CN109736743A - 一种中途防坐封的封隔器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及油气开采设备技术领域，且公开了一种中途防坐封的封隔器，包括中心管、下液缸筒，所述下液缸筒的内壁上且位于下液缸筒与中心管形成的坐封工作腔内设有连锁机构，所述连锁机构包括支撑筒。本发明通过在下液缸筒与马牙轴之间的坐封工作腔中设连锁机构，元件在井中下降过程中，由连锁机构向马牙轴提供的摩擦阻力完成马牙轴与下液缸筒之间的支撑，防止元件在下降过程中因受阻导致马牙轴相对下液缸筒发生位移而引发提前坐封的情况，同时，在元件开始坐封前，由坐封工作腔中提供的液压将弹力活塞推动，压缩弹性体，即撤去锁撑块与马牙轴之间的静摩擦力，从而在坐封过程中，不需要再提供“防中途坐封”所需的液压力差，降低能耗。

Description

一种中途防坐封的封隔器

技术领域

本发明涉及油气开采设备技术领域，具体为一种中途防坐封的封隔器。

背景技术

封隔器系指具有弹性密封的元件，在采油工程中用来对采油井管柱分层密封。其主要组成包括丢手部分、封隔部分、锚定部分，其相应功能分别由丢手组件、密封胶筒、卡瓦实现。

在油管将封隔器送入井下过程中，由于工具与套管壁的摩擦和碰撞，当摩擦力达到能够剪断坐封剪钉的力度大小时，即会发生卡瓦提前坐封的情况，导致单次作业成功率低，严重则会影响单口油井正常使用，且中途坐封情况尤其易发生在水平井作业过程中。现有技术中，对于封隔器提前坐封的问题，有提出防中途坐封的封隔器，主要方向分为两点，其一，是在封隔器上设计加装坐封平衡机构，用以保证封隔器在垂直下井过程中，保持平衡，沿着井管中心下降，其二，则是在封隔器的密封机构上方加设坐封锁紧装置，该装置通过在上液缸套2(如图1中所示)处加设启动剪钉，或者是在上锥体13处增设一组坐封剪钉，以提高坐封所需液压力差，达到防止中途坐封的效果。

但是，上述增设剪钉的做法，在提高了坐封所需液压力差的同时，不仅提高了坐封工具的耗能，也提高了在坐封剪钉被剪断瞬间上锥体13所储备的动能，即上锥体13会在剪钉被剪断的同时，快速冲击卡瓦15，对卡瓦15的撑开坐封造成不稳定的影响，为此，提出一种中途防坐封的封隔器，旨在解决上述问题。

发明内容

针对背景技术中提出的现有液压型油井管封隔器在使用过程中存在的不足，本发明提供了一种中途防坐封的封隔器，具备防中途坐封且能耗低的优点，解决了上述背景技术中提出的因增设防中途坐封剪钉而导致坐封与解封时能耗高、坐封不稳定的问题。

本发明提供如下技术方案：一种中途防坐封的封隔器，包括中心管、上液缸套、压力活塞、上进液口、密封胶筒、胶筒座、下液缸筒、连接缸套、锁块、马牙轴、下进液口、上锥体、剪钉和卡瓦，所述中心管的上部套接有上液缸套，所述上液缸套的下部套接有密封胶筒，所述密封胶筒的上下端均设有胶筒座，且位于上部的所述胶筒座与上液缸套的底端密封连接，所述上液缸套的内部设有压力活塞，下部所述的胶筒座的底端设有下液缸筒，所述下液缸筒与中心管完成套接且形成坐封工作腔，所述下液缸筒的内部设有连接缸套，所述连接缸套与中心管套接，所述连接缸套的内部与中心管之间设有锁块，所述下液缸筒的内部且位于连接缸套的下部设有马牙轴，所述马牙轴的底部设有上锥体，所述上锥体与中心管活动套接，所述上锥体通过剪钉与下液缸筒固定连接，所述上锥体的下部设有卡瓦，所述卡瓦与中心管活动套接，位于所述上液缸套和锁块处的中心管内壁分别开设有上进液口和下进液口，所述下液缸筒的内壁上且位于下液缸筒与中心管形成的坐封工作腔内设有连锁机构，所述连锁机构包括支撑筒，所述支撑筒的一端与下液缸筒的内壁固定连接，所述支撑筒的内部滑动连接有弹力活塞，且弹力活塞与支撑筒内壁为密封滑动连接，所述弹力活塞的一侧固定连接有顶杆，所述顶杆的另一端固定连接有锁撑块，所述锁撑块的另一侧与马牙轴的一侧接触，所述支撑筒的内部填充有弹性体。

优选的，所述支撑筒与顶杆相对马牙轴的外壁倾斜布置，且所述锁撑块的一侧设有与顶杆端面倾斜度相适配的斜面。

进一步的，所述锁撑块与马牙轴接触的一面设为粗糙接触面。

优选的，所述弹性体为密实填充状态，所述弹性体为弹性橡胶，具体为耐油性能的高分子弹性体。

本发明具备以下有益效果：

1、本发明通过在下液缸筒与马牙轴之间的坐封工作腔中设连锁机构，元件在井中下降过程中，由连锁机构向马牙轴提供的摩擦阻力完成马牙轴与下液缸筒之间的支撑，防止元件在下降过程中因受阻导致马牙轴相对下液缸筒发生位移而引发提前坐封的情况，同时，在元件开始坐封前，由坐封工作腔中提供的液压将弹力活塞推动，压缩弹性体，即撤去锁撑块与马牙轴之间的静摩擦力，从而在坐封过程中，不需要再提供“防中途坐封”所需的液压力差，降低能耗。

2、本发明通过将连锁机构斜向密封胶筒设计，可使得弹性体对弹力活塞产生的弹性力一部分提供锁撑块与马牙轴的正压力，以进一步获得静摩擦力，另一部分弹性力提供马牙轴向上的推力，即因碰撞而发生提前坐封时，产生的坐封力需要先克服上推力以及向上的静摩擦力，才可完成坐封，该斜向设计可使得向上的推力弥补锁撑块与马牙轴之间因摩擦系数较小而产生有限的静摩擦阻力；另一方面，元件解封时，向上的推力可与方向改向下的静摩擦力平衡，降低解封时所需的解封力，降低能耗。

3、本发明通过设置弹性体，利用弹性体的填充密实度以及本身的弹性性能，使得在支撑筒有限的空间内实现足够的弹性力与可压缩弹性变形，以满足弹力活塞对弹性力与弹性位移的需求。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明图1的连锁机构处局部结构示意图；

图3为本发明连锁机构结构示意图。

图中：1、中心管；2、上液缸套；3、压力活塞；4、上进液口；5、密封胶筒；6、胶筒座；7、下液缸筒；8、连接缸套；9、锁块；10、马牙轴；11、连锁机构；111、支撑筒；112、弹力活塞；113、顶杆；114、锁撑块；115、弹性体；12、下进液口；13、上锥体；14、剪钉；15、卡瓦。

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1-3，一种中途防坐封的封隔器，包括中心管1、上液缸套2、压力活塞3、上进液口4、密封胶筒5、胶筒座6、下液缸筒7、连接缸套8、锁块9、马牙轴10、下进液口12、上锥体13、剪钉14和卡瓦15，中心管1的上部套接有上液缸套2，上液缸套2的下部套接有密封胶筒5，密封胶筒5的上下端均设有胶筒座6，且位于上部的胶筒座6与上液缸套2的底端密封连接，上液缸套2的内部设有压力活塞3，下部的胶筒座6的底端设有下液缸筒7，下液缸筒7与中心管1完成套接且形成坐封工作腔，下液缸筒7的内部设有连接缸套8，连接缸套8与中心管1套接，连接缸套8的内部与中心管1之间设有锁块9，下液缸筒7的内部且位于连接缸套8的下部设有马牙轴10，马牙轴10的底部设有上锥体13，上锥体13与中心管1活动套接，上锥体13通过剪钉14与下液缸筒7固定连接，上锥体13的下部设有卡瓦15，卡瓦15与中心管1活动套接，位于上液缸套2和锁块9处的中心管1内壁分别开设有上进液口4和下进液口12，下液缸筒7的内壁上且位于下液缸筒7与中心管1形成的坐封工作腔内设有连锁机构11，连锁机构11包括支撑筒111，支撑筒111的一端与下液缸筒7的内壁固定连接，支撑筒111的内部滑动连接有弹力活塞112，且弹力活塞112与支撑筒111内壁为密封滑动连接，弹力活塞112的一侧固定连接有顶杆113，顶杆113的另一端固定连接有锁撑块114，锁撑块114的另一侧与马牙轴10的一侧接触，支撑筒111的内部填充有弹性体115。

其中，支撑筒111与顶杆113相对马牙轴10的外壁倾斜布置，且锁撑块114的一侧设有与顶杆113端面倾斜度相适配的斜面，将支撑筒111与锁撑块114倾斜布置，是为了将弹性体115受压回弹的弹性力以倾斜向上方向的力传给锁撑块114，使得锁撑块114依受力效果获得垂直侧面的正应力与沿着侧面的上提力，由正应力提供锁撑块114与马牙轴10之间产生的静摩擦力所需的正压力，由上提力补偿因锁撑块114与马牙轴10之间摩擦系数较小导致的静摩擦力受限。

实际上，设顶杆113受弹性体115回弹传来的弹性力为F，顶杆113与锁撑块114侧面的夹角为α，锁撑块114与马牙轴10之间的摩擦系数为μ，锁撑块114与马牙轴10之间的静摩擦力为f，则：

F_x＝F·sinα

F_y＝F·cosα

从而，

f＝μF_x＝μF·sinα

由F_y＝f，知

上述式中，F_x与F_y分别表示F在垂直马牙轴10的侧面和沿着马牙轴10的侧面方向的力的分量，即，μ与α满足式①时，由弹性体115传递至顶杆113的弹性力F在正交方向上的分量相等。进一步的，由于静摩擦力方向受两个物体的相对移动方向决定，当下放元件过程中，F_x与F_y方向相同且均朝上，此时可提供防中途坐封效果，外部构件因碰撞受阻力时，内部构件通过连锁机构11与外部构件同受阻力影响，而同步下移，避免发生内外构件相对移动而单独剪断某个剪钉14的情况，从而保护卡瓦15不被上锥体13撑开；当解封上提管柱时，F_x与F_y方向相反，对F产生分项力进行平衡，从而降低能耗。事实上，由上述说明可知，本申请解决的是卡瓦15以上的部位因碰撞阻力因素引发的提前坐封问题。

其中，锁撑块114与马牙轴10接触的一面设为粗糙接触面，粗糙接触面是用以提高锁撑块114与马牙轴10之间的摩擦系数，以保证提供足够的摩擦粘结力，使得元件在下放过程中，出现提前坐封时，优先克服该摩擦力后，再克服剪钉14的抗剪承载力。

其中，弹性体115为密实填充状态，此处的密实填充状态，实际上是以锁撑块114与马牙轴10紧压前提下的密实填充，同时，在弹力活塞112的一侧受到液压在5～7MPa范围内时，能够对弹性体115做出压缩，使得顶杆113带动锁撑块114离开马牙轴10的接触面或锁撑块114与马牙轴10处于轻触状态，以解除液压坐封时的摩擦阻力，达到降低能耗的目的，弹性体115为弹性橡胶，具体为耐油性能的高分子弹性体，该耐油高分子弹性体，可为聚烯烃类热塑性弹性体，具体可为采用茂金属催化剂合成的聚烯烃热塑性弹性体乙烯—辛烯共聚物POE。

本发明的工作原理如下：

弹性体115受挤压产生对弹力活塞112的回弹力，并通过顶杆113向锁撑块114斜向施压，该斜向施压力按照压力的作用效果分解为垂直锁撑块114的正压力与平行于锁撑块114轴向的上提力，其中，垂直于锁撑块114侧面的正压力提供静摩擦力，当元件在井管中下放过程中，如上液缸套2、密封胶筒5、下液缸筒7等外部构件与井管内壁碰撞摩擦，致使外部构件相对内部构件有相对位移趋势，此时，锁撑块114提供给马牙轴10上提力与静摩擦力会阻止马牙轴10相对连锁机构11发生移动，使得上锥体13的整个上部构件在下移趋势上整体产生，从而，使得该下移趋势需要克服上锥体13上部的所有剪钉14，从而有效防止上锥体13处的剪钉14被剪断导致提前坐封，即通过连锁机构11的设置，使得非液压力作用下，上锥体13的上部构件组成整体，以上部整体剪钉14共同承受碰撞阻力；

当达到指定位置坐封时，液体通过下进液口12进入坐封工作腔中，推动连接缸套8向下移动，同时，液体推动弹力活塞112压缩弹性体115，解除顶杆113对锁撑块114的压力，马牙轴10下移，推动上锥体13剪断剪钉14，对卡瓦15撑开完成坐封，在连接缸套8下移的同时，锁块9解锁，推动胶筒座6压缩密封胶筒5，液体通过上进液口4进入压力活塞3所在坐封工作腔，推动压力活塞3压缩胶筒座6，从而密封胶筒5受压完成环形密封；

当上提管柱解封时，元件内无外加液压力，顶杆113仍然对马牙轴10提供上提力，但此时马牙轴10相对锁撑块114向上移动，故而顶杆113提供马牙轴10的静摩擦力向下，静摩擦力与上提力平衡，元件完成正常解封工作。

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)

1.一种中途防坐封的封隔器，包括中心管(1)、上液缸套(2)、压力活塞(3)、上进液口(4)、密封胶筒(5)、胶筒座(6)、下液缸筒(7)、连接缸套(8)、锁块(9)、马牙轴(10)、下进液口(12)、上锥体(13)、剪钉(14)和卡瓦(15)，所述中心管(1)的上部套接有上液缸套(2)，所述上液缸套(2)的下部套接有密封胶筒(5)，所述密封胶筒(5)的上下端均设有胶筒座(6)，且位于上部的所述胶筒座(6)与上液缸套(2)的底端密封连接，所述上液缸套(2)的内部设有压力活塞(3)，下部所述的胶筒座(6)的底端设有下液缸筒(7)，所述下液缸筒(7)与中心管(1)完成套接且形成坐封工作腔，所述下液缸筒(7)的内部设有连接缸套(8)，所述连接缸套(8)与中心管(1)套接，所述连接缸套(8)的内部与中心管(1)之间设有锁块(9)，所述下液缸筒(7)的内部且位于连接缸套(8)的下部设有马牙轴(10)，所述马牙轴(10)的底部设有上锥体(13)，所述上锥体(13)与中心管(1)活动套接，所述上锥体(13)通过剪钉(14)与下液缸筒(7)固定连接，所述上锥体(13)的下部设有卡瓦(15)，所述卡瓦(15)与中心管(1)活动套接，位于所述上液缸套(2)和锁块(9)处的中心管(1)内壁分别开设有上进液口(4)和下进液口(12)，其特征在于：所述下液缸筒(7)的内壁上且位于下液缸筒(7)与中心管(1)形成的坐封工作腔内设有连锁机构(11)，所述连锁机构(11)包括支撑筒(111)，所述支撑筒(111)的一端与下液缸筒(7)的内壁固定连接，所述支撑筒(111)的内部滑动连接有弹力活塞(112)，且弹力活塞(112)与支撑筒(111)内壁为密封滑动连接，所述弹力活塞(112)的一侧固定连接有顶杆(113)，所述顶杆(113)的另一端固定连接有锁撑块(114)，所述锁撑块(114)的另一侧与马牙轴(10)的一侧接触，所述支撑筒(111)的内部填充有弹性体(115)。

2.根据权利要求1所述的一种中途防坐封的封隔器，其特征在于：所述支撑筒(111)与顶杆(113)相对马牙轴(10)的外壁倾斜布置，且所述锁撑块(114)的一侧设有与顶杆(113)端面倾斜度相适配的斜面。

3.根据权利要求2所述的一种中途防坐封的封隔器，其特征在于：所述锁撑块(114)与马牙轴(10)接触的一面设为粗糙接触面。

4.根据权利要求1所述的一种中途防坐封的封隔器，其特征在于：所述弹性体(115)为密实填充状态，所述弹性体(115)为弹性橡胶，具体为耐油性能的高分子弹性体。