CN115142810A - 一种螺旋扩张式套管外封隔器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种螺旋扩张式套管外封隔器，涉及石油井下技术领域。本发明包括有两个第一中心管，两个第一中心管之间设置有第二中心管，第一中心管上连接有连接头，连接头的安装槽内设置有扩张胶筒，第一中心管与第二中心管之间设置有活塞组件，第一中心管和第二中心管上安装有第一支撑杆，第一支撑杆上设置有支撑组件，盛放槽内设置有液压驱动组件。本发明通过连接头的限位和密封配合，改变了传统中心管和扩张胶筒之间的硫化安装方式，防止受到高压力状态下的扩张胶筒和中心管之间开裂损坏；压力环境下，液压驱动组件配合第一支撑杆，使第一支撑杆与支撑组件形成稳定支撑结构，对扩张胶筒周向均匀支撑。

Description

一种螺旋扩张式套管外封隔器

技术领域

本发明涉及石油井下技术领域，尤其涉及一种螺旋扩张式套管外封隔器。

背景技术

封隔器是一种连接于井下管柱之上，用于封隔油管与油气井套管或裸眼井壁环形空间的井下工具，其根据使用方式被分为扩张式、压缩式、自封式、楔入式、自膨胀式和组合式，其中扩张式封隔器的工作方式具体为，在将封隔器下到设计深度后，从油管内加压，高压液体通过封隔器内部的传压孔隙作用于胶筒内腔，在节流压差作用下，胶筒发生膨胀，封隔油套环空，以此形成对套管和井壁之间的密封，拆出时靠胶筒自身的回弹力收缩复位实现解封。

传统扩张式封隔器的胶筒安装多通过硫化方式与中心管结合，在胶筒扩张时，硫化部位易发生撕裂导致密封不紧密，除此之外，封隔器的胶筒在井内的扩张形变不完全可控，容易由其自身和外部压力环境等原因，导致胶筒的扩张不是均匀向外发展的，部分偏斜扩张会导致整体密封性欠佳，并且由于胶筒全靠液压扩张，其绕中心轴向外周向的形变量也不可控，过度形变或形变量小均会导致密封失效的情况，使井下操作过程更为繁杂。

发明内容

为了克服上述背景技术中的缺点，要解决的技术问题为：提供一种具有均匀扩张量的螺旋扩张式套管外封隔器。

本发明的技术方案为：一种螺旋扩张式套管外封隔器，包括有两个第一中心管，两个第一中心管之间设置有第二中心管，第一中心管与第二中心管外径相等，第一中心管上连接有连接头，连接头内径大于第一中心管外径的部位与其形成安装槽，两个安装槽内设置有扩张胶筒，第一中心管与第二中心管的接触面上均开设有活塞槽，相邻的两个活塞槽形成递压腔体，递压腔体内设置有活塞组件，第一中心管和第二中心管上均设置有安装环槽和盛放槽，安装环槽内安装有第一支撑杆，第一支撑杆上设置有支撑组件，通过支撑组件增强第一支撑杆结构强度，盛放槽内设置有液压驱动组件，第一支撑杆与液压驱动组件相邻的一侧设置有弧形滑槽，在压力液体环境下，压力液体通过递压腔体为液压驱动组件提供压力，液压驱动组件配合弧形滑槽将第一支撑杆旋出，第一支撑杆支撑扩张胶筒。

进一步的，第一中心管的内径大于第二中心管的内径，第一中心管与第二中心管的衔接部位为弧形台阶状。

进一步的，连接头直径大的一端内侧边沿为弧形，扩张胶筒位于连接头之间的扩张部壁厚大于其两端的壁厚，扩张胶筒中部内径大于其两端的内径，扩张胶筒中部与其两端衔接部位壁厚均匀减小，扩张胶筒衔接部位与连接头的弧形端形成间隙。

进一步的，扩张胶筒扩张部内设置有垫片，垫片的设置高度与第一支撑杆的设置高度相同，垫片的数量至少与第一支撑杆的数量相同。

进一步的，活塞槽尾端上下两侧均设置有分流孔，分流孔直径小于活塞槽的直径，分流孔与相邻的液压驱动组件连通。

进一步的，在扩张胶筒内无压状态下，第一支撑杆、支撑组件和液压驱动组件收缩后的最大外围直径均不大于第一中心管的外径。

进一步的，活塞组件包括有与递压腔体数量相等的活塞件，活塞件设置于递压腔体内，递压腔体尾端设置有磁性块，磁性块用于吸引活塞件，活塞件上设置有油封环。

进一步的，旋扩支撑件包括有第二支撑杆，第二支撑杆一端转动连接于相邻第一支撑杆中部，第二支撑杆与第一支撑杆之间设置有扭簧，第二支撑杆的另一端固接有支撑块，在扭簧作用下第一支撑杆和第二支撑杆与安装环槽紧密贴合。

进一步的，第一支撑杆内侧设置有与支撑块配合的凹槽，第二支撑杆为Z形的弧形杆状，第一支撑杆的外侧和内侧分别开设有弧形槽，第一支撑杆内侧的弧形槽与其凹槽连通，第一支撑杆外侧的弧形槽与其上设置的第二支撑杆相配合。

进一步的，液压驱动组件包括有多级驱动件，多级驱动件安装在分流孔内，多级驱动件的伸缩端固接有弧形伸缩架，弧形伸缩架位于相邻的盛放槽内，弧形伸缩架的两端分别固接有连接柱，连接柱与相邻的盛放槽转动连接，连接柱两端设置有限位销，限位销与相邻的弧形滑槽滑动限位配合。

根据上述具体方案，本发明的有益效果是：通过连接头的限位和密封配合，改变了传统中心管和扩张胶筒之间的硫化安装方式，防止受到高压力状态下的扩张胶筒和中心管之间开裂损坏；压力环境下，液压驱动组件配合第一支撑杆向外均匀旋出，第一支撑杆对扩张胶筒周向均匀支撑，在支撑组件的串接下，第一支撑杆与支撑组件形成若干三角结构形成的稳定支撑结构，防止扩张胶筒在其自身影响下，配合外部压力环境扩张不均匀导致的密封泄露；利用扩张胶筒扩张时的压力，扩张胶筒受到套管内液体压力的作用时，其向回收缩的趋势将被第一支撑杆所阻挡，并且第一支撑杆将所受到的绝大部分轴向作用力抵消，部分轴向作用力转换为径向作用力，被扩张胶筒内部的液体压力所抵消，对扩张胶筒的支撑更为稳定，对轴向作用力具有更好的缓冲抵消效果；通过压力的间接传递，第一支撑杆以第一中心管和第二中心管为中心轴向外均匀撑开，使本发明在套管内处于中心位置，且扩张胶筒均匀扩张，防止由于扩张胶筒的扩张不均匀导致的密封泄露。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图。

图2为本发明的立体结构剖面图。

图3为本发明的立体结构局部剖面示意图。

图4为本发明第二中心管的立体结构示意图。

图5为本发明第一中心管的立体结构示意图。

图6为本发明的放大立体结构示意图。

图7为本发明活塞组件的立体结构示意图。

图8为本发明支撑组件和液压驱动组件的立体结构示意图。

图9为本发明支撑组件和液压驱动组件的旋开式立体结构示意图。

图10为本发明支撑组件的立体结构示意图。

附图标记中：1-第一中心管，2-第二中心管，3-连接头，4-扩张胶筒，41-垫片，5-活塞槽，6-分流孔，7-活塞组件，71-活塞件，72-磁性块，73-油封环，8-安装环槽，9-盛放槽，10-第一支撑杆，11-弧形滑槽，12-支撑组件，121-第二支撑杆，122-扭簧，123-支撑块，13-液压驱动组件，131-多级驱动件，132-弧形伸缩架，133-连接柱。

具体实施方式

下面参照附图对本发明的实施例进行详细描述。

需要说明的是，本说明书所附图中示意的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。

同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

实施例1

一种螺旋扩张式套管外封隔器，如图1-图10所示，包括有两个第一中心管1，两个第一中心管1之间设置有第二中心管2，第一中心管1与第二中心管2外径相等，第一中心管1的内径大于第二中心管2的内径，第一中心管1与第二中心管2的衔接部位为弧形台阶状，在保证第一中心管1和第二中心管2结构强度的前提下，减小在第一中心管1内流通液体的阻力，延长第一中心管1和第二中心管2的使用寿命，第一中心管1上连接有连接头3，连接头3内径大于第一中心管1外径的部位与其形成安装槽，两个安装槽内设置有扩张胶筒4，连接头3直径较大的一端内侧边沿为弧形，扩张胶筒4位于连接头3之间的扩张部加厚，扩张胶筒4中部内径大于其两端的内径，其内径变化部均匀渐变，并与连接头3的弧形端留有间隙，第一中心管1与第二中心管2的接触面上均开设有活塞槽5，相邻的两个活塞槽5形成递压腔体，递压腔体内设置有活塞组件7，第一中心管1和第二中心管2上均设置有安装环槽8和盛放槽9，安装环槽8内安装有第一支撑杆10，第一支撑杆10上设置有支撑组件12，通过支撑组件12增强第一支撑杆10结构强度，盛放槽9内设置有液压驱动组件13，第一支撑杆10与液压驱动组件13相邻的一侧设置有弧形滑槽11，在压力液体环境下，压力液体通过递压腔体为液压驱动组件13提供压力，液压驱动组件13配合弧形滑槽11将第一支撑杆10旋出，第一支撑杆10支撑扩张胶筒4。

在本发明的技术方案中，通过改变传统中心管和扩张胶筒4之间的硫化安装方式，通过连接头3的限位和密封配合，防止受到高压力状态下的扩张胶筒4和中心管之间开裂损坏，并且在压力环境下，液压驱动组件13配合第一支撑杆10向外均匀旋出，第一支撑杆10对扩张胶筒4周向均匀支撑，防止扩张胶筒4在其自身影响下，配合外部压力环境扩张不均匀导致的密封泄露，在本发明中，为便于对扩张胶筒4的支撑且保持中心管的强度，将第二中心管2的厚度加宽，便于第一支撑杆10、支撑组件12和液压驱动组件13的安装，且保证第一中心管1和第二中心管2对扩张胶筒4的间接支撑强度，在第一中心管1与连接头3之间的配合下，其形成的安装槽对扩张胶筒4的两端部留有一定长度的限位，防止在扩张胶筒4发生扩张形变后从第一中心管1和连接头3之间脱离，在扩张胶筒4发生扩张形变后，其与连接头3弧形端之间的贴合增大了压力作用下的接触面积，使连接头3的弧形端与扩张胶筒4之间密封性更强，并减小了形变时发生微小位移的摩擦量，减少了扩张胶筒4扩张时的磨损，延长扩张胶筒4的使用寿命。

本发明同样利用扩张胶筒4扩张时的压力，经过活塞槽5所形成递压腔体的传递和活塞组件7的施加力，驱使第一支撑杆10向外旋出支撑扩张胶筒4，扩张胶筒4受到套管内液体压力的作用时，其向回收缩的趋势将被第一支撑杆10所阻挡，并且第一支撑杆10将所受到的绝大部分轴向作用力抵消，部分轴向作用力转换为径向作用力，被扩张胶筒4内部的液体压力所抵消，在支撑组件12的串接下，第一支撑杆10与支撑组件12形成若干三角结构形成的稳定支撑结构，对扩张胶筒4的支撑更为稳定，对轴向作用力具有更好的缓冲抵消效果，通过压力的间接传递，液压驱动组件13带动第一支撑杆10向外均匀撑开，使本发明在套管内处于中心位置，且扩张胶筒4均匀扩张，防止由于扩张胶筒4的扩张不均匀导致的密封泄露，在装置拆卸回收时，扩张胶筒4内液体压力释放，活塞组件7带动液压驱动组件13快速复位，避免其影响扩张胶筒4的回缩。

实施例2

在实施例1的基础之上，如图2和图3所示，扩张胶筒4位于连接头3之间的扩张部加厚，扩张胶筒4的扩张部形变量更大，且其两端的配合固定位置的变化量与厚度之间的比值过小，其内部会发生应力集中导致应力剪切的情况，因此扩张胶筒4用于固定的两端部不宜过厚，扩张胶筒4中部内径大于其两端的内径，与第一中心管1和第二中心管2形成进液空腔，避免单向压力液体进入时，扩张胶筒4的扩张从进液端向另一端逐渐减小情况的发生，扩张胶筒4内径变化部均匀渐变，在扩张胶筒4形变之初，其与连接头3紧密贴合在弯折处易发生材料堆积带来的疲劳磨损，因此将扩张胶筒4与连接头3的弧形端形成间隙，以减少扩张时弯折部与连接头3的摩擦量，缓解弯折处的材料堆积和磨损情况。

如图2和图3所示，扩张胶筒4扩张部内设置有垫片41，垫片41的设置高度与第一支撑杆10的设置高度相同，第一支撑杆10通过垫片41将扩张胶筒4向外支撑，减少第一支撑杆10向外旋出时与扩张胶筒4之间的摩擦，并且增大了第一支撑杆10对扩张胶筒4的支撑面积，避免了扩张胶筒4局部压强过大导致的材料疲劳损坏问题，使扩张胶筒4受到的支撑力更为均匀，垫片41的数量至少与第一支撑杆10的数量相同。

如图4和图5所示，活塞槽5尾端上下两侧均设置有分流孔6，两个分流孔6的面积小于活塞槽5组成递压腔体的面积，分流孔6与相邻的液压驱动组件13连通，通过分流孔6的分流，将活塞槽5组成的递压腔体内压力进行分散，并且在压力传递过程中起到对冲击压力的缓冲效果，以此使液压驱动组件13受到的压力驱动更为平均，且液压驱动组件13对与其相邻第一支撑杆10的驱动力也更为均匀。

如图2所示，第一支撑杆10、支撑组件12和液压驱动组件13分别与相邻的安装环槽8或盛放槽9配合，在扩张胶筒4内无压状态下，最大外围直径均不大于第一中心管1的外径，以此在将第一中心管1、第二中心管2和其上零部件组装完成后，便于对扩张胶筒4与第一中心管1和第二中心管2进行组装。

如图4和图7所示，活塞组件7包括有与递压腔体数量相等的活塞件71，活塞件71设置于递压腔体内，进入扩张胶筒4的高压液体经过递压腔体的外端口推动活塞件71向尾端运动，递压腔体尾端设置有磁性块72，递压腔体内压力气体被高压液体环境压缩，磁性块72用于吸引活塞件71，磁性块72对活塞件71的吸力逐渐增大，活塞件71上设置有油封环73。

如图8-图10所示，支撑组件12包括有第二支撑杆121，第二支撑杆121一端通过转轴连接于相邻第一支撑杆10中部，第二支撑杆121与第一支撑杆10之间设置有扭簧122，第二支撑杆121的另一端固接有支撑块123，在扭簧122作用下第一支撑杆10和第二支撑杆121与安装环槽8紧密贴合。

如图10所示，第一支撑杆10内侧设置有与支撑块123配合的凹槽，第二支撑杆121为Z形的弧形杆状，第一支撑杆10的外侧和内侧分别开设有弧形槽，第一支撑杆10内侧的弧形槽与其凹槽连通，第一支撑杆10外侧的弧形槽与其上设置的第二支撑杆121相配合，以此使第一支撑杆10和第二支撑杆121配合形成圆环，减小相邻的第一支撑杆10和第二支撑杆121的空间占用。

如图8和图9所示，液压驱动组件13包括有多级驱动件131，多级驱动件131安装在分流孔6内，多级驱动件131的伸缩端固接有弧形伸缩架132，弧形伸缩架132位于相邻的盛放槽9内，弧形伸缩架132用于配合抵消第一支撑杆10向外扩张时的距离变化量，弧形伸缩架132的两端分别焊接有连接柱133，连接柱133与相邻的盛放槽9转动连接，连接柱133两端焊接有限位销，限位销与相邻的弧形滑槽11滑动限位配合。

第一支撑杆10具体向外扩张时的工作流程为：首先在扭簧122作用下第一支撑杆10和第二支撑杆121与安装环槽8紧密贴合，此时递压腔体内的气体压力和磁性块72对活塞件71的吸力配合，不足以推动第一支撑杆10向外旋出，在高压液体开始进入扩张胶筒4后，将推动活塞件71向尾端运动，压缩递压腔体内气体的体积，在递压腔体内气体含量变小后，磁性块72与活塞件71之间的距离较近，此时磁力将大于扭簧122对第一支撑杆10和第二支撑杆121的作用力，递压腔体内气体向多级驱动件131转移，使多级驱动件131向外逐级探出，多级驱动件131通过弧形伸缩架132使连接柱133向外移动，连接柱133的限位销通过弧形滑槽11带动第一支撑杆10向外均匀扩张，在复位过程中，扩张胶筒4内高压液体被释放，压力释放瞬间，递压腔体内气体压力减小体积快速回弹，配合扭簧122对第一支撑杆10和第二支撑杆121的回弹力，使活塞件71与磁性块72相远离，第一支撑杆10和第二支撑杆121向内归位并组成圆环状与安装环槽8相配合。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种螺旋扩张式套管外封隔器，其特征在于：包括有两个第一中心管（1），两个第一中心管（1）之间设置有第二中心管（2），第一中心管（1）与第二中心管（2）外径相等，第一中心管（1）上连接有连接头（3），连接头（3）内径大于第一中心管（1）外径的部位与其形成安装槽，两个安装槽内设置有扩张胶筒（4），第一中心管（1）与第二中心管（2）的接触面上均开设有活塞槽（5），相邻的两个活塞槽（5）形成递压腔体，递压腔体内设置有活塞组件（7），第一中心管（1）和第二中心管（2）上均设置有安装环槽（8）和盛放槽（9），安装环槽（8）内安装有第一支撑杆（10），第一支撑杆（10）上设置有支撑组件（12），通过支撑组件（12）增强第一支撑杆（10）结构强度，盛放槽（9）内设置有液压驱动组件（13），第一支撑杆（10）与液压驱动组件（13）相邻的一侧设置有弧形滑槽（11），在压力液体环境下，压力液体通过递压腔体为液压驱动组件（13）提供压力，液压驱动组件（13）配合弧形滑槽（11）将第一支撑杆（10）旋出，第一支撑杆（10）支撑扩张胶筒（4）。

2.如权利要求1所述的一种螺旋扩张式套管外封隔器，其特征在于：第一中心管（1）的内径大于第二中心管（2）的内径，第一中心管（1）与第二中心管（2）的衔接部位为弧形台阶状。

3.如权利要求1所述的一种螺旋扩张式套管外封隔器，其特征在于：连接头（3）直径大的一端内侧边沿为弧形，扩张胶筒（4）位于连接头（3）之间的扩张部壁厚大于其两端的壁厚，扩张胶筒（4）中部内径大于其两端的内径，扩张胶筒（4）中部与其两端衔接部位壁厚均匀减小，扩张胶筒（4）衔接部位与连接头（3）的弧形端形成间隙。

4.如权利要求3所述的一种螺旋扩张式套管外封隔器，其特征在于：扩张胶筒（4）扩张部内设置有垫片（41），垫片（41）的设置高度与第一支撑杆（10）的设置高度相同，垫片（41）的数量至少与第一支撑杆（10）的数量相同。

5.如权利要求1所述的一种螺旋扩张式套管外封隔器，其特征在于：活塞槽（5）尾端上下两侧均设置有分流孔（6），分流孔（6）直径小于活塞槽（5）的直径，分流孔（6）与相邻的液压驱动组件（13）连通。

6.如权利要求1所述的一种螺旋扩张式套管外封隔器，其特征在于：在扩张胶筒（4）内无压状态下，第一支撑杆（10）、支撑组件（12）和液压驱动组件（13）收缩后的最大外围直径均不大于第一中心管（1）的外径。

7.如权利要求1所述的一种螺旋扩张式套管外封隔器，其特征在于：活塞组件（7）包括有与递压腔体数量相等的活塞件（71），活塞件（71）设置于递压腔体内，递压腔体尾端设置有磁性块（72），磁性块（72）用于吸引活塞件（71），活塞件（71）上设置有油封环（73）。

8.如权利要求1所述的一种螺旋扩张式套管外封隔器，其特征在于：支撑组件（12）包括有第二支撑杆（121），第二支撑杆（121）一端转动连接于相邻第一支撑杆（10）中部，第二支撑杆（121）与第一支撑杆（10）之间设置有扭簧（122），第二支撑杆（121）的另一端固接有支撑块（123），在扭簧（122）作用下第一支撑杆（10）和第二支撑杆（121）与安装环槽（8）紧密贴合。

9.如权利要求8所述的一种螺旋扩张式套管外封隔器，其特征在于：第一支撑杆（10）内侧设置有与支撑块（123）配合的凹槽，第二支撑杆（121）为Z形的弧形杆状，第一支撑杆（10）的外侧和内侧分别开设有弧形槽，第一支撑杆（10）内侧的弧形槽与其凹槽连通，第一支撑杆（10）外侧的弧形槽与其上设置的第二支撑杆（121）相配合。

10.如权利要求1所述的一种螺旋扩张式套管外封隔器，其特征在于：液压驱动组件（13）包括有多级驱动件（131），多级驱动件（131）安装在分流孔（6）内，多级驱动件（131）的伸缩端固接有弧形伸缩架（132），弧形伸缩架（132）位于相邻的盛放槽（9）内，弧形伸缩架（132）的两端分别固接有连接柱（133），连接柱（133）与相邻的盛放槽（9）转动连接，连接柱（133）两端设置有限位销，限位销与相邻的弧形滑槽（11）滑动限位配合。

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