剪切式套管环空泄压阀的制作方法

本实用新型涉及石油钻完井技术领域，尤其涉及一种剪切式套管环空泄压阀。

背景技术：

在高温高压油气井生产过程中，井筒径向传热引起了井筒套管、环空流体热膨胀，使得环空流体压力升高，增加了油气井套管柱和井口载荷。套管在较高的环空压力载荷下可能会发生屈服破坏、失稳屈曲、挤毁等危险事故，一旦异常环空压力引起井下套管柱服役失效，将导致油气井不得不停产修井。

套管环空的异常高压若得不到有效释放，井筒内的气体将直接突破环空密封装置并释放至大气环境中，严重污染大气环境。在海洋油气井中，其套管头是一层层坐挂在水下井口内，不能安装泄压阀等装备使环空与外界环境连通，环空流体受热膨胀后被完全圈闭在井筒中，只能采取修井解决。

在注水泥固井时，由于水泥浆凝固失重，导致环空内压力下降，若环空压力小于地层压力，则可能引起油气水上窜，造成封固段窜槽，影响固井质量，因此常常采用憋压候凝提高水泥环封固效果。

因此需要既能满足降低套管外部环空的环空压力需求，又能满足注水泥固井时憋压候凝的操作要求的压力控制工具。

由此，本发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种剪切式套管环空泄压阀，以克服现有技术的缺陷。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种剪切式套管环空泄压阀，既能在环空压力过大时自动进行卸压，同时又能满足注水泥固井时的憋压候凝操作要求，具有结构简单、安装方便的特点，有助于实现油气井的安全开采。

本实用新型的目的是这样实现的，一种剪切式套管环空泄压阀，包括一接箍，所述接箍的外壁上设置直径呈减小设置的第一台阶部，自所述第一台阶部向上延伸设有多个的第一导向孔，自各所述第一导向孔的外壁沿径向向内穿设有剪切销钉；所述接箍的外壁上能拆卸地套设有外筒，所述外筒的内壁顶部与所述接箍位于所述第一台阶部上方的外壁密封抵靠连接，所述外筒的内壁上位于所述第一台阶部的下方设置直径呈减小设置的第二台阶部，所述第二台阶部和所述第一台阶部呈上下间隔设置，所述第一台阶部和所述第二台阶部之间构成流体缓冲腔，所述接箍位于所述第二台阶部上方的外壁上沿径向设置排液透孔；自所述第二台阶部向下延伸设有多个的活塞孔，各所述活塞孔的底部向下延伸且贯通设置直径呈减小设置的第二导向孔；

各所述活塞孔内分别滑设有阀芯，所述阀芯包括阀芯主体，所述阀芯主体的顶部设置直径呈减小设置的第一导向轴，所述第一导向轴能滑动穿设于所述第一导向孔内且所述第一导向轴的顶端顶抵于所述剪切销钉的侧壁上，所述第一导向轴上套设有复位弹簧；所述阀芯主体的底部设置直径呈减小设置的第二导向轴，所述第二导向轴能滑动穿设于所述第二导向孔内，所述阀芯主体的外径尺寸小于所述活塞孔的内径尺寸；所述第一导向轴上设置有能连通所述第一导向孔和所述流体缓冲腔的排液通道，所述第二导向轴上设置有能连通所述第二导向孔和所述活塞孔的进液通道。

在本实用新型的一较佳实施方式中，各所述活塞孔与对应的所述第二导向孔之间构成第四台阶部，所述阀芯主体与所述第二导向轴之间构成能轴向顶抵于所述第四台阶部上的第五台阶部。

在本实用新型的一较佳实施方式中，所述第四台阶部上设置直径向下减缩的第一锥面，所述第五台阶部上设置与所述第一锥面匹配的第二锥面。

在本实用新型的一较佳实施方式中，所述外筒的侧壁顶部与所述接箍位于所述第一台阶部上方的外壁通过螺钉固定连接。

在本实用新型的一较佳实施方式中，所述外筒的内壁顶部和所述接箍位于所述第一台阶部上方的外壁之间设有密封圈。

在本实用新型的一较佳实施方式中，所述外筒的侧壁顶部设置用于穿设所述螺钉的螺钉过孔。

由上所述，本实用新型提供的剪切式套管环空泄压阀具有如下有益效果：

本实用新型的剪切式套管环空泄压阀，处于注水泥固井需进行憋压候凝状态时，套管外部环空流体作用于阀芯上的作用力小于剪切销钉的剪切力，阀芯在复位弹簧的作用下封堵第二导向孔，套管的内腔与套管外部环空呈切断状态，保证套管的内腔与套管外部环空的压差，保证了憋压候凝操作的正常运行；固井完成后，外部环空流体压力过大时，外部环空流体作用于阀芯上的作用力大于剪切销钉的剪切力，阀芯上行剪断剪切销钉，套管的内腔与套管外部环空连通，套管外部环空流体压力得到释放，满足自动卸压需求；本实用新型的剪切式套管环空泄压阀，具有结构简单、安装方便的特点，有助于实现油气井的安全开采。

附图说明

以下附图仅旨在于对本实用新型做示意性说明和解释，并不限定本实用新型的范围。其中：

图1：为本实用新型的剪切式套管环空泄压阀的组装状态示意图。

图2：为本实用新型的剪切式套管环空泄压阀中剪切销钉未剪断时的示意图。

图3：为本实用新型的剪切式套管环空泄压阀中剪切销钉剪断时的示意图。

图4：为本实用新型的接箍的结构示意图。

图5：为本实用新型的外筒的结构示意图。

图6：为本实用新型的阀芯的结构示意图。

图中：

100、剪切式套管环空泄压阀；

1、接箍；

11、第一台阶部；

12、第一导向孔；121、销钉过孔；

13、排液透孔；

14、密封圈；

15、第六台阶部；

2、外筒；21、第二台阶部；22、活塞孔；23、第二导向孔；24、螺钉；

3、剪切销钉；

4、流体缓冲腔；

5、阀芯；

51、阀芯主体；

52、第一导向轴；521、排液通道；

53、第二导向轴；531、进液通道；

6、复位弹簧；

91、上套管；92、下套管。

具体实施方式

为了对本实用新型的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本实用新型的具体实施方式。

如图1至图6所示，本实用新型提供一种剪切式套管环空泄压阀100；包括一接箍1，接箍1的内壁上部密封连接上套管91，接箍1的内壁下部密封连接下套管92，接箍1的内腔与上套管91、下套管92的内腔连通；在本实用新型的一具体实施例中，接箍1的内壁分别通过锥螺纹与上套管91、下套管92密封连接；

接箍1的外壁上设置直径呈减小设置的第一台阶部11，自第一台阶部11向上(图1所示的竖直方向的上方)延伸设有多个的第一导向孔12，自各第一导向孔12的外壁沿径向(径向指接箍1的直径方向)向内穿设有剪切销钉3；接箍1的外壁上能拆卸地套设有外筒2，外筒2的内壁顶部与接箍1位于第一台阶部11上方的外壁密封抵靠连接，外筒2的内壁上位于第一台阶部11的下方设置直径呈减小设置的第二台阶部21，第二台阶部21和第一台阶部11呈上下间隔设置，第一台阶部11、接箍1的外壁、第二台阶部21和外筒2的内壁之间构成流体缓冲腔4，接箍1位于第二台阶部21上方的外壁上设置排液透孔13，排液透孔13能连通流体缓冲腔4和接箍1的内腔；自第二台阶部21向下延伸设有多个的活塞孔22，各活塞孔22的底部向下延伸且贯通设置直径呈减小设置的第二导向孔23；

各活塞孔22内分别滑设有阀芯5，各阀芯5包括阀芯主体51，阀芯主体51的顶部设置直径呈减小设置的第一导向轴52，第一导向轴52能滑动穿设于第一导向孔12内且第一导向轴52的顶端顶抵于剪切销钉3的侧壁上，第一导向轴52上套设有复位弹簧6，在本实施方式中，第一导向轴52和阀芯主体51之间构成第三台阶部，复位弹簧6的底端抵靠于第三台阶部上，复位弹簧6的顶端抵靠于第一台阶部11上；阀芯主体51的底部设置直径呈减小设置的第二导向轴53，第二导向轴53能滑动穿设于第二导向孔23内，阀芯主体51的外径尺寸小于活塞孔22的内径尺寸；第一导向轴52上设置有能连通第一导向孔12和流体缓冲腔4的排液通道521，第二导向轴53上设置有能连通第二导向孔23和活塞孔22的进液通道531。排液通道521能将第一导向孔12内的液体排出，防止形成死腔。

注水泥固井需进行憋压候凝时，套管外部环空流体作用于阀芯上的作用力小于剪切销钉的剪切力，阀芯在复位弹簧的作用下封堵第二导向孔23，套管(包括上套管91和下套管92)的内腔与套管外部环空呈切断状态，保证套管的内腔与套管外部环空的压差，保证了憋压候凝操作的正常运行；固井完成后，外部环空流体压力过大时，外部环空流体作用于阀芯上的作用力大于剪切销钉的剪切力，阀芯上行剪断剪切销钉，套管的内腔与套管外部环空连通，套管外部环空流体压力得到释放，满足自动卸压需求；本实用新型的剪切式套管环空泄压阀，具有结构简单、安装方便的特点，有助于实现油气井的安全开采。

进一步，如图4所示，各第一导向孔12的外侧壁上贯通设置销钉过孔121，剪切销钉3通过销钉过孔121横插于第一导向孔12内。

进一步，如图1、图2、图5、图6所示，各活塞孔22与对应的第二导向孔23之间构成第四台阶部，阀芯主体51与第二导向轴53之间构成能轴向顶抵于第四台阶部上的第五台阶部。在本实施方式中，第四台阶部上设置直径向下减缩的第一锥面，第五台阶部上设置与第一锥面匹配的第二锥面。阀芯5在复位弹簧6和重力作用下位于最低位置时，第二锥面密封顶抵于第一锥面上，构成金属密封面，实现套管的内腔与外部环空之间的封隔。

进一步，如图1所示，外筒2的侧壁顶部与接箍1位于第一台阶部11上方的外壁通过螺钉24固定连接。在本实施方式中，外筒2的侧壁顶部设置用于穿设螺钉24的螺钉过孔。在本实用新型的一具体实施例中，接箍1位于第一台阶部11上方的外壁上设置直径呈增大设置的第六台阶部15，外筒2的顶面顶抵于第六台阶部15上。

进一步，如图1所示，外筒2的内壁顶部和接箍1位于第一台阶部11上方的外壁之间设有密封圈14。密封圈14实现外筒2的内壁顶部与接箍1位于第一台阶部11上方的外壁之间的密封。

本实用新型的剪切式套管环空泄压阀100组装时，将各阀芯5分别装入外筒2的各活塞孔22内，各阀芯5下端的第二导向轴53插入第二导向孔23内，各阀芯5的第二锥面密封顶抵于第一锥面上，将各复位弹簧6套设于第一导向轴52上，复位弹簧6的底端抵靠于第三台阶部上；将密封圈14套设于接箍1上，将剪切销钉3通过销钉过孔121横插于第一导向孔12内；将外筒2自下而上套到接箍1外部，各阀芯5上端的第一导向轴52与第一导向孔12对齐，上推外筒2，各复位弹簧6的顶端抵靠在第一台阶部11上，随着外筒2的上行，复位弹簧6被压缩，在复位弹簧6的作用下，阀芯5上的第二锥面密封顶抵于第一锥面上；当第一导向轴52的顶端顶抵于剪切销钉3的侧壁上时，外筒2停止上行，使用螺钉24将外筒2固定于接箍1上。

本实用新型的剪切式套管环空泄压阀100的使用过程如下：

组装好剪切式套管环空泄压阀100之后(如图1所示)，如图2所示，接箍1的两端分别与上套管91、下套管92密封连接，阀芯5上的第二锥面密封顶抵于第一锥面上；将上套管91、下套管92和剪切式套管环空泄压阀100下入油气井井筒中，从套管(上套管91和下套管92)内部注入水泥使水泥自下套管92的底部进入套管外部环空，进行注水泥固井，水泥上表面低于剪切式套管环空泄压阀100。

为保证固井质量，在井口处给套管外部环空加压约5MPa，进行憋压候凝操作，此时套管外部环空流体压力大于套管的内腔压力，在内外压差作用下，阀芯5有上行的趋势，但套管外部环空流体作用于阀芯上的作用力小于剪切销钉的剪切力，无法剪断剪切销钉3，阀芯5在复位弹簧的作用下封堵第二导向孔，套管的内腔与套管外部环空呈切断状态，保证了憋压候凝的正常运行；

油气井生产时，井筒径向传热导致套管外部环空温度升高引起膨胀效应，导致油气井井筒内环空流体受热增压(现有技术)，即套管外部环空流体压力增大。当套管外部环空流体压力大于井筒内环空流体压力时，液压压差作用于阀芯5，有推动阀芯5上行的趋势，剪切销钉3限制阀芯5上行。如图3所示，随着套管外部环空流体压力进一步增大，外部环空流体作用于阀芯5上的作用力大于剪切销钉3的剪切力，阀芯5上行剪断剪切销钉3，复位弹簧6被进一步压缩。

当第二导向轴53上行至进液通道531连通第二导向孔23和活塞孔22时，套管外部环空的高压流体自第二导向孔23、活塞孔22、流体缓冲腔4和排液透孔13流入套管的内腔，套管外部环空的高压流体排出，降低了套管外部环空流体压力，实现套管外部环空的自动卸压。

当套管外部环空流体压力下降，阀芯5所受的套管外部环空流体的作用力小于复位弹簧6作用于阀芯5上作用力时，复位弹簧6回推阀芯5，阀芯5下行至第二锥面密封顶抵于第一锥面上，泄压结束。

由上所述，本实用新型提供的剪切式套管环空泄压阀具有如下有益效果：

本实用新型的剪切式套管环空泄压阀，处于注水泥固井需进行憋压候凝状态时，套管外部环空流体作用于阀芯上的作用力小于剪切销钉的剪切力，阀芯在复位弹簧的作用下封堵第二导向孔，套管的内腔与套管外部环空呈切断状态，保证套管的内腔与套管外部环空的压差，保证了憋压候凝操作的正常运行；固井完成后，外部环空流体压力过大时，外部环空流体作用于阀芯上的作用力大于剪切销钉的剪切力，阀芯上行剪断剪切销钉，套管的内腔与套管外部环空连通，套管外部环空流体压力得到释放，满足自动卸压需求；本实用新型的剪切式套管环空泄压阀，具有结构简单、安装方便的特点，有助于实现油气井的安全开采。

以上所述仅为本实用新型示意性的具体实施方式，并非用以限定本实用新型的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本实用新型的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本实用新型保护的范围。