專利名稱：井下防噴管閥的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及井下防噴管閥領(lǐng)域，所述閥允許通過隔離充氣油井的下部而在充氣油 井中建立鉆柱，更特別地，本發(fā)明還涉及有關(guān)這種閥的特征，所述特征涉及閥的鎖止、組裝 和部件制作技術(shù)。
背景技術(shù)：
防噴管閥是用在井下的閥，以允許長的組件在井中在閉合的防噴管閥上面置于一 起，其中的井壓要比閉合的防噴管閥下方低得多。這些閥通常與地面下的安全閥串列，以便 具有抗井下壓力的富余閉合度。防噴管組件用在井的表面，且包括在井頭上面的隔室，通過所述隔室，井底元件與 用于關(guān)閉井壓力的底部閥裝配到一起。這些表面防噴管具有限定的長度，該長度由可用的 鉆井安裝設(shè)備的長度限定。井下防噴管僅能大約具有表面防噴管限制的長度，通過使用井 下防噴管閥以容許井筒內(nèi)長達(dá)數(shù)千英尺的長度來裝配井底組件。以前，球閥已經(jīng)被用作防噴管閥。它們通常具有一對位于活塞相反側(cè)上的控制管 路，活塞的來回運(yùn)動引起球在打開位置和閉合位置之間旋轉(zhuǎn)90度。夾頭可用于在兩種位置 控制球，且響應(yīng)于其中一個控制管路的控制壓力，夾頭將球放開。這樣的設(shè)計(jì)的例子可參考 USP4368871 ;4197879和4130166。在這些專利中，球在樞銷上圍繞自己的軸線轉(zhuǎn)動。其它 的設(shè)計(jì)在球旋轉(zhuǎn)球90度的同時在打開和閉合位置之間平移球。這樣的例子如Expro組織 提供的包括這樣一種防噴管閥的15K增強(qiáng)陸用鉆柱組件。其它的設(shè)計(jì)結(jié)合了球的旋轉(zhuǎn)和平 移，在如USP4522370所示的球的關(guān)閉位置中，球具有單獨(dú)的由液壓驅(qū)動以鎖定球的轉(zhuǎn)動的 鎖緊套筒及移動套筒。某些閥為油管收回式，例如Halliburton的PES牌LV4防噴管閥。鎖 定開啟套筒，通過USP4449587提供的球。其它的設(shè)計(jì)，例如用于海底采油樹的USP6109352， 具有用于球的齒輪齒條傳動裝置及使用遙控潛水器(R0V)以在打開和閉合位置之間操作 閥，要求任一終點(diǎn)位置為鎖定位置，但該文獻(xiàn)還描述了同一 R0V簡單地反轉(zhuǎn)方向且閥能反 轉(zhuǎn)方向。不足的并為本發(fā)明致力解決的是一個為井下球式防噴管閥提出更完美的解決方 案。特點(diǎn)之一是為了鎖止打開的球而能夠平移球，所述球通常在打開和閉合狀態(tài)之間圍繞 自己的軸線旋轉(zhuǎn)。另一個特點(diǎn)是制造部件的方法，所述部件必須被縱向切開以便它們保持 初始孔尺寸，盡管縱向切開部件導(dǎo)致了壁的切除。又一個特點(diǎn)是能夠裝配組件到給定總尺 寸以便在與球嚙合的偏置基座上準(zhǔn)確地設(shè)定預(yù)負(fù)載。本發(fā)明的這些及其他特點(diǎn)對閱讀了如 下所述的優(yōu)選實(shí)施例和相應(yīng)的附圖的本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是顯而易見，而本發(fā)明的保護(hù)范 圍通過權(quán)利要求確定。

發(fā)明內(nèi)容
一種球式井下防噴管閥，其特征在于通過控制驅(qū)動活塞的管路壓力以使球繞其軸 線旋轉(zhuǎn)以打開或關(guān)閉閥。所述球也可切換到鎖合的打開位置。一個罩圍繞球并且為球保持相對的基座。罩由整塊制成，并且在整個罩由電火花線切割機(jī)加工技術(shù)縱向切開前，切向孔 被鉆進(jìn)并攻絲。使切割的兩半部再結(jié)合的緊固件適當(dāng)?shù)母糸_它們以達(dá)到初始的整體內(nèi)部尺 寸。輔助工具用于確定內(nèi)部構(gòu)件的間距，以便在球的相對基座上實(shí)現(xiàn)預(yù)定的彈性預(yù)加載。


圖1為整個防噴管閥的剖視圖2是圖1的閥的頂端的放大視圖3是圖1中球打開時閥的中部的放大的視圖4是圖3示出的球被關(guān)閉的另一視圖5是圖1的閥的下端的放大視圖6是圖4禾口 5的剖視圖的透視圖7示出了圖1中的閥的頂端，處于裝配中以得到適當(dāng)?shù)膬?nèi)部組件間距
圖8示出圖1中的閥的下端，處于裝配中以得到適當(dāng)?shù)膬?nèi)部組件間距；
圖9為圍繞球并且被縱向拆分的罩的透視圖。
具體實(shí)施例方式圖1示出了主要部件的布局以說明它們的相互位置，其中球10處于中央并在關(guān)閉 位置。套筒12在球10上方同時套筒14在球10之下。這些套筒相應(yīng)地形成基座16和18， 基座16和18通過罩20容納著球10。罩20在圖9的透視圖中被示出?；瑒蛹?2延伸通 過罩20且套準(zhǔn)球10以便球10在樞銷24上在開啟和關(guān)閉位置間旋轉(zhuǎn)?；钊?6響應(yīng)于控 制管路的壓力以往復(fù)移動滑動件22以便操作球10。鎖定開啟組件28被配置在工具的頂部 附近，而預(yù)負(fù)載調(diào)整機(jī)構(gòu)30被定位在相對端附近。通過采用本閥主要組件的該基本定位， 其它圖現(xiàn)在將被用來顯示附加的細(xì)節(jié)及說明基本操作。圖6可用于理解球10如何在圖6所示的關(guān)閉位置和圖3所示的開啟位置之間旋 轉(zhuǎn)90度?；钊?6以與現(xiàn)有技術(shù)所知的許多活塞一樣運(yùn)行，并應(yīng)用于井下閥中。一對控制管 路(未顯示)從地表連接到活塞26上相反的活塞表面區(qū)域以驅(qū)使它在相反的方向上移動。 活塞26被固定到滑動件22，用于串行運(yùn)動?；瑒蛹?2具有通過臂36連接的上環(huán)32和下 環(huán)34，其中一個臂在圖6中可見。參照圖9，可以看到，罩具有接受滑動件22的臂36的縱 向槽38和40。參照圖1和6，可以看到，滑動件22在它的沿井孔向上方向行程的末端與心 軸42接觸。球10具有對角的外部槽44，圖6示出其中一個外部槽的一部分。槽44在相對 的平面46上彼此平行，在圖1中可以更好地看到。球10上的平面46抵接罩20的臂48和 50，在圖6和9中可以看得最清楚?？?2和54接收延伸進(jìn)入球10中的樞銷24，容許球10 繞其自己的軸線旋轉(zhuǎn)。罩22不能移動，但是當(dāng)滑動件22通過活塞26被移動時，結(jié)果是球 10繞著其自己的軸線旋轉(zhuǎn)。這是由于臂36具有向內(nèi)的與球10中的槽44套裝的銷(未顯 示)，該銷從樞銷24偏離中心而致使球10旋轉(zhuǎn)。為清楚的了解這一運(yùn)動過程，需要比較圖3和4。圖4示出球10處于關(guān)閉位置并 且上環(huán)32接近于心軸42而不是接觸心軸42。這是由于扣環(huán)56與在套筒12上的槽58套 緊，以保持球10在關(guān)閉位置，直到足夠的壓力施加到活塞26上以使扣環(huán)56從槽58中彈出， 直到與槽60套緊，以限定出圖3的開啟位置。此外，在圖4中，在球10的正常打開和關(guān)閉的過程中，附圖示出的除球10之外的、僅有的運(yùn)動部件是帶扣環(huán)56的滑動件22。圖3示 出球10在扣環(huán)56與槽60套緊時的全開位置。此時滑動件22可選擇地與罩20接觸。圖 3也示出活塞26通過緊固件62連接到滑動件22。用于操縱活塞26的控制管路接頭64中 的一個也在圖3中示出。圖3也示出各自形成凸緣64和66的套筒12和14及罩20如何 保特那些凸緣在一起靠著球10。密封件16和18相應(yīng)的被配置在凸緣64和66上，當(dāng)在圖 3和4的打開和關(guān)閉位置之間旋轉(zhuǎn)球10時用于與球10圓周密封地接觸?，F(xiàn)在參考圖5，套筒14的下端可被認(rèn)為是另一個控制管路接頭68，被用于在被施 加到圖3所示的接頭64的壓力相反的方向上驅(qū)動活塞26。底部70具有肩72，彈簧74支 撐在肩72上。彈簧74推動利用螺紋78附著于套筒14上的具有螺紋78的環(huán)件76。銷80 鎖定環(huán)件76的位置，該位置在下面將要說明的過程中被初始確定。實(shí)質(zhì)上，彈簧74是預(yù)加 載彈簧，預(yù)壓在以環(huán)件76開始并且延伸到圖2所示的閥的上端的組件上。參照圖2，鎖定開啟特性將被描述。套筒12最終選擇性地由上部82保持。肩84 包含相對于心軸42固定的棘齒圈86。棘齒圈86具有限定錐體90的底切88。環(huán)件92初 始位于底切88上。該環(huán)件92具有棘輪齒94，在圖2的相應(yīng)位置，棘輪齒94偏離在棘齒圈 86上的棘輪齒96。環(huán)件92支撐在擋圈98上，擋圈98又在套筒12的溝槽102中固定開口 環(huán)100。由于這些部件的關(guān)系，套筒12向下對著球10并抵抗來自彈簧74(見圖5)的作用 于套筒14的沿井孔向上方向的作用力。鎖緊套環(huán)104具有用于與工具(未顯示)接合的 一個或多個內(nèi)槽106，所述工具最終將沿井孔向上方向拉動套環(huán)104。剪切銷108初始將鎖 緊套環(huán)104固定到套筒12。套筒12具有最終與自鎖緊套環(huán)104延伸的切向銷112套緊的 溝槽110。鎖緊套環(huán)104最初將環(huán)件92保持在底切88中。在操作時，鎖緊套環(huán)104用工具 (未顯示)拖起以剪斷剪切銷108。當(dāng)鎖緊套環(huán)向上移動時，切向銷112位于溝槽110內(nèi)直 到碰到溝槽110的頂部，此時套環(huán)104與套筒12 —前一后地移動。同時，鎖緊套環(huán)104從 環(huán)件92沿井孔向上的方向移動，允許其向內(nèi)倒塌以清除錐體90。當(dāng)切向銷112與溝槽110 的頂部套緊并且套筒12與軸環(huán)104同時移動時，在套筒12的溝槽102內(nèi)的環(huán)件100接受 擋圈98，且現(xiàn)在能夠推動環(huán)件92超出錐體90，以便棘輪齒94能與棘輪圈86上的棘輪齒96 接合。如上所述的沿井孔向上方向的運(yùn)動繼續(xù)進(jìn)行直到套筒12遇到行程止擋。這以兩種 方式發(fā)生，取決于當(dāng)套筒12正被拖向上時球10的位置。如果球10如圖3所示處于打開位 置，凸緣64向上拉動罩20和在溝槽60處與套筒12套緊的滑動件22。球10與罩20同步， 因?yàn)樗鼈円詷袖N24聯(lián)系。由于在滑動件22和罩20之間沒有相對移動，所以球10不旋轉(zhuǎn)。 當(dāng)環(huán)件32碰心軸42時套筒12的運(yùn)動停止，并且該位置通過棘輪齒94和96的齒嚙合而被 鎖定。另一方面，如果球10處于圖4的關(guān)閉位置，套筒12將帶動罩20并且使罩20相對于 滑動件22移動。這是由于在套筒12的運(yùn)動的開始，滑動件22的上環(huán)32已經(jīng)接近心軸42 并且當(dāng)套筒12出現(xiàn)時相當(dāng)快速地碰撞它。套筒12進(jìn)一步的沿井孔向上方向的運(yùn)動相對于 滑動件22推動罩20，這樣導(dǎo)致在滑動件22內(nèi)的銷轉(zhuǎn)動所述球10以打開，因?yàn)樗鼈兣c在球 10內(nèi)的槽44套緊。當(dāng)罩20靠著已經(jīng)停止的滑動件22的環(huán)件32時，沿井孔向上的運(yùn)動停 止，該位置通過棘輪齒94和96的齒嚙合被再次鎖定。再次參考圖2，彈簧114可以可選擇地用來推動棘齒圈86，以及通過之前描述的其 它部件向下推動套筒12，而套筒12又推動球10和套筒14，套筒14又由彈簧74沿井孔向 上的方向偏壓，該彈簧推動環(huán)件76，該環(huán)件76在螺紋78處連接到套筒14上。對于球的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，這個裝置保持所述罩20處于固定位置，并且當(dāng)圖2中的環(huán)件104被拖動時，允許罩 20沿井孔向上的方向平移以獲得鎖定開啟特性，其中完全打開的孔116延伸通過球10并且 持續(xù)通過在其上方和下方的套筒12和14。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解的是，從上端的肩84到 下端的肩118的部件每個具有它們自己的公差，并且對于螺紋78上的環(huán)件76的位置的可 能的調(diào)節(jié)相當(dāng)?shù)匦?。因此，在上?2和下部70的最后組裝之前，肩84和118之間的部件 的總尺寸可被確定，且為組裝部件提供合適的預(yù)加載的所需的環(huán)件76的位置也能夠確定， 圖7和8示出了該技術(shù)。上定位裝置122被組裝到心軸42，而不是組裝所述上部82和彈簧114到心軸42。 當(dāng)完全地螺紋接合時，肩124正好在某位置碰撞環(huán)件86，在該位置處，上部82的肩84通常 會與其嚙合。同時在圖8的下端，下部定位裝置124螺紋連接到心軸42上，而不是處于下 部70、彈簧74或銷80上。下部定位裝置124具有一對臂126和128，臂126、128各自具有 肩130和132，當(dāng)所述下部70被擰上時，肩130和132正好在肩118處停止。由于在臂126 和128之間存在開放間隙，則存在對環(huán)件76進(jìn)行調(diào)節(jié)的路徑，只更銷80不被組裝，環(huán)件76 能在螺紋78上向上或向下移動。環(huán)件76轉(zhuǎn)到肩130和132的底部，然后通過旋轉(zhuǎn)升起，以 足以容許開口 134與凹坑136 (見圖5)對齊，以便當(dāng)下部70與彈簧74被組裝時，環(huán)件76 具有盡可能接近肩118的固定位置。同樣，上定位裝置122 (圖7)首先移去并由上部82和 彈簧114(圖2)代替。當(dāng)下部70和彈簧74擰緊時，彈簧74將具有所需的預(yù)加載，盡管有 所有裝配部件的公差，環(huán)件76的實(shí)際表面是確定的，因?yàn)槠渑c用于提供所需的預(yù)加載的彈 簧74相關(guān)。參考圖9，圖中顯示了完全地組裝的罩20。由于需要跨裝球10和凸緣64、66(圖 3)，罩需要被制成二片式。對于制造其中的一片或者為此需要制成兩片中的其他片(組裝 到另外的其他片上)上的技術(shù)是形成縱向切口 140。在做這個之前，圖9所示的所有機(jī)械加 工均完成，包括在一側(cè)的孔142和144和在另一側(cè)的類似的孔(未可見)，它們穿過縱向切 口 140將形成的地方。再次，在切口形成之前，孔142和144被攻絲。此后，切口 140通過 電火花線切割(wire EDM)機(jī)加工技術(shù)制出。這種已知的技術(shù)移除壁的一部分，在那里形成 切口。這樣，在切割的半部組合在一起之后，它們的內(nèi)徑146將小于切割前。然而，當(dāng)擰緊 以連接切口 140時，攻出的螺紋和在雙頭螺栓148、150上的相匹配的螺紋的節(jié)距將在切口 140處將半部分開(由于螺紋節(jié)距的原因)而恰好足夠補(bǔ)償在切割期間被移去的壁的量，所 以當(dāng)被完全地組裝時，在切割前的初始的單件式直徑146再次出現(xiàn)。而當(dāng)電火花線切割機(jī) 加工僅僅除去壁的千分之幾英寸以完成縱向的切割時，結(jié)果仍然在內(nèi)孔尺寸上改變。這種 鉆孔和攻絲的技術(shù)在使用電火花線切割機(jī)加工的縱切前，允許初始孔尺寸被恢復(fù)而將切割 半部保持在一起。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到球式防噴管閥通常在控制管路壓力下運(yùn)行，所述控制管 路壓力在相反的方向移動活塞26，以使球10在其自身軸線上旋轉(zhuǎn)90度，以達(dá)到打開或者關(guān) 閉位置。當(dāng)實(shí)現(xiàn)所述的打開或關(guān)閉時，指示特征部保持開啟和關(guān)閉位置。通過使上套筒12 自由運(yùn)動并將其提起直至其與球10在打開位置棘齒鎖定，同時保持通過閥的完整的孔，閥 能夠從開啟位置或關(guān)閉位置被鎖定打開。盡管示例了棘齒鎖定，其他鎖定裝置例如過狗窗 (dog through window)、夾頭或其它同類裝置也是可以的。應(yīng)該注意，球10的平移只在試 著將其鎖定打開時采用。應(yīng)該注意，部件能被代替地重新裝配以容許球10被選擇地緊密鎖
7定。防噴管閥的另一特征是內(nèi)部構(gòu)件預(yù)加載及能夠測量內(nèi)部構(gòu)件的尺寸，在用彈簧或 提供預(yù)加載的彈性元件固定端部和底部前，適當(dāng)?shù)念A(yù)加載可被施加。又一特征是制造縱向 的分離部件的方法，使得所述分離部件保持初始的內(nèi)部尺寸，盡管在用電火花線切割機(jī)加 工縱向切割前，利用鉆孔和攻絲技術(shù)的切削操作除去了壁的一部分，然后在被接合的半部 內(nèi)恢復(fù)接近原始的間距并跨越縱向切口，這依賴于攻絲螺紋的節(jié)距和被插入孔中的緊固 件。在這個特別的工具中，罩20和滑動件22可以使用這種技術(shù)制成。該技術(shù)具有很多其 它的應(yīng)用，用于縱向分割具有內(nèi)孔的部件，而內(nèi)孔必須被保持，盡管壁通過類似電火花機(jī)加 工的切割工藝而除去。優(yōu)選實(shí)施例已經(jīng)在上面被闡述，本領(lǐng)域提術(shù)人員能理解的是，本發(fā)明的范圍要顯 著地更寬，并如下面的權(quán)利要求所限定的那樣。
權(quán)利要求
一種井下閥，包括容納部，其具有貫穿其中的通路；球，該球具有貫穿其中的孔，該球可旋轉(zhuǎn)地安裝以繞著其軸線旋轉(zhuǎn)而不平移，以使所述孔與所述通路對準(zhǔn)或不對準(zhǔn)；安裝在所述容納部中的所述球的所述軸線偏離所述旋轉(zhuǎn)選擇性地進(jìn)行平移。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的閥，進(jìn)一步的包括位于套筒上的相對的基座，所述基座在偏置力的作用下抵接所述球。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的閥，其中至少一個所述套筒選擇性地固定到所述容納部。
4.根據(jù)權(quán)要求3的閥，其中在被松開和移動之后，所述套筒能夠鎖定到所述容納部。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的閥，其中所述基座通過罩保持到所述球上；一滑動件可移動地安裝，以相對于所述罩相對運(yùn)動；所述球能夠樞轉(zhuǎn)地安裝到所述罩上；所述滑動件與所述球偏離該球的所述樞轉(zhuǎn)安裝的中心而套準(zhǔn)，以使所述球在打開和閉 合位置之間轉(zhuǎn)動；其中，如果在套筒運(yùn)動的開始時球處于打開位置或通過在所述罩和滑動件之間的由于 套筒運(yùn)動導(dǎo)致的相對移動而將所述球從閉合位置移動到所述打開位置時，選擇性的移動所 述套筒之一到鎖定位置，而保持所述球處于打開位置。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的閥，其中將套筒選擇性地固定到所述容納部包括在第一位置最初通過可移動套筒支撐的鎖定 環(huán)件，所述可移動套筒與具有所述基座的套筒連接，所述基座具有空動特征，因此進(jìn)行空動 削弱和平移所述鎖定環(huán)件以在所述容納部內(nèi)嚙合單向棘齒。
7.根據(jù)權(quán)利要求2的閥，進(jìn)一步的包括可移動地在其中一個套筒上安裝的調(diào)節(jié)環(huán)，用于在組裝在所述容納部之后調(diào)整具有基 座的所述套筒中的一個的鄰近端到所述容納部內(nèi)的肩部的間距，以便施加預(yù)定預(yù)負(fù)載到支 撐在所述調(diào)節(jié)環(huán)和所述肩部上的偏置部件上。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的閥，其中所述調(diào)節(jié)環(huán)位于具有基座的套筒上，該套筒不同于具有選擇性地固定在所述容納部上 的基座的套筒。
9.根據(jù)權(quán)利要求7的閥，進(jìn)一步的包括具有開口的所述容納部的臨時部分通向所述調(diào)節(jié)環(huán)，同時在與所述容納部內(nèi)的所述肩 部相同的位置提、部，以允許所述調(diào)節(jié)環(huán)被定位和鎖定到其套筒，并在所述容納部的所述 臨時部分被代替和所述偏置部件支承在所述容納部和所述調(diào)節(jié)環(huán)的所述肩部上之后，鎖定 在具有基座的所述套筒上進(jìn)行預(yù)加載的位置。
10.根據(jù)權(quán)利要求5的閥，其中所述滑動件和所述罩中的至少一個由單個塊和縱向切口組成，且攻絲孔已經(jīng)跨過所述 切口，使得接合各個攻絲孔的插入的緊固件將所述切口部間隔開一定的量，以補(bǔ)償在所述縱向切割過程中移除的材料。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的閥，其中 所述部件通過電火花線切割機(jī)加工切開。
12.根據(jù)權(quán)利要求5的閥，其中所述球處于開啟位置時，所述套筒與所述球的鎖定沒有減少所述球的所述孔的尺寸或 者所述容納部的所述通路的尺寸。
13.根據(jù)權(quán)利要求5的閥，進(jìn)一步的包括連接到所述滑動件的活塞，所述活塞還包括在所述容納部上的接頭，用于施加壓力以 在相對的方向上驅(qū)動所述活塞和串列的滑動件。
14.一種制造具有貫通孔的部件的方法，該部件需要被組裝，包括。
全文摘要
一種球式井下防噴管閥，其特征在于通過控制驅(qū)動活塞的管路壓力以使球繞其軸線旋轉(zhuǎn)以打開或關(guān)閉閥。所述球也可切換到鎖合的打開位置。一個罩圍繞球并且為球保持相對的基座。罩由整塊組成，并且在整個罩由電火花線切割機(jī)加工技術(shù)縱向切開前，切向孔被鉆出并攻絲。使切割的兩半部再結(jié)合的緊固件適當(dāng)?shù)母糸_它們以達(dá)到初始的整體內(nèi)部尺寸。輔助工具確定內(nèi)部構(gòu)件的間距，以便在球的相對基座上實(shí)現(xiàn)預(yù)定的彈簧預(yù)加載。
文檔編號E21B34/00GK101868594SQ200780041558
公開日2010年10月20日 申請日期2007年11月6日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月9日
發(fā)明者C·H·比爾 申請人:貝克休斯公司