CN102518407B - 一种电缆式井下轴向力发生装置 - Google Patents

Abstract

一种电缆式井下轴向力发生装置，包括依次连接的电缆接头、电路控制部分、压力补偿器、电马达、套管锚定装置、生力装置等，其特征是：各个部件之间为螺纹连接，电缆接头连接电缆或电缆式牵引器，生力装置右端连接其它井下工具。本装置用电缆与地面控制系统相连接，用于供电及传送控制信号，压力补偿器用于保持装置内外压力的平衡，电马达提供动力，电路控制部分用于控制装置的工作过程，通过控制使泵液在生力装置的两个泵液腔之间循环流动，在液压的作用下活塞杆向左或向右移动，从而给井下工具提供轴向拉力或推力。本发明结构简单，操作方便，工作安全可靠，可有效产生轴向力，可用于封隔器坐封、解封以及打捞作业中倒扣、上提、解卡等。

Description

一种电缆式井下轴向力发生装置

技术领域

本发明涉及用于石油、天然气和地质钻完井及修井的特殊井下装置，尤其是涉及一种用于深海中水平井、大位移井、定向井和直井的钻完井及修井工作的井下轴向力发生装置。

背景技术

在钻完井及修井的过程中，通常会对井下工具如封隔器、悬挂器、气举阀、打捞工具等进行安装、回收、移动和定位。目前常使用钻井机、修井机、连续油管作业机等作为井下作业的配套设备，而钻井机、修井机、连续油管作业机等日租费用高，且所占空间大这使得工作成本大大增加；此外，水平井、大位移井的水平段过长时，由于管柱弯曲或屈曲的影响，轴向载荷无法有效传递，常导致作业失败。为此，目前破却需要研制和使用一种不需要借助钻井、修井机或连续油管作业机，且所占空间小、操作简单、便于移动和运输，能够顺利完成在水平井、大位移井中对井下工具的安装、回收、移动和定位的装置。

发明内容

本发明的目的是：解决现有技术的不足，为了克服水平井和大位移井摩阻导致的井下作业中轴向力施加困难，为了节约钻井机、修井机或连续油管作业机的租赁成本，特提供一种电缆式井下轴向力发生装置。

为了达到上述目的，本发明解决此问题所采用的技术方案是：一种电缆式井下轴向力发生装置，包括依次连接的电缆接头、电路控制部分、压力补偿器、电马达、套管锚定装置、生力装置等部件，其特征是：各个部件之间为螺纹连接，电缆接头包括打捞帽、密封胶套、电缆固定座、电缆内压环、电缆锁紧套、锁紧套筒、连接壳体、电缆密封对接总成等，打捞帽为阶梯圆筒形状，电缆固定座、密封胶套、电缆锁紧套、锁紧套筒依次安装在打捞帽内，电缆密封对接总成装在连接壳体内，连接壳体两端均有螺纹和安装有防转胶圈，其一端连接在打捞帽上，另一端连接电路控制部分，电缆内压环安装在电缆锁紧套上；压力补偿器由左阀套、右阀套、过滤装置、补偿弹簧、补偿活塞、光杆等组成，左阀套与右阀套连接构成补偿腔，左阀套外表面周向安装有过滤装置，补偿通道将左补偿腔与过滤装置连通，光杆上安装有补偿活塞和补偿弹簧，并固定在补偿腔内，补偿活塞将补偿腔分成左补偿腔和右补偿腔，补偿弹簧锁定在补偿活塞与左阀套之间、光杆与补偿活塞之间、右阀套与补偿活塞之间以及左阀套与右阀套之间密封，压力补偿器右端连接电马达。本发明由电马达提供动力；用电缆与地面控制系统相连接，用于供电及传送信号；电路控制部分用于按照地面控制系统发送的信号来控制装置的动作。

套管锚定装置由锚体、锚定件、伸缩装置、回压弹簧、油腔活塞、压力控制阀等组成，锚体为整体式，两端均有螺纹，母螺纹端Ⅱ连接电马达，公螺纹端Ⅰ连接生力装置；锚体有两组相互对称的椭圆柱形径向孔，每组四个的径向孔用于安装锚定件，所有径向孔都垂直于锚体的中心轴，中间一组与另外一组径向相互垂直，同一组的四个径向孔中两端径向孔的开孔方向与中间两个径向孔的开孔方向相反，油液孔将油液通道与径向孔连通；储油腔内安装有第一回压弹簧和油腔活塞，锚定件与锚体之间以及油腔活塞与锚体之间密封；伸缩装置由固定杆、挡板、第二回压弹簧和支撑端盖组成，固定杆的一端固定于锚体上，而另一端连接挡板；第二回压弹簧安装在锚定件内腔，并锁定在挡板和支撑端盖之间；锚定件为椭圆柱体形状，长度是锚体外径的三分之二，其上端为球面，下端是有开口的圆柱体内腔；油腔活塞上安装有压力控制阀，为直动型溢流阀，其起到保护装置的作用。

生力装置由活塞壳、活塞杆总成、端盖、转换接头、活塞泵等组成，活塞壳为圆筒形状，包括内管和外管，外管两端均有螺纹，公螺纹端Ⅳ连接端盖，母螺纹端Ⅲ连接套管锚定装置；内管外表面均匀分布轴向槽，与外管内壁构成泵液通道，泵液通道分别将活塞泵与左泵液腔以及活塞泵与右泵液腔连通；活塞杆总成由活塞杆、活塞和轴环组成，其安装在内管中，两个轴环等距分布在活塞两端并安装在活塞杆上，与活塞杆相对滑动；活塞杆右端与转换接头螺纹连接，径向用紧定螺钉固定；活塞杆、活塞和轴环将内管分成环形左泵液腔和右泵液腔，活塞与内管之间、轴环与活塞杆之间以及端盖与活塞杆之间密封；轴环与内管之间为过盈配合，径向用圆柱销连接；连通活塞泵和左泵液腔的泵液通道的数量与连通活塞泵和右泵液腔的泵液通道的数量相等。活塞泵内安装有单向阀、活塞总成、凸轮机构等，M、N油口分别与右泵液腔、左泵液腔连通。 

本发明的有益效果是：使用寿命长、结构简单、安全性能高，体积小，便于移动和运输，能够以较高效率完成井下作业；可节约钻井或修井机的租赁成本及海上钻井平台的有限空间，具有较好的经济效益；通常与电缆式爬行器连接使用，直井段靠自身重力往下运动，通过斜井段和水平段时靠爬行器提供推动力送至预定位置，此过程使用电缆将装置传送下井而不需要借助连续油管，工作效率高，有益于安全及环境保护。

附图说明

图1是本发明一种电缆式井下轴向力发生装置的结构示意图；

图2是本发明一种电缆式井下轴向力发生装置的套管锚定装置的示意图

图3是本发明一种电缆式井下轴向力发生装置的套管锚定装置的结构示意图；

图4是本发明一种电缆式井下轴向力发生装置的伸缩装置16的结构示意图；

图5是本发明一种电缆式井下轴向力发生装置的压力控制阀7的结构示意图；

图6是本发明一种电缆式井下轴向力发生装置的生力装置的结构示意图；

图7是本发明一种电缆式井下轴向力发生装置的生力装置的A-A剖视图；

图8是本发明一种电缆式井下轴向力发生装置的活塞泵24的结构示意图；

图9是本发明一种电缆式井下轴向力发生装置的电缆接头的结构示意图；

图10是本发明一种电缆式井下轴向力发生装置的压力补偿器的结构示意图；

图11是本发明一种电缆式井下轴向力发生装置的电马达的结构示意图；

图12是本发明一种电缆式井下轴向力发生装置的电路控制部分的结构示意图。

图中，1锚定件，2油液通道，3径向孔，4挡板，5储油腔，6油腔活塞，7压力控制阀，8第一回压弹簧，9锚体，10固定杆，11密封圈，12第二回压弹簧，13油液孔，14锚定件内腔，15锚体中心轴，16伸缩装置，17螺钉，18支撑端盖，19阀芯，20调压弹簧，21调压手轮，22压力口，23溢油口，24活塞泵，25泵液通道，26左通孔，27左泵液腔，28内管，29圆柱销，30转换接头，31紧定螺钉，32端盖，33右通孔，34右泵液腔，35活塞，36轴环，37活塞杆，39外管，39轴向槽 ，40第一泵体通道，41单向阀，42第二泵体通道，43泵体，44第一凸轮机构，45第二凸轮机构，46第一泵缸活塞总成，47第一泵缸，48第二泵缸活塞总成，49第二泵缸，50电缆，51密封胶套，52电缆内压环，53锁紧套筒， 54电缆密封对接总成，55电缆固定座，56电缆锁紧套，57打捞帽，58防转胶圈，59连接壳体，60左阀套，61补偿通道， 62左补偿腔，63光杆，64右阀套，65过滤装置，66补偿弹簧，67补偿活塞，68右补偿腔，69补偿孔，M、N油口。

具体实施方式

由图1、图9、图10、图11和图12所示，一种电缆式井下轴向力发生装置，包括依次连接的电缆接头、电路控制部分、压力补偿器、电马达、套管锚定装置、生力装置等部件，其特征是：各个部件之间为螺纹连接，电缆接头包括打捞帽57、密封胶套51、电缆固定座55、电缆内压环（52）、电缆锁紧套56、锁紧套筒53、连接壳体59、电缆密封对接总成54等，打捞帽57为阶梯圆筒形状，电缆固定座55、密封胶套51、电缆锁紧套56、锁紧套筒53依次安装在打捞帽57内，电缆密封对接总成54装在连接壳体59内，连接壳体59两端均有螺纹和安装有防转胶圈58，其一端连接在打捞帽57上，另一端连接电路控制部分，电缆内压环52安装在电缆锁紧套56上；压力补偿器由左阀套60、右阀套64、过滤装置65、补偿弹簧66、补偿活塞67、光杆63等组成，左阀套60与右阀套64连接构成补偿腔，左阀套60外表面周向安装有过滤装置65，补偿通道61将左补偿腔62与过滤装置65连通，光杆63上安装有补偿活塞67和补偿弹簧66，并固定在补偿腔内，补偿活塞67将补偿腔分成左补偿腔62和右补偿腔68，补偿弹簧66）锁定在补偿活塞67与左阀套60之间,光杆63与补偿活塞67之间、右阀套64与补偿活塞67之间以及左阀套60与右阀套64之间密封；压力补偿器右端连接电马达。本发明由电马达提供动力，用电缆与地面控制系统连接，用于供电及传送信号。电路控制部分用于按地面控制系统发送的信号来控制装置的动作。

由图2、图3、图4和图5所示，套管锚定装置由锚体、锚定件、伸缩装置、回压弹簧、油腔活塞、压力控制阀等组成，锚体9为整体式，两端均有螺纹，母螺纹端Ⅱ连接电马达，公螺纹端Ⅰ连接生力装置；锚体9有两组相互对称的椭圆柱形径向孔3，每组四个的径向孔3用于安装锚定件1，所有径向孔3都垂直于锚体中心轴15，中间一组与另外一组径向相互垂直，同一组的四个径向孔中两端径向孔3的开孔方向与中间两个径向孔3的开孔方向相反；油液孔13将油液通道2与径向孔3连通，储油腔5内安装有第一回压弹簧8和油腔活塞6，锚定件1与锚体（9）之间以及油腔活塞6与锚体9之间密封；伸缩装置16由固定杆10、挡板4、第二回压弹簧12和支撑端盖18组成，固定杆10的一端固定于锚体9上，而另一端连接挡板4；第二回压弹簧12安装在锚定件内腔14，并锁定在挡板4和支撑端盖18之间；锚定件1为椭圆柱体形状，长度是锚体外径的三分之二，其上端为球面，下端是有开口的圆柱体内腔14；油腔活塞6上安装有压力控制阀7，为直动型溢流阀。 

由图6、图7和图8所示生力装置由活塞壳、活塞杆总成、端盖、转换接头、活塞泵等组成，活塞壳为圆筒形状，包括内管28和外管38，外管38两端均有螺纹，公螺纹端Ⅳ连接端盖32，母螺纹端Ⅲ连接套管锚定装置；内管28外表面均匀分布轴向槽39，与外管38内壁构成泵液通道25，泵液通道25分别将活塞泵24与左泵液腔27以及活塞泵24与右泵液腔34连通；活塞杆总成由活塞杆37、活塞35和轴环36组成，其安装在内管28中，两个轴环36等距分布在活塞35两端并安装在活塞杆37上，与活塞杆（37）可相对滑动；活塞杆37右端Ⅴ与转换接头30螺纹连接，径向用紧定螺钉31固定；活塞杆37、活塞35和轴环36将内管28分成左泵液腔27和右泵液腔34，活塞35与内管28之间、轴环36与活塞杆37之间以及端盖32与活塞杆37之间密封；轴环36与内管28之间为过盈配合，径向用圆柱销29连接；连通活塞泵24和左泵液腔27的泵液通道25的数量与连通活塞泵24和右泵液腔34的泵液通道25的数量相等。活塞泵内安装有单向阀、活塞总成、凸轮机构等，M、N油口分别与右泵液腔、左泵液腔连通。 

一种电缆式井下轴向力发生装置的工作原理是：装置及其连接工具被送至预定位置时，地面控制系统通过电缆给电路控制部分发送信号，电路控制部分按指令使电马达启动，其驱动套管锚定装置的油腔活塞6在储油腔5内移动挤压油液，油液经油液通道2流入径向孔3，在油液压力的作用下，锚定件1从锚体9内伸出，牢牢地锚定在套管内壁，因此井下轴向力发生装置及其连接的井下工具串被锚定在套管内壁。

之后地面控制系统再通过电缆给电路控制部分发送信号，电路控制部分按指令使生力装置中活塞泵24的第一凸轮机构44工作，第一泵缸活塞总成46随之作上下活塞运动，其向下运动时，与活塞泵24的M油口连通的右泵液腔34中的液体被抽入第一泵缸47，而向上运动时，液体被排出经由第二泵体通道42及N油口流入左泵液腔27，这时两腔体之间产生压差，在油液的压力作用下，活塞杆37向右通孔33方向移动，从而给与之连接的井下工具提供轴向推力。相反，若地面控制系统给电路控制部分传送信号使第二凸轮机构45工作，第二泵缸活塞总成48向下运动时，左泵液腔27中的液体被抽入第二泵缸49，而其向上运动时，液体被排出经由第一泵体通道40及M油口流入右泵液腔34，这时活塞杆37向左通孔26方向移动，给井下装置提供的是轴向拉力。控制活塞泵24中凸轮机构的运动，可给井下工具提供轴向推力或拉力。

当电马达停止驱动套管锚定装置的油腔活塞6 挤压油液时，在第二回压弹簧12作用下，锚定件1收回锚体9内，在这一过程中油液被重新压回储油腔5，在第一回压弹簧8和油液压力作用下，油腔活塞6移向初始位置，从而结束对井下工具串的锚定。在套管锚定装置工作过程中，压力控制阀7起到安全保护的作用，当储油腔5内油液的压力超过设定值时，调压弹簧20被压缩，阀芯19右移，油液就从溢油口23流出，并使腔体5内的油液压力等于设定压力，从而起到保护装置的作用。

在工作的过程中，当井下轴向力发生装置内的压力增加并高于井下的静液压力时，由于压差的作用，装置内的液体会经补偿孔69流入右补偿腔68，压力补偿器的补偿活塞67会向左移动，右补偿腔68的空间增大，随之装置内的压力降低，当降低至井下的静液压力值时，补偿活塞67停止运动，此时装置内外压力达到平衡状态。反之，当井下的静液压力高于装置内的压力时，井筒中的液体会经补偿通道61流入左补偿腔62，补偿活塞67向右移动，装置内的压力增加直至补偿活塞67两边补偿腔的压力达到平衡。该压力补偿器用于保持井下轴向力发生装置内外的压力平衡，起到保护整个装置的作用。

Claims (2)

1.一种电缆式井下轴向力发生装置，包括依次连接的电缆接头、电路控制部分、压力补偿器、电马达、套管锚定装置、生力装置，其特征是：各个部件之间为螺纹连接，电缆接头包括打捞帽（57）、密封胶套（51）、电缆固定座（55）、电缆内压环（52）、电缆锁紧套（56）、锁紧套筒（53）、连接壳体（59）、电缆密封对接总成（54），打捞帽（57）为阶梯圆筒形状，电缆固定座（55）、密封胶套（51）、电缆锁紧套（56）、锁紧套筒（53）依次安装在打捞帽（57）内，电缆密封对接总成（54）装在连接壳体（59）内，连接壳体（59）两端均有螺纹和安装有防转胶圈（58），其一端连接在打捞帽（57）上，另一端连接电路控制部分，电缆内压环（52）安装在电缆锁紧套（56）上；压力补偿器包括左阀套（60）、右阀套（64）、过滤装置（65）、补偿弹簧（66）、补偿活塞（67）、光杆（63），左阀套（60）与右阀套（64）连接构成补偿腔，左阀套（60）外表面周向安装有过滤装置（65），补偿通道（61）将左补偿腔（62）与过滤装置（65）连通，光杆（63）上安装有补偿活塞（67）和补偿弹簧（66），并固定在补偿腔内，补偿活塞（67）将补偿腔分成左补偿腔（62）和右补偿腔（68），补偿弹簧（66）锁定在补偿活塞（67）与左阀套（60）之间，光杆（63）与补偿活塞（67）之间、右阀套（64）与补偿活塞（67）之间以及左阀套（60）与右阀套（64）之间密封；压力补偿器右端连接电马达；所述生力装置包括活塞壳、活塞杆总成、端盖、转换接头、活塞泵，活塞壳为圆筒形状，包括内管（28）和外管（38），外管（38）两端均有螺纹，公螺纹端Ⅳ连接端盖（32），母螺纹端Ⅲ连接套管锚定装置；内管（28）外表面均匀分布轴向槽（39），与外管（38）内壁构成泵液通道（25），泵液通道（25）分别将活塞泵（24）与左泵液腔（27）以及活塞泵（24）与右泵液腔（34）连通；活塞杆总成由活塞杆（37）、活塞（35）和轴环（36）组成，其安装在内管（28）中，两个轴环（36）等距分布在活塞（35）两端并安装在活塞杆（37）上，与活塞杆（37）可相对滑动；活塞杆（37）右端Ⅴ与转换接头（30）螺纹连接，径向用紧定螺钉（31）固定；活塞杆（37）、活塞（35）和轴环（36）将内管（28）分成左泵液腔（27）和右泵液腔（34），活塞（35）与内管（28）之间、轴环（36）与活塞杆（37）之间以及端盖（32）与活塞杆（37）之间密封；轴环（36）与内管（28）之间为过盈配合，径向用圆柱销（29）连接；连通活塞泵（24）和左泵液腔（27）的泵液通道（25）的数量与连通活塞泵（24）和右泵液腔（34）的泵液通道（25）的数量相等。

2.根据权利要求1所述的电缆式井下轴向力发生装置，其特征是：套管锚定装置包括锚体、锚定件、伸缩装置、回压弹簧、油腔活塞、压力控制阀，锚体（9）为整体式，两端均有螺纹，母螺纹端Ⅱ连接电马达，公螺纹端Ⅰ连接生力装置；锚体（9）有两组相互对称的椭圆柱形径向孔（3），每组四个的径向孔（3）用于安装锚定件（1），所有径向孔（3）都垂直于锚体中心轴（15），中间一组与另外一组径向相互垂直，同一组的四个径向孔中两端径向孔（3）的开孔方向与中间两个径向孔（3）的开孔方向相反；油液孔（13）将油液通道（2）与径向孔（3）连通，储油腔（5）内安装有第一回压弹簧（8）和油腔活塞（6），锚定件（1）与锚体（9）之间以及油腔活塞（6）与锚体（9）之间密封；伸缩装置（16）由固定杆（10）、挡板（4）、第二回压弹簧（12）和支撑端盖（18）组成，固定杆（10）的一端固定于锚体（9）上，而另一端连接挡板（4）；第二回压弹簧（12）安装在锚定件内腔（14），并锁定在挡板（4）和支撑端盖（18）之间；锚定件（1）为椭圆柱体形状，长度是锚体外径的三分之二，其上端为球面，下端是有开口的圆柱体内腔（14）；油腔活塞（6）上安装有压力控制阀（7），为直动型溢流阀。

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