CN110107250A - 一种柱塞 - Google Patents

Abstract

本申请涉及天然气和石油开采技术领域，公开了一种柱塞，包括芯轴、支撑环、偏压环、密封垫片和弹性件。当柱塞经过井道中内径突然变小的部位时，密封垫片受到碰撞，进而使得密封垫片受到较大的轴向力。在轴向力的作用下，密封垫片沿轴向移动。在密封垫片轴向移动的过程中，密封垫片位于偏压空间的端部与偏压环的内周面可滑动的配合。由于沿偏压环远离支撑环的一侧至支撑环的方向，偏压环的内周面的直径逐渐减小，使得密封垫片受到的轴向力部分被转换为径向向内的力。该径向向内的力驱动密封垫片径向向内运动，进而使得柱塞能够顺利的通过井道中内径突然变小的部位。

Description

一种柱塞

技术领域

本申请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

在石油或天然气井(简称油气井)生产过程中，油气井底有可能会产生积液。井底的积液会影响石油或天然气的产量，甚至导致油气井停产。为了提高油气井的产量，需要将井底的积液排出至井外。

相关技术中提供了一种柱塞。柱塞包括芯轴以及围绕芯轴设置的多个密封垫片。这些密封垫片与芯轴之间设置有弹性件。当柱塞在油气井内工作时，在弹性件的作用下，密封垫片始终与井道内壁接触摩擦，形成密封。当柱塞下行至井底积液液面以下后，在井底压力流体的推动下，柱塞上行。由于密封垫片始终与井道内壁接触摩擦，因此在柱塞上行的过程中，柱塞将位于其上方的积液向上举升。当柱塞到达井口后，积液通过井口排出至油气井外。

在一些油气井的井道中存在内径突然变小的部位，当柱塞在经过井道内径突然变小的部位时，密封垫片的端部将受到碰撞，使得密封垫片无法顺利的径向向内运动，这导致柱塞难以通过井道内径突然变小的部位。

发明内容

本申请的实施例提供一种柱塞，其能够顺利通过井道内内径突然变小的部位。

为了达到上述的目的，本申请的实施例采用如下技术方案：

一种柱塞，包括：芯轴；支撑环，两个支撑环固定在芯轴的外周面并且沿轴向相对设置，两个支撑环之间形成收纳空间；偏压环，偏压环设置在两个支撑环相互正对的侧面，偏压环与芯轴之间形成偏压空间，沿偏压环远离支撑环的一侧至支撑环的方向，偏压环的内周面的直径逐渐减小；多个密封垫片，多个密封垫片位于收纳空间内，多个密封垫片围绕芯轴布置并被构造为沿径向往复运动；密封垫片的轴向两端均位于偏压空间内，沿轴向密封垫片的长度小于两个支撑环之间的轴向距离；以及弹性件，弹性件作用于密封垫片并被构造为对密封垫片施加径向向外的弹性力，以使密封垫片与偏压环的内周面接触；其中，密封垫片被构造为受轴向力时能够沿轴向运动。

本申请的实施例提供的柱塞在工作过程中，当柱塞经过井道中内径突然变小的部位时，密封垫片受到碰撞，进而使得密封垫片受到较大的轴向力。在轴向力的作用下，密封垫片沿轴向移动。在密封垫片轴向移动的过程中，密封垫片位于偏压空间的端部与偏压环的内周面可滑动的配合。由于沿偏压环远离支撑环的一侧至支撑环的方向，偏压环的内周面的直径逐渐减小，使得密封垫片受到的轴向力部分被转换为径向向内的力。该径向向内的力驱动密封垫片径向向内运动，进而使得柱塞能够顺利的通过井道中内径突然变小的部位。

进一步的，密封垫片的轴向端部外侧设置有用于与偏压环的内周面可滑动配合的偏压面；沿偏压环远离支撑环的一侧至支撑环的方向，偏压面逐渐径向向内延伸。

本申请的实施例提供的柱塞中，在密封垫片的轴向端部外侧设置有用于与偏压环的内周面可滑动配合的偏压面，当密封垫片在轴向力的作用下沿轴向移动时，偏压面与偏压环的内周面面接触，如此可以提高密封垫片移动时的稳定性，同时降低密封垫片和偏压环的磨损。

进一步的，偏压面包括相互连接的第一偏压面和第二偏压面，第一偏压面被构造为与偏压环的内周面可滑动配合；第一偏压面和第二偏压面沿轴向布置，第一偏压面相对于第二偏压面更靠近密封垫片的轴向端面；第二偏压面沿径向向内延伸的趋势相对于第一偏压面更平缓。

当本申请的实施例提供柱塞经过井道中内径突然变小的部位时，密封垫片的第二偏压面受到碰撞，碰撞的力被分解成轴向力和径向向内的力。轴向力带动密封垫片轴向移动，以使第一偏压面与偏压环的内周面配合。第一偏压面与偏压环的内周面配合将轴向力部分转换为径向向内的力。上述径向向内的力带动密封垫片径向向内运动。由于第二偏压面的设置增加了径向向内的力的量，从而使得密封垫片能够更容易径向向内收缩，柱塞能够更顺利的通过井道中内径突然变小的部位。另外，第二偏压面沿径向向内延伸的趋势相对于第一偏压面更平缓，使得第二偏压面受到碰撞时，第二偏压面处受到的径向力大于密封垫片轴向另一端的第一偏压面受到的径向力，使得受碰撞一端能够相对于另一端更容易的发生径向向内的偏转。如此，使得密封垫片能够更加顺利的径向向内移动，进而使得柱塞能够更顺利的通过井道中内径突然变小的部位。

进一步的，密封垫片的轴向端面为圆弧面。

当本申请的实施例提供柱塞经过井道中内径突然变小的部位时，密封垫片的第二偏压面受到碰撞，密封垫片发生轴向移动，密封垫片不受碰撞的一端端面抵顶于支撑环。由于密封垫片的轴向端面为圆弧面，使得密封垫片受碰撞的一端在径向向内力的作用下更加容易的径向向内偏转。如此，如此，使得密封垫片能够更加顺利的径向向内移动，进而使得柱塞能够更顺利的通过井道中内径突然变小的部位。

进一步的，偏压环上开设有至少一个沿径向贯通的开口。

油气井中存在泥浆、砂砾、蜡等异物。这些异物随着流体进入密封垫片与芯轴之间的空间后如无法顺利排出，将影响密封垫片径向向内的收缩，导致柱塞在油气井内的运动受限。为了克服上述问题，本申请的实施例提供的柱塞中，偏压环上开设有至少一个沿径向贯通的开口。密封垫片和芯轴之间的异物在流体冲刷下会进入偏压空间。在偏压环上开设的开口将偏压空间和外界连通，使得偏压空间中的异物能够通过开口排出，确保了密封垫片的正常收缩。

进一步的，开口正对相邻的密封垫片之间的间隙。

本申请的实施例提供的柱塞中，开口正对相邻的密封垫片之间的间隙，这使得密封垫片和芯轴之间的异物能够更加容易的排出。

进一步的，芯轴的周面开设有径向向内延伸的导向孔，密封垫片上连接有径向向内延伸的导向柱，导向柱与导向孔可滑动的配合，导向柱的外径小于导向孔的内径。

进一步的，密封垫片的内表面设置有外定位槽，芯轴的周面开设有与外定位槽相对的内定位槽，弹性件的一端位于外定位槽内，弹性件的另一端位于内定位槽内。

进一步的，密封垫片的轴向端部设置有用于与支撑环滚动配合的滚动部件。

本申请的实施例提供的柱塞中，密封垫片的轴向端部设置有用于与支撑环滚动配合的滚动部件。在密封垫片在轴向力的作用下轴向运动至极限时，滚动部件抵顶于支撑环。由于滚动部件与支撑环滚动配合，降低了密封垫片与支撑环之间的摩擦，使得密封垫片在径向向内的力的作用下能够更加顺利的径向向内移动，进而使得柱塞能够更顺利的通过井道中内径突然变小的部位。

附图说明

为了更清楚的说明本申请实施例的技术方案，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申请的某些实施方式，不应被看作是对本申请范围的限制。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为本申请实施例提供的柱塞的外部结构示意图；

图2为本申请实施例提供的柱塞的剖面结构示意图；

图3为本申请实施例提供的柱塞去除密封垫片后的剖面结构示意图；

图4为图2的A处放大图；

图5为图2的B处放大图。

图中：010-柱塞；100-芯轴；100a-收纳空间；110-端头；120-导向孔；130-内定位槽；200-支撑环；300-偏压环；300a-偏压空间；310-开口；400-密封垫片；410-偏压面；411-第一偏压面；412-第二偏压面；420-导向柱；430-外定位槽；500-弹性件。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图，对本申请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申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。

因此，以下对本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的部分实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请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。

在本申请的描述中，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申请和简化描述，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申请的限制。

本申请的描述中，“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：

图1为本实施例提供的柱塞010的外部结构示意图。图2为本实施例提供的柱塞010去除密封垫片400后的结构示意图。图3为本实施例提供的柱塞010的剖面结构示意图。图4为图3的A处放大图。图5为图3的B处放大图。

请结合参照图1-图5。本实施例提供一种柱塞010。柱塞010包括芯轴100、支撑环200、偏压环300、密封垫片400和弹性件500。

芯轴100的两端设置有外螺纹。芯轴100两端均设置有端头110。支撑环200设置在端头110上，在本实施例中，支撑环200与端头110一体成型。支撑环200的内周面设置有内螺纹，从而形成内螺纹孔。芯轴100的端部插入内螺纹孔中并且芯轴100的端部与内螺纹孔螺纹连接。如此，使得端头110与芯轴100固定连接，并且实现了支撑环200固定在芯轴100的外周面。芯轴100两端的支撑环200相对设置。两个支撑环200之间形成收纳空间100a。偏压环300设置在两个支撑环200相互正对的侧面。偏压环300与芯轴100之间形成偏压空间300a。沿偏压环300远离其连接的支撑环200的一侧至其连接的支撑环200的方向，偏压环300的内周面的直径逐渐减小。在本实施例中，偏压环300的内周面为锥面。多个密封垫片400围绕芯轴100布置。密封垫片400位于收纳空间100a内。密封垫片400被构造为能够沿径向往复运动。密封垫片400的两端分别位于两个偏压空间300a内。弹性件500作用于密封垫片400，弹性件500对密封垫片400施加径向向外的力，使得密封垫片400始终具有径向向外运动的趋势。在弹性件500的作用下，密封垫片400径向向外运动，直至密封垫片400的端部与偏压环300抵靠，密封垫片400的端部与偏压环300的内周面接触。当密封垫片400受到径向向内的挤压时，密封垫片400克服弹性件500的弹性力径向向内运动。沿轴向，密封垫片400的长度小于两个支撑环200之间的轴向距离。当密封垫片400受轴向力时，密封垫片400能够沿轴向运动，直至其抵顶于支撑环200。

本实施例提供的柱塞010在工作过程中，当柱塞010经过井道中内径突然变小的部位时，密封垫片400受到碰撞，进而使得密封垫片400受到较大的轴向力。在轴向力的作用下，密封垫片400沿轴向移动。在密封垫片400轴向移动的过程中，密封垫片400位于偏压空间300a的端部与偏压环300的内周面可滑动的配合。由于沿偏压环300远离支撑环200的一侧至支撑环200的方向，偏压环300的内周面的直径逐渐减小，使得密封垫片400受到的轴向力部分被转换为径向向内的力。该径向向内的力驱动密封垫片400径向向内运动，进而使得柱塞010能够顺利的通过井道中内径突然变小的部位。

例如，当柱塞010在井道内上行的过程中，柱塞010经过井道中内径突然变小的部位时，密封垫片400的上端受到碰撞，进而使得密封垫片400受到向下的轴向力。在向下的轴向力的作用下，密封垫片400沿轴向向下移动。在密封垫片400沿轴向向下移动的过程中，密封垫片400的下端与位于芯轴100下端的偏压环300的内周面可滑动的配合。由于沿从上至下的方向，该偏压环300的内周面的直径逐渐减小，使得密封垫片400受到的轴向力部分被转换为径向向内的力。该径向向内的力驱动密封垫片400径向向内运动，进而使得柱塞010能够顺利通过井道中内径突然变小的部位。

进一步的，在本实施例中，密封垫片400的轴向端部外侧设置有用于与偏压环300的内周面配合的偏压面410。沿偏压环300远离其连接的支撑环200的一侧至其连接的支撑环200的方向，偏压面410逐渐径向向内延伸。即：沿从上至下的方向，位于密封垫片400下端的偏压面410逐渐径向向内延伸；沿从下至上的方向，位于密封垫片400上端的偏压面410逐渐径向向内延伸。在本实施例中，偏压面410为锥面的一部分。偏压面410能够与偏压环300的内周面面接触。

在本实施例中，当密封垫片400在轴向力的作用下沿轴向移动时，偏压面410与偏压环300的内周面面接触，如此可以提高密封垫片400移动时的稳定性，同时降低密封垫片400和偏压环300的磨损。

进一步的，在本实施例中，偏压面410包括相互连接的第一偏压面411和第二偏压面412，第一偏压面411被构造为与偏压环300的内周面可滑动配合。第一偏压面411和第二偏压面412沿轴向布置。第一偏压面411相对于第二偏压面412更靠近密封垫片400的轴向端面。第二偏压面412沿径向向内延伸的趋势相对于第一偏压面411更加平缓。

在本实施例中，当柱塞010经过井道中内径突然变小的部位时，密封垫片400的第二偏压面412受到碰撞，碰撞的力被分解成轴向力和径向向内的力。轴向力带动密封垫片400轴向移动，以使第一偏压面411与偏压环300的内周面配合。第一偏压面411与偏压环300的内周面配合将轴向力部分转换为径向向内的力。上述径向向内的力带动密封垫片400径向向内运动。由于第二偏压面412的设置增加了径向向内的力的量，从而使得密封垫片400能够更容易径向向内收缩，柱塞010能够更顺利的通过井道中内径突然变小的部位。另外，第二偏压面412沿径向向内延伸的趋势相对于第一偏压面411更平缓，使得第二偏压面412受到碰撞时，第二偏压面412处受到的径向力大于密封垫片400轴向另一端的第一偏压面411受到的径向力，使得受碰撞一端能够相对于另一端更容易的发生径向向内的偏转。如此，使得密封垫片400能够更加顺利的径向向内移动，进而使得柱塞010能够更顺利的通过井道中内径突然变小的部位。

具体的，例如当柱塞010在井道内上行，且柱塞010经过井道中内径突然变小的部位时，密封垫片400上端的第二偏压面412受到碰撞，碰撞的力被分解成向下的轴向力和径向向内的力。向下的轴向力带动密封垫片400轴向向下移动，以使密封垫片400下端的第一偏压面411与位于芯轴100下端的偏压环300的内周面配合。密封垫片400下端的第一偏压面411与位于芯轴100下端的偏压环300的内周面配合将轴向向下的力部分转换为径向向内的力。上述径向向内的力带动密封垫片400径向向内运动。由于第二偏压面412的设置增加了径向向内的力的量，从而使得密封垫片400能够更容易径向向内收缩，柱塞010能够更顺利的通过井道中内径突然变小的部位。另外，第二偏压面412沿径向向内延伸的趋势相对于第一偏压面411更平缓，使得密封垫片400上端的第二偏压面412受到碰撞时，第二偏压面412处受到的径向力大于密封垫片400下端的第一偏压面411受到的径向力，使得受碰撞一端能够相对于另一端更容易的发生径向向内的偏转。如此，使得密封垫片400能够更加顺利的径向向内移动，进而使得柱塞010能够更顺利的通过井道中内径突然变小的部位。

进一步的，在本实施例中，密封垫片400的轴向端面为圆弧面。

当本实施例提供柱塞010经过井道中内径突然变小的部位时，密封垫片400的第二偏压面412受到碰撞，密封垫片400发生轴向移动，密封垫片400不受碰撞的一端端面抵顶于支撑环200。由于密封垫片400的轴向端面为圆弧面，使得密封垫片400受碰撞的一端在径向向内力的作用下更加容易的径向向内偏转。如此，如此，使得密封垫片400能够更加顺利的径向向内移动，进而使得柱塞010能够更顺利的通过井道中内径突然变小的部位。

进一步的，在本实施例中，偏压环300上开设有至少一个沿径向贯通的开口310。

油气井中存在泥浆、砂砾、蜡等异物。这些异物随着流体进入密封垫片400与芯轴100之间的空间后如无法顺利排出，将影响密封垫片400径向向内的收缩，导致柱塞010在油气井内的运动受限。为了克服上述问题，本实施例提供的柱塞010中，偏压环300上开设有至少一个沿径向贯通的开口310。密封垫片400和芯轴100之间的异物在流体冲刷下会进入偏压空间300a。在偏压环300上开设的开口310将偏压空间300a和外界连通，使得偏压空间300a中的异物能够通过开口310排出，确保了密封垫片400的正常收缩。

进一步的，在本实施例中，开口310正对相邻的密封垫片400之间的间隙。当密封垫片400径向向外运动至极限时，相邻的密封垫片400之间的间隙最大。当密封垫片400径向向内运动至极限时，相邻的密封垫片400之间的间隙最小。

在密封垫片400沿径向往复运动的过程中，会挤压密封垫片400与芯轴100之间的异物，使得异物向密封垫片400的周向两端移动，并进入相邻的密封垫片400之间的间隙。使开口310与相邻的密封垫片400之间的间隙相对，能够更加高效的排出密封垫片400和芯轴100之间的异物。

进一步的，在本实施例中，芯轴100的周面开设有径向向内延伸的导向孔120，密封垫片400上连接有径向向内延伸的导向柱420，导向柱420与导向孔120可滑动的配合，导向柱420的外径小于导向孔120的内径。通过导向柱420和导向孔120的配合，能够在密封垫片400径向运动的过程中起导向作用。并且，导向柱420的外径小于导向孔120的内径，使得密封垫片400能够发生轴向移动。导向柱420的外径和导向孔120的内径只差略大于两个支撑环200之间的轴向距离与密封垫片400的轴向长度只差。

进一步的，在本实施例中，密封垫片400的内表面设置有外定位槽430，芯轴100的周面开设有与外定位槽430相对的内定位槽130，弹性件500的一端位于外定位槽430内，弹性件500的另一端位于内定位槽130内。在本实施例中，弹性件500为弹簧。

需要说明的是，在其他实施方式中，还可以在密封垫片400的轴向端部设置有用于与支撑环200滚动配合的滚动部件(图未示出)，例如滚针或滚珠。密封垫片400在轴向力的作用下轴向运动至极限时，滚动部件抵顶于支撑环200。由于滚动部件与支撑环200滚动配合，降低了密封垫片400与支撑环200之间的摩擦，使得密封垫片400在径向向内的力的作用下能够更加顺利的径向向内移动，进而使得柱塞010能够更顺利的通过井道中内径突然变小的部位。

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

Claims (9)

1.一种柱塞，其特征在于，包括：

芯轴；

支撑环，两个所述支撑环固定在所述芯轴的外周面并且沿轴向相对设置，两个所述支撑环之间形成收纳空间；

偏压环，所述偏压环设置在两个所述支撑环相互正对的侧面，所述偏压环与所述芯轴之间形成偏压空间，沿所述偏压环远离所述支撑环的一侧至所述支撑环的方向，所述偏压环的内周面的直径逐渐减小；

多个密封垫片，多个所述密封垫片位于所述收纳空间内，多个所述密封垫片围绕所述芯轴布置并被构造为沿径向往复运动；所述密封垫片的轴向两端均位于所述偏压空间内，沿轴向所述密封垫片的长度小于两个所述支撑环之间的轴向距离；以及

弹性件，所述弹性件作用于所述密封垫片并被构造为对所述密封垫片施加径向向外的弹性力，以使所述密封垫片与所述偏压环的内周面接触；

其中，所述密封垫片被构造为受轴向力时能够沿轴向运动。

2.根据权利要求1所述的柱塞，其特征在于：

所述密封垫片的轴向端部外侧设置有用于与所述偏压环的内周面可滑动配合的偏压面；沿所述偏压环远离所述支撑环的一侧至所述支撑环的方向，所述偏压面逐渐径向向内延伸。

3.根据权利要求2所述的柱塞，其特征在于：

所述偏压面包括相互连接的第一偏压面和第二偏压面，所述第一偏压面被构造为与所述偏压环的内周面可滑动配合；所述第一偏压面和所述第二偏压面沿轴向布置，所述第一偏压面相对于所述第二偏压面更靠近所述密封垫片的轴向端面；所述第二偏压面沿径向向内延伸的趋势相对于所述第一偏压面更平缓。

4.根据权利要求3所述的柱塞，其特征在于：

所述密封垫片的轴向端面为圆弧面。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的柱塞，其特征在于：

所述偏压环上开设有至少一个沿径向贯通的开口。

6.根据权利要求5所述的柱塞，其特征在于：

所述开口正对相邻的所述密封垫片之间的间隙。

7.根据权利要求1所述的柱塞，其特征在于：

所述芯轴的周面开设有径向向内延伸的导向孔，所述密封垫片上连接有径向向内延伸的导向柱，所述导向柱与所述导向孔可滑动的配合，所述导向柱的外径小于所述导向孔的内径。

8.根据权利要求1所述的柱塞，其特征在于：

所述密封垫片的内表面设置有外定位槽，所述芯轴的周面开设有与所述外定位槽相对的内定位槽，所述弹性件的一端位于所述外定位槽内，所述弹性件的另一端位于所述内定位槽内。

9.根据权利要求1所述的柱塞，其特征在于：

所述密封垫片的轴向端部设置有用于与所述支撑环滚动配合的滚动部件。