CN112483067B - 一种实现井下工具开关锁定功能的操作机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现井下工具开关锁定功能的操作机构，其连接短节、操作外筒、控制短节、操作芯轴、操作活塞、控制器、气腔和油腔，连接短节、操作外筒、控制短节连为一体并作为外部结构，操作芯轴和操作活塞相连接并作为内部结构滑动连接在外部结构内，操作芯轴上设有活塞部且活塞部的两个端面面积上小下大，油腔中的液压油由环空压力推动始终作用在活塞部的上端，通过控制器的作用可将气腔和油腔的上部与活塞部的下部切换连通，以改变活塞部下端面的压力，进而改变活塞部上下两端的压力差，以实现操作活塞的上下移动，并完成井下工具开关锁定功能。本发明结构简单、设计合理，且还可以降低成本和密封泄漏风险。

Description

一种实现井下工具开关锁定功能的操作机构

技术领域

本发明涉及油气井测试技术领域，尤其是一种实现井下工具开关锁定功能的操作机构。

背景技术

井下测试阀是试油测试的核心工具，可以通过测试阀的开关功能，实现油气诱喷和测取地层压力恢复资料，从油气藏动态角度分析储层的压力、温度、渗透率等多项地质参数。现有的测试阀的开关主要分为三种方式，一种是依靠地面提升动力上提下放管柱，带动测试阀芯轴上下运动，完成锁定开关井，对现场人员操作经验要求高，工具不通径，安全井控风险大；第二种是通过环空压力增高和释放，依靠油室内的计量套的延时导压性质，实现测试阀芯轴移动，锁定开关井，其中运动的主动力为环空压力，返回的被动力需要氮气室、油室及油室安装的计量套才能产生，工具结构复杂，成本高，对管柱密封性要求高且密封泄漏的风险大；第三种是通过在测试阀内放置微型电机，依靠电机动力推动测试阀芯轴往复运动，实现开关井，但测试阀不通径，电机耗电电较大，密封泄漏风险大。

发明内容

本发明的目的在于弥补现有技术的不足之处，提供一种实现井下工具开关锁定功能的操作机构，其结构简单、设计合理，且还可以降低成本和密封泄漏风险。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种实现井下工具开关锁定功能的操作机构,包括连接短节、操作外筒、控制短节、操作芯轴和操作活塞，所述连接短节、所述操作外筒和所述控制短节由上到下依次螺纹密封连接，所述操作芯轴滑动密封连接在所述连接短节的内腔中，所述操作活塞可上下滑动地贯穿所述操作外筒的内腔，所述操作活塞的上端与所述操作芯轴的下端螺纹密封连接，所述操作活塞的下端滑动密封连接在所述控制短节的内腔中，所述操作活塞的内腔与所述操作芯轴的内腔相通并实现了所述连接短节的内腔和所述控制短节的内腔之间的连通；

所述操作外筒的内壁中部形成有一第一台阶，且该第一台阶和所述控制短节的上端之间形成有一活塞腔，所述操作活塞的外壁上凸出形成有一活塞部，且该活塞部的下端面的面积大于其上端面的面积，所述活塞部滑动密封连接在所述活塞腔中并将所述活塞腔分隔为上活塞腔和下活塞腔；

所述控制短节上设有油腔、气腔和控制器；所述油腔被滑动密封连接在其中的油腔活塞分隔为上油腔和下油腔，所述上油腔通过第一传压通道与所述上活塞腔连通且该上油腔还通过第一连通通道与所述控制器连接，所述上油腔、所述第一传压通道和所述上活塞腔内均填充有液压油，所述下油腔通过第二传压通道与油套环空连通并使所述油套环空内的环空压力作用在所述油腔活塞的下端面上；所述气腔被滑动密封连接在其中的气腔活塞分隔为上气腔和下气腔，所述上气腔通过第二连接通道与所述控制器连接，所述下气腔内填充有压缩空气；所述控制器还通过第三传压通道与所述下活塞腔连接，且所述第一连通通道和所述第二连通通道在所述控制器的作用下与所述第三传压通道切换连通，以使得所述上油腔和所述上气腔能够与所述下活塞腔实现切换连通。

进一步地，所述操作外筒的内壁上部形成有一第二台阶，所述操作活塞的外壁上还凸出形成有一凸起部，所述凸起部滑动密封连接在所述操作外筒的内腔中，且该凸起部的上端面和所述第二台阶之间还形成有一空气环腔。

进一步地，所述空气环腔由上下对应设置的第一密封圈和第二密封圈实现密封，其中所述第一密封圈安装在所述操作外筒的内壁上部，所述第二密封圈安装在所述凸起部的外壁中部。

进一步地，所述活塞腔由上下对应设置的第二密封圈和第三密封圈实现密封，其中所述第三密封圈安装在所述操作活塞的外壁下端以用于实现所述操作活塞与所述控制短节之间的滑动密封连接。

进一步地，所述活塞部的外壁中部安装有第四密封圈以用于实现所述活塞部与所述活塞腔之间的滑动密封连接。

进一步地，所述操作芯轴的外壁上安装有第五密封圈以用于实现所述操作芯轴和所述连接短节之间的滑动密封连接。

进一步地，所述连接短节、所述操作外筒和所述控制短节彼此之间分别通过一第六密封圈实现密封。

进一步地，所述油腔活塞的外壁中部安装有第七密封圈以用于实现所述油腔活塞和所述油腔之间的滑动密封连接。

进一步地，所述气腔活塞的外壁中部安装有第八密封圈以用于实现所述气腔活塞和所述气腔之间的滑动密封连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、能够实现测试阀全通径；

2、具有程序、低压脉冲和无线传输三种控制方式，自动化程度高；

3、适应范围广，包括大斜度井、水平井、上部有射孔层的老井等；

4、受井筒环境影响因素少，成功率高；

5、结构简单、成本低且密封泄漏的风险低。

附图说明

为了使本发明的优点更容易理解，将通过参考在附图中示出的具体实施方式更详细地描述上文简要描述的本发明。可以理解这些附图只描绘了本发明的典型实施方式，因此不应认为是对其保护范围的限制，通过附图以附加的特性和细节来描述和解释本发明。

图1为本发明中操作活塞处于上限位状态下的内部结构示意图；

图2为本发明中操作活塞处于下限位状态下的内部结构示意图。

其中，1-连接短节，2-操作外筒、201-第一台阶、202-第二台阶，3-控制短节，4-操作芯轴，5-操作活塞、501-活塞部、502-凸起部，6-上活塞腔，7-下活塞腔，8-油腔活塞，9-上油腔，10-下油腔，11-第一传压通道，12-第一连通通道，13-第二传压通道，14-气腔活塞，15-上气腔，16-下气腔，17-第二连接通道，18-控制器，19-第三传压通道，20-空气环腔，21-第一密封圈，22-第二密封圈，23-第三密封圈，24-第四密封圈，25-第五密封圈，26-第六密封圈，27-第七密封圈，28-第八密封圈。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明实施方式可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明实施方式发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

为了彻底了解本发明实施方式，将在下列的描述中提出详细的结构。显然，本发明实施方式的施行并不限定于本领域的技术人员所熟习的特殊细节。本发明的较佳实施方式详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

在本发明的描述中，术语“内侧”、“外侧”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“顶”、“底”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，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

下面结合附图对本发明的实施例作进一步详细的说明：

参见图1和图2，本发明提供了一种实现井下工具开关锁定功能的操作机构，包括连接短节1、操作外筒2、控制短节3、操作芯轴4和操作活塞5。连接短节1、操作外筒2和控制短节3由上到下依次螺纹密封连接，且三者彼此之间分别通过一第六密封圈26实现密封。操作芯轴4滑动密封连接在连接短节1的内腔中，且两者之间通过第五密封圈25实现滑动密封连接，第五密封圈25安装在操作芯轴1的外壁上。操作活塞5可上下滑动地贯穿操作外筒2的内腔，操作活塞5的上端与操作芯轴4的下端螺纹密封连接，操作活塞5的下端滑动密封连接在控制短节3的内腔中且两者之间通过第三密封圈23实现滑动密封连接，第三密封圈23安装在操作活塞5的外壁下端；操作活塞5的内腔与操作芯轴4的内腔相通并可实现连接短节1的内腔和控制短节3的内腔之间的连通。

作为本实施例进一步的方案：操作外筒2的内壁中部形成有一第一台阶201，且该第一台阶201和控制短节3的上端之间形成有一活塞腔，活塞腔是一个环形腔且其由第一台阶201的下端面、控制短节3的上端面、操作外筒2的内壁和操作活塞5的外壁共同围成。

操作活塞5的外壁上凸出形成有一活塞部501，且活塞部501的下端面的面积大于活塞部501的上端面的面积，活塞部501滑动密封连接在活塞腔中且两者之间通过第四密封圈24实现滑动密封连接，第四密封圈24安装在活塞部501的外壁中部，活塞部501还将活塞腔分隔为彼此不连通的上活塞腔6和下活塞腔7。

作为本实施例进一步的方案：控制短节3上还设有油腔、气腔和控制器18。

油腔沿控制短节3的轴向开设在控制短节3的管壁内，油腔内滑动密封连接有一油腔活塞8且两者之间通过第七密封圈27实现滑动密封连接，第七密封圈27安装在油腔活塞8的外壁中部，油腔活塞8还将油腔分隔为彼此不连通的上油腔9和下油腔10。上油腔9通过第一传压通道11与上活塞腔6连通且该上油腔9还通过第一连通通道12与控制器18连接，上油腔9、第一传压通道11和上活塞腔6内均填充有液压油；下油腔10通过第二传压通道13与油套环空连通并使油套环空内的环空压力作用在油腔活塞8的下端面上。

气腔沿控制短节3的轴向开设在控制短节3的管壁内，气腔内滑动密封连接有一气腔活塞14且两者之间通过第八密封圈28实现滑动密封连接，第八密封圈28安装在气腔活塞14的外壁中部，气腔活塞14还将气腔分隔为彼此不连通的上气腔15和下气腔16。上气腔15通过第二连接通道17与控制器18连接，下气腔16内填充有压缩空气。

控制器18还通过第三传压通道19与下活塞腔7连接，且第一连通通道12和第二连通通道17在控制器18的作用下与第三传压通道19切换连通，以使得上油腔9和上气腔15能够与下活塞腔7实现切换连通。其中，控制器18可以是两个电磁阀，一个电磁阀安装在第三传压通道19和第一连通通道12之间并用以控制上油腔9和下活塞腔7之间的通断，另一个电磁阀安装在第三传压通道19和第二连通通道17之间并用以控制上气腔15和下活塞腔7之间的通断，两个电磁阀可由电器控制单元的电信号指示实现开关控制，在工作时两个电磁阀中一个处于关闭状态而另一个则必须处于打开状态，而且两个电磁阀同时动作。

工作原理：

当控制器18将第一连通通道12和第三传压通道19接通，同时将第二连通通道17和第三传压通道19断开时，此时下活塞腔7与上油腔9相通，油套环空内较高的环空压力作用在油腔活塞8的下端面上并推动油腔活塞8向上移动，以将液压油挤压至上活塞腔6和下活塞腔7内，由于活塞部501的下端面的面积大于活塞部501的上端面的面积，所以作用在活塞部501的下端面的压力大于作用在活塞部501的上端面的压力，由于压差的存在，会推动活塞部501向上移动，同时带动整个操作活塞5以及操作芯轴4一起向上移动直至活塞部501顶在第一台阶201上(即活塞部501处于上限位)，且在环空压力的作用下，活塞部501保持在上限位处。

当控制器18将第二连通通道17和第三传压通道19接通，同时将第一连通通道12和第三传压通道19断开时，此时下活塞腔7与上气腔15相通，下活塞腔7和第三传压通道19内的液压油则会进入至上气腔15内并向下压缩气腔活塞14，使活塞部501的下端面失去液压油的压力，而油套环空内较高的环空压力依然作用在油腔活塞8的下端面上并推动油腔活塞8向上移动，以将液压油挤压至上活塞腔6内，即环空压力作用在活塞部501的上端面上，使得作用在活塞部501的上端面的压力大于作用在活塞部501的下端面的压力，由于压差的存在，会推动活塞部501向下移动，同时带动整个操作活塞5以及操作芯轴4一起向下移动直至活塞部501顶在控制短节3的上端(即活塞部501处于下限位)，且在环空压力的作用下，活塞部501保持在下限位处。

基于以上设计，实现了操作活塞5的上、下交替运动，并带动操作芯轴4上下移动，从而实现了测试工具的开关井锁定及开关循环孔锁定等开关锁定功能。一般地，在整个工作过程中，需要对操作活塞5进行3-6次的上下往复运动来实现相应的开关锁定功能，由于操作活塞5的每次上下往复运动都会使得上油腔9内的部分液压油最终流入至上气腔15内，故需要通过对相关结构的尺寸及液压油和压缩空气的填充量进行设计和计算，来使得操作活塞5至少可进行12次的上下往复运动，以满足工作需求。

作为本实施例进一步的方案：操作外筒2的内壁上部还形成有一第二台阶202，操作活塞5的外壁上还凸出形成有一凸起部502，凸起部502滑动密封连接在操作外筒2的内腔中，且该凸起部502的上端面和第二台阶202之间还形成有一空气环腔20。在环空压力较小时，即环空压力不足以推动油腔活塞8向上移动时，空气环腔20的存在可以抵消操作活塞5及与其连接的管柱的重力和管柱内的压力，使得操作活塞5相对于操作外筒2处于固定状态，不会产生上下滑动。

空气环腔20由上下对应设置的第一密封圈21和第二密封圈22实现密封，其中第一密封圈21安装在操作外筒2的内壁上部，第二密封圈22安装在凸起部502的外壁中部。

活塞腔由上下对应设置的第二密封圈22和第三密封圈23实现密封，其中凸起部502的下方还形成有一环形腔，且环形腔与上活塞腔6连通并可作为上活塞腔6的一部分。

综上所述，本发明的内容并不局限在上述的实施例中，本领域的技术人员可以在本发明的技术指导思想之内提出其他的实施例，但这些实施例都包括在本发明的范围之内。

Claims (9)

1.一种实现井下工具开关锁定功能的操作机构,包括连接短节、操作外筒、控制短节、操作芯轴和操作活塞，所述连接短节、所述操作外筒和所述控制短节由上到下依次螺纹密封连接，所述操作芯轴滑动密封连接在所述连接短节的内腔中，所述操作活塞可上下滑动地贯穿所述操作外筒的内腔，所述操作活塞的上端与所述操作芯轴的下端螺纹密封连接，所述操作活塞的下端滑动密封连接在所述控制短节的内腔中，所述操作活塞的内腔与所述操作芯轴的内腔相通并实现了所述连接短节的内腔和所述控制短节的内腔之间的连通；其特征在于，

所述操作外筒的内壁中部形成有一第一台阶，且该第一台阶和所述控制短节的上端之间形成有一活塞腔，所述操作活塞的外壁上凸出形成有一活塞部，且该活塞部的下端面的面积大于其上端面的面积，所述活塞部滑动密封连接在所述活塞腔中并将所述活塞腔分隔为上活塞腔和下活塞腔；

所述控制短节上设有油腔、气腔和控制器；所述油腔被滑动密封连接在其中的油腔活塞分隔为上油腔和下油腔，所述上油腔通过第一传压通道与所述上活塞腔连通且该上油腔还通过第一连通通道与所述控制器连接，所述上油腔、所述第一传压通道和所述上活塞腔内均填充有液压油，所述下油腔通过第二传压通道与油套环空连通并使所述油套环空内的环空压力作用在所述油腔活塞的下端面上；所述气腔被滑动密封连接在其中的气腔活塞分隔为上气腔和下气腔，所述上气腔通过第二连接通道与所述控制器连接，所述下气腔内填充有压缩空气；所述控制器还通过第三传压通道与所述下活塞腔连接，且所述第一连通通道和所述第二连通通道在所述控制器的作用下与所述第三传压通道切换连通，以使得所述上油腔和所述上气腔能够与所述下活塞腔实现切换连通。

2.根据权利要求1所述的一种实现井下工具开关锁定功能的操作机构,其特征在于，所述操作外筒的内壁上部形成有一第二台阶，所述操作活塞的外壁上还凸出形成有一凸起部，所述凸起部滑动密封连接在所述操作外筒的内腔中，且该凸起部的上端面和所述第二台阶之间还形成有一空气环腔。

3.根据权利要求2所述的一种实现井下工具开关锁定功能的操作机构,其特征在于，所述空气环腔由上下对应设置的第一密封圈和第二密封圈实现密封，其中所述第一密封圈安装在所述操作外筒的内壁上部，所述第二密封圈安装在所述凸起部的外壁中部。

4.根据权利要求2所述的一种实现井下工具开关锁定功能的操作机构,其特征在于，所述活塞腔由上下对应设置的第二密封圈和第三密封圈实现密封，其中所述第三密封圈安装在所述操作活塞的外壁下端以用于实现所述操作活塞与所述控制短节之间的滑动密封连接。

5.根据权利要求1所述的一种实现井下工具开关锁定功能的操作机构,其特征在于，所述活塞部的外壁中部安装有第四密封圈以用于实现所述活塞部与所述活塞腔之间的滑动密封连接。

6.根据权利要求1所述的一种实现井下工具开关锁定功能的操作机构,其特征在于，所述操作芯轴的外壁上安装有第五密封圈以用于实现所述操作芯轴和所述连接短节之间的滑动密封连接。

7.根据权利要求1所述的一种实现井下工具开关锁定功能的操作机构,其特征在于，所述连接短节、所述操作外筒和所述控制短节彼此之间分别通过一第六密封圈实现密封。

8.根据权利要求1所述的一种实现井下工具开关锁定功能的操作机构,其特征在于，所述油腔活塞的外壁中部安装有第七密封圈以用于实现所述油腔活塞和所述油腔之间的滑动密封连接。

9.根据权利要求1所述的一种实现井下工具开关锁定功能的操作机构,其特征在于，所述气腔活塞的外壁中部安装有第八密封圈以用于实现所述气腔活塞和所述气腔之间的滑动密封连接。

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