CN111219324B - 一种柱塞 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种柱塞，其包括打捞颈；设置在打捞颈的下端并能相对于打捞颈轴向移动的筒状的上外套，在上外套的壁上设置有内外连通的第一连通孔；连通式设置在上外套下端并能相对于上外套轴向移动的筒状的下外套，在下外套的壁上设置有内外连通的第二连通孔；一端设置在上外套的外壁上而另一端设置在下外套上的胶筒组件，胶筒组件具有胶筒，在第一状态下，第二连通孔与第一连通孔在下外套的内腔处截止且胶筒受力膨胀，在第二状态下，第二连通孔与第一连通孔在下外套的内腔连通且胶筒回缩，该柱塞能适用于变径油管，提高了其使用范围，尤其适用于深层和超深层油气井。

Description

一种柱塞

技术领域

本发明涉及采气工具技术领域，尤其涉及一种柱塞。

背景技术

柱塞气举技术是将柱塞作为气液之间的机械界面，利用气井自身能量推动柱塞在油管内进行周期性举液，能够有效阻止气体上窜和液体回落，减少液体“滑脱”效应，起到助排的效果，增加间歇气举效率。

目前，油气井勘探开发已不断向深层、超深层方向发展，但是现有技术中的柱塞无法在变径组合油管柱中自由滑动而很难适应深井或超深井。由此，需要发明一种柱塞以适应变径组合油管。

发明内容

针对上述问题的部分或全部，本发明提出了一种柱塞。该柱塞在移动过程中能有效封堵油管的内腔，以提高柱塞的排水采气效果。另外，该柱塞能适用于变径油管，提高了其使用范围，尤其适用于深层和超深层油气井。

根据本发明，提供一种柱塞，包括：

打捞颈，

设置在打捞颈的下端并能相对于打捞颈轴向移动的筒状的上外套，在上外套的壁上设置有内外连通的第一连通孔，

连通式设置在上外套下端并能相对于上外套轴向移动的筒状的下外套，在下外套的壁上设置有内外连通的第二连通孔，

一端设置在上外套的外壁上而另一端设置在下外套上的胶筒组件，胶筒组件具有胶筒，

在第一状态下，第二连通孔与第一连通孔在下外套的内腔处截止且胶筒受力膨胀，在第二状态下，第二连通孔与第一连通孔在下外套的内腔连通且胶筒回缩。

在一个实施例中，在上外套的壁上设置第一台阶面以使得上外套的下端外径小于上端外径，下外套套设在第一台阶面的下端的上外套壁上，并在上外套与下外套之间设置第一阻尼机构。

在一个实施例中，第一阻尼机构具有嵌在上外套的外壁上的棘齿环和设置在下外套内侧的棘齿。

在一个实施例中，在打捞颈和上外套之间设置筒状的弹簧套，弹簧套的上端可移动式套设在打捞颈的外壁上，下端与上外套固定连接，并在弹簧套和打捞颈的轴向之间设置弹性件。

在一个实施例中，在下外套的内壁上设置位于胶筒组件和第二连通孔之间的密封座，密封座上设置轴向连通的密封孔，

在下外套的下端固定设置筒状的引导头，

在下外套的内腔中设置密封杆，密封杆穿过引导头向下延伸，密封杆能轴向相对于密封座移动且其上端的密封头能与密封孔配合以封堵密封孔，

在上外套的内腔中设置与打捞颈固定连接的推杆。

在一个实施例中，在下外套的内壁上设置用于限定密封杆的轴向位置的限位组件，并在限位组件和密封杆之间设置第二阻尼机构。

在一个实施例中，密封孔构造为上端为圆柱状而下端为锥台状，并且，密封头与密封孔结构配合。

在一个实施例中，在推杆的下端外壁上设置能抵接在密封孔的上端面上的径向凸出部。

在一个实施例中，在引导头的下端设置排放孔。

在一个实施例中，在上外套和下外套中的至少一个上设置与胶筒组件的内侧连通的旁通孔。

与现有技术相比，本发明的优点在于：该柱塞具有胶筒组件，在胶筒组件的胶筒膨胀后，可以封堵油管和柱塞之间的环空，从而能有效封堵油管的内腔，以提高排水采气效果。同时，由于胶筒具有一定的弹性，在柱塞受到压力差上行过程中，胶筒能适应不同直径的油管，从而提高其自身使用范围。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1示意性地显示了根据本发明的一个实施例的柱塞的初始状态图；

图2示意性地显示了根据本发明的一个实施例的柱塞的在下止点处且密封座与密封杆配合状态图；

图3示意性地显示了根据本发明的一个实施例的柱塞的在下止点处胶筒膨胀状态图；

图4示意性地显示了根据本发明的一个实施例的柱塞的在小油管中上升状态图；

图5示意性地显示了根据本发明的一个实施例的柱塞的在大油管中上升状态图；

图6示意性地显示了根据本发明的一个实施例的柱塞的在上止点处且接触密封座与密封杆的状态图；

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

图1显示了根据本发明的柱塞100。如图1所示，柱塞100包括打捞颈1、上外套5、下外套9和胶筒组件30。其中，打捞颈1呈柱状。上外套5呈筒状，设置在打捞颈1的下端，并能相对于打捞颈1轴向移动。在上外套5的壁上设置有内外连通的第一连通孔103。下外套9呈筒状，设置在上外套5的下端，其内腔与上外套5的内腔连通。并且，下外套9构造为能与上外套5轴向相对移动。在下外套9的壁上设置有内外连通的第二连通孔110。胶筒组件30的一端设置在上外套5的外壁上，而另一端设置在下外套9的外壁上。在上外套5和下外套9相对移动过程中，以促动胶筒组件30的胶筒7的膨胀和回缩。

在柱塞100下移过程中，第一连通孔103和第二连通孔110通过上外套5和下外套9的内腔连通，此时，胶筒7处于回缩状态，以不影响柱塞100的下移。在柱塞100下移到下止点后，上外套5和下外套9相对移动以使得胶筒7膨胀。上述移动也截止了第一连通孔103和第二连通孔110的连通。这种状况下，胶筒7封隔了柱塞100和油管之间的环空。在胶筒7的上下形成压力差后，一方面对胶筒7形成进一步地压缩，以增加胶筒7对于柱塞100和油管之间的环空的封堵效果；另一方面，在生产井产生的压力差作用下，柱塞100克服自身重力和胶筒7与油管的摩擦力而上行。由于胶筒7自身的弹性，则适用油管的直径范围广，很容易实现对不同内径的油管的密封，从而进一步实现在深井或者超深井中排水采气。本申请中所述的“第一状态”和“第二状态”是为了区分在不同的时间以及不同的运动过程中，柱塞100处于不同的工作状态。也就是，当第一连通孔103和第二连通孔110通过上外套5和下外套9的内腔连通，且胶筒7处于回缩状态时，柱塞100处于第二状态。而当第一连通孔103和第二连通孔110截止且胶筒7处于膨胀状态时，柱塞100为第第一状态。

在一个实施例中，在上外套5的壁上设置第一台阶面120，以使得上外套5的下端外径小于上端外径。同时，下外套9套设在第一台阶面120的之下的上外套5的壁上。在力的作用下，上外套5与下外套9可以相对轴向移动，以促动胶筒7的膨胀。另外，在上外套5与下外套9之间设置第一阻尼机构，以限定两者之间的轴向位置。优选地，第一阻尼机构具有嵌在上外套5的外壁上的第一棘齿环8和设置在下外套内壁上的第一棘齿31。

具体地，胶筒组件30包括胶筒7和设置在胶筒7的上下两端的金属件6。金属件6用于保护胶筒7的两端，并将胶筒7方便地设置在其它部件上。金属件6通过锁紧螺母10分别设置在上外套5和下外套9上，以使得胶筒7的两端分别设置在上外套5和下外套9上。上述结构简单易于实现。

在一个实施例中，在打捞颈1和上外套5之间设置筒状的弹簧套2。该弹簧套2的上端可移动式套设在打捞颈1的外壁上，下端与上外套5固定连接。另外，在弹簧套2和打捞颈1的轴向之间设置弹性件3。弹簧套2在相对打捞颈1向上移动过程中，弹性件3受压缩。

在下外套9的内壁上设置密封座11。该密封座11位于胶筒组件30和第二连通孔110之间。密封座11上设置轴向连通的密封孔109。在下外套9的下端固定设置筒状的引导头17。在下外套9的内腔中设置密封杆13。该密封杆13穿过引导头17向下延伸。同时，密封杆13能轴向相对于密封座11移动，密封杆13的上端密封头111能与密封孔109配合以封堵或打开密封孔109，从而使得第二连通孔110与第一连通孔103在下外套9的内腔处连通或者截止。在上外套5的内腔中设置推杆4。该推杆4的上端与打捞颈1固定连接，下端在上外套5的内腔中向下延伸。

在推杆4的上端构造有限位台阶102，以与弹簧套2的下端面配合实现轴向限位。具体地，弹簧套2具有径向延伸的突出部32以径向延伸到限位台阶102和打捞颈1的下端面之间。弹性件3嵌入到由推杆4的外壁、弹簧套2的内壁、突出部32和打捞颈1的下端面所组成的空间内。优选地，弹性件3为弹簧，并且该弹簧的上端与打捞颈1的下端面抵接，而下端与突出部32的上端面抵接。

推杆4在跟随打捞颈1相对于密封座11向下移动过程中，推杆4的下端能深入到密封座11的密封孔109中，以推动密封杆13向下移动，从而解除密封杆13和密封座11的配合。优选地，在推杆4的靠近下端的外壁上构造有径向凸出部107。在推杆4向下移动过程中，凸出部107能抵接在密封孔109的上端面上，从而限定推杆4进一步下移。另一方面，通过推杆4抵接密封座11，以确保密封座11以及下外套9不能相对于推杆4继续上行移动，从而以确保上外套5相对于下外套9轴向上移以使得胶筒7回缩(后续详细记述)。

优选地，密封孔109构造的上端为圆柱状而下端为锥台状。同时，密封杆13的密封头111与密封孔109结构配合，以达到良好的密封效果。

在下外套9的内壁上设置限位组件33。该限位组件33与密封杆13能卡接式配合用于限定密封杆13的轴向位置，防止密封杆13进一步下移。并在限位组件33和密封杆13之间设置第二阻尼机构，以用于锁定密封杆13的轴向位置。优选地，限位组件33包括嵌入到下外套9的内壁上的第一限位块14和与第一限位块14轴向抵接的第二限位块16。在径向上，第一限位块14径向向内凸出，以使得密封杆13的上端密封头111搭接在第一限位块14的上端面上，以限定密封杆13的轴向位置。在第一限位块14和第二限位块16形成凹槽，用于嵌入包含于第二阻尼机构的第二棘齿环15。在密封杆13的外壁上设置能与第二棘齿环15配合的包含于第二阻尼机构的第二棘齿35。

需要说明的是，第一限位块14和第二限位块16可以为分体式结构也可以为整体式结构，图1中以分体结构呈现。当然，这种分体式结构方便了第二棘齿环15的安装。另外，限位组件33可以卡接在下外套9的内壁上，还可以卡接在下外套9和引导头17之间，而图1中以卡接在下外套9和引导头17之间呈现。只要是能将限位组件33的轴向位置固定，使其不能相对于下外套9轴向移动的结构方式均落到本申请的保护范围。另外，下外套9可以在轴向上构造为分体式结构，以方便生产安装。如图1所示，下外套9在密封座11处断开并构造为分体式结构。

密封杆13穿过引导头17向外延伸，以使得密封杆13在接触下止点后，密封杆13相对于引导头17向上移动，从而与密封座11配合，而封堵密封孔109。

在引导头17的下端设置排放孔36。该排放孔36用于连通由引导头17、密封杆13和限位组件33组成的空间。在密封杆13相对于引导头17轴向移动过程中，由引导头17、密封杆13和限位组件33组成的空间内的流体可以通过排放孔36排除，而不阻碍密封杆13的移动。

在上外套5和下外套9中的至少一个上设置轴向的与所述胶筒组件30的内侧连通的旁通孔104。在胶筒7膨胀过程中，流体可以通过旁通孔104进入到由上外套5、下外套9和胶筒7组成的空间内，以填充此空间。在胶筒7回缩过程中，流体可以通过该旁通孔104进入到上外套5和下外套9的内腔中，以使得胶筒7能快速响应并回缩。

其中，第二棘齿环15与第二棘齿35，以及第一棘齿环8和第一棘齿31上的齿为双向45度齿(齿的两壁面与径向的尺寸均为45度)从而能实现锁定和解锁。

下面根据图1到6详细描述柱塞100的工作过程。

首先，将柱塞100投入到井中。在自身重力下，柱塞100下移。在下落过程中，如图1所示，胶筒7处于回缩状态。同时，柱塞100的内腔通过第一连通孔103、密封孔109和第二连通孔110与外界连通。柱塞100下落时，油管内的流体通过柱塞100与油管的环空以及柱塞100的内腔向上流动。

柱塞100持续下落，并到达下止点位置。柱塞100的密封杆13先与锚定器打捞颈18接触，而除了密封杆13外柱塞100的其它部件继续下行，则密封杆13相对于密封座11上行。在密封杆13相对应密封座11上行过程中，密封头111与密封孔109配合，从而使柱塞100的内腔上下隔开，如图2所示。也就是，在柱塞100的内腔中阻断了第一连通孔103和第二连通孔110的连通。同时，第二阻尼机构运作，以限定密封杆13的轴向位置。此时，引导头17与锚定器打捞颈18接触，则引导头17和下外套9相对于锚定器打捞颈18轴向不动。而在惯性作用下，上外套5带动弹簧套2、打捞颈1、推杆4等部件相对于锚定器打捞颈18继续下移。在此状况下，由于上外套5相对于下外套9下移而使得胶筒7受到轴向力而膨胀，如图3所示。胶筒7受力膨胀后将柱塞100与油管之间的环空封隔。此时，第一阻尼机构起作用，以防止胶筒7回缩。

由于胶筒7处于膨胀状态，则在井生产过程中，在胶筒7上下形成压差，对胶筒7产生进一步的压缩。在上述压差到达一定程度后，柱塞100所受的外力克服柱塞100的重力和摩擦力而推动柱塞100上升，如图4和5所示。由于胶筒7的弹性，使得柱塞100能适用不同的油管直径。例如，图4显示了柱塞100在小油管内的上升状态。图5显示了柱塞100在大油管内的上升状态。由此，该柱塞100能匹配不同管内径的油管，其具有较广泛的应用范围，尤其适用于深井或者超深井。

柱塞100持续上升，并到达上止点位置。柱塞100的打捞颈1接触上定位杆21，则打捞颈1相对于上定位杆21不动。除了打捞颈1和推杆4外，柱塞100的其它部件继续上行。推杆4相对于密封座11下行运动。推杆4穿过密封孔109而施力于密封杆13。在力作用下，第二棘齿环15与第二棘齿35解除锁定，且使得密封杆13相对于密封座11下行。此时，解除了密封座11与密封杆13的配合状态，使得第二连通孔110、密封孔109与第一连通孔103通过柱塞100的内腔连通，如图6所示。打捞颈1固定连接推杆4以保证推杆4相对于上定位杆21不动。而由于推杆4的凸出部107抵接密封孔109的上端面，则密封座11也相对于上定位杆21不动。而密封座11又使得下外套9相对于上定位杆21不动。但是，在惯性力作用下，上外套5与弹簧套2继续压缩弹性件3而上行。在上外套5相对于下外套9上行过程中，解除了第一棘齿环8和第一棘齿31的相互作用。从而胶筒7回缩，柱塞100回复到如图1所示的初始状态。

在重力作用下，柱塞100下移并重复上述排水采气操作。

本申请中，方位用语“上”和“下”均以柱塞100的实际工作方位为参照。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (9)

1.一种柱塞，其特征在于，包括：

打捞颈，

设置在所述打捞颈的下端并能相对于所述打捞颈轴向移动的筒状的上外套，在所述上外套的壁上设置有内外连通的第一连通孔，

连通式设置在所述上外套下端并能相对于所述上外套轴向移动的筒状的下外套，在所述下外套的壁上设置有内外连通的第二连通孔，

一端设置在所述上外套的外壁上而另一端设置在所述下外套上的胶筒组件，所述胶筒组件具有胶筒，

其中，在所述下外套的内壁上设置位于所述胶筒组件和所述第二连通孔之间的密封座，所述密封座上设置轴向连通的密封孔，

在所述下外套的内腔中设置有能沿轴向相对于所述密封座移动的 密封杆，在所述密封杆的上端设置有能够封闭所述密封孔从而切断第一连通孔和第二连通孔之间的连通的密封头，

在所述下外套的下端还设置有引导头，所述密封杆穿过所述引导头向下延伸，

在所述上外套的内腔中设置与所述打捞颈固定连接的能够在打捞颈的带动下沿轴向移动的推杆，

在第一状态下，所述密封头能够伸入并封闭所述密封孔使得第二连通孔与所述第一连通孔在所述下外套的内腔处截止，使得流入第一连 通孔的流体进入所述胶筒中，支撑所述胶筒受力膨胀，在第二状态下，所述推杆能够将密封头推出密封孔，使得第二连通孔与所述第一连通孔在所述下外套的内腔连通，使得流入第一连 通孔的流体自第二连 通孔流出，所述胶筒回缩。

2.根据权利要求1所述的柱塞，其特征在于，在所述上外套的壁上设置第一台阶面以使得所述上外套的下端外径小于上端外径，所述下外套套设在所述第一台阶面的下端的上外套壁上，并在所述上外套与所述下外套之间设置第一阻尼机构。

3.根据权利要求2所述的柱塞，其特征在于，所述第一阻尼机构具有嵌在所述上外套的外壁上的棘齿环和设置在所述下外套内侧的棘齿。

4.根据权利要求1到3中任一项所述的柱塞，其特征在于，在所述打捞颈和所述上外套之间设置筒状的弹簧套，所述弹簧套的上端可移动式套设在所述打捞颈的外壁上，下端与所述上外套固定连接，并在所述弹簧套和所述打捞颈的轴向之间设置弹性件。

5.根据权利要求1到3中任一项所述的柱塞，其特征在于，在所述下外套的内壁上设置用于限定所述密封杆的轴向位置的限位组件，并在所述限位组件和所述密封杆之间设置第二阻尼机构。

6.根据权利要求1到3中任一项所述的柱塞，其特征在于，所述密封孔构造为上端为圆柱状而下端为锥台状，并且，所述密封头与所述密封孔结构配合。

7.根据权利要求1到3中任一项所述的柱塞，其特征在于，在所述推杆的下端外壁上设置能抵接在所述密封孔的上端面上的径向凸出部。

8.根据权利要求1到3中任一项所述的柱塞，其特征在于，在所述引导头的下端设置有排放孔。

9.根据权利要求1到3中任一项所述的柱塞，其特征在于，在所述上外套和所述下外套中的至少一个上设置与所述胶筒组件的内侧连通的旁通孔。

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