一种空气螺杆钻具防飞车单向阀

技术领域

本发明涉及空气螺杆控制技术领域。更具体地说，本发明涉及一种空气螺杆钻具防飞车单向阀。

背景技术

空气钻井技术是以空气作为循环介质的气基流体欠平衡钻井技术，因其在储层保护和提高机械钻速方面的明显优势在国内外被广泛应用。空气螺杆钻具作为气体钻井或欠平衡钻井技术钻定向井及各类特殊工艺井的必要工具，其结构和性能直接关系到气体钻井作业的工作效率，虽然空气螺杆钻具在提高机械钻进速度、减少钻井周期、降低钻井成本方面具有明显优势，但空气螺杆钻具在应用过程中也存在一些问题，尤其以“飞车”问题最为严重。

“飞车”问题是指，由于空气的可压缩性，当起钻时马达压差显著变小，从而使马达进口处空气压力减小，空气体积变大，马达转速突然增加。“飞车”问题会使马达在短时间内产生大量的热量，影响马达定子橡胶的使用寿命，同时也会使空气螺杆钻具内部的万向轴、传动轴轴承及马达定子、转子的运动频率相应增大，磨损加剧，寿命缩短，严重影响钻井效率以及钻井成本。因此，解决“飞车”问题对于延长空气螺杆钻具的使用寿命非常重要，但目前对于这种问题的解决多设置复杂的结构系统去克服马达进口处空气压力的不足，实现过程复杂，设置成本过高。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。

本发明还有一个目的是提供一种空气螺杆钻具防飞车单向阀，以解决现有技术中空气螺杆钻具应对飞车问题结构设置复杂、成本高的技术问题。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种空气螺杆钻具防飞车单向阀，包括：

阀体，其一端设置有公螺纹并与防掉总成螺纹连接，阀体内部沿轴向开设有贯通孔，贯通孔朝向公螺纹所在一端分为直径依次减小的第一腔室、第二腔室、第三腔室，第一腔室内设有母螺纹并与钻柱螺纹连接，第二腔室为圆柱形结构，第三腔室作为存气室；

阀芯，其安装在第二腔室内且与第二腔室的形状配合设置，阀芯能相对第二腔室沿周向旋转，阀芯内沿轴向设有流道，流道上包括沿轴向依次排列的多个呈P字型结构的环形弯道，环形弯道在朝向母螺纹一侧设有一个入口段，在朝向公螺纹一侧设有一个出口段，入口段与出口段分别相对阀芯轴向倾斜设置且沿轴向对称，入口段朝向出口段设置，前一个环形弯道的出口段与后一个环形弯道的入口段沿同一方向对接连通，位于流道两端的出口段和入口段分别贯通阀芯的对应端形成工作口，一个工作口与钻柱处连通，一个工作口与第三腔室连通；

调整套，其抵接在阀芯与钻柱之间，用于沿轴向固定阀芯与钻柱在阀体上。

优选的是，每个所述环形弯道由连通设置的弧形段和直线段组成P字型结构，弧形段和直线段的其中一端平滑过渡连接形成圆角，弧形段和直线段的另一端在连接处形成锐角式的夹角，所述入口段延伸设置在直线段的与弧形段具有锐角式夹角的一端，所述出口段设置在圆角处且与弧形段的对应端切线方向一致。

优选的是，所述直线段的直径大于所述弧形段的直径。

优选的是，所述阀芯包括阀芯A和阀芯B，阀芯A和阀芯B分别为整体形状、大小相同的半圆柱形结构，所述流道一半位于阀芯A上、另一半位于阀芯B上且在阀芯A与阀芯B上布置的形状完全一致，在阀芯A和阀芯B的两条棱边上分别设置有焊接槽，通过焊接阀芯A与阀芯B相对的焊接槽，将阀芯A与阀芯B连为一体，形成所述阀芯。

优选的是，所述阀芯A和所述阀芯B在面向所述母螺纹的一端对称开设有两对键孔，每对键孔内共同插入配合设置一个平键，平键靠近所述母螺纹的一端与所述调整套的对应面抵接。

优选的是，所述阀芯的长度与所述环形弯道的级数成正比，级数代表所述环形弯道在轴向上排列的数量。

优选的是，每级所述环形弯道反向控制效果比例为η％，反向控制效果为气体由所述出口段进入，经所述弧形段和所述直线段先分流后汇合后从所述入口段流出时气体消耗的比例，所述环形弯道在给定最大排量下需要设计的级数N根据以下公式进行计算：

对右侧获得的数据进行向上取整，即为级数N的数值。

本发明至少包括以下有益效果：

(1)本发明设置的空气螺杆钻具防飞车单向阀主要包括阀体、阀芯，在阀芯上设置具有多个P字型结构环形弯道对称且沿轴向顺次排列的流道，利用设置的环形弯道的方向特性，实现对经过阀芯的气体的流向的控制，与常规单向阀不同，未设置任何运动机构，不需要复杂的结构或运动来控制气体，无需输入能量即可实现气体的单向导通。

(2)本发明设置的空气螺杆钻具防飞车单向阀在起钻时，空气螺杆钻具防飞车单向阀上部钻柱中的气体压力低，由于空气螺杆钻具防飞车单向阀通过设置的阀芯阻断了空气螺杆马达上方的气体上返，所以下部空气螺杆中的气体不能顺利流入上部钻柱，在第三腔室内保留一部分气体，因此在空气螺杆马达上方会保持一定的压力，可有效避免空气螺杆因起钻造成的压力骤减，所导致的空气螺杆内空气体积变大、马达转速突然增加的飞车问题发生。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明的空气螺杆钻具防飞车单向阀在气体正向流动时的结构示意图；

图2为本发明的空气螺杆钻具防飞车单向阀在气体反向流动时的结构示意图；

图3为本发明的空气螺杆钻具防飞车单向阀工作位置示意图；

说明书附图标记：1、阀体，2、阀芯，3、平键，4、调整套，5、密封圈，6、防掉总成，7、马达总成，8、万向轴总成；9、传动轴总成，10、第一腔室，11、第二腔室，12、第三腔室，13、公螺纹，14、母螺纹，15、工作口，16、环形弯道，17、直线段，18、弧形段。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1-3所示，本发明提供一种空气螺杆钻具防飞车单向阀，包括：

阀体1，其一端设置有公螺纹13并与防掉总成6螺纹连接，阀体1内部沿轴向开设有贯通孔，贯通孔朝向公螺纹13所在一端分为直径依次减小的第一腔室10、第二腔室11、第三腔室12，第一腔室10内设有母螺纹14并与钻柱螺纹连接，第二腔室11为圆柱形结构，第三腔室12作为存气室；

阀芯2，其安装在第二腔室11内且与第二腔室11的形状配合设置，阀芯2能相对第二腔室11沿周向旋转，阀芯2内沿轴向设有流道，流道上包括沿轴向依次排列的多个呈P字型结构的环形弯道16，环形弯道16在朝向母螺纹14一侧设有一个入口段，在朝向公螺纹13一侧设有一个出口段，入口段与出口段分别相对阀芯2轴向倾斜设置且沿轴向对称，入口段朝向出口段设置，前一个环形弯道16的出口段与后一个环形弯道16的入口段沿同一方向对接连通，位于流道两端的出口段和入口段分别贯通阀芯2的对应端形成工作口15，一个工作口15与钻柱处连通，一个工作口15与第三腔室12连通；

调整套4，其抵接在阀芯2与钻柱之间，用于沿轴向固定阀芯2与钻柱在阀体1上。

为方便说明，图1、图2的左侧与图3的下端为同一侧且与防掉总成6连接，图1的右侧、图3的上端为同一侧且与钻柱连接，以图3所在方向进行描述，阀芯2从母螺纹14所在一端向内装入第二腔室11中通过台阶面进行轴向限位，阀芯2可相对阀体1在周向上旋转，阀芯2另一端通过调整套4抵接钻柱，通过调整套4过渡调整钻柱与阀芯2的相对位置，确保阀芯2与钻柱在轴向上固定，空气螺杆钻具防飞车单向阀通过自锁锥形公螺纹13向下依次连接防掉总成6、马达总成7、万向轴总成8和传动轴总成9，阀体与防掉总成之间设有密封圈进行密封连接，分流即一段流体变为多段流体的过程。

通过设置的阀芯2实现对空气流体的流量与方向的控制，阀芯2上的流道未设置任何运动机构，就能使流体在阀芯2的两侧工作口15外形成具有与方向相关的压降特性，形成“流体二极管”的效果，即一个气体流动方向的流动阻力高于另一方向，而在正向即从上至下的方向无需输入能量即可实现气体的单向导通。

具体的，结合图1所示，气体沿从右至左的方向流动设置为正向流动，从靠近母螺纹14的作为工作口15的一个入口段进入，入口段与出口段相对轴向倾斜设置，整体控制流动方向朝向第三腔室12，在P字型结构环形弯道16本身形状的作用下，气体产生分流，大部分气体沿入口段延伸方向朝出口段流动，小部分气体随环形弯道16流动，朝出口段流动的气体到达出口段处，在入口段与出口段朝向相对阀芯2轴向对称且相对阀芯2轴向倾斜的作用下，气体碰撞到出口段侧壁，且由于当前环形弯道16的出口段与下一个环形弯道16的入口段沿同一方向连通对接，因此此时的大部分气体沿出口段离开当前环形弯道16，小部分气体继续沿环形弯道16流动，后续气体进入当前环形弯道16后，进行同样的分流过程，且与前序气体在对应位置的分流汇合，同时沿环形弯道16绕行被分流的小部分气体重新进行下一次的分流，与大部分气体相同流向的气体则保留更多的动力，相反流向的气体则相反方向的动力逐渐耗损直至汇合被大部分气体带动重新具有相同的动力方向，如此往复，在整个过程中几乎没有太多的能量损耗，且能始终保持大部分气体整体朝向第三腔室12的方向流动。

气体在阀芯2内沿从左至右的流动方向设置为反向流动，结合图2所示，气体反向流动时从下方的出口段进入，依旧会被分流，但由于环形弯道16的结构此时与正向流动时不同，分流的方向发生改变，大部分气体随环形弯道16绕行，绕行时不断碰撞流道壁面加上路径延长会损失相当多的能量，且在绕行时与正向流动的气体汇合，由于与正向流动的气体的流动方向相反，又会损失能量，反复几个环形弯道16后，受到的阻力越来越大，最终由于动力耗损完毕，气体无法前进，从而实现了气体沿正向流动的单向导通。

正常工作转态下，空气螺杆钻具防飞车单向阀上部钻柱中的气体压力高，下部空气螺杆中的气体压力低，气体会通过所述空气螺杆钻具防飞车单向阀源源不断进入下部空气螺杆马达总成7的上方，为空气螺杆提供足够的气量，保证了空气螺杆的正常运转。当起钻时，空气螺杆钻具防飞车单向阀上部钻柱中的气体压力低，而下部空气螺杆中的气体上返受阻，无法顺利进入上部钻柱，因此下部空气螺杆马达上方在第三腔室12处会保持一定的压力，可有效避免空气螺杆因起钻造成的压力骤减，而导致空气螺杆内空气体积变大，马达转速突然增加的“飞车”问题发生。

在另一种技术方案中，如图1-3所示，每个所述环形弯道16由连通设置的弧形段18和直线段17组成P字型结构，弧形段18和直线段17的其中一端平滑过渡连接形成圆角，弧形段18和直线段17的另一端在连接处形成锐角式的夹角，所述入口段延伸设置在直线段17的与弧形段18具有锐角式夹角的一端，所述出口段设置在圆角处且与弧形段18的对应端切线方向一致。

环形弯道16整体呈类似瓣膜状的P字型结构，出口段在P的上端，入口段在P的下端，利用直线段17与弧形段18的组合形式并设计对应的对接夹角，而未额外设置动力机构，即可实现对气体流向的控制，当气体正向通过空气螺杆钻具防飞车单向阀时，会从单向阀入口进入，经过一个直线段17后会进行分流，由于环形弯道16的形状，只会有少部分流体会朝上面夹角为圆角方向的弧形段18端部流动，而大部分流体依旧会沿直线段17流动，当流体继续往前时，又会选择方向，一个是朝向方向为锐角的出口段流动，另一个是相反方向即夹角为钝角的弧形段18端部流动，前一个环形弯道16的出口与下一个环形弯道16的入口方向相同，因此流向出口段的气体可直接进入下一个环形弯道16内，不损失动力及改变流动方向，前一部分进入且分流过的流体也在此汇合，并继续重复上一个环形弯道16内的流动方式，如此往复，在整个过程中几乎没有太多的能量损耗。当气体反向通过空气螺杆钻具防飞车单向阀时，虽然依旧会被分流，但分流后遇到的环形弯道16的结构情况不同，变成夹角情况相反的朝向形式，从前一个弧形段18绕路而走的流体会在前进时遇到一个弧形段18，气体撞在上面损失相当多的能量，紧接着气体又要旋转接近180°与第一次分流后的直线段17上的其余气体汇合，而两股相反方向的气体相遇时，又会损失能量，如此反复几个环形弯道16后，其阻力越来越大，最终由于动力耗损完毕，气体无法前进，从而实现了阀芯2的单向导通。

在另一种技术方案中，如图1-3所示，所述直线段17的直径大于所述弧形段18的直径。直线段17作为流道的主干道，大部分气体主要沿所有环形弯道16的直线段17进行流动，能量损失小，弧形段18的部分则作为流道的支干道，主要与直线段17配合改变气体流向。

在另一种技术方案中，如图1-3所示，所述阀芯2包括阀芯2A和阀芯2B，阀芯2A和阀芯2B分别为整体形状、大小相同的半圆柱形结构，所述流道一半位于阀芯2A上、另一半位于阀芯2B上且在阀芯2A与阀芯2B上布置的形状完全一致，在阀芯2A和阀芯2B的两条棱边上分别设置有焊接槽，通过焊接阀芯2A与阀芯2B相对的焊接槽，将阀芯2A与阀芯2B连为一体，形成所述阀芯2。在阀芯2A、阀芯2B的两条棱边上铣有焊接槽，将阀芯2A和阀芯2B的焊接槽进行对接并焊接，焊接后打磨圆滑，按规定方向装入阀体1中。

在另一种技术方案中，如图1-3所示，所述阀芯2A和所述阀芯2B在面向所述母螺纹14的一端对称开设有两对键孔，每对键孔内共同插入配合设置一个平键3，平键3靠近所述母螺纹14的一端与所述调整套4的对应面抵接。

当阀芯2A和阀芯2B对接组装时，在相对的两对键孔内插入两个平键3，并通过平键3进行定位，再焊接阀芯2A和阀芯2B两相邻棱边的焊接槽。

在另一种技术方案中，如图1-3所示，所述阀芯2的长度与所述环形弯道16的级数成正比，级数代表所述环形弯道16在轴向上排列的数量。

每个环形弯道16称为一级，流道可按要求呈现不同的级数，级数不同，阀芯2的长度不同，级数越大，阀芯2越长，阀芯2内部流道也越长，阻止气体上返的效果越好，同时可根据阀芯2的长度调整调整套4的长度，使阀体11、阀芯22、调整套44和上部钻柱在轴向上紧密接触实现轴向固定。

在另一种技术方案中，如图1-3所示，每级所述环形弯道16反向控制效果比例为η％，反向控制效果为气体由所述出口段进入，经所述弧形段和所述直线段先分流后汇合后从所述入口段流出时气体消耗的比例，所述环形弯道16在给定最大排量下需要设计的级数N根据以下公式进行计算：

对右侧获得的数据进行向上取整，即为级数N的数值。

根据所需阻绝气体反向流动的需求即对气体反向流动的控制效果来设置环形弯道16的级数，流道的级数越大阻力越大，最终可阻断绝大部分的气体上返。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。