CN109458160A - 井下开关工具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及油田采油领域油井生产所用的井下调压控水或分层采油防砂工具“开”和“关”状态的操作工具，尤其涉及一种由地面控制的井下开关工具，其包括行进机构、开关执行机构和位置探测导电环，通过行进机构能够使井下开关工具在井下自动行进，通过开关执行机构中的拨块伸缩机构能够对井下筛管内的开关阀进行启闭，从而能够在地面上控制井下滤砂管的“开”、“关”状态，以实现对该层位部位的开采或封堵，最终达到对油层进行选择性开采的目的，保证油井的有效合理开采。本发明的应用范围广，既可以应用于水平井的分层采油，也可以应用于直井或斜井的分层采油。

Description

井下开关工具

技术领域

本发明涉及油田采油领域油井生产所用的井下调压控水或分层采油防砂工具“开”和“关”状态的操作工具，尤其涉及一种由地面控制的井下开关工具。

背景技术

油田进入开发后期，地层出现高含水、骨架疏松、层间矛盾日益突出的问题。低压层由于层间干扰其产能被抑制，油井出水和出砂现象日益严重。为实现油井正常生产，需采用防止层间干扰与油井防砂的综合技术措施。

公开号为CN102418500B的中国发明专利申请公布说明书中公开了一种直控式连续定量分层配产油管柱，其特征是油管柱下部依次串联有能够地面自由控制各层开关分层采油，直接读取分层测试压力。该管柱能实现分层采油，开关执行机构由地面直接控制，但不具备防砂功能。

公开号为CN102758600B的中国发明专利申请公布说明书中公开了一种水平井声控压差平衡式开关器，其特征是在地面发射声波控制井下开关，但接收系统易受干扰可靠性较低，结构复杂，而且井下自备电池随时间延长会自耗衰竭，造成其信号处理系统和开关执行机构因动力不足而失去作用。

目前我公司研发了一种内部带有开关阀的筛管，通过控制筛管内开关阀的启闭实现对某水平段或某油层层位的正常生产或封堵，从而进行油层选择性开采，保证油井的有效合理开采，已解决水平井段均质油藏压力梯度不均衡、非均质多油藏的层间矛盾和底水油藏过早水淹的问题。该筛管内部的开关阀阀体套装于阀座内部并呈旋转滑动配合，且阀体内壁上设置筋条，原则上需要通过工具拨动筋条来带动阀体转动，最终实现开关阀的启闭。因此，亟需开发一种能够拨动筋条、实现开关阀启闭的井下开关工具。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术中的不足，提供一种适用于带有开关阀的筛管且能够实现对筛管内开关阀启闭的井下开关工具，通过该井下开关工具能够在地面上控制井下滤砂管的“开”、“关”状态，以实现对该层位部位的开采或封堵，从而进行油层选择性开采，保证油井的有效合理开采。

本发明所述的井下开关工具，包括行进机构、开关执行机构和位置探测导电环；开关执行机构包括执行筒架、驱动执行筒架转动的驱动机构、拨块伸缩机构以及拨块中心柱；拨块中心柱的前端位置固定，在拨块中心柱中设置走线通道；执行筒架套装在拨块中心柱上，其侧壁上沿轴向加工有内凹槽，执行筒架的前、后端面上分别开有装配槽一、装配槽二，装配槽一与内凹槽通过开在执行筒架上的内孔相通；拨块伸缩机构包括拨块和对称铰接在拨块两侧的伸缩臂，两伸缩臂的内侧(即伸缩臂靠近内凹槽槽底的一侧)均设置有弹片，后伸缩臂的外端通过固定轴安装在内凹槽内，前伸缩臂的外端通过活动轴安装在内凹槽内，活动轴位于内凹槽的长条孔中，活动轴上安装有活动触点臂，活动触点臂前端具有活动触点，活动触点经内孔伸入装配槽一中，装配槽一中具有绝缘基座环，绝缘基座环套装在拨块中心柱上，其外周开有环形槽，位置探测导电环装配在环形槽中，其外径与绝缘基座环的外径相同，其信号线顺入走线通道中。正常状态时，在弹片弹力作用下，两伸缩臂的内端向外倾斜(即向内凹槽的外侧倾斜)且带动拨块突出于执行筒架外表面，拨块伸缩机构处于伸张状态，活动触点与绝缘基座环接触；外力挤压拨块伸缩机构时，两伸缩臂带动拨块缩回内凹槽中，拨块伸缩机构处于收缩状态，活动触点位置下移并与位置探测导电环接触。在实际应用时，为了防止活动触点从内孔中脱出进入内凹槽，可以使活动触点的外周尺寸大于活动触点臂，从而使活动触点能够被限位在装配槽一中，考虑到实际装配，可以将活动触点通过螺纹连接等方式与活动触点臂连接装配为一体。

本发明所述井下开关工具既可以应用于水平井的分层采油，也可以应用于直井或斜井的分层采油。其具体工作原理过程如下：

当井下开关工具在筛管内行进时，其拨块伸缩机构在筛管管壁的作用下，处于收缩状态；当井下开关工具到达筛管第一个开关阀位置时，由于开关阀中阀体的端部孔孔径由两侧向中间逐渐扩大，因此当拨块伸缩机构到达阀体内的大孔径位置时，其伸缩臂会在弹片的弹力作用下向外伸张，在伸缩过程中，其后伸缩臂的固定轴被约束在执行筒架的内凹槽内，只有一个旋转自由度，而前伸缩臂的活动轴约束在执行筒架的内凹槽的长条孔内，在转动过程中还可以直线移动，具有两个自由度。在移动过程中，前伸缩臂拉动活动触点臂上的活动触点向后端移动，脱离位置探测导电环并移至绝缘基座环处与绝缘基座环接触，使得位置探测导电环的信号线的电位悬空，该信号通过信号线传至地面，地面控制器收到该信号后随即自动切断行进机构的电源，井下开关工具立即停止运行，地面人员即可判断此时井下开关工具已到达第一个开关阀处。此时根据作业需要决定是否对此开关进行改变状态的操作。假如此井下筛管内的开关阀原状态为“关”状态，现需要改变为“开”状态，则由地面人员操控地面控制器按下通电按纽，电流通过拨动开关电机的动力电源线给拨动开关电机送电，使其运转并可控制旋转方向。当拨动开关电机输出轴顺时针旋转时，会带动执行筒架顺时针旋转，同时拨块伸缩机构跟随旋转，其拨块会拨动开关阀中阀体的筋条，使阀体旋转一个角度，当阀体的导槽与基管的纵向通道位置一一对中时，筛管内腔与阀体内腔相通，该开关阀打开，此时进入外管的脱砂流体经由基管中的流道并经多组对应的纵向通道、导槽进入油管柱内腔而被采出，此时，筛管进入生产状态，同时该开关阀中的阀体也到达极限位置(拨动开关电机会产生堵转)，此时地面人员可松开按钮使拨动开关电机停止，也可重复几次按纽动作使其井下开关作用更加可靠。反之，若地面操控人员操控拨动开关电机逆时针反转，可使井下筛管内的开关阀由“开”状态改变为“关”的状态。若不需要改变此开关阀的原状态，地面人员可重新给行进机构送电使其继续前行，当到达下一个开关阀处又重复出现前述现象并按作业需要施行相应操作，依此类推。当作业完成后，地面人员操控行进机构反转，则井下开关工具后退直至收回。

优选的，驱动机构包括拨动开关电机，拨动开关电机安装在拨动开关电机座中，拨动开关电机座为圆柱形且位置固定，执行筒架后端的装配槽二的截面呈圆形，拨动开关电机座的前端装配在装配槽二中且二者之间采用旋转密封进行密封；装配槽二中，位于拨动开关电机座前方的部分，内壁上均布有齿并形成第一内齿圈；拨动开关电机的输出轴上安装第一动力齿轮；拨块中心柱的后端固定有第一齿轮轴，第一齿轮轴上安装第一过渡齿轮且第一过渡齿轮能够绕第一齿轮轴转动，第一过渡齿轮同时与第一动力齿轮以及第一内齿圈啮合，第一动力齿轮通过第一过渡齿轮带动执行筒架转动。拨动开关电机得电后，其输出轴上安装的第一动力齿轮随输出轴进行旋转，并通过第一动力齿轮与第一过渡齿轮的啮合作用以及第一过渡齿轮和执行筒架内第一内齿圈的啮合作用，带动执行筒架旋转。

优选的，执行筒架的外周设置数个内凹槽，各内凹槽沿径向均匀分布，通过这种结构形式能够使执行筒架平稳运行，保证井下开关工具与井筒保持同轴状态，最终保证整体井下开关工具的运行稳定性。

优选的，拨块与两侧伸缩臂采用铰接轴进行铰接，铰接轴上安装滑动轮，对应滑动轮在拨块以及伸缩臂上开有滑动轮槽；滑动轮背离内凹槽的一侧突出于拨块外端面；外力挤压拨块伸缩机构时，整个滑动轮也缩回至内凹槽中。通过滑动轮能够实现拨块伸缩机构与筛管内壁以及阀体的滑动摩擦，减小运动的摩擦阻力，有效提高拨块伸缩机构的使用寿命。

优选的，行进机构包括行进电机和旋转行进结构；行进电机安装在行进电机座中，其动力电源线顺入走线通道中；行进电机座为圆柱形，其后端与拨块中心柱固定连接，同时行进电机座装配在执行筒架前端的装配槽一中且二者之间采用旋转密封进行密封；旋转行进结构包括第一旋转体和第一行进轮，第一旋转体为圆柱形，其外壁上均布有若干第一轮槽，第一行进轮通过其两侧轮轴安装在第一轮槽中且其部分轮面突出于第一旋转体外表面，第一旋转体上的第一行进轮呈相同倾斜角度安装；行进电机驱动第一旋转体转动。通过行进机构能够实现井下开关工具的水平运动，具体工作原理过程如下：当井下开关工具到达水平段时，通过所述行进机构能够实现自走形式前行，方法是由地面人员操控，给行进电机送电使其运转，通过行进电机驱动第一旋转体转动，在第一旋转体的转动过程中，因第一行进轮对筛管内管壁的摩擦作用，会产生一个向前的拖曳分力使整个井下开关工具向前运动。

进一步优选的，行进电机的输出轴上具有第二动力齿轮；第一旋转体的后端端面上开有截面为圆形的装配槽三，装配槽三的内壁上均布有齿并形成第二内齿圈；行进电机座的前端固定安装一固定座(二者可通过螺纹连接)，固定座的前端固定有数个第二齿轮轴且各第二齿轮轴均布在第二动力齿轮的外周，每个第二齿轮轴上均安装一个第二过渡齿轮，各第二过渡齿轮均同时与第二动力齿轮以及第二内齿圈啮合，第二动力齿轮通过各第二过渡齿轮同时带动第一旋转体转动。通过行进电机、第二动力齿轮、第一旋转体上的第二内齿圈、第二齿轮轴以及第二过渡齿轮共同构成行进机构中的行进动力系统，并带动第一旋转体转动，具体过程如下：行进电机运转后，通过行进电机其输出轴上的第二动力齿轮、第二过渡齿轮和第二内齿圈的啮合来驱动第一旋转体旋转。此外，为了确保有足够的动力，并保证行进机构运行的可靠性，可以在固定座上固定数个第二齿轮轴且各第二齿轮轴均布在第二动力齿轮的外周，每个第二齿轮轴上均安装一个第二过渡齿轮，各第二过渡齿轮均同时与第二动力齿轮以及第二内齿圈啮合，这样多个第二过渡齿轮同时将行进电机的输出轴动力传给第二内齿圈，带动第一旋转体转动。

更进一步优选的，第一旋转体为空心管，其套装在行进主轴的后部且与行进主轴呈滑动配合；行进主轴与固定座固定连接；行进主轴的前部套装有呈圆柱形的第二旋转体，第二旋转体也为空心管且其与行进主轴也呈滑动配合，第二旋转体的管壁上均布有若干数量与排布均与第一旋转体上第一轮槽相同的第二轮槽，第二轮槽中安装有第二行进轮，第二行进轮安装后的倾斜角度与第一行进轮的倾斜角度相反；在第一旋转体和第二旋转体之间设置换向机构，换向机构包括呈圆柱形的外套以及位于外套内的加工在第一旋转体前端的第一锥型齿轮、加工在第二旋转体后端的第二锥型齿轮以及两锥型过渡齿轮；行进主轴的中部加工有螺纹孔，在螺纹孔两侧对称安装一锥齿轮芯轴，两锥型过渡齿轮分别安装在两侧的锥轮芯轴上且能够绕各自对应的锥轮芯轴转动，每个锥型过渡齿轮均与第一锥型齿轮、第二锥型齿轮相互啮合；外套套装在行进中轴上且装配在第一旋转体和第二旋转体之间，行进中轴的前端具有螺纹且通过螺纹连接一顶头帽。本优选方案中，旋转的第一旋转体通过其前端的第一锥型齿轮与锥型过渡齿轮的啮合作用以及锥型过渡齿轮与第二旋转体后端的第二锥型齿轮的啮合作用，能够带动第二旋转体反向旋转，即通过换向机构能够实现第一旋转体与第二旋转体的反向转动，因两旋转体中的行进轮数量与排布相同、仅安装的倾斜角度相反，因此两旋转体会产生大小相同的前进动力，但旋转方向相反，从而能够抵消因扭距产生的径向运力分量，使井下开关工具整体运行稳定。实际制作时，行进主轴与固定座二者可以直接采用一体成型工艺制作为一体，形成行进机构中轴，同时在行进机构中轴加工出用于装配第二齿轮轴、第二动力齿轮、第二齿轮轴及第二过渡齿轮的装配孔即可。

优选的，沿径向在行进电机座的外周均匀设置数个扶正轮槽，对应每个扶正轮槽设置一扶正轮，扶正轮通过扶正轮轴安装扶正轮槽中且能够绕扶正轮轴转动，扶正轮的部分轮面突出于行进电机座外表面。

优选的，开关执行机构的后端固定执行锁紧机构，执行锁紧机构包括外壳、锁紧轮以及安装在外壳内的环形铁芯、电磁线圈、衔铁和复位弹簧，环形铁芯位置固定，电磁线圈缠绕在环形铁芯上；外壳的外周均布数个通孔，锁紧轮通过其轮轴安装在对应的通孔中，衔铁从内侧装配在外壳的上部，对应通孔在衔铁外周开有环形锁紧槽，环形锁紧槽与通孔的位置对应，锁紧轮的内周突出于外壳内壁并位于环形锁紧槽中；衔铁外周安装上、下两密封圈且两密封圈分别位于通孔的上、下方，实现衔铁与外壳的密封配合；衔铁下部套装复位弹簧，对应复位弹簧在衔铁上设置限位台，衔铁下端伸入环形铁芯内环中且与环形铁芯的上部内壁接触，复位弹簧位于限位台与环形铁芯的上端面之间(即环形铁芯的上端面为复位弹簧的下限位端)；电磁线圈得电时，衔铁下移，复位弹簧处于压缩状态，同时环形锁紧槽卡紧锁紧轮，锁紧轮被锁止，无法绕轮轴转动，从而使整体井下开关工具固定在某一个位置，防止其发生旋转和前后位移；电磁线圈失电时，复位弹簧在其自身弹力作用下复位，并带动衔铁上移至初始位置，此时，锁紧轮与环形锁紧槽不接触，锁紧轮恢复正常转动，从而能够与其他行进轮共同作用，使井下开关工具发生上下或者前后位移。当需要使井下筛管内开关阀的开关状态发生改变时，先开启执行锁紧机构(即给电磁线圈送电)，通过锁紧轮与筛管内壁之间的摩擦力，有效防止井下开关工具发生上下或者前后位移，确保井下开关工具能够准确启闭筛管内的开关阀，直至开关阀状态改变后，给电磁线圈断电，井下开关工具恢复正常状态，可实现正常行进动作。

本发明与现有技术相比所具有的有益效果是：

本发明整体结构简单、工作可靠性高，其通过行进机构能够实现井下自动行进，通过开关执行机构中的拨块伸缩机构能够对井下筛管内的开关阀进行启闭，从而能够在地面上控制井下滤砂管的“开”、“关”状态，以实现对该层位部位的开采或封堵，最终达到对油层进行选择性开采的目的，保证油井的有效合理开采；同时，本发明既可以应用于水平井的分层采油，也可以应用于直井或斜井的分层采油，应用范围广。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是开关执行机构的结构示意图；

图3是执行筒架的结构示意图；

图4是拨块伸缩机构的结构示意图；

图5是本发明实施例中行进动力系统的结构示意图；

图6是本发明实施例中第一旋转体的结构示意图；

图7是本发明实施例中第二旋转体的结构示意图；

图8是图1中I部位的局部放大图；

图9是本发明实施例中行进机构中轴的结构示意图；

图10是执行锁紧机构的结构示意图；

图11是衔铁的结构示意图；

图12是本发明应用于内部带有开关阀的筛管时的结构示意图之一；

图13是本发明应用于内部带有开关阀的筛管时的结构示意图之二。

图中：100-行进机构；200-开关执行机构；300-执行锁紧机构；

1-顶头帽；2-第二旋转体；3-第二行进轮；4-换向机构；5-第一旋转体；6-第一行进轮；7-行进机构中轴；8-扶正轮；9-行进电机；10-行进电机座；11-行进电机的动力电源线；12-信号线；13-拨块中心柱；14-拨块伸缩机构；15-执行筒架；16-拨动开关电机；17-拨动开关电机座；18-拖拽电缆；19-垫环；20-拨动开关电机的输出轴；21-第一动力齿轮；22-第一过渡齿轮；23-第一齿轮轴；24-走线通道；25-活动触点臂；26-活动触点；27-位置探测导电环；28-绝缘基座环；29、信号线通道；30-第一内齿圈；31-走线缺口；32-装配槽二；33-固定轴孔；34-内凹槽；35-长条孔；36-内孔；37-装配槽一；38-行进电机的输出轴；39-第二动力齿轮；40-第二过渡齿轮；41-第二齿轮轴；42-第二内齿圈；43-装配槽三；44-防护胶套；45-外壳；46-密封圈；47-衔铁；48-锁紧轮；49-复位弹簧；50-电磁线圈；51-环形铁芯；52-筛管；53-基管；54-纵向通道；55-导槽；56-阀体；57-阀座；58-筋条。

4.1-第一锥型齿轮；4.2-第二锥型齿轮；4.3-锥型过渡齿轮；4.4-锥齿轮芯轴；4.5-外套；

7.1-固定座；7.2-行进主轴；7.3-螺纹装配孔；7.4-螺纹孔；

10.1-后连接座；10.2-前机座；

14.1-固定轴；14.2-后伸缩臂；14.3-滑动轮槽；14.4-滑动轮；14.5-拨块；14.6-前伸缩臂；14.7-活动轴；14.8-弹片；14.9-铰接轴；

47.1-中心孔道；47.2-环形锁紧槽；47.3-限位台。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例做进一步描述：

如图1-11所示，本发明所述的井下开关工具包括拖拽电缆18、行进机构100、开关执行机构200、执行锁紧机构300。

开关执行机构200包括执行筒架15、驱动执行筒架15转动的驱动机构、拨块伸缩机构14以及拨块中心柱13；拨块中心柱13的前端位置固定，在拨块中心柱13中设置走线通道24；执行筒架15套装在拨块中心柱13上，其侧壁上沿轴向加工有内凹槽34，且内凹槽34的数量为3个，各内凹槽34沿径向均匀分布在执行筒架15外周，每个内凹槽34中安装一组拨块伸缩机构14，执行筒架15的前、后端面上分别开有装配槽一37、装配槽二32，装配槽一37与内凹槽34通过开在执行筒架15上的内孔36相通；拨块伸缩机构14包括拨块14.5和对称铰接在拨块14.5两侧的伸缩臂，拨块14.5与两侧伸缩臂采用铰接轴14.9进行铰接，铰接轴14.9上安装滑动轮14.4，对应滑动轮14.4在拨块14.5以及伸缩臂上开有滑动轮槽14.3，滑动轮14.4背离内凹槽34的一侧突出于拨块14.5外端面，外力挤压拨块伸缩机构14时，整个滑动轮14.4也缩回至内凹槽34中，两伸缩臂的内侧(即伸缩臂靠近内凹槽34槽底的一侧)均设置有弹片14.8，弹片14.8通过固定件与所对应的伸缩臂固定连接，后伸缩臂14.2的外端通过固定轴14.1安装在内凹槽34内，前伸缩臂14.6的外端通过活动轴14.7安装在内凹槽34内，活动轴14.7位于内凹槽34的长条孔35中，活动轴14.7上安装有活动触点臂25，活动触点臂25前端经内孔36伸入装配槽一37中并安装有活动触点26，活动触点26的外周尺寸大于活动触点臂25并被限位在装配槽一37中，装配槽一37中具有绝缘基座环28，绝缘基座环28套装在拨块中心柱13上，其外周开有环形槽，位置探测导电环27装配在环形槽中，其外径与绝缘基座环28的外径相同，其信号线12顺入走线通道24中。正常状态时，在弹片14.8弹力作用下，两伸缩臂的内端向外倾斜(即向内凹槽34的外侧倾斜)且带动拨块14.5突出于执行筒架15外表面，拨块伸缩机构14处于伸张状态，活动触点26与绝缘基座环28接触；外力挤压拨块伸缩机构14时，两伸缩臂带动拨块14.5缩回内凹槽34中，拨块伸缩机构14处于收缩状态，活动触点26位置下移并与位置探测导电环27接触。

驱动机构包括拨动开关电机16，拨动开关电机16安装在拨动开关电机座17中，为了防止拨动开关电机16移动，在拨动开关电机16底部与拨动开关电机座17接近的部位安装垫环19，为方便走线，还在垫环19上开有走线缺口31，拨动开关电机座17为圆柱形且位置固定，执行筒架15后端的装配槽二32的截面呈圆形，拨动开关电机座17的前端装配在装配槽二32中且二者之间采用旋转密封进行密封；装配槽二32中，位于拨动开关电机座17前方的部分，内壁上均布有齿并形成第一内齿圈30；拨动开关电机的输出轴20上安装第一动力齿轮21；拨块中心柱13的后端固定有第一齿轮轴23，第一齿轮轴23上安装第一过渡齿轮22且第一过渡齿轮22能够绕第一齿轮轴23转动，第一过渡齿轮22同时与第一动力齿轮21以及第一内齿圈30啮合，第一动力齿轮21通过第一过渡齿轮22带动执行筒架15转动。拨动开关电机16得电后，其输出轴上安装的第一动力齿轮21随输出轴进行旋转，并通过第一动力齿轮21与第一过渡齿轮22的啮合作用以及第一过渡齿轮22和执行筒架15内第一内齿圈30的啮合作用，带动执行筒架15旋转。

行进机构100包括行进电机9和旋转行进结构；行进电机9安装在行进电机座10中，其动力电源线顺入走线通道24中；行进电机的输出轴38上具有第二动力齿轮39；行进电机座10为圆柱形，其后端与拨块中心柱13固定连接，同时行进电机座10装配在执行筒架15前端的装配槽一37中且二者之间采用旋转密封进行密封。本实施例中，行进电机座10包括前机座10.2和后连接座10.1，前机座10.2及后连接座10.1通过螺纹连接固定装配为一体，行进电机9安装在前机座10.2中，后连接座10.1后端开有内螺孔，拨块中心柱13前端具有外螺纹，其装配在后连接座10.1的内螺孔中，实现螺纹连接；同时后连接座10.1后端伸入执行筒架15前端的装配槽一37中，并通过旋转密封进行密封；同时在行进电机座10的后连接座10.1和绝缘基座环28上设置信号线通道29。

沿径向在行进电机座10的外周均匀设置数个扶正轮槽，对应每个扶正轮槽设置一扶正轮8，扶正轮8通过扶正轮轴安装扶正轮槽中且能够绕扶正轮轴转动，扶正轮8的部分轮面突出于行进电机座10外表面。

旋转行进结构包括第一旋转体5、第二旋转体2、换向机构4、固定座7.1和行进主轴7.2。具体结构形式如下：

第一旋转体5、第二旋转体2均为圆柱形空心管，二者分别套装在行进主轴7.2的后部、前部且均与行进主轴7.2呈滑动配合。

第一旋转体5的后端具有装配槽三43，装配槽三43的内壁上均布有齿并形成第二内齿圈42，行进电机座10的前端通过螺纹连接方式安装一固定座7.1；固定座7.1的前端固定有两第二齿轮轴41(二者可以采用以下方式固定：在固定座7.1上对称设置两螺纹装配孔7.3，并在两第二齿轮轴41后端对应设置螺纹，通过螺纹连接实现第二齿轮轴41与固定座7.1的固定装配)，两第二齿轮轴41对称分布在第二动力齿轮39两侧，第二齿轮轴41上安装第二过渡齿轮40且第二过渡齿轮40能够绕第二齿轮轴41转动，第二过渡齿轮40同时与行进电机的输出轴38上的第二动力齿轮39以及第一旋转体5后端的第二内齿圈42啮合。通过行进电机9、第二动力齿轮39、第一旋转体5上的第二内齿圈42、第二齿轮轴41以及第二过渡齿轮40共同构成行进机构100中的行进动力系统，并带动第一旋转体5转动，具体过程如下：行进电机9运转后，通过行进电机9其输出轴上的第二动力齿轮39、第二过渡齿轮40和第二内齿圈42的啮合来驱动第一旋转体5旋转。

第一旋转体5的外壁上均布有若干第一轮槽，第一行进轮6通过其两侧轮轴安装在第一轮槽中且其部分轮面突出于第一旋转体5外表面，第一旋转体5上的第一行进轮6呈相同倾斜角度安装，给行进电机9送电后，第一旋转体5转动，其外周的第一行进轮6与筛管内管壁发生摩擦，并产生向前的拖曳分力，使整个井下开关工具在水平井和竖直井中都能够向前运动。

第二旋转体2的管壁上均布有若干数量与排布均与第一旋转体5上第一轮槽相同的第二轮槽，第二轮槽中安装有第二行进轮3，第二行进轮3安装后的倾斜角度与第一行进轮6的倾斜角度相反。

换向机构4设置在第一旋转体5和第二旋转体2之间，其包括呈圆柱形的外套4.5以及位于外套4.5内的加工在第一旋转体5前端的第一锥型齿轮4.1、加工在第二旋转体2后端的第二锥型齿轮4.2以及两锥型过渡齿轮4.3；行进主轴7.2与固定座7.1固定连接，本实施例中的行进主轴7.2与固定座7.1二者直接采用一体成型工艺制作为一体，形成行进机构中轴7，并在行进机构中轴7上加工有用于装配第二齿轮轴41、第二动力齿轮39、第二齿轮轴41及第二过渡齿轮40的装配孔，具体结构如图9所示；行进主轴7.2的中部加工有螺纹孔7.4，在螺纹孔7.4两侧对称安装一锥齿轮芯轴4.4，两锥型过渡齿轮4.3分别安装在两侧的锥轮芯轴上且能够绕各自对应的锥轮芯轴转动，每个锥型过渡齿轮4.3均与第一锥型齿轮4.1、第二锥型齿轮4.2相互啮合；外套4.5套装在行进中轴上且装配在第一旋转体5和第二旋转体2之间，行进中轴的前端具有螺纹且通过螺纹连接一顶头帽1。

在本旋转行进结构中，旋转的第一旋转体5通过其前端的第一锥型齿轮4.1与锥型过渡齿轮4.3的啮合作用以及锥型过渡齿轮4.3与第二旋转体2后端的第二锥型齿轮4.2的啮合作用，能够带动第二旋转体2反向旋转，即通过换向机构4能够实现第一旋转体5与第二旋转体2的反向转动，因两旋转体中的行进轮数量与排布相同、仅安装的倾斜角度相反，因此两旋转体会产生大小相同的前进动力，但旋转方向相反，从而能够抵消因扭距产生的径向运力分量，使井下开关工具整体运行稳定。

开关执行机构200的后端固定执行锁紧机构300，执行锁紧机构300包括外壳45、锁紧轮48、环形铁芯51、电磁线圈50、衔铁47和复位弹簧49，在本实施例中，外壳45与拨动开关电机座17的后端采用螺纹连接，拨动开关电机座17的后端充当一部分外壳45，环形铁芯51位置固定其恰好被外壳45的下端限位，固定在以及拨动开关电机座17中，电磁线圈50缠绕在环形铁芯51上，衔铁47和复位弹簧49安装在外壳45内；外壳45的外周均布数个通孔，锁紧轮48通过其轮轴安装在对应的通孔中，衔铁47从内侧装配在外壳45的上部，对应通孔在衔铁47外周开有环形锁紧槽47.2(本实施例中，该环形锁紧槽47.2的轴向截面为图11所示的梯形)，环形锁紧槽47.2与通孔的位置对应，锁紧轮48的内周突出于外壳45内壁并位于环形锁紧槽47.2中；衔铁47为一空心管状金属件；衔铁47外周安装上、下两密封圈46且两密封圈46分别位于通孔的上、下方，实现衔铁47与外壳45的密封配合；衔铁47下部套装复位弹簧49，对应复位弹簧49在衔铁47上设置限位台47.3，衔铁47下端伸入环形铁芯51内环中且与环形铁芯51的上部内壁接触，复位弹簧49位于限位台47.3与环形铁芯51的上端面之间(即环形铁芯51的上端面为复位弹簧49的下限位端)；电磁线圈50得电时，衔铁47下移，复位弹簧49处于压缩状态，同时环形锁紧槽47.2卡紧锁紧轮48，锁紧轮48被锁止，无法绕轮轴转动，从而使整体井下开关工具固定在某一个位置，防止其发生旋转和前后位移；电磁线圈50失电时，复位弹簧49在其自身弹力作用下复位，并带动衔铁47上移至初始位置，此时，锁紧轮48与环形锁紧槽47.2不接触，锁紧轮48恢复正常转动，从而能够与其他行进轮共同作用，使井下开关工具发生上下或者前后位移。当需要使井下筛管内开关阀的开关状态发生改变时，先开启执行锁紧机构300(即给电磁线圈50送电)，通过锁紧轮48与筛管内壁之间的摩擦力，有效防止井下开关工具发生上下或者前后位移，确保井下开关工具能够准确启闭筛管内的开关阀，直至开关阀状态改变后，给电磁线圈50断电，井下开关工具恢复正常状态，可实现正常行进动作。

拖曳电缆包含有多股线束——具体包括行进电机的动力电源线11、拨动开关电机16的动力电源线以及位置探测导电环27的信号线12。具体装配时，位置探测导电环27的信号线12经绝缘基座环28、后连接座10.1的信号线通道29进入行进电机座10中，并与行进电机的动力电源线11合股形成合股线束，该合股线束穿过行进电机座10的后部中心孔、拨块中心柱13的走线通道24进入拨动开关电机座17中，在此拨动开关电机16的动力电源线与所述合股线束进行进一步合股形成拖拽电缆18，拖拽电缆18依次穿过拨动开关电机16的后部中心孔、垫环19的走线缺口31、衔铁47的中心孔道47.1，并最终从后端执行锁紧机构300的外壳45中引出，为了对拖拽电缆18进行有效防护，本实施例在外壳45的拖拽电缆18穿出孔中设置有防护胶套44，同时，将裸露在外的拖拽电缆18的外部包裹有电缆保护套(可采用高强度耐压、耐温的高强度防水钢质铠甲)，对内部线束进行保护。

本实施例中的井下开关工具既可以应用于水平井的分层采油，也可以应用于直井或斜井的分层采油。其具体工作原理过程如下：

首先将安装好的井下开关工具通过拖曳电缆下入井内，在直井段下放时段可利用重力使井下开关工具徐徐下放，当井下开关工具在筛管52内行进时，其拨块伸缩机构14在筛管52管壁的作用下，处于收缩状态，如图12所示(图中，虚线部分为内部带有开关阀的筛管，由筛管52、基管53、阀体56、阀座57组成，阀体56套装于阀座57内部，二者呈旋转滑动配合，阀体56内壁上设置筋条58)，此时，活动触点臂25的活动触点26与位置探测导电环27接触，位置探测导电环27接地(零电位)，通过信号线12、拖曳电缆传至地面，地面人员即可获得井下开关工具目前处于筛管52内管的信息。

当井下开关工具到达筛管52第一个开关阀位置时，由于开关阀中阀体56的内孔道直径由两侧向中间逐渐扩大，因此当拨块伸缩机构14到达阀体56内的大孔径位置时，其伸缩臂会在弹片14.8的弹力作用下向外伸张，在伸缩过程中，其后伸缩臂14.2的固定轴14.1被约束在执行筒架15的内凹槽34的固定轴孔33内，只有一个旋转自由度，而前伸缩臂14.6的活动轴14.7约束在执行筒架15的内凹槽34的长条孔35内，在转动过程中还可以直线移动，在移动过程中，前伸缩臂14.6拉动活动触点臂25上的活动触点26向后端移动，脱离位置探测导电环27并移至绝缘基座环28处与绝缘基座环28接触，如图13所示，使得位置探测导电环27的信号线12的电位悬空，该信号通过拖曳电缆传至地面，地面控制器收到该信号后随即自动切断行进机构100的电源，井下开关工具立即停止运行，地面人员即可判断此时井下开关工具已到达第一个开关阀处。此时根据作业需要决定是否对此开关进行改变状态的操作。假如此井下筛管52内的开关阀原状态为“关”状态，现需要改变为“开”状态，则由地面人员操控地面控制器按下通电按纽，电流通过拨动开关电机16的动力电源线给拨动开关电机16送电，使其运转并可控制旋转方向。当拨动开关电机的输出轴20顺时针旋转时，会通过其端部第一动力齿轮21、第一过渡齿轮22和执行筒架15内第一内齿圈30的啮合，驱动执行筒架15旋转，同时拨块伸缩机构14跟随旋转，其拨块14.5会拨动开关阀中阀体56的筋条58，使阀体56旋转一个角度，当阀体56的导槽55与基管53的纵向通道54位置一一对中时，筛管52内腔与阀体56内腔相通，该开关阀打开，此时进入外管的脱砂流体经由基管53中的流道并经多组对应的纵向通道54、导槽55进入油管柱内腔而被采出，此时，筛管52进入生产状态，同时该开关阀中的阀体56也到达极限位置(拨动开关电机16会产生堵转)，此时地面人员可松开按钮使拨动开关电机16停止，也可重复几次按纽动作使其井下开关作用更加可靠。反之，若地面操控人员操控拨动开关电机16逆时针反转，可使井下筛管52内的开关阀由“开”状态改变为“关”的状态。若不需要改变此开关阀的原状态，地面人员可重新给行进机构100送电使其继续前行，当到达下一个开关阀处又重复出现前述现象并按作业需要施行相应操作，依此类推。当作业完成后，地面人员操控行进机构100反转，则井下开关工具后退直至退入到直井段时，再通过提拉拖曳电缆将该井下开关工具提升至地面收回。

Claims (10)

1.一种井下开关工具，其特征在于：包括行进机构(100)、开关执行机构(200)和位置探测导电环(27)；

开关执行机构(200)包括执行筒架(15)、驱动执行筒架(15)转动的驱动机构、拨块伸缩机构(14)以及拨块中心柱(13)；拨块中心柱(13)的前端位置固定，在拨块中心柱(13)中设置走线通道(24)；执行筒架(15)套装在拨块中心柱(13)上，其侧壁上沿轴向加工有内凹槽(34)，拨块伸缩机构(14)装配在内凹槽(34)中，执行筒架(15)的前、后端面上分别开有装配槽一(37)、装配槽二(32)，装配槽一(37)与内凹槽(34)通过开在执行筒架(15)上的内孔(36)相通；拨块伸缩机构(14)包括拨块(14.5)和对称铰接在拨块(14.5)两侧的伸缩臂，两伸缩臂的内侧均设置有弹片(14.8)，后伸缩臂(14.2)的外端通过固定轴(14.1)安装在内凹槽(34)内，前伸缩臂(14.6)的外端通过活动轴(14.7)安装在内凹槽(34)内，活动轴(14.7)位于内凹槽(34)的长条孔(35)中，活动轴(14.7)上安装有活动触点臂(25)，活动触点臂(25)前端具有活动触点(26)，活动触点(26)经内孔(36)伸入装配槽一(37)中，装配槽一(37)中具有绝缘基座环(28)，绝缘基座环(28)套装在拨块中心柱(13)上，其外周开有环形槽，位置探测导电环(27)装配在环形槽中，其外径与绝缘基座环(28)的外径相同，其信号线(12)顺入走线通道(24)中；

正常状态时，在弹片(14.8)弹力作用下，两伸缩臂的内端向外倾斜且带动拨块(14.5)突出于执行筒架(15)外表面，拨块伸缩机构(14)处于伸张状态，活动触点(26)与绝缘基座环(28)接触；外力挤压拨块伸缩机构(14)时，两伸缩臂带动拨块(14.5)缩回内凹槽(34)中，拨块伸缩机构(14)处于收缩状态，活动触点(26)位置下移并与位置探测导电环(27)接触。

2.根据权利要求1所述的井下开关工具，其特征在于：驱动机构包括拨动开关电机(16)；拨动开关电机(16)安装在拨动开关电机座(17)中，拨动开关电机座(17)为圆柱形且位置固定，执行筒架(15)后端的装配槽二(32)的截面呈圆形，拨动开关电机座(17)的前端装配在装配槽二(32)中且二者之间采用旋转密封进行密封；装配槽二(32)中，位于拨动开关电机座(17)前方的部分，内壁上均布有齿并形成第一内齿圈(30)；拨动开关电机的输出轴(20)上安装第一动力齿轮(21)；拨块中心柱(13)的后端固定有第一齿轮轴(23)，第一齿轮轴(23)上安装第一过渡齿轮(22)且第一过渡齿轮(22)能够绕第一齿轮轴(23)转动，第一过渡齿轮(22)同时与第一动力齿轮(21)以及第一内齿圈(30)啮合，第一动力齿轮(21)通过第一过渡齿轮(22)带动执行筒架(15)转动。

3.根据权利要求1或2所述的井下开关工具，其特征在于：执行筒架(15)的外周设置数个内凹槽(34)，各内凹槽(34)沿径向均匀分布。

4.根据权利要求1或2所述的井下开关工具，其特征在于：拨块(14.5)与两侧伸缩臂采用铰接轴(14.9)进行铰接，铰接轴(14.9)上安装滑动轮(14.4)，对应滑动轮(14.4)在拨块(14.5)以及伸缩臂上开有滑动轮槽(14.3)；滑动轮(14.4)背离内凹槽(34)的一侧突出于拨块(14.5)外端面；外力挤压拨块伸缩机构(14)时，整个滑动轮(14.4)也缩回至内凹槽(34)中。

5.根据权利要求1所述的井下开关工具，其特征在于：行进机构(100)包括行进电机(9)和旋转行进结构；行进电机(9)安装在行进电机座(10)中，其动力电源线顺入走线通道(24)中；行进电机座(10)为圆柱形，其后端与拨块中心柱(13)固定连接，同时行进电机座(10)装配在执行筒架(15)前端的装配槽一(37)中且二者之间采用旋转密封进行密封；旋转行进结构包括第一旋转体(5)和第一行进轮(6)，第一旋转体(5)为圆柱形，其外壁上均布有若干第一轮槽，第一行进轮(6)通过其两侧轮轴安装在第一轮槽中且其部分轮面突出于第一旋转体(5)外表面，第一旋转体(5)上的第一行进轮(6)呈相同倾斜角度安装；行进电机(9)驱动第一旋转体(5)转动。

6.根据权利要求5所述的井下开关工具，其特征在于：行进电机的输出轴(38)上具有第二动力齿轮(39)；第一旋转体(5)的后端端面上开有截面为圆形的装配槽三(43)，装配槽三(43)的内壁上均布有齿并形成第二内齿圈(42)；行进电机座(10)的前端固定安装一固定座(7.1)，固定座(7.1)的前端固定有第二齿轮轴(41)，第二齿轮轴(41)上安装第二过渡齿轮(40)且第二过渡齿轮(40)能够绕第二齿轮轴(41)转动；第二过渡齿轮(40)同时与第二动力齿轮(39)以及第二内齿圈(42)啮合，第二动力齿轮(39)通过第二过渡齿轮(40)带动第一旋转体(5)转动。

7.根据权利要求5所述的井下开关工具，其特征在于：固定座(7.1)上固定数个第二齿轮轴(41)且各第二齿轮轴(41)均布在第二动力齿轮(39)的外周，每个第二齿轮轴(41)上均安装一个第二过渡齿轮(40)，各第二过渡齿轮(40)均同时与第二动力齿轮(39)以及第二内齿圈(42)啮合。

8.根据权利要求5所述的井下开关工具，其特征在于：第一旋转体(5)为空心管，其套装在行进主轴(7.2)的后部且与行进主轴(7.2)呈滑动配合；行进主轴(7.2)与固定座(7.1)固定连接；行进主轴(7.2)的前部套装有呈圆柱形的第二旋转体(2)，第二旋转体(2)也为空心管且其与行进主轴(7.2)也呈滑动配合，第二旋转体(2)的管壁上均布有若干数量与排布均与第一旋转体(5)上第一轮槽相同的第二轮槽，第二轮槽中安装有第二行进轮(3)，第二行进轮(3)安装后的倾斜角度与第一行进轮(6)的倾斜角度相反；

在第一旋转体(5)和第二旋转体(2)之间设置换向机构(4)，换向机构(4)包括呈圆柱形的外套(4.5)以及位于外套(4.5)内的加工在第一旋转体(5)前端的第一锥型齿轮(4.1)、加工在第二旋转体(2)后端的第二锥型齿轮(4.2)以及两锥型过渡齿轮(4.3)；行进主轴(7.2)的中部加工有螺纹孔(7.4)，在螺纹孔(7.4)两侧对称安装一锥齿轮芯轴(4.4)，两锥型过渡齿轮(4.3)分别安装在两侧的锥轮芯轴上且能够绕各自对应的锥轮芯轴转动，每个锥型过渡齿轮(4.3)均与第一锥型齿轮(4.1)、第二锥型齿轮(4.2)相互啮合；外套(4.5)套装在行进中轴上且装配在第一旋转体(5)和第二旋转体(2)之间，行进中轴的前端具有螺纹且通过螺纹连接一顶头帽(1)。

9.根据权利要求5所述的井下开关工具，其特征在于：沿径向在行进电机座(10)的外周均匀设置数个扶正轮槽，对应每个扶正轮槽设置一扶正轮(8)，扶正轮(8)通过扶正轮轴安装扶正轮槽中且能够绕扶正轮轴转动，扶正轮(8)的部分轮面突出于行进电机座(10)外表面。

10.根据权利要求1、2、5、6、7、8或9中任一所述的井下开关工具，其特征在于：开关执行机构(200)的后端固定执行锁紧机构(300)，执行锁紧机构(300)包括外壳(45)、锁紧轮(48)以及安装在外壳(45)内的环形铁芯(51)、电磁线圈(50)、衔铁(47)和复位弹簧(49)，环形铁芯(51)位置固定，电磁线圈(50)缠绕在环形铁芯(51)上；外壳(45)的外周均布数个通孔，锁紧轮(48)通过其轮轴安装在对应的通孔中，衔铁(47)从内侧装配在外壳(45)的上部，对应通孔在衔铁(47)外周开有环形锁紧槽(47.2)，环形锁紧槽(47.2)与通孔的位置对应，锁紧轮(48)的内轮面突出于外壳(45)内壁并位于环形锁紧槽(47.2)中，锁紧轮(48)的外轮面突出于执行锁紧机构(300)的外表面；衔铁(47)外周安装上、下两密封圈(46)且两密封圈(46)分别位于通孔的上、下方，实现衔铁(47)与外壳(45)的密封配合；衔铁(47)下部套装复位弹簧(49)，对应复位弹簧(49)在衔铁(47)上设置限位台(47.3)，衔铁(47)下端伸入环形铁芯(51)内环中且与环形铁芯(51)的上部内壁接触，复位弹簧(49)位于限位台(47.3)与环形铁芯(51)的上端面之间；电磁线圈(50)得电时，衔铁(47)下移，环形锁紧槽(47.2)卡紧锁紧轮(48)；电磁线圈(50)失电时，衔铁(47)上移至初始位置，锁紧轮(48)与环形锁紧槽(47.2)不接触。