CN109707606B - 一种柱塞 - Google Patents

Abstract

本发明涉及天然气和石油开采技术领域，公开了一种柱塞。本发明实施例提供的柱塞，件从容纳位置运动至挤压位置的过程中，工作端被第一容纳孔的边缘挤压，使得旋转部件向限位位置转动。当工作端脱离第一容纳孔并抵顶于限位表面时，旋转部件到达限位位置。此时，旋转部件无法向自由位置转动。旋转部件向限位位置转动的过程中，旋转部件通过联动端拉动联动件径向向内运动，进而带动封隔片克服弹性复位件的弹性力径向向内运动。由于旋转部件被锁定在限位位置，使得封隔片无法径向向外运动。封隔片能够脱离井道内壁，消除了封隔片与井道内壁之间的摩擦力，确保柱塞能够快速下行回到井底。

Description

一种柱塞

技术领域

本发明涉及天然气和石油开采技术领域，尤其涉及一种柱塞。

背景技术

在油气井开发过程中，当井内石油或天然气产量低，井内压力不足时，无法将大量液体举升至地面，这会在井底形成一定高度的积液，进而降低油气井产能，甚至导致油气井停喷。

柱塞是一种较为常用的液体举升装置。柱塞包括多个封隔片，这些封隔片在弹性件的作用下始终与油气井的井道内壁接触，形成密封。这样，柱塞下方的石油或天然气所参数的压力将带动柱塞上行，以使柱塞将位于其上方的液体向上举升，直至液体通过井口排出。这样的柱塞的问题在于，由于封隔片始终与井道内壁接触，因此封隔片与井道内壁之间的摩擦力将阻碍柱塞的下行，使得柱塞下行速度缓慢甚至无法下行回到井底。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种柱塞，其能够在下行时消除封隔片与井道内壁之间的摩擦力，使其能够快速下行回到井底。

本发明的实施例通过以下技术方案实现：

一种柱塞，包括：芯管；多个围绕芯管布置的封隔片；作用于封隔片，并被构造为对封隔片施加径向向外的力的弹性复位件；可径向活动的贯穿芯管的联动件，联动件径向向外的一端与封隔片连接；设置在芯管内的旋转部件，旋转部件被构造为在限位位置和自由位置之间转动，旋转部具有工作端和联动端；联动端与联动件径向向内的一端联动；设置在芯管内的运动部件，运动部件具有限位表面，运动部件上开设有第一容纳孔；以及与运动部件连接的致动装置，致动装置被构造为带动运动部件沿轴向在容纳位置和挤压位置之间往复运动；其中，当运动部件位于容纳位置时，工作端进入第一容纳孔，以使联动件能够在径向向外运动时拉动旋转部件向自由位置转动；运动部件从容纳位置运动至挤压位置的过程中，工作端脱离第一容纳孔并与限位表面抵顶，以使旋转部件转动至限位位置的同时拉动联动件径向向内运动。

进一步的，旋转部件的位于工作端和联动端之间的部位具有弹性。

进一步的，旋转部件包括曲形弹簧，曲形弹簧的两端分别与工作端和联动端连接。

进一步的，旋转部件具有支撑部，支撑部与芯管的内壁抵靠以形成旋转部件转动时的支点。

进一步的，旋转部件通过联动端被悬挂在联动件上。

进一步的，联动件径向向内的一端开设有第二容纳孔，联动端贯穿第二容纳孔，联动端上设置有悬挂部，悬挂部被构造为阻止联动端脱离第二容纳孔。

进一步的，沿径向，联动端能够在第二容纳孔内运动。

进一步的，工作端为弧形；工作端的弧形表面被构造为与第一容纳孔的边缘以及限位表面抵靠。

进一步的，限位表面上围绕运动部件间隔设置有多个沿轴向延伸的导向条；相邻的导向条之间形成沿轴向沿的导向通道；工作端位于导向通道内。

进一步的，还包括套设在运动部件上的固定环，导向条连接在固定环上。

本发明的技术方案至少具有如下优点和有益效果：

本发明实施例提供的柱塞，当运动部件位于容纳位置时，工作端进入第一容纳孔，此时弹性复位件带动封隔片径向向外运动时，封隔片带动联动件径向向外运动，联动件通过联动端拉动旋转部件向自由位置转动。此时封隔片能够在弹性复位件的作用下径向向外运动，也能够在径向向内的挤压力的作用下径向向内运动。柱塞上行时，运动部件位于容纳位置，进而确保封隔片与油气井的井道内壁密封接触。运动部件从容纳位置运动至挤压位置的过程中，工作端被第一容纳孔的边缘挤压，使得旋转部件向限位位置转动。当工作端脱离第一容纳孔并抵顶于限位表面时，旋转部件到达限位位置。此时，旋转部件无法向自由位置转动。旋转部件向限位位置转动的过程中，旋转部件通过联动端拉动联动件径向向内运动，进而带动封隔片克服弹性复位件的弹性力径向向内运动。由于旋转部件被锁定在限位位置，使得封隔片无法径向向外运动。当柱塞下行时，运动部件运动至挤压位置，使得封隔片脱离井道内壁，消除了封隔片与井道内壁之间的摩擦力，确保柱塞能够快速下行回到井底。由于封隔片与井道内壁之间的摩擦力消除，也大大延缓了封隔片的磨损。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面对实施例中需要使用的附图作简单介绍。应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施方式，不应被看作是对本发明范围的限制。对于本领域技术人员而言，在不付出创造性劳动的情况下，能够根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的柱塞的剖面结构示意图，图中运动部件位于容纳位置，旋转部件位于自由位置且封隔片径向向外运动至极限的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的柱塞的剖面结构示意图，图中运动部件位于挤压位置，旋转部件位于限位位置；

图3为本发明实施例提供的柱塞中，运动部件的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的柱塞中，旋转部件的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的柱塞中，导向条和固定环的结构示意图；

图6为图1的A处放大图；

图7为图1的B处放大图。

图中：010-柱塞；110-芯管；111-第一端头；111a-第一贯通孔；112-第二端头；112a-第二贯通孔；113-管体；113a-第三贯通孔；120-封隔片；130-弹性复位件；140-运动部件；140a-限位表面；141-第一容纳孔；150-联动件；151-第二容纳孔；160-旋转部件；161-工作端；162-联动端；163-曲形弹簧；164-悬挂部；170-致动装置；170a-第一端；170b-第二端；180-导向柱；191-导向条；191a-导向通道；192-固定环；314-容纳孔；315-嵌入部；316-弹簧；361-第一结合部；362-第三结合部。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。

因此，以下对本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的部分实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征和技术方案可以相互组合。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，这类术语仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明的描述中，“油气井”可以指石油井，也可以指天然气井。当“油气井”为天然气井时，其可以是用于采集常规天然气的天然气井，也可以是用于采集非常规天然气(页岩气、煤层气等)的天然气井。

实施例1：

请结合参照图1-图2，本实施例提供一种柱塞010。从图1-图2中可以看出，在本实施例中，柱塞010包括芯管110、封隔片120、弹性复位件130、运动部件140、联动件150、旋转部件160、致动装置170和导向柱180。

在本实施例中，芯管110为具有轴线的管状部件。芯管110包括第一端头111、第二端头112和管体113。管体113的两端分别插入第一端头111和第二端头112中，并与第一端头111和第二端头112螺纹连接。在第一端头111上开设有沿轴向延伸的第一贯通孔111a，第一贯通孔111a与管体113同轴。在第二端头112上开设有沿轴向延伸的第二贯通孔112a，第二贯通孔112a与管体113同轴。在管体113上开设有多个沿径向方向延伸的第三贯通孔113a。

多个封隔片120设置在第一端头111和第二端头112之间，并围绕管体113布置。封隔片120可在径向方向上往复运动。弹性复位件130作用于封隔片120。在弹性复位件130的作用下，封隔片120能够径向向外运动。这样，一个、一些或所有封隔片120能够与井道的内表面接触。封隔片120与井道内表面的接触能够限制柱塞010与井道之间的流体流动。

在本实施例中，三个第三贯通孔113a沿轴向排列成一列，每列第三贯通孔113a对应一个封隔片120。导向柱180可滑动的贯穿每一列第三贯通孔113a中位于轴向两侧的第三贯通孔113a。导向柱180位于管体113外的一端与封隔片120固定连接，导向柱180位于管体113内的一端的直径大于第三贯通孔113a的内径。当导向柱180位于管体113内的一端与管体113的内壁抵顶时，封隔片120径向向外运动至极限。当封隔片120径向上的内侧与管体113的外周面抵靠时，封隔片120径向向内运动至极限。在本实施例中，弹性复位件130为弹簧，弹性复位件130被设置在封隔片120与管体113之间。封隔片120径向上的内侧以及管体113的外周面上开设有相对定位孔，弹性复位件130的两端分别嵌入相对的两个定位孔中，以使弹性复位件130能够被准确定位。弹性复位件130始终处于被压缩的状态，使得弹性复位件130能够始终对封隔片120施加径向向外的弹性力。

联动件150可沿径向活动的贯穿每一列第三贯通孔113a中位于中间的第三贯通孔113a。联动件150位于管体113外的一端(即联动件150径向向外的一端)与封隔片120固定连接，联动件150的另一端延伸至管体113内(即联动件150径向向内的一端位于管体113内)。联动件150与封隔片120同步运动。

运动部件140设置在管体113内，并可沿轴向在靠近第一端头111的容纳位置和靠近第二端头112的挤压位置之间往复运动。请参照图3，在本实施例中，运动部件140为圆柱状，其与管体113同轴设置。运动部件140的外周面构成限位表面140a。在运动部件140的周面开设有多个第一容纳孔141。多个第一容纳孔141围绕运动部件140的轴线等间距布置。

运动部件140在致动装置170的带动下在容纳位置和挤压位置之间往复运动。致动装置170将在下文中进项详细介绍。

旋转部件160可转动的设置在管体113内。旋转部件160具有工作端161和联动端162。联动端162与联动件150位于管体113内的一端联动。工作端161被构造为能够进入第一容纳孔141的形式。旋转部件160能够在限位位置(图2中所示的位置)和自由位置(图1中所示的位置)之间转动。

当运动部件140从挤压位置运动至容纳位置时，工作端161正对第一容纳孔141。第一容纳孔141能够容纳工作端161，并且为旋转部件160提供了从限位位置向自由位置转动的空间。当运动部件140到达容纳位置时，工作端161进入第一容纳孔141。随着旋转部件160向自由位置转动，工作端161径向向内运动。在运动部件140运动至容纳位置后，在弹性复位件130的作用下，封隔片120径向向外运动，带动联动件150径向向外运动，联动件150带动联动端162径向向外运动，从而使得旋转部件160向自由转动，且工作端161径向向内运动。此时，封隔片120能够在弹性复位件130的作用下径向向外运动，也能够在受挤压时径向向内运动。当柱塞010上行时，运动部件140即处于容纳位置，以确保封隔片120能够在弹性复位件130的作用下始终与井道内壁接触，形成密封。

运动部件140从容纳位置运动至挤压位置的过程中，工作端161被第一容纳孔141的边缘挤压，使得工作端161径向向外运动直至工作端161脱离第一容纳孔141。随着运动部件140向挤压位置继续运动，工作端161与限位表面140a抵顶。工作端161径向向外运动使得旋转部件160向限位位置旋转，联动端162径向向内运动拉动联动件150径向向内运动，进而使得封隔片120克服弹性复位件130的弹性力径向向内运动。在运动部件140到达挤压位置后，由于工作端161与限位表面140a抵顶，工作端161无法径向向内运动，导致联动端162无法径向向外运动，使得封隔片120也无法径向向外运动，封隔片120被锁定在径向上靠内的位置。此时，柱塞010的外径小于井道的内径，封隔片120能够不与井道内壁持续接触，使得柱塞010与井道内壁之间形成供流体通过的流道。当柱塞010下行时，运动部件140即处于挤压位置，以确保封隔片120能够不与井道内壁持续接触，降低了封隔片120与井道内壁之间的摩擦力，在柱塞010与井道内部之间形成了供流体通过的流道，进而大大减小了柱塞010在下行过程中受到的阻力，确保柱塞010能够快速下行至井底。

在一些异常状况下，封隔片120无法径向向内运动。例如，封隔片120与管体113之间存在砂石等异物时，封隔片120无法径向向内运动。由于旋转部件160无法带动封隔片120径向向内运动，如果此时驱动运动部件140向挤压位置运动，则有可能导致零部件的变形、损坏或磨损。为了避免零部件的变形、损坏或磨损，在本实施例中，旋转部件160的位于工作端161和联动端162之间的部位被构造为具有弹性。这样，即便是封隔片120无法径向向内运动，当驱动运动部件140向挤压位置运动时，旋转部件160的位于工作端161和联动端162之间的部位发生弹性形变，允许工作端161径向向外运动并脱离第一容纳孔141，使得运动部件140能够到达挤压位置。这样，即可有效避免零部件的变形、损坏或磨损。

下面对旋转部件160进行进一步说明。请参照图4，旋转部件160包括曲形弹簧163。曲形弹簧163由绕一轴线螺旋形旋转多圈的金属条构成。曲形弹簧163的两端分别连接工作端161和联动端162。在本实施例中，工作端161、联动端162和曲形弹簧163是由一金属条经过弯曲后一体成型的。当工作端161和联动端162中一者被固定，另一运者受外力时，曲形弹簧163发生形变，从而允许受外力的部件运动。当外力消失后，旋转部件160能够恢复原状。

进一步的，在本实施例中，工作端161位弧形。当工作端161倍第一容纳孔141的边缘挤压时，工作端161的弧形表面与第一容纳孔141的边缘抵靠，这使得工作端161能够更加容易的径向向外运动。

旋转部件160可以通过固定在管体113内且贯穿曲形弹簧163的轴支撑。在本实施例中，为了简化结构，旋转部件160被悬挂在联动件150上。在本实施例中，旋转部件160上具有支撑部，支撑部与管体113的内壁抵靠，从而形成旋转部件160转动时的支点。支撑部可以由多种形式实现，例如旋转部件160上设置的凸起。在本实施例中，支撑部为曲形弹簧163的弧形表面。在旋转部件160转动时，曲形弹簧163的弧形表面抵靠在管体113的内壁上，形成旋转部件160转动时的支点。

进一步的，请参照图6，在本实施例中，联动件150位于管体113内的一端开设有第二容纳孔151。联动端162贯穿第二容纳孔151。联动端162上设置有悬挂部164。悬挂部164被构造为阻止联动端162脱离第二容纳孔151。具体的，在本实施例中，悬挂部164为通过焊接在联动端162上形成的球体，球体的直径大于第二容纳孔151的宽度，从而能够阻止联动端162脱离第二容纳孔151。

进一步的，在本实施例中，第二容纳孔151为在径向上延伸的长条孔。联动端162能够在第二容纳孔151内沿第二容纳孔151的长度方向活动。请参照图1，当运动部件140位于容纳位置，且封隔片120径向向内运动的过程中，旋转部件160可以不发生转动。由于上行过程中旋转部件160不发生转动，从而大大降低了上行过程中柱塞010出现故障的几率。

当工作端161抵顶于限位表面140a时，工作端161有可能相对于运动部件140发生周向滑动，导致在运动部件140运动至容纳位置后，工作端161与第一容纳孔141错开，旋转部件160无法向自由位置转动。为了克服上述问题，在本实施例中，请参照图5，限位表面140a上围绕运动部件140间隔设置有多个沿轴向延伸的导向条191；相邻的导向条19之间形成沿轴向沿的导向通道191a；工作端161位于导向通道191a内。如此，能够避免工作端161相对于运动部件140发生周向滑动。进一步的，还包括套设在运动部件140上的固定环192，导向条191连接在固定环192上。具体的，导向条191与固定环192是一体的。

致动装置170作为带动运动部件140在挤压位置和容纳位置之间运动的部件，可以采用多种方式实现。例如，致动装置170可以是设置在管体113内的直线电机，直线电机被内置在管体113内的电源驱动，带动运动部件140在挤压位置和容纳位置之间运动。通过传感器检测柱塞010在油气井内的位置。当传感器检测到柱塞010进入井口管路后，直线电机带动运动部件140运动至挤压位置。当传感器检测到柱塞010到达井底后，直线电机带动运动部件140运动至容纳位置。在本实施例中，致动装置170为沿轴向延伸的杆状部件，致动装置170包括相对的第一端170a和第二端170b。第一端170a与第一贯通孔111a可滑动的配合，第二端170b与第二贯通孔112a可滑动的配合。致动装置170与运动部件140固定连接，致动装置170与运动部件140同步运动。当运动部件140位于容纳位置时，致动装置170的第一端170a位于芯管110外，以接收沿第一端170a至第二端170b方向的驱动力。当运动部件140位于挤压位置时，致动装置170的第二端170b位于芯管110外，以接收沿第二端170b至第一端170a方向的驱动力。

在本实施例中，致动装置170通过撞击带动运动部件140运动。当柱塞010上行进入井口管路后，致动装置170的第一端170a与井口管路内设置的上撞击部碰撞，带动运动部件140运动至挤压位置。当柱塞010下行到达井底后，致动装置170的第二端170b与井底设置的下撞击部碰撞，带动运动部件140运动至容纳位置。

当致动装置170带动运动部件140运动至挤压位置后，在重力的作用下运动部件140容易保持在挤压位置。而当致动装置170带动运动部件140运动至容纳位置后，在重力的作用下，运动部件140有可能向下运动，影响封隔片120在径向方向上的运动。为此，如图7所示，在本实施例中，致动装置170上设置有第一结合部361，在第一端头111上设置有第二结合部。第一结合部361和第二结合部可分离地结合。当运动部件140位于容纳位置时，第一结合部361与第二结合部结合，以将运动部件140维持在容纳位置。当运动部件140位于挤压位置时，第一结合部361与第二结合部分离。具体的，第一结合部361为开设在致动装置170的第一端170a周面的环形槽，该环形槽围绕致动装置170的轴线布置。第二结合部包括沿径向方向开设在第一贯通孔111a内周壁的容纳孔314、可滑动地设置在容纳孔314内的嵌入部315以及设置在容纳孔314内并对嵌入部315施加径向向内的弹性力的弹簧316。当运动部件140位于容纳位置时，嵌入部315嵌入第一结合部361中，进而将运动部件140维持在容纳位置。当致动装置170的第一端170a与井口管路内的上撞击部发生撞击时，嵌入部315脱离第一结合部361。

在本实施例中，还在致动装置170上设置有第三结合部362，第三结合部362与第一结合部361相同，沿第一端170a至第二端170b方向，第三结合部362与第一结合部361依次布置。当运动部件140位于挤压位置时，嵌入部315嵌入第三结合部362中，以将运动部件140维持在挤压位置。当致动装置170的第二端170b与井底的下撞击部发生撞击时，嵌入部315脱离第三结合部362。

以上所述仅为本发明的部分实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种柱塞，其特征在于，包括：

芯管；

多个围绕所述芯管布置的封隔片；

作用于所述封隔片，并被构造为对所述封隔片施加径向向外的力的弹性复位件；

可径向活动的贯穿所述芯管的联动件，所述联动件径向向外的一端与所述封隔片连接；

设置在所述芯管内的旋转部件，所述旋转部件被构造为在限位位置和自由位置之间转动，所述旋转部具有工作端和联动端；所述联动端与所述联动件径向向内的一端联动；

设置在所述芯管内的运动部件，所述运动部件具有限位表面，所述运动部件上开设有第一容纳孔；以及

与所述运动部件连接的致动装置，所述致动装置被构造为带动所述运动部件沿轴向在容纳位置和挤压位置之间往复运动；

其中，当所述运动部件位于所述容纳位置时，所述工作端进入所述第一容纳孔，以使所述联动件能够在径向向外运动时拉动所述旋转部件向所述自由位置转动；所述运动部件从所述容纳位置运动至所述挤压位置的过程中，所述工作端脱离所述第一容纳孔并与所述限位表面抵顶，以使所述旋转部件转动至所述限位位置的同时拉动所述联动件径向向内运动；

所述旋转部件的位于所述工作端和所述联动端之间的部位具有弹性；

所述旋转部件具有支撑部，所述支撑部与所述芯管的内壁抵靠以形成所述旋转部件转动时的支点。

2.根据权利要求1所述的柱塞，其特征在于：

所述旋转部件包括曲形弹簧，所述曲形弹簧的两端分别与所述工作端和所述联动端连接。

3.根据权利要求1所述的柱塞，其特征在于：

所述旋转部件通过所述联动端被悬挂在所述联动件上。

4.根据权利要求3所述的柱塞，其特征在于：

所述联动件径向向内的一端开设有第二容纳孔，所述联动端贯穿所述第二容纳孔，所述联动端上设置有悬挂部，所述悬挂部被构造为阻止所述联动端脱离所述第二容纳孔。

5.根据权利要求4所述的柱塞，其特征在于：

沿径向，所述联动端能够在所述第二容纳孔内运动。

6.根据权利要求1所述的柱塞，其特征在于：

所述工作端为弧形；所述工作端的弧形表面被构造为与所述第一容纳孔的边缘以及所述限位表面抵靠。

7.根据权利要求1所述的柱塞，其特征在于：

所述限位表面上围绕所述运动部件间隔设置有多个沿轴向延伸的导向条；相邻的所述导向条之间形成沿轴向沿的导向通道；所述工作端位于所述导向通道内。

8.根据权利要求7所述的柱塞，其特征在于：

还包括套设在所述运动部件上的固定环，所述导向条连接在所述固定环上。