CN109707341B - 一种液压式小通径油管坐封桥塞 - Google Patents

Abstract

本发明涉及采油管桥塞技术领域，且公开了一种液压式小通径油管坐封桥塞，包括组合胶筒、中心管、下锥体、卡瓦环、卡瓦座、锚定铸铁和钢丝圈，组合胶筒的内部套设有中心管，组合胶筒的一端设有下锥体，且下锥体与中心管活动套接。本发明通过在两个卡瓦环之间设置剪板，使得下锥体下行撑开卡瓦环的过程中，同时由下锥体撑开剪板，使得剪板的薄壁端顶起钢丝圈，以剪板的支点部位提供钢丝圈的剪切点，从而，撑开卡瓦环的过程中，将原克服钢丝圈的抗拉强度断裂转变为克服钢丝圈的抗剪强度断裂，下锥体下行同等距离下，本发明更容易使钢丝圈断裂，使得卡瓦环在钢丝圈断裂时具备较小的势能储备，进而锚定铸铁更加缓和的与井筒内壁紧压贴合。

Description

一种液压式小通径油管坐封桥塞

技术领域

本发明涉及采油管桥塞技术领域，具体为一种液压式小通径油管坐封桥塞。

背景技术

桥塞在油气开采领域发挥重要的作用，其主要用以封层技术。所谓封层技术就是分层试油、分层压裂酸化、分层防砂、分层注水、分层生产及封闭水层、封闭干层和封闭废弃层等的一项重要的作业过程。

桥塞由坐封机构、密封机构和锚定机构三大部分组成，当桥塞进入井筒设计位置时，由坐封工具施压，推动压环下行，将上卡瓦座及上卡瓦处的剪钉剪断，上卡瓦座及上卡瓦将上锥体处剪钉剪断并同步下行，压缩下卡瓦张开，组合胶筒产生管的径向变形并继续下行，依次剪断下锥体及卡瓦剪钉，上、下卡瓦及胶筒组件同步继续张开，实现桥塞锚定及封隔套管上下环形空间，实现分层目的。

现有技术中，为保障卡瓦在运输时稳定以及在下入井筒时误坐封，而在卡瓦的外表面设一圈钢丝，如图1中的钢丝圈(7)所示，在由下锥体撑开卡瓦的初始阶段，需要先撑断钢丝，再撑开卡瓦片，但是，由于钢丝具备一定的抗拉强度，撑断钢丝的过程实则是一个储能过程，当钢丝断裂的瞬间，卡瓦片在具备下锥体下行所提供的势能外，还额外具备与钢丝抗拉强度同等大小的势能，使得卡瓦片在钢丝断裂瞬间，获得的势能剧增，势能转化为动能瞬间冲击井筒内壁，不仅易造成井筒内壁损伤，而且，卡瓦片上用于锚定的铸铁波纹片会因瞬时撞击井筒内壁产生受力不均，导致接下来的铸铁挤压变形无法同步而产生多组铸铁锚固不均的现象，在后续采油压力差的周期性冲击下，易造成锚定机构松动，影响封层效果的长效性。

发明内容

针对背景技术中提出的现有油管桥塞在使用过程中存在的不足，本发明提供了一种液压式小通径油管坐封桥塞，具备卡瓦锚定更加稳固长效的优点，解决了上述背景技术中提出的因卡瓦撑断钢丝圈时储备势能导致卡瓦上的铸铁锚固不稳定的问题。

本发明提供如下技术方案：一种液压式小通径油管坐封桥塞，包括组合胶筒、中心管、下锥体、卡瓦环、卡瓦座、锚定铸铁和钢丝圈，所述组合胶筒的内部套设有中心管，所述组合胶筒的一端设有下锥体，且下锥体与中心管活动套接，所述中心管的外部套设有卡瓦环和卡瓦座，所述卡瓦环由多个卡瓦片环形阵列排布组成，卡瓦环与下锥体的锥形面相适配套接，所述卡瓦环的单个卡瓦片上嵌设有锚定铸铁，所述卡瓦环的外部套设有钢丝圈，所述钢丝圈位于卡瓦环外部开设的凹槽内，所述卡瓦环的每两个单卡瓦片之间设有一个剪板，所述剪板的长度与卡瓦环的单卡瓦片长度相同，所述下锥体的锥形面由卡瓦锥面和剪切锥面组成，所述卡瓦锥面与卡瓦环的内壁斜面相适配接触连接，所述剪切锥面与剪板的一侧斜边相适配接触连接，所述剪板的两侧设为倾斜面，且倾斜面与卡瓦环的单卡瓦片侧面相适配。

优选的，所述剪切锥面的斜率大于卡瓦锥面的斜率。

优选的，所述钢丝圈的截面大小间接布置，所述钢丝圈中截面大的部分位于卡瓦环外壁的凹槽内，所述钢丝圈中截面小的部分位于卡瓦环的两个单卡瓦片间隙处，所述钢丝圈中截面大的部分与截面小部分连接处采用变截面线性过渡。

优选的，所述锚定铸铁的锯齿高度沿着下锥体下行方向逐渐增大且最大高度与组合胶筒的外壁处于相同水平面高度。

本发明具备以下有益效果：

1、本发明通过在两个卡瓦环之间设置剪板，使得下锥体下行撑开卡瓦环的过程中，同时由下锥体撑开剪板，使得剪板的薄壁端顶起钢丝圈，以剪板的支点部位提供钢丝圈的剪切点，从而，撑开卡瓦环的过程中，将原克服钢丝圈的抗拉强度断裂转变为克服钢丝圈的抗剪强度断裂，而由于钢丝圈的圆柱形钢圈特性，其抗拉承载强度远高于径向抗剪强度，故而，下锥体下行同等距离下，本发明更容易使钢丝圈断裂，使得卡瓦环在钢丝圈断裂时具备较小的势能储备，进而锚定铸铁更加缓和的与井筒内壁紧压贴合。

2、本发明通过设置卡瓦锥面和剪切锥面，并使得剪切锥面的斜率大于卡瓦锥面的斜率，可保证在剪断钢丝圈的阶段，下锥体下行同等距离下，剪切锥面推动剪板沿井筒径向位移大于卡瓦锥面推动卡瓦环径向位移的距离，从而，使得剪板优先于卡瓦环施力剪断钢丝圈，进一步保证卡瓦环在钢丝圈断裂时具备较小的势能储备。

3、本发明通过将钢丝圈的截面形状设为粗细间接性布置，使得钢丝圈中截面大的部分与下锥体外壁的凹槽适配，截面小的部分位于卡瓦环的两个单卡瓦片间隙处，使得钢丝圈在承受下锥体撑开张紧过程中，钢丝圈中截面小的部位因受拉而处于结构承载薄弱状态，使得剪板更易剪断钢丝圈的薄弱环节，从另一方面保证卡瓦环在钢丝圈断裂时具备较小的势能储备。

附图说明

图1为本发明局部桥塞半剖结构示意图；

图2为本发明图1的A-A处剖面图；

图3为图1的B处局部放大示意图；

图4为本发明下锥体外部轮廓图；

图5为本发明改进后的钢丝圈正视图；

图6为本发明改进后的钢丝圈与卡瓦环套接正视图。

图中：1、组合胶筒；2、中心管；3、下锥体；3a、卡瓦锥面；3b、剪切锥面；4、卡瓦环；5、卡瓦座；6、锚定铸铁；7、钢丝圈；8、剪板。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-6，一种液压式小通径油管坐封桥塞，包括组合胶筒1、中心管2、下锥体3、卡瓦环4、卡瓦座5、锚定铸铁6和钢丝圈7，组合胶筒1的内部套设有中心管2，组合胶筒1的一端设有下锥体3，且下锥体3与中心管2活动套接，中心管2的外部套设有卡瓦环4和卡瓦座5，卡瓦环4由多个卡瓦片环形阵列排布组成，卡瓦环4与下锥体3的锥形面相适配套接，卡瓦环4的单个卡瓦片上嵌设有锚定铸铁6，卡瓦环4的外部套设有钢丝圈7，钢丝圈7位于卡瓦环4外部开设的凹槽内，卡瓦环4的每两个单卡瓦片之间设有一个剪板8，剪板8的长度与卡瓦环4的单卡瓦片长度相同，下锥体3的锥形面由卡瓦锥面3a和剪切锥面3b组成，卡瓦锥面3a与卡瓦环4的内壁斜面相适配接触连接，剪切锥面3b与剪板8的一侧斜边相适配接触连接，剪板8的两侧设为倾斜面，且倾斜面与卡瓦环4的单卡瓦片侧面相适配，其中，相适配的斜面可保证卡瓦环4对剪板8提供外凸限位的同时不影响剪板8正常剪切使用。

其中，剪板8的顶端位置与卡瓦环4外壁的间距设定由下式说明：

假设卡瓦锥面3a的斜率为m，剪切锥面3b的斜率为n，下锥体3撑开卡瓦环4所需的下行距离为X，则：

即：

式中，h₁表示下锥体3下行X时推动卡瓦环4沿径向的位移；h₂表示下锥体3下行X时推动剪板8沿径向的位移；Δh表示下锥体3下行X时，剪板8和卡瓦环4沿径向的位移差；Δ_η表示卡瓦锥面3a与剪切锥面3b的斜率差。

由上述公式说明，为了保证下锥体3下行推动作用下，剪板8的顶端不会超出卡瓦环4外壁，以确保钢丝圈7剪断时，剪板8不会优先于卡瓦环4接触井筒内壁，故而，此处的Δh值可取钢丝圈7的直径，因此，由式②可确定卡瓦锥面3a与剪切锥面3b的斜率差值上限。

同时，基于以上斜率差值限制后，还需要考虑剪板8的顶端与钢丝圈7的底端初始间距差，即初始间距差由下锥体3下行时，剪断下锥体3处剪钉所产生的下行距离即剪钉直径，并由此下行距离，剪板8与钢丝圈7产生的径向位移差即为初始间距差，此时，剪板8恰好与钢丝圈7接触。

其中，剪切锥面3b的斜率大于卡瓦锥面3a的斜率，使得下锥体3下行等距情况下，剪板8沿井筒径向位移值大于卡瓦环4沿井筒径向位移值，可确保剪板8优先于卡瓦环4施加更大的剪切力将钢丝圈7剪断，保证下锥体3下行过程中，卡瓦环4的势能储备有限情况下就解除径向位移限制，从而使得卡瓦环4在钢丝圈7断裂后具备较小的势能储备，进而保证卡瓦环4上的锚定铸铁6能够缓和的接触井筒内壁。

其中，钢丝圈7的截面大小间接布置，钢丝圈7中截面大的部分位于卡瓦环4外壁的凹槽内，钢丝圈7中截面小的部分位于卡瓦环4的两个单卡瓦片间隙处，钢丝圈7中截面大的部分与截面小部分连接处采用变截面线性过渡，钢丝圈7的这种截面的大小间接布置方式，可使得钢丝圈7在受拉张紧时，承载薄弱环节处于剪板8的顶端处，从而，由剪板8更易施加剪力剪断钢丝圈7，进一步保证卡瓦环4的势能储备小，同时，钢丝圈7大小截面的交接处采用变截面设置，是为了防止因截面突变而变为承载薄弱处，也是为了保证钢丝圈7的承载薄弱环节绝对处于剪板8处附近。

其中，锚定铸铁6的锯齿高度沿着下锥体3下行方向逐渐增大且最大高度与组合胶筒1的外壁处于相同水平面高度，考虑下锥体3下行推动卡瓦环4径向位移过程中，卡瓦环4因端部摩擦而产生非整体径向位移，即卡瓦环4的外壁相对井筒轴线发生倾角变化，此会造成卡瓦环4上的锚定铸铁6与井筒内壁不均匀接触，此种递增式锯齿设计，可使得锚定铸铁6的锯齿能够根据倾角变化合理的与井筒内壁接触，使得锚定铸铁6的锯齿产生较为平衡的形变，从而在另一方面保障锚定的稳定性与正常使用时的长效性。

本发明的工作原理如下：

由组合胶筒1一端的上卡瓦下行推动组合胶筒1压缩，并同时推动下锥体3下行，撑开卡瓦环4，由于钢丝圈7将卡瓦环4捆绑限位，在钢丝圈7未张裂前，卡瓦环4的径向位移较小，下锥体3继续下行推动卡瓦环4和剪板8沿径向位移，由于剪切锥面3b的斜率较卡瓦锥面3a的斜率大，下锥体3下行等距，剪板8产生的径向位移大于卡瓦环4的径向位移，剪板8的薄壁端优先于卡瓦环4开始对钢丝圈7的薄弱处进行剪切，因钢丝圈7的薄弱处受剪板8剪切且剪板8优先于卡瓦环4向钢丝圈7施加更大的压力，故而钢丝圈7在还未受到卡瓦环4施加的张力拉断前，已经受到剪板8施加的剪力剪断，剪断钢丝圈7后，卡瓦环4上锚定铸铁6与井筒管内壁接触，下锥体3仍会继续下行小段，使得锚定铸铁6与井筒内壁缓慢贴紧，整个过程中，卡瓦环4因下锥体3下行而储备的势能较小，因此在下锥体3下行的整个过程中，卡瓦环4上的锚定铸铁6与井筒内壁之间的接触均是较为缓慢且逐渐由松到紧，锚定铸铁6的形变过程由下锥体3的下行呈缓慢的线性变化，使得多组卡瓦环4上的锚定铸铁6与井筒内壁贴合的更紧密且均匀。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种液压式小通径油管坐封桥塞，包括组合胶筒(1)、中心管(2)、下锥体(3)、卡瓦环(4)、卡瓦座(5)、锚定铸铁(6)和钢丝圈(7)，所述组合胶筒(1)的内部套设有中心管(2)，所述组合胶筒(1)的一端设有下锥体(3)，且下锥体(3)与中心管(2)活动套接，所述中心管(2)的外部套设有卡瓦环(4)和卡瓦座(5)，所述卡瓦环(4)由多个卡瓦片环形阵列排布组成，卡瓦环(4)与下锥体(3)的锥形面相适配套接，所述卡瓦环(4)的单个卡瓦片上嵌设有锚定铸铁(6)，其特征在于：所述卡瓦环(4)的外部套设有钢丝圈(7)，所述钢丝圈(7)位于卡瓦环(4)外部开设的凹槽内，所述卡瓦环(4)的每两个单卡瓦片之间设有一个剪板(8)，所述剪板(8)的长度与卡瓦环(4)的单卡瓦片长度相同，所述下锥体(3)的锥形面由卡瓦锥面(3a)和剪切锥面(3b)组成，所述卡瓦锥面(3a)与卡瓦环(4)的内壁斜面相适配接触连接，所述剪切锥面(3b)与剪板(8)的一侧斜边相适配接触连接，所述剪板(8)的两侧设为倾斜面，且倾斜面与卡瓦环(4)的单卡瓦片侧面相适配。

2.根据权利要求1所述的一种液压式小通径油管坐封桥塞，其特征在于：所述剪切锥面(3b)的斜率大于卡瓦锥面(3a)的斜率。

3.根据权利要求1所述的一种液压式小通径油管坐封桥塞，其特征在于：所述钢丝圈(7)的截面大小间隔布置，所述钢丝圈(7)中截面大的部分位于卡瓦环(4)外壁的凹槽内，所述钢丝圈(7)中截面小的部分位于卡瓦环(4)的两个单卡瓦片间隙处，所述钢丝圈(7)中截面大的部分与截面小的部分连接处采用变截面线性过渡。

4.根据权利要求1所述的一种液压式小通径油管坐封桥塞，其特征在于：所述锚定铸铁(6)的锯齿高度沿着下锥体(3)下行方向逐渐增大且最大高度与组合胶筒(1)的外壁处于相同水平面高度。