CN111206899B - 弹动式双胶筒分步轴向挤压节流装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种弹动式双胶筒分步轴向挤压节流装置，应用于气井的井下节流。该节流装置的节流本体依据卡瓦推筒完成卡瓦锁紧体的张开与闭合而实现井下快速坐封和打捞，依靠弹簧体提供的推力完成下密封胶筒的初次挤压，依据节流前后流体的压差推动弹式助推器朝上滑移而实施下密封胶筒的二次挤压和上密封胶筒的整体挤压，并完成下密封胶筒的分步轴向挤压而保证坐封后的封隔，打捞时胶筒推套朝下滑移后上密封胶筒和下密封胶筒顺利恢复至初始自由状态而易于解封，锥状节流器调整节流前后流体的温度、压力和流速，节流后的流体经由中心管调整为朝上运移的稳流，由此实现常规气井和非常规气井的井下节流，并防止井下节流过程中生成天然气水合物。

Description

弹动式双胶筒分步轴向挤压节流装置

技术领域

本发明涉及一种常规气井和非常规气井用的井下节流装置，特别是涉及一种采用弹簧系统和上下双胶筒的分步轴向挤压和整体挤压相结合的弹动式井下节流装置。

背景技术

常规气井和非常规气井采用井下节流技术会大大降低节流器下游系统的压力，提高井中气体的携液能力，降低天然气水合物形成的温度，并提高天然气水合物的生成条件，由此使得井口不容易出现天然气水合物。

目前，井下节流器主要分为两大类：固定式井下节流器和活动式井下节流器，其中固定式井下节流器一般适用于新井的作业，在下放节流器之前，先将预制好的工作筒安装在井下预定的位置，再利用特定的投放工具和钢丝绳将节流器投放入工作筒内，固定式井下节流器不易失效，然而在气井的实际生产中应用较少，其主要原因为在产能调配环节和节流嘴发生堵塞时，要通过修井作业取出油管柱，操作相对复杂且生产成本较高。活动式井下节流器是利用测试车和钢丝绳而投放至井下预定位置，而后上提钢丝绳，节流器的卡瓦由于自身重力被撑开并卡在油管的内壁上，接着投放工具向上震击并剪断销钉，此时坐封弹簧释放而推动外套管上行，使得密封圈受挤压而沿径向张开，在将钢丝绳起出后，即可开井生产，活动式井下节流器具有坐封可调的特点，并且投放和打捞作业操作简单，可靠性较高，然而现场应用中，存在密封圈易失效、打捞时密封圈不能完全解封而造成打捞困难甚至失败、密封圈断裂或失效以及压力波动时节流器易落井等问题。

综上所述，现有活动式井下节流器在现场应用过程中会出现节流器失效、打捞失败等问题，而且井下节流技术的难点问题是提高节流器的安全可靠性，并使节流器的投放和打捞作业便于操作，由此，通过分析活动式节流器的结构原理及现场使用情况，设计出适合常规气井和非常规气井用的井下节流装置。

发明内容

为了有效解决常规气井和非常规气井的井下节流问题，并克服现有井下节流技术及其节流装置存在的缺陷和不足，本发明的目的是提供一种适合常规气井和非常规气井用的弹动式双胶筒分步轴向挤压节流装置。该节流装置依据卡瓦锁紧体实现井下快速坐封和打捞，通过双密封胶筒和弹式助推器完成坐封后的封隔和解封，并结合锥状节流器和节流本体形成稳定的节流场，实现常规气井和非常规气井的井下节流，并有效防止井下节流过程中生成天然气水合物。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是开发一种弹动式双胶筒分步轴向挤压节流装置，它主要由卡瓦锁紧体、节流本体、双密封胶筒、弹式助推器和锥状节流器几部分组成。该节流装置经卡瓦锁紧体的卡瓦片而固定于油管柱的管壁，并由弹式助推器的助推基体与井下筛管相连接，卡瓦锁紧体、节流本体和弹式助推器自上而下同轴心布置，双密封胶筒套于节流本体的胶筒基管，锥状节流器置入弹式助推器的助推基体，且锥状节流器与弹式助推器的助推管和胶筒推套由内而外同轴心布置。

卡瓦锁紧体采用分体悬臂梁式锯齿状卡瓦构造，并依据卡瓦片和打捞体实现井下快速坐封和打捞，它包括卡瓦片和打捞体。

卡瓦锁紧体的各卡瓦片沿轴向放置并呈鼠笼式排列的方式罩于卡瓦推筒的外锥面，卡瓦片采用瓦片状结构，卡瓦片沿轴向自上而下依次设有卡瓦接箍、卡瓦颈、卡瓦定位体、基片体和卡瓦齿体，卡瓦片的卡瓦接箍、卡瓦颈、卡瓦定位体和基片体沿周向的宽度相等并且均小于其卡瓦齿体沿周向的宽度。卡瓦片的卡瓦接箍采用方柱形钢块，卡瓦接箍的上下壁面与打捞体卡瓦槽孔的上端槽壁和下端槽壁之间采用过盈配合，卡瓦接箍的两侧壁面与卡瓦槽孔的两侧壁面之间采用间隙配合，由此通过卡瓦接箍将卡瓦片与打捞体连为一个整体，且每个卡瓦片形成悬臂梁式卡瓦。卡瓦片的卡瓦颈采用圆拱状钢片，卡瓦颈外环面所在的柱面与打捞体的环腔内壁紧密贴合，且卡瓦颈内壁所在柱面的直径大于中心管的外径。卡瓦片的卡瓦定位体采用锥状钢片，卡瓦定位体外环面所在锥面的锥度小于打捞体卡瓦限位锥面所在锥面的锥度。基片体的内壁所在柱面的直径大于卡瓦推筒的卡瓦限位槽槽底面所在柱面的直径，基片体的外环面由半柱面和半锥面组合而成。卡瓦片的卡瓦齿体内壁采用半锥面且其外环面加工有等间距分层排列的卡齿，卡瓦齿体上的每个卡齿的形状和大小相同，每个卡齿的上侧齿形面采用拱形平面且上侧齿形面所在的平面与水平面之间呈15°，每个卡齿的下侧齿形面采用半锥面且下侧齿形面所在锥面的锥度为50°，由此每个卡瓦片呈现锯齿状外形。

卡瓦锁紧体的打捞体采用变截面厚壁筒体，打捞体外环面的上部铣有打捞颈槽，打捞体的打捞颈槽与打捞作业中的井下打捞工具相配合，打捞颈槽的槽底面采用圆柱面，且打捞颈槽的上端槽壁所在圆面的直径小于其下端槽壁所在圆面的直径。打捞体环腔内壁上部所在柱面的直径小于其环腔内壁下部所在柱面的直径，且打捞体的环腔内壁下部依次设有卡瓦槽孔和卡瓦限位锥面，卡瓦槽孔沿圆周方向均匀分布，每个卡瓦槽孔均采用方柱面通孔，卡瓦槽孔的上端槽壁所在圆面与打捞体环腔内壁的截面变化结合处相平齐；打捞体的卡瓦限位锥面采用圆锥面并实现卡瓦片的径向限位，卡瓦限位锥面所在锥面的大端圆面与打捞体的下端面相平齐。

节流本体采用可移动管式构造，并依据卡瓦推筒实现卡瓦锁紧体的张开与闭合，通过中心管将节流后经助推管的流体调整为朝上运移的稳流，它包括卡瓦推筒、中心管、胶筒基管、定位端盖和限位销轴，限位销轴采用圆柱销并实现卡瓦推筒与中心管之间的固定连接。

节流本体的卡瓦推筒采用变径粗管体，卡瓦推筒的外环面沿轴向自上而下依次设有推筒卡环和锥状推移面，推筒卡环的剖面呈矩形，推筒卡环上铣有沿周向均布的卡瓦限位槽并实现卡瓦片的周向限位，卡瓦推筒的卡瓦限位槽的数量和位置与打捞体的卡瓦槽孔以及卡瓦片的数量和位置相对应，卡瓦限位槽的槽底面采用圆柱面，且卡瓦限位槽的两侧槽壁与卡瓦片的基片体沿周向的两侧壁面之间精密配合并构成双平面移动副。卡瓦推筒的锥状推移面与卡瓦片的卡瓦齿体内壁精密配合，且锥状推移面所在锥面的锥度等于卡瓦齿体内壁半锥面所在锥面的锥度，而锥状推移面所在锥面的锥高则大于卡瓦齿体内壁半锥面所在锥面的锥高，锥状推移面所在锥面的小端圆面直径等于卡瓦定位体内壁所在锥面的大端圆面直径和基片体内壁所在柱面的直径。

卡瓦推筒的环腔内壁沿轴向自上而下依次设有上柱状管移面、锥状止推面和下柱状管移面，上柱状管移面和下柱状管移面采用圆柱面，而锥状止推面则采用圆锥面，且卡瓦推筒的锥状止推面与中心管的锥状卡环面相配合，下柱状管移面的下部钻有销孔并与限位销轴相配合，卡瓦推筒位于下柱状管移面下部的腔壁车制密封性管螺纹。

节流本体的中心管采用长细管体，中心管的环腔内壁上部铣有投放卡槽，中心管的投放卡槽与坐封作业中的井下投放工具相配合，投放卡槽的槽底面采用圆柱面。中心管的外环面下部设有限位卡环并实现中心管的轴向定位，限位卡环的外环面由锥状卡环面和柱状环移面组成，限位卡环的外壁上钻有销孔并与限位销轴相配合。中心管的外环面顶部与打捞体的环腔内壁之间、中心管的外环面中上部与卡瓦推筒上柱状管移面所在的柱面之间以及中心管的柱状环移面与卡瓦推筒下柱状管移面所在的柱面之间精密配合而构成三柱面移动副。

节流本体的胶筒基管采用短粗管体，节流本体的定位端盖采用厚壁管体，胶筒基管和定位端盖的内外壁面均采用圆柱面，胶筒基管的环腔内壁直径等于卡瓦推筒下柱状管移面所在柱面的直径，且胶筒基管的环腔内壁下部车制密封性管螺纹。胶筒基管的外环面底部设有基管卡环并实现胶筒推套的轴向定位，基管卡环的剖面呈矩形，胶筒基管外环面的顶部车制密封性管螺纹并通过密封性管螺纹与卡瓦推筒相连，定位端盖的外环面车制密封性管螺纹，定位端盖通过密封性管螺纹与胶筒基管相连并实现弹簧体下端的轴向定位。

双密封胶筒采用上下双胶筒，并通过下密封胶筒的分步轴向挤压和上密封胶筒的整体挤压而分别完成坐封后的辅助封隔和主封隔，它包括上密封胶筒、密封压环和下密封胶筒，密封压环的壁厚以及处于初始自由状态的上密封胶筒和下密封胶筒的厚度等于卡瓦推筒的外环面最大直径与胶筒基管的外环面直径之差的二分之一。

双密封胶筒的上密封胶筒和下密封胶筒采用圆筒形结构，上密封胶筒的弹性模量大且轴向长度短，节流开始时上密封胶筒依靠节流前后流体压差提供的推力完成整体挤压，实现坐封后的主封隔作用。下密封胶筒的弹性模量小且轴向长度大，坐封作业时下密封胶筒先是依靠弹簧体提供的推力完成初次挤压，而后节流开始时下密封胶筒依据节流前后流体压差提供的推力完成二次挤压，最终通过下密封胶筒的分步轴向挤压实现坐封后的辅助封隔作用，从而保证整个节流装置的封隔效果。

双密封胶筒的密封压环采用短环体，密封压环的环腔内壁与胶筒基管的外环面之间采用间隙配合，密封压环的外环面直径、胶筒推套的外环面直径以及助推基体的外环面最大直径相等。

弹式助推器采用弹动式双层管构造，并通过胶筒推套朝上挤压而实施下密封胶筒的分步轴向挤压和上密封胶筒的整体挤压，胶筒推套在打捞作业中朝下滑移后上密封胶筒和下密封胶筒顺利恢复至初始自由状态而易于解封，弹式助推器包括胶筒推套、助推基体、助推管、弹簧体和○形密封圈。

弹式助推器的胶筒推套采用短粗管体，胶筒推套的顶部设有推套滑环，胶筒推套的推套滑环内壁与胶筒基管的外环面之间以及胶筒推套的环腔内壁与胶筒基管的基管卡环外环面之间精密配合而构成双柱面移动副，胶筒推套的环腔内壁下部车制密封性管螺纹。

弹式助推器的助推管采用长细管体，助推管的顶端设有助推滑环并实现弹簧体上端的轴向定位，由此弹簧体置入助推管的外环面与胶筒基管的环腔内壁之间构成的环形空腔内，弹簧体采用压缩弹簧并提供动力，且动力依次经助推管和助推基体传递至胶筒推套，最终由胶筒推套挤压上密封胶筒和下密封胶筒。

助推管的外环面下部车制密封性管螺纹，助推管的外环面与定位端盖的环腔内壁之间、助推管助推滑环的外环面与胶筒基管的环腔内壁之间以及助推滑环与卡瓦推筒的下柱状管移面之间精密配合而构成三柱面移动副，胶筒推套的双柱面移动副配合助推管的三柱面移动副保证弹式助推器沿轴向精准滑移。

弹式助推器的助推基体采用变径厚壁管体，助推基体的外环面上部及其环腔内壁上部均车制密封性管螺纹，并由此将胶筒推套和助推管连为一体并实现锥状节流器的轴向固定。助推基体的环腔内壁中部设有节流卡槽，助推基体的节流卡槽内配置锥状节流嘴，节流卡槽的槽壁采用圆柱面且节流卡槽的槽壁中部铣有密封环槽，助推基体的密封环槽剖面呈矩形且其内配置○形密封圈，○形密封圈的剖面呈○形，并实现弹式助推器与锥状节流器之间的非金属静密封。助推基体的环腔内壁下部设有变截面导流道，变截面导流道由上细导流道和下粗导流道组成，且上细导流道和下粗导流道的孔壁采用圆柱面且同轴心布置，变截面导流道将节流前的流体顺利导入锥状节流器。

锥状节流器采用厚壁管体并形成稳定的节流场，调整节流前后流体的温度、压力和流速而完成井下节流，同时依据节流前后流体的压差推动弹式助推器朝上滑移而实施下密封胶筒的二次挤压和上密封胶筒的整体挤压，锥状节流器包括锥状节流嘴和柱状导流嘴，锥状节流嘴和柱状导流嘴的材质选用陶瓷。

锥状节流器锥状节流嘴的轴向长度大于助推基体的节流卡槽轴向长度，锥状节流嘴的环腔内壁设为锥状节流孔道，锥状节流孔道的孔壁采用圆锥面，且锥状节流嘴的锥状节流孔道所在锥面的大端圆面直径和小端圆面直径分别等于助推基体变截面导流道的上细导流道孔壁所在柱面的直径和柱状导流嘴的柱状导流孔道孔壁所在柱面的直径，由此节流过程中流体的温度逐渐上升、压力剧烈增大且流速从亚音速到超音速再到亚音速不断变化。

锥状节流器柱状导流嘴的环腔内壁设为柱状导流孔道，柱状导流嘴的柱状导流孔道与锥状节流嘴的锥状节流孔道自上而下同轴心布置，柱状导流孔道的孔壁采用圆柱面并将经锥状节流孔道节流后的流体流向调整为均匀轴向流，同时避免紊流现象发生。柱状导流嘴的外环面下部设有导流卡环并实现锥状节流器的轴向定位，导流卡环的剖面呈矩形，导流卡环的外环面直径小于助推管的密封性管螺纹小径。

坐封作业中，节流本体上行，通过卡瓦推筒的锥状推移面与卡瓦片的卡瓦齿体内壁的精密配合，卡瓦推筒推动卡瓦片沿径向朝外移动且卡瓦锁紧体张开，依据卡瓦齿体的上侧齿形面实现卡瓦锁紧体与油管柱管壁之间的快速自锁；接着，通过井下投放工具瞬间振击节流本体，依靠卡瓦推筒和中心管之间的剪切力剪断限位销轴，而后弹簧体提供动力并推动中心管和助推管沿轴向朝上滑移，且由胶筒推套挤压下密封胶筒而完成初次挤压；最后，节流开始时依靠节流前后流体压差提供的推力，中心管、助推管和胶筒推套一起沿轴向朝上继续滑移，而后由胶筒推套再次挤压下密封胶筒而完成二次挤压，并实现坐封后的辅助封隔，同时通过密封压环挤压上密封胶筒而完成整体挤压，实现坐封后的主封隔。

打捞作业中，井下打捞工具经打捞体的打捞颈槽推动卡瓦片和卡瓦推筒沿轴向朝下移动，卡瓦推筒的锥状推移面脱离卡瓦片的卡瓦齿体内壁且卡瓦锁紧体闭合，依据卡瓦齿体的下侧齿形面实现卡瓦锁紧体与油管柱管壁之间的快速解锁；与此同时，在上密封胶筒和下密封胶筒弹力的作用下，胶筒推套朝下滑移，而后上密封胶筒和下密封胶筒顺利恢复至初始自由状态而易于解封。

本发明所能达到的技术效果是，节流本体依据卡瓦推筒完成卡瓦锁紧体的张开与闭合而实现井下快速坐封和打捞，依靠弹簧体提供的推力完成下密封胶筒的初次挤压，依据节流前后流体的压差推动弹式助推器朝上滑移而实施下密封胶筒的二次挤压和上密封胶筒的整体挤压，并完成下密封胶筒的分步轴向挤压而保证坐封后的封隔，胶筒推套在打捞作业中朝下滑移后上密封胶筒和下密封胶筒顺利恢复至初始自由状态而易于解封，锥状节流器调整节流前后流体的温度、压力和流速而完成井下节流，节流本体通过中心管将节流后经助推管的流体调整为朝上运移的稳流，由此该节流装置可有效解决常规气井和非常规气井的井下节流问题，并防止井下节流过程中生成天然气水合物。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明，但本发明并不局限于以下实施例。

图1是根据本发明所提出的弹动式双胶筒分步轴向挤压节流装置的典型结构简图。

图2是图1的A—A剖视图。

图3是图1的B—B剖视图。

图4是弹动式双胶筒分步轴向挤压节流装置中的卡瓦锁紧体的结构简图。

图5是卡瓦锁紧体中的卡瓦片的结构简图。

图6是弹动式双胶筒分步轴向挤压节流装置中的节流本体的结构简图。

图7是弹动式双胶筒分步轴向挤压节流装置中的双密封胶筒的结构简图。

图8是弹动式双胶筒分步轴向挤压节流装置中的弹式助推器的结构简图。

图9是弹动式双胶筒分步轴向挤压节流装置中的锥状节流器的结构简图。

图10是弹动式双胶筒分步轴向挤压节流装置的坐封作业流程简图。

图11是弹动式双胶筒分步轴向挤压节流装置的打捞作业流程简图。

图中1－卡瓦锁紧体，2－节流本体，3－双密封胶筒，4－弹式助推器，5－锥状节流器，6－打捞体，7－卡瓦片，8－打捞颈槽，9－卡瓦槽孔，10－卡瓦接箍，11－卡瓦颈，12－卡瓦限位锥面，13－卡瓦定位体，14－基片体，15－卡瓦齿体，16－卡齿，17－下侧齿形面，18－上侧齿形面，19－中心管，20－卡瓦推筒，21－限位销轴，22－胶筒基管，23－定位端盖，24－投放卡槽，25－推筒卡环，26－卡瓦限位槽，27－锥状推移面，28－上柱状管移面，29－锥状止推面，30－下柱状管移面，31－限位卡环，32－基管卡环，33－上密封胶筒，34－密封压环，35－下密封胶筒，36－助推管，37－弹簧体，38－胶筒推套，39－助推基体，40－○形密封圈，41－助推滑环，42－推套滑环，43－密封环槽，44－节流卡槽，45－变截面导流道，46－柱状导流嘴，47－锥状节流嘴，48－锥状节流孔道，49－导流卡环，50－柱状导流孔道，51－油管柱。

具体实施方式

在图1～图3中，弹动式双胶筒分步轴向挤压节流装置由卡瓦锁紧体1、节流本体2、双密封胶筒3、弹式助推器4和锥状节流器5组成，该节流装置依据卡瓦锁紧体1实现井下快速坐封和打捞，通过双密封胶筒3和弹式助推器4完成坐封后的封隔和解封，并结合锥状节流器5和节流本体2形成稳定的节流场，有效解决常规气井和非常规气井的井下节流问题，并防止井下节流过程中生成天然气水合物。

在图1～图3中，弹动式双胶筒分步轴向挤压节流装置经卡瓦锁紧体1的卡瓦片而固定于油管柱的管壁内，并由弹式助推器4的助推基体与井下筛管相连接，卡瓦锁紧体1、节流本体2和弹式助推器4自上而下同轴心布置，双密封胶筒3套于节流本体2的胶筒基管，且锥状节流器5置入弹式助推器4的助推基体，锥状节流器5与弹式助推器4的助推管和胶筒推套由内而外同轴心布置。

在图1～图3中，弹动式双胶筒分步轴向挤压节流装置进行组装之前，卡瓦锁紧体1的打捞体、节流本体2的卡瓦推筒以及弹式助推器4的胶筒推套和助推基体外表面分别进行喷漆防腐处理，节流本体2的中心管置入卡瓦锁紧体1的打捞体和节流本体2的卡瓦推筒并往复移动和转动，应轻快灵活且无阻滞，节流本体2的胶筒基管与弹式助推器4的胶筒推套和助推管配合后，应移动灵活且无阻滞。保持节流本体2的中心管、弹式助推器4的胶筒推套和助推管的内壁以及弹式助推器4的助推管和节流本体2的胶筒基管之间环形空腔的清洁，同时检查双密封胶筒3的上密封胶筒和下密封胶筒以及弹式助推器4的○形密封圈有无损伤，检查卡瓦锁紧体1的卡瓦片有无损伤且是否松动，检查各螺纹联接处是否牢固且有无锈蚀。

在图1～图3中，弹动式双胶筒分步轴向挤压节流装置进行组装作业时，锥状节流器5的锥状节流嘴和柱状导流嘴依次置入弹式助推器4的助推基体，拧紧节流本体2的定位端盖并将其固定于胶筒基管的底部，弹式助推器4的弹簧体以及节流本体2定位端盖与胶筒基管依次套于弹式助推器4的助推管，并拧紧助推管同时将其固定于弹式助推器4助推基体的顶部，而后弹式助推器4的胶筒推套以及双密封胶筒3的下密封胶筒、密封压环和上密封胶筒依次套于节流本体2的胶筒基管，拧紧胶筒推套并将其固定于弹式助推器4助推基体的顶部，最后节流本体2的中心管置入其卡瓦推筒内，并拧紧节流本体2的卡瓦推筒与其胶筒基管之间的密封性管螺纹，而后卡瓦锁紧体1的各卡瓦片接于其打捞体的卡瓦槽孔，并将卡瓦片和打捞体一起套于节流本体2的卡瓦推筒。

在图1～图3中，弹动式双胶筒分步轴向挤压节流装置的型号依据油管柱的内径、单向封隔压差、坐封拉力、解封力和上提强度等参数进行选取。

在图4和图5中，卡瓦锁紧体1依据打捞体6和卡瓦片7实现井下快速坐封和打捞，打捞体6的设计需要考虑油管柱的内径、井下打捞工具的规格、上提强度等因素，卡瓦片7的设计需要考虑油管柱的内径、坐封拉力、解封力等因素。

在图4和图5中，卡瓦片7沿轴向自上而下依次设有卡瓦接箍10、卡瓦颈11、卡瓦定位体13、基片体14和卡瓦齿体15，卡瓦接箍10与打捞体6的卡瓦槽孔9相配合，由此打捞体6与卡瓦片7连为一个整体，且每个卡瓦片7均形成悬臂梁式卡瓦，打捞体6的打捞颈槽8与打捞作业中的井下打捞工具相配合，卡瓦限位锥面12实现卡瓦片7的径向限位，卡瓦齿体15的外环面加工有等间距分层排列的卡齿16，坐封作业中，依据每个卡齿16的上侧齿形面18实现卡瓦锁紧体1与油管柱的管壁之间快速自锁，而在打捞作业中，则依据每个卡齿16的下侧齿形面17实现卡瓦锁紧体1与油管柱的管壁之间快速解锁。

在图6中，节流本体2依据卡瓦推筒20实现卡瓦锁紧体1的张开与闭合，中心管19的管径与打捞体6的规格保持一致，且中心管19的设计需要考虑井下投放工具的规格、坐封拉力、节流后流体的压力等因素，卡瓦推筒20的设计需要考虑油管柱的内径、坐封拉力等因素，限位销轴21的设计需要考虑坐封拉力、上提强度、井下投放工具瞬间振击节流本体2的作用力等因素，胶筒基管22的管径与卡瓦推筒20的规格相一致。

在图6中，节流本体2通过中心管19将节流后经弹式助推器4助推管的流体调整为朝上运移的稳流，下柱状管移面30上的销孔与限位卡环31上的销孔同时配置限位销轴21，限位销轴21实现卡瓦推筒20与中心管19之间的固定连接，中心管19的投放卡槽24与坐封作业中的井下投放工具相配合，限位卡环31实现中心管19的轴向定位，卡瓦推筒20的推筒卡环25上铣有沿周向均布的卡瓦限位槽26并实现卡瓦片7的周向限位，锥状推移面27与卡瓦齿体15的内壁精密配合，锥状止推面29与中心管19的锥状卡环面相配合，中心管19的外环面与打捞体6的环腔内壁之间、中心管19的外环面与上柱状管移面28之间以及中心管19的柱状环移面与下柱状管移面30之间精密配合而构成三柱面移动副，胶筒基管22的基管卡环32实现弹式助推器4胶筒推套的轴向定位，定位端盖23实现弹式助推器4的弹簧体下端的轴向定位。

在图7中，双密封胶筒3通过下密封胶筒35的分步轴向挤压和上密封胶筒33的整体挤压而分别完成坐封后的辅助封隔和主封隔，上密封胶筒33、密封压环34和下密封胶筒35的厚度等于卡瓦推筒20的外环面最大直径与胶筒基管22的外环面直径之差的二分之一。

在图7中，双密封胶筒3采用上下双胶筒，上密封胶筒33和下密封胶筒35的设计均需要考虑油管柱的内径、胶筒基管22的外环面直径、单向封隔压差、解封力等因素，密封压环34的规格与卡瓦推筒20的筒径和胶筒基管22的管径保持一致。

在图8中，弹式助推器4的胶筒推套38在打捞作业中朝下滑移后上密封胶筒33和下密封胶筒35顺利恢复至初始自由状态，从而使得整个节流装置易于解封，助推管36的规格与中心管19的规格保持一致，弹簧体37的设计需要考虑助推管36的外径、胶筒基管22的内径、下密封胶筒35完成初次挤压所需的最大推力等因素，胶筒推套38的设计需要考虑油管柱的内径、下密封胶筒35分步轴向挤压和上密封胶筒33整体挤压所需的最大推力等因素，助推基体39的规格与油管柱的内径保持一致，○形密封圈40的选型需要考虑单向封隔压差、节流卡槽44槽壁所在柱面的直径等因素。

在图8中，弹式助推器4通过胶筒推套38朝上挤压而实施下密封胶筒35的分步轴向挤压和上密封胶筒33的整体挤压，推套滑环42与胶筒基管22的外环面之间以及胶筒推套38的环腔内壁与基管卡环32外环面之间构成双柱面移动副，助推管36的助推滑环41实现弹簧体37上端的轴向定位，且弹簧体37置入助推管36与胶筒基管22之间的环形空腔，助推基体39的节流卡槽44内配置锥状节流器5的锥状节流嘴，节流卡槽44槽壁上的密封环槽43内配置○形密封圈40，并实现弹式助推器4与锥状节流器5间的非金属静密封，变截面导流道45由上细导流道和下粗导流道组成并将节流前的流体顺利导入锥状节流器5。

在图9中，锥状节流器5调整节流前后流体的温度、压力和流速而完成井下节流，锥状节流嘴47的设计需要考虑单向封隔压差、节流卡槽44槽壁所在柱面的直径以及节流前后流体的温度、压力和流速变化等因素，柱状导流嘴46的设计需要考虑助推管36的内径、节流后的流体的温度、压力和流速变化等因素。

在图9中，锥状节流器5依据节流前后流体的压差推动弹式助推器4朝上滑移而实施下密封胶筒35的二次挤压和上柱状管移面28的整体挤压，柱状导流嘴46的柱状导流孔道50将经锥状节流孔道48节流后的流体流向调整为均匀轴向流，导流卡环49实现锥状节流器5的轴向定位，节流过程中，锥状节流嘴47的锥状节流孔道48内流体的温度逐渐上升、压力剧烈增大且流速从亚音速到超音速再到亚音速不断变化。

在图10中，弹动式双胶筒分步轴向挤压节流装置的坐封作业流程第一步为，该节流装置通过中心管19的投放卡槽24接于井下投放工具的底端，并随井下投放工具沿油管柱51的管壁一起下入井下节流部位；而后，上提井下投放工具，节流本体2随之上行，通过卡瓦推筒20的锥状推移面27与卡瓦片7的卡瓦齿体15内壁之间的精密配合，卡瓦推筒20推动卡瓦片7沿径向朝外移动且卡瓦锁紧体1张开，依据卡瓦齿体15的上侧齿形面18实现卡瓦锁紧体1与油管柱51管壁之间的快速自锁。

在图10中，弹动式双胶筒分步轴向挤压节流装置的坐封作业流程第二步为，通过井下投放工具瞬间振击节流本体2，依靠中心管19和卡瓦推筒20之间的剪切力剪断限位销轴21，助推管36与胶筒基管22之间环形空腔内的弹簧体37伸长并提供动力，依据推套滑环42和胶筒基管22与胶筒推套38和基管卡环32之间的双柱面移动副以及助推管36与定位端盖23、胶筒基管22和卡瓦推筒20之间的三柱面移动副，弹式助推器4沿轴向精准滑移，且依据中心管19与打捞体6和上柱状管移面28以及限位卡环31的柱状环移面与下柱状管移面30之间的三柱面移动副，助推管36推动中心管19沿轴向朝上滑移，且滑移距离为Δh₁，同时胶筒推套38挤压下密封胶筒35，下密封胶筒35的压缩量为Δh₁，且下密封胶筒35的压缩量Δh₁等于中心管19和助推管36的滑移距离Δh₁，由此下密封胶筒35完成初次挤压，且下密封胶筒35外环面所在的密封面与油管柱51的管壁相贴合。

在图10中，弹动式双胶筒分步轴向挤压节流装置的坐封作业流程第三步为，节流开始时，依靠节流前后流体的压差提供推力，且推力依次由锥状节流嘴47和柱状导流嘴46传递至助推管36；而后，依据推套滑环42和胶筒基管22与胶筒推套38和基管卡环32之间的双柱面移动副以及助推管36与定位端盖23、胶筒基管22和卡瓦推筒20之间的三柱面移动副，弹式助推器4继续沿轴向精准滑移，且依据中心管19与打捞体6和上柱状管移面28以及限位卡环31的柱状环移面与下柱状管移面30之间的三柱面移动副，助推管36推动中心管19继续沿轴向朝上滑移，滑移距离为Δh，同时胶筒推套38再次挤压下密封胶筒35，下密封胶筒35的压缩量为Δh₂，由此下密封胶筒35完成二次挤压，并实现坐封后的辅助封隔；与此同时，密封压环34挤压上密封胶筒33，上密封胶筒33的压缩量为Δh₃，且下密封胶筒35的压缩量Δh₂与上密封胶筒33的压缩量Δh₃之和等于中心管19和助推管36的滑移距离Δh，由此上密封胶筒33完成整体挤压，并实现坐封后的主封隔。

在图11中，弹动式双胶筒分步轴向挤压节流装置的打捞作业流程为，该节流装置通过打捞体6的打捞颈槽8接于井下打捞工具的底端，井下打捞工具经打捞体6推动卡瓦片7和卡瓦推筒20沿轴向朝下移动，卡瓦推筒20的锥状推移面27脱离卡瓦片7的卡瓦齿体15内壁，且卡瓦锁紧体1由此而闭合，同时依据卡瓦齿体15的下侧齿形面17实现卡瓦锁紧体1与油管柱管壁之间的快速解锁；与此同时，在上密封胶筒33和下密封胶筒35弹力的作用下，并结合推套滑环42和胶筒基管22与胶筒推套38和基管卡环32之间的双柱面移动副以及助推管36与定位端盖23、胶筒基管22和卡瓦推筒20之间的三柱面移动副，胶筒推套38朝下滑移，而后上密封胶筒33和下密封胶筒35顺利恢复至初始自由状态，而易于解封。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种弹动式双胶筒分步轴向挤压节流装置，该节流装置经卡瓦锁紧体而固定于油管柱的管壁，卡瓦锁紧体、节流本体和弹式助推器自上而下同轴心布置，双密封胶筒套于节流本体的胶筒基管，锥状节流器置入弹式助推器的助推基体，锥状节流器与弹式助推器的助推管和胶筒推套由内而外同轴心布置，实现常规气井和非常规气井的井下节流，其特征在于：

一卡瓦锁紧体；所述卡瓦锁紧体采用分体悬臂梁式锯齿状卡瓦构造，它包括卡瓦片和打捞体；各卡瓦片沿轴向放置并呈鼠笼式排列的方式罩于卡瓦推筒的外锥面，卡瓦片沿轴向自上而下依次设有卡瓦接箍、卡瓦颈、卡瓦定位体、基片体和卡瓦齿体，通过卡瓦接箍将卡瓦片与打捞体连为一个整体，且每个卡瓦片形成悬臂梁式卡瓦并呈现锯齿状外形，卡瓦颈采用圆拱状钢片，卡瓦定位体采用锥状钢片，卡瓦齿体的内壁采用半锥面且其外环面加工有等间距分层排列的卡齿，卡瓦齿体上的每个卡齿的上侧齿形面采用拱形平面且每个卡齿的下侧齿形面采用半锥面；打捞体的打捞颈槽与打捞作业的井下打捞工具相配合，打捞体的环腔内壁下部依次设有卡瓦槽孔和卡瓦限位锥面，卡瓦限位锥面实现卡瓦片的径向限位；

一节流本体；所述节流本体采用可移动管式构造，并依据卡瓦推筒实现卡瓦锁紧体的张开与闭合，它包括卡瓦推筒、中心管、胶筒基管、定位端盖和限位销轴，限位销轴实现卡瓦推筒与中心管间的固定连接；卡瓦推筒的外环面沿轴向自上而下依次设有推筒卡环和锥状推移面，推筒卡环上铣有沿周向均布的卡瓦限位槽并实现卡瓦片的周向限位，卡瓦限位槽与卡瓦片的基片体之间构成双平面移动副，卡瓦推筒的锥状推移面与卡瓦片的卡瓦齿体内壁精密配合，卡瓦推筒的环腔内壁沿轴向自上而下依次设有上柱状管移面、锥状止推面和下柱状管移面，卡瓦推筒的锥状止推面与中心管的锥状卡环面相配合；中心管的环腔内壁上部铣有投放卡槽，中心管的投放卡槽与坐封作业的井下投放工具相配合，中心管的外环面下部设有限位卡环并实现中心管的轴向定位，限位卡环的外环面由锥状卡环面和柱状环移面组成，中心管与打捞体之间、中心管与卡瓦推筒的上柱状管移面之间以及中心管的柱状环移面与卡瓦推筒的下柱状管移面之间构成三柱面移动副；胶筒基管的外环面底部设有基管卡环并实现胶筒推套的轴向定位，胶筒基管通过密封性管螺纹与卡瓦推筒相连，定位端盖通过密封性管螺纹与胶筒基管相连并实现弹簧体下端的轴向定位；

一双密封胶筒；所述双密封胶筒采用上下双胶筒，并通过下密封胶筒的分步轴向挤压和上密封胶筒的整体挤压而分别完成坐封后的辅助封隔和主封隔，它包括上密封胶筒、密封压环和下密封胶筒；上密封胶筒的弹性模量大且轴向长度短，下密封胶筒的弹性模量小且轴向长度大，密封压环的环腔内壁与胶筒基管的外环面之间采用间隙配合；

一弹式助推器；所述弹式助推器采用弹动式双层管构造，它包括胶筒推套、助推基体、助推管、弹簧体和○形密封圈；胶筒推套的顶部设有推套滑环，胶筒推套的推套滑环与胶筒基管之间以及胶筒推套与胶筒基管的基管卡环之间构成双柱面移动副，助推管的顶端设有助推滑环并实现弹簧体上端的轴向定位，弹簧体置入助推管的外环面与胶筒基管的环腔内壁之间构成的环形空腔，助推管与定位端盖之间、助推管的助推滑环与胶筒基管之间以及助推滑环与卡瓦推筒的下柱状管移面之间构成三柱面移动副；助推基体将胶筒推套和助推管连为一体并实现锥状节流器的轴向固定，助推基体的节流卡槽内配置锥状节流嘴且节流卡槽的槽壁中部铣有密封环槽，密封环槽内配置○形密封圈，助推基体的变截面导流道由上细导流道和下粗导流道组成，上细导流道和下粗导流道同轴心布置；

一锥状节流器；所述锥状节流器形成稳定的节流场并调整节流前后流体的温度、压力和流速，它包括锥状节流嘴和柱状导流嘴；锥状节流嘴的环腔内壁设为锥状节流孔道，柱状导流嘴的环腔内壁设为柱状导流孔道，柱状导流嘴的柱状导流孔道与锥状节流嘴的锥状节流孔道自上而下同轴心布置，柱状导流孔道将经锥状节流孔道节流后的流体流向调整为均匀轴向流，柱状导流嘴的外环面下部设有导流卡环并实现锥状节流器的轴向定位。

2.根据权利要求1所述的弹动式双胶筒分步轴向挤压节流装置，其特征在于：所述卡瓦锁紧体依据卡瓦片和打捞体实现井下快速坐封和打捞，卡瓦锁紧体的卡瓦片采用瓦片状结构，卡瓦片的卡瓦接箍、卡瓦颈、卡瓦定位体和基片体沿周向的宽度相等并且均小于其卡瓦齿体沿周向的宽度；卡瓦片的卡瓦接箍采用方柱形钢块，卡瓦接箍的上下壁面与打捞体卡瓦槽孔的上端槽壁和下端槽壁之间采用过盈配合，卡瓦接箍的两侧壁面与卡瓦槽孔的两侧壁面之间采用间隙配合，卡瓦片的卡瓦颈外环面所在的柱面与打捞体的环腔内壁紧密贴合，且卡瓦颈内壁所在柱面的直径大于中心管的外径，卡瓦片的卡瓦定位体外环面所在锥面的锥度小于打捞体卡瓦限位锥面所在锥面的锥度，基片体的内壁所在柱面的直径大于卡瓦推筒的卡瓦限位槽槽底面所在柱面的直径，基片体的外环面由半柱面和半锥面组合而成，卡瓦片的卡瓦齿体上的每个卡齿的形状和大小相同，卡瓦齿体上的每个卡齿的上侧齿形面所在的平面与水平面之间呈15°，每个卡齿的下侧齿形面所在锥面的锥度为50°。

3.根据权利要求1所述的弹动式双胶筒分步轴向挤压节流装置，其特征在于：所述卡瓦锁紧体的打捞体采用变截面厚壁筒体，打捞体外环面的上部铣有打捞颈槽，打捞颈槽的槽底面采用圆柱面，打捞体的卡瓦槽孔沿圆周方向均匀分布，每个卡瓦槽孔均采用方柱面通孔，卡瓦槽孔的上端槽壁所在圆面与打捞体环腔内壁的截面变化结合处相平齐，打捞体的卡瓦限位锥面采用圆锥面，卡瓦限位锥面所在锥面的大端圆面与打捞体的下端面相平齐。

4.根据权利要求1所述的弹动式双胶筒分步轴向挤压节流装置，其特征在于：所述节流本体通过中心管将节流后经助推管的流体调整为朝上运移的稳流，限位销轴采用圆柱销；

所述卡瓦推筒采用变径粗管体，其推筒卡环的剖面呈矩形，卡瓦推筒的卡瓦限位槽的数量和位置与打捞体的卡瓦槽孔以及卡瓦片的数量和位置相对应，卡瓦限位槽的槽底面采用圆柱面，且卡瓦限位槽的两侧槽壁与卡瓦片的基片体沿周向的两侧壁面之间精密配合；卡瓦推筒的锥状推移面所在锥面的锥度等于卡瓦齿体内壁半锥面所在锥面的锥度，而锥状推移面所在锥面的锥高则大于卡瓦齿体内壁半锥面所在锥面的锥高，锥状推移面所在锥面的小端圆面直径等于卡瓦定位体内壁所在锥面的大端圆面直径和基片体内壁所在柱面的直径；卡瓦推筒的上柱状管移面和下柱状管移面采用圆柱面，且其锥状止推面采用圆锥面。

5.根据权利要求1所述的弹动式双胶筒分步轴向挤压节流装置，其特征在于：所述节流本体的中心管采用长细管体，中心管投放卡槽的槽底面采用圆柱面，中心管的外环面顶部与打捞体的环腔内壁之间、中心管的外环面中上部与卡瓦推筒上柱状管移面所在的柱面之间以及中心管的柱状环移面与卡瓦推筒下柱状管移面所在的柱面之间精密配合；

所述节流本体的胶筒基管采用短粗管体，且其定位端盖采用厚壁管体，胶筒基管和定位端盖的内外壁面均采用圆柱面，胶筒基管的环腔内壁直径等于卡瓦推筒下柱状管移面所在柱面的直径，胶筒基管的基管卡环的剖面呈矩形。

6.根据权利要求1所述的弹动式双胶筒分步轴向挤压节流装置，其特征在于：所述双密封胶筒的上密封胶筒和下密封胶筒采用圆筒形结构，密封压环的壁厚以及处于初始自由状态的上密封胶筒和下密封胶筒的厚度等于卡瓦推筒的外环面最大直径与胶筒基管的外环面直径之差的二分之一，节流开始时上密封胶筒依靠节流前后流体压差提供的推力完成整体挤压，坐封作业时下密封胶筒先是依靠弹簧体提供的推力完成初次挤压，而后节流开始时下密封胶筒依据节流前后流体压差提供的推力完成二次挤压；

所述双密封胶筒的密封压环采用短环体，密封压环的外环面直径、胶筒推套的外环面直径以及助推基体的外环面最大直径相等。

7.根据权利要求1所述的弹动式双胶筒分步轴向挤压节流装置，其特征在于：所述弹式助推器的胶筒推套在打捞作业中朝下滑移后上密封胶筒和下密封胶筒顺利恢复至初始自由状态而易于解封，胶筒推套采用短粗管体，胶筒推套的推套滑环内壁与胶筒基管的外环面之间以及胶筒推套的环腔内壁与胶筒基管的基管卡环外环面之间精密配合；

所述弹式助推器的助推管采用长细管体，弹簧体采用压缩弹簧并提供动力，且动力依次经助推管和助推基体传递至胶筒推套，最终由胶筒推套挤压上密封胶筒和下密封胶筒；助推管的外环面与定位端盖的环腔内壁之间、助推管助推滑环的外环面与胶筒基管的环腔内壁之间以及助推滑环与卡瓦推筒的下柱状管移面之间精密配合，胶筒推套的双柱面移动副配合助推管的三柱面移动副保证弹式助推器沿轴向精准滑移。

8.根据权利要求1所述的弹动式双胶筒分步轴向挤压节流装置，其特征在于：所述弹式助推器的助推基体采用变径厚壁管体，助推基体的外环面上部及其环腔内壁上部均车制密封性管螺纹，助推基体的环腔内壁中部设有节流卡槽，且节流卡槽的槽壁采用圆柱面，助推基体的密封环槽剖面呈矩形，○形密封圈的剖面呈○形，并实现弹式助推器与锥状节流器之间的非金属静密封；助推基体的环腔内壁下部设有变截面导流道，且变截面导流道的上细导流道和下粗导流道的孔壁采用圆柱面，变截面导流道将节流前的流体顺利导入锥状节流器。

9.根据权利要求1所述的弹动式双胶筒分步轴向挤压节流装置，其特征在于：所述锥状节流器采用厚壁管体，同时依据节流前后流体的压差推动弹式助推器朝上滑移，锥状节流嘴和柱状导流嘴的材质选用陶瓷；锥状节流嘴的锥状节流孔道的孔壁采用圆锥面，且锥状节流嘴的锥状节流孔道所在锥面的大端圆面直径和小端圆面直径分别等于助推基体变截面导流道的上细导流道孔壁所在柱面的直径和柱状导流嘴的柱状导流孔道孔壁所在柱面的直径，节流过程中流体的温度逐渐上升、压力剧烈增大且流速从亚音速到超音速再到亚音速不断变化；

所述柱状导流嘴的环腔内壁设有柱状导流孔道，柱状导流孔道的孔壁采用圆柱面并避免紊流现象发生，柱状导流嘴的导流卡环的剖面呈矩形。

10.根据权利要求1～9任一项所述的弹动式双胶筒分步轴向挤压节流装置，其特征在于：所述弹动式双胶筒分步轴向挤压节流装置的坐封作业中，节流本体上行，通过卡瓦推筒的锥状推移面与卡瓦片的卡瓦齿体内壁的精密配合，卡瓦推筒推动卡瓦片沿径向朝外移动且卡瓦锁紧体张开，依据卡瓦齿体的上侧齿形面实现卡瓦锁紧体与油管柱管壁之间的快速自锁；接着，通过井下投放工具瞬间振击节流本体，依靠卡瓦推筒和中心管之间的剪切力剪断限位销轴，而后弹簧体提供动力并推动中心管和助推管沿轴向朝上滑移，且由胶筒推套挤压下密封胶筒而完成初次挤压；最后，节流开始时依靠节流前后流体压差提供的推力，中心管、助推管和胶筒推套一起沿轴向朝上继续滑移，而后由胶筒推套再次挤压下密封胶筒而完成二次挤压，同时通过密封压环挤压上密封胶筒而完成整体挤压。

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