用于开关式滑套的开关工具的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于开关式滑套的开关工具，其包括固定的筒状本体、锁块机构、引导壳体以及布置在筒状主体可锁块机构之间的第一轴承。其中，筒状主体能通过第一轴承相对于锁块机构而转动。根据本发明的开关工具能将作用力有效地传递给开关式滑套，工作性能可靠。
【专利说明】用于开关式滑套的开关工具
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种压裂装置，更具体地涉及一种用于开关式滑套的开关工具。
【背景技术】
[0002]滑套式分段压裂装置是非常规油气资源开采的一种重要装置，其广泛应用于页岩气、低渗透产层、薄油层的直井、定向井、水平井的压裂增产改造。在这些应用中，通常在压裂后根据产层出液情况，对压裂孔进行选择性关闭和/或打开以达到分层封堵测试、投产的目的。通常这使用相应的开关工具进行，因此开关工具是滑套式分段压裂装置的一项重要装置。
[0003]对于一些开关式滑套，通常使用开关管柱或功能类似的装置实现其打开和关闭。在使用这种开关管柱时，首先使用开关管柱把开关工具送至作业位置，然后通过向开关管柱内加压而操作开关工具，进而实现打开和/或关闭滑套的压裂孔。
[0004]在水平井、深井等作业中，由于压裂位置距离井口较远，在下入开关管柱的过程中，开关管柱容易遇阻而不能正常下入或开关管柱不能将驱动力有效地传递给滑套，导致不能顺畅打开和/或关闭压裂孔。此外，在开关工具受到岩屑侵蚀、水泥浆堵塞或其它异常情况作用时，将造成开关工具不能正常回收，压裂孔的打开和/或关闭也会出现困难。开关工具的可靠性难以保证。
[0005]因此，急需一种工作性能受外界阻力影响较小的开关工具。
【发明内容】
[0006]针对上述的问题，本发明提出了一种用于开关式滑套的开关工具，其能够实现顺利下入井内并且能将作用力有效地传递给滑套。
[0007]根据本发明，提出了一种用于开关式滑套的开关工具，包括，
[0008]筒状本体，在所述筒状本体的侧壁上至少设置有贯穿的液孔，在侧壁的外表面上设置有凹槽，
[0009]锁块机构，其包括设置在所述凹槽内的挡槽和设置在挡槽内的锁块，在所述锁块与挡槽之间设置第一弹性件，所述锁块包括处于其一端处的引导斜面，
[0010]设置在筒状本体的一端处的引导壳体，其包括接收轴向作用力的受力结构体，以及能通过与引导斜面的相互作用而引导所述锁块作径向运动的引导端，其中所述受力结构体的第一受力面与所述筒状本体的液孔连通以承受轴向液压力，第二受力面与能施加轴向力的第二弹性件接触，以及
[0011]相邻于所述挡槽设置在所述凹槽内的第一轴承，用于使所述筒状本体能相对于所述挡槽转动，
[0012]其中，在初始状态中，所述引导壳体在第二弹性件的作用下克服第一弹性件的作用力而将锁块下压至缩回位置；当在筒状本体内充入液体并加压后，液力克服第二弹性件的作用力使所述引导壳体沿轴向朝向第一方向运动，释放对所述锁块的下压力，从而使得所述锁块在第一弹性件的作用下径向向外地运动到伸出位置；当筒状本体内卸压后，所述引导壳体在第二弹性件的作用力下沿轴向朝向第二方向运动，从而通过引导端下压所述锁块并克服第一弹性件的作用力而使所述锁块径向向里地运动至缩回位置。
[0013]这种开关工具的结构较为紧凑，易损件较少因而使用寿命较长。更为重要地是，这种开关工具包括第一轴承，使得当开关工具所安装的管柱在下入或上提过程中受阻而运动不畅时，可通过转动管柱和筒状本体而排除阻力。特别是在打开或关闭开关式滑套，管柱运动不畅时，可仅通过转动管柱和筒状本体而不必转动锁块机构以及与锁块接合的开关式滑套即可将所需的作用力有效地传递给开关式滑套，方便了施工操作。
[0014]在一个实施例中，锁块在另一端处设有复位斜面。复位斜面在径向上处于所述引导斜面的内侧，并通过直角台肩与引导斜面相连。在一个优选的实施例中，开关工具还包括通过剪切销与筒状本体相连的复位壳体。复位壳体包括能通过筒状本体中的另一液孔而承受液力的受力结构体，以及仅在所述锁块处于伸出位置时才与复位斜面相接触的复位端。当需要复位时，通过液力剪断剪切销并使复位壳体沿轴向朝向第一方向运动，从而通过复位端与复位斜面的相互作用而将锁块从伸出位置下压至缩回位置。
[0015]在一个实施例中，引导斜面处于锁块的上游端，用于实现开关式滑套的打开。在另一个实施例中，引导斜面处于锁块的下游端，用于实现开关式滑套的关闭。
[0016]在一个实施例中，锁块在另一端处设有复位斜面。在引导斜面和复位斜面之间设有直角凹槽。这种结构的锁块不但能实现打开功能还能实现关闭功能，使得开关工具的生产、装配更简单。
[0017]在一个优选的实施例中，开关工具还包括通过剪切销与筒状本体相连的复位壳体。复位壳体包括能通过筒状本体中的另一液孔而承受液力的受力结构体，以及仅在锁块处于伸出位置时才与所述复位斜面相接触的复位端。当需要复位时，通过液力剪断剪切销并使复位壳体沿轴向朝向第一方向运动，从而通过复位端与复位斜面的相互作用而将锁块从伸出位置下压至缩回位置。
[0018]这种带有复位壳体的开关工具使得当锁块不能从伸出位置正常缩回到缩回位置时，仅通过向筒状主体内加压即可实现锁块缩回到缩回位置，方便了操作。另外，锁块的直角台肩或直角凹槽形成垂直于轴向的直面，使得开关工具能够与开关式滑套可靠地接合而实现打开和/或关闭开关式滑套。锁块的引导斜面和/或复位斜面使引导壳体和/或复位壳体的轴向运动变成了锁块作径向运动，使得锁块能够伸出或缩回，简化了施工操作。
[0019]在一个实施例中，引导壳体布置在开关工具的上游部分，所述复位壳体布置在开关工具的下游部分。在这种结构下，在一个优选的实施例中，第一轴承布置在凹槽的上游端。这种布置有利于筒状主体压紧第一轴承的挡圈，从而带动第一轴承的挡圈转动。
[0020]在一个实施例中，还包括设置在凹槽与档槽之间的第二轴承。第二轴承可大大降低筒状本体与挡槽之间的摩擦阻力使得筒状本体的转动更加容易。
[0021]在本申请中，用语“初始状态”是指未使用开关工具时的状态。用语“下游”、“上游”规定为靠近井口为上游，远离井口为下游。用语“直面”、“斜面”规定为与筒状本体的径向平行的面为直面，与筒状本体的径向成一定角度的面为斜面。
[0022]与现有技术相比，本发明的优点在于，通过在筒状本体和锁块机构之间设置第一轴承，使得筒状本体能相对于锁块机构而转动，如此当开关工具所安装的管柱在下入或上提过程中受阻而运动不畅时，可通过转动管柱和筒状本体而排除阻力。特别是在打开或关闭开关式滑套，管柱运动不畅时，可仅通过转动管柱和筒状本体而不必转动锁块组以及与锁块接合的开关式滑套即可将所需的作用力有效地传递给开关式滑套，方便了施工操作。同时，本发明的开关工具开包括复位壳体，使得当锁块不能顺利与开关式滑套脱开时，仅通过向开关工具内充入液体并加压即可实现强行将锁块与开关式滑套脱开并使锁块缩回到缩回位置，方便了操作。另外，根据本发明的在引导斜面和复位斜面之间设有直角凹槽的开关工具不但可用于打开开关式滑套也可用于将其关闭，功能更加强大。此外，本发明的开关工具工作性能稳定，特别适合于深井、超深井、水平井的压裂施工。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]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:
[0024]图1是与本发明的开关工具配合使用的开关式滑套的示意图；
[0025]图2是根据本发明的开关工具的外部结构示意图；
[0026]图3是根据本发明的开关工具的内部结构示意图；
[0027]图4是图3中部分I的放大视图；
[0028]图5是根据本发明的开关工具的锁块的第一实施例的示意图；
[0029]图6是根据本发明的开关工具的锁块的第二实施例的示意图；
[0030]图7到8是根据图5所示的开关工具打开根据图1所示的开关式滑套的过程示意图；
[0031]图9是图5所示的开关工具强制复位的示意图。
[0032]在图中，相同的构件由相同的附图标记标示。附图并未按照实际的比例绘制。【具体实施方式】
[0033]下面将结合附图对本发明做进一步说明。
[0034]图1示意性地显示了与本发明的开关工具20配合使用的开关式滑套10。开关式滑套10包括固定的外筒13和与外筒13的内壁滑动配合的内筒14。在外筒13的周向侧壁上布置有第一压裂孔19，在内筒14的周向侧壁上布置有第二压裂孔16。在内筒14的上游端部和下游端部均设置有间隙槽12、17，下文将描述的开关工具20会通过此间隙槽12或17与内筒14接合以打开或关闭开关式滑套10。
[0035]图2示意性地显示了根据本发明的开关工具20的外部结构。图中所示的开关工具20包括布置在上游部分的引导壳体23和与引导壳体23相邻布置的锁块机构24。在使用开关工具20时，通过设置在开关工具20两个端部的连接头22、27将其连接于开关管柱(未示出)，以给开关工具20充入液体和/或带动开关工具20轴向运动。
[0036]图3示意性地显示了根据本发明的开关工具20的内部结构。除了图2所示的引导壳体23、锁块机构24外，开关工具20还包括固定的筒状本体28。在筒状本体28的侧壁上设置有贯穿的第一液孔32，在筒状本体28侧壁的外表面上设置有凹槽31。
[0037]锁块机构24包括设置在筒状本体28的凹槽31内的挡槽21和设置在挡槽21内的锁块25。在挡槽21与锁块25的接触面内设置有第一弹性件37，例如弓形片。
[0038]在图3所示结构的开关工具20中，还包括设置在筒状本体28的凹槽31内的第一轴承29。第一轴承29使得通过在地面上给开关管柱施加周向力能够使开关管柱连同筒状本体28周向转动而锁块机构24不转动。在一个实施例中，第一轴承29选择为推力轴承。在一个优选的实施例中，在筒状本体28的凹槽31与锁块机构24的挡槽21相接处的底面范围内设置有第二轴承36。第二轴承36使得在筒状本体28转动时，其与挡槽21之间的滑动摩擦变成滚动摩擦从而大大降低了摩擦阻力使得筒状本体28的转动更容易。在一个实施例中，第二轴承36选择为向心轴承。在另一个实施例中，第二轴承36的数量为两个并成间隔布置，为了安装该两个第二轴承36，还在档槽21和筒状本体28之间，以及两个第二轴承36之间布置了三个轴套35。
[0039]如图4所示，引导壳体23包括接收轴向作用力的受力结构体47和引导锁块25作径向运动的引导端48。其中，受力结构体47的第一受力面41与筒状本体28的第一液孔32连通以承受轴向液压力，第二受力面42与施加轴向力的第二弹性件49 (例如弹簧)接触，使得引导壳体23仅能沿轴向运动。
[0040]图5显示了锁块25的第一实施例。在其中，锁块25构造为台阶状。例如锁块25的上游端为凸起端，下游端为凹陷端，并且凸起端和凹陷端通过直角台肩相连。凸起端构造有与引导壳体23的引导端48接触的引导斜面51。凹陷端构造有朝向复位壳体26的复位斜面53，在这种结构中仅当锁块25凸出后，复位斜面53才能与复位壳体26的复位端38接触。直角台肩则形成了用于与开关式滑套10接合的直面52。
[0041]锁块25的引导斜面51与引导壳体23的引导端48相接触，以引导和限制锁块25的作径向运动。锁块25的直面52用于与开关式滑套10的内筒14接合从而带动内筒14运动，进而实现开关式滑套10的打开或闭合。锁块25的复位斜面53用于与下文所述的复位壳体26的复位端38相接触，以实现锁块25的强制复位。
[0042]图3和5所示的开关工具20仅能用于将图1所示的开关式滑套10打开而不能关闭。而用于关闭开关式滑套10的开关工具的结构与用于打开的开关工具20成镜像对称，并且各个部件的功能与用于打开的开关工具23相同，为了简单起见，这里不再赘述。
[0043]图6显示了锁块25’的第二实施例。在其中锁块25’构造为中间凹下，两端凸起的结构。即，在锁块25’的两个端部设置有引导斜面51’和复位斜面53’，并且引导斜面51’和复位斜面53’之间设有直角凹槽。这种直角凹槽则形成了两个相对的侧面为直面52’、52”。直面52’用于打开开关式滑套10，而直面52”用于关闭开关式滑套10。锁块25’各个部件的功能与锁块25的各个部件的功能相同，为了简单起见，这里不再赘述。
[0044]优选地,开关工具20还包括复位壳体26。如图3和5所示，复位壳体26具有与引导壳体23类似的结构，其区别在于:在复位壳体26处没有安装功能与第二弹性件49类似的部件，而是复位壳体26仅通过第二液孔33受液力驱动进行轴向运动。另外，复位壳体26通过剪切销39连接于筒状本体28，使得在通常情况下复位壳体26不运动，仅当剪切销39被剪断后复位壳体26才会在液力下轴向运动。
[0045]在图3所示的实施例中，引导壳体23布置在开关工具20的上游部分，复位壳体26布置在开关工具20的下游部分，在这种情况中第一轴承29布置在筒状本体28与档槽21的上游端面之间的间隙中。在另一个实施例中，筒状本体28构造成两部分，其中上游部分承载了引导壳体23和锁块机构24，下游部分承载了复位壳体26，并且复位壳体26仅通过剪切销39与下游部分相连接。[0046]下面根据图7、8和9来描述开关工具的动作原理，在其中开关工具选用图3、4和5中所示的开关工具23。首先开关工具23下入到套管内适当位置，这里开关工具23的锁块25正对开关式滑套10的间隙槽12，如图7所示。当向筒状主体28内充入液体并加压时，液体压力会通过第一液孔32传递到引导壳体23在受力结构体47的第一受力面41上，从而挤压引导壳体23朝向上游运动。锁块25在第一弹性件37的作用下径向向外运动到伸出位置并且卡入开关式滑套10的间隙槽12内，从而锁块25的直面52与开关式滑套10的内筒14接合，如图8所示。在此期间第二弹性件49被压缩。这时，轴向运动开关工具20可带动开关式滑套10的内筒14轴向运动而将开关式滑套10打开。当筒状主体28内卸压后，第二弹性件49的作用力会作用在引导壳体23的受力结构体47的第二受力面42上，从而挤压引导壳体23朝向下游运动。锁块25在引导壳体23的引导端48的作用下径向向里运动到缩回位置并与开关式滑套10的内筒14脱开，在此期间第一弹性件37被压缩。这时，可轴向移开开关工具20。应理解地是，在向筒状主体28内的液体加压时，复位壳体26同样也会通过第二液孔33受到液体压力作用，但是此液体压力小于剪切销39的剪切强度，因此复位壳体26不会发生轴向运动。
[0047]当在下入开关工具20或轴向移动开关工具20期间，开关管柱受到阻力而不能轴向运动时，给开关管柱施加周向作用力，开关管柱会通过第一轴承29和第二轴承36而转动并带动筒状本体28转动，而锁块机构24相对静止以排除开关管柱受到的阻力。
[0048]当引导壳体23或锁块25受阻力而使锁块25不能正常缩回时，可向筒状主体28内充入液体并加压直到到将剪切销39剪断。由此，在液力作用下，复位壳体26朝向上游运动，复位端38挤压锁块25的复位斜面53从而给锁块25施加朝向其缩回位置的作用力，从而实现迫使其复位。
[0049]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。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。
【权利要求】
1.一种用于开关式滑套的开关工具，包括， 筒状本体，在所述筒状本体的侧壁上至少设置有贯穿的液孔，在侧壁的外表面上设置有凹槽， 锁块机构，其包括设置在所述凹槽内的挡槽和设置在挡槽内的锁块，在所述锁块与挡槽之间设置第一弹性件，所述锁块包括处于其一端处的引导斜面， 设置在筒状本体的一端处的引导壳体，其包括接收轴向作用力的受力结构体，以及能通过与引导斜面的相互作用而引导所述锁块作径向运动的引导端，其中所述受力结构体的第一受力面与所述筒状本体的液孔连通以承受轴向液压力，第二受力面与能施加轴向力的第二弹性件接触，以及 相邻于所述挡槽设置在所述凹槽内的第一轴承，用于使所述筒状本体能相对于所述挡槽转动， 其中，在初始状态中，所述引导壳体在第二弹性件的作用下克服第一弹性件的作用力而将锁块下压至缩回位置；当在筒状本体内充入液体并加压后，液力克服第二弹性件的作用力使所述引导壳体沿轴向朝向第一方向运动，释放对所述锁块的下压力，从而使得所述锁块在第一弹性件的作用下径向向外地运动到伸出位置；当筒状本体内卸压后，所述引导壳体在第二弹性件的作用力下沿轴向朝向第二方向运动，从而通过引导端下压所述锁块并克服第一弹性件的作用力而使所述锁块径向向里地运动至缩回位置。
2.根据权利要求1所述的开关工具，其特征在于，所述锁块在另一端处设有复位斜面，所述复位斜面在径向上处于所述引导斜面的内侧，并通过直角台肩与引导斜面相连。
3.根据权利要求1所述的开关工具，其特征在于，所述锁块在另一端处设有复位斜面，在所述引导斜面和复位斜面之间设有直角凹槽。
4.根据权利要求2所述的开关工具，其特征在于，所述开关工具还包括通过剪切销与所述筒状本体相连的复位壳体，所述复位壳体包括能通过所述筒状本体中的另一液孔而承受液力的受力结构体，以及仅在所述锁块处于伸出位置时才与所述复位斜面相接触的复位端， 当需要复位时，通过液力剪断所述剪切销并使复位壳体沿轴向朝向第一方向运动，从而通过复位端与复位斜面的相互作用而将所述锁块从伸出位置下压至缩回位置。
5.根据权利要求3所述的开关工具，其特征在于，所述开关工具还包括通过剪切销与所述筒状本体相连的复位壳体，所述复位壳体包括能通过所述筒状本体中的另一液孔而承受液力的受力结构体，以及仅在所述锁块处于伸出位置时才与所述复位斜面相接触的复位端， 当需要复位时，通过液力剪断所述剪切销并使复位壳体沿轴向朝向第一方向运动，从而通过复位端与复位斜面的相互作用而将所述锁块从伸出位置下压至缩回位置。
6.根据权利要求4所述的开关工具，其特征在于，所述引导斜面处于锁块的上游端，用于实现开关式滑套的打开。
7.根据权利要求4所述的开关工具，其特征在于，所述引导斜面处于锁块的下游端，用于实现开关式滑套的关闭。
8.根据权利要求1到7中任一项所述的开关工具，其特征在于，所述引导壳体布置在开关工具的上游部分，所述复位壳体布置在开关工具的下游部分。
9.根据权利要I到8中任一项求所述的开关工具，其特征在于，所述第一轴承布置在所述凹槽的上游端。
10.根据权利要I到9中任一项求所述的开关工具，其特征在于，还包括设置在所述凹槽与所述档槽之间的第二轴承。
【文档编号】E21B43/26GK103573215SQ201210269604
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2012年7月31日 优先权日:2012年7月31日
【发明者】郭朝辉, 马兰荣, 谷磊, 郑晓志, 魏辽, 朱玉杰, 张里程, 高原 申请人:中国石油化工股份有限公司, 中国石油化工股份有限公司石油工程技术研究院