CN110284855A - 井下坐封工具及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种井下坐封工具及方法，该工具包括：设置有腔体流道的外壳连接机构，脉冲功率输出机构和电液爆启动机构，电液爆启动机构包括：活塞腔，设置在活塞腔内的第一电极和第二电极，第一电极与所述第二电极之间的活塞腔内容纳有金属粉末悬浮电爆液；活塞杆；抵靠在活塞杆下方的液道开关活塞，液道开关活塞通过剪切销钉固定在外壳连接机构上，液道开关活塞中设置有活塞流道；在启动电液爆启动机构后，活塞杆能被向下推动，剪断剪切销钉，活塞流道与所述腔体流道相连通。本发明能够较佳地满足分段压裂开采中隔器和桥塞的坐封作业需要。

Description

井下坐封工具及方法

技术领域

本发明涉及石油井下工具技术领域，尤其涉及一种井下坐封工具及方法。

背景技术

本部分的描述仅提供与本发明公开相关的背景信息，而不构成现有技术。

低渗透致密油气藏目前已成为石油天然气生产的主体。针对这种油气藏，在开采过程中广泛采用分段压裂的开采技术。其中，采用分段压裂的开采技术时，常用桥塞和封堵器作为封堵件，通过二者将井下管柱分隔开来实现套管内的封堵。

目前封隔器和桥塞的坐封方法主要有两大类，分别为液压坐封和火药爆炸坐封。其中，液压坐封是通过坐封工具复杂的液道和活塞结构，在地面控制液体压力使内外管柱发生相对运动以提供坐封力实现坐封。火药爆炸坐封是通过电触发头使压缩火药并发生爆炸，爆炸产生的高能气体推动活塞结构发生相对运动实现坐封。但是，无论是采用液压坐封还是采用火药爆炸坐封都存在各自的局限性。

对于采用火药爆炸坐封的方式而言，主要通过火药柱实现。这种方式主要存在以下问题：

一、因为火药柱是非标准件，需要定制加工，所以火药柱燃烧产生的推力不够稳定，受工人技术水平影响较大；

二、火药属于受管控物品，运输审批程序复杂，且定制加工周期长，不易批量生产和储存，不便于现场灵活施工；

三、火药柱成本较高。

这些不足无法保证油气井封堵作业效率和安全性。

对于采用液压坐封而言，目前的液压坐封工具面临以下问题：

一、井下工具长度整体较长，不利于下转折较大的井；

二、内部结构复杂零部件数目多，受工人技术水平限制，工具安装速度和质量受到限制；

三、复杂的液压结构的后期保养极为复杂。这些不足限制了油气井封堵作业适用性和经济性。

综上，无论是采用液压坐封还是采用火药爆炸坐封都无法较佳地满足分段压裂开采中隔器和桥塞的坐封作业需要。

发明内容

为了克服现有技术中的至少一个缺陷，本发明提供了一种新的井下坐封工具及方法，能够较佳地满足分段压裂开采中隔器和桥塞的坐封作业需要。

本申请实施方式公开了一种井下坐封工具，该井下坐封工具包括：

中空的外壳连接机构，以及沿着高度方向依次设置在所述外壳连接机构中的脉冲功率输出机构和电液爆启动机构，所述外壳连接机构上设置有腔体流道；所述脉冲功率输出机构能向所述电液爆启动机构放电；所述电液爆启动机构包括：活塞腔，设置在所述活塞腔内的第一电极和第二电极，所述第一电极与所述第二电极之间的活塞腔内容纳有金属粉末悬浮电爆液；能相对所述活塞腔移动的活塞杆；抵靠在所述活塞杆下方的液道开关活塞，所述液道开关活塞通过剪切销钉固定在所述外壳连接机构上，所述液道开关活塞中设置有活塞流道；在所述电液爆启动机构启动前，所述活塞流道与所述腔体流道相错位；在启动所述电液爆启动机构后，所述活塞杆能被向下推动，剪断所述剪切销钉，所述活塞流道与所述腔体流道相连通。

在一个优选的实施方式中，所述活塞杆包括位于所述活塞腔内的活塞头和一端伸出所述活塞腔的杆体，所述活塞头将所述活塞腔分隔为主腔室和副腔室，所述活塞头上设置有活塞单向阀，启动所述电液爆启动机构后，所述活塞杆被向下推动的过程中，所述活塞单向阀开启，所述副腔室与所述主腔室相连通。

在一个优选的实施方式中，所述副腔室上还设置有活塞安全阀，当所述副腔室中的压力达到所述活塞安全阀的开启压力时，所述活塞安全阀打开。

在一个优选的实施方式中，所述外壳连接机构包括：上腔体、下腔体和用于连接所述上腔体和所述下腔体的上下腔体连接器，所述下腔体的内壁上设置有限位凹槽，所述液道开关活塞的下端设置有弹簧锁扣，在所述活塞杆向下移动的过程中，当所述弹簧锁扣卡入所述限位凹槽中时，所述活塞杆运动到最大行程，所述活塞单向阀关闭。

在一个优选的实施方式中，所述金属粉末悬浮电爆液包括：油、膨胀石蜡，粒径为微米级的铜粉和石墨粉以及电解质溶液。

在一个优选的实施方式中，所述活塞腔内外两层压合结构，包括：外层腔和内层腔，所述外层腔由金属材质制成，所述内层腔由聚四氟乙烯材质制成。

在一个优选的实施方式中，所述脉冲功率输出机构包括在沿着高度方向上通过电缆依次连接的：变压器、电子控制板、电容器、继电器和开关管，所述脉冲功率输出机构输出的脉冲次数与所述电液爆启动机构的启动次数相等。

在一个优选的实施方式中，还包括与所述电子控制板电性连接的传感器，在接收到所述传感器表示所述剪切销钉被剪断的信号前，所述电子控制板能控制所述脉冲功率输出机构周期性输出脉冲，在所述电子控制板接收到所述传感器表示所述剪切销钉被剪断的信号后，控制所述脉冲功率输出机构停止输出脉冲。

一种基于上述的井下坐封工具的井下坐封方法，其包括：

电子控制板控制变压器通电，所述变压器将交流转换为直流电，转换得到的直流电用于给电容器充电；

在所述电容器充电预定时长至达到满电状态后，电子控制板控制启动继电器，所述继电器控制开关管将放电电路接通，向电液爆启动机构放电，在活塞腔内发生多次电爆；

活塞腔中电爆炸和液电效应产生的脉动高能冲击波，逐渐积累能量剪断剪切销钉，启动液压系统进行液压坐封。

在一个优选的实施方式中，所述方法还包括：在启动液压坐封系统后，继续提高电液爆输入能量，为液压坐封工具提供额外的脉动压力，辅助完成坐封。

本发明的特点和优点是：本申请实施方式中所提供的井下坐封工具及方法，能够较佳地满足分段压裂开采中隔器和桥塞的坐封作业需要。其中，选择电液爆替代传统的火药和雷管，不仅克服了火工方法坐封的材料管控性和操作工要求高的缺点，电液爆方法储存运输方便，而且提供的爆炸力稳定且持续，可控性强。电液爆产物仍是金属粉末悬浮液，清洁无污染，施工操作成本低。此外，基于脉冲功率技术，电能到冲击波能量的转换效率高，节能经济。

附图说明

图1为本申请实施方式中提供的一种井下坐封工具的结构示意图；

图2为本申请实施方式中提供的一种井下坐封工具的剪切销钉被剪断后的局部示意图；

图3为本申请实施方式中提供的一种井下坐封工具电液爆启动机构的局部结构示意图；

图4为本申请实施方式中提供的一种井下坐封工具活塞单向阀的结构示意图；

图5为本申请实施方式中提供的一种井下坐封工具脉冲功率输出机构的工作原理示意图。

附图标记说明：

1、电缆；2、高压变压器；3、上腔体；4、电缆保护管；5、主电子控制板；6、上下腔体连接器；7、控制板支座；8、储能电容器；9、干簧继电器；10、高压开关管；11、活塞腔；12、第一电极；13、第二电极；14、活塞杆；140、活塞头；141、活塞单向阀；1411、进液口；1412、球塞；1413、密封弹簧；1414、出液口；142、活塞安全阀；143、杆体；144、止推部；15、液道开关活塞；16、剪切销钉；17、固定环；18、活塞流道；19、腔体流道；20、下腔体；21、第一密封件；22、第二密封件；23、第三密封件；24、第四密封件；25、第五密封件；26、第六密封件；27、第七密封件；28、限位凹槽；29、弹簧锁扣。

具体实施方式

结合附图和本发明具体实施方式的描述，能够更加清楚地了解本发明的细节。但是，在此描述的本发明的具体实施方式，仅用于解释本发明的目的，而不能以任何方式理解成是对本发明的限制。在本发明的教导下，技术人员可以构想基于本发明的任意可能的变形，这些都应被视为属于本发明的范围。需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

为了克服现有技术中火药爆炸坐封技术中的安全低、成本高、审批复杂问题，以及液压坐封技术中的尺寸结构过大，装配复杂保养难问题，本发明实施方式中提供了一种井下坐封方法、工具及其电爆启动装置，以脉冲功率技术为基础，将电能进行低频高功率转化，进而转化成高能冲击波，有效解决常规火药爆炸坐封的不安全性和管控性，有效替代了液压坐封的复杂结构和不稳定性。

如图1和图2所示，本说明书实施方式中所提供的一种井下坐封工具，其整体在结构上主要包括三部分：自上至下依次连接的外壳连接体机构、脉冲功率输出机构、电液爆启动机构。

在本实施方式中，外壳连接体机构主要用于为脉冲功率输出机构和电液爆启动机构提供安装的结构支撑。具体的，该外壳连接体机构可以整体为H形结构的一组连接体。该外壳连接体机构的内部为中空圆柱空间。在外壳连接体的外部可以设置有螺纹结构，该螺纹结构用于和井下工具相连接。

整体上，为了保证该井下坐封工具使用时的密封性，该外壳连接机构可以采用双层密封结构。具体的，该外壳连接机构可以包括：上腔体3、下腔体20和用于连接所述上腔体3和下腔体20的上下腔体连接器6。

该上腔体3整体可以为中空的圆柱体，其上端形成有限位台肩，该限位台肩与所述脉冲功率输出机构之间设置有第一密封件21。该第一密封件21用于保证上腔体3与所述脉冲功率输出机构之间的密封性。具体的，该第一密封件21可以为密封圈的形式。该第一密封件21的个数可以为1个，优选的，可以为两个，或者两个以上，从而能可靠地保证上腔体3与该脉冲输出机构之间的密封性。该上腔体3的下端可以与所述上下腔体连接器6固定连接。该固定连接的方式可以为螺纹连接，当然，还可以为其他固定连接的方式，例如螺钉连接、焊接等等。在该上腔体3与该上下腔体连接器6配合的位置，具体的为靠近该上腔体3下端的内表面与该上下腔体连接器6的外表面之间设置有第二密封件22。该第二密封件22用于保证上腔体3与所述上下腔体连接器6之间的密封性。具体的，该第二密封件22可以为密封圈的形式。该第二密封件22的个数可以为1个，优选的，可以为两个，或者两个以上，从而能可靠地保证上腔体3与该上下腔体连接器6之间的密封性。

该上下腔体连接器6整体为中空的回转体，其上部的内侧与该脉冲功率输出机构密封配合，其上部的外侧与上腔体3密封配合，其下部的外侧用于和下腔体20密封配合，其下部的内侧设置有部分电液爆启动机构。具体的，上述密封配合的方式也可以为设置密封件的形式。例如，可以在上下腔体连接器6与脉冲功率输出机构之间设置第三密封件23，在上下腔体连接器6与下腔体20之间设置有第四密封件24。上述第三密封件23和第四密封件24的个数可以为一个，优选的可以为两个及以上，从而保证密封的可靠性。

该下腔体20整体也可以为中空的圆柱体，其上端与上下腔体连接器6密封连接，其下部设置有腔体流道19，在电液爆启动机构启动前，该腔体流道19处于封堵状态。具体的，该腔体流道19可以被该电液爆启动机构所封堵。该下腔体20的中部可以设置有限位台肩，用于抵靠上下腔体连接器6的下端。该下腔体20与电液爆启动机构之间可以设置有剪切销钉16。当启动该电液爆启动机构后，该剪切销钉16能被该电液爆启动机构剪断，使得该电液爆启动机构能够解除对该腔体流道19的封堵，从而能够打开该腔体流道19。

在该下腔体20中，位于该腔体流道19的下部可以设置有限位部。具体的，该限位部可以为限位凹槽28的形式，该限位凹槽28可以与电液爆启动机构中的部件相配合构成限位机构，从而对电液爆启动机构进行轴向限定。

在该下腔体20中，位于该腔体流道19的上部可以设置有第五密封件25，该第五密封件25用于保证该下腔体20与该电液爆启动机构配合位置的密封性。第五密封件25的个数可以为一个，优选的可以为两个及以上，从而保证密封的可靠性。

在本实施方式中，脉冲功率输出机构是一套调压整流机构，其可以包括：电性连接的变压器、电子控制板、电容器以及配套的附件。该脉冲功率输出机构能够将低压交流电转换成高压直流电储存在电容器中，电子控制板控制电容器短路导通放电，实现脉冲功率的输出。

具体的，该脉冲功率输出机构的各个电子元器件可以通过电缆1连接。例如，在沿着高度方向上，可以通过电缆1依次连接有：变压器、电子控制板、电容器、继电器和开关管。为了保证该电缆1使用时的安全性和可靠性，在该电缆1以及电缆1连接的电子元器件外可以套设有电缆保护管4。具体的，该电缆保护管4与该上腔体3通过设置密封件实现密封配合。

在一个具体的实施方式中，该脉冲功率输出机构可以包括：用于连接的螺纹密封接头、用于保护电缆1的电缆保护管4，上下两个接头和电缆保护管4之间形成一个空腔。空腔中从上至下设置有电缆1、控制信号线、升压高压变压器2、主电子控制板5、控制板支座7、大容量储能电容器8、干簧继电器9和高压开关管10。

其中，电缆1中包含地面220伏工频电和地面控制信号。信号线采用can总线技术，将地面控制信号输送到主电子控制板5。主电子控制板5中的plc为升压变压器和干簧继电器9提供高低电平的控制信号。升压变压器接收主电子控制板5的信号将220伏工频电转换为4千伏-6千伏直流电，充入大容量储能电容器8中。干簧继电器9接到主电子控制板5指令时控制高压放电管接通，大容量脉冲电容器短路对电液爆启动机构放电，形成高压电磁脉冲。主电子控制板5也负责将地下传感器采集的信号反馈到地面系统。

电液爆启动机构作为该井下坐封工具的核心机构，其用于将高功率电能转化为具有陡升前沿的高能压力冲击波，以单次或周期性地作用于剪切销钉16，使得该剪切销钉16被剪断。该电液爆启动机构安装在外壳连接体机构内部，其可以包括：活塞腔11，第一电极12，第二电极13，活塞杆14，液道开关活塞15，剪切销钉16。其中，第一电极12为高压电极(也即为正极)，第二电极13为地电极(也即为负极)。

在本说明书中，在该下腔体20的内壁上可以设置有开孔。具体的，该开孔可以为沉头孔。在该开孔位置可以设置有固定环17，该固定环17用于安装剪切销钉16。具体的，剪切销钉16穿过固定环17能将液道开关活塞15固定在固定环17上。

具体的，活塞腔11可以为内部充满导电金属粉末悬浮液的柱塞缸。该活塞腔11可以通过螺纹安装在上下腔体连接器6内部。例如，电爆启动机构的活塞腔11可以设置有用于连接的螺纹接头。活塞腔11上端和上下腔体连接器6之间可以通过螺纹相连。活塞腔11为内外两层压合结构，包括：外层腔和内层腔。其中，外层腔可以由金属材质制成，起封闭腔体和强度支撑的作用，内层腔可以由高强度、光滑、绝缘的聚四氟乙烯材质制成，为金属粉末悬浮电爆液提供绝缘高强度的反应空间。

该活塞杆14可以包括位于该活塞腔11内部的活塞头140和一端伸出该活塞腔11的杆体143。所述活塞头140将所述活塞腔11分隔为主腔室和副腔室。为了保证活塞杆14与活塞腔11配合位置的密封性，该活塞头140和活塞腔11之间、杆体143和活塞腔11之间都可以安装有密封件。其中，活塞头140与活塞腔11之间的密封件为第六密封件26，杆体143与活塞腔11之间的密封件为第七密封件27。该第六密封件26、第七密封件27具体可以为双层密封圈。活塞腔11下部的活塞杆14与液道开关活塞15上平面紧密顶在一起。高压电极可以通过高压电极绝缘座安装在电液爆活塞腔11正上方。地电极可以通过地电极绝缘座和活塞杆14固定为一体。

金属粉末悬浮液在正负极高电压作用下发生电爆炸，产生陡峭前沿的高能压力冲击波周期性冲击，不断积累能量，推动柱塞缸内的活塞杆14，活塞杆14带动液道开关活塞15向下移动，剪断剪切销钉16，将液道开关活塞15中的活塞流道18与下腔体20上的腔体流道19连通，形成液压回路，完成坐封。当然，也不排除金属粉末悬浮液在正负极高电压作用下发生一次电爆炸后，即可推动柱塞缸内的活塞，进而活塞杆14带动液道开关活塞15向下移动，剪断剪切销钉16，将液道开关活塞15中的活塞流道18与下腔体20上的腔体流道19连通，形成液压回路，完成坐封。

金属粉末悬浮液具有自愈合性能，充电即可完成二次爆炸，因此可以实现周期连续电爆炸。具体的，该金属粉末悬浮液可以包括：微米尺度铜粉和石墨粉，油，膨胀石蜡等形成的Nacl电解质混合溶液。其中，微米尺度的铜粉和石墨粉具体是指铜粉和石墨粉的粒径为微米级。微米尺度的铜粉和石墨粉分散悬浮在Nacl溶液中，建立分散的并联导电通道。其中，油为颗粒悬浮提供介质条件。膨胀石蜡在冲击波作用下会膨胀体积，能用于补充电爆之后在压力作用下膨胀的主腔室，使主腔室内不会产生负压，活塞向剪切销钉16持续施压，达到剪断剪切销钉16的目的。其中，电解质溶液除了Nacl之外，也还可以其他导电的盐溶液等，本申请在此并不作具体的限定。

请结合参阅图3，在一个实施方式中，活塞杆14的活塞头140上安装有活塞单向阀141。活塞单向阀141外表面为螺纹连接口，安装在活塞头140上。当脉动高能冲击波作用在活塞头140的上表面时，活塞杆14向下运动，活塞头140下表面和电液爆活塞腔11围成的副腔室空间被压缩，此时，活塞单向阀141打开。

进一步的，在活塞杆14远离活塞头140的一端可以设置有止推部144，该止推部144一方面用于保证该活塞杆14与该开关活塞的接触面积，另一方面当该活塞杆14复位时，可以作为限位部，限制该活塞杆14向上的移动距离。具体的，该止推部144可以为在该活塞杆14的一端形成的具有一定厚度的圆环，当然，该止推部144还可以为其他形式，本申请在此并不作具体的限定。

请结合参阅图4，具体的，该活塞单向阀141可以包括：中空的第一本体，中空部分为贯通孔，该活塞单向阀141的贯通孔自下而上设置有：进液口1411、球塞1412、密封弹簧1413和出液口1414。该密封弹簧1413具有初始的压缩量，从而施加给该球塞1412一定的顶紧力，阻断该贯通孔，流体无法流经该活塞单向阀141。当该球塞1412受到外界的压力足够大时，例如副腔室内的压力足够大时，该压力通过进液口1411压缩球塞1412和密封弹簧1413，从而打开该活塞单向阀141。进一步的，该副腔室中可以存储有电爆液，该活塞单向阀141打开后，副腔室的电爆液会流入主腔室中。当副腔室内的电爆液能流入主腔室中时，能够削弱副腔室对活塞头140的阻碍作用。当活塞杆14运动到最大行程后，活塞单向阀141再次关闭，同时通过活塞单向阀141的电爆液在腔体内激荡起得涡旋水流，使电爆液均匀分散，为下一次电液爆做准备。

在一个实施方式中，所述副腔室上还可以设置有活塞安全阀142，当所述副腔室中的压力达到所述活塞安全阀142的开启压力时，所述活塞安全阀142打开，从而保证整个井下坐封工具在使用时的安全性。

在一个具体的实施方式中，所述下腔体20的内壁上设置有限位凹槽28，所述液道开关活塞15的下端设置有弹簧锁扣29，在所述活塞杆14向下移动的过程中，当所述弹簧锁扣29卡入所述限位凹槽28中时，所述活塞杆14运动到最大行程，所述活塞单向阀141关闭。

在本实施方式中，脉冲功率输出机构输出脉动的高能压力冲击波，周期性作用在活塞头140上表面，冲击能量逐渐聚集增大，最终剪断剪切销钉16，液道开关活塞15与固定环17分离，液道开关活塞15向下运动。由于该液道开关活塞15内部设计有活塞流道18，下腔体20上设计有腔体流道19，当活塞杆14剪断剪切销钉16之后，下腔体20的腔体流道19可以与活塞的活塞流道18相连通，建立液压通道。液道开关活塞15底部存在弹簧锁扣29，当液道开关活塞15运动到指定位置后，流道完全贯通后，弹簧锁扣29弹簧张开，卡在下腔体20内壁的限位凹槽28内。

本申请说明书中所提供的井下坐封工具主要是利用了电爆液具有自愈性，单次爆炸结束后，金属粉末将继续悬浮液体中，电爆液成分功能不会损失，再次控制电容器充放电，即可以达到多次连续爆炸的效果，产生脉动的高能冲击波作用在活塞上，重复多次爆炸，累积冲击冲击能量，液道开关活塞15最终剪断销钉，打开液压通道完成坐封。金属悬浮液作为一种高效率能量转化的介质，本身不含能，只是能量传输的介质，安全可控，清洁经济。

脉冲功率输出机构是一套调压整流机构，将低压交流电转换成高压直流电储存在脉冲电容器中，电子控制板控制电容器短路导通放电，实现脉冲功率的输出。

在一个实施方式中，该脉冲功率输出机构还可以包括与电子控制板电性连接的传感器。该电性连接可以通过有线或者无线的方式连接，该连接可以为直接连接，也可以为间接连接，该电性连接的方式本申请在此并不作具体的限定。该传感器用于获取表示该剪切销钉16被剪断的信号。具体的，该传感器可以为位移传感器，也可以为压力传感器，也可以为流量传感器，或者其他形式的传感器。例如，当该传感器为位移传感器时，该传感器能够用于获取该活塞杆14、液道开关活塞15中任意一个的位移信息，从而表示该剪切销钉16是否被剪断。例如，当该传感器为流量传感器时，该传感器可以设置在活塞流道18中或者所述下腔体20的内部或者其他能表示活塞流道18与腔体流道19相连通的位置，当该传感器获取流量信号时，表示该活塞流道18与腔体流道19相连通，即剪切销钉16已经被剪断。

在本说明书中的电缆1中包含220V交流电和通信Can总线。通过电缆1将二者送至井下。地面与地下传输控制信号通过can总线进行传输。电子控制板主要控制两个元器件：高压变压器2和干簧继电器9的接通和断开。

本申请实施方式中，基于上述井下坐封工具，还提供一种井下坐封方法。具体的，该井下坐封可以包括如下步骤：

步骤S10：电子控制板控制变压器通电，所述变压器将交流转换为直流电，转换得到的直流电用于给电容器充电；

步骤S12：在所述电容器充电预定时长至达到满电状态后，电子控制板控制启动继电器，所述继电器控制开关管将放电电路接通，向电液爆启动机构放电，在活塞腔11内发生多次电爆；

步骤S14：活塞腔11中电爆炸和液电效应产生的脉动高能冲击波，逐渐积累能量剪断剪切销钉16，启动液压系统进行液压坐封。

进一步的，所述方法还可以包括步骤S16：在启动液压坐封系统后，继续提高电液爆输入能量，为液压坐封工具提供额外的脉动压力，辅助完成坐封。

以下结合井下坐封工具的内部结构和图5详细介绍该井下坐封工具的工作过程。

其中，该井下坐封工具的脉冲功率输出机构工作时，首先，电子控制板控制高压变压器2接通，将220V交流电转换成4000～6000V直流电，该转换成的直流电用于给储能电容器8充电。一般的，该储能电容器8充满需要20S左右。电容器充满电之后，电子控制板控制干簧继电器9接通，干簧继电器控制高压开关管10的两个高压触点将放电电路接通。此时，储存在储能电容器8里的能量被瞬间释放，实现高功率直流高压脉冲的输出，完成一次电爆循环。通过对电子控制板的编程控制，可以实现单次通信对应在金属粉末悬浮液电爆腔(即容纳金属粉末悬浮液的活塞腔11)中实现多次电液爆循环。

电爆液爆炸伴随产生剧烈的脉动高能冲击波，多次电爆循环累积冲击波的压力，直到到达临界压力值，电液爆柱塞杆在冲击波的作用下向下运动，在剪切力作用下剪切销钉16被剪断，液道开关活塞15和固定环17分离，活塞杆14推动液道开关活塞15继续向下运动，直到运动到指定位置时，液道开关活塞15下部弹簧锁扣29运动到下端的限位凹槽28时，弹簧锁扣29弹簧启动将液道开关活塞15固定在下腔体20中。此时，中部的活塞流道18和腔体流道19处于正对齐状态，井下压力液柱顺着图中所示方向进入工具内部，最终实现坐封。

电液爆启动坐封的主要目的有两点：

一、活塞腔11中电爆炸和液电效应产生的脉动高能冲击波，逐渐积累能量剪断剪切销钉16，主要作用是启动了液压系统进行液压坐封。

二、在启动液压坐封系统后，继续提高电液爆输入能量，会继续提高电液爆产生冲击波的峰值压力，形成一种脉动冲击作用，可以继续作用在活塞头140上表面，通过活塞杆14传递给坐封工具腔体一个向下的冲击力，为液压坐封工具提供一个额外的脉动压力，辅助完成坐封。

其中，提高电液爆输入能量可以通过提高变压器的输出电压实现。根据公式能量公式可知W＝0.5CV²(其中，W代表能量，C代表储能电容器8的容量，V代表充电电压)，提高充电电压可以使输入的能量变大。具体的，主电子控制板5可以与高压变压器2通信，控制高压变压器2输出更高的电压，为储能电容器8充电。

选择电液爆替代传统的火药和雷管，不仅克服了火工方法坐封的材料管控性和操作工要求高的缺点，电液爆方法储存运输方便，而且提供的爆炸力稳定且持续，可控性强。电液爆产物仍是金属粉末悬浮液，清洁无污染，施工操作成本低。基于脉冲功率技术，电能到冲击波能量的转换效率高，节能经济。

本说明书中的各个实施方式均采用递进的方式描述，每个实施方式重点说明的都是与其他实施方式的不同之处，各个实施方式之间相同相似的部分互相参见即可。

上述实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种井下坐封工具，其特征在于，包括：中空的外壳连接机构，以及沿着高度方向依次设置在所述外壳连接机构中的脉冲功率输出机构和电液爆启动机构，

所述外壳连接机构上设置有腔体流道；

所述脉冲功率输出机构能向所述电液爆启动机构放电；

所述电液爆启动机构包括：

活塞腔，设置在所述活塞腔内的第一电极和第二电极，所述第一电极与所述第二电极之间的活塞腔内容纳有金属粉末悬浮电爆液；

能相对所述活塞腔移动的活塞杆；

抵靠在所述活塞杆下方的液道开关活塞，所述液道开关活塞通过剪切销钉固定在所述外壳连接机构上，所述液道开关活塞中设置有活塞流道；在所述电液爆启动机构启动前，所述活塞流道与所述腔体流道相错位；在启动所述电液爆启动机构后，所述活塞杆能被向下推动，剪断所述剪切销钉，所述活塞流道与所述腔体流道相连通。

2.如权利要求1所述的井下坐封工具，其特征在于，所述活塞杆包括位于所述活塞腔内的活塞头和一端伸出所述活塞腔的杆体，所述活塞头将所述活塞腔分隔为主腔室和副腔室，所述活塞头上设置有活塞单向阀，启动所述电液爆启动机构后，所述活塞杆被向下推动的过程中，所述活塞单向阀开启，所述副腔室与所述主腔室相连通。

3.如权利要求2所述的井下坐封工具，其特征在于，所述副腔室上还设置有活塞安全阀，当所述副腔室中的压力达到所述活塞安全阀的开启压力时，所述活塞安全阀打开。

4.如权利要求2所述的井下坐封工具，其特征在于，所述外壳连接机构包括：上腔体、下腔体和用于连接所述上腔体和所述下腔体的上下腔体连接器，所述下腔体的内壁上设置有限位凹槽，所述液道开关活塞的下端设置有弹簧锁扣，在所述活塞杆向下移动的过程中，当所述弹簧锁扣卡入所述限位凹槽中时，所述活塞杆运动到最大行程，所述活塞单向阀关闭。

5.如权利要求1所述的井下坐封工具，其特征在于，所述金属粉末悬浮电爆液包括：油、膨胀石蜡，粒径为微米级的铜粉和石墨粉以及电解质溶液。

6.如权利要求4所述的井下坐封工具，其特征在于，所述活塞腔内外两层压合结构，包括：外层腔和内层腔，所述外层腔由金属材质制成，所述内层腔由聚四氟乙烯材质制成。

7.如权利要求4所述的井下坐封工具，其特征在于，所述脉冲功率输出机构包括在沿着高度方向上通过电缆依次连接的：变压器、电子控制板、电容器、继电器和开关管，所述脉冲功率输出机构输出的脉冲次数与所述电液爆启动机构的启动次数相等。

8.如权利要求7所述的井下坐封工具，其特征在于，还包括与所述电子控制板电性连接的传感器，在接收到所述传感器表示所述剪切销钉被剪断的信号前，所述电子控制板能控制所述脉冲功率输出机构周期性输出脉冲，在所述电子控制板接收到所述传感器表示所述剪切销钉被剪断的信号后，控制所述脉冲功率输出机构停止输出脉冲。

9.一种基于权利要求1至8任一所述的井下坐封工具的井下坐封方法，其特征在于，所述井下坐封方法包括：

电子控制板控制变压器通电，所述变压器将交流转换为直流电，转换得到的直流电用于给电容器充电；

在所述电容器充电预定时长至达到满电状态后，电子控制板控制启动继电器，所述继电器控制开关管将放电电路接通，向电液爆启动机构放电，在活塞腔内发生多次电爆；

活塞腔中电爆炸和液电效应产生的脉动高能冲击波，逐渐积累能量剪断剪切销钉，启动液压系统进行液压坐封。

10.如权利要求9所述的井下坐封方法，其特征在于，所述方法还包括：

在启动液压坐封系统后，继续提高电液爆输入能量，为液压坐封工具提供额外的脉动压力，辅助完成坐封。