本发明涉及石油钻采井下工具技术领域，特别是涉及一种井下旋转开关不压井控制阀工具，主要用于完井及修井防漏失及防井喷。
背景技术：
随着钻油气田的开采，高压地层、异常压力地层、枯竭式开采的低压地层、压裂酸化过程中，经常需要对井下管柱进行不压井或者防漏失处理。
在不压井作业中，目前的技术需要在管柱内用钢丝作业的方式投入堵塞阀，完成不压井作业后，还需要再次用钢丝作业设备及工具将堵塞阀取出，恢复生产通道。以上的做法极大的增加了作业时间和作业成本，设备及井口长时间被占用，降低了油气井的投产时间。
在防漏失完井管柱中，目前的技术需要用连续油管或者油管、钻杆等下入专用的开关工具，操作井下防漏失阀的打开和关闭，已知的球阀式防漏失阀，经常发生管柱内部碎屑杂物的沉积，主要是沉砂、胶质沥青和石蜡、结垢及腐蚀物质，这些垃圾物质会挂壁在生产管柱内壁或者沉积在球阀上部，导致开关工具无法通过或者阻卡，甚至造成新的井下复杂事故。另一种已知的防漏失阀采用滑套的方式，这种结构的工具不单具有上述工具的缺点，在滑套打开时，工具内部不是通径结构，导致更多的工艺措施无法实施。
总之，目前的不压井或防漏失井下工具受制于如下几个方面的问题：
1)、需要投堵塞阀及打捞回收的复杂作业；
2)、管柱内壁的腐蚀、结垢、结蜡等导致的内部通道狭窄，作业工具下入困难及卡阻；
3)、阀关闭后上端的沉砂、落物导致的开关工具卡阻及冲洗困难；
4)、高的开关及投捞作业成本及设备占用时间、井口占用时间；
5)、单一功能的局限性的问题；
6)、开关重复性差的问题；
7)、井下突发的异常压力井控复杂问题。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种井下旋转开关不压井控制阀及工作方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案具体如下：
一种井下旋转开关不压井控制阀，包括扭力控制总成和轨迹式球阀总成，所述扭力控制总成由上接头、芯轴、承托环、紧固螺钉、第一轴承、第二轴承、支撑环、轴承套、止动键、扭力套及操作套组成；轨迹式球阀总成由支撑套、操作轴、带有轨迹槽的球阀、钢球、阀外筒、下球座、弹簧、下接头组成。
其中，上接头、芯轴通过螺纹连接；芯轴的外表面设有相互套接的承托环和轴承套；承托环的上部与芯轴的外壁面螺纹连接；承托环的中部与芯轴相结合的壁面上设有紧固螺钉，承托环和轴承套的接合部设有第一轴承，轴承套的中部的内侧设有第二轴承，第一轴承和第二轴承均位于芯轴壁面上，第二轴承的下方设有支撑环；支撑环为两个半圆环，卡合在芯轴上，作为第二轴承的支撑；
轴承套的下部的内侧设有止动键；轴承套的下端的内壁面与扭力套上部的外壁面螺纹连接；扭力套套设在芯轴的下端外表面；止动键嵌入到芯轴中相应的卡槽中，止动键可随着芯轴的转动在扭力套的限位空间内转动；芯轴下端的内壁面通过内接螺纹连接有操作套；支撑套通过卡合方式嵌入到扭力套中形成固定；
操作套的下端具有弧形面，其下方依次设有球阀和下球座；操作套的下部和球阀均位于支撑套内；阀外筒上端的内壁面与扭力套的下端外壁面通过螺纹连接。支撑套和下球座的上部均位于阀外筒内。阀外筒的下端的外壁面与下接头的上端内壁面螺纹连接；下球座的下部与弹簧均位于下接头内。
其中，操作套的弧形面内嵌入有钢球，钢球与球阀的轨迹槽配合，能沿着轨迹槽滑动，形成通过顺时针或者逆时针旋转扭力套使得球阀产生旋转扭矩的作用力；球阀中央设有操作轴。
其中，当管柱右旋时，所述钢球可在球阀的轨迹槽内滑动，对球阀产生旋转扭矩，所述球阀在操作轴的约束下，产生右向旋转，直至旋转至90°，球阀通孔完全被下球座封闭，形成密封。
其中，当管柱左旋时，钢球可在球阀的轨迹槽内滑动，对球阀产生旋转扭矩，球阀在操作轴的约束下，产生左向旋转，直至旋转至90°，球阀通孔对正下球座，形成全通径的通道。
本发明的井下旋转开关不压井控制阀的工作方法，包括以下步骤：
(1)将井下旋转开关不压井控制阀连接于井下管柱，井下旋转开关不压井控制阀的下部连接机械或者液压式封隔器及井下作业工具或完井工具，一同下入到井下预定位置，坐封封隔器，使得井下管柱与套管井壁形成锚定；
(2)井口操作井下管柱，管柱压重或者提拉力由第一轴承和第二轴承承担；当管柱右旋时，上接头、芯轴产生连动，带动止动键，操作套、支撑套、钢球一同右向旋转，直至止动键旋转到达扭力套的限位处，继续右旋，上接头不再发生旋转；
(3)钢球在球阀的轨迹槽内滑动，对球阀产生旋转扭矩，球阀在操作轴的约束下，只能产生右向旋转，直至旋转至90°，球阀通孔完全被下球座封闭，形成密封。
当管柱左向旋转时，钢球在球阀的轨迹槽内滑动，对球阀产生旋转扭矩，球阀在操作轴的约束下，只能产生左向旋转，直至旋转至90°，球阀通孔对正下球座，形成全通径的通道。
工作时，下接头与下部封隔器连接，形成锚定固定；承托环、扭力套、阀外筒也形成固定，进而支撑套和操作轴形成固定。
同现有技术相比，本发明的突出效果在于：
本发明的井下旋转开关不压井控制阀主要用于完井及修井防漏失及防井喷等问题，由于采用的是井口旋转钻杆或者油管等井下管柱方式开关井下球阀，使得控制井下管柱内部通道变得简单、可重复操作的特点，通过右旋或者左旋方向旋转管柱1/2圈，可以迅速打开或者关闭井下管柱通道。
在右旋关闭井下通道时，球阀可以在正向和反向两个方向承受极高的压差，使得本发明的工具可以用于井下笼统试油测试、跨隔测试、不压井无投塞油管拖动压裂酸化作业、完井防漏失管柱、不压井起下注水管柱、更换井口、海上平台井风暴阀、油管试压、油藏封隔与封层；可以适配绝大多数机械及液压坐封的封隔器、永久式封隔器。
球阀打开后，管柱形成全通径结构，可以允许其他作业管柱的穿越。
下面结合附图说明和具体实施例对本发明所述的井下旋转开关不压井控制阀及工作方法作进一步说明。
附图说明
图1为井下旋转开关不压井控制阀的结构示意图；
图2为轨迹式球阀总成完全打开的结构示意图；
图3为轨迹式球阀总成完全关闭的结构示意图。
图4为轨迹式球阀总成装配关系的爆炸结构示意图。
图中1.上接头，2.芯轴，3.承托环，4.紧固螺钉，5.第一轴承，6.第二轴承，7.支撑环，8.止动键，9.扭力套，10.操作套，11.支撑套，12.钢球，13.操作轴，14.阀外筒，15.球阀，16.下球座，17.弹簧，18.下接头，19.轴承套，101.轨迹槽，102.球阀通孔。
具体实施方式
如图1所示，一种井下旋转开关不压井控制阀，包括扭力控制总成和轨迹式球阀总成，所述扭力控制总成由上接头1、芯轴2、承托环3、紧固螺钉4、第一轴承5、第二轴承6、支撑环7、轴承套19、止动键8、扭力套9及操作套10组成；轨迹式球阀总成由支撑套11、操作轴13、带有轨迹槽101的球阀15、钢球12、阀外筒14、下球座16、弹簧17、下接头18组成。
其中，上接头1、芯轴2通过螺纹连接；芯轴2的外表面设有相互套接的承托环3和轴承套19；承托环3的上部与芯轴2的外壁面螺纹连接；承托环3的中部与芯轴2相结合的壁面上设有紧固螺钉4，承托环3和轴承套19的接合部设有第一轴承5，轴承套19的中部的内侧设有第二轴承6，第一轴承5和第二轴承6均位于芯轴2壁面上，第二轴承6的下方设有支撑环7。支撑环7是由两个半圆环卡合在芯轴2上，作为第二轴承6的支撑。轴承套19的下部的内侧设有止动键8；轴承套19的下端的内壁面与扭力套9上部的外壁面螺纹连接。扭力套9套设在芯轴2的下端外表面。止动键8嵌入到芯轴2中相应的卡槽中，止动键8可随着芯轴2的转动在扭力套9的限位空间内转动。芯轴2下端的内壁面通过内接螺纹连接有操作套10；支撑套11通过卡合方式嵌入到扭力套9中形成固定。操作套10的下端具有弧形面，其下方依次设有球阀15和下球座16。操作套10的下部和球阀15均位于支撑套11内。阀外筒14上端的内壁面与扭力套9的下端外壁面通过螺纹连接。支撑套11和下球座16的上部均位于阀外筒14内。阀外筒14的下端的外壁面与下接头18的上端内壁面螺纹连接；下球座16的下部与弹簧17均位于下接头18内。
如图4所示，轨迹式球阀总成装配关系中，钢球12嵌入在操作套10的弧形面内，并与球阀15的轨迹槽101配合，能沿着轨迹槽101滑动，形成一种通过顺时针或者逆时针旋转扭力套9使得球阀15产生旋转扭矩的作用力。支撑套11通过卡合方式嵌入到扭力套9中形成固定，并通过操作轴13固定球阀15，使得球阀15只能沿着操作轴13旋转，形成开关动作。止动键8嵌入到芯轴2的卡槽中，当旋转芯轴2达到90°时，止动键8与扭力套9形成旋转限位，无法继续转动，此做法的目的是使芯轴2只能在0°～90°扇形区间旋转，可以精确的控制球阀的开关精度。扭力套9通过螺纹与阀外筒14、下接头18形成固定连接，下接头18的下部接头与其他井下工具或者油井管柱连接，这些井下工具或者油井管柱与套管有较大的摩擦力或者带有防止旋转的锚定机构(此处描绘略)，因此，芯轴2旋转时不会导致扭力套9一同旋转，为开关球阀15提供了反扭矩。第一轴承5和第二轴承6的作用是，无论上接头1是处于提拉或者下压时，都能降低上接头1旋转时，芯轴2与其他固定件之间的摩擦力，从而可以用较小的旋转扭矩操作球阀15的开或者关。
使用时，将井下旋转开关不压井控制阀连接于井下管柱，井下旋转开关不压井控制阀的下部连接机械或者液压式封隔器及井下作业工具或完井工具，一同下入到井下预定位置，坐封封隔器，使得井下管柱与套管井壁形成锚定；
井口操作井下管柱，管柱压重或者提拉力由第一轴承5和第二轴承6承担；当管柱右旋时，上接头1、芯轴2产生连动，带动止动键8，操作套10、支撑套11、钢球12一同右向旋转，直至止动键8旋转到达扭力套9的限位处，继续右旋，上接头1不再发生旋转；下接头18与下部封隔器连接，形成锚定固定；承托环3、扭力套9、阀外筒14也形成固定，进而支撑套11和操作轴13形成固定。钢球12在球阀15的轨迹槽101内滑动，对球阀15产生旋转扭矩，球阀15在操作轴13的约束下，只能产生右向旋转，直至旋转至90°，如图3所示，球阀通孔102完全被下球座16封闭，形成密封。此时，来自球阀15下部的压力，受到球阀表面的阻挡，无法通过，压力增加会轻微的导致下球座16更紧密的挤压在球阀表面，下球座16的下方设有弹簧17；弹簧17的作用是给球座16一个接触球阀15表面的预紧力，使之贴合。
此时，若压力来自于球阀15的上部，球阀15会轻微的向下移动，挤压下球座16直至下球座16到达限位，继续升高压力使得球阀15与下球座16的表面更加贴合密封。
如图2所示，当管柱左向旋转时，钢球12在球阀15的轨迹槽101内滑动，对球阀15产生旋转扭矩，球阀15在操作轴13的约束下，只能产生左向旋转，直至旋转至90°，球阀通孔102对正下球座16，形成全通径的通道。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
1.一种井下旋转开关不压井控制阀，其特征在于：包括扭力控制总成和轨迹式球阀总成，所述扭力控制总成由上接头(1)、芯轴(2)、承托环(3)、紧固螺钉(4)、第一轴承(5)、第二轴承(6)、支撑环(7)、轴承套(19)、止动键(8)、扭力套(9)及操作套(10)组成；轨迹式球阀总成由支撑套(11)、操作轴(13)、带有轨迹槽(101)的球阀(15)、钢球(12)、阀外筒(14)、下球座(16)、弹簧(17)、下接头(18)组成；
操作套(10)的下端具有弧形面，其下方依次设有球阀(15)和下球座(16)；操作套(10)的弧形面内嵌入有钢球(12)，钢球(12)与球阀(15)的轨迹槽(101)配合，能沿着轨迹槽(101)滑动，形成通过顺时针或者逆时针旋转扭力套(9)使得球阀(15)产生旋转扭矩的作用力。
2.根据权利要求1所述的井下旋转开关不压井控制阀，其特征在于：上接头(1)、芯轴(2)通过螺纹连接；芯轴(2)的外表面设有相互套接的承托环(3)和轴承套(19)；承托环(3)的上部与芯轴(2)的外壁面螺纹连接；承托环(3)的中部与芯轴(2)相结合的壁面上设有紧固螺钉(4)，承托环(3)和轴承套(19)的接合部设有第一轴承(5)，轴承套(19)的中部的内侧设有第二轴承(6)，第一轴承(5)和第二轴承(6)均位于芯轴(2)壁面上，第二轴承(6)的下方设有支撑环(7)；支撑环(7)为两个半圆环，卡合在芯轴(2)上，作为第二轴承(6)的支撑；
轴承套(19)的下部的内侧设有止动键(8)；轴承套(19)的下端的内壁面与扭力套(9)上部的外壁面螺纹连接；扭力套(9)套设在芯轴(2)的下端外表面；止动键(8)嵌入到芯轴(2)中相应的卡槽中，止动键(8)可随着芯轴(2)的转动在扭力套(9)的限位空间内转动；芯轴(2)下端的内壁面通过内接螺纹连接有操作套(10)；支撑套(11)通过卡合方式嵌入到扭力套(9)中形成固定；
操作套(10)的下部和球阀(15)均位于支撑套(11)内；阀外筒(14)上端的内壁面与扭力套(9)的下端外壁面通过螺纹连接；支撑套(11)和下球座(16)的上部均位于阀外筒(14)内；阀外筒(14)的下端的外壁面与下接头(18)的上端内壁面螺纹连接；下球座(16)的下部与弹簧(17)均位于下接头(18)内。
3.根据权利要求2所述的井下旋转开关不压井控制阀，其特征在于：球阀(15)中央设有操作轴(13)。
4.根据权利要求1所述的井下旋转开关不压井控制阀，其特征在于：当管柱右旋时，所述钢球(12)可在球阀(15)的轨迹槽(101)内滑动，对球阀(15)产生旋转扭矩，所述球阀(15)在操作轴(13)的约束下，产生右向旋转，直至旋转至90°，球阀通孔(102)完全被下球座(16)封闭，形成密封。
5.根据权利要求1所述的井下旋转开关不压井控制阀，其特征在于：当管柱左旋时，钢球(12)可在球阀(15)的轨迹槽(101)内滑动，对球阀(15)产生旋转扭矩，球阀(15)在操作轴(13)的约束下，产生左向旋转，直至旋转至90°，球阀通孔(102)对正下球座(16)，形成全通径的通道。
6.根据权利要求1-5任一所述的井下旋转开关不压井控制阀的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将井下旋转开关不压井控制阀连接于井下管柱，井下旋转开关不压井控制阀的下部连接机械或者液压式封隔器及井下作业工具或完井工具，一同下入到井下预定位置，坐封封隔器，使得井下管柱与套管井壁形成锚定；
(2)井口操作井下管柱，管柱压重或者提拉力由第一轴承(5)和第二轴承(6)承担；当管柱右旋时，上接头(1)、芯轴(2)产生连动，带动止动键(8)，操作套(10)、支撑套(11)、钢球(12)一同右向旋转，直至止动键(8)旋转到达扭力套(9)的限位处，继续右旋，上接头(1)不再发生旋转；
(3)钢球(12)在球阀(15)的轨迹槽(101)内滑动，对球阀(15)产生旋转扭矩，球阀(15)在操作轴(13)的约束下，只能产生右向旋转，直至旋转至90°，球阀通孔(102)完全被下球座(16)封闭，形成密封。
7.根据权利要求6所述的井下旋转开关不压井控制阀的工作方法，其特征在于：当管柱左向旋转时，钢球(12)在球阀(15)的轨迹槽(101)内滑动，对球阀(15)产生旋转扭矩，球阀(15)在操作轴(13)的约束下，只能产生左向旋转，直至旋转至90°，球阀通孔(102)对正下球座(16)，形成全通径的通道。
8.根据权利要求7所述的井下旋转开关不压井控制阀的工作方法，其特征在于：下接头(18)与下部封隔器连接，形成锚定固定；承托环(3)、扭力套(9)、阀外筒(14)也形成固定，进而支撑套(11)和操作轴(13)形成固定。
技术总结