一种活塞向上运动液压坐封工具的制作方法

本实用新型涉及液压坐封领域，具体涉及一种活塞向上运动液压坐封工具。

背景技术：

随着社会飞速发展，全球内常规油气资源正以极高的速度被消耗。面对常规油气资源储量日益短缺的问题，非常规油气资源正逐步被开发利用。目前，为了应对非常规油气资源苛刻的开发条件和需求，桥塞类工具被大规模地进行应用在非常规油气井的分层、封堵、试油等方面。而在桥塞使用过程中，第一步就是采用坐封工具进行坐封丢手，将桥塞坐封锚定在井内所需位置。目前使用的坐封工具，主要有火药坐封工具与液压坐封工具、火药坐封工具通过电缆连接水力泵下入，液压坐封工具则通过油管下入。

其中，常见的液压坐封工具，其工具的结构原理为活塞向下运动。桥塞释放栓与坐封工具本体连接保持不动，一旦桥塞完成坐封，锚定在套管上，而释放栓可变形程度过大时，就没有足够的空间拉断释放栓完成桥塞的正常丢手。正因为该风险的存在，目前桥塞所采用的坐封步骤为先对坐封工具进行一次加压，完成桥塞坐封，随后上提油管，最后再对坐封工具进行二次加压完成最终的桥塞丢手。这种坐封工艺虽然能够一定程度上解决释放栓变形成都过大所导致的无法正常丢手的情况，但又由于较多的油气井开发时间较早，做上提动作的油管老化，无法提供足够的上提力，大大增加了桥塞无法丢手的情况发生概率，进而造成施工周期的延长和施工成本的增加。

此外，现有的液压坐封工具的活塞设计多采用平面活塞的设计，即活塞的受压面为全平面结构。这种方式下，虽然由于活塞受压力较为均匀，但在丢手的初始阶段，反应较为迟缓，这不便于技术人员根据实际的工况条件对桥塞的丢水过程进行调节和控制。一旦施加的压力过大，可能会造成提前丢手而造成桥塞坐封不完全的情况出现。

技术实现要素：

本实用新型提供了一种活塞向上运动液压坐封工具，目的在于提供一种具备改进形式的活塞的液压坐封工具，以解决现有液压坐封工具丢手初始阶段不易控制、反应迟缓的问题。

本实用新型采用的技术方案如下：

一种活塞向上运动液压坐封工具，包括头组件、尾组件和设置于头组件和尾组件之间且同轴依次连接的若干个活塞组件；任一所述活塞组件均包括开有中心孔的环状活塞、设置于环状活塞尾部的环状突起、嵌入固定于环状突起的尾部且与环状活塞的中心孔连通的活塞中心管、套设于环状突起和活塞中心管的连接处的活塞连接套和套设固定于活塞连接套尾部外壁上的活塞缸套；所述活塞连接套与环状突起和活塞中心管均成滑动配合；所述环状突起的尾端面到活塞连接套之间设置有间隙；所述中心管位于间隙内的管体上设置有与活塞中心管内部连通的进液孔；所述活塞连接套与活塞中心管外壁接触的内壁上嵌设有若干个密封圈。

关于本技术方案所涉及到固定连接的实施方式，需要强调的是：

对所涉及到的“套设固定”、“嵌入固定”，除了两个部件之间位置结合关系外，对于如何实现固定并无具体的要求。技术人员可以通过其实际的需求选择使用但不限于过盈配合固定、螺纹固定、焊接固定来实现部件之间的固定连接。而所述的套设，是指在前叙述的部件的内壁与在后叙述的部件的外壁相接触；套设还意味着，在前叙述的部件开设有用于完成套设的中心孔；特别的，本技术方案中完成套设的两个部件之间成同轴关系。而所述的嵌入，是指在前叙述的部件插入到在后叙述的部件的内部；套设还意味着，在后叙述的部件开设有用于被嵌入的中心孔；特别的，本技术方案中完成嵌入的两个部件之间成同轴关系。

作为优选的，本技术方案中“套设固定”和“嵌入固定”的固定方式均选用标准螺纹连接进行，其优点在于：第一、固定效果稳定可靠；第二、安装方便；第三、可拆卸且拆卸便捷。因此，本技术方案中，采用标准螺纹连接的坐封工具，一方面其部件是拆卸后再组装的，便于贮存和运输；另一方面其活塞组件是可更具需要进行N级串联的，便于根据实际需要进行坐封工具长度以及坐封工具所能够产生的最大坐封压力进行调节。

对所涉及到的密封圈的“嵌设“，其具体的过程涉及，首先在需要牵涉的部件的相应部位上开设环状沟槽，环状沟槽的大小以能使密封圈稳定保持在环状沟槽内且密封圈一部分突出所在部位表面为准；然后在将密封圈安装在环状沟槽中即可。

本技术方案的工作原理和过程如下：

环形活塞尾部所设置的环状突起，其外壁与活塞连接套头部所设置的中心孔的内壁之间接触，并与之形成滑动配合。因此，环状突起能够自由进出于活塞连接套的头部。初始装套下，环状突起利用中心管与活塞连接套之间所形成的导向作用向整个坐封工具的尾部运动，从而使环状突起完全嵌入到活塞连接套的头部中，同时环状活塞的尾部端面与活塞连接套的头部端面完全贴合。此时，环状突起、活塞连接套、活塞中心管之间形成了一个相对密闭的间隙。当加压进行桥塞坐封丢手时，压力液沿活塞中心管上设置的进液孔持续进入到间隙中。当压力液填满空隙后，继续进入的压力液会对构成间隙的部件中唯一能够自由运动的柱状凸起的尾部端面产生推力，进而使得柱状凸起连同环状活塞一并向坐封工具的头部运动。当环状突起未完全退出活塞连接套时，相较于一般的液压坐封工具，本技术方案中的结构由于受力面积小，因此能够在更小的液压力下即实现运动，其对压力的反应更加及时，不会存在现有技术中反应迟缓的问题。与此同时，由于相对小的受力面积，其对压力变化的反应更加敏感，因此允许技术人员对坐封压力进行精确控制和调整，从而避免了因坐封初期对坐封压力控制不到位所可能导致的提前丢手、桥塞坐封不到位等一系列问题；尤其是当坐封工具因反复受压使用，活塞部件出现磨损的情况下，本技术方案中的结构能够进一步保证坐封压力的精确控制。随着坐封丢手的进入到操作中段，环状突起脱离活塞连接套，此时压力液的施压面积增大至整个环状活塞，此时，由于受压面积的增大，能够减少活塞对施压压力波动的敏感度，从而保证了坐封过程坐封工具运动的稳定性，进而保证了正在进行坐封的桥塞各部件的精确装配嵌合，真正做到了桥塞的准确丢手和精确坐封。

进一步的，除最后一个活塞组件以外，任一所述活塞组件的活塞缸套均套设固定于下一个活塞组件的活塞连接套首部的外壁上，且内壁与下一活塞组件的环状活塞的外壁之间成滑动配合。通过上述活塞组件模块化设计，能够根据实际坐封压力的需要，采用不同级的活塞组件进行套设，从而通过多级活塞叠合加压，提升坐封工具的坐封能力，同时还能够减低现场压力液管，特别是油管的施工压力，提高了坐封施工的安全性。此外，通过多级连接，能够在保证功能情况下有效延长坐封工具的长度，特别适用于深井施工。与此同时，在运输过程中，还能够将工具拆分为数段，到达现场后再行组装，使得其使用和运输方式更为灵活。

更进一步的，任一套设有活塞缸套的环状活塞，与活塞缸套接触的外壁上均嵌设有若干个密封圈；任一套设有活塞缸套的活塞连接套，与活塞缸套接触的外壁上均嵌设有若干个密封圈。通过设置密封圈，能够加强上述各部件之间的结合处的密封性能，从而避免了压力液的溢流或泄露，进而保证了压力液向环状突起以及环状活塞的压力传递。

进一步的，所述头组件包括开有中心孔的上接头、设置于上接头的中心孔内的且外壁与中心孔内壁成滑动配合的凡尔管、嵌入固定于凡尔管尾部且与凡尔管连通的上中心管、嵌入固定于上接头尾部的且与套设于上中心管外壁上的凡尔座以及套设于上接入管外壁上的上缸套；所述上接头的内壁上开设有环状沟槽；所述环状沟槽内部开设有与上接头外部连通的通孔；所述凡尔管位于环状沟槽内的管体上设置有平衡孔，以使凡尔管内部与环状沟槽连通；所述上中心管嵌入固定于环状活塞的中心孔中通过中心孔与活塞中心管连通；所述凡尔管与上接头之间设置有用于两者之间相对为位置固定且可被外力剪断的安全剪钉。

上述方案中，上接头基于现有坐封工具所使用的上接头进行改进，其改进点在于进行了加长处理，以便于凡尔管和凡尔座的安装。现有技术中，由于只采用了上接头，其在工作过程中，由于压力的作用，可能出现坐封工具在下入过程中即开始丢手动作的问题，从而导致桥塞提前坐封遇卡等情况。本技术方案的工作原理为：在坐封工具连同桥塞下入的过程中，由于凡尔管与上接头之间通过安全剪钉固定限制，因此在下入过程中由于压力液能够先后通过平衡孔、环状凹槽和通孔与外接接通，从而能够平衡坐封工具内部的压力，进而使得坐封工具中的各部件位置不受液压力作用并保持相对位置不会变动，这种情况下，桥塞不会受活塞组件所产生上提力的作用，也就不会发生提前坐封的情况。当桥塞到达预定坐封位置后，向上接头中投球，球入座之后，卡设在上中心管头部，由于球的阻隔，使得凡尔管受到的压力增大，进而剪短安全剪钉，凡尔下行，关闭平衡孔。此时，继续对工具进行加压。在液压力推动下，活塞向上运动，提供拉力，使得桥塞能够在预设位置坐封与丢手，这样就彻底避免了桥塞提前坐封的情况。

更进一步的，所述上缸套的尾部套设固定于首个活塞组件的活塞连接套的首部，并与首个活塞组件的环状活塞之间成滑动配合。上述提供了一种头组件与活塞组件的典型连接方式，能够保证首个活塞组件的环状活塞能够在头组件中正常运动，并能够保证上中心管和活塞中心管之间液压管路的连通。

再进一步的，首个活塞组件的环状活塞与上缸套内壁接触的外壁上、首个活塞组件的活塞连接套与上缸套内壁接触的外壁上均嵌设有若干个密封圈。通过设置密封圈，能够加强上述各部件之间的结合处的密封性能，从而避免了压力液的溢流或泄露，进而保证了压力液向环状突起以及环状活塞的压力传递。

进一步的，所述尾组件包括尾活塞、嵌入固定于尾活塞尾部的连接杆、滑动套设于连接杆上的尾连接套和滑动套设于连接杆上的下接头；所述尾连接套的尾部与所述下接头的首部之间固定连接；所述尾连接套和下接头与连接杆之间均成滑动配合。上述提供了一种本技术方案下典型的实现连接杆，即桥塞释放栓的正常工作的结构，以允许连接杆能够顺利受到液压力的拉动，从而顺利传导至桥塞，并使桥塞顺利完成坐封和丢手。

更进一步的，最后一个活塞组件的活塞缸套套设固定于尾连接套的首部，且与尾活塞之间成滑动配合。上述提供了一种尾组件与活塞组件的典型连接方式，能够保证下中心管和活塞中心管之间液压管路的连通和尾活塞在最后一个活塞组件中的正常运动，进而能够保证连接杆的正常动作。

再进一步的，尾活塞的与最后一个活塞组件的活塞缸套接触的外壁上、尾连接套的与最后一个活塞组件的活塞缸套接触的外壁上均嵌设有若干个密封圈。通过设置密封圈，能够加强上述各部件之间的结合处的密封性能，从而避免了压力液的溢流或泄露，进而保证了压力液向环状突起以及环状活塞的压力传递。

综上所述，本实用新型相较于现有技术的有益效果是：

(1)能够同时提供坐封丢手初始阶段的精密控制和快速响应以及坐封丢手中后阶段的稳定运行和供压，从而保证了桥塞的精确坐封和丢手，增加施工效率以及降低了应各种问题而造成的各种不必要成本；

(2)改变了缸套与中心管平衡孔的配合方式以及位置，有常规的活塞上方加压改变为了活塞下方加压；

(3)活塞拉动与中心管连接的桥塞释放栓向上运动，完成桥塞的坐封与丢手无需分多次对坐封工具进行加压，可以减少桥塞坐封丢手的施工工序，增加了现场施工作业效率；

(3)通过多级活塞叠合加压，压力提供稳定充足，且能够有效降低现场油管的施工压力，从而提高了施工安全系数；

(4)上接头处增加凡尔设计，并设置有安全剪钉，可以有效避免出现坐封工具提前动作，而造成的桥塞提前坐封遇卡等情况，提高桥塞施工的成功率，减少施工风险；

(5)可以根据不同坐封力需求，灵活组装配套活塞组件的数量，在运输过程中还能够将工具拆分为数段，到达现场后再行组装，实施其使用和运输方式更为灵活。

附图说明

图1是本实用新型中坐封丢手前的一种活塞向上运动液压坐封工具的全剖示意图图

图2是图1中部位A的局部放大示意图

图3是图1中部位B的局部放大示意图

图4是本实用新型中坐封丢手后的一种活塞向上运动液压坐封工具的全剖示意图图

图中标记为：1-上接头，2-凡尔管，3-通孔，4-安全剪钉，5-上中心管，6-凡尔座，7-环状活塞，8-环状突起，9-活塞连接套，10-活塞缸套，11-活塞中心管，12-密封圈，13-进液孔，14-尾活塞，15-上缸套，16-尾连接套，17-下接头，18-连接杆，19-平衡孔，20-环状沟槽，21-间隙。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

为了使本领域的技术人员更好地理解本实用新型的技术方案，下面结合图1～4和具体的实施例对本实用新型作进一步的详细说明。

实施例1

一种活塞向上运动液压坐封工具，包括头组件、尾组件和设置于头组件和尾组件之间且同轴依次连接的若干个活塞组件；任一所述活塞组件均包括开有中心孔的环状活塞7、设置于环状活塞7尾部的环状突起8、嵌入固定于环状突起8的尾部且与环状活塞7的中心孔连通的活塞中心管11、套设于环状突起8和活塞中心管11的连接处的活塞连接套9和套设固定于活塞连接套9尾部外壁上的活塞缸套10；所述活塞连接套9与环状突起8和活塞中心管11均成滑动配合；所述环状突起8的尾端面到活塞连接套9之间设置有间隙21；所述中心管位于间隙21内的管体上设置有与活塞中心管11内部连通的进液孔13；所述活塞连接套9与活塞中心管11外壁接触的内壁上嵌设有若干个密封圈12。

其中，所述头组件包括上接头1；所述上接头1与首个活塞组件之间设置有上缸套15；所述上接头1内部设置有与首个活塞组件的环状活塞7连接的上中心管5；所述上中心管5与活塞中心管11连通；所述尾组件包括尾活塞14、嵌入固定于尾活塞14尾部的连接杆18、滑动套设于连接杆18上的尾连接套16和滑动套设于连接杆18上的下接头17；所述尾连接套16的尾部与所述下接头17的首部之间固定连接；所述尾连接套16和下接头17与连接杆18之间均成滑动配合；最后一个活塞组件的活塞缸套10套设固定于尾连接套16的首部，且与尾活塞14之间成滑动配合；更进一步的，所述上缸套15的尾部套设固定于首个活塞组件的活塞连接套9的首部，并与首个活塞组件的环状活塞7之间成滑动配合。

本技术方案的工作原理和过程如下：

环形活塞尾部所设置的环状突起8，其外壁与活塞连接套9头部所设置的中心孔的内壁之间接触，并与之形成滑动配合。因此，环状突起8能够自由进出于活塞连接套9的头部。初始装套下，环状突起8利用中心管与活塞连接套9之间所形成的导向作用向整个坐封工具的尾部运动，从而使环状突起8完全嵌入到活塞连接套9的头部中，同时环状活塞7的尾部端面与活塞连接套9的头部端面完全贴合。此时，环状突起8、活塞连接套9、活塞中心管11之间形成了一个相对密闭的间隙21。当加压进行桥塞坐封丢手时，压力液沿活塞中心管11上设置的进液孔13持续进入到间隙21中。当压力液填满空隙后，继续进入的压力液会对构成间隙21的部件中唯一能够自由运动的柱状凸起的尾部端面产生推力，进而使得柱状凸起连同环状活塞7一并向坐封工具的头部运动。当环状突起8未完全退出活塞连接套9时，相较于一般的液压坐封工具，本技术方案中的结构由于受力面积小，因此能够在更小的液压力下即实现运动，其对压力的反应更加及时，不会存在现有技术中反应迟缓的问题。与此同时，由于相对小的受力面积，其对压力变化的反应更加敏感，因此允许技术人员对坐封压力进行精确控制和调整，从而避免了因坐封初期对坐封压力控制不到位所可能导致的提前丢手、桥塞坐封不到位等一系列问题；尤其是当坐封工具因反复受压使用，活塞部件出现磨损的情况下，本技术方案中的结构能够进一步保证坐封压力的精确控制。随着坐封丢手的进入到操作中段，环状突起8脱离活塞连接套9，此时压力液的施压面积增大至整个环状活塞7，此时，由于受压面积的增大，能够减少活塞对施压压力波动的敏感度，从而保证了坐封过程坐封工具运动的稳定性，进而保证了正在进行坐封的桥塞各部件的精确装配嵌合，真正做到了桥塞的准确丢手和精确坐封。

实施例2

基于实施例1，为了避免坐封工具提前运动而导致桥塞提前坐封遇卡，进行了如下改进：所述头组件包括开有中心孔的上接头1、设置于上接头1的中心孔内的且外壁与中心孔内壁成滑动配合的凡尔管2、嵌入固定于凡尔管2尾部且与凡尔管2连通的上中心管5、嵌入固定于上接头1尾部的且与套设于上中心管5外壁上的凡尔座6以及套设于上接入管外壁上的上缸套15；所述上接头1的内壁上开设有环状沟槽20；所述环状沟槽20内部开设有与上接头1外部连通的通孔3；所述凡尔管2位于环状沟槽20内的管体上设置有平衡孔19，以使凡尔管2内部与环状沟槽20连通；所述上中心管5嵌入固定于环状活塞7的中心孔中通过中心孔与活塞中心管11连通；所述凡尔管2与上接头1之间设置有用于两者之间相对为位置固定且可被外力剪断的安全剪钉4。

上述方案中，上接头1基于现有坐封工具所使用的上接头1进行改进，其改进点在于进行了加长处理，以便于凡尔管2和凡尔座6的安装。现有技术中，由于只采用了上接头1，其在工作过程中，由于压力的作用，可能出现坐封工具在下入过程中即开始丢手动作的问题，从而导致桥塞提前坐封遇卡等情况。本技术方案的工作原理为：在坐封工具连同桥塞下入的过程中，由于凡尔管2与上接头1之间通过安全剪钉4固定限制，因此在下入过程中由于压力液能够先后通过平衡孔19、环状凹槽和通孔3与外接接通，从而能够平衡坐封工具内部的压力，进而使得坐封工具中的各部件位置不受液压力作用并保持相对位置不会变动，这种情况下，桥塞不会受活塞组件所产生上提力的作用，也就不会发生提前坐封的情况。当桥塞到达预定坐封位置后，向上接头1中投球，球入座之后，卡设在上中心管5头部，由于球的阻隔，使得凡尔管2受到的压力增大，进而剪短安全剪钉4，凡尔下行，关闭平衡孔19。此时，继续对工具进行加压。在液压力推动下，活塞向上运动，提供拉力，使得桥塞能够在预设位置坐封与丢手，这样就彻底避免了桥塞提前坐封的情况。

实施例3

基于实施例1和2，为了确保液压力所产生的坐封力的准确传导，进行了如下改进：

第一，任一套设有活塞缸套10的环状活塞7，与活塞缸套10接触的外壁上均嵌设有若干个密封圈12；任一套设有活塞缸套10的活塞连接套9，与活塞缸套10接触的外壁上均嵌设有若干个密封圈12。通过设置密封圈12，能够加强上述各部件之间的结合处的密封性能，从而避免了压力液的溢流或泄露，进而保证了压力液向环状突起8以及环状活塞7的压力传递；

第二，首个活塞组件的环状活塞7与上缸套15内壁接触的外壁上、首个活塞组件的活塞连接套9与上缸套15内壁接触的外壁上均嵌设有若干个密封圈12。通过设置密封圈12，能够加强上述各部件之间的结合处的密封性能，从而避免了压力液的溢流或泄露，进而保证了压力液向环状突起8以及环状活塞7的压力传递；

第三，尾活塞14的与最后一个活塞组件的活塞缸套10接触的外壁上、尾连接套16的与最后一个活塞组件的活塞缸套10接触的外壁上均嵌设有若干个密封圈12。通过设置密封圈12，能够加强上述各部件之间的结合处的密封性能，从而避免了压力液的溢流或泄露，进而保证了压力液向环状突起8以及环状活塞7的压力传递。

以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。