專利名稱：用于閥的選擇性轉矩操作器的制作方法
技術領域：
本發明大體而言涉及油井和氣井的生產，且特定而言涉及用于減小促動閥所需轉矩的裝置。
背景技術：
表面井孔穿過位于表面下方的地下地層形成。用于從表面井孔生產油和氣的系統典型地包括設于井孔開口上的井口組件。典型表面井口組件包括高壓井口外殼，高壓井口外殼支承在較低壓力井口外殼中且固定到導管套管上，導管套管向下延伸經過井口開口。 井通常用一個或多個套管柱來加襯，套管柱同軸地穿過導管套管插入且比導管套管顯著更深。套管柱從陷入于井口外殼中的套管懸掛器懸置。一個或多個管柱設于最內部的套管柱內；除了其它之外，其用于輸送從下面的地層產生的井流體。采油樹安裝到井口外殼上端以控制井流體。采油樹典型地為較大、較重組件，上面安裝有多個閥和控制裝置。閥可為閘閥，其能由手輪手動地操作。為了促動在這些類型的閥中的閘，操作者必須向手輪施加旋轉力或轉矩。由于在打開或完全關閉位置閘所經歷的高壓，在這些位置需要更高轉矩，這可能很難或甚至不能由一個或甚至兩個操作者施加。因此，開發了齒輪，其以必須使手輪旋轉經過更多的轉數作為交換來減小在手輪上所需的轉矩。但是，一旦克服了高轉矩條件，通過中間閘位置操作該閥所需的轉矩就顯著地減小。因此，即使是在克服了高轉矩條件之后，所需的較大轉數也會導致操作者轉動該手輪花費額外時間和力氣。這樣可能既成本較高又浪費。因此需要一種技術，其允許操作者以低操作力氣來克服高轉矩條件，同時在克服了高轉矩條件之后減少所需轉數。

發明內容
在一實例實施例中，手操作的閥包括由可旋轉的軸移動(stroke)至打開以及關閉(即往復運動至打開以及關閉)的構件或桿。閥還包括轉矩選擇器，其用于選擇性地接合閥的促動驅動桿中的齒輪單元。選擇器具有套環，套環具有軸向內孔和穿過其側部的槽。 該槽包括指向套環的上端的突出部且具有傾斜于套環軸線而定向的邊緣。從動軸插入于內孔中，且在低轉矩條件期間，安裝于從動軸中的第一銷接合槽中的突出部，低轉矩條件典型地存在于打開與關閉中間的閥位置。另外，安裝于閥桿上、位于第一銷下方的第二銷也在低轉矩條件期間接合形成于套環下端上的肩部。這導致了閥桿的直接驅動機構，與高轉矩條件相比，其允許較少轉數來操作閥桿。當操作者在手輪上所施加的力氣由于閥桿中的高轉矩條件而增加時，由操作者產生的力克服了彈簧的預設負荷，彈簧在一端聯接到驅動軸且在另一端聯接到套環。由操作者產生的力也造成安裝于軸上的第一銷沿著突出部中的斜邊緣向下行進(ride down)，使得第一銷與套環中的突出部脫離。此外，施加的力造成轉矩選擇器和大齒輪相對于外殼向上移動，造成安裝于桿上的第二銷與套環上的下肩部脫離。在大齒輪向上移動時，安裝于桿上的第三或大齒輪銷同時接合形成于大齒輪下部部分上的肩部。利用接合到大齒輪的大齒輪銷，齒輪單元的全部機械優勢有利地用于克服在桿處的轉矩。這種機械優勢允許單個操作者促動閥而無需額外操作者且利用更少操作力氣。另外，一旦克服了高轉矩條件，轉矩選擇器就允許齒輪機構自動地或選擇性地回復到直接驅動低轉矩機構，以允許閥更快操作 (同與高轉矩條件相關聯的高轉數相比)。


圖1是根據本發明的閘閥操作器的實例實施例的側截面圖，其中轉矩選擇器機構處于直接驅動接合。圖2是圖1的閘閥操作器的實例實施例的透視局部截面圖。圖3是圖1的轉矩選擇器機構的實例實施例的透視圖。圖4是根據本發明的閘閥操作器的實例實施例的側截面圖，其中轉矩選擇器機構處于轉矩減小接合以向桿應用機械優勢。圖5是圖1的轉矩選擇器機構的一部分的替代實施例的側視示意圖。
具體實施例方式現將參看附圖在下文中更全面地描述本公開的設備和方法，在附圖中示出了實施例。但本公開的該主題可以許多不同形式實施且不應被認為限于本文所陳述的圖示的實施例；而是提供這些實施例使得本公開將全面且完整，且將向本領域技術人員全面傳達本發明的范圍。貫穿全文，相同的標號指代相同的元件。為了便于參考附圖，僅為了參考和說明而使用方向術語。舉例而言，諸如“上部”、“下部”、“上方”、“下方”等等的方向術語是用于說明相關位置。應了解本公開的主題并不限于圖示和描述的構造、操作、精確材料或實施例的精確細節，因為對于本領域技術人員而言，修改和等效物將顯然。在附圖和說明書中，公開了本公開的說明性實施例，且盡管采用了具體術語，但它們僅用于一般且描述性的意義，而并不用于限制目的。相應地，本主題公開因而僅受所附權利要求的范圍限制。參看圖1，示出了閘閥促動器或操作器10的實施例的截面圖。該閥促動器包括外殼手輪12，其可操作地連接到驅動軸14，驅動軸14可繞軸線Y旋轉。驅動軸14通過鎖定螺母16和墊圈17而關于促動器10居中地保持。在此實例中，軸承19位于墊圈17的任一側上，以在軸14處提供徑向支承，且便于軸14旋轉。鎖定螺母16以螺紋的方式接合位于促動器10的外殼18的上表面中央的開口。外殼18具有法蘭下端20，法蘭下端20具有穿過它的多個在周向上間隔開的螺栓開口 21，每個開口用于接納帶兩個螺母的螺柱或螺栓22。 螺柱22可用于將促動器10連接到閥(未圖示)。繼續參看圖1，至少一個空轉齒輪30具有上端32，上端32由扣環29保持于在外殼18的上端處形成的開口 31內。空轉齒輪30的下部部分34向下延伸到外殼18內。間隙33限定于外殼18的內部與下部部分34的上表面之間。在此實例中，空轉齒輪30的下部部分34具有比上部部分32更大的直徑，且具有形成于其上的齒35，齒35接合形成于小齒輪36上的齒，小齒輪36連接到驅動軸14。小齒輪36隨著驅動軸14旋轉而旋轉，且由此造成空轉齒輪30的下部部分34旋轉。大齒輪38位于外殼18內且在此實施例中外接空轉齒輪30。由于空轉齒輪齒35同時接合在大齒輪38上的齒37，大齒輪38也將隨著空轉齒輪30旋轉而旋轉。在高轉矩條件期間接合大齒輪38以提供機械優勢且在后面的部分中更詳細地描述。具有預設負荷的彈簧40外接小齒輪36下方的驅動軸14的一部分且保持于一組墊圈或扣環42內。示出上部扣環42在彈簧40的上端外接且錨固到驅動軸14，下部扣環 43在彈簧40的下端處外接驅動軸14。軸承44位于底部墊圈42與轉矩選擇器或套環50 的上表面之間。套環50設有內孔52，以使得驅動軸14在外殼18內居中。轉矩選擇器50 允許大齒輪38機構取決于轉矩條件而接合和脫離。如圖2和圖3所示，在此實例中，內孔 52具有與促動器10的軸線重合的軸線。選擇器50具有在其側部上形成的槽60，在此實施例中，槽60穿過選擇器50延伸。槽60的一部分向上異型化(profiled)，以限定被示出為指向套環50的上端66 (圖3)的突出部62。突出部62的向上垂懸的側部形成傾斜于套環 50的軸線Y定向的邊緣63。突出部62與沿徑向突伸的唇緣64相交，沿徑向突伸的唇緣64 外接套環50的外表面。返回參看圖1，唇緣64由形成于大齒輪38的下部主體67的內表面上的周向凹口或凹槽68接納。由此唇緣64將轉矩選擇器50保持于大齒輪38的下部主體 67內。此實例中的下部主體67具有環形截面，且從大齒輪38的帶齒的部分向下垂懸。繼續參看圖1，驅動軸14插入于內孔52中，且沿徑向安裝于驅動軸14下部部分上的銷70在低轉矩條件期間接合槽60的突出部62。在此實施例中，在套環50的下端上的肩部80傾斜于套環50的軸線，且限定兩個偏置的下表面81、83 (圖3)。桿84 (或從動軸)通過內孔52插入于套環50的下端內。在低轉矩條件期間，安裝于桿84的上部部分上的第二銷82接合肩部80從而將來自驅動軸14的旋轉傳遞到桿80。桿80向下延伸且從外殼18 的下端延伸出來，在一實例中，桿80的下端能用于促動閘(未圖示)。參看圖4，示出促動器10處于高轉矩接合位置。在此位置，在驅動軸14上的銷70 與套環50的突出部62脫離，且在桿84上的銷82與套環50的下端上的下肩部80脫離。 通過向手輪12施加充分轉矩以克服彈簧40的預設負荷來發生第一銷70和第二銷82的脫離，從而壓縮彈簧40且使得大齒輪38和套環50相對于桿84向上移動。第三銷或大齒輪銷90在第二銷82下方的點處安裝到桿84上。大齒輪銷90接合形成于大齒輪下部主體67 的下端94的內部上的肩部92。在此實例實施例中，肩部92傾斜于促動器10的軸線。大齒輪銷90允許大齒輪30的機械優勢增加由人施加到驅動軸14上的轉矩，且由此將增加的轉矩傳輸到桿84，從而允許該閘(未圖示)的操作。在此實施例中，在由軸14驅動的小齒輪 36與空轉齒輪30之間的齒輪比可為大約1 1。在一實例實施例中，在小齒輪36與大齒輪38之間，齒輪比為大約1 8，該齒輪比可解釋為對于小齒輪36的一次旋轉，大齒輪38 完成旋轉的1/8。因此，當大齒輪38經由大齒輪銷90接合到桿84時，小齒輪36的一次旋轉也將使桿84轉動一次旋轉的1/8。另外，此實施例中的桿84可具有1/8的節距或者(8 的)每英寸螺紋數，這解釋為桿84每回轉一次該桿84就有1/8"的行程。因此，閘(未圖示)將沿軸向移動那個量。在操作中，當操作者經由手輪12向驅動軸14施加的力氣由于閥桿84中的高轉矩條件而增加時，由操作者產生的力克服彈簧40的預設負荷，彈簧40在一端聯接到驅動軸14 且在另一端聯接到套環50。由操作者產生的力造成安裝于軸14上的第一銷70沿著突出部62中的斜邊緣63(圖2和圖3)向下行進，以朝向彈簧40向上拉套環50和大齒輪下部主體67。套環50的向上移動使得第一銷70脫離套環50中的突出部62。隨著第一銷70 沿著斜邊緣向下行進且到達水平邊緣59，大齒輪38和連接到該大齒輪38的轉矩選擇器50 被向上推動一定的量，該量由形成于槽60中的突出部62的高度限定。這種相對于外殼18 和驅動軸14的向上移動使得第一銷70脫離突出部62以及因此脫離轉矩選擇器50，且也使得安裝于桿84上的第二銷82脫離選擇器50上的下肩部80。安裝于桿84上的第三或大齒輪銷90在大齒輪38向上移動時接合形成于大齒輪38的下部部分94上的肩部92。在此實施例中，在打開或關閉循環結束時，在滿足高轉矩后，可能需要最小反轉來接合第一銷70 以進行直接驅動。在大齒輪銷90接合到大齒輪38之后，旋轉力或轉矩從大齒輪38的較大直徑傳遞到桿84，從而增加了到手輪12以施加到桿84上的轉矩輸入。由大齒輪38提供的此機械優勢有利地用于克服桿84處的轉矩。這種機械優勢允許單個操作者促動該閥而無需額外操作者且利用更少操作力氣。如先前所解釋，在手輪12反轉以使得銷70滑動回到突出部 62內時，轉矩選擇器50使齒輪機構返回到直接驅動機構，以允許閥更快速地操作，這歸因于使閘(未圖示)在軸向上行進確定長度所需的來自桿84的低轉數。在圖5所示的另一實施例中，轉矩選擇器或套環100具有穿過側壁形成的槽102。 選擇器100具有突出部104，突出部104向上突出到選擇器100的上端。唇緣106形成于選擇器100的外部，以允許選擇器100保持于大齒輪38內，且具有形成于選擇器100的下端 108處的下肩部110。在此實施例中，銷70僅沿著槽102的傾斜邊緣112行進，但并不如先前所述的實施例中那樣到達水平邊緣。槽102的三角形狀排除了操作者反轉該布置以使得第一銷70與突出部104接合的需要，因為每當操作者釋放手輪12時齒輪機構將自動地返回到低轉矩條件。雖然僅以本發明的形式中的一些形式示出或描述了本發明，但對于本領域技術人員將顯然，其并非受此限制而是在不偏離本發明的范圍的情況下易于做出各種變化。
權利要求
1.一種用于井口組件中的閥，其特征在于閥構件(84)，其由可旋轉的軸(14)在打開位置與關閉位置之間移動；轉矩選擇裝置(50)，其與所述軸(14)可操作地相關聯，具有低轉矩位置和高轉矩位置；以及齒輪組件(38)，其與所述轉矩選擇裝置(50)選擇性地接合，其中，當所述轉矩選擇裝置(50)處于所述低轉矩位置時，轉矩通過所述可旋轉的軸(14)直接聯接到所述閥構件(84)；以及當所述轉矩選擇裝置(50)處于所述高轉矩位置時，轉矩通過所述齒輪組件(38)從所述可旋轉的軸(14)聯接到所述閥構件(14)。
2.根據權利要求1所述的閥，其特征在于，所述轉矩選擇裝置(50)包括環形套環 (50)，所述環形套環(50)具有這樣的異型部在處于所述低轉矩位置時所述異型部接合所述可旋轉的軸(14)的端部，且當處于所述高轉矩位置時所述套環(50)在軸向上移動使得所述異型部脫離所述軸(14)。
3.根據權利要求2所述的閥，其特征在于，所述可旋轉的軸(14)包括驅動軸(14)和從動軸(84)，所述驅動軸(14)和從動軸(84)各與所述套環(50)旋轉地接合。
4.根據權利要求3所述的閥，其特征在于，所述驅動軸(14)通過安裝到所述驅動軸 (14)上的驅動構件(70)與所述套環(50)旋轉地接合，所述驅動構件(70)接觸形成于所述套環(50)的側壁中的槽(60)的外邊緣(63)的一部分，且其中，由所述驅動構件(70)接觸的所述外邊緣(63)的所述部分傾斜于所述套環(50)的軸線定向，使得當所述驅動構件 (70)在靠近具有所述異型部的所述套環(50)的端部的方向中沿著所述外邊緣(63)滑動時，所述套環(50)與所述驅動軸(14)脫開。
5.根據權利要求4所述的閥，其特征在于，所述異型部包括形成于所述套環(50)的下端上的肩部(80)，當所述轉矩選擇裝置(50)處于所述低轉矩位置時，所述肩部(80)接觸提供于所述從動軸(84)上的第一驅動構件(82)。
6.根據權利要求5所述的閥，其特征在于，當在所述驅動軸(14)上的所述驅動構件 (70)沿著所述槽(60)的所述邊緣(63)朝向所述異型部滑動時，所述套環(50)在軸向上移動，使得在軸向上遠離所述從動軸(84)上的所述第一驅動構件(82)驅動所述異型部。
7.根據權利要求4所述的閥，其特征在于，所述槽(60)的一部分在遠離所述異型部的方向中突出，具有傾斜于所述套環(50)的軸線定向的側向側(63)，所述側向側(63)相交以限定所述槽(60)的楔形驅動端(62)。
8.根據權利要求7所述的閥，其特征在于，當所述驅動軸(14)上的驅動構件(70)沿著所述側向側(63)遠離所述槽(60)的所述驅動端(62)滑動時，所述轉矩選擇裝置(50)從所述低轉矩位置變化到所述高轉矩位置。
9.根據權利要求3所述的閥，其特征在于，還包括彈簧構件(40)，其安裝于所述驅動軸 (14)上，用于將所述套環(50)驅動到一位置，以便與所述驅動軸(14)和所述套環(50)兩者旋轉接合。
10.根據權利要求9所述的閥，其特征在于，還包括小齒輪(36)，所述小齒輪(36)可操作地連接到所述驅動軸(14)，以驅動所述齒輪構件(38)。
11.根據權利要求10所述的閥，其特征在于，所述驅動軸(14)通過安裝于所述從動軸 (84)上的第二驅動構件(90)而與所述齒輪構件(38)旋轉地接合，所述第二驅動構件(90) 接觸形成于所述齒輪構件(38)的下端(94)的內邊緣上的肩部(92)，當所述轉矩選擇裝置 (50)處于高轉矩位置時，所述小齒輪(36)經由所述齒輪構件(38)將轉矩傳輸到所述從動軸(84)。
12.根據權利要求11所述的閥，其特征在于，所述驅動軸(14)經由空轉齒輪(30)驅動所述齒輪構件(38)，所述空轉齒輪(30)可操作地連接在所述驅動軸(14)與所述齒輪構件 (38)之間。
13.根據權利要求11所述的閥，其特征在于，所述轉矩選擇裝置(50)在施加到所述驅動軸(14)上的轉矩足以克服由所述彈簧構件(40)施加的預設負荷時自動地轉移到所述高轉矩位置，從而在軸向上移動所述套環(50)和所述齒輪構件(38)。
14.一種促動閥的方法，其特征在于提供轉矩選擇器(50)，所述轉矩選擇器(50)具有套環(50)，所述套環(50)具有能夠與閥桿(84)選擇性地接合的從動端和驅動端；提供齒輪(38)，其具有能與所述閥桿(84)選擇性地接合的從動端和驅動端； 使所述閥桿(84)與所述套環(50)的所述驅動端接合； 將所述驅動軸(14)的端部插入到所述套環(50)的所述從動端內； 聯接所述套環(50)與所述驅動軸(14)，使得當所述驅動軸(14)處于指定轉矩時，所述套環(50)在從所述驅動端朝向所述從動端的方向中相對于所述驅動軸(14)滑動，以使得所述驅動軸(14)與所述閥桿(84)脫開；以及聯接所述齒輪(38)與所述驅動軸(14)，使得當所述驅動軸(14)處于指定轉矩時，所述齒輪(38)在從所述驅動端朝向所述從動端的方向中相對于所述驅動軸(14)滑動，以接合所述桿(84)。
15.根據權利要求14所述的方法，其特征進一步在于旋轉所述驅動軸(14)，使得所述套環(50)和閥桿(84)旋轉以促動附連到所述閥桿上的閥構件；維持所述套環(50)端部上的驅動力，以維持在所述驅動軸(14)的所述驅動端與所述套環(50)之間的接合；在所述套環(50)上施加具有一定量的軸向力，使得當所述從動軸(84)中的所述轉矩處于所述指定轉矩時，所述驅動構件(70)沿著所述異型部(60)滑動；通過在與將所述驅動軸(14)和閥桿(84)設于所述高轉矩位置的旋轉的方向相反的方向中旋轉所述從動軸(84)來使得所述驅動軸(14)與所述閥桿(84)重新接合，來重設所述低轉矩位置；其中，聯接所述套環(50)與所述驅動軸(14)的步驟包括形成聯接，所述聯接包括固定于所述驅動軸(14)上的驅動構件(70)，由所述驅動構件(70)接合且具有設置成傾斜于所述驅動軸(14)的軸線的部分(62)的所述套環(50)中的異型部(60)；以及通過旋轉所述驅動軸(14)來施加指定轉矩。
全文摘要
本發明涉及一種用于閥的選擇性轉矩操作器。一種用于選擇性地接合閥的促動驅動桿中的齒輪單元的低轉矩操作器，其具有套環，套環具有軸向內孔和穿過其側部的槽。該槽包括指向套環的上端的突出部且具有傾斜于套環軸線而定向的邊緣。驅動軸插入于內孔中，且在低轉矩條件期間，安裝于驅動軸中的銷接合該槽。該操作器還包括空轉齒輪和大齒輪。帶兩個驅動銷的從動軸插入到套環下側上的內孔內。在低轉矩條件期間，兩個銷中的上部銷保持與形成于套環的下端上的肩部接觸。在高轉矩條件期間，這兩個銷中的下部銷接合形成于大齒輪的下側上的肩部。
文檔編號E21B34/02GK102454383SQ201110348519
公開日2012年5月16日 申請日期2011年10月21日 優先權日2010年10月21日
發明者M·烏迪皮 申請人:韋特柯格雷公司