油井用油管带压作业保护器 【技术领域】
本发明涉及一种油井用油管带压作业保护器，其是一种油井用管柱安装工具，属于石油开采领域。
背景技术
在油气井下(安装)油管柱作业过程中，由于在下最后一根油管柱时，下部管柱要插入到封隔器处的丢手管柱内，从而打开下部井底的高压油气，井下高压油气就会沿油管柱上窜到井口而发生井喷，给作业施工带来安全隐患。
为了避免出现井喷，目前通常所采取的作业流程是在起出管柱时往井筒内打入一些密度大的压井液，使井筒的液柱压力大于井底的地层压力，压住井下的储层油气而使其不能喷出。但是，采取这种方法避免井喷会带来以下的问题：在实施压井过程中，由于井筒液柱压力大于地层压力，重的压井液会漏失到油气层中，从而造成储层污染。但是，目前并没有其他较好的方法可以避免这一问题。
因此，为了避免井喷并防止在油管柱安装作业过程中污染地层，开发一种不需要压井作业的油管带压作业保护器，保证油管带压作业时的安全是本领域亟待解决的问题。
【发明内容】
为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种油井用油管带压作业保护器，具有结构简单、安全性高、使用寿命长、操作简单、使用方便快捷等特点，适用于在油井作业过程中带压下油管柱的作业过程。
本发明的目的还在于提供一种带压下油管柱的方法，通过采用上述油井用油管带压作业保护器进行下油管柱的作业，可以实现安全生产，避免出现污染储层、井喷等现象。
为达到上述目的，本发明提供了一种油井用油管带压作业保护器，该油井用油管带压作业保护器包括：本体、上接头、下接头、密封球、密封球管、收球室和限位装置；
所述密封球管位于所述本体内部，所述上接头、下接头均为管状，其中，上接头与密封球管的上端通过螺纹连接，下接头与密封球管的下端连通，并且，上接头、下接头与密封球管的中心轴线重合，分别自本体的上下二端延伸到本体外，形成连通的油流通道；
密封球管的管壁上设有限位孔，所述限位装置设置在密封球管的外壁上，并通过限位孔凸入密封球管内，其受压时能向密封球管管壁方向收缩；
密封球位于密封球管内的上接头下方，并卡在所述凸入密封球管的限位装置上，密封球的直径大于上接头的内径，小于密封球管的内径，且密封球与上接头的下端接触时能够实现对油流通道的密封；
所述收球室位于本体内，分别设有进球口和出球口，并通过进球口与密封球管连通，且进球口的位置低于限位装置的位置；密封球管中对应于进球口的位置设有导引装置，能够引导沿密封球管向下运动的密封球进入收球室；收球室通过出球口与本体外部连通，使密封球能够通过出球口离开收球室。
根据本发明的具体技术方案，优选地，上述限位装置包括限位球珠、压缩弹簧和限位管，其中：限位管水平设置，一端连接在密封球管的限位孔处的外壁上，另一端固定在本体的内壁上；限位球珠和压缩弹簧位于限位管内，限位球珠的直径大于限位孔的直径，并通过限位孔部分凸入到密封球管内，并且，限位球珠通过压缩弹簧连接到本体的内壁上。
根据本发明的具体技术方案，优选地，上述本体内部设有至少两个限位装置，并且，限位装置位于同一水平面上，以等角度间隔设置。
根据本发明的具体技术方案，优选地，上述上接头和下接头的外壁设有丝扣。
根据本发明的具体技术方案，优选地，上述上接头和下接头外壁上的丝扣为API标准油管螺纹扣。
根据本发明的具体技术方案，优选地，上述上接头的下端为锥形，与密封球接触时形成线接触，能够实现对油流通道的密封。
根据本发明的具体技术方案，优选地，上述密封球为金属球。
根据本发明的具体技术方案，优选地，上述密封球为不锈钢球。
根据本发明的具体技术方案，优选地，上述导引装置包括位于密封球管中的导向轨道，该导向轨道为向下倾斜的轨道，并且该导向轨道中心具有至少一个供油流通过的通孔。
根据本发明的具体技术方案，优选地，上述密封球管的下端为倾斜的缩颈结构，成为上述导引装置。
本发明提供的油井用油管带压作业保护器在使用过程中是立式安装设置的，因此，本发明的权利要求书、说明书和说明书附图中所涉及的结构及位置关系的描述均是基于该保护器处于立式状态进行的。
根据本发明的具体实施方案，密封球管位于本体内部，其上端的开口位于本体的上端面上。密封球管的中心轴线可以与本体的中心轴线重合，其内壁可以设有与上接头实现连接的螺纹。
根据本发明的具体实施方案，该油井用油管带压作业保护器的上接头为管状，具有一个中空的管道，该管道是油流通过上接头时的油流通道。上接头可以通过密封球管上端的开口伸入密封球管内部，并通过其外壁上的螺纹与密封球管连接，即上接头与密封球管螺纹连接，并从本体的上端延伸到本体外部。优选地，延伸到本体外部的一部分上接头的外壁上设有丝扣，可以通过这些丝扣与上部井口的油管挂等部件连接，并使上接头中的管道与上部井口的相应部件连通，形成通畅的油流通道，以便于采油作业。
根据本发明的具体实施方案，下接头为管状，与密封球管的下端连通，并从本体下端延伸到本体外部。上接头、下接头和密封球管的中心轴线重合，连接在一起形成上下连通的油流通道。优选地，在延伸到本体外部的下接头的外壁上可以设有丝扣，油井用油管带压作业保护器可以通过该丝扣与底部的油管柱等部件连接。更优选地，上接头和下接头外壁上的丝扣均为API标准油管螺纹扣，以适应生产作业中的标准化要求。
根据本发明的具体实施方案，收球室位于本体内，分别设有进球口和出球口，并通过进球口与密封球管连通，在使用过程中，密封球在压力作用下沿密封球管下落后，能够通过进球口进入收球室；同时，收球室又通过出球口与本体外部连通，位于收球室中的密封球能够通过该出球口离开收球室。
根据本发明的具体实施方案，在密封球管的管壁上设有限位孔，限位装置设置在密封球管的外壁上，并通过限位孔部分凸入密封球管内，即限位球珠的一部分凸入密封球管内；在受压状态下(即对密封球施加向下的压力，密封球挤压限位装置时)，限位装置能向密封球管管壁方向收缩，允许密封球越过该限位装置，沿密封球管向下运动。
根据本发明的具体实施方案，油井用油管带压作业保护器中的限位装置可以称为可伸缩限位装置，该限位装置能够承受密封球的自重，即当密封球仅以其自重挤压该可伸缩限位装置时，该可伸缩限位装置的限位部件不会缩回，可以将密封球限制在密封球管的上部，当对密封球施加一定的向下的压力时，该可伸缩限位装置的限位部件可以缩回，密封球越过该限位装置沿密封球管向下运动，其中，该可伸缩限位装置的伸出和缩回可以通过相应的部件实现，例如凸入密封球管中的限位球珠等。优选地，油井用油管带压作业保护器中所采用的限位装置可以包括限位球珠、压缩弹簧和限位管，其中，限位管水平设置，一端固定在保护器本体的内壁上(例如采用固定螺钉进行密封固定)，另一端可以固定连接在密封球管的限位孔处的外壁上；限位球珠和压缩弹簧位于限位管内，限位球珠的直径大于限位孔的直径，并通过限位孔凸入到密封球管内，并且，限位球珠通过压缩弹簧连接到本体的内壁上。限位球珠凸入密封球管内，与密封球接触，在未施加向下的压力的情况下，限位球珠能够承受密封球的自重，将其限制在限位装置之上。由于限位球珠的另一端与压缩弹簧连接，因此，在受到一定压力时(该压力应大于密封球自重一定幅度，足够使限位球珠顺利缩回)，该限位球珠可以缩回到限位孔内。压缩弹簧的弹力可以进行选择，其弹力大小可根据作业时上部压力(外加的向下的压力和密封球自重)与下部压力(油气压力)之间的差值大小进行调整变换。优选地，在压缩弹簧材料的选用上，应选用具有使用寿命长、使用过程中扭力损失小、耐腐蚀等特点的弹簧材料，例如，可以选用高性能的弹簧钢材料，具有在使用过程中扭力损失小，扭力降低小于5％的特点。
根据本发明的具体实施方案，在油井用油管带压作业保护器的本体内部设有至少两个限位装置，并且，限位装置位于同一水平面上，更优选地，位于同一水平面上的限位装置可以是以等角度间隔设置的。例如，在同一水平面上设置三个或四个限位装置，相邻的限位装置之间的夹角为120°或者90°。
根据本发明的具体实施方案，密封球位于密封球管内，并卡在凸入密封球管内的限位装置上，正常状态下(未对密封球施加向下的外力时)，密封球不会使限位装置受挤压缩回；密封球的直径应小于密封球管的内径，能够在密封球管内顺利地移动。为了保证密封球与上接头接触时能够实现对油流通道(即上接头中的管道口)的密封，密封球的直径应大于上接头中的油流通道(中空的管道)的直径。当油井用油管带压作业保护器与井下油管柱连通时，即打开井底的高压油气时，密封球会在下部油气压力的作用下，向上紧顶上接头的下端，二者之间形成紧密接触，从而实现对油流通道的密封。为了更好地实现密封，优选地，上接头的下端可以是锥形，与密封球接触时能够实现线接触。为了实现较好的密封，要求密封球本身具有较高的光洁度，并且，由于密封球经常与油井中的油气接触，因此，密封球本身也需要具有一定的耐腐蚀能力，在本发明提供的油井用油管带压作业保护器中，所采用的密封球优选为金属球，例如表面经过耐腐蚀和光洁度处理的金属球，更优选的是不锈钢球。
根据本发明的具体实施方案，在密封球管中对应于进球口的位置设有导引装置，该导引装置可以是位于密封球管中的导向轨道，在限位装置缩回之后，密封球沿密封球管下落时，能够在导向轨道的导引下顺利进入收球室；上述导向轨道可以为向下倾斜的轨道(例如弧形或者直线形)，并且导向轨道较低的一端与上述进球口的下沿连接，二者的位置可以持平，或者导向轨道的较低一端稍高于进球口的下沿；当密封球落到导向轨道之后，在其自重的作用下，就会沿着导向轨道滚落到收球室内。为便于油流通过下接头进入密封球管，上述导向轨道中设有至少一个供油流通过的通孔，该通孔的孔径小于密封球的直径。另外，在密封球管下端形成向下倾斜的缩颈结构，引导密封球进入收球室也可以成为上述导引装置，例如形成弧形或者直线形的密封球管的下端，其中，倾斜的角度优选为15‑75°(与水平面的夹角)，这也能够导引沿密封球管向下运动的密封球通过进球口进入收球室；此时，为避免密封球落入下接头的管道中，可以使下接头的内径小于密封球的直径。
根据本发明的具体实施方案，作业保护器的本体可以是一个实心体，也可以是一个空心体。当本体是空心体时，密封球管和限位装置中的限位管可以是固定在本体内部的外加的管道，密封球管和限位装置中的限位管在本体内部的固定方式可以采用常用的固定方式进行，例如焊接等；当本体是实心体时，密封球管和限位装置中的限位管均可以是直接形成(例如利用车床加工或铸造成形)于本体内的管道，其位置不变，所要实现的功能也相同，仅仅是固定方式有所不同，而且这些不同的固定方式是本领域一般技术人员能够自行选择的。
本发明的油井用油管带压作业保护器的工作原理是(举例说明)：
在油井用油管带压作业保护器的初始状态，密封球位于密封球管的上部，限位球珠在压缩弹簧的作用下部分凸出到密封球管内，起到限定密封球向下移动的作用。在油井用油管带压作业保护器与井下油管柱处于连接状态时，即打开井底高压油气情况下的带压状态时，密封球在下部油气压力的作用下，向上顶紧密封面(即上接头的下端)，形成对油流通道的密封，阻止下部油气向上流动而产生井喷，便可安全进行下油管柱作业施工。在油井投入生产状态时，由上部采油树通过上接头进行加压，当油流通道的上部压力大于下部压力时，密封球在上部压力的作用下，向下移动挤压限位球珠，通过限位装置后继续沿密封球管向下移动，然后进入收球室，离开油流通道，使上下油流通道畅通，可进行油井正常生产作业。
本发明还提供了一种带压下(安装)油管柱的方法，其包括：
将上述的油井用油管带压作业保护器的上接头与井口的油管挂连接，下接头与油管柱连接，将油管柱安装到油井内，使油管柱的下端接触油气，油气通过油流通道进入保护器内部，并使密封球顶掣上接头的下端；
通过上接头中的油流通道对密封球施加向下的压力，迫使限位装置向密封球管管壁方向收缩后，使密封球沿密封球管向下运动，并通过进球口进入收球室。
根据本发明的具体技术方案，位于油井中的油管柱是连通到底部的高压油气的油管，当下接头与油管柱连通之后，高压油气会在自身压力作用下沿油流通道进入下接头和密封球管内部，高压油气从下部对密封球施压，使密封球顶掣(顶住或者紧顶)上接头的下端，实现对油流通道的密封，使高压油气无法进入上接头的中空管道内，也就不会发生井喷。在实际的带压下油管柱作业中，一般需要安装多根油管柱，在作业过程中，在安装最后一根油管柱(该油管柱安装之后，最下面一根油管柱就可以接触底部高压油气)时使用本发明提供的油井用油管带压作业保护器。
在进行生产前，上部采油树通过上接头对密封球进行加压，使密封球挤压限位装置，当压力足够大时，限位装置缩回，密封球与上接头脱离接触，并沿密封球管向下运动，然后通过进球口进入收球室中，高压油气就沿上下通畅的油流通道进入上部采油树，实现采用作业。
本发明提供的油井用油管带压作业保护器具备以下的优点和特点：
1、本发明提供的油井用油管带压作业保护器结构简单、合理，在油井下油管柱作业时，能够带压作业，可以避免采用压井液污染油气层，从而保护油气层，又可以保证在下油管柱作业过程中的安全，不会出现井喷；
2、本发明提供的油井用油管带压作业保护器，在完成下油管柱作业和安装上采油树后，只需要进行打压操作就可完成作业通道的打开而转入油井生产状态，具有作业程序少，操作简单等特点，大大减少了作业工作量，节约了作业费用，降低了生产成本；
3、本发明提供的油井用油管带压作业保护器，能够重复使用，具有较长的使用寿命；
4、本发明提供的油井用油管带压作业保护器，可以实现与现有油气开采设备的标准化对接，无需对现有设备进行改造就可以直接使用，具有重要的现实意义。
【附图说明】
图1为本发明实施例1的油井用油管带压作业保护器的结构示意图；
图2为本发明实施例2的油井用油管带压作业保护器的结构示意图；
图3为本发明实施例3的油井用油管带压作业保护器的结构示意图；
图4为本发明实施例4的油井用油管带压作业保护器的结构示意图；
图5为本发明实施例5的油井用油管带压作业保护器的结构示意图；
图6为实施例3提供的油井用油管带压作业保护器的示意图(初始状态)；
图7为实施例3提供的油井用油管带压作业保护器的示意图(带压作业状态)；
图8为实施例3提供的油井用油管带压作业保护器的示意图(井口加压、密封球移动到收球室状态)；
图9为实施例3提供的油井用油管带压作业保护器的示意图(油井生产状态)。
附图标号说明
1、上接头；2、本体；3、油流通道；4、密封球；5、密封球管；6、收球室；7、出球口；8、密封面；9、限位球珠；10、限位管；11、压缩弹簧；12、轨道；13、密封球安装通道；14、下接头；15、油管柱；16、单向阀；17、封隔器；18、丢手管柱；19、高压油气；20、进球口；21、固定螺钉。
【具体实施方式】
为使本发明要解决的技术问题、特征和效果更加显而易见，现结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。
实施例1
图1所示的是本实施例的油井用油管带压作业保护器在初始状态(即未投入使用时)时的结构，其中：
上接头1通过位于本体2上端面的密封球管5的开口进入密封球管5内部，这一部分密封球管5形成密封球安装通道13；上接头1的下端可以直接与密封球管5内壁上的螺纹啮合，或者在上接头1的下端侧边上设有与密封球管5内壁上的螺纹啮合的螺纹；位于本体外部的上接头1的外壁上设有丝扣，可以与上部井口的油管挂等部件连接；
下接头14与密封球管5的下端连通，位于本体2的外部，下接头14的外壁上设有丝扣，可以与底部的油管柱15等部件连接；
上接头1、密封球管5和下接头14相互连通，形成油流通道3；
收球室6位于本体2内部，通过进球口20与密封球管5连通，进球口20的位置低于限位装置的位置，并且其尺寸大于密封球4的直径，密封球4可以通过该进球口20由密封球管5进入收球室6；而且，收球室6的另一侧设有出球口7，密封球4可以通过出球口7离开收球室6；
限位装置包括限位球珠9、限位管10和压缩弹簧11，其中，限位管10水平设置，一端与本体2的内壁连接，另一端固定在密封球管5对应于限位孔的外壁上，通过限位孔(其直径小于限位珠球4的直径)与密封球管5连通；限位球珠9和压缩弹簧11位于限位管10中，其中，限位球珠9通过压缩弹簧11接到本体2的内壁上，并且通过上述限位孔凸入密封球管5内，与密封球4接触，将密封球4限定在图中所示的位置；压缩弹簧11选用高性能的弹簧钢材料，具有在使用过程中扭力损失小，扭力降低小于5％的特点；本实施例提供的保护器中包含有两个限位装置，位于同一水平面上，二者之间成180°夹角；
密封球4位于密封球管5内，并且被限位装置卡住，在不施加外力的情况下，密封球4能够保持在图中所示的位置，不会向下运动，即该限位装置能够承受密封球4的自重；当下接头14接通下部的高压油气时，密封球4会在高压油气的作用下向上紧顶上接头1的下端(即密封面8)，实现对油流通道3的密封，防止出现井喷；
当对密封球4施加一定大小的向下的外力(该外力的大小一般应大于下部油气的压力)时，密封球4挤压限位球珠9，使限位球珠9回缩，限位装置失去限位作用，密封球4就可以依靠其自重沿密封球管5向下运动；
为了便于密封球4进入收球室6，在密封球管5的相应位置设有导引装置，即向下倾斜的轨道12，该轨道12为弧形，其较低的一端的位置与进球口20的下沿基本持平；为了便于油流通过，轨道12上设有通孔，通孔的尺寸小于密封球4的直径；
上接头1、密封球管5和下接头14相互连通，形成供油流通过的油流通道3，并且三者的中心轴线重合，位于同一中心轴线上。
实施例2
本实施例提供的油井用油管带压作业保护器的结构如图2所示意，该图中所显示的也是处于初始状态(即未投入使用时)时的保护器的结构，其中，与实施例1提供的油井用油管带压作业保护器相比，存在以下区别：
本实施例提供的油井用油管带压作业保护器中，导引装置(即密封球管5内的轨道12)为倾斜的直线形，其倾斜角度大约为45°(与水平面的夹角)。
本实施例提供的油井用油管带压作业保护器的其他结构均与实施例1提供的油井用油管带压作业保护器相同。
实施例3
本实施例提供的油井用油管带压作业保护器的结构如图3所示意，该图中所显示的也是处于初始状态(即未投入使用时)时的保护器的结构，其中，与实施例1提供的油井用油管带压作业保护器相比，存在以下区别：
本实施例提供的油井用油管带压作业保护器中，密封球管5内没有设置轨道12，而在实施例1中轨道12的相应位置形成弧形(即缩颈结构)，成为密封球管5的下端，即导引装置是密封球管5的弧形下端；
下接头14进入本体2内部，并与密封球管5的弧形下端连通；
限位装置通过固定螺钉21固定在本体2的内壁上并实现密封。
本实施例提供的油井用油管带压作业保护器的其他结构均与实施例1提供的油井用油管带压作业保护器相同。
实施例4
本实施例提供的油井用油管带压作业保护器的结构如图4所示意，该图中所显示的也是处于初始状态(即未投入使用时)时的保护器的结构，其中，与实施例2提供的油井用油管带压作业保护器相比，存在以下区别：
本实施例提供的油井用油管带压作业保护器中，密封球管5内没有设置轨道12，而密封球管5在实施例1中轨道12的相应位置形成倾斜的缩颈结构，成为密封球管5的下端，即导引装置是密封球管5的倾斜的缩颈结构下端；
下接头14进入本体2内部，并与密封球管5的缩颈结构下端连通。
本实施例提供的油井用油管带压作业保护器的其他结构均与实施例2提供的油井用油管带压作业保护器相同。
实施例5
本实施例提供的油井用油管带压作业保护器的结构如图5所示意，该图中所显示的也是处于初始状态(即未投入使用时)时的保护器的结构，其中，与实施例3提供的油井用油管带压作业保护器相比，存在以下区别：
本实施例提供的油井用油管带压作业保护器中，上接头1的下端(即密封面8)是锥形，密封球4与该锥形下端接触，形成密封(二者为线接触，此时的密封可以称为线密封)。
本实施例提供的油井用油管带压作业保护器的其他结构均与实施例3提供的油井用油管带压作业保护器相同。
实施例6
在本实施例中，以实施例3提供的油井用油管带压作业保护器为例，说明油井用油管带压作业保护器的使用方法。图6、7、8和9所示的分别为实施例3提供的油井用油管带压作业保护器在初始状态，带压作业状态，井口加压、密封球移动到收球室状态，油井生产状态下的示意图。
如图6所示，在油井用油管带压作业保护器的初始状态，密封球4位于密封球管5顶部，限位球珠9在压缩弹簧11的作用下部分凸出到密封球管5内，起到限定密封球4向下移动的作用。
如图7所示，在油井用油管带压作业保护器与井下油管柱15的连接状态时，即打开井底高压油气19情况下的带压状态时，密封球4在下部油气压力的作用下，向上顶紧密封面8，形成密封，阻止下部油气向上流动而产生井喷，便可安全进行下油管柱作业施工。
如图8和9所示，在油井投入生产状态时，由上部采油树通过上接头1进行加压(例如：利用液压油通过液压进行加压)，当油流通道3的上部压力大于下部压力时，密封球4在上部液压的作用下，向下移动挤压限位球珠9，通过后继续向下移动，通过密封球管5，进入收球室6，从而离开油流通道3，使上下油流通道3畅通，可进行油井正常生产作业。
在本实施例中，油流通道3的各个部分根据需要可以采取同轴不同径设置，密封球管5的内径大于上接头1和下接头14内的油流通道3的内径。
上接头1和下接头14的丝扣可以为API标准油管螺纹扣，上接头1能够方便地与上部井口的油管挂连接，下接头14与油管柱15连接，油管柱15通过单向阀16、封隔器17和丢手管柱18接触高压油气19。上下油流通道3连通之后，高压油气19会在自身的压力作用下依次通过油管柱15、下接头14、密封球管5和上接头1，然后进入上部井口的油管。
当然本发明并不局限于此，如上述的油流通道3和密封球管5，上接头1和下接头14，可根据实际作业情况设置为不同直径。
以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，本领域一般技术人员根据上述实施例对本发明的详细说明，根据需要对本发明的技术方案进行的修改或者等同替换，以及不脱离本发明技术方案的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。