CN110836104B - 双向卡瓦液压永久封隔器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种双向卡瓦液压永久封隔器，所述封隔器包括：上芯轴、下芯轴、上液压外筒、下液压外筒、第一剪切固定件、第二剪切固定件、第三剪切固定件，以及从上至下依次套设在上芯轴上的上卡瓦、上锥体、胶筒、下锥体、下卡瓦、锁环套、内锁环、止退件和弹性件，套设在下芯轴上的环形活塞。其中，上芯轴的下端和下芯轴的上端连接，下芯轴的下端和下液压外筒连接；上卡瓦的上端与上芯轴固定连接，下端套在上锥体的锥面上，上锥体的下段通过第一剪切固定件与上芯轴连接；胶筒设置在上锥体和下椎体之间；下锥体的上段通过第二剪切固定件与上芯轴连接；下卡瓦的上端套在下椎体的锥面上。本发明的封隔器具有双向密封，具备丢手和二次回接等优点。

Description

双向卡瓦液压永久封隔器

技术领域

本发明涉及油气井试油完井装备技术领域，具体来讲，涉及一种双向卡瓦液压永久封隔器。

背景技术

目前，大多数探井或评价井的试油、完井作业需要分两步完成。第一步是把带封隔器、测试阀、电子压力计等系列工具的测试管柱下到产层附近，然后进行放喷求产测试，测试结束进行压井、起管柱和暂时封堵，该步骤主要以获取地层资料为目的；若有产量，需要完井投产则转入第二步，重新进行井筒准备(包括钻塞、刮壁、通井等)，然后下入带完井封隔器、井下安全阀等系列工具的完井管柱进行投产。这种分两步走的模式存在一定局限性，主要表现如下：

工序多，作业时间长，不能及时投产。试油测试一般包括通井、刮壁，下测试管柱，射孔、储层改造，放喷排液，求产测试，压井，起测试管柱等十多个步骤，而完井投产又包括二次井筒准备，下完井管柱，替液，坐封，放喷等近十个步骤，部分井甚至需要进行二次酸化以恢复产能，会耗费大量时间。

由于所用封隔器不具备井下丢手和二次回接功能，需要多次下入封隔器及下部管柱，造成工序重复，费时费力。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术存在的上述不足中的至少一项。例如，本发明的目的之一在于提供一种能实现丢手和二次回接，能够进行双向密封，双向承压的双向卡瓦液压永久封隔器。

为了实现上述目的，本发明提供了一种双向卡瓦液压永久封隔器，所述封隔器包括：上芯轴、下芯轴、上液压外筒、下液压外筒、第一剪切固定件、第二剪切固定件、第三剪切固定件，以及从上至下依次套设在上芯轴上的上卡瓦、上锥体、胶筒、下锥体、下卡瓦，套设在下芯轴上的环形活塞，其中，上芯轴的下端和下芯轴的上端相连接，下芯轴的下端和下液压外筒相连接；上卡瓦的上端与上芯轴固定连接，下端套在上锥体的锥面上，上卡瓦能够相对于上锥体向下运动并呈现撑开状态；上锥体的下段通过第一剪切固定件与上芯轴连接，按从上至下方向，上锥体的锥面至上芯轴轴线的距离逐渐增大；胶筒设置在上锥体和下锥体 之间，且其上端与上锥体接触，下端与下锥体 接触；下锥体的上段通过第二剪切固定件与上芯轴连接，按从上至下方向，下锥体 的锥面至上芯轴轴线的距离逐渐减小；下卡瓦的上端套在下锥体 的锥面上，且下卡瓦能够相对于下锥体 向上运动并呈现撑开状态；锁环组件包括锁环套、内锁环、止退件和弹性件，其中，锁环套与下卡瓦的下端固定连接，锁环套与下芯轴之间形成了一个具有单向开口的第一腔体，该开口方向朝下，内锁环设置在第一腔体中并能够抵在锁环套的内壁，内锁环能够沿下芯轴的外壁作单向滑动，滑动方向向上，止退件位于第一腔体中且其上端与内锁环接触，弹性件位于第一腔体中且其上端与止退件的下端面连接、下端与双公短节的上端面连接；双公短节的上端还包括一个突出段以，该突出段能够与锁环套的下端面相接触并封闭第一腔体开口，双公短节的下端抵压在上液压筒的上端；上液压外筒套在上芯轴的下段和下芯轴的上段，上液压外筒与上芯轴之间能够形成一个具有单向开口的第二腔体，该开口方向朝下，下芯轴的上端插入在第二腔体中并封闭该开口；上液压外筒与下芯轴之间能够形成一个具有单向开口的第三腔体，该开口方向朝下，上液压外筒上设置将第三腔体和外界连通的孔道；下液压外筒的上段套在下芯轴的下段，下液压外筒的上端与下芯轴之间能够形成一个具有单向开口的第四腔体，该开口方向朝上，第三腔体的开口和第四腔体的开口互相面对；环形活塞包括自上而下依次连接的第一段、突出段和第二段，其中，第一段和第二段能够分别插入到所述第三、第四腔体中，突出段相对于第一、第二段向外突出，且该突出段分别与上液压外筒的下端面、下液压外筒的上端面接触，第二段与下液压外筒之间通过若干个剪切固定件连接；上芯轴上还设置有将第二腔体与上芯轴的空腔连通的第一内传压孔；下芯轴上还设置有将第四腔体与下芯轴的空腔连通的第二内传压孔。

在本发明的一个示例性实施例中，所述上芯轴外壁上设有供内锁环滑动的单向齿，内锁环能够沿所述单向齿向上滑动。

在本发明的一个示例性实施例中，所述封隔器还包括扭力键，所述扭力键能够将所述上卡瓦的上端与上芯轴固定连接。

在本发明的一个示例性实施例中，按照自上而下的顺序，所述下芯轴包括下芯轴一段、下芯轴二段和下芯轴三段，其中，下芯轴二段的厚度大于下芯轴一段、三段的厚度；下芯轴一段内壁至轴线的距离大于下芯轴三段内壁至轴线的距离，下芯轴一段构成了下芯轴的上端。

在本发明的一个示例性实施例中，所述胶筒可包括第一弹性构件、第二弹性构件，以及自上而下依次连接且内外径都相同的上胶筒、中胶筒和下胶筒，其中，

上胶筒的上端面为第一环形平面，下端面为向里凹陷的第一环形曲面；

中胶筒的上端面为向外突出且与所述第一环形面相适配的第二环形曲面，中胶筒的下端面为向外突出的第三环形曲面；

下胶筒的上端面为向内凹陷且与所述第三环形曲面相适配的第四环形曲面，下胶筒的下端为第二环形平面；

第一弹性构件沿第一环形平面的周向设置在上胶筒的上端内，以使上胶筒上端能够承受径向的剪切力；

第二弹性构件沿第二环形平面的周向设置在下胶筒的下端内，以使下胶筒下端能够承受径向的剪切力。

在本发明的一个示例性实施例中，所述胶筒的橡胶材料可由按照质量分数计的如下原料制备而成：

36～50％氢化丁腈橡胶、12～33％喷雾炭黑、1～14％热裂解炭黑、3～14％纳米白炭黑、3～19％陶土、1～9％增塑剂、0.5～2％防老剂、0.5～2％硫化剂、 1～4％N，N’-间苯撑双马来酰亚胺。

在本发明的一个示例性实施例中，所述增塑剂包括DOS增塑剂、DOP 增塑剂、TP-95增塑剂和TOTM增塑剂中的至少一种。

在本发明的一个示例性实施例中，所述防老剂包括RD防老剂、445防老剂、ZMTI防老剂和MB防老剂中的至少一种。

在本发明的一个示例性实施例中，所述封隔器还包括锚定密封总成，所述锚定密封总成包括花键芯轴、导向接头、以及自上而下设在花键芯轴上的开口锚爪和第一密封件，其中，所述花键芯轴的下端能够与导向接头的上端固定连接，导向接头的下端能够插入到所述上芯轴的内腔中。

在本发明的一个示例性实施例中，所述封隔器的上部设置有与其连接的锚定密封总成。

在本发明的一个示例性实施例中，所述锚定密封总成还可包括自上而下套设在花键芯轴上的止退环、止退短节，其中，止退短节设置在开口锚爪的上部。

在本发明的一个示例性实施例中，所述上芯轴顶部的内壁上设置有与所述开口锚爪相适配的螺纹。

在本发明的一个示例性实施例中，所述封隔器还包括磨铣延伸筒，所述磨铣延伸筒为中空筒体，其上端能够与所述下芯轴的下端连接，下端能够与油管连接。

在本发明的一个示例性实施例中，所述封隔器还可包括座封球座，座封球座包括剪切外筒、球座座芯和第四剪切固定件，其中，球座座芯为中空结构并包括上下两个开口，球座座芯设置在剪切外筒的内腔中，并通过第四剪切固定件与剪切外筒的内壁连接。

在本发明的一个示例性实施例中，所述座封球座还可包括第二密封件，以实现球座座芯和剪切外筒内壁之间的密封。

在本发明的一个示例性实施例中，所述座封球座还可包括坐封球，所述坐封球能够从井口掉落在所述球座座芯上，以封堵油管通径。

与现有技术相比，本发明的有益效果可包括：

封隔器坐封程序简单，一旦完成坐封可实现双向承压双向承拉，具备丢手和二次回接功能，减少井控风险。

附图说明

图1示出了根据本发明的双向卡瓦液压永久封隔器的一个示例性实施例的锚定密封总成的结构示意图；

图2示出了根据本发明的双向卡瓦液压永久封隔器的一个示例性实施例的结构示意图；

图3示出了根据本发明的双向卡瓦液压永久封隔器的一个示例性实施例的磨铣延伸筒的结构示意图；

图4示出了根据本发明的双向卡瓦液压永久封隔器的一个示例性实施例的座封球座的结构示意图。

主要附图标记说明：

1-锚定密封总成、2-双向卡瓦液压永久封隔器、3-磨铣延伸筒、4-座封球座、5-花键芯轴、6-止退环、7-止退短节、8-开口锚爪、9-第一密封件、10- 导向接头、11-上芯轴、12-扭力键、13-上卡瓦、14-上锥体、15-第一剪销、16- 胶筒、17-下锥体、18-第二剪销、19-下卡瓦、20-锁环套、21-内锁环、22-止退件、23-弹性件、24-双公短节、25-上液压外筒、26-下芯轴、27-环形活塞、 28-第三剪销、29-下液压外筒、30-剪切外筒、31-坐封球、32-球座座芯、33- 第四剪销。

具体实施方式

在下文中，将结合附图和示例性实施例来详细说明本发明的双向卡瓦液压永久封隔器。需要说明的是，“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等仅仅是为了方便描述和便于区分，而不能理解为指示或暗示相对重要性。“上”、“下”、“内”、“外”仅仅为为了便于描述和构成相对的方位或位置关系，而并非指示或暗示所指的部件必须具有该特定方位或位置。

图1示出了根据本发明的双向卡瓦液压永久封隔器的一个示例性实施例的锚定密封总成的结构示意图。图2示出了根据本发明的双向卡瓦液压永久封隔器的一个示例性实施例的结构示意图。图3示出了根据本发明的双向卡瓦液压永久封隔器的一个示例性实施例的磨铣延伸筒的结构示意图。图4示出了根据本发明的双向卡瓦液压永久封隔器的一个示例性实施例的座封球座的结构示意图。

在本发明的一个示例性实施例中，双向卡瓦液压永久封隔器2上部还设置有与其连接的锚定密封总成1。锚定密封总成1的上端与封堵阀下端固定连接，锚定密封总成1下端与双向卡瓦液压永久封隔器2上端固定连接。

在本实施例中，如图1中所示，锚定密封总成1可包括：花键芯轴5、导向接头10、以及自上而下套装在花键芯轴5上的止退环6、止退短节7、开口锚爪8和第一密封件9。这里，自上而下是指从花键芯轴的上端(或称更靠近封隔器上游的一端)到导向接头下端(或称更靠近封隔器下游的一端) 的轴向方向。

花键芯轴5为类圆形筒体，花键芯轴5的上端能够与封堵阀下端固定连接。这里，花键芯轴与封堵阀直接可以直接连接，也可以通过一段油管简洁连接，连接方式可以为螺纹连接。花键芯轴5上具有供止退环6套装的凹槽和与止退短节7内部相适应的形状。开口锚爪8为圆形套管，开口锚爪8靠近下端外壁上设有螺纹，开口锚爪8上还设有沿轴向方向从上到下的缝隙，花键芯轴5上设有与开口锚爪8上缝隙配合的突出结构。开口锚爪8套装在花键芯轴5上并使凸起结构进入缝隙中，止退短节7下端与开口锚爪8上端接触，止退短节7上端与位于凹槽内的止退环6接触从而将开口锚爪8和花键芯轴5固定。这里，开口锚爪可以为左旋扣开口锚爪。花键芯轴5上还设有供第一密封件作用的密封凹槽，这里，第一密封件可以为圆环形橡胶，第一密封件的数量可以为三个。花键芯轴5下端与导向接头10的上端固定连接，这里，连接方式可以为螺纹连接。然而，本发明不限于此，只要能实现花键芯轴和导向接头的固定连接即可。锚定密封总成1可以插入双向卡瓦液压永久封隔器2的上芯轴11的内腔中，使花键轴心5上的开口锚爪8与上芯轴11 内腔的螺纹咬合固定、花键轴心5上的第一密封件9与上芯轴11内壁紧密贴合起到密封作用。

在本实施例中，如图2中所示，双向卡瓦液压永久封隔器2包括：上芯轴11、下芯轴26、上液压外筒25、下液压外筒29、第一剪销15、第二剪销 18、第三剪销28，以及从上到下依次套设在上芯轴11上的上卡瓦13、上锥体14、胶筒16、下锥体17、下卡瓦19、锁环组件、双公短节24，套设在下芯轴26上的环形活塞27。这里，自上而下是指从上芯轴11的上端(或称更靠近封隔器上游的一端)到下芯轴26(或称更靠近封隔器下游的一端)的轴向方向。

其中，上芯轴11上端具有与锚定密封总成1上开口锚爪8相配合的螺纹。例如，螺纹可以是左旋锯齿螺纹。上芯轴11的下端和下芯轴26的上端固定连接。例如，上芯轴和下芯轴的连接方式可以为丝扣连接，然而，本发明不限于此，只要能将上芯轴和下芯轴连接即可。这里，上芯轴11还包括密封外筒，密封外筒设置上芯轴外部起到密封作用。下芯轴26的下端和下液压外筒 29连接，例如，下芯轴和下液压外筒连接方式可以为丝扣连接。

上卡瓦13的外壁上带有类锯齿结构，上卡瓦13内壁靠下端带有与上锥体 14锥面相配合的结构。上卡瓦13的上端通过扭力键12与上芯轴11固定连接，下端套在上锥体14的锥面上。上卡瓦13能够相对于上锥体14的锥面向下滑动从而被撑开，使上卡瓦13外壁上的类锯齿结构与套管内壁进行咬合将上卡瓦13在套管内的位置固定。

上锥体 14为带锥形结构，按从上至下方向，上锥体14的锥面至上芯轴 11轴线的距离逐渐增大。例如，上锥体 锥面与轴心线方向的夹角可以为20～40 °。上锥体14上具有若干个第一开孔，上芯轴11上具有与第一开孔数量相同且对应各个第一开孔的第一凹孔。第一剪切固定件可包括若干个第一剪销 15，第一剪销15的数量与第一开孔的数量相同，每个第一剪销15都能够插入呈对应关系的第一开孔和第一凹孔内，以将上锥体 14与上芯轴11固定连接。这里，第一开孔的数量可以根据实际情况来确定，例如1个、3个、5个或8个等。第一剪切固定件可以包括若干个剪销，然而本发明不限于此，只要能实现上锥体 与上芯轴的固定并且在外力作用下可以被剪断的固定件都可。

下卡瓦19的外壁上带有类锯齿结构，内壁靠上端带有与下锥体 17锥面相配合的结构，下卡瓦19的下端与上液压外筒25固定连接，上端套在下锥体17的锥面上，下卡瓦19能够相对于下锥体17锥面向上滑动从而被撑开，使下卡瓦19凸面上的类锯齿结构与套管内壁进行咬合将下卡瓦19在套管内的位置固定。

下锥体 17为带锥形结构，按从上至下方向，下锥体17的锥面至上芯轴轴线的距离逐渐减小。例如，下锥体 锥面与轴心线方向的夹角可以为20～40 °。下锥体17上具有若干个第二开孔，上芯轴11上具有与第二开孔数量相同且对应各个第二开孔的第二凹孔。第二剪切固定件可包括若干个第二剪销 18，第二剪销18的数量与第二开孔的数量相同，每个第二剪销18都能够插入呈对应关系的第二开孔和第二凹孔内，以将下锥体 7与上芯轴11固定连接。这里，第二开孔的数量可以根据实际情况来确定，例如1个、3个、5个或8 个等。第二剪切固定件可以包括若干个剪销，然而本发明不限于此，只要能实现下锥体 与上芯轴的固定并且在外力作用下可以被剪断的固定件都可。

胶筒16套装在上芯轴11上位于上锥体14和下锥体 17之间，胶筒16上端与上锥体14下端接触，胶筒16下端与下锥体 17上端接触，胶筒16能够在上锥体 14下端和下锥体 17上端的挤压下发生形变，使封隔器和套管内壁密封连接。

在本实施例中，锁环组件包括锁环套20、内锁环21、止退件22和弹性件23。其中，锁环套20与下卡瓦19的下端固定连接，锁环套20与上芯轴 11之间形成了一个具有单向开口的第一腔体，该开口方向朝下。内锁环21 为上端带椎面结构，从上到下内锁环21的锥面与上芯轴11的距离逐渐增大。内锁环21设置在第一腔体的底部，内锁环21的锥面能够接触在锁环套20的内壁上，起到对锁环套20在上芯轴11上位置的锁定作用。这里，上芯轴11 外壁上设有供内锁环21向上滑动的单向齿，内锁环21内壁上具有与上芯轴 11外壁上单向齿相啮合的反单向齿，内锁环21能够在推力作用下沿上芯轴 11外壁单向齿向上滑动。例如，单向齿沿上下方向的剖面可以为直角三角形，该直角三角形的斜边与上芯轴的距离沿从下到上方向逐渐增大。然而，本发明不限于此，单向齿也可以为其它结构，只要能使内锁环沿上芯轴向上单向滑动即可。止退件22和弹性件23设置在第一腔体中，止退件22上端与内锁环21下端接触，止退件22下端与弹性件23上端接触，弹性件23下端与双公短节24上端接触传递双公短节施加的推力。例如，止退件可以是止退环，弹性件可以是弹簧，然而本发明不限于此，止退件和弹性件也可以为其它结构，只要能实现提供弹力和可被压缩功能即可。

双公短节24的上端与锁环套21的下端抵扣在一起，双公短节24将第一腔体的开口封闭住。例如，双公短节的上端具有与锁环套下端相配合的结构，两者能够形成配合。双公短节24下端与上液压筒25的上端属于插接关系，双公短节24下端插入上液压外筒25上端内部并通过紧固件固定将两者固定在一起。

上液压外筒25套在上芯轴11的下段和下芯轴26的上段，上液压外筒 25内壁与上芯轴11外壁之间能够形成一个具有单向开口的第二腔体，该开口方向朝下，下芯轴26的上端插入在第二腔体中并封闭该开口。这里，上液压外筒25与上芯轴11之间、上液压外筒25与下芯轴26上段之间均设有密封件。上芯轴11上的第一内传压孔与第二腔体连通，能够传递油管内的压力给上液压外筒25，从而推动上液压外筒25沿上芯轴11向上运动。上液压外筒25与下芯轴26之间能够形成一个具有单向开口的第三腔体，该开口方向朝下，上液压外筒25上设置有将第三腔体和套管内部空间连通的孔道，该孔道能够传递套管内的压力。

下液压外筒29的上段套装在下芯轴26的下段之外，下液压外筒29与下芯轴26下端固定连接。例如，下液压外筒与下芯轴连接方式可以为丝扣连接。下液压外筒29的上端与下芯轴26之间能够形成一个具有单向开口的第四腔体，该开口方向朝上。下芯轴26上的第二内传压孔与第四腔体连通，能够传递油管内压力。

环形活塞27包括自上而下依次连接的第一段、突出段和第二段，其中，第一段和第二段能够分别插入到第三、第四腔体中将第三、第四腔体开口封闭。环形活塞的突出段相对于第一、第二段向外突出，且该突出段分别与上液压外筒25的下端面、下液压外筒29的上端面接触。这里，第三段与下液压外筒29之间、第三段与下芯轴26之间均设有密封件。下液压外筒29上具有若干个第三开孔，环形活塞27第二段上具有与第三开孔数量相同且对应各个第三开孔的第三凹孔。第三剪切固定件可包括若干个第三剪销28，第三剪销28的数量与第三开孔的数量相同，每个第三剪销28都能够插入呈对应关系的第三开孔和第三凹孔内，以将环形活塞27与下液压外筒29固定连接。当封隔器内部压力大于套管内压力时，内部压力在第四腔体中作用于环形活塞27下端给环形活塞一个向上的推力，外部压力作用于第三腔体中给环形活塞27上端一个向下的推力。当内外压差大到足够推动环形活塞27将第三剪切固定件28剪断时，环形活塞28向上运动并推动与其连接的部件一同向上运动。这里，第三开孔的数量可以根据实际情况来确定，例如1个、3个、5 个或8个等。第三剪切固定件可以包括若干个剪销，然而本发明不限于此，只要能实现环形活塞与下液压外筒的固定并且在外力作用下可以被剪断的固定件都可。

在本实施例中，如图3中所示，磨铣延伸筒3为中空筒体，磨铣延伸筒 3上端(即图3中左端)能够与下芯轴26的下端连接，磨铣延伸筒3下端(即图3右端)可以通过一段油管与座封球座4上端间接连接。通常座封球座4 需要下至产层顶部，而封隔器坐封的位置距离产层顶部还有一段距离，因此采用油管来延长磨铣延伸筒3下端与座封球座4上端的距离使座封球座4下至产层顶部。这里，封隔器结构设计为永久式，不具备解封机构，锚定密封丢手后，需要磨铣掉下锯齿卡瓦以上部分才能实现打捞，设置磨铣延伸筒是为了增加座封球座及其下部连接结构与双向卡瓦液压永久封隔器的间距，避免后期在磨铣打捞封隔器时遭到损坏。

在本实施例中，如图4中所示，座封球座4包括剪切外筒30、座封球31、球座座芯32和第四剪切固定件33。

其中，剪切外筒30为中空圆筒，剪切外筒30上端(即图4中左端)与磨铣延伸筒3下端通过一段油管进行连接，剪切外筒30下端(即图4中右端) 与井下空间连通。例如，连接方式可以为丝扣连接。然而，本发明不限于此，剪切外筒和磨铣延伸筒也可以直接进行连接。同时，剪切外筒30上具有若干个供第四剪切固定件插入的第四开孔。

球座座芯32为中空结构并包括上下两个开口，其中，球座座芯上端的开口能够与坐封球31表面贴合。球座座芯32具有与第四开孔数量相同且对应各个第四开孔的第四凹孔。球座座芯32设置在剪切外筒30内部且与剪切外筒30内壁贴合。第四剪切固定件可包括若干个第四剪销33，第四剪销33的数量与第四开孔的数量相同，每个第四剪销33都能够插入呈对应关系的第四开孔和第四凹孔内，以将球座座芯32和剪切外筒30固定连接。这里，第四开孔的数量可以根据实际情况来确定，例如1个、3个、5个或8个等。第四剪切固定件可以包括若干个剪销，然而本发明不限于此，只要能实现球座座芯与剪切外筒的固定并且在外力作用下可以被剪断的固定件都可。

剪切外筒30内腔上还设有放置第二密封件的凹坑，第二密封件使剪切外筒30内壁与球座座芯32外壁密封连接。

座封球31能够从井口掉落在球座座芯32上，与球座座芯32上端结构贴合封堵油管通径。例如，座封球可以为钢球，然而本发明不限于此，只要能封堵油管通径即可。

在本实施例中，胶筒16可以包括第一弹性构件、第二弹性构件，以及自上而下依次连接且内外径都相同的上胶筒、中胶筒和下胶筒，其中，上胶筒的上端面为第一环形平面，下端面为向里凹陷的第一环形曲面；中胶筒的上端面为向外突出且与所述第一环形面相适配的第二环形曲面，中胶筒的下端面为向外突出的第三环形曲面；下胶筒的上端面为向内凹陷且与所述第三环形曲面相适配的第四环形曲面，下胶筒的下端为第二环形平面；第一弹性构件沿第一环形平面的周向设置在上胶筒的上端内，以使上胶筒上端能够更好地承受径向的剪切力；第二弹性构件沿第二环形平面的周向设置在下胶筒的下端内，以使下胶筒下端能够更好地承受径向的剪切力。

上胶筒和中胶筒的高度比可以为1：0.83～1：1.3，胶筒外径和胶筒高度比可以为1：1～1：1.5，当三个胶筒压缩坐封于套管后，轴向压缩率小于0.25，根据胶筒压缩前和压缩后体积不变的原理，通过调整胶筒长度和厚度值，就可以改变胶筒压缩变形后贴到套管壁的压缩率。例如胶筒越厚，就越容易贴着套管，当压缩贴向套管壁时，只需要很小的轴向压缩率就可以了；而胶筒很薄时，就需要在轴向上很大幅度的压缩胶筒，胶筒的压缩率就大。当压缩率控制在0.25以内时，根据套管内径的大小，反过来设计胶筒的长度和厚度，让其更好的压缩后紧紧的贴在套管内壁上，而轴向上不发生胶筒弯曲。

第一环形曲面和上胶筒轴线的夹角为79～81度，在此角度范围内中胶筒被斜角包裹挤压，压缩变形更均衡，胶筒不易偏心，周向密封更好。

第一弹性构件可以包括第一弹簧、第二弹性构件可以包括第二弹簧，第一弹簧和第二弹簧都可以为多层弹簧，第一弹簧可以在所述上胶筒内围成一个圆环，并且圆环的径向可以与上胶筒的轴向方向垂直，第二弹簧可以在所述下胶筒内围成一个圆环，并且圆环的径向可以与下胶筒的轴向相垂直。其中，弹簧的初始长度可以按照以下公式进行计算：

L＝πD+15

其中，L：搭接长度，D：胶筒直径，π：3.1416，式中单位：mm。

计算出初始长度后对大弹簧进行裁切，接好头后放入产品硫化模具中进行比对，根据实际情况再确定需裁切的合适长度。内弹簧根据外弹簧的实际长度进行裁切。

在本实施例中，胶筒16的橡胶材料由按照质量分数计的如下原料制备而成：36～50％氢化丁腈橡胶、12～33％喷雾炭黑、1～14％热裂解炭黑、3～14％纳米白炭黑、3～19％陶土、1～9％增塑剂、0.5～2％防老剂、0.5～2％硫化剂、 1～4％交联促进剂。

上胶筒和下胶筒的橡胶材料可以由按照质量分数计的如下成分制备而成： 36～46％氢化丁腈橡胶、23～33％喷雾炭黑、4～14％热裂解炭黑、3～13％纳米白炭黑、3～13％陶土、1～4％增塑剂、0.5～2％防老剂、0.5～2％硫化剂、 1～4％交联促进剂。

中胶筒的橡胶材料可以由按照质量分数计的如下原料制备而成：40～ 50％氢化丁腈橡胶、12～22％喷雾炭黑、1～11％热裂解炭黑、4～14％纳米白炭黑、9～19％陶土、1～9％增塑剂、0.5～2％防老剂、0.5～2％硫化剂、1～ 4％交联促进剂。

其中，氢化丁腈橡胶可以选用阿朗新科HNBR3607、HNBR3907、 HNBR4307、HNBR4367，氢化丁腈橡胶HNBR具备优良的耐油耐溶剂性并保持较好的耐高低温平衡性，所述氢化丁腈橡胶中的丙烯腈质量分数为可以为36～44％，残余双键含量小于8％，氢化丁腈橡胶的生胶门尼粘度ML1+4 (100℃)可以为50～100。

当选用的氢化丁腈橡胶中的丙烯腈的质量分数为36～44％时可以使得制备得到的橡胶材料可以兼顾耐热、耐油、耐硫化氢的性能，以及良好的压缩永久变形特性。测试封隔器胶筒要求胶筒在测试完成后具有良好的回复性，丙烯腈含量越高，胶筒的回复性越差，为了所述橡胶材料制备得到的测试封隔器胶筒在测试完成后由良好的回复性，丙烯腈的质量分数不宜再高。

当选用的氢化丁腈橡胶中的残余双键含量小于8％时，可以保证硫化时能够产生更多的交联键，能够提高橡胶的三维网络结构，有利于橡胶抵抗油气井下较高的压力。

当选用的氢化丁腈橡胶的生胶门尼粘度在50～100的范围时，能够保证橡胶材料在炼胶和硫化的过程中具备良好的加工性。

这里，喷雾炭黑、热裂解炭黑和纳米白炭黑作为组合补强材料，用作提高橡胶的强度机械性能的同时分别又发挥各自独有的优势以对抗井下高温老化、动态载荷本体失效、高挤压撕裂等恶劣环境。其中，喷雾炭黑还可提高橡胶后期耐老化的性能；热裂解炭黑在炭黑中具有最大的粒子尺寸(平均直径可为240～320nm)，但是其比表面积最低，可为7～12m²/g，热裂解炭黑能够减小橡胶压缩永久变形性、提高动态在和密封性能；高比表面积的纳米白炭黑(比表面积为250m²/g)，原生粒子直径小于100nm，能够极大地提高橡胶在高温高压环境下的抗撕裂性能和耐磨性能。

这里，陶土作为填充剂，在不影响加工性能的前提下能够提高橡胶的硬度和耐酸性，可以避免过量使用炭黑类补强剂而使得橡胶加工困难、成品率低的情况。

这里，为了改善橡胶的加工性能和硫化时材料在模具中的流动性，可以在制备原料中加入增塑剂，增塑剂可以选用DOS增塑剂、DOP增塑剂、TP-95 增塑剂和TOTM增塑剂中的至少一种，进一步地，可以为其中两种，其中， TOTM可以提高橡胶耐高温性能，DOS可以改善橡胶的低温性能。

这里，防老剂可以选用RD防老剂、445防老剂、ZMTI防老剂和MB防老剂中的至少一种，进一步地，可以为其中两种，防老剂能够减缓橡胶的老化速度，提高橡胶的使用寿命，其中防老剂RD和MB并用具有良好的协同作用，防老剂445和ZMTI并用具有良好的协同能力。

这里，使用双叔丁基过氧异丙基苯替代传统的硫磺作为硫化剂，由于双叔丁基过氧异丙基苯未过氧化物，在硫化交联时形成C-C键，强度比硫磺硫化时形成的S-S键高，有利于增加橡胶分子链发生硫化交联成网状时的结构强度，且耐温、耐硫化氢腐蚀性能更好，实现更好的橡胶本体结构强度。所述双叔丁基过氧异丙基苯的有效含量可以不低于40％，例如60％。

这里，N，N’-间苯撑双马来酰亚胺的作用为助交联剂，能够协同过氧化物，加速氢化丁腈橡胶的硫化形成较高的交联网络结构和交联密度，以延长密封能力和时间。因为耐压差性能达到105MPa时需要的封隔时间较长，即 177℃条件下至少封隔24h，适量的交联促进剂能够产生最佳的力学性能。

坐封时，从井口向包含双向卡瓦液压永久封隔器的管柱投入座封球31，座封球31掉落在球座座芯32上，封堵管柱内部通径。向管柱内加压，压力通过第一、第二内传压孔分别作用于封隔器中上液压外筒25和环形活塞27 上形成上、下两级活塞。当坐封压差达到启动坐封压力时，第三剪切固定件被剪断，环形活塞27推动上液压外筒25向上运动，上液压外筒25推动双公短节24、锁环套20上移，撑开下卡瓦19，推动下锥体17上行剪断第二剪切固定件，压缩胶筒16，同时，胶筒16推动上锥体14上行剪断第一剪切固定件撑开上卡瓦13。上、下卡瓦同时撑开镶入套管，胶筒16上的金属材料辅助装置与胶筒16一起膨胀接触套管内壁，对胶筒16的挤压形成一个保护层。在此过程中，封隔器上的内锁环21在弹性件23力作用下同步向上运动，将上、下卡瓦及胶筒锁定在坐封位置。封隔器完全坐封后，进行套管试压，检查封隔器和套管的密封性，验封合格后，通过继续向管柱加压将座封球座4 上的第四剪切固定件剪断，座封球31及球座座芯32一起滑落到井下，管柱内自动泄压，保持全通径状态，整个坐封程序完成。管柱进行试油测试录取地层资料工作。

试油测试完成后，管柱需要从封隔器上端丢手操作时，直接上提并同时右旋封隔器上部管柱10-12圈，锚定密封总成1与双向卡瓦液压永久封隔器2 连接的左旋螺纹脱开，封隔器以上管柱可从井内起出，实现丢手功能。完井投产时，将管柱上部管柱二次下井与封隔器回接，锚定密封总成1前端导向接头10进入双向卡瓦液压永久封隔器2的密封外筒及上芯轴11，随着管柱的下放重量，使锚定密封总成1的左旋扣开口弹爪8啮合到上芯轴11顶部内壁的螺纹中，一旦啮合，锚定密封总成1与双向卡瓦液压永久封隔器2安全的锁定，完成回接作业。

综上所述，本发明的双向卡瓦液压永久封隔器具有以下优点：

坐封程序简单，能够双向承受压力和拉力，具备丢手以及二次回接功能，可以回收或检修、更换封隔器以上管柱；丢手后，封隔器上的双向机械卡瓦及内锁定机构能够保证封隔器稳固的悬挂在套管中，可以承受下部管柱重量，适用于单趟管柱完井作业。

尽管上面已经结合示例性实施例及附图描述了本发明，但是本领域普通技术人员应该清楚，在不脱离权利要求的精神和范围的情况下，可以对上述实施例进行各种修改。

Claims (14)

1.一种双向卡瓦液压永久封隔器，其特征在于，所述封隔器包括：上芯轴、下芯轴、上液压外筒、下液压外筒、第一剪切固定件、第二剪切固定件、第三剪切固定件，以及从上至下依次套设在上芯轴上的上卡瓦、上锥体、胶筒、下锥体、下卡瓦，套设在下芯轴上的环形活塞、以及锚定密封总成，其中，

上芯轴的下端和下芯轴的上端相连接，下芯轴的下端和下液压外筒相连接；

上卡瓦的上端与上芯轴固定连接，下端套在上锥体的锥面上，上卡瓦能够相对于上锥体向下运动并呈现撑开状态；

上锥体的下段通过第一剪切固定件与上芯轴连接，按从上至下方向，上锥体的锥面至上芯轴轴线的距离逐渐增大；

胶筒设置在上锥体和下锥体之间，且其上端与上锥体接触，下端与下锥体接触；

下锥体的上段通过第二剪切固定件与上芯轴连接，按从上至下方向，下锥体的锥面至上芯轴轴线的距离逐渐减小；

下卡瓦的上端套在下锥体的锥面上，且下卡瓦能够相对于下锥体向上运动并呈现撑开状态；

锁环组件包括锁环套、内锁环、止退件和弹性件，其中，锁环套与下卡瓦的下端固定连接，锁环套与下芯轴之间形成了一个具有单向开口的第一腔体，该开口方向朝下，内锁环设置在第一腔体中并能够抵在锁环套的内壁，内锁环能够沿下芯轴的外壁作单向滑动，滑动方向向上，止退件位于第一腔体中且其上端与内锁环接触，弹性件位于第一腔体中且其上端与止退件的下端面连接、下端与双公短节的上端面连接；

双公短节的上端还包括一个突出段，该突出段能够与锁环套的下端面相接触并封闭第一腔体开口，双公短节的下端抵压在上液压筒的上端；

上液压外筒套在上芯轴的下段和下芯轴的上段，上液压外筒与上芯轴之间能够形成一个具有单向开口的第二腔体，该开口方向朝下，下芯轴的上端插入在第二腔体中并封闭该开口；上液压外筒与下芯轴之间能够形成一个具有单向开口的第三腔体，该开口方向朝下，上液压外筒上设置将第三腔体和外界连通的孔道；

下液压外筒的上段套在下芯轴的下段，下液压外筒的上端与下芯轴之间能够形成一个具有单向开口的第四腔体，该开口方向朝上，第三腔体的开口和第四腔体的开口互相面对；

环形活塞包括自上而下依次连接的第一段、突出段和第二段，其中，第一段和第二段能够分别插入到所述第三、第四腔体中，突出段相对于第一、第二段向外突出，且该突出段分别与上液压外筒的下端面、下液压外筒的上端面接触，第二段与下液压外筒之间通过若干个剪切固定件连接；

上芯轴上还设置有将第二腔体与上芯轴的空腔连通的第一内传压孔；

下芯轴上还设置有将第四腔体与下芯轴的空腔连通的第二内传压孔；

所述封隔器的上部设置有与其连接的锚定密封总成，所述锚定密封总成包括花键芯轴、导向接头、以及自上而下设在花键芯轴上的开口锚爪和第一密封件，其中，所述花键芯轴的下端能够与导向接头的上端固定连接，导向接头的下端能够插入到所述上芯轴的内腔中。

2.根据权利要求1所述的双向卡瓦液压永久封隔器，其特征在于，所述上芯轴外壁上设有供内锁环滑动的单向齿，内锁环能够沿所述单向齿向上滑动。

3.根据权利要求1所述的双向卡瓦液压永久封隔器，其特征在于，所述封隔器还包括扭力键，所述扭力键能够将所述上卡瓦的上端与上芯轴固定连接。

4.根据权利要求1所述的双向卡瓦液压永久封隔器，其特征在于，按照自上而下的顺序，所述下芯轴包括下芯轴一段、下芯轴二段和下芯轴三段，其中，

下芯轴二段的厚度大于下芯轴一段、三段的厚度；

下芯轴一段内壁至轴线的距离大于下芯轴三段内壁至轴线的距离，下芯轴一段构成了下芯轴的上端。

5.根据权利要求1所述的双向卡瓦液压永久封隔器，其特征在于，所述胶筒包括第一弹性构件、第二弹性构件，以及自上而下依次连接且内外径都相同的上胶筒、中胶筒和下胶筒，其中，

上胶筒的上端面为第一环形平面，下端面为向里凹陷的第一环形曲面；

中胶筒的上端面为向外突出且与所述第一环形平面相适配的第二环形曲面，中胶筒的下端面为向外突出的第三环形曲面；

下胶筒的上端面为向内凹陷且与所述第三环形曲面相适配的第四环形曲面，下胶筒的下端为第二环形平面；

第一弹性构件沿第一环形平面的周向设置在上胶筒的上端内，以使上胶筒上端能够承受径向的剪切力；

第二弹性构件沿第二环形平面的周向设置在下胶筒的下端内，以使下胶筒下端能够承受径向的剪切力。

6.根据权利要求1所述的双向卡瓦液压永久封隔器，其特征在于，所述胶筒的橡胶材料由按照质量分数计的如下原料制备而成：

36～50％氢化丁腈橡胶、12～33％喷雾炭黑、1～14％热裂解炭黑、3～14％纳米白炭黑、3～19％陶土、1～9％增塑剂、0.5～2％防老剂、0.5～2％硫化剂、1～4％N，N’-间苯撑双马来酰亚胺。

7.根据权利要求6所述的双向卡瓦液压永久封隔器，其特征在于，所述增塑剂包括DOS增塑剂、DOP增塑剂、TP-95增塑剂和TOTM增塑剂中的至少一种。

8.根据权利要求6所述的双向卡瓦液压永久封隔器，其特征在于，所述防老剂包括RD防老剂、445防老剂、ZMTI防老剂和MB防老剂中的至少一种。

9.根据权利要求1所述的双向卡瓦液压永久封隔器，其特征在于，所述锚定密封总成还包括自上而下套设在花键芯轴上的止退环、止退短节，其中，止退短节设置在开口锚爪的上部。

10.根据权利要求9所述的双向卡瓦液压永久封隔器，其特征在于，所述上芯轴顶部的内壁上设置有与所述开口锚爪相适配的螺纹。

11.根据权利要求1所述的双向卡瓦液压永久封隔器，其特征在于，所述封隔器还包括磨铣延伸筒，所述磨铣延伸筒为中空筒体，其上端能够与所述下芯轴的下端连接，下端能够与油管连接。

12.根据权利要求1所述的双向卡瓦液压永久封隔器，其特征在于，所述封隔器下部还设置有座封球座，所述座封球座包括剪切外筒、球座座芯和第四剪切固定件，其中，

球座座芯为中空结构并包括上下两个开口，球座座芯设置在剪切外筒的内腔中，并通过第四剪切固定件与剪切外筒的内壁连接。

13.根据权利要求12所述的双向卡瓦液压永久封隔器，其特征在于，所述座封球座还包括第二密封件，以实现球座座芯和剪切外筒内壁之间的密封。

14.根据权利要求12所述的双向卡瓦液压永久封隔器，其特征在于，所述座封球座还包括坐封球，所述坐封球能够从井口掉落在所述球座座芯上，以封堵油管通径。

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