煤层气保压取心的圆弧闭合球阀密封装置
技术领域：
本实用新型涉及煤层气保压取心技术领域，特别涉及一种煤层气保压取心的圆弧闭合球阀密封装置。
背景技术：
随着煤层气勘探开发深度的增加，准确测算煤层气含量更为重要，因为它直接关系到煤层气井产能预测、开发靶区优选和井网布局等诸多关键开发决策。由于煤储层自身强度低、变形大，具有双重孔隙结构特征，导致煤体结构具有强烈的非均质性和储层物性的各向异性，以及明显的应力敏感性，又由于煤层气自身又容易分解和逸散，从而导致深层煤层气保压取心存在一定的技术难度。
常规地质与煤田勘探所用的系列常规绳索式取心工具，存在着管体薄、丝扣强度低、岩心直径小等诸多问题，且大多数缺乏保压密闭功能，导致煤层气含量估算误差大，仅适用于埋藏较浅的煤层勘探开发。现有的油气井取心工具在煤层钻井取心过程中存在钻头水力冲蚀、钻柱扰动等原因容易导致深层煤岩在取心过程中易遭受污染，再加上普通保压工具的球阀通径小、密封圈易串槽、承压能力有限等问题较难满足深层煤岩保压取心技术需要，难以获得高价值的煤心样品。
实用新型内容：
本实用新型要解决的技术问题是提供一种煤层气保压取心的圆弧闭合球阀密封装置，该装置实现了可替换常规油气井保压工具的普通球阀结构，配合常规保压取心工具的液力提升机构实现球阀关闭动作，球阀密封更加安全可靠，具备大通径、结构稳定的优点，为深层原位煤岩保压取心、煤层气准确估算提供更加可靠的保证。克服了现有绳索式取心工具难以在深层煤岩保压取心作业中运用，而传统的油气井保压取心工具又难以在保压条件下获得大直径的原位深层煤岩样品的不足。
本实用新型所采取的技术方案是：一种煤层气保压取心的圆弧闭合球阀密封装置，包括弹簧压头和上球阀仓；弹簧压头下端连接上球阀仓，上球阀仓下端外侧连接下球阀仓，上球阀仓和下球阀仓内部设置圆弧球阀座，复位弹簧套装在圆弧球阀座上，复位弹簧上端被限位，复位弹簧下端抵在圆弧球阀座外壁台肩上，圆弧球阀座下部外壁与上球阀仓下部内壁之间滑动密封，圆弧球阀座底端抵在球阀的球面上，圆弧球阀座底端设计有与球阀球面相匹配贴合的圆弧面，该圆弧面外侧设计有圆弧刮刀结构，复位弹簧的推力使圆弧球阀座底端圆弧面始终贴合在球阀的球面上，球阀中心开有通道，球阀两侧对称设计有安装平台，该安装平台上设有横截面为正方形的插孔，上述两个安装平台分别与下球阀仓内壁上两侧平台相匹配贴合；
下球阀仓为底端中心开有通道、内部中空的圆柱结构，下球阀仓外壁对称设置有两个轴向平台，下球阀仓外侧套装有导向滑块齿条关闭套，导向滑块齿条关闭套上端被下球阀仓外壁台阶限位，导向滑块齿条关闭套上端设计有限位台阶，导向滑块齿条关闭套两侧对称设置有轴向齿条轨道，转轴齿轮的外端齿轮体安装在上述轴向齿条轨道上并与轴向齿条轨道上两侧的轴向齿条相啮合，转轴齿轮内端设计有横截面为正方形的插杆，该插杆穿过下球阀仓的轴向平台上的孔道插入球阀安装平台上的插孔内，导向滑块齿条关闭套的轴向齿条轨道沿转轴齿轮发生轴向移动时转轴齿轮发生旋转进而带动球阀旋转。
复位弹簧上端顶在弹簧压头下端面上。
圆弧球阀座下部外壁上安装有密封圈并通过密封圈与上球阀仓下部内壁之间滑动密封。
圆弧球阀座底端圆弧面表面采用热喷焊或超音速喷涂工艺加工而成。
下球阀仓底端中心通道直径与球阀中心通道直径相等。
转轴齿轮的外端齿轮体位于导向滑块齿条关闭套的轴向齿条轨道最下端时，球阀处于打开状态；转轴齿轮的外端齿轮体位于导向滑块齿条关闭套的轴向齿条轨道最上端时，球阀处于关闭状态。
转轴齿轮的外端齿轮体厚度与导向滑块齿条关闭套的轴向齿条轨道上的两侧轴向齿条厚度相同。
转轴齿轮的外端齿轮体与内地插杆之间为圆柱转轴，该圆柱转轴与下球阀仓的轴向平台上的孔道相匹配。
本实用新型的有益效果是：
1、球阀和球阀座均设计为等圆弧面配合密封，两者采用热喷焊或超音速喷涂工艺提高强度、硬度和表面光滑度，免除常规密封圈的结构设计，并依靠复位弹簧和取心筒内部的高压液体的双作用力，实现机械自密封和高压主动密封，密封性能更加可靠。
2、球阀座设计为圆弧刮刀形式，使其具备自清洁功能。在球阀紧贴球阀座转动的时候，球阀座边缘形如刮刀的结构设计可清除球阀表面的微小砂砾等异物，避免异物进入球阀与球阀座的密封间隙，进一步保证密封效果。
3、球阀关闭方式采用双侧导轨滑块配合齿轮的结构设计，使球阀两侧转轴受力均匀、关闭过程平稳。
4、球阀关闭后，球阀与下球阀仓形成接触，分担大部分的球阀转轴外挤压力，在超高压取心过程中可有效保持球阀仓和球阀转轴的结构稳定。
附图说明：
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步详细的说明。
图1为球阀关闭前的本实用新型的结构示意图。
图2为球阀关闭后的本实用新型的结构示意图。
图3为下球阀仓的结构示意图。
图4为圆弧球阀座的结构示意图。
图5为导向滑块齿条关闭套上轴向齿条轨道的结构示意图。
图6为转轴齿轮的结构示意图。
图7为球阀的结构示意图。
图8为配合取心外筒时球阀关闭后的本实用新型示意图。
具体实施方式：
如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7所示，一种煤层气保压取心的圆弧闭合球阀密封装置，包括弹簧压头1和上球阀仓2；弹簧压头1下端螺纹连接上球阀仓2，上球阀仓2下端外侧螺纹连接下球阀仓4，上球阀仓2和下球阀仓4内部设置圆弧球阀座6，复位弹簧3套装在圆弧球阀座6上，复位弹簧3上端被限位，复位弹簧3下端抵在圆弧球阀座6外壁台肩上，圆弧球阀座6下部外壁与上球阀仓2下部内壁之间滑动密封，圆弧球阀座6底端抵在球阀7的球面上，圆弧球阀座6底端设计有与球阀7球面相匹配贴合的圆弧面，该圆弧面外侧设计有圆弧刮刀结构，锋利的刮刀结构在球阀7沿圆弧面转动时清除砂砾等异物，有效避免异物进入圆弧球阀座6和球阀7之间的密闭空间。复位弹簧3的推力使圆弧球阀座6底端圆弧面始终贴合在球阀7的球面上，复位弹簧3推动圆弧球阀座6始终与球阀7保持预应力贴合，实现机械自密封。当球阀7转动90°关闭和取心筒外部压力随着起钻过程而降低、取心筒内外存在压力差时，取心筒内部的高压液体就通过圆弧球阀座6外壁台肩面推动圆弧球阀座6与球阀7贴合，实现高压液体的主动自密封。球阀7中心开有通道，球阀7两侧对称设计有安装平台，该安装平台上设有横截面为正方形的插孔，上述两个安装平台分别与下球阀仓4内壁上两侧平台相匹配贴合；
下球阀仓4为底端中心开有通道、内部中空的圆柱结构，底端中心通道是岩心进筒的通道，下球阀仓4外壁对称设置有两个轴向平台，下球阀仓4外侧套装有导向滑块齿条关闭套5，导向滑块齿条关闭套5上端被下球阀仓4外壁台阶限位，导向滑块齿条关闭套5上端设计有限位台阶，导向滑块齿条关闭套5两侧对称设置有轴向齿条轨道，转轴齿轮8的外端齿轮体安装在上述轴向齿条轨道上并与轴向齿条轨道上两侧的轴向齿条相啮合，转轴齿轮8内端设计有横截面为正方形的插杆，该插杆穿过下球阀仓4的轴向平台上的孔道插入球阀7安装平台上的插孔内，导向滑块齿条关闭套5的轴向齿条轨道沿转轴齿轮8发生轴向移动时转轴齿轮8发生旋转进而带动球阀7旋转。
复位弹簧3上端顶在弹簧压头1下端面上。
圆弧球阀座6下部外壁上安装有密封圈9并通过密封圈9与上球阀仓2下部内壁之间滑动密封。
圆弧球阀座6底端圆弧面表面采用热喷焊或超音速喷涂工艺加工而成。
下球阀仓4底端中心通道直径与球阀7中心通道直径相等。
转轴齿轮8的外端齿轮体位于导向滑块齿条关闭套5的轴向齿条轨道最下端时，球阀7处于打开状态；转轴齿轮8的外端齿轮体位于导向滑块齿条关闭套5的轴向齿条轨道最上端时，球阀7处于关闭状态。
转轴齿轮8的外端齿轮体厚度与导向滑块齿条关闭套5的轴向齿条轨道上的两侧轴向齿条厚度相同。
转轴齿轮8的外端齿轮体与内地插杆之间为圆柱转轴，该圆柱转轴与下球阀仓4的轴向平台上的孔道相匹配。
工具组装入井前，弹簧压头1与保压取心内筒相连接，导向滑块齿条关闭套5的上端限位台阶在下球阀仓6和保压取心外连接筒10的下台肩处，压取心外连接筒10的底部接入取心钻头11，此时球阀7处于阀门打开状态；如图8所示，当正常取心钻进结束、球阀7需要关闭时，导向滑块齿条关闭套5随着保压取心外连接筒10、取心钻头11固定不动，本实用新型的其他部件都在保压取心工具液力提升机构(液力提升机构的原理是投球憋压、液力提升机构带动取心内筒、密封球阀等反向抬升，而取心外筒和取心钻头保持不动)的作用下反向抬升，此时转轴齿轮8旋转，进而促使球阀7转动了90°达到球阀关闭效果，实现保压取心内筒密封。在保压取心工具随着钻杆起出的过程中，外部钻井液的压力逐渐降低，保压取心内筒封存的高压液体则通过圆弧球阀座6的台肩面推动圆弧球阀座6与球阀7贴合更加紧密，实现液压的主动密封，保障了深层煤层保压取心成功率。
可以理解的是，以上关于本实用新型的具体描述，仅用于说明本实用新型而并非受限于本实用新型实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本实用新型进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本实用新型的保护范围之内。
