CN104343410A - 双向承压压缩式液压封隔器 - Google Patents

Abstract

本发明是双向承压压缩式液压封隔器，用于油田井下分层开采等。分隔胶筒套在中心管外，分隔胶筒以上安装上坐封液缸和上锁环锁紧机构，分隔胶筒以下依次设内向锁块锁紧机构和外向锁块锁紧机构，内衬上端与解封套相固定连接，摩擦胶筒安装在解封套下端且套在内衬外面，摩擦胶筒以下安装下坐封液缸和下锁环锁紧机构；在下锁块以下位置于中心管外壁设置释放凹槽。由于采用了锁块来承受上压力，解决了封隔器承上压力不足的问题。

Description

双向承压压缩式液压封隔器

 

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，特别是涉及一种压缩式液压封隔器。

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、密封油套环空等。有一种液压坐封的压缩式胶筒封隔器，按照采油技术手册的分类称为Y341型，其中“Y”表示压缩式胶筒，“3”表示封隔器无支撑，“4”表示封隔器是液压坐封，“1”表示封隔器通过上提解封。这一类型的封隔器的代表结构可见《采油技术手册》(石油化学工业出版社，北京，1977)第633页的图8-46。这种封隔器上下接头之间连接一根中心管，封隔器的解封力是靠解封剪钉控制的，上提封隔器，胶筒与套管壁产生摩擦力，当上提力达到解封剪钉的剪断力时，封隔器即解封。封隔器胶筒承受上压时，胶筒受到了向下的推力，这个推力与上提封隔器的力是方向相同的，也会对解封剪钉产生剪力，当封隔器所承受的上压力达到一定值时，胶筒下压达到解封剪钉的剪断力时，封隔器也能解封。由于解封剪钉的剪断力不能设计得过大，因此，这类封隔器的承上压能力较小。

后来有对该型封隔器的不断改进结构，如中国专利申请号201320799133.0，申请日2013.12.09，专利名称“一种新型双向坐封封隔器”。这类封隔器的上下接头之间的中心管其实是两根，靠某种结构连接在一起，可以相对运动。使用时，一般在封隔器下部设置支撑工具，胶筒所承受的上压力通过中心管转移到封隔器下面的支撑工具上了，因而也可以承受较高的上压力。其缺点是管柱结构复杂。

上述的Y341型封隔器的两类结构都设置有解封剪钉，一般解封剪钉的总剪断力达到60kN～80kN，而处于封隔状态的封隔器胶筒与套管壁间的摩擦力一般不超过50kN，这样情况下，上提管柱难以解封封隔器，有时会把封隔器的胶筒塞入封隔器与套管的环空内造成卡管柱。

发明内容

为解决上述技术问题，发明了双向承压压缩式液压封隔器，该液压封隔器使用时不需要下部支撑工具，而且可以承受上部较高压力，解封力小。

本发明采用了如下的技术方案：

双向承压压缩式液压封隔器，分隔胶筒套在中心管外，分隔胶筒以上安装上坐封液缸，上锁环锁紧机构一端连接上坐封液缸，另一端与中心管相连，上锁环锁紧机构中的锁环的移动方向是自上而下；在分隔胶筒以下于中心管外安装内向锁块锁紧机构，内向锁块锁紧机构包括推力套、上锁块、解封套，推力套安装在中心管和解封套之间，推力套上端顶住分隔胶筒，推力套侧壁径向开孔，解封套的上端盖过推力套的开孔；上锁块呈径向安装在推力套的开孔中，上锁块的轴向断面外端呈矩形而内端呈梯形，在中心管与上锁块的对应处开设锁紧凹槽，上锁块的梯形端部嵌入锁紧凹槽，解封套的内壁压住上锁块的矩形端；内向锁块锁紧机构以下位置于中心管外安装外向锁块锁紧机构，外向锁块锁紧机构包括内衬、外套、下锁块；内衬安装在外套和中心管之间，内衬上端与解封套相固定连接，内衬侧壁径向开孔；下锁块径向安装在内衬的开孔中，下锁块的轴向断面外端呈梯形而内端呈矩形，于下锁块的梯形端对应处于外套的内壁开设梯形凹槽，下锁块的梯形端嵌入其中，下锁块的矩形端顶在中心管的外壁；摩擦胶筒安装在解封套下端且套在内衬外面，摩擦胶筒以下安装下坐封液缸；下锁环锁紧机构一端连接下坐封液缸，另一端与外套相连接，下锁环锁紧机构中的锁环的移动方向是自下而上；在下锁块以下位置于中心管外壁设置释放凹槽。

与现有技术相比，本发明的有益效果是，当封隔器的分隔胶筒受到上部压力时，分隔胶筒所产生的向下推力通过推力套和上锁块转移到了中心管上，这时，上锁块受到了轴向剪切力，锁紧凹槽受到了上锁块的挤压力。由于上锁块的抗剪力与锁紧凹槽的抗挤压力较现有技术中的解封剪钉的剪断力要大很多，因此，本发明的封隔器就能承受上部较大的压力。由于本发明的封隔器上下接头直接连接一根中心管，封隔器下部无需支撑工具，简化了管柱结构。且由于本发明的封隔器不设解封剪钉，解封只是通过摩擦胶筒与套管内壁的摩擦力来拖动解封套释放上锁块，同时带动内衬释放下锁块，从而完成封隔器的解封，解封力小。

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是双向承压压缩式液压封隔器的原理结构简化示意图。图中图例，(a)坐封液缸，(b)锁环锁紧机构，(c)锁块，(d)胶筒。

图2是图1所示封隔器的解封过程示意图，图中上锁块处于释放状态。

图3是图1所示封隔器的解封过程示意图，图中分隔胶筒释放且下锁块处于释放状态。

图4是图1所示封隔器完成解封状态示意图。

图5是双向承压压缩式液压封隔器的优选实施例。

图6是图5中A部的局部放大图。

具体实施方式

为了解决Y341型封隔器承上压能力不足的问题，本发明的封隔器的设计思路是：把分隔胶筒承上压所产生的下推力通过与中心管相固定的上锁块承受，上锁块的抗剪强度以及上锁块与中心管之间的抗挤毁强度决定了封隔器的承上压能力，这显然要比使用剪钉要大得多。通过拖动解封套释放上锁块来解封分隔胶筒。拖动解封套的力来自于上提封隔器时摩擦胶筒与套管的摩擦，这样还需要摩擦胶筒的坐封与解封机构。以上是双向承压压缩式液压封隔器的设计思路，其原理结构简化示意图见图1。

双向承压压缩式液压封隔器，分隔胶筒54套在中心管51外，分隔胶筒54以上安装上坐封液缸53，上锁环锁紧机构52一端连接上坐封液缸53，另一端与中心管51相连，上锁环锁紧机构52中的锁环的移动方向是自上而下。在分隔胶筒54以下于中心管51外安装内向锁块锁紧机构100，内向锁块锁紧机构100包括推力套55、上锁块56和解封套58，推力套55安装在中心管51和解封套58之间，推力套55上端顶住分隔胶筒54，推力套55侧壁径向开孔，解封套58的上端盖过推力套55的开孔；上锁块56呈径向安装在推力套55的开孔中，上锁块56的轴向断面外端呈矩形而内端呈梯形，在中心管51与上锁块56的对应处开设锁紧凹槽57，上锁块56的梯形端部嵌入锁紧凹槽57，解封套58的内壁压住上锁块56的矩形端；内向锁块锁紧机构100以下位置于中心管51外安装外向锁块锁紧机构101，外向锁块锁紧机构101包括内衬60、外套61和下锁块62；内衬60安装在外套61和中心管51之间，内衬60上端与解封套58相固定连接，内衬60侧壁径向开孔；下锁块62径向安装在内衬60的开孔中，下锁块62的轴向断面外端呈梯形而内端呈矩形，于下锁块62的梯形端对应处于外套61的内壁开设梯形凹槽，下锁块62的梯形端嵌入其中，下锁块62的矩形端顶在中心管51的外壁；摩擦胶筒59安装在解封套58下端且套在内衬60外面，摩擦胶筒59以下安装下坐封液缸64；下锁环锁紧机构63一端连接下坐封液缸64，另一端与外套61相连接，下锁环锁紧机构63中的锁环的移动方向是自下而上；在下锁块62以下位置于中心管51外壁设置释放凹槽65。

坐封时，通过管柱内打液压，推动上坐封液缸53和下坐封液缸64分别压缩分隔胶筒54和摩擦胶筒59，使其径向膨胀并贴紧套管66。上坐封液缸53与中心管51的相对轴向位移在完成坐封后被上锁环锁紧机构52锁定，同时，分隔胶筒54的下部被推力套55顶住且推力套55被上锁块56锁定在中心管51上。由于分隔胶筒54在完成膨胀坐封后上下轴向上均被锁定在中心管51上，分隔胶筒54就能可靠地密封套管66与中心管51之间的环空。下坐封液缸64与内衬60的相对轴向位移在完成坐封后被下锁环锁紧机构63锁定，同时，摩擦胶筒59的上部被解封套58顶住，而解封套58与内衬60相固定连接，摩擦胶筒59在完成坐封后就紧紧贴在套管66的内壁上了。

分隔胶筒54完成坐封后密封了中心管51与套管66的环空，当封隔器承上压时，上压力对分隔胶筒54的下推力通过推力套55和上锁块56转移到了中心管51上；当封隔器承受下压力时，下压力对分隔胶筒54的上推力通过上坐封液缸53和上锁环锁紧机构52也转移到了中心管51上。封隔器的分隔承压能力与分隔胶筒54的材料、结构相关，与上锁环锁紧机构52的强度、上锁块56的强度以及上锁块56与中心管51的挤压强度有关，因而可以承受较高的上下压力。

原理图示中的坐封液缸，活塞或者缸套与锁环锁紧机构相连，不代表实际结构设计中就一定这样，也可以反过来，就是说，活塞与锁环锁紧机构相连的可以改为缸套与锁环锁紧机构相连，缸套与锁环锁紧机构相连的可以改为活塞与锁环锁紧机构相连。

本发明的封隔器的解封过程参见图2、图3和图4。

首先上提中心管51，拖动上锁环锁紧机构52、上坐封液缸53、分隔胶筒54、推力套55和上锁块56同时上行。由于摩擦胶筒59与套管66内壁的摩擦力，解封套58及以下各零件与套管66的相对位置保持不动。当上锁块56从解封套58内移出时，上锁块56在上提中心管51和分隔胶筒54的弹性推力下径向上从锁紧凹槽57中向外移动而失去支撑，如图2中位置状态所示。

见图3，继续上提中心管51，拖动上锁环锁紧机构52和上坐封液缸53上行，分隔胶筒54弹性回缩完成解封。同时释放凹槽65上移至下锁块62处，下锁块62径向向里移动而落入释放凹槽65中。

见图4，由于外套61失去支撑，在摩擦胶筒59的弹性回缩推力下，下锁环锁紧机构63、外套61和下坐封液缸64同时下行，摩擦胶筒59完成解封。

图5是根据图1所示的结构原理所设计的本发明的双向承压压缩式液压封隔器的优选实施例，图6是图5中A部的局部放大图。在本发明的封隔器的各部件间，如图中所示，需要密封的部位都设有密封圈，如图5中的密封圈26，在下面的实施例说明中不再说明密封圈，而只参见图示。

上接头1、上缸套4、上活塞7和中心管8这四件共同构成液压腔并与图1中的上坐封液缸53相对应；上接头1与中心管8相连接，上活塞7套在中心管8外，上活塞7和上接头1之间于中心管8侧壁上开设上进液孔5，上缸套4与上活塞7相连接且套在上接头1外。

为了防止封隔器在下井中途坐封，中心管8和上活塞7之间设置上剪钉6。坐封时，通过向中心管8内打液压，压力自上进液孔5进入，推动活塞7剪断上剪钉6压缩分隔胶筒9。

图1中的上锁环锁紧机构52在图5中对应的是包括上锁环3、上锁环帽2和上锁紧螺纹24，上锁紧螺纹24设置在上接头1的外壁，上锁环帽2与上缸套4相连接，上锁环3安装上锁环帽2、上接头1与上缸套4共同形成的环空内，上锁环3设置有内螺纹与上锁紧螺纹24相配合，上锁环3可以沿上锁紧螺纹24自上而下单向滑动。在本技术领域内，锁紧螺纹一般设计为单向锯齿形。

分隔胶筒9套在中心管8外且位于上活塞7以下。

推力套10套在中心管8外且位于分隔胶筒9以下。在推力套10侧壁上设径向孔，在所述的径向孔的对应处于中心管8的外壁上开设梯形凹槽。上锁块11的轴向断面外端呈矩形而内端呈梯形，上锁块11安装在推力套10侧壁上的径向孔中，其梯形端嵌入中心管8的外壁上所开设的梯形凹槽中。

解封套12套在推力套10外，解封套12内孔的小径处与推力套10的外径相配合，且能压住上锁块11的矩形端，使其不能径向移动。解封套12的内孔上部有一扩径台阶，上锁块11轴向移到此处时可以径向向外移动，从而解除与中心管8的锁定，这样的设计目的是防止解封时上锁块落入封隔器与套管的环空中造成卡管柱。

解封套12的下端与内衬14相连接。内衬14套在中心管8外。

在内衬14外于解封套12以下安装摩擦胶筒13。

外套15套装在内衬14外，内衬14侧壁径向开孔；下锁块18径向安装在内衬14的开孔中，下锁块18的轴向断面外端呈梯形而内端呈矩形，于下锁块18的梯形端对应处于外套15的内壁开设梯形凹槽，下锁块18的梯形端嵌入其中，下锁块18的矩形端顶在中心管8的外壁。

图1中的下坐封液缸64在图5中对应的是包括下接头22、下缸套20、中心管8和下活塞19，这四件共同构成液压腔。下接头22和中心管8相连接，下活塞19套在中心管8外，下活塞19和下接头22之间于中心管8的侧壁上设置下进液孔21，下缸套20套在下接头22的外面且上端与下活塞19相连接。

为了防止封隔器在下井的过程中坐封，在下接头22和下缸套20之间设置下剪钉23。

图1中的下锁环锁紧机构63在图5中对应的是包括下锁环17、下锁环帽16和下锁紧螺纹25。下锁紧螺纹25设置在外套15的外壁。下锁环帽16与下活塞19相连接并在连接处形成环形空腔，下锁环17安装在该环形空腔内。下锁环17设置有内螺纹与下锁紧螺纹25相配合，下锁环17可以沿下锁紧螺纹25自下而上单向滑动。同样地，该锁紧螺纹也是单向锯齿形螺纹。下锁环帽16可以看做是下活塞19的延长，其上端顶在摩擦胶筒13下部。

坐封时，向中心管8内打液压，液压力自下进液孔21传入，推动下活塞19剪断下剪钉23，同时带动所连接的下锁环帽16上行压缩摩擦胶筒13，同时带动下锁环17沿下锁紧螺纹25上行，完成坐封过程。

图1中的释放凹槽65在图5中对应的是在中心管8的下部有一个缩径台阶，下锁块18移动至此时可以径向向中心移动，从而释放外套15，摩擦胶筒13也因此解封。

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 (7)

1.双向承压压缩式液压封隔器，分隔胶筒(54)套在中心管(51)外，分隔胶筒(54)以上安装上坐封液缸(53)，上锁环锁紧机构(52)一端连接上坐封液缸(53)，另一端与中心管(51)相连，上锁环锁紧机构(52)中的锁环的移动方向是自上而下，其特征在于，在分隔胶筒(54)以下于中心管(51)外安装内向锁块锁紧机构(100)，内向锁块锁紧机构(100)包括推力套(55)、上锁块(56)、解封套(58)，推力套(55)安装在中心管(51)和解封套(58)之间，推力套(55)上端顶住分隔胶筒(54)，推力套(55)侧壁径向开孔，解封套(58)的上端盖过推力套(55)的开孔；上锁块(56)呈径向安装在推力套(55)的开孔中，上锁块(56)的轴向断面外端呈矩形而内端呈梯形，在中心管(51)与上锁块(56)的对应处开设锁紧凹槽(57)，上锁块(56)的梯形端部嵌入锁紧凹槽(57)，解封套(58)的内壁压住上锁块(56)的矩形端；内向锁块锁紧机构(100)以下位置于中心管(51)外安装外向锁块锁紧机构(101)，外向锁块锁紧机构(101)包括内衬(60)、外套(61)、下锁块(62)；内衬(60)安装在外套(61)和中心管(51)之间，内衬(60)上端与解封套(58)相固定连接，内衬(60)侧壁径向开孔；下锁块(62)径向安装在内衬(60)的开孔中，下锁块(62)的轴向断面外端呈梯形而内端呈矩形，于下锁块(62)的梯形端对应处于外套(61)的内壁开设梯形凹槽，下锁块(62)的梯形端嵌入其中，下锁块(62)的矩形端顶在中心管(51)的外壁；摩擦胶筒(59)安装在解封套(58)下端且套在内衬(60)外面，摩擦胶筒(59)以下安装下坐封液缸(64)；下锁环锁紧机构(63)一端连接下坐封液缸(64)，另一端与外套(61)相连接，下锁环锁紧机构(63)中的锁环的移动方向是自下而上；在下锁块(62)以下位置于中心管(51)外壁设置释放凹槽(65)。

2.根据权利要求1所述的双向承压压缩式液压封隔器，其特征在于，所述的上坐封液缸(53)包括上接头(1)、上缸套(4)、上活塞(7)和中心管(8)，上述这四件共同构成液压腔；上接头(1)与中心管(8)相连接，上活塞(7)套在中心管(8)外，上活塞(7)和上接头(1)之间于中心管(8)侧壁上开设上进液孔(5)，上缸套(4)与上活塞(7)相连接且套在上接头(1)外。

3.根据权利要求2所述的双向承压压缩式液压封隔器，其特征在于，所述的中心管(8)和上活塞(7)之间设置上剪钉(6)。

4.根据权利要求1所述的双向承压压缩式液压封隔器，其特征在于，所述的上锁环锁紧机构(52)包括上锁环(3)、上锁环帽(2)和上锁紧螺纹(24)，上锁紧螺纹(24)设置在上接头(1)的外壁，上锁环帽(2)与上缸套(4)相连接，上锁环(3)安装上锁环帽(2)、上接头(1)与上缸套(4)共同形成的环空内，上锁环(3)设置有内螺纹与上锁紧螺纹(24)相配合，上锁环(3)可以沿上锁紧螺纹(24)自上而下单向滑动。

5.根据权利要求1所述的双向承压压缩式液压封隔器，其特征在于，所述的下坐封液缸(64)包括下接头(22)、下缸套(20)、中心管(8)和下活塞(19)，这四件共同构成液压腔，下接头(22)和中心管(8)相连接，下活塞(19)套在中心管(8)外，下活塞(19)和下接头(22)之间于中心管(8)的侧壁上设置下进液孔(21)，下缸套(20)套在下接头(22)的外面且上端与下活塞(19)相连接。

6.根据权利要求5所述的双向承压压缩式液压封隔器，其特征在于，所述的下接头(22)和下缸套(20)之间设置下剪钉(23)。

7.根据权利要求1所述的双向承压压缩式液压封隔器，其特征在于，所述的下锁环锁紧机构(63)包括下锁环(17)、下锁环帽(16)和下锁紧螺纹(25)，下锁紧螺纹(25)设置在外套(15)的外壁，下锁环帽(16)与下活塞(19)相连接并在连接处形成环形空腔，下锁环(17)安装在该环形空腔内，下锁环(17) 设置有内螺纹与下锁紧螺纹(25)相配合，下锁环(17)可以沿下锁紧螺纹(25)自下而上单向滑动。