一种柱塞及油气井结构的制作方法

本发明涉及天然气和石油开采技术领域，尤其涉及一种柱塞及油气井结构。

背景技术：

在天然气井或石油井(统称为油气井)开发过程中，为提高天然气或石油的产量，需要将井底的积液举升至地面。

柱塞作为一种举升设备在天然气井或石油井的开发过程中得到了较广的运用。现有的柱塞包括多个封隔片，这些封隔片在弹性件的作用下始终与井道内壁接触摩擦，形成密封。在关井状态下，柱塞下行至井底。在开井时，柱塞下方的流体产生的压力带动柱塞上行，位于柱塞上方的液体被柱塞举升，在柱塞上行至井口时排出柱塞上方的积液。

现有的柱塞存在以下问题：

由于封隔片在弹性件的作用下始终与井道内壁接触摩擦形成密封，导致柱塞在下行时受到很大的阻力。这使得柱塞需要经过较长时间的下行才能到达井底，甚至有可能使得柱塞无法下行至井底。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种柱塞，其能够在下行时使封隔片径向向内收缩，避免封隔片与井道内壁持续接触摩擦，降低了下行阻力，减少了柱塞下行至井底的时间。

本发明的另一个目的在于提供一种油气井结构，其包括上述的柱塞。

本发明的实施例通过以下技术方案实现：

一种柱塞，包括：芯管；围绕芯管布置，并被构造为沿径向往复运动的多个封隔片；作用于封隔片，并被构造为使封隔片具备沿径向向外运动的趋势的弹性复位件；沿径向可活动的贯穿芯管，且一端与封隔片连接，另一端位于芯管内的导向件；设置在芯管内，并与导向件连接的受力件；位于在受力件与芯管内壁之间的限位件；以及与限位件连接，并被构造为带动限位件沿轴向在第一位置和第二位置之间运动的致动件；

其中，限位件上设置有用于与受力件接触以限制封隔片径向向外运动的第一限位面、过渡面和第二限位面；第一限位面、过渡面和第二限位面沿第二位置至第一位置的方向依次连接；第一限位面与芯管内壁的径向距离小于第二限位面与芯管内壁的径向距离；限位件被构造为在第一位置时第一限位面能够与受力件接触，在第二位置时第二限位面能够与受力件接触；

或者，受力件上设置有用于与限位件接触以限制封隔片径向向外运动的第二限位面、过渡面和第一限位面；第二限位面、过渡面和第一限位面沿第二位置至第一位置的方向依次连接；第一限位面与芯管内壁的径向距离大于第二限位面与芯管内壁的径向距离，限位件被构造为在第一位置时能够与第一限位面接触，在第二位置时能够与第二限位面接触。

进一步的，致动件设置在芯管内，致动件被构造为沿轴向往复运动；致动件包括相对的第一端和第二端；沿第一端至第二端的方向，限位件从第一位置运动至第二位置；沿第二端至第一端的方向，限位件从第二位置运动至第一位置；当限位件位于第一位置时，致动件被构造为至少第一端位于芯管外，以接收沿第一端至第二端的方向的驱动力；当限位件位于第二位置时，致动件被构造为至少第二端位于芯管外，以接收沿第二端至第一端的方向的驱动力。

进一步的，限位件可沿轴向活动的被致动件贯穿；致动件上间隔设置有靠近第一端的第一支撑件和靠近第二端的第二支撑件，限位件位于第一支撑件和第二支撑件之间。

进一步的，柱塞还包括设置在第一支撑件和限位件之间的弹性缓冲件，弹性缓冲件被构造为使限位件具有向第二支撑件运动的趋势。

进一步的，弹性缓冲件为套设于致动件的弹簧。

进一步的，限位件包括筒状的限位筒，沿第二位置至第一位置的方向，限位筒依次包括第一段、过渡段和第二段；第一段的内径大于第二段的内径；沿第二位置至第一位置的方向，过渡段的内径逐渐减小；第一限位面为第一段的内周面，过渡面为过渡段的内周面，第二限位面为第二段的内周面；限位筒上还开设有沿第二位置至第一位置的方向延伸的条形孔；导向件贯穿条形孔；受力件位于限位筒内。

进一步的，受力件为由导向件位于芯管内的一端径向向外凸出形成的环状。

进一步的，柱塞还包括与致动件配合的保持机构；保持机构被构造为在限位件位于第一位置时将致动件维持在当前位置，以及在限位件位于第二位置时将致动件维持在当前位置。

进一步的，第一限位面和第二限位面的径向距离为0.5mm-2.5mm。

一种油气井结构，包括：井口管路；与井口管路连接的井道；以及上述任意一种柱塞；

其中，柱塞被构造为上行进入井口管路后，致动件带动限位件运动至第二位置；柱塞被构造为下行到达井道内的预设位置后，致动件带动述限位件运动至第一位置。

本发明的技术方案至少具有如下优点和有益效果：

本发明实施例提供的柱塞，通过在限位件上设置第一限位面、第二限位面和过渡面，使得限位件在第一位置和第二位置之间运动的过程中，将柱塞的工作状态在举升状态和收缩状态之间调节。当柱塞处于收缩状态时，封隔片与井道内周面之间无法形成有效密封，降低了封隔片与井道内周面之间的摩擦，柱塞能够快速下行至井底，克服了现有技术的不足。另外，通过过渡面连接第一限位面和第二限位面，使得柱塞的工作状态的转换更加容易可靠。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面对实施例中需要使用的附图作简单介绍。应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施方式，不应被看作是对本发明范围的限制。对于本领域技术人员而言，在不付出创造性劳动的情况下，能够根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例1提供的柱塞在举升状态下的剖面结构示意图；

图2为本发明实施例1提供的柱塞在收缩状态下的剖面结构示意图；

图3为本发明实施例1提供的柱塞中，限位件的结构示意图；

图4为本发明实施例1提供的柱塞中，限位件的剖面结构示意图；

图5为图1的a处放大图；

图6为发明本实施例2提供的油气井结构的结构示意图。

图中：01-油气井结构；010-柱塞；110-芯管；111-通过孔；112-内定位槽；120-封隔片；121-螺纹孔；122-外定位槽；130-弹性复位件；140-导向件；150-受力件；160-限位件；161-第一限位面；162-第二限位面；163-过渡面；164-限位筒；164a-第一段；164b-第二段；164c-过渡段；165-条形孔；166-顶板；170-致动件；170a-第一端；170b-第二端；171-第一支撑件；172-第二支撑件；173-弹性缓冲件；180-上堵头；180a-上贯通孔；190-下堵头；190a-下贯通孔；210-第一结合部；220-第二结合部；231-容纳孔；232-嵌入部；233-弹簧；020-井口管路；030-井道。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。

因此，以下对本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的部分实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征和技术方案可以相互组合。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，这类术语仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明的描述中，“天然气井”可以是用于采集常规天然气的天然气井，也可以是用于采集非常规天然气(页岩气、煤层气等)的天然气井。

实施例1：

图1为本实施例提供的柱塞010在举升状态下的剖面结构示意图。图2为本实施例提供的柱塞010在收缩状态下的剖面结构示意图。

请结合参照图1和图2，本实施例提供的柱塞010包括芯管110、封隔片120、弹性复位件130、导向件140、受力件150、限位件160、致动件170、上堵头180和下堵头190。

芯管110为圆形管件，上堵头180和下堵头190分别与芯管110的上下两端螺纹连接。多个封隔片120围绕芯管110布置。封隔片120的内表面和外表面均为圆弧面。封隔片120上沿轴向间隔开设有三个螺纹孔121。在芯管110上开设有与螺纹孔121一一对应的通过孔111。导向件140为圆柱状。导向件140可径向活动的贯穿通过孔111。导向件140位于芯管110外的一端设置有外螺纹，并与封隔片120上的螺纹孔121螺纹连接。受力件150设置在芯管110内，并固定在导向件140位于芯管110内的一端。受力件150为导向件140径向向外凸出形成的环状部件。

封隔片120的内表面上，沿轴向间隔开设有两个外定位槽122。在芯管110的外周面开设有与外定位槽122一一对应的内定位槽112。弹性复位件130设置在封隔片120与芯管110之间。弹性复位件130一端位于内定位槽112内，另一端位于外定位槽122内，从而使得弹性复位件130能够被良好的定位。弹性复位件130始终处于被压缩的状态，使得封隔片120始终具备径向向外运动的趋势。当柱塞010在井道内工作时，在弹性复位件130的作用下，封隔片120的外表面贴于井道的内周面，形成密封，从而在上行的过程中实现对液体的举升。当封隔片120受到径向向内的挤压时，封隔片120能够克服弹性复位件130的弹性力径向向内运动，使得封隔片120能够通过井道中内径缩小的部位。在本实施例中，弹性复位件130为弹簧，在其他实施方式中，弹性复位件130也可以为橡胶柱或其他能够提供弹性力的装置。

限位件160部分位于受力件150的周缘与芯管110的内周面之间。在弹性复位件130的作用下，受力件150与限位件160接触，限位件160起到限制封隔片120径向向外运动的作用。限位件160上设置有用于与受力件150接触以限制封隔片120径向向外运动的第一限位面161、过渡面163和第二限位面162。第一限位面161、过渡面163和第二限位面162沿从下至上的方向依次连接。第一限位面161与芯管110内壁的径向距离小于第二限位面162与芯管110内壁的径向距离。当受力件150与第一限位面161接触时，封隔片120径向向外运动的行程较大，柱塞010处于举升状态。此时，封隔片120能够在弹性复位件130的作用下贴合于井道的内周面，形成密封。当受力件150与第二限位面162接触时，封隔片120径向向外运动的行程缩短，柱塞010处于收缩状态。此时，即便是封隔片120径向向外运动至极限，柱塞010的最大外径依然小于井道的内径，使得封隔片120与井道内周面之间无法形成有效密封，降低了封隔片120与井道内周面之间的摩擦。如此，柱塞010能够快速下行至井底。

致动件170与限位件160连接，用于带动限位件160沿轴向在第一位置(图1中所示的位置)和第二位置(图2中所示的位置)之间运动。当限位件160运动至第一位置时，第一限位面161能够与受力件150接触。当限位件160运动至第二位置时，第二限位面162能够与受力件150接触。沿从下至上的方向，过渡面163与芯管110内壁的径向距离逐渐增大。在限位件160从第一位置运动至第二位置的过程中，过渡面163逐渐径向向内挤压受力件150，最终使第二限位面162与受力件150接触。

图3为本实施例提供的柱塞010中，限位件160的结构示意图。在本实施例中，限位件160包括圆筒状的限位筒164。限位筒164位于芯管110内，且与芯管110同轴设置。限位筒164的外周面与芯管110的内周面之间存在间隙，使得限位件160能够顺畅的在芯管110内沿轴向运动。图4为本实施例提供的柱塞010中，限位件160的剖面结构示意图。沿从下至上的方向(即沿第二位置至第一位置的方向)，限位筒164依次包括第一段164a、过渡段164c和第二段164b。第一段164a的内径大于第二段164b的内径。沿从下至上的方向，过渡段164c的内径逐渐减小。第一限位面161为第一段164a的内周面，过渡面163为过渡段164c的内周面，第二限位面162为第二段164b的内周面。在限位筒164上还开设有沿从下至上的方向延伸的条形孔165。导向件140贯穿条形孔165，使得受力件150位于限位筒164内。受力件150能够与条形孔165两侧的限位筒164的内表面接触。

致动件170作为带动限位件160在第一位置和第二位置之间运动的部件，可以采用多种方式实现。例如，致动件170可以是设置在芯管110内的直线电机，直线电机被内置在芯管110内的电源驱动，带动限位件160在第一位置和第二位置之间运动。通过传感器检测柱塞010在油气井内的位置。当传感器检测到柱塞010进入井口管路后，直线电机带动限位件160运动至第二位置。当传感器检测到柱塞010到达井底后，直线电机带动限位件160运动至第一位置。

在本实施例中，致动件170沿轴向延伸的杆状部件，致动件170包括相对的第一端170a和第二端170b。沿第一端170a至第二端170b的方向，限位件160从第一位置运动至第二位置。沿第二端170b至第一端170a的方向，限位件160从第二位置运动至第一位置。上堵头180上开设有上贯通孔180a，上贯通孔180a沿轴向延伸且与芯管110同轴。下堵头190上开设有下贯通孔190a，下贯通孔190a沿轴向延伸且与芯管110同轴。致动件170的第一端170a与上贯通孔180a可滑动的配合，致动件170的第二端170b与下贯通孔190a可滑动的配合。在致动件170发生轴向运动时，致动件170带动限位件160轴向运动。当致动件170带动限位件160运动至第一位置时，致动件170的第一端170a延伸至上贯通孔180a外，以接收沿第一端170a至第二端170b的方向的驱动力。该驱动力可以是外部的动力装置(例如电机、液压缸或气缸)施加至第一端170a的力，使致动件170带动限位件160运动至第二位置。在本实施例中，通过第一端170a与油气井的井口管路顶部的撞击部撞击产生的力带动致动件170运动，使限位件160运动至第二位置。当致动件170带动限位件160运动至第二位置时，致动件170的第二端170b延伸至下贯通孔190a外，以接收沿第二端170b至第一端170a的方向的驱动力。在本实施例中，通过第二端170b与油气井的井道底部的撞击部撞击产生的力带动致动件170运动，使限位件160运动至第一位置。

在本实施例中，限位筒164的上端设置有顶板166。致动件170可轴向活动的贯穿顶板166。致动件170上间隔设置有靠近第一端170a的第一支撑件171和靠近第二端170b的第二支撑件172。顶板166位于第一支撑件171和第二支撑件172之间。进一步的，在第一支撑件171和顶板166之间设置有弹性缓冲件173。弹性缓冲件173始终处于被压缩的状态，以使限位件160具备向第二支撑件172运动的趋势。在不受外力的情况下，顶板166被弹性缓冲件173压在第二支撑件172上。致动件170沿第一端170a至第二端170b的方向运动的过程中，如果限位件160被异物或受力件150卡住而无法运动至第二位置时，顶板166脱离第二支撑件172，弹性缓冲件173被进一步压缩。如此，能够避免致动件170与异物或受力件150发生过于激烈的碰撞或摩擦，有助于提高柱塞010的使用寿命。在本实施例中，弹性缓冲件173为套设在致动件170上的弹簧。

请参照图5，在本实施例中，柱塞010还包括与致动件170配合的保持机构。保持机构被构造为在限位件160位于第一位置时将致动件170维持在当前位置，以避免限位件160脱离第一位置。保持机构还被构造为在限位件160位于第二位置时将致动件170维持在当前位置，以避免限位件160脱离第二位置。当限位件160位于第一位置时，通过致动件170的第一端170a与井口管路顶部的撞击部撞击产生的力触发保持机构，使保持机构解除对致动件170的位置的维持，致动件170运动带动限位件160运动至第二位置。当限位件160位于第二位置时，通过致动件170的第二端170b与井道底部的撞击部撞击产生的力触发保持机构，使保持机构解除对致动件170的位置的维持，致动件170运动带动限位件160运动至第一位置。

保持机构包括设置在致动件170上的第一结合部210和第二结合部220，以及设置在上堵头180上的第三结合部。第一结合部210和第二结合部220均为开设在致动件170上的环形槽，该环形槽围绕致动件170的轴线布置。其中，第一结合部210和第二结合部220均位于上贯通孔180a中，并且第二结合部220相较于第一结合部210更加靠近致动件170的第一端170a。第一结合部210与第二结合部220之间的距离基本等于第一位置与第二位置之间的距离。第三结合部包括沿径向方向开设在上贯通孔180a内周壁的容纳孔231、可滑动地设置在容纳孔231内的嵌入部232以及设置在容纳孔231内并对嵌入部232施加径向向内的弹性力的弹簧233。当致动件170带动限位件160运动至第一位置时，嵌入部232在弹簧233的作用下嵌入第一结合部210中。当致动件170带动限位件160运动至第二位置时，嵌入部232在弹簧233的作用下嵌入第二结合部220中。

需要进一步说明的是，在本实施例中，第一限位面161和第二限位面162的径向距离(等同于第一段164a内周面的半径与第二段164b内周面的半径的差)可以设置为0.5mm-2.5mm之间的任意一个值，具体的，第一限位面161和第二限位面162的径向距离选择为1mm。可以理解的，在其他实施方式中，第一限位面161和第二限位面162的径向距离可以设置成其他任何值。

需要进一步说明的是，在其他实施方式中，第二限位面162、过渡面163和第一限位面161也可以设置在受力件150上。例如，受力件150上设置有用于与限位件160接触以限制封隔片120径向向外运动的第二限位面162、过渡面163和第一限位面161；第二限位面162、过渡面163和第一限位面161沿第二位置至第一位置的方向(从下至上)依次连接；第一限位面161与芯管110内壁的径向距离大于第二限位面162与芯管110内壁的径向距离，限位件160被构造为在第一位置时能够与第一限位面161接触，在第二位置时能够与第二限位面162接触。

本实施例提供的柱塞010，通过在限位件160上设置第一限位面161、第二限位面162和过渡面163，使得限位件160在第一位置和第二位置之间运动的过程中，将柱塞010的工作状态在举升状态和收缩状态之间调节。当柱塞010处于收缩状态时，封隔片120与井道内周面之间无法形成有效密封，降低了封隔片120与井道内周面之间的摩擦，柱塞010能够快速下行至井底，克服了现有技术的不足。另外，通过过渡面163连接第一限位面161和第二限位面162，使得柱塞010的工作状态的转换更加容易可靠。

实施例2：

图6为本实施例提供的油气井结构01的结构示意图。请参照图5，在本实施例中，油气井结构01包括井口管路020、与井口管路020连接的井道030以及实施例1中记载的柱塞010。柱塞010能够沿井口管路020下行进入井道030，并沿井道030下行至井道030底部。柱塞010还能够沿井道030上行进入井口管路020，并沿井口管路020上行至井口管路020的顶部。当柱塞010到达井口管路020的顶部时，致动件170的第一端170a与设置在井口管路020顶部的撞击部发生撞击，使限位件160运动至第二位置，此时柱塞010处于收缩状态，封隔片120与井道030内周面之间无法形成有效密封，降低了封隔片120与井道030内周面之间的摩擦，柱塞010能够快速下行至井道030的底部。当柱塞010到达井道030的底部时，致动件170的第二端170b与设置在井道030底部的撞击部发生装置，使限位件160运动至第一位置，此时柱塞010处于举升状态，封隔片120在弹性复位件130的作用下与井道030的内周壁紧密接触形成密封，从而在上行时对积液进行举升。

以上所述仅为本发明的部分实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。