CN116025306A - 自锚定平衡式扩张封隔器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于封隔器技术领域，具体涉及了一种自锚定平衡式扩张封隔器，旨在解决现有的封隔器上压作用面积大，承上压产生的向下相当于解封力的作用力也大，造成封隔器承上压能力差问题。本发明中的自锚定平衡式扩张封隔器包括中心管、套装于中心管上部的上接头、位于中心管外周的解封套和位于中心管和解封套之间的平衡活塞；上接头和解封套之间通过解封剪钉连接；解封套的下部设置有一伸出段，伸出段与中心管之间具有间隙，平衡活塞位于伸出段和中心管之间的间隙内且通过一限位机构限制其轴径向运动。该封隔器通过设计平衡活塞，上压作用面积减小，从而提高封隔器的承上压能力，且更容易解封。
Description
技术领域
本发明属于封隔器技术领域，具体涉及了一种自锚定平衡式扩张封隔器。
背景技术
生产中完井管柱常采用单滑套憋压坐封封隔器，有时滑套提前打开造成封隔器坐封不彻底。完井管柱采用扩张式封隔器，封隔器上压作用面积大，承上压产生的向下相当于解封力的作用力也大，造成封隔器承上压能力差。
此外，腐蚀结垢井中，下部中心管裸露端易结垢，造成封隔器解封剪钉拉断后，胶筒下端接头不能顺利向下移动或移动不能有效泄压，封隔器胶囊内的液体不能顺利排放出，封隔器不能顺利解封，极易造成管柱大修。
发明内容
本发明提供了一种自锚定平衡式扩张封隔器，以缓解现有的封隔器上压作用面积大，承上压产生的向下相当于解封力的作用力也大，造成封隔器承上压能力差的问题。
为了缓解上述技术问题，本发明提供的技术方案在于：
一种自锚定平衡式扩张封隔器包括中心管、套装于中心管上部的上接头、位于中心管外周的解封套和位于中心管和解封套之间的平衡活塞；上接头和解封套之间通过解封剪钉连接；解封套的下部设置有一伸出段，伸出段与中心管之间具有间隙，平衡活塞位于伸出段和中心管之间的间隙内且通过一限位机构限制其轴径向运动。
更进一步地，还包括设置于伸出段和中心管形成的间隙内的锁紧套，伸出段的下部与锁紧套通过螺栓连接；锁紧套具有通过一锁定机构和中心管处于锁定的锁定状态，以及，锁紧套具有在锁定机构解除锁定后与中心管解除锁定的解锁状态。
更进一步地，锁定机构包括设置于锁紧套的横向贯通的通槽内的锁紧钢柱和设置于中心管外壁上的锁紧槽；锁紧钢柱在平衡活塞下移的横向推力下横向运动至卡接于锁紧槽后，锁紧套处于锁定状态；锁紧钢柱在失去平衡活塞的推力后，锁紧套处于解锁状态。
更进一步地，平衡活塞的下部设置有一伸入段，锁紧套的顶部设置一凸起段，凸起段与解封套之间具有间隙；当伸入段插入凸起段与解封套之间的间隙内时，限位机构限制平衡活塞径向移动且具有驱动平衡活塞向上运动的趋势。
更进一步地，限位机构包括位于凸起段顶部的卡环位于卡环正上方的防卡碟簧；防卡碟簧和解封套之间具有间隙，伸入段可插入防卡碟簧与解封套之间的间隙内，且在外力作用下，平衡活塞压缩防卡碟簧，与此同时，平衡活塞的伸入段进一步插入凸起段与解封套之间的间隙内。
更进一步地，上接头和解封套通过台阶结构相连，且解封剪钉贯穿解封套后连接于上接头；中心管和上接头通过螺栓连接。
更进一步地，还包括依次套装于中心管上且位于锁紧套下端的进液密封活塞、复位弹簧、连接套、胶筒上端接头、胶筒；进液密封活塞和复位弹簧位于由中心管、锁紧套和连接套形成的环空中；进液密封活塞的上端面和锁紧套的下端面紧密接触，进液密封活塞的下端面与复位弹簧的上端面紧密接触，复位弹簧的下端面与连接套的台阶面紧密接触；中心管上设置有进液孔，且进液孔连通锁紧套和中心管之间的环空；复位弹簧配置为压缩状态且始终具有驱动进液密封活塞向上运动以关闭进液密封通道的趋势。
更进一步地，还包括设置于胶筒下端的胶筒下端接头和下密封堵；胶筒下端接头内台阶下端面与下密封堵上端面紧密接触，下密封堵的下部设置有凹槽且与中心管之间具有间隙，间隙的底部设置有方形密封圈；中心管、下密封堵和方形密封圈形成一注油的密封腔。
更进一步地，还包括设置于中心管外壁的泄压槽；泄压槽设置于方形密封圈正下方；方形密封圈和下接头之间的中心管外壁上涂有非金属涂层。
一种采用上述的自锚定平衡式扩张封隔器的坐封系统，包括设置于套管内自锚定平衡式扩张封隔器下部的第一级滑套和位于第一级滑套下部的第二级滑套，第一级滑套的内径大于第二级滑套的内径。
本发明中的有益效果分析如下：
一种自锚定平衡式扩张封隔器包括中心管、套装于中心管上部的上接头、位于中心管外周的解封套和位于中心管和解封套之间的平衡活塞；上接头和解封套之间通过解封剪钉连接；解封套的下部设置有一伸出段，伸出段与中心管之间具有间隙，平衡活塞位于伸出段和中心管之间的间隙内且通过一限位机构限制其轴径向运动。
封隔器坐封后，上部油管和套管之间产生环空压力(简称上压P)，常规封隔器不设计平衡活塞，上压P产生的作用力F1＝0.785*P*(D3^2-D1^2)(D1为中心管的内径长度，D3为套管内径长度)，本发明提供的封隔器设计有平衡活塞，其上压P产生的作用力F2＝0.785*(D3^2-D2^2)(D2为解封套伸出段的内径长度，D3为套管内径长度)，工具设计中常取设计尺寸D1＝60mm，D2＝100mm，D3＝124mm，则F1＝9244P，F2＝4220P，F1:F2＝2.2:1，设计平衡活塞后，上压作用面积减小，产生的作用力降低55％左右，封隔器相同的设计承压能力，解封剪钉受到的作用力降低55％，封隔器的承上压能力更强，可靠性更高，更容易解封。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或相关技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1本发明实施方式提供的自锚定平衡式扩张封隔器上压高状态的结构示意图；
图2是图3中自锚定平衡式扩张封隔器的A-A处刨面图；
图3本发明实施方式提供的自锚定平衡式扩张封隔器初始入井状态的结构示意图；
图4本发明实施方式提供的自锚定平衡式扩张封隔器坐封状态的结构示意图；
图5本发明实施方式提供的自锚定平衡式扩张封隔器解封状态的结构示意图；
图6本发明实施方式提供的完井管柱作业的示意图；
图标：
10-中心管；20-上接头；30-解封套；40-平衡活塞；50-解封剪钉；60-防卡碟簧；70-卡环；80-锁紧套；90-锁紧钢柱；100-套管；110-进液密封活塞；120-复位弹簧；130-连接套；140-胶筒上端接头；150-胶筒；160-胶筒下端接头；170-下密封堵；180-方形密封圈；190-下接头；200-注油堵；220-第一级球；230-第二级球；240-第一级滑套；250-第二级滑套；260-自锚定平衡式扩张封隔器；31-伸出段；41-伸入段；81-凸起段；01-锁紧槽；02-密封腔；03-进液孔；04-泄压槽；05-非金属涂层。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。公式中的物理量，如无单独标注，应理解为国际单位制基本单位的基本量，或者，由基本量通过乘、除、微分或积分等数学运算导出的导出量。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
生产中完井管柱常采用单滑套憋压坐封封隔器，有时滑套提前打开造成封隔器坐封不彻底。完井管柱采用扩张式封隔器，封隔器上压作用面积大，承上压产生的向下相当于解封力的作用力也大，造成封隔器承上压能力差。
有鉴于此，本发明提供了一种自锚定平衡式扩张封隔器260，请一并参考图1至图6，该封隔器包括中心管10、套装于中心管10上部的上接头20、位于中心管10外周的解封套30和位于中心管10和解封套30之间的平衡活塞40；上接头20和解封套30之间通过解封剪钉50连接；解封套30的下部设置有一伸出段31，伸出段31与中心管10之间具有间隙，平衡活塞40位于伸出段31和中心管10之间的间隙内且通过一限位机构限制其轴径向运动。
封隔器坐封后，上部油管和套管100之间产生环空压力(简称上压P)，常规封隔器不设计平衡活塞40，上压P产生的作用力F1＝0.785*P*(D3^2-D1^2)(D1为中心管10的内径长度，D3为套管100内径长度)，本发明提供的封隔器设计有平衡活塞40，其上压P产生的作用力F2＝0.785*(D3^2-D2^2)(D2为解封套30伸出段31的内径长度，D3为套管100内径长度)，工具设计中常取设计尺寸D1＝60mm，D2＝100mm，D3＝124mm，则F1＝9244P，F2＝4220P，F1:F2＝2.2:1，设计平衡活塞40后，上压作用面积减小，产生的作用力降低55％左右，封隔器相同的设计承压能力，解封剪钉50受到的作用力降低55％，封隔器的承上压能力更强，可靠性更高，更容易解封。
本实施例的可选方案中，还包括设置于伸出段31和中心管10形成的间隙内的锁紧套80，伸出段31的下部与锁紧套80通过螺栓连接；锁紧套80具有通过一锁定机构和中心管10处于锁定的锁定状态，以及，锁紧套80具有在锁定机构解除锁定后与中心管10解除锁定的解锁状态。锁紧套80和中心管10处于锁定状态时，无论上压多高，上压产生的作用力都转移到中心管10上，解封剪钉50不受力，从而起到保护解封剪钉50的作用。
关于锁定机构的形状和结构，请参考图1和图2，具体说明如下：
锁定机构包括设置于锁紧套80的横向贯通的通槽内的锁紧钢柱90和设置于中心管10外壁上的锁紧槽01；当封隔器坐封后，在套管100和中心管10的环空中注入液体时，平衡活塞40受到液体的压力向下移动并横向推动锁紧钢柱90横向运动至卡接于锁紧槽01后，锁紧套80和中心管10处于锁定状态；锁紧钢柱90在失去平衡活塞40的推力后，锁紧套80和中心管10处于解除锁定状态。
本实施例的可选方案中，平衡活塞40的下部设置有一伸入段41，锁紧套80的顶部设置一凸起段81，凸起段81与解封套30之间具有间隙；当伸入段41插入凸起段81与解封套30之间的间隙内时，限位机构限制平衡活塞40径向移动且具有驱动平衡活塞40向上运动的趋势。
更进一步地，锁紧套80横向贯通的通槽位于凸起段81，因此，当平衡活塞40的伸入段41插入凸起段81与解封套30之间的间隙内时，伸入段41横向推动锁紧钢柱90横向移动至卡接于锁紧槽01，从而锁紧套80和中心管10处于锁定状态。
本实施例的可选方案中，限位机构包括位于凸起段81顶部的卡环70位于卡环70正上方的防卡碟簧60；卡环70包括横板和垂直连接于横板的纵板，横板与锁紧套80的顶壁连接，纵板连接于中心管10的外壁，卡环70限制防卡碟簧60的轴向运动。
防卡碟簧60和解封套30之间具有间隙，平衡活塞40的伸入段41可插入防卡碟簧60与解封套30之间的间隙内，且在外力作用下，平衡活塞40压缩防卡碟簧60，与此同时，平衡活塞40的伸入段41进一步插入凸起段81与解封套30之间的间隙内，平衡活塞40下移时横向推动锁紧钢柱90横向运动至卡接于锁紧槽01，锁紧套80和中心管10处于锁定状态，无论上压多高，上压产生的作用力都转移到中心管10上，解封剪钉50不受力，从而起到保护解封剪钉50的作用。
本实施例的可选方案中，上接头20和解封套30通过台阶结构相连，且解封剪钉50贯穿解封套30后连接于上接头20；中心管10和上接头20通过螺栓连接。
本实施例的可选方案中，还包括依次套装于中心管10上且位于锁紧套80下端的进液密封活塞110、复位弹簧120、连接套130、胶筒上端接头140、胶筒150；进液密封活塞110和复位弹簧120位于由中心管10、锁紧套80和连接套130形成的环空中；进液密封活塞110的上端面和锁紧套80的下端面紧密接触，进液密封活塞110的下端面与复位弹簧120的上端面紧密接触，复位弹簧120的下端面与连接套130的台阶面紧密接触；中心管10上设置有进液孔03，且进液孔03连通锁紧套80和中心管10之间的环空；复位弹簧120配置为压缩状态且始终具有驱动进液密封活塞110向上运动以关闭进液密封通道的趋势。
关于封隔器的坐封过程，请参考图3和图4，具体说明如下：
自锚定平衡式扩张封隔器260与完井管柱一起下入，此时，自锚定平衡式扩张封隔器260处于初始状态，如图3所示，管柱下到设计位置后，投座封球，当座封球到达座封球座位置时，在中心管10中注入液体，随着压力升高，液体通过进液孔03进入中心管10、锁紧套80和连接套130形成的环空中，进液密封活塞110受到压力压缩复位弹簧120向下移动，从而打开进液密封通道，液体进入胶筒150，胶筒150膨胀实现封隔器坐封，如图4所示。
腐蚀结垢井中，中心管下部裸露端易结垢，造成封隔器解封剪钉拉断后，胶筒下端接头不能顺利向下移动或移动不能有效泄压，封隔器胶囊内的液体不能顺利排放出，封隔器不能顺利解封，极易造成管柱大修。
有鉴于此，本发明中提供的自锚定平衡式扩张封隔器260还包括设置于胶筒150下端的胶筒下端接头160、下密封堵170和下接头190；胶筒下端接头160内台阶下端面与下密封堵170上端面紧密接触，下密封堵170的下部设置有凹槽且与中心管10之间具有间隙，间隙的底部设置有方形密封圈180，方形密封圈180内径与中心管10外壁紧密接触，方形密封圈180外径与下密封堵170内壁紧密接触，中心管10、下密封堵170和方形密封圈180形成一注油的密封腔02。更进一步地，下密封堵170外径端面的通孔上设置有注油堵200，打开注油堵200即可对密封腔02进行注油。密封腔油有助于减小胶筒下端接头160向下移动的阻力，且通过注油避免水进入后结垢，从而影响解封。
较为优选的，方形密封圈180为橡胶件，可实现保证密封腔油不泄漏；且解封时方形密封圈180移动阻力小，可顺利实现解封。
此外，本发明中提供的自锚定平衡式扩张封隔器260还包括设置于中心管10外壁上的泄压槽04，泄压槽04设置于方形密封圈180正下方；解封时胶筒150中的液体可通过泄压槽04排入中心管10和套管100之间的环空中，对比现有的泄压通道为向内中心管泄压，本发明中提供的自锚定平衡式扩张封隔器260泄压更顺利。
较为优选的，方形密封圈180和下接头190之间的中心管10外壁上涂有非金属涂层05。非金属涂层05不腐蚀，不结垢，延长了封隔器的使用寿命。
本实施例的可选方案中，下接头190螺纹连接于中心管10下端，在封隔器解封时，胶筒下端接头160、下密封堵170和方形密封圈180向下移动至下密封堵170抵接于下接头190的顶面。
关于自锚定平衡式扩张封隔器260的解封过程，请参考图5，具体说明如下：
当需要解封时，上提上接头20，上接头20带动中心管10向上移动，解封剪钉50被剪断，随着中心管10的上移，胶筒下端接头160和下密封堵170之间的密封圈失效，胶筒150内的液体通过泄压槽04排入中心管10和套管100之间的环空中，胶筒150收缩从而实现解封。
实施例二
一种采用实施例一中述及的自锚定平衡式扩张封隔器260的坐封系统，包括设置于套管100内自锚定平衡式扩张封隔器260下部的第一级滑套240和位于第一级滑套240下部的第二级滑套250，第一级滑套240的内径大于第二级滑套250的内径。
关于坐封系统的工作过程，请参考图6，具体说明如下：
在完井时，先投第二级完井，第二级球230可通过第一级球座，若第二级滑套250提前打开，则投第一级球220与第一级球座配合继续完井。双滑套的设计形成“双保险”，提高了封隔器在井下作业的安全性能。
结合实施例一和实施例二，本发明中提供的自锚定平衡式扩张封隔器260及坐封系统，可实现如下的有益效果：
1、通过设计平衡活塞40减小上压作用面积，封隔器相同的设计承压能力，解封剪钉50受到的作用力降低，封隔器的承上压能力更强，更容易解封；
2、上压高时，锁定机构将中心管10和锁紧套80锁定，无论上压多高，上压产生的作用力都转移到中心管10上，解封剪钉50不受力，封隔器的可靠性更高；
3、方形密封圈180保证密封腔油不泄漏，解封时橡胶件方形密封圈180移动阻力小，可顺利实现解封；
4、防腐设计有效提高了工具的耐腐蚀性；
5、管柱双滑套设计提高了封隔器在井下作业的安全性能。
最后应说明的是：以上各实施方式仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施方式对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施方式技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种自锚定平衡式扩张封隔器，其特征在于：包括中心管(10)、套装于所述中心管(10)上部的上接头(20)、位于所述中心管(10)和所述上接头(20)外周的解封套(30)和位于所述中心管(10)和所述解封套(30)之间的平衡活塞(40)；
所述上接头(20)和所述解封套(30)之间通过解封剪钉(50)连接；
所述解封套(30)的下部设置有一伸出段(31)，所述伸出段(31)与所述中心管(10)之间具有间隙，所述平衡活塞(40)位于所述伸出段(31)与所述中心管(10)的间隙内且通过一限位机构限制其轴径向运动。
2.根据权利要求1所述的自锚定平衡式扩张封隔器，其特征在于，
还包括设置于所述伸出段(31)和所述中心管(10)形成的间隙内的锁紧套(80)，所述伸出段(31)的下部与所述锁紧套(80)通过螺栓连接；
所述锁紧套(80)具有通过一锁定机构和所述中心管(10)处于锁定的锁定状态，
以及，
所述锁紧套(80)具有在所述锁定机构解除锁定后与所述中心管(10)解除锁定的解锁状态。
3.根据权利要求2所述的自锚定平衡式扩张封隔器，其特征在于，
所述锁定机构包括设置于所述锁紧套(80)的横向贯通的通槽内的锁紧钢柱(90)和设置于所述中心管(10)外壁上的锁紧槽(01)；
所述锁紧钢柱(90)在所述平衡活塞(40)下移的横向推力下横向运动至卡接于所述锁紧槽(01)后，所述锁紧套(80)处于锁定状态；
所述锁紧钢柱(90)在失去所述平衡活塞(40)的推力后，所述锁紧套(80)处于解锁状态。
4.根据权利要求3所述的自锚定平衡式扩张封隔器，其特征在于，
所述平衡活塞(40)的下部设置有一伸入段(41)，所述锁紧套(80)的顶部设置一凸起段(81)，所述凸起段(81)与所述解封套(30)之间具有间隙；
当所述伸入段(41)插入所述凸起段(81)与所述解封套(30)之间的间隙内时，所述限位机构限制所述平衡活塞(40)径向移动且具有驱动所述平衡活塞(40)向上运动的趋势。
5.根据权利要求4所述的自锚定平衡式扩张封隔器，其特征在于，
所述限位机构包括位于所述凸起段(81)顶部的卡环(70)位于所述卡环(70)正上方的防卡碟簧(60)；
所述防卡碟簧(60)和所述解封套(30)之间具有间隙，所述伸入段(41)可插入所述防卡碟簧(60)与所述解封套(30)之间的间隙内，且在外力作用下，所述平衡活塞(40)压缩所述防卡碟簧(60)，与此同时，所述平衡活塞(40)的所述伸入段(41)进一步插入所述凸起段(81)与所述解封套(30)之间的间隙内。
6.根据权利要求2所述的自锚定平衡式扩张封隔器，其特征在于，
所述上接头(20)和所述解封套(30)通过台阶结构相连，且所述解封剪钉(50)贯穿所述解封套(30)后连接于所述上接头(20)；
所述中心管(10)和所述上接头(20)通过螺栓连接。
7.根据权利要求6所述的自锚定平衡式扩张封隔器，其特征在于，
还包括依次套装于所述中心管(10)上且位于所述锁紧套(80)下端的进液密封活塞(110)、复位弹簧(120)、连接套(130)、胶筒上端接头(140)和胶筒(150)；
所述进液密封活塞(110)和所述复位弹簧(120)位于由所述中心管(10)、所述锁紧套(80)和所述连接套(130)形成的环空中；
所述进液密封活塞(110)的上端面和所述锁紧套(80)的下端面紧密接触，所述进液密封活塞(110)的下端面与所述复位弹簧(120)的上端面紧密接触，所述复位弹簧(120)的下端面与所述连接套(130)的台阶面紧密接触；
所述中心管(10)上设置有进液孔(03)，且所述进液孔(03)连通所述锁紧套(80)和所述中心管(10)之间的环空；
所述复位弹簧(120)配置为压缩状态且始终具有驱动所述进液密封活塞(110)向上运动以关闭进液密封通道的趋势。
8.根据权利要求7所述的自锚定平衡式扩张封隔器，其特征在于，
还包括设置于所述胶筒(150)下端的胶筒下端接头(160)、下密封堵(170)和下接头(190)；
所述胶筒下端接头(160)内台阶下端面与所述下密封堵(170)上端面紧密接触，所述下密封堵(170)的下部设置有凹槽且与所述中心管(10)之间具有间隙，所述间隙的底部设置有方形密封圈(180)；所述中心管(10)、所述下密封堵(170)和所述方形密封圈(180)形成一注油的密封腔(02)。
9.根据权利要求8所述的自锚定平衡式扩张封隔器，其特征在于，
还包括设置于所述中心管(10)外壁的泄压槽(04)，所述泄压槽(04)设置于所述方形密封圈(180)正下方；
所述方形密封圈(180)和所述下接头(190)之间的所述中心管(10)外壁上涂有非金属涂层。
10.一种采用如权利要求1-9任一项所述的自锚定平衡式扩张封隔器的坐封系统，其特征在于，
包括设置于套管(100)内自锚定平衡式扩张封隔器(260)下部的第一级滑套(240)和位于所述第一级滑套(240)下部的第二级滑套(250)，所述第一级滑套(240)的内径大于所述第二级滑套(250)的内径。
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- 2021-10-27 CN CN202111257864.8A patent/CN116025306A/zh active Pending
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