CN103726804B - 液压封隔器及其安装方法 - Google Patents

Abstract

本发明是液压封隔器及其安装方法，用于井下分层采油等。该工具包括丢手机构、胶筒密封机构、锚定机构、坐封机构等。所述锚定机构包括上锥体、下锥体、卡瓦、复位弹簧和卡瓦笼，其下锥体的T型套上端连接锥头，压缩套套在T型套外，压缩套和T型套之间有相互配合的台阶，压缩套可以沿T型套外侧轴向滑动，在压缩套和锥头之间于T型套外周设涨紧弹簧；工具的上部是丢手机构，包括上接头、丢手套、打捞筒、丢手活塞、球座、球等；封隔器坐封完成后可以通过投球来丢手，也可以正转管柱实现丢手。由于在下锥体上设置了涨紧弹簧，使得锥头因涨紧弹簧的推力而能可靠地涨紧卡瓦。同时，由于设计了丢手机构，解决了封隔器承受下部拉力不足的问题。

Description

液压封隔器及其安装方法

技术领域

本发明涉及石油开采中使用的井下封隔器技术领域，特别是涉及一种具有液压、机械双压缩作用的井下封隔器及其安装方法。

背景技术

在石油开采领域的完井、采油等作业中，经常使用井下封隔器来分隔油层、密封油套环空、悬挂井下管柱等。为了提高封隔器的密封效果，中国专利申请号CN201310333524，申请日2013.08.02，发明名称“双作用压缩式封隔器及其使用方法”，公开了一种先液压坐封压缩胶筒，再通过管柱加压压缩胶筒的两种压缩胶筒方式的封隔器，这种封隔器的确可以提高封隔器的密封性能和有效期。但这种封隔器存在二个问题，一是当封隔器的下部压力超过管柱的下压载荷时，封隔器会因锚定不牢而上移；二是当封隔器下部连接的载荷大于封隔器的解封载荷时，封隔器会在坐封过程中自动解封。

发明内容

为解决上述技术问题，发明了液压封隔器，该液压封隔器具有可靠的锚定而能承受更高的下部压力，设计了丢手机构而能悬挂更多的下部载荷。

本发明采用了如下的技术方案：

液压封隔器，包括锚定机构，所述锚定机构包括上锥体、下锥体、卡瓦、复位弹簧和卡瓦笼；卡瓦笼由卡瓦套和通过螺纹连接的压帽构成；上锥体和下锥体安装在卡瓦笼内的两端，卡瓦笼的内台阶卡住上锥体与下锥体的外台阶，卡瓦位于上锥体与下锥体之间，并且，卡瓦的卡瓦牙从卡瓦笼的开孔处由内向外伸出，复位弹簧在径向上位于卡瓦与卡瓦笼之间；下锥体包括锥头、涨紧弹簧、T型套和压缩套，T型套上端连接锥头，压缩套套在T型套外，压缩套和T型套之间有相互配合的台阶，压缩套可以沿T型套外侧轴向滑动，在压缩套和锥头之间于T型套外周设涨紧弹簧。

所述的涨紧弹簧是圆柱螺旋压缩弹簧或蝶形弹簧。

液压封隔器的上部是丢手机构。

丢手机构优选实施例一，所述的丢手机构包括上接头、丢手套、打捞筒、丢手活塞、球座、球、丢手剪钉和锁定剪钉；打捞筒套在丢手套内，丢手套与外中心管相连，打捞筒与内中心管相连；上接头套在丢手套内且通过丢手螺纹相连并通过锁定剪钉固定；上接头下部的丢手螺纹部位设轴向槽；丢手活塞安装于丢手套和打捞筒所形成的环空内并密封该环空，用丢手剪钉把丢手活塞固定在打捞筒外侧，且丢手活塞的外径和上接头的所述的丢手螺纹部位的内径相配合；球安装在球座的内台阶上并密封该内台阶；球座上端连接在上接头内孔内，下端与打捞筒相密封；在球座的内台阶以上位置于侧壁上设丢手传压孔，在丢手活塞以下位置于打捞筒的侧壁上设回液孔。

丢手机构优选实施例二，所述的丢手机构包括上接头、丢手套、打捞筒和锁定剪钉；打捞筒套在丢手套内，丢手套与外中心管相连，打捞筒与内中心管相连；上接头和丢手套通过丢手螺纹相连且通过锁定剪钉固定；打捞筒的外径和上接头的所述的丢手螺纹部位的内径相配合。

所述的丢手螺纹是左旋螺纹，其牙型是三角形或梯形，其牙型角为60°～120°。丢手螺纹的优选牙型角为90°。

具有丢手机构优选实施例一的液压封隔器的安装方法，包括以下步骤：

a、用油管或钻杆把液压封隔器送入井下设计位置，其必须的管柱组合是：油管或钻杆+液压封隔器[不含球]；

b、提高管柱内液压力达到液压封隔器坐封力的设计值；

c、保持或降低管柱内的液压力，但应保证管柱内的液压力大于油套环空内的液压力；

d、从井口下放送入管柱给液压封隔器加载机械力50kN～250kN；

e、卸去管柱内的液压力。

f、从油管或钻杆内投球，并使球落在球座上；

g、提高管柱内液压力达到丢手剪钉的设计值；

h、上提油管或钻杆带出上接头、球和球座，完成丢手；

或者，用以下步骤替代步骤f～h：

i、上提油管或钻杆到原悬垂，右旋管柱使丢手螺纹旋出；

j、上提油管或钻杆带出上接头和球座，完成丢手。

具有丢手机构优选实施例二的液压封隔器的安装方法，包括以下步骤：

a、用油管或钻杆把液压封隔器送入井下设计位置，其必须的管柱组合是：油管或钻杆+液压封隔器；

b、提高管柱内液压力达到液压封隔器坐封力的设计值；

c、保持或降低管柱内的液压力，但应保证管柱内的液压力大于油套环空内的液压力；

d、从井口下放送入管柱给液压封隔器加载机械力50kN～250kN；

e、卸去管柱内的液压力。

f、上提油管或钻杆到原悬垂，右旋管柱使丢手螺纹旋出；

g、上提油管或钻杆带出上接头，完成丢手。

与现有技术相比，本发明的有益效果是，当封隔器受到上部管柱的下压载荷时，虽然坐封机构仍有下拉下锥体的力，由于在下锥体上设置了涨紧弹簧，使得锥头因涨紧弹簧的推力而仍能可靠地涨紧卡瓦。另一方面，由于设计了丢手机构，封隔器所承受的上下两端的拉力在外中心管上，封隔器的内中心管及解封剪钉不承受下部载荷的拉力，解决了封隔器承受下部拉力不足的问题。

附图说明

前面简单地描述了本发明，接下来参考描述本发明的以下具体实施例的图纸进一步、详细地叙述本发明。这些图纸只描述了该发明的一些典型的实施例，因此不能认为是限制本发明的范围。在这些图纸中：

图1是液压封隔器优选实施例一的半剖结构示意图。

图2是图1中H部的局部放大图。

图3是上接头的半剖结构示意图。

图4是丢手螺纹的梯形牙型示意图。

图5是丢手螺纹的三角形牙型示意图。

图6是液压封隔器优选实施例二的半剖结构示意图。

具体实施方式

在本发明的液压封隔器的各部件间，如各图中所示，需要密封的部位都设有密封圈，如图1中的密封圈39，在下面的实施例中不再说明密封圈，而只参见图示。

见图1液压封隔器优选实施例一的半剖结构示意图和图2所示，液压封隔器包括丢手机构100、胶筒密封机构200、锚定机构300、坐封机构400、内中心管14、外中心管17和解封剪钉32。

内中心管14和外中心管17套在一起并通过解封剪钉32固定，内中心管14和外中心管17上端连接丢手机构100。外中心管17外部上端安装胶筒密封机构200，中部安装锚定机构300，下端安装坐封机构400。

丢手机构100包括上接头1、锁定剪钉2、球3、球座5、打捞筒6、丢手活塞8、丢手剪钉9和丢手套11。打捞筒6套在丢手套11内，丢手套11与外中心管17相连，打捞筒6与内中心管14相连；上接头1套在丢手套11内且通过丢手螺纹7相连并通过锁定剪钉2固定；丢手活塞8安装于丢手套11和打捞筒6所形成的环空内并密封该环空，用丢手剪钉9把丢手活塞8固定在打捞筒6外侧，且丢手活塞8的外径和上接头1的所述的丢手螺纹7部位的内径相配合；球3安装在球座5的内台阶上并密封该内台阶；球座5上端连接在上接头1内孔内，下端与打捞筒6相密封；在球座5的内台阶以上位置于侧壁上设丢手传压孔4，在丢手活塞8以下位置于打捞筒6的侧壁上设回液孔10。

轴向上，在外中心管17和打捞筒6之间于丢手套11内侧设悬挂台阶12，相应地在内中心管14上部外周设定位台阶13，悬挂台阶12的内径小于定位台阶13的外径，在内中心管14上行时，悬挂台阶12可以挂在定位台阶13上。

胶筒15和端环16共同构成了胶筒密封机构200，胶筒密封机构200套在外中心管17的上端的支撑台阶40以上位置。胶筒密封机构有多种结构形式，常见的有一个胶筒、二个胶筒组合、三个胶筒组合。单胶筒或多胶筒组合的两端有挡环，一般挡环可能会与封隔器的相邻钢体部件融合在一起，就如同图1中胶筒15的两端，丢手套11与端环16都起到了挡环的作用。多胶筒组合的，每个胶筒之间可以有或没有挡环。挡环的结构其半剖断面不局限于方形，如也可以是碗形。

锚定机构300套在外中心管17外，锚定机构300包括上锥体19、下锥体301、卡瓦38、复位弹簧20和卡瓦笼；卡瓦笼由卡瓦套18和通过螺纹连接的压帽23构成；上锥体19和下锥体301安装在卡瓦笼内的两端，卡瓦笼的内台阶卡住上锥体19与下锥体301的外台阶，卡瓦38位于上锥体19与下锥体301之间，并且，卡瓦38的卡瓦牙从卡瓦笼的开孔处由内向外伸出，复位弹簧20在径向上位于卡瓦38与卡瓦笼之间；下锥体301包括锥头21、涨紧弹簧22、T型套24和压缩套25，T型套24上端连接锥头21，压缩套25套在T型套24外，压缩套25和T型套24之间有相互配合的台阶，压缩套25可以沿T型套24外侧轴向滑动，在压缩套25和锥头21之间于T型套24外周设涨紧弹簧22。锚定机构300上端连接胶筒密封机构200是通过上锥体19与端环16相连，锚定机构300下端连接坐封机构400是通过压缩套25与缸套31相连。

坐封机构400包括坐封活塞26、坐封剪钉27、锁块压帽28、锁块29、下接头30、缸套31、锁环34和锁环压帽35。坐封活塞26、下接头30、缸套31、外中心管17和内中心管14共同构成液缸，坐封活塞26套在缸套31和外中心管17所形成的环空内并形成密封，内中心管14下端比外中心管17下端长，下接头30内孔是阶梯孔，其大直径孔部分与外中心管17配合，其小直径孔部分与内中心管14配合并形成密封。在外中心管17下部于解封剪钉32以上位置设锁块孔，锁块孔内安装锁块29，锁块29在径向上向外突出外中心管17；下接头30上端连接锁块压帽28，在连接处形成环状凹槽，该环状凹槽与锁块29的突出部分相配合使下接头30卡住并固定在外中心管17上。锁环压帽28上端与坐封活塞26通过坐封剪钉27相固定。在密封圈39以下、锁块29以上位置，于外中心管17侧壁上设外坐封孔37，于内中心管14侧壁上设内坐封孔36。在锁块29以下位置于内中心管14外壁上设锁块释放槽41。在下接头30外周设锁紧螺纹33，相应地设锁环34与锁紧螺纹33相配合，锁环34用锁环压帽35安装在缸套31下端。

图3是图1中上接头1的结构图，其下部的丢手螺纹7部位设轴向槽，使丢手螺纹7部位呈分瓣状，在受到径向外压力的时候能够径向收缩。这样，当丢手活塞8下行让出丢手螺纹7部位后，上提上接头1，丢手螺纹7可以脱开实现丢手。

图4是丢手螺纹梯形牙型示意图。该图是图3中丢手螺纹G部位的牙型放大图，其牙型是梯形，梯形螺纹牙型角α为60°～120°，最优牙型角为90°。同样，图5是丢手螺纹的三角形牙型示意图，该图是图3中丢手螺纹G部位的牙型放大图，其牙型是三角形，三角形螺纹的牙型角α为60°～120°，最优牙型角为90°。

坐封时，向封隔器内打液压，液体通过内坐封孔36和外坐封孔37进入液缸，坐封活塞26拉断坐封剪钉27后上行至压缩套25下端，然后推动缸套31和压缩套25一同上行，先压缩涨紧弹簧22，再通过涨紧弹簧22压缩胶筒15并锚定卡瓦38，缸套带动锁环34沿锁紧螺纹33上行，当卸去液压力时，缸套的位移被锁环34锁定，从而保持胶筒15的压缩状态和锚定机构在套管上的锚定力。当液压坐封力达到设计值后，在保持或不完全卸去液压力的状态下，通过送入管柱下压上接头1，下压力通过丢手套11和外中心管17传递给胶筒15，胶筒15下端被锚定机构300所支撑，在液压坐封力的基础上再次压缩胶筒15，外中心管17与内中心管14、下接头30、锁块29、锁块压帽28和解封剪钉32一起下行，这一下行位移再次被锁环34所锁紧。当坐封的液压力卸去后，涨紧弹簧22能够补偿锁环34的后退距，从而使本发明的液压封隔器更大地承受下压力。

安装时，液压封隔器连接在油管或钻杆下端，通常，液压封隔器以下连接压力控制器。压力控制器可以是节流器或球座等，压力控制器也可以与其它井下工具整合在一起，用于使液压封隔器的内外可形成压差。这是必须的安装管柱组合，在实际应用中可根据生产需要进行组合管柱。

本发明的优选实施例一液压封隔器的安装步骤是：

a、用油管或钻杆把液压封隔器送入井下设计位置，其必须的管柱组合是：油管或钻杆+液压封隔器[不含球（3）]+压力控制器；

b、提高管柱内液压力达到液压封隔器坐封力的设计值；

c、保持或降低管柱内的液压力，但应保证管柱内的液压力大于油套环空内的液压力；

d、从井口下放送入管柱给液压封隔器加载机械力50kN～250kN；

e、卸去管柱内的液压力。

f、从油管或钻杆内投球（3），并使球（3）落在球座（5）上；

g、提高管柱内液压力达到丢手剪钉（9）的设计值；

h、上提油管或钻杆带出上接头（1）、球（3）和球座（5），完成丢手；

或者，用以下步骤替代步骤f～h：

i、上提油管或钻杆到原悬垂，右旋管柱使丢手螺纹（7）旋出；

j、上提油管或钻杆带出上接头（1）和球座（5），完成丢手。

见图6液压封隔器优选实施例二的半剖结构示意图。优选实施例二与优选实施例一的不同之处仅在于丢手机构100。所述的丢手机构100包括上接头1、丢手套11、打捞筒6和锁定剪钉2；打捞筒6套在丢手套11内，丢手套11与外中心管17相连，打捞筒6与内中心管14相连；上接头1和丢手套11通过丢手螺纹7相连且通过锁定剪钉2固定；打捞筒6的外径和上接头1的所述的丢手螺纹7部位的内径相配合。

优选实施例二液压封隔器的安装方法，包括以下步骤：

a、用油管或钻杆把液压封隔器送入井下设计位置，其必须的管柱组合是：油管或钻杆+液压封隔器；

b、提高管柱内液压力达到液压封隔器坐封力的设计值；

c、保持或降低管柱内的液压力，但应保证管柱内的液压力大于油套环空内的液压力；

d、从井口下放送入管柱给液压封隔器加载机械力50kN～250kN；

e、卸去管柱内的液压力。

f、上提油管或钻杆到原悬垂，右旋管柱使丢手螺纹（7）旋出；

g、上提油管或钻杆带出上接头（1），完成丢手。

在上述优选实施例一和优选实施例二的液压封隔器的安装步骤中，所述的加载机械力对于不同尺寸的封隔器是不同的，一般规律是越大尺寸的封隔器所需要的加载机械力越大，可从50kN～250kN不等，当然，更大或更小的封隔器所需的加载机械力也可以突破这一范围。对于应用于139.7mm（5¹/₂″）套管的封隔器的加载机械力可为70kN～120kN；对于应用于177.8mm（7″）套管的封隔器的加载机械力可为80kN～150kN。

本文所述的实施例仅仅为典型实施例，但不仅限于这些实施例，本领域的技术人员可以在不偏离本发明的精神和启示下做出修改。本文所公开的方案可能存在很多变更、组合和修改，且都在本发明的范围内，因此，保护范围不仅限于上文的说明，而是根据权利要求来定义，保护范围包括权利要求的标的的所有等价物。

Claims (9)

1.液压封隔器，包括锚定机构(300)，所述锚定机构(300)包括上锥体（19）、下锥体(301)、卡瓦（38）、复位弹簧（20）和卡瓦笼；卡瓦笼由卡瓦套（18）和通过螺纹连接的压帽（23）构成；上锥体（19）和下锥体(301)安装在卡瓦笼内的两端，卡瓦笼的内台阶卡住上锥体（19）与下锥体(301)的外台阶，卡瓦（38）位于上锥体（19）与下锥体(301)之间，并且，卡瓦（38）的卡瓦牙从卡瓦笼的开孔处由内向外伸出，复位弹簧（20）在径向上位于卡瓦（38）与卡瓦笼之间，其特征在于，下锥体(301)包括锥头（21）、涨紧弹簧（22）、T型套（24）和压缩套（25），T型套（24）上端连接锥头（21），压缩套（25）套在T型套（24）外，压缩套（25）和T型套（24）之间有相互配合的台阶，压缩套（25）可以沿T型套（24）外侧轴向滑动，在压缩套（25）和锥头（21）之间于T型套（24）外周设涨紧弹簧（22）。

2.根据权利要求1所述的液压封隔器，其特征在于，所述的涨紧弹簧（22）是圆柱螺旋压缩弹簧或蝶形弹簧。

3.根据权利要求1所述的液压封隔器，其特征在于，液压封隔器的上部是丢手机构(100)。

4.根据权利要求3所述的液压封隔器，其特征在于，所述的丢手机构(100)包括上接头（1）、丢手套（11）、打捞筒（6）、丢手活塞（8）、球座（5）、球（3）、丢手剪钉（9）和锁定剪钉（2）；打捞筒（6）套在丢手套（11）内，丢手套（11）与外中心管（17）相连，打捞筒（6）与内中心管（14）相连；上接头（1）套在丢手套（11）内且通过丢手螺纹（7）相连并通过锁定剪钉（2）固定；上接头（1）下部的丢手螺纹（7）部位设轴向槽；丢手活塞（8）安装于丢手套（11）和打捞筒（6）所形成的环空内并密封该环空，用丢手剪钉（9）把丢手活塞（8）固定在打捞筒（6）外侧，且丢手活塞（8）的外径和上接头（1）的所述的丢手螺纹（7）部位的内径相配合；球（3）安装在球座（5）的内台阶上并密封该内台阶；球座（5）上端连接在上接头（1）内孔内，下端与打捞筒（6）相密封；在球座（5）的内台阶以上位置于侧壁上设丢手传压孔（4），在丢手活塞（8）以下位置于打捞筒（6）的侧壁上设回液孔（10）。

5.根据权利要求3所述的液压封隔器，其特征在于，所述的丢手机构(100)包括上接头（1）、丢手套（11）、打捞筒（6）和锁定剪钉（2）；打捞筒（6）套在丢手套（11）内，丢手套（11）与外中心管（17）相连，打捞筒（6）与内中心管（14）相连；上接头（1）和丢手套（11）通过丢手螺纹（7）相连且通过锁定剪钉（2）固定；打捞筒（6）的外径和上接头（1）的所述的丢手螺纹（7）部位的内径相配合。

6.根据权利要求4或5所述的液压封隔器，其特征在于，所述的丢手螺纹（7）是左旋螺纹，其牙型是三角形或梯形，其牙型角为60°～120°。

7.根据权利要求6所述的液压封隔器，其特征在于，所述的丢手螺纹（7）的牙型角为90°。

8.权利要求4所述的液压封隔器的安装方法，包括以下步骤：

a、用油管或钻杆把液压封隔器送入井下设计位置，其必须的管柱组合是：油管或钻杆+液压封隔器+压力控制器；其中封隔器中的球（3）不随封隔器一同下井；

b、提高管柱内液压力达到液压封隔器坐封力的设计值；

c、保持或降低管柱内的液压力，但应保证管柱内的液压力大于油套环空内的液压力；

d、从井口下放送入管柱给液压封隔器加载机械力50kN～250kN；

e、卸去管柱内的液压力；

f、从油管或钻杆内投球（3），并使球（3）落在球座（5）上；

g、提高管柱内液压力达到丢手剪钉（9）的设计值；

h、上提油管或钻杆带出上接头（1）、球（3）和球座（5），完成丢手；

或者，用以下步骤替代步骤f～h：

i、上提油管或钻杆到原悬垂，右旋管柱使丢手螺纹（7）旋出；

j、上提油管或钻杆带出上接头（1）和球座（5），完成丢手。

9.权利要求5所述的液压封隔器的安装方法，包括以下步骤：

a、用油管或钻杆把液压封隔器送入井下设计位置，其必须的管柱组合是：油管或钻杆+液压封隔器；

b、提高管柱内液压力达到液压封隔器坐封力的设计值；

c、保持或降低管柱内的液压力，但应保证管柱内的液压力大于油套环空内的液压力；

d、从井口下放送入管柱给液压封隔器加载机械力50kN～250kN；

e、卸去管柱内的液压力；

f、上提油管或钻杆到原悬垂，右旋管柱使丢手螺纹（7）旋出；

g、上提油管或钻杆带出上接头（1），完成丢手。