三力双向压缩式液压封隔器及其安装方法.pdf

本发明是三力双向压缩式液压封隔器,用于油田井下分层注采工艺。内、外中心管套在一起并有解封剪钉相固定；内、外中心管设有解封台阶；胶筒、上液缸锁紧机构和锚定机构自上而下依次套在外中心管外，在外中心管外于锚定机构以下还套有解封套，外中心管与解封套之间通过关联机构相固定，在解封套外设下液缸锁紧机构，下液缸锁紧机构与下锥体相连；下锥体与下液缸锁紧机构之间设悬挂内台阶，外中心管外相应地设悬挂外台阶，悬挂内台阶的内径小于悬挂外台阶的外径。由于设计了两个液缸锁紧机构从胶筒的上下方向共同加载液压力，加上管柱的机械下压载荷，使封隔器密封效果更理想。

1.  三力双向压缩式液压封隔器,外中心管（26）套在内中心管（12）外，外中心管（26）与内中心管（12）之间有解封剪钉（11）相固定；内中心管（12）设有解封外台阶（14），外中心管（26）设有解封内台阶（13），解封外台阶（14）的外径大于解封内台阶（13）的内径，解封外台阶（14）套在解封内台阶（13）外，解封外台阶（14）与解封内台阶（13）之间的距离不小于内支撑台阶（25）使关联机构（24）失效的上移距离；胶筒（15）、上液缸锁紧机构（16）和锚定机构（18）自上而下依次套在外中心管（26）外，上液缸锁紧机构（16）与上锥体（17）相连，其特征在于，在外中心管（26）外于锚定机构（18）以下还套有解封套（23），外中心管（26）与解封套（23）之间通过关联机构（24）相固定，在解封套（23）外设下液缸锁紧机构（22），下液缸锁紧机构（22）与下锥体（19）相连；下锥体（19）与下液缸锁紧机构（22）之间设悬挂内台阶（40），外中心管（26）外相应地设悬挂外台阶（41），悬挂内台阶（40）的内径小于悬挂外台阶（41）的外径。

2.  根据权利要求1所述的三力双向压缩式液压封隔器，其特征在于，所述的关联机构（24）是锁块机构，外中心管（26）设有孔，解封套（23）设有内凹槽（28），锁块（27）安装在所述的孔与内凹槽中，内中心管（12）设有内支撑台阶（25）在径向上撑住锁块（27）。

3.  根据权利要求1所述的三力双向压缩式液压封隔器，其特征在于，所述的关联机构（24）是锁爪机构，外中心管（26）设有锁爪外螺纹（31），解封套（23）设有锁爪内螺纹（30），锁爪外螺纹（31）与锁爪内螺纹（30）相互啮合，内中心管（12）设有内支撑台阶（25）在径向上撑住锁爪外螺纹（31）。

4.  权利要求1所述的三力双向压缩式液压封隔器的安装方法，包括以下步骤：
a、用油管或钻杆把所述的封隔器送入井下设计位置，其必须的管柱组合是：油管或钻杆+封隔器+压力阀；
b、提高管柱内液压力达到封隔器坐封力的设计值；
c、保持或降低管柱内的液压力，但应保证管柱内的液压力大于油套环空内的液压力；
d、从井口下放送入管柱给封隔器加载机械力50kN～250kN；
e、再次提高管柱内液压力达到封隔器坐封力的设计值；
f、卸去管柱内的液压力。

5.  根据权利要求4所述的三力双向压缩式液压封隔器的安装方法，其特征在于，所述的加载机械力为100kN～150kN。

6.  根据权利要求4所述的三力双向压缩式液压封隔器的安装方法，其特征在于，所述的封隔器坐封力的设计值为15MPa～22MPa。

7.  根据权利要求4或6所述的三力双向压缩式液压封隔器的安装方法，其特征在于，所述的封隔器坐封力的设计值为18MPa～20MPa。

三力双向压缩式液压封隔器及其安装方法
技术领域
本发明涉及石油开采中使用的井下封隔器技术领域，特别是涉及一种具有液压、机械双压缩作用的井下封隔器及其安装方法。
背景技术
在石油开采领域的完井、采油等作业中，经常使用井下封隔器来分隔油层、密封油套环空、悬挂井下管柱等。为了提高封隔器的密封效果，中国专利申请号CN201310333524，申请日2013.08.02，发明名称“双作用压缩式封隔器及其使用方法”，公开了一种先液压坐封压缩胶筒，再通过管柱加压压缩胶筒的两种压缩胶筒方式的封隔器，这种封隔器胶筒、锚定机构和液缸锁紧机构自上而下依次排列，坐封时，液缸在预压缩胶筒后把卡瓦锚定在套管上，胶筒的最后有效压缩是通过液缸拉胶筒的上端实现的，同时，机械管柱的加载负荷也是压在胶筒的上端的，也就是液压力和机械加载力都是作用在胶筒的上端。《油气开采工程师手册》第70页“Y441型封隔器”（何生厚主编，北京：中国石化出版社，2006年4月第1版），公开了一种液缸锁紧机构位于胶筒与锚定机构之间的封隔器，这是一种常见的Y441型封隔器，液缸下推卡瓦锚定套管，上推胶筒，胶筒仅是下端受到了挤压力。实验表明，从胶筒的一端加载压缩力，胶筒与套管的接触应力沿胶筒的外表面在轴向上是不均匀的，这影响密封效果。
发明内容
为解决上述技术问题，发明了三力双向压缩式液压封隔器，坐封封隔器时，通过压缩胶筒的两端来提高封隔器的密封效果。
本发明采用了如下的技术方案：
三力双向压缩式液压封隔器,外中心管套在内中心管外，外中心管与内中心管之间有解封剪钉相固定；内中心管设有解封外台阶，外中心管设有解封内台阶，解封外台阶的外径大于解封内台阶的内径，解封外台阶套在解封内台阶外，解封外台阶与解封内台阶之间的距离不小于内支撑台阶使关联机构失效的上移距离；胶筒、上液缸锁紧机构和锚定机构自上而下依次套在外中心管外，上液缸锁紧机构与上锥体相连，在外中心管外于锚定机构以下还套有解封套，外中心管与解封套之间通过关联机构相固定，在解封套外设下液缸锁紧机构，下液缸锁紧机构与下锥体相连；下锥体与下液缸锁紧机构之间设悬挂内台阶，外中心管外相应地设悬挂外台阶，悬挂内台阶的内径小于悬挂外台阶的外径。
优选实施例一，所述的关联机构是锁块机构，外中心管设有孔，解封套设有内凹槽，锁块安装在所述的孔与内凹槽中，内中心管设有内支撑台阶在径向上撑住锁块。
优选实施例二，所述的关联机构是锁爪机构，外中心管设有锁爪外螺纹，解封套设有锁爪内螺纹，锁爪外螺纹与锁爪内螺纹相互啮合，内中心管设有内支撑台阶在径向上撑住锁爪外螺纹。
本发明的三力双向压缩式液压封隔器的安装方法，包括以下步骤：
a、用油管或钻杆把所述的封隔器送入井下设计位置，其必须的管柱组合是：油管或钻杆+封隔器+压力阀；
b、提高管柱内液压力达到封隔器坐封力的设计值；
c、保持或降低管柱内的液压力，但应保证管柱内的液压力大于油套环空内的液压力；
d、从井口下放送入管柱给封隔器加载机械力50kN～250kN；
e、再次提高管柱内液压力达到封隔器坐封力的设计值；
f、卸去管柱内的液压力。
与现有技术相比，本发明的有益效果是，由于设计了两个液缸锁紧机构从胶筒的上下方向共同加载液压力，加上管柱的机械下压载荷，封隔器的胶筒坐封时受到了两端的双向挤压力，使胶筒与套管间的接触应力在轴向上变得更加均匀，因而密封效果更理想。
附图说明
前面简单地描述了本发明，接下来参考描述本发明的以下具体实施例的图纸进一步、详细地叙述本发明。这些图纸只描述了该发明的一些典型的实施例，因此不能认为是限制本发明的范围。在这些图纸中：
图1是本发明封隔器的结构示意图。
图2是本发明封隔器的优选实施例一的结构示意图。
图3是本发明封隔器的优选实施例二的结构示意图
图4是锁爪外螺纹的结构示意图。
具体实施方式
本发明的说明书中的附图1和附图2结构示意图，通过简化只画出了剖开封隔器的左侧部分。
参见图1，三力双向压缩式液压封隔器,外中心管26套在内中心管12外，外中心管26与内中心管12之间有解封剪钉11相固定；内中心管12设有解封外台阶14，外中心管26设有解封内台阶13，解封外台阶14的外径大于解封内台阶13的内径，解封外台阶14套在解封内台阶13外，解封外台阶14与解封内台阶13之间的距离不小于内支撑台阶25使关联机构24失效的上移距离；胶筒15、上液缸锁紧机构16和锚定机构18自上而下依次套在外中心管26外，上液缸锁紧机构16与上锥体17相连，在外中心管26外于锚定机构18以下还套有解封套23，外中心管26与解封套23之间通过关联机构24相固定，在解封套23外设下液缸锁紧机构22，下液缸锁紧机构22与下锥体19相连。下锥体19与下液缸锁紧机构22之间设悬挂内台阶40，外中心管26外相应地设悬挂外台阶41，悬挂内台阶40的内径小于悬挂外台阶41的外径。解封后，下锥体19及其以下的下液缸锁紧机构22和解封套23下行，这一部分的重量就通过悬挂内台阶40悬挂在悬挂外台阶41上。
解封时，上提内中心管12，解封剪钉11被剪断，解封外台阶14上行挂住解封内台阶13。
所述的关联机构24可以是锁块机构，外中心管26设有孔，解封套23设有内凹槽28，锁块27安装在所述的孔与内凹槽中，内中心管12设有内支撑台阶25在径向上撑住锁块27。解封时，上提内中心管12，内支撑台阶25上行，锁块27内部失去支撑，从而在径向上向内移动，如图1所示，锁块27的倒角部分从凹槽28退出，解封套23与外中心管26就可以在轴向上相对运动了，当受到下推力时，解封套23就可与外中心管26脱开。
所述的关联机构24也可以是锁爪机构，如图2和图4所示，外中心管26设有锁爪外螺纹31，外中心管26的下部包括锁爪外螺纹31是轴向开槽的，形成手指状，当受到径向力时，锁爪外螺纹31可以在径向上移动，这是一种在井下工具中常见的设计；解封套23设有锁爪内螺纹30，锁爪外螺纹31与锁爪内螺纹30相互啮合，内中心管12设有内支撑台阶25在径向上撑住锁爪外螺纹31。解封时，上提内中心管12，内支撑台阶25上行，锁爪外螺纹31内部失去支撑，当受到下推力时，解封套23就可与外中心管26脱开。
见图3所示，这是本发明的一个优选实施例。图中：
上接头301和内管304共同构成了原理图中的内中心管12。在上接头301的下部设有解封外台阶14。
解封套302、连接套305和外管306共同构成了原理图中的外中心管26。解封套302和连接套305的连接处设有内凹槽，所述内凹槽的上端即为解封内台阶13。解封外台阶14的外径大于解封内台阶13的内径。
胶筒15套在外管306上，位于连接套305以下。一般地，在胶筒的两端设有挡环，挡环可以独立设置，也可以与相邻的零件合为一体，如图中胶筒15的上端的连接套305就作为了胶筒的上挡环，而胶筒15的下端设有独立的下挡环330。当然下挡环330也可与上压帽307合为一体。
上压帽307、上锁环308、上液缸套309、上活塞311、上锥体17和上坐封剪钉312共同构成了原理图中的上液缸锁紧机构16。这是液压封隔器坐封机构的常规设计，见《油气开采工程师手册》第70页“Y441型封隔器”（何生厚主编，北京：中国石化出版社，2006年4月第1版）。坐封时，上坐封剪钉312被剪断，上活塞311上行压缩胶筒，上锥体17下行锚定卡瓦。上活塞311外设锁紧螺纹310，坐封完成后，上锁环308锁定在锁紧螺纹310上。
上锥体17卡瓦笼313、卡瓦314、弹簧315和下锥体19共同构成了原理图中的锚定机构18。这是液压封隔器锚定机构的常规设计，见《油气开采工程师手册》第70页“Y441型封隔器”（何生厚主编，北京：中国石化出版社，2006年4月第1版）。
外管306的下端是图4所示的锁爪外螺纹，解封套23套在外管306下部，解封套23和外管306之间通过锁爪螺纹323连接在一起。锁爪螺纹323包括外管306下端的锁爪外螺纹31和解封套23下端的锁爪内螺纹30，二者相互啮合在一起构成锁爪螺纹323。内管304下端向外突起的内支撑台阶25将锁爪螺纹323撑住。当内支撑台阶25上行后，锁爪外螺纹31失去内支撑，啮合在一起的锁爪外螺纹31和锁爪内螺纹30就会在外力的作用下脱开而失效。
于下锥体19设悬挂内台阶40，外管306外设悬挂外台阶41，解封后，悬挂外台阶41上行挂住悬挂内台阶40，从而悬挂住下液缸锁紧机构22及其以下的重量。
下活塞319、下液缸套318及其挂帽316、下锁环320、下压帽321、下坐封剪钉322和下接头324共同构成了原理图中的下液缸锁紧机构22。坐封时，下坐封剪钉322被剪断，下活塞319带动下锁环320一同上行推动下锥体19上行使卡瓦锚定套管，同时，液缸的反力通过锁爪螺纹323传递给外管306，下拉外管306，从而从胶筒15的上端施加坐封力。在解封套23外也设有锁紧螺纹，坐封完成后，下锁环320就锁定在解封套23上。上液缸锁紧机构和下液缸锁紧机构的原理是相同的。
坐封过程中，下压管柱给封隔器施加的坐封力通过上接头301、解封套302和连接套305的传递也加载到了胶筒15的上端。
三力双向压缩式液压封隔器的安装方法，包括以下步骤：
a、用油管或钻杆把所述的封隔器送入井下设计位置，其必须的管柱组合是：油管或钻杆+封隔器+压力阀；
b、提高管柱内液压力达到封隔器坐封力的设计值；
c、保持或降低管柱内的液压力，但应保证管柱内的液压力大于油套环空内的液压力；
d、从井口下放送入管柱给封隔器加载机械力50kN～250kN；
e、再次提高管柱内液压力达到封隔器坐封力的设计值；
f、卸去管柱内的液压力。
所述的压力阀一般使用定压球座，这是一种常用工具，坐封时当压力达到封隔器的设计值时，球与球座一起剪断球座的剪钉而失效。当然压力阀也可以使用其它工具，如单流阀、盲堵、堵塞器等。
所述的“封隔器坐封力的设计值”是指某一具体封隔器根据其结构所设计的使封隔器达到完全坐封状态的液压力的值。不同的封隔器其坐封所需要的液压力的值是不同的，液压封隔器的设计坐封压力一般为15MPa～25MPa，现场一般使用18MPa～20MPa。
所述的加载机械力最好为100kN～150kN。
本文所述的实施例仅仅为典型实施例，但不仅限于这些实施例，本领域的技术人员可以在不偏离本发明的精神和启示下做出修改。本文所公开的方案可能存在很多变更、组合和修改，且都在本发明的范围内，因此，保护范围不仅限于上文的说明，而是根据权利要求来定义，保护范围包括权利要求的标的的所有等价物。