本实用新型涉及阀门技术领域，尤其涉及一种石油天然气开采设备中使用的循环阀。
背景技术：
在石油、地质钻探、完井作业等领域，现有钻井模式包括正循环钻井和反循环钻井。正循环钻井即为钻井液从钻具内孔泵入，从钻头流出后进入井筒，携带钻屑由钻具与井壁之间的环空返回地层，经地面净化系统除砂等处理维护后再次泵入钻具内孔从而形成一个正循环。反之，钻井液自孔口经钻杆与孔壁间环状空间向下行，到达孔底后又从钻杆内管上返到地表从而形成反方向循环即为反循环钻井。
在漏失地层反循环钻井中，为保证钻井液能顺利达到地面建立循环，需要在钻杆外液体柱密度较大时，降低钻杆内液体体密度，从而降低井底回压，减小漏失建立循环。现有技术中多采用气举反循环，其直接将将压缩空气通过供气管路送至井下的气水混合室，并使压缩空气与钻杆内的循环液混合，从而形成密度比钻杆外液体密度小的混合液柱。上述钻杆内液体密度调节的结构较为复杂。
技术实现要素：
本实用新型为解决现有技术中反循环钻井中钻杆内液体密度调节的结构较为复杂的问题，提供一种循环阀，简化了钻杆内液体密度调节的结构，保证反循环钻井效果。
本实用新型采用的技术方案是：
一种循环阀，包括
阀体，其内为流道，侧壁上具安装孔；以及
阀芯，安装在所述安装孔内；
其中，所述阀体两端与钻杆和钻铤连接，其内部与钻杆和钻铤内部贯通，并随钻杆和钻铤同步转动；所述阀体外内区域压差可使得所述阀芯动作，使得所述阀体内外区域导通或者关闭。
进一步地，所述阀体呈类似企口管结构。
进一步地，所述阀芯包括
阀座，具有工作腔、进气孔和出气孔；所述进气孔与所述出气孔贯通方向不重合；所述进气孔进、出两端分别与所述阀体外部区域以及所述工作腔连通；所述出气孔进、出两端分别与所述工作腔以及所述流道连通；以及
顶杆，活动设置在安装腔内，其外周壁与所述工作腔内壁之间存在一定的间隙；
其中，所述顶杆在所述工作腔内的位移变化导致所述工作腔与所述阀体外部区域以及所述流道导通或者封堵。
进一步地，在所述工作腔内还安装有的弹簧，所述弹簧位于所述工作腔内远离所述进气孔的一侧，两端抵住所述工作腔内壁和所述顶杆，其伸缩方向与所述顶杆移动方向一致。
进一步地，所述阀座包括
进气座，其外径与所述安装孔的直径一致，并安装在所述安装孔内；沿所述进气座轴向中心方向，自所述进气座端面向另一端面依次开设有贯通的进气柱形腔、进气锥形腔和所述进气孔；所述进气锥形腔大端直径小于所述进气柱形腔的直径，小端与所述进气孔直径一致；以及
出气座，其外径与所述进气柱形腔直径一致，一端插入式安装在所述进气柱形腔内；沿所述出气座轴向中心方向，自所述出气座邻近所述进气座一端开设有贯通的第一出气柱形腔、出气锥形腔和第二出气柱形腔；所述第一出气柱形腔的直径与所述进气锥形腔大端直径一致；所述出气锥形腔大端直径与所述第一出气柱形腔直径一致，小端直径与所述第二出气柱形腔直径一致；
所述第二出气柱形腔的一端与所述出气锥形腔贯通，另一端封闭；所述出气孔沿开设于所述第二出气柱形腔对应所述出气座侧壁上；
其中，所述出气座与所述进气座连接后，所述进气锥形腔、所述第一出气柱形腔、所述出气锥形腔和所述第二出气柱形腔合拢构成所述工作腔。
进一步地，所述进气座朝向所述阀体外侧的一端表面与所述阀体外侧壁弧面齐平；所述出气座朝向所述阀体内侧一端端面与所述阀体内壁齐平。
进一步地，在所述出气座上开设柱形滑动腔，所述柱形滑动腔的直径小于所述第二出气柱形腔的直径，一端与所述第二出气柱形腔连通，另一端封闭；所述弹簧位于在所述柱形滑动腔内；所述顶杆的一端插入到所述柱形滑动腔内与所述弹簧接触，并可沿着所述柱形滑动腔内壁滑动。
进一步地，所述顶杆包括
球头，直径介于所述进气锥形腔大端直径和小端直径之间；以及
杆部，其直径与所述柱形滑动腔直径一致，一端与所述球头连接，另一端插入所述柱形滑动腔内。
进一步地，自所述杆部自由端端面沿其轴长中心方向开设有盲孔，所述弹簧的一端插入到所述盲孔内。
本实用新型的有益效果是：
本实用新型为解决现有技术中反循环钻井中钻杆内液体密度调节的结构较为复杂的问题，提供一种循环阀。该循环阀包括阀体和阀芯。阀体两端与钻杆和钻铤连接，其内部与钻杆和钻铤内部贯通，并随钻杆和钻铤同步转动。阀芯安装在阀体侧壁上，其可在压差下开启使得阀芯两端连接的阀体内外区域导通。高压气体介质直接注入到钻杆和钻铤与井壁之间的环空内，并在压差下通过阀芯进入到钻杆内部，与钻杆内液体混合，降低液体密度。该循环阀简化了钻杆内液体密度调节的结构，保证反循环钻井效果。将本申请中的循环阀逐级安装到钻杆上应用于钻井操作，自井口而下，逐级降低转杆内液体密度，从而降低井底回压防止漏失，建立循环。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或有现技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例中，循环阀的结构示意图一。
图2为实施例中，循环阀的结构示意图二。
图3为图2中a-a向剖视结构示意图。
图4为图3中b处局部放大结构示意图。
图5为实施例中，阀芯的结构示意图。
图6为实施例中，阀芯的结构示意图一。
图7为实施例中，阀芯的结构示意图二。
图8为实施例中，阀芯开启时的状态示意图。
具体实施方式
在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。
在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。
下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本实用新型的不同结构。为了简化本实用新型的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本实用新型。
下面结合附图对实用新型的实施例进行详细说明。
现有技术中采用多采用气举反循环，其直接将将压缩空气通过供气管路送至井下的气水混合室，并使压缩空气与钻杆内的循环液混合，从而形成密度比钻杆外液体密度小的混合液柱。上述钻杆内壁液体密度调节的结构较为复杂，且在使用过程中供气管路可能存在泄露的情况，影响反循环钻井。
为解决现有技术中反循环钻井中钻杆内液体密度调节的结构较为复杂的问题，提供一种循环阀，其结构如附图1和2所示。该循环阀包括阀体1和阀芯2。其中，阀体1两端与钻杆和钻铤连接，其内部与钻杆和钻铤内部贯通，并随钻杆和钻铤同步转动。阀芯2安装在阀体1侧壁上，其可在阀体1外内区域压差下使得阀芯2动作使得阀体1内外区域导通或者关闭。即，当阀体1外内区域无压差或者内部压力大于外部压力时，阀芯2关闭。当阀体1外区域压力大于其内部压力时，阀芯2开启，阀体1外内区域导通。当阀体1外区域压力进一步增加时，阀芯2反向关闭，隔绝阀体1内外区域。阀芯2导通时，高压气体介质直接注入到钻杆和钻铤与井壁之间的环空内，并在压差下通过阀芯2进入到钻杆内部，与钻杆内液体混合，降低液体密度。该循环阀简化了钻杆内液体密度调节的结构，保证反循环钻井效果。
具体的，阀体1，呈类似企口管结构即具有配合的插头和插口，如附图3所示。阀体1采用企口管结构可提高阀体1两端与钻杆和钻铤的连接可靠性和密封性。阀体1内部为贯通的流道11，以供流体通过。在阀体1侧壁上开设有安装孔12，用于阀芯2的固定。安装孔12贯通阀体1侧壁，贯通方向朝向阀体1径向。
阀芯2，固定在安装孔12内，结构如附图4~7所示。阀芯2包括阀座21、和顶杆22。
阀座21，其中空内部为工作腔211。阀座21外壁上设置进气孔212和出气孔213，且进气孔212与出气孔213贯通方向不重合。进气孔212进、出两端分别与阀体1外部区域以及工作腔211连通。出气孔213进、出两端分别与工作腔211以及流道11连通。
顶杆22活动设置在工作腔211，其外周壁与工作腔211内壁之间存在适当的间隙，以供介质通过。顶杆22在工作腔211内的位移变化导致工作腔211与阀体1外部区域以及流道11导通或者封堵。即，当顶杆22移动至工作腔211临近进气孔212位置时，顶杆22与工作腔211内壁接触，封堵进气孔212与工作腔211。当顶杆22移动至工作腔211临近出气孔213位置时，顶杆22再次与工作腔211内壁接触，封堵出出气孔213和工作腔211。当顶杆22未与工作腔211内壁接触时，进气孔212、工作腔211、出气孔213和流道则导通。
为了提高顶杆22在工作腔211内的移动可靠性，且在阀体1外内区域无压差时能自行封堵，在工作腔211内还安装有的弹簧23。弹簧23位于工作腔11内远离进气孔212的一侧，两端抵住工作腔11内壁和顶杆22，其伸缩方向大致与顶杆22移动方向一致。阀体1外部区域压力大于阀体1内部压力时，顶杆22在压力下向远离进气孔212的方向移动，压缩弹簧23，进气孔212、工作腔211、出气孔213和流道则导通。阀体1外部区域压力进一步增加时，进一步压缩弹簧23，顶杆22抵住与工作腔211内壁，封堵出气孔213与工作腔211。阀体1内部压力大于等于其外部压力时时，弹簧23恢复形变，顶杆22端部抵住与工作腔211内壁，封堵进气孔212与工作腔211。
为了便于阀座21的加工，其被设计为分体式结构，包括进气座201和出气座202。
进气座201，其外径与安装孔12的直径一致。沿进气座201轴向中心方向，进气座21内依次开设有进气柱形腔2011、进气锥形腔2012和进气孔212。进气柱形腔2011、进气锥形腔2012和进气孔212相互贯通并贯通至进气座201两端端面处，且进气孔212位于进气座201邻近阀体1外侧壁一侧端面上。进气锥形腔2012大端即直径较大的一端直径小于进气柱形腔2011的直径，进气锥形腔2012小端即直径较小的一端与进气孔212直径一致。
出气座202，其外径与进气柱形腔2011直径一致，即其外壁与安装孔12内壁之间存在间隙。沿出气座202轴向中心方向，在出气座202内依次开设有第一出气柱形腔2021、出气锥形腔2022和第二出气柱形腔2023。第一出气柱形腔2021贯通至出气座202朝向进气座201一端端面。第一出气柱形腔2021的直径与进气锥形腔2012大端直径一致。第二出气柱形腔2023的一端与出气锥形腔2022贯通，另一端封闭。出气锥形腔2022大端直径与第一出气柱形腔2021直径一致，小端直径与第二出气柱形腔2023直径一致。沿第二出气柱形腔223径向，在对应的出气座22部分上贯通开设有若干出气孔213。
组装时，进气座201采用螺纹方式固定在安装孔12内。进气座201朝向阀体1外侧的一端表面与阀体1外侧壁弧面齐平，以降低其随着阀体1旋转过程中，阀体1外部介质的冲刷、磨损，延长其使用寿命。出气座202的一端插入到进气柱形腔2011内，并抵住进气柱形腔2011的端面，两者螺纹连接，且出气孔213未被进气座201遮盖。出气座202朝向阀体1内侧一端端面与阀体1内壁齐平，以降低其随着阀体1旋转过程中，阀体1内部介质的冲刷、磨损，延长其使用寿命。进气锥形腔2012、第一出气柱形腔2021、出气锥形腔2022和第二出气柱形腔2023合拢构成工作腔211。顶杆21和弹簧23活动设在该工作腔211内。顶杆21和弹簧23外壁与工作腔211内壁之间的间隙构成内部介质流动通道，出气座202外壁与安装孔12内壁之间的间隙构成外部介质流动通道。顶杆21与进气柱形腔2011或者出气锥形腔2022接触状态，实现外部介质流动通道是否导通。
为限定顶杆21活动方向，沿出气座202轴向中心方向，在出气座202上开设柱形滑动腔2024。柱形滑动腔2024的直径小于第二出气柱形腔2023的直径，一端与第二出气柱形腔2023连通，另一端封闭。弹簧23设置在柱形滑动腔2024内，顶杆21的一端插入到柱形滑动腔2024内并可沿着柱形滑动腔2024内壁滑动。
顶杆22，包括杆部221和球头222。球头222直径介于进气锥形腔212大端直径和小端直径之间，其安装在杆部221一端端部，两者螺纹连接或者一体化成型。杆部221的长度方向朝向球头222直径方向。杆部221外径与柱形滑动腔2024直径一致。球头222球面抵住进气锥形腔212内壁，封堵进气孔212与工作腔211。球头222球面抵住出气锥形腔2022内壁时，封堵出气孔213与工作腔211。球头222球面未与进气锥形腔212内壁或出气锥形腔2022内壁接触时，进气孔212、工作腔211、出气孔213和流道则导通。
为提高弹簧23与顶杆22连接可靠性，自杆部221自由端端面沿其轴长中心方向开设有盲孔2211。弹簧23的一端插入到盲孔2211内。
在地层漏失时，井筒内钻井液体密度高，需要降低井筒内钻井液体密度时采用本实用新型中的循环阀。将若干循环阀设置在钻杆与钻杆之间，形成多级结构，通过分段循环，用低密度液体替换高密度液体，可以一次下入井底，完成替换过程。
本实施中，循环阀的工作原理是：
将循环阀与钻杆和钻铤连接。当需要对钻杆内液体密度进行调节，向井中注入高压气体介质如氮气。
初始状态时，球头222与进气锥形腔2012内壁接触，封堵工作腔，如附图4所示。
工作时，在阀体1外高压气体介质压力下，会推动球头222向远离进气锥形腔2012方向移动，工作腔被打开。阀体1外高压气体介质与液体混合物可自进气孔212进入到内部介质流动通道内，然后自出气孔213流出到外部介质路东通道内，汇入流道11内，使得钻杆内液体的密度降低，液面上升至地面，如附图8所示。
当在阀体1外高压气体介质压力进一步增加时，球头222与出气锥形腔2022内壁接触，封堵工作腔。
当阀体1外高压气体介质停止供应时，阀体1外部压力降低，弹簧23作用重新推动球头222与进气锥形腔212内壁接触，封堵工作腔211。
本实施例中，简化了钻杆内部液体密度调节机构，调节阀钻杆和钻铤同步转动，使用寿命长。
1.一种循环阀，其特征在于：包括
阀体，其内为流道，侧壁上具安装孔；以及
阀芯，安装在所述安装孔内；
其中，所述阀体两端与钻杆和钻铤连接，其内部与钻杆和钻铤内部贯通，并随钻杆和钻铤同步转动；所述阀体外内区域压差可使得所述阀芯动作，使得所述阀体内外区域导通或者关闭。
2.根据权利要求1所述的循环阀，其特征在于：所述阀体呈类似企口管结构。
3.根据权利要求1所述的循环阀，其特征在于：所述阀芯包括
阀座，具有工作腔、进气孔和出气孔；所述进气孔与所述出气孔贯通方向不重合；所述进气孔进、出两端分别与所述阀体外部区域以及所述工作腔连通；所述出气孔进、出两端分别与所述工作腔以及所述流道连通；以及
顶杆，活动设置在安装腔内，其外周壁与所述工作腔内壁之间存在一定的间隙；
其中，所述顶杆在所述工作腔内的位移变化导致所述工作腔与所述阀体外部区域以及所述流道导通或者封堵。
4.根据权利要求3所述的循环阀，其特征在于：在所述工作腔内还安装有的弹簧，所述弹簧位于所述工作腔内远离所述进气孔的一侧，两端抵住所述工作腔内壁和所述顶杆，其伸缩方向与所述顶杆移动方向一致。
5.根据权利要求4所述的循环阀，其特征在于：所述阀座包括
进气座，其外径与所述安装孔的直径一致，并安装在所述安装孔内；沿所述进气座轴向中心方向，自所述进气座端面向另一端面依次开设有贯通的进气柱形腔、进气锥形腔和所述进气孔；所述进气锥形腔大端直径小于所述进气柱形腔的直径，小端与所述进气孔直径一致；以及
出气座，其外径与所述进气柱形腔直径一致，一端插入式安装在所述进气柱形腔内；沿所述出气座轴向中心方向，自所述出气座邻近所述进气座一端开设有贯通的第一出气柱形腔、出气锥形腔和第二出气柱形腔；所述第一出气柱形腔的直径与所述进气锥形腔大端直径一致；所述出气锥形腔大端直径与所述第一出气柱形腔直径一致，小端直径与所述第二出气柱形腔直径一致；
所述第二出气柱形腔的一端与所述出气锥形腔贯通，另一端封闭；所述出气孔沿开设于所述第二出气柱形腔对应所述出气座侧壁上；
其中，所述出气座与所述进气座连接后，所述进气锥形腔、所述第一出气柱形腔、所述出气锥形腔和所述第二出气柱形腔合拢构成所述工作腔。
6.根据权利要求5所述的循环阀，其特征在于：所述进气座朝向所述阀体外侧的一端表面与所述阀体外侧壁弧面齐平；所述出气座朝向所述阀体内侧一端端面与所述阀体内壁齐平。
7.根据权利要求5所述的循环阀，其特征在于：在所述出气座上开设柱形滑动腔，所述柱形滑动腔的直径小于所述第二出气柱形腔的直径，一端与所述第二出气柱形腔连通，另一端封闭；所述弹簧位于在所述柱形滑动腔内；所述顶杆的一端插入到所述柱形滑动腔内与所述弹簧接触，并可沿着所述柱形滑动腔内壁滑动。
8.根据权利要求7所述的循环阀，其特征在于：所述顶杆包括
球头，直径介于所述进气锥形腔大端直径和小端直径之间；以及
杆部，其直径与所述柱形滑动腔直径一致，一端与所述球头连接，另一端插入所述柱形滑动腔内。
9.根据权利要求8所述的循环阀，其特征在于：自所述杆部自由端端面沿其轴长中心方向开设有盲孔，所述弹簧的一端插入到所述盲孔内。
技术总结