CN102966328A - 一种新型电液一体化桥塞投放工具 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种新型电液一体化桥塞投放工具，该工具下到坐封位置之后，通过电缆接通电源驱动井下液压电泵启动，泵注高压液体，通过水眼进入活塞缸，推动活塞缸下行压缩可取式桥塞坐封；投放工具包括可取式桥塞、液压短节，可取式桥塞是由上活塞、下活塞、张力棒、芯轴依次串联构成，上活塞后端连接液压电泵接口，张力棒外套有胶筒，芯轴外套有卡瓦椎体、卡瓦且卡瓦椎体在卡瓦后端；液压短节是由单向阀、溢流阀、高低压油管、压力平衡活塞、液压电泵、磁力耦合器、联轴器、电机和油箱组成。该工具结合电缆传输桥塞和油管液压坐封桥塞的各自特点，运用电缆进行传输、校深定位，到达预定位置后给井下动力源供电，电能驱动液压泵实现桥塞坐封与丢手。
Description
技术领域
本发明属于井下封堵设备，特别是一种新型电液一体化桥塞投放工具，广泛应用于分层测试试井、压裂、酸化等井下作业，在生产过程中也可以进行堵水、堵漏等作业。当需要开采、沟通桥塞以下层位时候可以将桥塞钻除或专用工具打捞。
背景技术
目前常用的桥塞主要分为油管传输液压坐封和电缆传输爆炸坐封两种形式。油管传输桥塞坐封时，通过油管加压推动活塞压缩胶筒，同时推动卡瓦张开撑在套管壁上，卡瓦和胶筒到位后，继续加压，拉断张力棒，与桥塞脱手，实现坐封，座封工具随油管起出井口；电缆传输桥塞坐封时，通过电缆接通点火器引爆药柱产生热能推动活塞，活塞推动挤压筒使卡瓦张开，压缩胶筒，继而拉断张力棒，与桥塞脱手，实现坐封，座封工具随电缆起出井口。
这其中，油管传输液压坐封的方式安全可靠、成本低廉，但作业时间长，效率低；电缆传输爆炸座封的方式作业比较简单，但民爆物品贮存、运输以及安装都存在较大风险。因此，改变现有的坐封方式，研究电缆传输电动座封的桥塞，将大大缩短打桥赛的周期。
针对电缆传输桥塞和油管液压坐封桥塞的各自特点，把两者优点有效的结合起来，运用电缆进行传输、校深定位，到达预定位置后给井下动力源供电，动力源来控制液压投放工具的工作，从而使桥塞坐封和丢手。
我们设计开发出一种全新的电液一体化桥塞投放工具，能实现运用电缆进行传输，电能驱动液压泵实现桥塞坐封与丢手；动力电机及传动方式能够适应井下高温高压环境；电缆传输桥塞液压投放工具与可钻式、可捞式桥塞配套使用。
发明内容
本发明的目的是提供一种新型电液一体化桥塞投放工具，它采用独特的自锁定结构，具有可靠的双向承压功能，无需上覆灰面，即可实现可靠密封，可进行油气层的临时性封堵、永久性封堵、选择性封堵和不压井作业等。
本发明的技术方案是：一种新型电液一体化桥塞投放工具，其特征是投放工具下到坐封位置之后，通过电缆接通电源驱动井下液压电泵启动，泵注高压液体，通过水眼进入活塞缸，推动活塞缸下行压缩可取式桥塞坐封。
所述的一种新型电液一体化桥塞投放工具，其特征是：它包括可取式桥塞、液压短节和活塞缸，所述的可取式桥塞是由上活塞、下活塞、张力棒、芯轴依次串联构成，上活塞后端连接液压电泵接口，张力棒外套有胶筒，芯轴外套有卡瓦椎体、卡瓦且卡瓦椎体在卡瓦后端；所述的液压短节是由单向阀、溢流阀、高低压油管、压力平衡活塞、液压电泵、磁力耦合器、联轴器、电机和油箱组成，所述的高低压油管外套有压力平衡活塞的一端分别与单向阀和溢流阀连接，另一端依次与液压电泵、磁力耦合器、联轴器、电机连接，并置于油箱中；整个投放工具通过电缆下入井中，电缆连接电机，电机接通电源与液压电泵连接，液压电泵通过液压电泵接口与可取式桥塞连接 ，活塞缸通过张力棒和芯轴与上活塞和下活塞连接。
所述的压力平衡活塞外部套有增压弹簧。
所述的油箱上设置有耐压密封插针。
所述的可取式桥塞、液压短节和活塞缸适用温度为150℃，压力为70Mpa。
所述的液压短节和活塞缸可以通过电缆与可钻式或可捞式桥塞配套使用。
所述的一种新型电液一体化桥塞投放工具，其特征是：桥塞坐封时，通过电缆接通电源驱动井下液压电泵，并且液压电泵自带液压油；通过液压电泵加压将高压液体入上活塞和下活塞，在上活塞和下活塞的作用下，压缩胶筒，使其扩张，密封套管环空；同时推动卡瓦椎体向下移动，卡瓦椎体推动卡瓦张开撑在套管壁上，卡瓦和胶筒到位后，继续加压，拉断张力棒直径最小的地方，坐封工具和张力棒上截与桥塞芯轴脱手，实现桥塞的坐封，坐封工具随电缆起出井口，可捞式桥塞卡在井下预定位置。
本发明的有益效果是： 1）采用液压座封工具送进、座封，投放工具的脱手由丢手棒控制，通过加压拉断丢手棒，保证桥塞座封安全可靠,同时，确保座封工具在复杂情况下能安全起出井筒。2）卡瓦部分采用内置式卡瓦结构，桥塞在井筒中起下时不易遇阻遇卡，可以在任意斜度的井中安全使用。3）利用卡瓦的双向锚牙，具有良好的双向承压能力，可适用于各种级别的套管。4)可取式桥塞是一种安全可靠、成本低廉、功能齐全，适用范围广的井下封堵工具，可进行油气层的临时性封堵、永久性封堵、选择性封堵和不压井作业等。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为本发明实施例的可取式桥塞；
图2为现有桥塞送封工具示意图；
图3为本发明实施例的液压短节结构图；
图4为本发明实施例的液压系统原理图。
图中：1、液压电泵接口；2、上活塞； 3、下活塞；4、张力棒；5、胶筒；6、芯轴；7、卡瓦椎体；8、卡瓦；9、高压液体；10、水眼；11、中心管；12、活塞；13、活塞缸；14、单向阀；15、溢流阀； 16、高低压油管； 17、增压弹簧；18、压力平衡活塞；19、液压电泵；20、磁力耦合器；20-1、磁力耦合器内圈；20-2、磁力耦合器外圈；21、联轴器； 22、电机；23、耐压密封插针；24、进口油滤； 25、油箱。
具体实施方式
实施例1
一种新型电液一体化桥塞投放工具，其特征是：它包括可取式桥塞、液压短节和活塞缸13，所述的可取式桥塞是由上活塞2、下活塞3、张力棒4、芯轴6依次串联构成，上活塞2后端连接液压电泵接口1，张力棒4外套有胶筒5，芯轴6外套有卡瓦椎体7、卡瓦8且卡瓦椎体7在卡瓦8后端；所述的液压短节是由单向阀14、溢流阀15、高低压油管16、压力平衡活塞18、液压电泵19、磁力耦合器20、联轴器21、电机22和油箱25组成，所述的高低压油管16外套有压力平衡活塞18的一端分别与单向阀14和溢流阀15连接，另一端依次与液压电泵19、磁力耦合器20、联轴器21、电机22连接，并置于油箱25中；整个投放工具通过电缆下入井中，电缆连接电机22，电机22接通电源与液压电泵19连接，液压电泵19通过液压电泵接口1与可取式桥塞连接 ，活塞缸13通过张力棒4和芯轴6与上活塞2和下活塞3连接。该投放工具下到坐封位置之后，通过电缆接通电源驱动井下液压电泵19启动，泵注高压液体9，通过水眼10进入活塞缸13，推动活塞缸13下行压缩可取式桥塞坐封。
实施例2
如图1和图3所示，一种新型电液一体化桥塞投放工具包括可取式桥塞、液压短节和活塞缸13，所述的可取式桥塞是由上活塞2、下活塞3、张力棒4、芯轴6依次串联构成，上活塞2后端连接液压电泵接口1，张力棒4外套有胶筒5，芯轴6外套有卡瓦椎体7、卡瓦8且卡瓦椎体7在卡瓦8后端；所述的液压短节是由单向阀14、溢流阀15、高低压油管16、压力平衡活塞18、液压电泵19、磁力耦合器20、联轴器21、电机22和油箱25组成，所述的高低压油管16外套有压力平衡活塞18的一端分别与单向阀14和溢流阀15连接，另一端依次与液压电泵19、磁力耦合器20、联轴器21、电机22连接，并置于油箱25中；整个投放工具通过电缆下入井中，电缆连接电机22，电机22接通电源与液压电泵19连接，液压电泵19通过液压电泵接口1与可取式桥塞连接 ，活塞缸13通过张力棒4和芯轴6与上活塞2和下活塞3连接。
所述的压力平衡活塞18外部套有增压弹簧17，所述的油箱25上设置有耐压密封插针23，所述的磁力耦合器20是由磁力耦合器内圈20-1和磁力耦合器外圈20-2组成。
如图2为现有桥塞送封工具示意图，本发明将图中的中心管11上的活塞12替换成本发明的可取式桥塞，电缆通过液压短节与可取式桥塞连接，可取式桥塞连接活塞缸13。
当所述的投放工具下到坐封位置之后，通过电缆接通电源驱动井下液压电泵19启动，泵注高压液体9，通过水眼10进入活塞缸13，推动活塞缸13下行压缩可取式桥塞坐封；
本发明的桥塞坐封时，通过电缆接通电源驱动井下液压电泵19，并且液压电泵19自带液压油；通过液压电泵19加压将高压液体9入上活塞2和下活塞3，在上活塞2和下活塞3的作用下，压缩胶筒5，使其扩张，密封套管环空；同时推动卡瓦椎体7向下移动，卡瓦椎体7推动卡瓦8张开撑在套管壁上，卡瓦8和胶筒5到位后，继续加压，拉断张力棒4直径最小的地方，坐封工具和张力棒4上截与桥塞芯轴6脱手，实现桥塞的坐封，坐封工具随电缆起出井口，可捞式桥塞卡在井下预定位置。
所述的可取式桥塞、液压短节和活塞缸13适用温度为150℃，压力为70Mpa。所述的液压短节和活塞缸13可以通过电缆与可钻式或可捞式桥塞配套使用。
可取式桥塞是一种油田用井下封堵工具，由上活塞2、下活塞3组成了坐封机构，通过中心管水眼进行加压推动活塞下移，下移到位直至桥塞坐封完成后，可通过活塞外钢套下部水眼泄压；由卡瓦椎体7、推动卡瓦8组成了锚定机构，采用双向卡瓦，可双向承受压力，实现桥塞的上下锚定。由桥塞芯轴6、胶筒5组成了密封机构，胶筒压缩扩张，实现环空封堵，芯轴上装有密封圈封堵桥塞内部，无需上覆灰面，即可实现井筒的可靠密封。
电缆与图1可取式桥塞之间的连接部分，称之为液压短节，主要就是实现泵注高压液体至图1中桥塞送封工具。
液压短节的系统原理如图4所示，工作原理如下：需要进行井下封堵作业时，用电缆将桥塞工具下放到预定深度后，在地面启动直流可调稳压电源，220V交流电变换成高压直流电通过电缆传输到井下液压系统，调节输出电流至额定电流，此时电机通过磁力耦合器拖动液压电泵19按照设计转速进行工作，液压电泵19输出油液经过单向阀后给后端的坐封机构供油。当丢手成功后，井上供电电流会突然变小，因此可通过监测井上供电电流的突变情况判断是否丢手成功。液压电泵19出口的单向阀防止液压短节不工作时油液外泄以及井下封堵完成后防止泥浆倒灌。旁路上设置溢流阀起到限制系统压力、排出系统多余油液的作用。在液压电泵19的入口端设置油滤，对进入系统油液进行过滤。
其中电机不浸油，用磁力耦合器来实现隔离状态下的扭矩传递，磁力耦合器外圈与电机相连接，装于空气腔，磁力耦合器内圈与液压电泵19相连接，装于液压油腔。液压电泵19为浸油式，油液从液压电泵19侧部进入，由轴心处往外输出高压油液。液压电泵19出油口与液压节头部则通过高压油管相连。油箱内部安装有活塞式压力平衡及油液补偿装置，当液压短节工作时，油箱内的油液被输往外部，此时可取式桥塞右移，起到油液补偿作用，同时也能将外部泥浆压力传递进油箱内部作为液压电泵19入口压力。工作压力28MPa，流量。由于液压短节的结构空间有限，所用到的元器件均为小型化产品。
液压短节中需要引入外部泥浆的压力作为液压电泵的入口压力。另外液压短节工作过程中液压电泵为执行机构供油量达到1.2L，油液补偿总量较大。另外该装置还需要在油液热胀冷缩时起到平衡作用。本方案采用平衡活塞式，这种结构能满足油液的热胀冷缩、平衡油箱内外压力，还能有效的对输送出去的油液空间进行补偿。
对液压短节的流量、压力特性进行测试，确保系统的各项参数满足指标要求。为满足井下工作时的高温环境，液压短节需进行高温性能测试。试验方法按照石油行业SY/T5218-91标准A4组要求进行高温性能试验。
液压短节中所需元器件及技术参数要求：
1、技术参数要求
1) 电机主要参数如表1所示
表1 电机主要参数
| 额定转速 | 额定电压 | 额定电流 | 额定功率 | 输出扭矩 |
| 4500 rpm | 400V DC | ≤6.185 A | 2500 W | ≥3.68 Nm |
2) 液压电泵主要参数如表2所示。
表2 液压电泵主要参数
| 排量 | 额定转速 | 最大压力 |
| 0.75 ml/r | 4500 rpm | 35 MPa |
3) 溢流阀主要参数如表3所示。
表3 溢流阀主要参数
| 最小开启压力 | 最小关闭压力 | 关闭时泄漏量 |
| 29.4 MPa | 25.9 MPa | ≤0.5 ml/min |
4) 出口单向阀主要参数如表4所示。
表4 单向阀主要参数
| 安装方式 | 开启压力 | 全开流量 |
| 螺纹插装 | 0.05 bar | 10 l/min |
5）联轴器采用钛合金加工订做。
6）磁力耦合器额定传递扭矩9Nm。
7）密封元件选用TRELLEBORG氟橡胶产品。
根据以上元器件选型，本方案中液压短节的技术指标满足情况如下表5所示：
表5 技术指标满足情况统计
| 序号 | 项目 | 要求指标 | 设计指标 | 满足情况 | 备注 |
| 1 | 输出压力 | MPa | 25.9~29.4 MPa | 满足 | |
| 2 | 输出流量 | 3.33L/min | 3.34 L/min | 满足 | |
| 3 | 环境压力 | 50 MPa | 50 MPa | 满足 | |
| 4 | 环境温度 | 150℃ | 150℃ | 满足 | |
| 5 | 油液补偿量 | 1.2L | 1.4L | 满足 | |
| 6 | 外径尺寸 | ≤101.4mm | 100mm | 满足 | |
| 7 | 电气接口 | 满足 | |||
| 8 | 机械接口 | 满足 |
2、尺寸要求
1）液压短节从前端的电机尾部到后端的高压油出口，全长共1050mm，总质量约为38kg，其中：
2）电机外径φ80mm，长度220mm；
3）磁力耦合器外径φ76mm，长度150mm（暂定，根据详细的磁力计算结果后再行确定）；
4）液压电泵外径φ52mm，长度120mm；
5）油箱部分腔体内径φ80mm，长度385mm；
6）高低压油管外径φ18mm，含高压、低压两个油道，内径均为φ4mm，高压油道内径最小壁厚3.5mm，低压油道最小壁厚2mm，油管总长436.5mm，前端与油泵出油口处采用直螺纹连接，紫铜垫密封，后端与集成阀块连接，采用直接插入式的径向密封。在油管的前端设有突起部分，与油箱内部的支承环相配合，保证油管外圆与油箱内壁的同轴度。
7）压力平衡活塞内、外圆表面均有两道格来圈密封圈，外圆与油箱内壁贴紧，内圆与高低压输油管道贴紧，后端设置增压弹簧，克服部分摩擦阻力。增压活塞的行程最大可达300mm，因此油液补偿总量可达1.43L。增压弹簧有效圈数15，总圈数17，簧丝直径φ2mm，中径47mm，自由状态高度280mm，桥塞零位时工作高度40mm，刚度0.1N/mm。增压弹簧主要起到辅助增压作用，克服部分增压活塞右移时的阻力，减弱和消除液压电泵的吸空。
8）安全阀外径φ8mm，长35mm，为插装式结构。
9）单向阀外径φ10mm，轴向长度9mm，螺纹式插装结构。
10）电缆为单芯电缆，具体型号为：5/16″型号的电缆长度5140米,阻值小于115Ω，绝缘大于50MΩ；7/32″型号的电缆长度6120米,阻值小于135Ω，绝缘大于50MΩ。
电源：220VAC/50HZ ；
功率：245KW
抗拉强度：5.6MM电缆最大拉力是700公斤， 8.4MM的最大拉力是1.4吨。
本实施例没有详细叙述的部件和结构属本行业的公知部件和常用结构或常用手段，这里不一一叙述。
Claims (7)
1.一种新型电液一体化桥塞投放工具，其特征是投放工具下到坐封位置之后，通过电缆接通电源驱动井下液压电泵（19）启动，泵注高压液体（9），通过水眼（10）进入活塞缸（13），推动活塞缸（13）下行压缩可取式桥塞坐封。
2.根据权利要求1所述的一种新型电液一体化桥塞投放工具，其特征是：它包括可取式桥塞、液压短节和活塞缸（13），所述的可取式桥塞是由上活塞(2)、下活塞(3)、张力棒(4)、芯轴(6)依次串联构成，上活塞(2)后端连接液压电泵接口（1），张力棒(4)外套有胶筒(5)，芯轴(6)外套有卡瓦椎体(7)、卡瓦(8)且卡瓦椎体(7)在卡瓦(8)后端；所述的液压短节是由单向阀（14）、溢流阀（15）、高低压油管（16）、压力平衡活塞(18)、液压电泵（19）、磁力耦合器（20）、联轴器（21）、电机（22）和油箱（25）组成，所述的高低压油管（16）外套有压力平衡活塞(18)的一端分别与单向阀（14）和溢流阀（15）连接，另一端依次与液压电泵（19）、磁力耦合器（20）、联轴器（21）、电机（22）连接，并置于油箱（25）中；整个投放工具通过电缆下入井中，电缆连接电机（22），电机（22）接通电源与液压电泵（19）连接，液压电泵（19）通过液压电泵接口（1）与可取式桥塞连接 ，活塞缸（13）通过张力棒（4）和芯轴（6）与上活塞(2)和下活塞(3)连接。
3.根据权利要求1所述的一种新型电液一体化桥塞投放工具，其特征是：所述的压力平衡活塞(18)外部套有增压弹簧（17）。
4.根据权利要求1所述的一种新型电液一体化桥塞投放工具，其特征是：所述的油箱（26）上设置有耐压密封插针（23）。
5.根据权利要求1所述的一种新型电液一体化桥塞投放工具，其特征是：所述的可取式桥塞、液压短节和活塞缸（13）适用温度为150℃，压力为70Mpa。
6.根据权利要求1所述的一种新型电液一体化桥塞投放工具，其特征是：所述的液压短节和活塞缸（13）可以通过电缆与可钻式或可捞式桥塞配套使用。
7.根据权利要求1所述的一种新型电液一体化桥塞投放工具，其特征是：桥塞坐封时，通过电缆接通电源驱动井下液压电泵（19），并且液压电泵（19）自带液压油；通过液压电泵（19）加压将高压液体（9）入上活塞（2）和下活塞（3），在上活塞（2）和下活塞（3）的作用下，压缩胶筒（5），使其扩张，密封套管环空；同时推动卡瓦椎体（7）向下移动，卡瓦椎体（7）推动卡瓦（8）张开撑在套管壁上，卡瓦（8）和胶筒（5）到位后，继续加压，拉断张力棒（4）直径最小的地方，坐封工具和张力棒（4）上截与桥塞芯轴（6）脱手，实现桥塞的坐封，坐封工具随电缆起出井口，可捞式桥塞卡在井下预定位置。
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