的完全关闭。本发明井下安全阀的双球阀芯使得本发明具有双重保护机制，提高了本发明关闭状态的稳定性，更可靠地封堵井下异常高压流体。

在关闭过程中，本发明内部在一些作业中会有连续油管、电缆等，所以在紧急情况下需要剪切井筒内部障碍物，完成对井下高压流体的有效封堵。从进油口c26向止动块5与下活塞筒20之间的腔体内通入高压液压油，推动下部活塞21及下活塞筒20一起向下移动，在移动过程中，齿条13带动齿轮16转动，从而带动下部球阀芯19平稳转动，当下部球阀芯19转动一定角度后，下部球阀芯19上的u型槽27将内部障碍物剪断，从而实现了本发明井下安全阀的剪切功能。本发明井下安全阀的可剪切的连续油管、钢丝或电缆等，保证在作业过程中发生异常情况时的紧急关井，有效封堵井下高压流体。

在开启状态下，如果井下安全阀液压失效，即液压油没有进入液压管线，在处于压缩状态的压缩弹簧a12和压缩弹簧b22的作用下，上部球阀芯9和下部球阀芯19将会自动关闭，实现了本发明井下安全阀的液压失效时自动关闭。本发明井下安全阀的失效保护机制，自动关闭双球阀芯，保证井下流体处于可控状态，为异常井况下液压失效起到预算作用。

在关闭状态下，即当上下球阀芯均处于关闭时。当对上部球阀芯9的上部通孔34泵入高压液体，当其压力超过连接筒6内腔流体压力和弹簧30的预紧力，则处于关闭状态的上部球阀芯9在上部通孔34内的泵入高压流体推动下向下发生一小段位移，弹簧30被压缩，齿轮16与齿条13相互作用实现齿轮16转动，从而使上部球阀芯9转动小角度，上部通孔34内的高压流体可通过u型槽27与上部定位阀座7和上部球架阀座8之间的空隙连通连接筒6。接着，上部泵入高压流体与下部球阀芯19直接作用时，且其压力超过下部球阀芯19的下部通孔35内流体压力和弹簧30的预紧力，则处于关闭状态的下部球阀芯19在上部高压流体推动下向下发生一小段位移，弹簧30被压缩，齿轮16与齿条13相互作用实现齿轮16转动，从而使下部球阀芯19转动小角度，上部泵入的高压流体可通过u型槽27与下部球架阀座17、下部定位阀座18之间的空隙连通下部通孔35。最后，处于关闭状态的井下安全阀，在对其正向（上部）泵入高压流体的作用下上下球阀芯发生一小角度偏移，从而实现整个管柱内的连通（开启），实现了本发明井下安全阀的正压连通功能。本发明井下安全阀的泵通功能，可以可控地释放井下高压流体，快速安全地恢复生产作业。