CN116065997B - 一种用于保压取心工具的球阀密封装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于油气勘探和开采技术领域，公开了一种用于保压取心工具的球阀密封装置和方法。用于保压取心工具的球阀密封装置包括顺次连接的取心钻头和外筒，内部依次设置球阀座、球阀、密封仓、活塞、岩心爪座、连接套和内筒，取心钻头的侧壁固定连接悬挂转轴的第一端，悬挂转轴的第二端依次穿设在球阀座和球阀以限位球阀；密封仓的底端对称设置两个拉杆，两个拉杆嵌入球阀内以限定球阀的转动；岩心爪座的底端贯入球阀内以限定球阀的轴向位移和转动；连接套的底端穿设在岩心爪座内并固定连接，活塞通过剪切销钉连接岩心爪座。本发明在球阀密封时，可以将球阀的密封压力传递至外筒和取心钻头，进而解决超高压地层保压取心作业中的密封问题。

Description

一种用于保压取心工具的球阀密封装置和方法

技术领域

本发明涉及油气勘探和开采技术领域，尤其涉及一种用于保压取心工具的球阀密封装置和方法。

背景技术

在油气田勘探开发过程中，通过钻井取心获取地层岩心资料对储层物性和资源量进行精细评价是科学指导油气开发的重要手段。到目前为止，用于石油与天然气的钻井取心工具主要包括以下几类：常规取心工具、长筒取心工具、密闭取心工具等。采用以上取心工具获取的岩心，由于没有压力保护和密封措施，起钻过程中油气组分大量损失，导致无法准确获取油层孔、渗、饱等测试数据。

为了解决钻井取心过程中难以取全、取准地层资料的问题，可通过保压取心方式尽量减小误差。保压取心过程中，地层压力可得以较好的保存，岩心中的油气组分不会散失，损失气量可以忽略。在天然气水合物、页岩气勘探实际应用中均体现出“保油、保气”的显著优势，保压取心技术已经越来越受到地质学家们的重视。

由于保压取心工具的保压性能主要取决于密封装置的密封性和承压能力，该密封装置要求在高压甚至超高压环境下维持密封和结构稳定，因此密封装置是确保保压取心作业成功的关键和基础。目前国内外现有保压取心工具主要采用三种密封方式：球阀密封、翻板式密封和相贯线式管型密封，三种密封结构通用保压能力一般在20-35MPa，仅能满足浅海以及浅井保压取心作业。

随着深层、超深层油气勘探力度的加大，井底压力普遍达到80-100MPa，最高可达150MPa。现有保压取心密封技术已经无法满足超高压地层保压取心作业需求。在4000米以深钻井取心领域，尚无保压取心应用实例，仅能采用常规取心技术进行取心作业，严重影响了深层地质评价工作的深入开展。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于保压取心工具的球阀密封装置和方法，以解决超高压地层保压取心作业中的密封性差问题。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种用于保压取心工具的球阀密封装置，包括：

取心钻头，所述取心钻头的底端设有轴向第一通孔，所述取心钻头的侧壁设有第一轴孔，所述第一轴孔内固定连接悬挂转轴的第一端；

外筒，所述外筒连接于所述取心钻头的顶端；

球阀座，所述球阀座设于所述取心钻头的底部，所述球阀座的底端设有轴向第二通孔，侧壁设有第二轴孔；所述第一通孔与所述第二通孔同轴且连通设置；

球阀，所述球阀设于所述球阀座内，所述球阀设有轴向相互贯通的上通孔和下通孔，所述球阀的两侧设有第三轴孔，所述下通孔与所述第二通孔同轴且连通设置；所述悬挂转轴的第二端依次穿设在所述第二轴孔和所述第三轴孔内以对所述球阀轴向限位；

密封仓，所述密封仓位于所述外筒内且所述密封仓的底端坐落在所述球阀座的顶端端面上，所述密封仓的底端对称设置两个拉杆，两个所述拉杆嵌入所述球阀内以限定所述球阀的转动；

岩心爪座，所述岩心爪座的底端贯入所述上通孔内并与所述下通孔的端面相抵接以限定所述球阀的轴向位移和转动；

连接套，所述连接套的顶端穿过所述密封仓的顶端连接于内筒，所述连接套的底端穿设在所述岩心爪座内并固定连接所述岩心爪座，所述连接套、所述岩心爪座与所述密封仓之间形成第一环形腔；所述密封仓上侧壁上设有注气孔，所述注气孔连通所述第一环形腔，所述注气孔内设有单流阀；

活塞，所述活塞套设在所述岩心爪座的外侧并通过剪切销钉连接所述岩心爪座，所述活塞的底端与所述球阀之间存在第一间隙，所述活塞的顶端止抵于所述密封仓和所述岩心爪座，所述活塞、所述密封仓和所述岩心爪座之间形成第二环形腔，所述活塞的顶端端面通过所述第二环形腔连通所述第一环形腔。

可选地，所述第一轴孔具有内螺纹，所述悬挂转轴的第一端具有外螺纹，所述悬挂转轴与所述第一轴孔螺纹连接固定。

可选地，所述球阀上设有限位槽，所述限位槽与所述上通孔的轴线之间呈45°夹角，所述拉杆嵌入所述限位槽内。

可选地，两个所述拉杆的相对内侧分别设有限位柱，两个所述限位柱分别嵌入两个所述限位槽内。

可选地，所述球阀朝向所述悬挂转轴的两侧分别设有平面，所述平面与所述球阀座面接触配合安装，所述限位槽设于所述平面上。

可选地，所述上通孔的孔径大于所述下通孔的孔径，所述岩心爪座贯入所述上通孔内使得所述岩心爪座和所述下通孔的孔径相等，并等于所述第一通孔和所述第二通孔的孔径。

可选地，所述活塞的底端设有密封面，所述密封面为弧形表面，所述弧形表面能够与所述球阀的表面相贴合以限位。

可选地，所述连接套设有环形凸台，所述环形凸台能够与所述密封仓的端口台肩相抵接以带动所述密封仓向上运动。

可选地，所述活塞与所述密封仓的内侧壁之间设有第三密封圈，所述活塞与所述岩心爪座的外侧壁之间设有第四密封圈。

一种用于保压取心工具的球阀密封方法，根据所述的用于保压取心工具的球阀密封装置，所述的用于保压取心工具的球阀密封方法包括如下步骤：

S1，在入井之前，通过注气孔向第一环形腔内注入氮气；

S2，取心完成后，通过差动装置使内筒和外筒产生差动，在差动过程中，所述外筒始终处于静止状态，所述内筒受到向上的提升力，提升力最终作用在岩心爪座上，对剪切销钉形成剪切力并将所述剪切销钉剪断；

S3，所述剪切销钉剪断后，所述内筒带动所述岩心爪座整体上行，所述岩心爪座下端完全离开球阀；同时连接套在密封仓内部上行并将提升力传递至所述密封仓；所述密封仓通过拉杆对所述球阀形成向上转动力矩，所述球阀旋转90°后，关闭所述内筒；

S4，活塞在高压氮气推动下下行，使密封面贴合在所述球阀表面；

S5，所述球阀旋转关闭以后，所述内筒中的高压压力作用在所述球阀顶部，对所述球阀形成推力，悬挂转轴将所述球阀、球阀座、取心钻头进行定位，对所述球阀形成的推力最终通过所述悬挂转轴作用在所述取心钻头和所述外筒上。

本发明的有益效果：

本发明的一种用于保压取心工具的球阀密封装置，通过悬挂转轴将球阀转动连接在球阀座上，球阀座连接在取心钻头上，当球阀密封时，可以将球阀的密封压力传递至外筒和取心钻头，进而解决超高压地层保压取心作业中的密封问题。通过在密封仓的底端设置拉杆嵌入球阀，可以在取心结束后为球阀提供转动扭矩，进而可以使得球阀的转动可控并最终密封内筒。

本发明的一种用于保压取心工具的球阀密封方法，通过在密封仓底端设置拉杆嵌入球阀，拉杆可以在保压取心时限定球阀的转动，在保压取心完成后，拉杆可以为球阀提供转动扭矩，使得球阀转动并密封内筒，球阀受到的压力传递至外筒和取心钻头，而外筒和取心钻头的结构强度高，进而解决了超高压地层保压取心作业中的密封性差的问题。

附图说明

图1为本发明一种用于保压取心工具的球阀密封装置在球阀关闭之前的结构示意图；

图2为本发明一种用于保压取心工具的球阀密封装置在球阀关闭之后的结构示意图；

图3为本发明一种用于保压取心工具的球阀密封装置的半剖结构示意图；

图4为本发明一种用于保压取心工具的球阀密封装置的密封仓示意图；

图5为本发明一种用于保压取心工具的球阀密封装置的密封仓和球阀装配示意图；

图6为本发明一种用于保压取心工具的球阀密封装置的密封仓和球阀座装配示意图(球阀关闭前)；

图7为本发明一种用于保压取心工具的球阀密封装置的密封仓和球阀座装配示意图(球阀关闭后)；

图8为本发明一种用于保压取心工具的球阀密封装置的球阀半剖结构示意图；

图9为本发明一种用于保压取心工具的球阀密封装置的悬挂转轴的结构示意图；

图中：

1、取心钻头；11、第一通孔；12、悬挂转轴；121、内孔；122、光杆轴；

2、外筒；

3、球阀座；31、第二通孔；

4、球阀；41、上通孔；42、下通孔；43、第三轴孔；44、平面；45、限位槽；

5、密封仓；51、第一环形腔；52、第二环形腔；53、单流阀；54、端口台肩；55、下台肩；56、拉杆；57、限位柱；58、注气孔；

6、岩心爪座；61、剪切销钉；62、岩心爪；

7、连接套；71、第一密封圈；72、第二密封圈；73、环形凸台；731、承力面；

8、活塞；81、密封面；82、第三密封圈；83、第四密封圈；

9、内筒。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而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。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。术语“多个”应该理解为两个以上。

如图1所示，以球阀4打开状态即关闭之前的状态为例进行说明，本发明实施例提供一种用于保压取心工具的球阀密封装置，包括取心钻头1、外筒2、球阀座3、球阀4、密封仓5、岩心爪座6、连接套7和活塞8，取心钻头1与外筒2依次连接，二者内侧依次连接球阀座3和密封仓5，球阀4和活塞8顺次设于球阀座3内和密封仓5内，岩心爪座6设于活塞8内并抵接球阀4，连接套7设于岩心爪座6顶端并向上连接内筒9。具体地，取心钻头1的底端设有轴向第一通孔11，取心钻头1的侧壁设有第一轴孔，第一轴孔内固定连接悬挂转轴12的第一端；取心钻头1整体为底端开第一通孔11、顶端敞口的圆筒结构，如图3，取心钻头1的顶端设有内螺纹；外筒2的底端设有外螺纹，外筒2的底端螺纹连接于取心钻头1的顶端，形成加长的具有内腔的圆筒。球阀座3设于取心钻头1的底部，并且坐落在取心钻头1的底壁上，球阀座3的底端设有轴向第二通孔31，侧壁设有第二轴孔；第一通孔11与第二通孔31同轴且连通设置；球阀4设于球阀座3内，二者为间隙插间配合，球阀4设有轴向相互贯通的上通孔41和下通孔42，球阀4的两侧设有第三轴孔43，下通孔42与第二通孔31同轴且连通设置；悬挂转轴12的第二端依次穿设在第二轴孔和第三轴孔43内以对球阀4轴向限位；可以理解，第一轴孔、第二轴孔和第三轴孔43均为径向孔，第一轴孔和第二轴孔为贯通孔，第三轴孔43可以是盲孔或贯通孔，当第三轴孔43为贯通孔时，悬挂转轴12的第二端的末端不超过球阀4的上通孔41的内壁，并做好密封。密封仓5位于外筒2内且密封仓5的底端坐落在球阀座3的顶端端面上，二者为非连接状态；因此密封仓5的底端壁厚等于球阀座3的顶端壁厚，二者对齐抵接安装。密封仓5的底端对称设置两个拉杆56，如图4，两个拉杆56间隔设置，两个拉杆56的一端固定在密封仓5的底端，另一端能够嵌入球阀4内以限定球阀4的转动，在需要密封时，拉杆56还能够为球阀4提供转动力矩以驱动球阀4从打开状态转动至密封状态，实现球阀4的状态切换可控。岩心爪座6的底端贯入上通孔41内并与下通孔42的端面相抵接以限定球阀4的轴向位移和转动，岩心爪座6与球阀4的上通孔41为间隙插间配合；如图1，岩心爪座6的底端设置台阶孔，台阶孔的长度等于上通孔41的长度，当台阶孔贯入上通孔41时，使得球阀4无法自由旋转，同时确保取心钻头1、球阀座3和球阀4轴向居中。台阶孔的外壁贴靠上通孔41的内壁，台阶孔的下端面抵接于下通孔42的顶端端面，台阶孔的孔径等于下通孔42的孔径，确保岩心无阻碍进入内筒9；同时，台阶孔的台阶面刚好抵接于球阀4的顶端，实现岩心爪座6与球阀4之间的位置限位。连接套7顶端穿过密封仓5的顶端连接于内筒9，如图1，连接套7的顶端具有内螺纹，内筒9的底端具有外螺纹，二者螺纹连接固定。岩心爪座6、连接套7和内筒9通过螺纹顺次连接，连接套7的底端穿设在岩心爪座6内并固定连接岩心爪座6，连接套7的底端位于岩心爪62的上方，固定方式可以为螺纹连接，连接套7、岩心爪座6与密封仓5之间形成第一环形腔51；密封仓5上侧壁上设有注气孔58，注气孔58连通第一环形腔51，注气孔58内设有单流阀53；第一环形腔51作为氮气腔，可以通过注气孔58向第一环形腔51内充入氮气以增压。活塞8套设在岩心爪座6的外侧并通过剪切销钉61连接岩心爪座6，活塞8的底端与球阀4之间存在第一间隙，活塞8的顶端止抵于密封仓5和岩心爪座6，活塞8、密封仓5和岩心爪座6之间形成第二环形腔52，活塞8的顶端端面通过第二环形腔52连通第一环形腔51。如图1所示，密封仓5的内壁和岩心爪座6的外壁之间的相对位置设有台阶面，活塞8的顶端能够止抵于该台阶面上，同时由于岩心爪座6的外径小于密封仓5的内径，因此在岩心爪座6和密封仓5之间形成第二环形腔52，第二环形腔52的环宽小于第一环形腔51的环宽，第一环形腔51内注入氮气后，活塞8被剪切销钉61限位，活塞8上端面仅有对应第二环形腔52的狭窄区域受到氮气压力作用，降低了活塞8顶端的作用力，剪切销钉61所受剪切力小于静剪切压力。

本发明的一种用于保压取心工具的球阀密封装置，通过悬挂转轴12将球阀4转动连接在球阀座3上，球阀座3连接在取心钻头1上，当球阀4密封时，如图2所示，可以将球阀4的密封压力通过悬挂转轴12传递至外筒2和取心钻头1，借助外筒2和取心钻头1的高强度结构，使球阀4可以承受住高压压力，实现超深层保压取心球阀4密封，进而解决超高压地层保压取心作业中的密封问题。通过在密封仓5的底端设置拉杆56嵌入球阀4，如图6所示，在取心过程中，拉杆56能够固定球阀4为打开状态，以确保岩心顺利进入内筒9，在取心结束后，如图7，拉杆56能够为球阀4提供转动扭矩，密封仓5上提的同时带动球阀4转动至密封状态，进而可以使得球阀4的转动可控并最终密封内筒9。本发明提供的一种用于保压取心工具的球阀4密封装置，可以通过向氮气腔即第一环形腔51内充氮气增压，以便于推动活塞8下行为球阀4提供压力，但是对于超深层保压取心，活塞8密封球阀4的压力明显是不够的，因此在此基础上，增加取心钻头1、球阀座3和球阀4之间的连接，取心钻头1顶端连接内筒9，进而为球阀4密封提供更大的压力，适用于超深层超高压工况的保压取心作业。

可选地，第一轴孔具有内螺纹，悬挂转轴12的第一端具有外螺纹，悬挂转轴12与第一轴孔螺纹连接固定。

如图1和图9，悬挂转轴12呈轴对称设置在取心钻头1上，实现对球阀4的横向的对称支撑，悬挂转轴12与取心钻头1螺纹连接，便于维持两个悬挂转轴12的同轴度，确保球阀4可以顺利转动。悬挂转轴12的设有外螺纹的第一端的端部设有内孔121，内孔121优选六角内孔，便于使用工具安装悬挂转轴12。悬挂转轴12的第二端为光杆轴122，便于***第二轴孔和第三轴孔43内并实现与球阀4的转动连接。当两个悬挂转轴12均固定后，球阀座3、球阀4和取心钻头1同轴心固定限位。

可选地，球阀4上设有限位槽45，限位槽45与上通孔41的轴线之间呈45°夹角，拉杆56嵌入限位槽45内。

如图4所示，限位槽45为长槽，沿球阀4外壁，从第三轴孔43的径向方向延伸，并与上通孔41的轴线方向呈45°夹角，以便于球阀4在转动时，随着密封仓5的上提而发生转动，且转动90°，实现球阀4由打开到关闭密封状态的切换，且拉杆56在限位槽45内滑动，利于拉杆56的滑动限位和导向。

可选地，两个拉杆56的相对内侧分别设有限位柱57，两个限位柱57分别嵌入两个限位槽45内。

如图4和图5，两个拉杆56沿轴向竖直设置，两个限位柱57均垂直于拉杆56设置，限位柱57与限位槽45配合滑动安装，球阀4打开状态时，球阀4受到悬挂转轴12和岩心爪座6的轴向和径向限位，限位槽45从所述第三轴孔43的轴心向下倾斜45°与竖直方向的拉杆56上的限位柱57配合，对球阀4的自由转动和上下位移进行限位，同时在需要密封时，限位槽45结构利于通过拉杆56对球阀4施加拉力，并通过限位柱57施加扭矩，限位柱57与拉杆56焊接固定或一体成型，限位柱57在密封仓5作用下上升时，限位柱57在限位槽45内滑动进而带动球阀4的转动，随动性好，便于控制。

可选地，上通孔41的孔径大于下通孔42的孔径，岩心爪座6贯入上通孔41内使得岩心爪座6和下通孔42的孔径相等，并等于第一通孔11和第二通孔31的孔径。

如图1所示，上通孔41内插设有岩心爪座6，为了确保岩心爪座6***后的孔径与下通孔42的孔径相等，因此上通孔41的孔径略大，以便容置岩心爪座6的底端台阶孔。在图1所示的球阀4打开状态时，第一通孔11、第二通孔31、下通孔42、上通孔41和连接套7的孔径均与内筒9孔径相等且同轴设置，岩心爪座6上岩心爪62、连接套7和内筒9同轴且内径相等，便于岩心可以无阻碍的进入内筒9实现取样。

可选地，活塞8的底端设有密封面81，密封面81为弧形表面，弧形表面能够与球阀4的表面相贴合以限位。

如图1所示，在球阀4打开状态时，活塞8底端与球阀4之间存在第一间隙，活塞8顶端氮气压力小于剪切销钉61的静剪切力，因此活塞8处于固定状态。当剪切销钉61剪断后，如图2，活塞8在氮气压力的作用下向下移动，活塞8底端与球阀4表面接触后，弧线表面利于与球阀4表面之间形成良好的面接触，利于位置球阀4的密封位置，并对球阀4施加均匀的顶端压力，辅助球阀4密封效果。

可选地，球阀4朝向悬挂转轴12的两侧分别设有平面44，平面44与球阀座3面接触配合安装，限位槽45设于平面44上。

如图6-图8所示，球阀4与球阀座3之间为面接触，利于对球阀4的转动进行限位，确保球阀4的打开状态时的位置可靠。且球阀4的左右两侧设置为平面44，利于在平面44上加工限位槽45，使得限位槽45与限位柱57能够始终处于滑动连接状态。如图6所示，拉杆56为L型，短杆水平连接在密封仓5底端边缘，当密封仓5的底端端面与球阀座3的顶端端面相抵时，短杆也刚好与球阀座3的顶端端面相抵，长杆末端贴靠球阀4两侧的平面44并与球阀座3单侧贴靠，限位槽45在球阀4上两侧平面44的顶端延长便于限位柱57初始安装进入限位槽45。密封仓5上提时，如图7，拉杆56沿球阀座3上升并在限位槽45内滑动，拉杆56长杆利于密封仓5上提的导向和限位。

可选地，连接套7设有环形凸台73，环形凸台73能够与密封仓5的端口台肩54相抵接以带动密封仓5上提运动。

如图1和图2，密封仓5顶端设有端口台肩54，端口台肩54下方间隔设置绕密封仓5内侧壁的环形的下台肩55，环形凸台73设于端口台肩54和下台肩55之间，且端口台肩54与下台肩55之间的距离大于环形凸台73的轴向高度，因此环形凸台73能够在端口台肩54和下台肩55之间滑动。为了确保密封仓5和连接套7之间的良好密封，环形凸台73的外周壁与密封仓5内侧壁之间设置第一密封圈71，环形凸台73的下端面与下台肩55之间设置第二密封圈72，第一密封圈71和第二密封圈72分别设置多个，且间隔分布。在球阀4打开状态时，环形凸台73的下端面与下台肩55抵接和密封，对第一环形腔51实现顶端密封。在球阀4关闭密封后，环形凸台73在内筒9在作用下上行至承力面731(环形凸台73的上端面)与端口台肩54相抵接，以便于上提连接套7和密封仓5，进而带动岩心爪座6上提并剪断剪切销钉61。此时第一密封圈71对第一环形腔51的顶端密封，避免氮气泄漏。

可选地，活塞8与密封仓5的内侧壁之间设有第三密封圈82，活塞8与岩心爪座6的外侧壁之间设有第四密封圈83。

如图1和图2，第三密封圈82和第四密封圈83分别间隔设置多个，第三密封圈82用于密封活塞8与密封仓5之间的间隙，第四密封圈83用于密封活塞8与岩心爪座6之间的间隙，确保氮气的压力仅作用在活塞8顶端，避免下方气体泄漏。如图2，在岩心爪座6上行和活塞8下行过程中，第三密封圈82和第四密封圈83要始终保持密封状态，防止岩心爪座6和活塞8上下交错移动造成漏气。

一种用于保压取心工具的球阀密封方法，根据本发明提供的用于保压取心工具的球阀密封装置，本实施例的用于保压取心工具的球阀密封方法包括如下步骤：

S1，在入井之前，通过注气孔58向第一环形腔51内注入氮气；

注气孔58内设有单流阀53，注气后可以实现自动节流和密封。充入第一环形腔51内的氮气的压力预先进行设置，配合活塞8的下行运动和压力供给。在入井前和取心过程中，用于保压取心工具的球阀密封装置保持图1所示的球阀4打开状态。

S2，取心完成后，通过差动装置使内筒9和外筒2产生差动，在差动过程中，外筒2始终处于静止状态，内筒9受到向上的提升力，提升力最终作用在岩心爪座6上，对剪切销钉61形成剪切力并将销钉剪断；

差动过程内筒9上提，带动连接套7，连接套7带动岩心爪座6，由于活塞8顶端受到氮气压力作用，因此岩心爪座6上提时会剪断剪切销钉61。

S3，剪切销钉61剪断后，内筒9带动岩心爪座6整体上行，岩心爪座6下端完全提出球阀4，失去对球阀4的限位功能；同时连接套7在密封仓5内部上行并将提升力传递至密封仓5；密封仓5通过拉杆56对球阀4形成向上转动力矩，球阀4旋转90°后，内筒9被球阀4关闭，如图2所示。

S4，活塞8在高压氮气推动下下行，使密封面81贴合在球阀4表面；

剪切销钉61剪断后，对活塞8失去限位作用，活塞8在第一环形腔51内氮气压力作用下下行直至活塞8底端与球阀4接触，将氮气压力传递给球阀4，活塞8顶端受到氮气的作用面积有第二环形腔52变为整个端面，可以增强氮气的推动力，使活塞8和球阀4表面紧密贴合，活塞8将球阀4限定在关闭密封位置，起到限位作用。在第三密封圈82和第四密封圈83的作用下，氮气不会发生泄漏。

S5，球阀4旋转关闭以后，内筒9中的高压压力作用在球阀4顶部，对球阀4形成推力，悬挂转轴12将球阀4、球阀座3、取心钻头1进行定位，对球阀4形成的推力最终通过悬挂转轴12作用在取心钻头1和外筒2上，借助外筒2和取心钻头1的高强度结构，使球阀4可以承受住高压压力，大大提高了密封装置的整体承压能力。

如图2所示，球阀4转动密封后，球阀4底端的压力通过悬挂转轴12传递给取心钻头1和外筒2，而外筒2一直为静置件，因此能够为球阀4提供更大的密封压力。

本发明的一种用于保压取心工具的球阀密封方法，通过在密封仓5底端设置拉杆56嵌入球阀4，拉杆56可以在保压取心时限定球阀4的转动，在保压取心完成后，拉杆56可以为球阀4提供转动扭矩，使得球阀4转动并密封内筒9，球阀4受到的压力传递至外筒2和取心钻头1，而外筒2和取心钻头1的结构强度高，进而解决了超高压地层保压取心作业中的密封性差的问题。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于保压取心工具的球阀密封装置，其特征在于，包括：

取心钻头(1)，所述取心钻头(1)的底端设有轴向第一通孔(11)，所述取心钻头(1)的侧壁设有第一轴孔，所述第一轴孔内固定连接悬挂转轴(12)的第一端；

外筒(2)，所述外筒(2)连接于所述取心钻头(1)的顶端；

球阀座(3)，所述球阀座(3)设于所述取心钻头(1)的底部，所述球阀座(3)的底端设有轴向第二通孔(31)，侧壁设有第二轴孔；所述第一通孔(11)与所述第二通孔(31)同轴且连通设置；

球阀(4)，所述球阀(4)设于所述球阀座(3)内，所述球阀(4)设有轴向相互贯通的上通孔(41)和下通孔(42)，所述球阀(4)的两侧设有第三轴孔(43)，所述下通孔(42)与所述第二通孔(31)同轴且连通设置；所述悬挂转轴(12)的第二端依次穿设在所述第二轴孔和所述第三轴孔(43)内以对所述球阀(4)轴向限位；

密封仓(5)，所述密封仓(5)位于所述外筒(2)内且所述密封仓(5)的底端坐落在所述球阀座(3)的顶端端面上，所述密封仓(5)的底端对称设置两个拉杆(56)，两个所述拉杆(56)嵌入所述球阀(4)内以限定所述球阀(4)的转动；所述球阀(4)上还设有限位槽(45)，所述限位槽(45)与所述上通孔(41)的轴线之间呈45°夹角，所述拉杆(56)嵌入所述限位槽(45)内；两个所述拉杆(56)的相对内侧分别设有限位柱(57)，两个所述限位柱(57)分别嵌入两个所述限位槽(45)内；

岩心爪座(6)，所述岩心爪座(6)的底端贯入所述上通孔(41)内并与所述下通孔(42)的端面相抵接以限定所述球阀(4)的轴向位移和转动；

连接套(7)，所述连接套(7)的顶端穿过所述密封仓(5)的顶端连接于内筒(9)，所述连接套(7)的底端穿设在所述岩心爪座(6)内并固定连接所述岩心爪座(6)，所述连接套(7)、所述岩心爪座(6)与所述密封仓(5)之间形成第一环形腔(51)；所述密封仓(5)上侧壁上设有注气孔(58)，所述注气孔(58)连通所述第一环形腔(51)，所述注气孔(58)内设有单流阀(53)；

活塞(8)，所述活塞(8)套设在所述岩心爪座(6)的外侧并通过剪切销钉(61)连接所述岩心爪座(6)，所述活塞(8)的底端与所述球阀(4)之间存在第一间隙，所述活塞(8)的顶端止抵于所述密封仓(5)和所述岩心爪座(6)，所述活塞(8)、所述密封仓(5)和所述岩心爪座(6)之间形成第二环形腔(52)，所述活塞(8)的顶端端面通过所述第二环形腔(52)连通所述第一环形腔(51)。

2.根据权利要求1所述的用于保压取心工具的球阀密封装置，其特征在于，所述第一轴孔具有内螺纹，所述悬挂转轴(12)的第一端具有外螺纹，所述悬挂转轴(12)与所述第一轴孔螺纹连接固定。

3.根据权利要求1所述的用于保压取心工具的球阀密封装置，其特征在于，所述球阀(4)朝向所述悬挂转轴(12)的两侧分别设有平面(44)，所述平面(44)与所述球阀座(3)面接触配合安装，所述限位槽(45)设于所述平面(44)上。

4.根据权利要求1所述的用于保压取心工具的球阀密封装置，其特征在于，所述上通孔(41)的孔径大于所述下通孔(42)的孔径，所述岩心爪座(6)贯入所述上通孔(41)内使得所述岩心爪座(6)和所述下通孔(42)的孔径相等，并等于所述第一通孔(11)和所述第二通孔(31)的孔径。

5.根据权利要求1所述的用于保压取心工具的球阀密封装置，其特征在于，所述活塞(8)的底端设有密封面(81)，所述密封面(81)为弧形表面，所述弧形表面能够与所述球阀(4)的表面相贴合以限位。

6.根据权利要求1所述的用于保压取心工具的球阀密封装置，其特征在于，所述连接套(7)设有环形凸台(73)，所述环形凸台(73)能够与所述密封仓(5)的端口台肩(54)相抵接以带动所述密封仓(5)向上运动。

7.根据权利要求1所述的用于保压取心工具的球阀密封装置，其特征在于，所述活塞(8)与所述密封仓(5)的内侧壁之间设有第三密封圈(82)，所述活塞(8)与所述岩心爪座(6)的外侧壁之间设有第四密封圈(83)。

8.一种用于保压取心工具的球阀密封方法，其特征在于，应用权利要求1-7任一项所述的用于保压取心工具的球阀密封装置，所述的用于保压取心工具的球阀密封方法包括如下步骤：

S1，在入井之前，通过注气孔(58)向第一环形腔(51)内注入氮气；

S2，取心完成后，通过差动装置使内筒(9)和外筒(2)产生差动，在差动过程中，所述外筒(2)始终处于静止状态，所述内筒(9)受到向上的提升力，提升力最终作用在岩心爪座(6)上，对剪切销钉(61)形成剪切力并将所述剪切销钉(61)剪断；

S3，所述剪切销钉(61)剪断后，所述内筒(9)带动所述岩心爪座(6)整体上行，所述岩心爪座(6)下端完全离开球阀(4)；同时连接套(7)在密封仓(5)内部上行并将提升力传递至所述密封仓(5)；所述密封仓(5)通过拉杆(56)对所述球阀(4)形成向上转动力矩，所述球阀(4)旋转90°后，关闭所述内筒(9)；

S4，活塞(8)在高压氮气推动下下行，使密封面(81)贴合在所述球阀(4)表面；

S5，所述球阀(4)旋转关闭以后，所述内筒(9)中的高压压力作用在所述球阀(4)顶部，对所述球阀(4)形成推力，悬挂转轴(12)将所述球阀(4)、球阀座(3)、取心钻头(1)进行定位，对所述球阀(4)形成的推力最终通过所述悬挂转轴(12)作用在所述取心钻头(1)和所述外筒(2)上。