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：

在油气井生产过程中，柱塞是一种较为常用的举升井底液体的装置。柱塞具有封隔片，封隔片在弹性件的作用下与井道内壁紧贴形成密封，从而将柱塞上方的空间和柱塞下方的空间分隔开。在开井状态下，柱塞能够在上下压力差的作用下上行，并将柱塞上方的液体举升至井口。封隔片在弹性件的作用下始终与井道内壁紧贴，因此要使柱塞下行，需要关井以平衡柱塞的上下压力，让柱塞能够在重力的作用下下行。

在相关技术中存在一种可以主动使封隔片径向向内收缩的柱塞，当需要柱塞下行时，使封隔片径向向内收缩。这样，柱塞的外径小于井道的内径，使得柱塞和井道之间形成供流体通过的流道，降低了柱塞下行的阻力。这样，柱塞能够以更快的速度下行，甚至能够在不关井的状态下下行。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种柱塞，其能够在封隔片径向向内收缩后通过扶正条保持与井道的基本同轴，且能够避免柱塞与井道发生剧烈的碰撞，并且能够降低柱塞在油气井的水平段或斜井段的下行阻力。

本发明的另一个目的在于提供一种包括上述柱塞的油气井结构。

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：围绕芯管间隔布置，并被构造为沿径向往复运动的多个扶正条，相邻的扶正条之间形成供物体通过的通过间隔，扶正条的延伸方向与芯管的延伸方向相同；作用于扶正条，并被构造为使扶正条具备径向向外运动的趋势的第一弹性复位件；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第二弹性复位件；以及与封隔片连接，并被构造为可选择性的带动封隔片径向向内运动至收缩位置并保持在收缩位置的执行机构。

进一步的，柱塞还包括第一导向件；第一导向件可径向活动的贯穿芯管，第一导向件位于芯管外的一端与扶正条连接，第一导向件位于芯管内的一端设置有用于与芯管抵靠的第一限位部。

进一步的，扶正条朝向芯管的表面开设有第一外容纳槽，芯管的外周面开设有第一内容纳槽，第一弹性复位件为弹簧，第一弹性复位件的两端分别设置在第一外容纳槽和第一内容纳槽内。

进一步的，沿径向向外的方向，扶正条的长度和宽度逐渐减小。

进一步的，沿径向扶正条的外侧面构成圆弧形的接触面。

进一步的，接触面的直径小于柱塞工作的井道的内径。

进一步的，芯管上设置有位于扶正条两侧的限位环；限位环靠近扶正条的一端的外径小于限位环远离扶正条的一端的外径。

进一步的，沿轴向限位环包括依次连接的小外径段、过渡段和大外径段；小外径段靠近扶正条；沿小外径段至大外径段的方向，过渡段的外径逐渐增大。

进一步的，执行机构包括致动件和弹性储能装置；致动件设置在芯管内，并被构造为沿轴向在膨胀位置和收缩位置之间往复运动；弹性储能装置可径向活动的贯穿芯管，且一端与封隔片连接，另一端与致动件连接；弹性储能装置被构造为对致动件施加沿从收缩位置至膨胀位置方向的弹性力；弹性储能装置被构造为当致动件位于收缩位置时被压缩或拉伸，并带动封隔片径向向内运动。

油气井结构，包括：井道；以及上述任意一种柱塞；其中，柱塞被构造为沿井道往复运动，扶正条与井道的内壁接触。

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油气井结构和柱塞在工作中，在扶正条的作用下，柱塞能够保持在与井道基本同轴的位置。这样当柱塞在井道内下行时，柱塞与井道在径向上的相对位置是基本不变的，如此避免了柱塞与井道发生剧烈碰撞的问题，大大降低了柱塞内运动机构被误触发的可能性(在本实施例中，即大大降低了执行机构被误触发的可能性)。另外，由于相邻的扶正条之间形成有供物体通过的通过间隔，使得柱塞下行时，流体依然能够由通过间隔从柱塞下方流动至柱塞的上方，确保柱塞能够快速下行到达井底。当柱塞下行至斜井段或水平段时，在扶正条的支撑下，柱塞依然能够维持在于井道基本同轴的位置。这样，聚集在井道径向底部的异物能够从通过间隔通过，大大降低了柱塞端部与异物的接触面积，降低了柱塞的下行阻力，提高了柱塞的下行速度。

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为相关技术中，柱塞下行至油气井的水平段或斜井段时的轴向状态图；

图2为本发明实施例提供的油气井结构的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的柱塞的剖面结构示意图，其中致动件位于膨胀位置；

图4为本发明实施例提供的柱塞的外部结构示意图；

图5为本发明实施例提供的油气井结构中，扶正条抵顶于井道时沿轴向的工作状态图；

图6为本发明实施例提供的油气井结构中，扶正条的立体结构示意图；

图7为图3的a处放大图；

图8为图3的b处放大图；

图9为本发明实施例提供的柱塞的剖面结构示意图，其中致动件位于收缩位置；

图10为图9的c处放大图。

图中：01a-柱塞；11a-井道；12a-异物；01-油气井结构；010-柱塞；11-井道；12-异物；110-芯管；110a-上端；110b-下端；111a-限位环；111b-限位环；111c-限位环；112-第一通过孔；113-第一内容纳槽；114-第二通过孔；115-第二内容纳槽；116-工作孔；117-定位柱；118-定位弹簧；120-扶正条；120a-通过间隔；121-第一螺纹孔；122-第一外容纳槽；123-斜面；124-接触面；130-第一弹性复位件；140-封隔片；141-第二螺纹孔；142-第二外容纳槽；150-第二弹性复位件；210-第一导向件；211-第一限位部；220-第二导向件；221-第二限位部；300-执行机构；310-致动件；310a-上端；310b-下端；311-致动槽；312-第一定位槽；313-第二定位槽；320-弹性储能装置；321-联动杆；322-弹性部；322a-第一延伸部；322b-第二延伸部；322c-曲形弹簧。

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”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，“油气井”可以指石油井，也可以指天然气井。当“油气井”为天然气井时，其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。

发明人经过研究发现，相关技术中可以主动使封隔片径向向内收缩的柱塞存在以下问题：

由于下行中这种柱塞的外径小于井道的内径，导致柱塞与井道之间会发生较为剧烈的碰撞，这些碰撞有可能导致柱塞内的运动机构被误触发，影响油气井的正常工作。另外，在油气井的水平段或斜井段，井道的径向底部会存积大量异物(例如：石蜡、砂砾或金属碎屑等)。当柱塞到达水平端或斜井段时，柱塞被井道的径向底部支撑，柱塞的轴线位于井道的轴线下方，这导致柱塞与井道径向底部存积的异物之间存在较大的接触面积，对柱塞的下行造成较大的阻碍。图1为相关技术中，柱塞01a下行至油气井的水平段或斜井段时的状态图。如图所示，井道11a的径向底部存积有异物12a。在重力的作用下，柱塞01a被井道11a的径向底部支撑。由于柱塞01a的外径小于井道11a的内径，使得柱塞01a的轴线位于井道11a的轴线的下方。这样一来，将导致柱塞01a的端部与异物12a之间存在较大的接触面积，这将对柱塞01a的下行造成阻碍。

为了克服上述问题，下面的实施例将提供一种柱塞010及油气井结构01。

实施例：

图2为本实施例提供的油气井结构01的结构示意图。本实施例提供的油气井结构01包括由地面延伸至地底的井道11。井道11由地面垂直向下延伸一段距离后，倾斜向下延伸一段距离(斜井段)，最后水平延伸一段距离(水平段)。需要指出的是，为了便于描述，在图中只示意性的示出了井道11的延伸形式，而省略了井道11的具体结构。本实施例提供的油气井结构01还包括柱塞010。柱塞010用于在沿井道11运动，以将井底聚集的积液举升至油气井外。

图3为本实施例提供的柱塞010的剖面结构示意图。请参照图3，在本实施例中，柱塞010包括芯管110、扶正条120、第一弹性复位件130、封隔片140、第二弹性复位件150和执行机构300。

芯管110为圆形管状部件，芯管110具备相对的上端110a和下端110b。在芯管110的上端110a设置有径向向外凸出的限位环111a，在芯管110的中部设置有径向向外凸出的限位环111b，在芯管110的下端110b设置有径向向外凸出的限位环111c。限位环111a、限位环111b和限位环111c的最大外径相同。图4为本实施例提供的柱塞010的外部结构示意图。请参照图3和图4，在本实施例中，扶正条120为沿芯管110轴向延伸的长条形部件。多个扶正条120设置在限位环111b和限位环111c之间，并且多个扶正条120围绕芯管110等间距布置。相邻的扶正条120之间始终存在供物体通过的通过间隔120a。通过间隔120a沿芯管110的轴向延伸。扶正条120上沿轴向间隔开设有两个第一螺纹孔121。在芯管110上开设有与第一螺纹孔121一一对应的第一通过孔112。第一导向件210为圆柱状。第一导向件210可径向活动的贯穿第一通过孔112。第一导向件210位于芯管110外的一端设置有外螺纹，并与扶正条120上的第一螺纹孔121螺纹连接。第一导向件210位于芯管110内的一端为直径大于第一通过孔112的内径的第一限位部211。扶正条120能够径向向外运动直至第一限位部211抵靠于芯管110的内壁，使得第一导向件210无法脱离芯管110。

在扶正条120的径向内表面上开设有一个第一外容纳槽122。第一外容纳槽122位于两个第一螺纹孔121之间。在芯管110的外周面开设有与第一外容纳槽122相对的第一内容纳槽113。第一弹性复位件130设置在扶正条120与芯管110之间。第一弹性复位件130一端位于第一外容纳槽122内，另一端位于第一内容纳槽113内，从而使得第一弹性复位件130能够被良好的定位。第一弹性复位件130始终处于被压缩的状态，使得扶正条120始终具备径向向外运动的趋势。当柱塞010在井道11内工作时，在第一弹性复位件130的作用下，扶正条120的外侧面抵顶于井道11的内周面。当扶正条120受到径向向内的挤压时，扶正条120能够克服第一弹性复位件130的弹性力径向向内运动，使得扶正条120能够通过井道11中内径缩小的部位。第一弹性复位件130为弹簧，在其他实施方式中，第一弹性复位件130也可以为橡胶柱或其他能够提供弹性力的装置。

图5为本实施例提供的油气井结构01中，扶正条120抵顶于井道11时沿轴向的工作状态图。在扶正条120的作用下，柱塞010能够保持在与井道11基本同轴的位置。这样当柱塞010在井道11内下行时，柱塞010与井道11在径向上的相对位置是基本不变的，如此避免了柱塞010与井道11发生剧烈碰撞的问题，大大降低了柱塞010内运动机构被误触发的可能性(在本实施例中，即大大降低了执行机构300被误触发的可能性)。另外，由于相邻的扶正条120之间形成有供物体通过的通过间隔120a，使得柱塞010下行时，流体依然能够由通过间隔120a从柱塞010下方流动至柱塞010的上方，确保柱塞010能够快速下行到达井底。当柱塞010下行至斜井段或水平段时，在扶正条120的支撑下，柱塞010依然能够维持在于井道11基本同轴的位置。这样，聚集在井道11径向底部的异物12能够从通过间隔120a通过，大大降低了柱塞010端部与异物12的接触面积，降低了柱塞010的下行阻力，提高了柱塞010的下行速度。

图6为本实施例提供的油气井结构01中，扶正条120的立体结构示意图。请参照图6，在本实施例中，沿径向向外的方向，扶正条120的长度和宽度都逐渐减小。沿径向向外的方向，扶正条120的宽度逐渐减小，使得通过间隔120a的体积得以增大，降低了柱塞010下行时的阻力。沿径向向外的方向，扶正条120的长度逐渐减小，使得扶正条120长度方向上的两端形成了用于与流体接触的斜面123，这个斜面123能够帮助流体分流至扶正条120的两侧并进入通过间隔120a中，这样能够降低柱塞010下行时的流体阻力，提高柱塞010的下行速度。

请继续参照图6，在本实施例中，沿径向扶正条120的外侧面构成圆弧形的接触面124。扶正条120在第一弹性复位件130的作用下径向向外运动，使得接触面124与井道11的内周面抵靠。由于接触面124是弧形，且接触面124的直径小于井道11的内径，使得接触面124与井道11之间线接触，降低了扶正条120与井道11之间的摩擦力，有助于柱塞010在井道11内快速下行。

在本实施例中，沿轴向，限位环111b和限位环111c的外径是变化的。具体的，限位环111b靠近扶正条120的一端的外径小于限位环111b远离扶正条120的一端的外径。这样，有助于减小流体进入和流出通过间隔120a的阻力，进而降低柱塞010在井道11内运动的阻力，进一步使得柱塞010能够在井道11内快速下行。进一步的，沿轴向限位环111b包括依次连接的小外径段、过渡段和大外径段；小外径段靠近扶正条120；沿小外径段至大外径段的方向，过渡段的外径逐渐增大。沿轴向限位环111c包括依次连接的小外径段、过渡段和大外径段；小外径段靠近扶正条120；沿小外径段至大外径段的方向，过渡段的外径逐渐增大。上述结果的限位环111b和限位环111c中，过渡段能够径向向外引导流体，从而进一步降低柱塞010在井道11内运动时的流体阻力，有助于柱塞010在井道11内的快速下行。

多个封隔片140设置在限位环111a和限位环111b之间，并且多个封隔片140围绕芯管110布置。封隔片140上沿轴向间隔开设有两个第二螺纹孔141。在芯管110上开设有与第二螺纹孔141一一对应的第二通过孔114。第二导向件220为为圆柱状。第二导向件220为可径向活动的贯穿第二通过孔114。第二导向件220为位于芯管110外的一端设置有外螺纹，并与封隔片140上的第二螺纹孔141螺纹连接。第二导向件220为位于芯管110内的一端为直径大于第二通过孔114的内径的第二限位部221。封隔片140能够径向向外运动直至第二限位部221抵靠于芯管110的内壁，使得第二导向件220为无法脱离芯管110。

在封隔片140的径向内表面上开设有两个第二外容纳槽142。第二外容纳槽142位于两个第二螺纹孔141之间。在芯管110的外周面开设有与第二外容纳槽142相对的第二内容纳槽115。第二弹性复位件150设置在封隔片140与芯管110之间。第二弹性复位件150一端位于第二外容纳槽142内，另一端位于第二内容纳槽115内，从而使得第二弹性复位件150能够被良好的定位。第二弹性复位件150始终处于被压缩的状态，使得封隔片140始终具备径向向外运动的趋势。当柱塞010在井道11内工作时，在第二弹性复位件150的作用下，封隔片140的外侧面抵顶于井道11的内周面，在周向上形成密封，从而在柱塞010上行时将柱塞010上方的流体向上举升。当封隔片140受到径向向内的挤压时，封隔片140能够克服第二弹性复位件150的弹性力径向向内运动，使得封隔片140能够通过井道11中内径缩小的部位。第二弹性复位件150为弹簧，在其他实施方式中，第二弹性复位件150也可以为橡胶柱或其他能够提供弹性力的装置。

在本实施例中，执行机构300与封隔片140连接，执行机构300被构造为可选择性的带动封隔片140径向向内运动。具体的，当柱塞010在井道11内上行时，执行机构300不对封隔片140的运动构成影响。此时，封隔片140能够在第二弹性复位件150的作用下抵顶于井道11的内周面，在周向上形成密封，从而在柱塞010上行时将柱塞010上方的流体向上举升。当柱塞010在井道11内下行时，执行机构300带动封隔片140径向向内运动，使得封隔片140脱离井道11的内表面，在柱塞010与井道11之间形成供流体通过的空间，从而大大降低柱塞010下行时的流体阻力，使得柱塞010能够快速下行甚至在不关机的情况下下行。

执行机构300可以采用多种形式实现，例如执行机构300可以通过电机或电磁铁机构实现。在本实施例中，执行机构300包括致动件310和弹性储能装置320。致动件310设置在芯管110内，并被构造为沿芯管110的轴向在膨胀位置和收缩位置之间往复运动。弹性储能装置320可径向活动的贯穿芯管110，且一端与封隔片140连接，另一端与致动件310连接；弹性储能装置320被构造为对致动件310施加沿从收缩位置至膨胀位置方向的弹性力；弹性储能装置320被构造为当致动件310位于收缩位置时被压缩或拉伸，并带动封隔片140径向向内运动。下面对致动件310和弹性储能装置320进行进一步说明。

在本实施例中，致动件310为杆状部件。致动件310包括上端310a和下端310b。致动件310沿芯管110的轴向贯穿芯管110的轴向两端。致动件310能够沿芯管110的轴向相对于芯管110在膨胀位置和收缩位置之间往复运动。当致动件310位于膨胀位置时，致动件310的上端310a凸出至芯管110外。当致动件310位于收缩位置时，致动件310的下端310b凸出于芯管110外。当柱塞010运动至井道11的底部时，致动件310的下端310b与设置在井道11底部的碰撞部发生碰撞，使得致动件310运动至膨胀位置。当柱塞010运动至井道11的顶部时，致动件310的上端310a与井道11顶部的碰撞部发生碰撞，使得致动件310运动至收缩位置。在致动件310的外周面开设有致动槽311。

图7为图3的a处放大图，请参照图7。在致动件310的上端310a上开设有第一定位槽312和第二定位槽313。沿上端310a至下端310b的方向，第一定位槽312和第二定位槽313依次布置。在芯管110的上端110a上开设有沿径向延伸的工作孔116，工作孔116中可滑动的设置有定位柱117。在工作孔116中还设置有定位弹簧118。定位弹簧118始终处于被压缩的状态，并作用于定位柱117，使定位柱117始终具备径向向内运动的趋势。当致动件310运动至收缩位置时，定位柱117插入第一定位槽312，以使致动件310维持在收缩位置。当致动件310运动至膨胀位置时，定位柱117插入第二定位槽313，以使致动件310维持在膨胀位置。

图8为图3的b处放大图，请参照图8。弹性储能装置320包括联动杆321和弹性部322。联动杆321可径向运动的贯穿芯管110。联动杆321的一端位于芯管110内，联动杆321的另一端与封隔片140固定连接。弹性部322包括第一延伸部322a、第二延伸部322b和曲形弹簧322c。曲形弹簧322c由金属条围绕一轴线螺旋形延伸形成。曲形弹簧322c的两端分别延伸形成平直的第一延伸部322a和第二延伸部322b。其中，第一延伸部322a与第二延伸部322b垂直。第一延伸部322a可活动的插入联动杆321位于芯管110内的一端开设的孔中，与联动杆321可活动的连接。第二延伸部322b可活动的插入致动槽311内。曲形弹簧322c的周面与芯管110的内周面抵靠。在图3和图8中，致动件310位于膨胀位置。此时，第二延伸部322b不受力。在第二弹性复位件150的作用下，封隔片140径向向外运动，带动联动杆321径向向外运动，弹性部322随着联动杆321的运动旋转。可以看出，当致动件310位于膨胀位置时，封隔片140能够在第二弹性复位件150的作用下径向向外运动，以紧贴井道11的内壁形成密封。当柱塞010运动至井道11中内径变小的位置时，封隔片140能够克服第二弹性复位件150的弹性力径向向外运动，以使柱塞010能够通过井道11中内径变小的位置。在柱塞010运动至井道11的底部时，致动件310的下端310b与设置在井道11底部的碰撞部发生碰撞，使得致动件310运动至膨胀位置。以此，柱塞010能够上行并将位于其上方的积液向上举升。

图9为本实施例提供的柱塞010的剖面结构示意图，其中致动件310位于收缩位置。图10为图9的c处放大图。请结合参照图9和图10。在柱塞010运动至井道11的顶部时，致动件310的下端310b与设置在井道11顶部的碰撞部发生碰撞，使得致动件310运动至膨胀位置。在致动件310从碰撞位置运动至收缩位置的过程中，致动件310对第二延伸部322b施压，使得曲形弹簧322c发生弹性形变。曲形弹簧322c进一步带动第一延伸部322a径向向内偏转，从而通过联动杆321带动封隔片140径向向内运动。此时，封隔片140与井道11的内壁分离，消除了柱塞010下行时封隔片140与井道11的内壁之间的摩擦力，同时封隔片140与井道11的内壁之间形成了供流体通过的流道，井底了柱塞010下行时的流体阻力，最终使得柱塞010能够快速下行，甚至能够在不关机的情况下下行。另外，由于曲形弹簧322c能够发生弹性形变，当封隔片140与芯管110之间存在杂物导致封隔片140无法径向向内运动时，致动件310也能够顺利执行预定动作(从膨胀位置运动至收缩位置)，从而避免致动件310无法完成预定动作导致的零部件损坏。

本实施例提供的油气井结构01和柱塞010在工作中，在扶正条120的作用下，柱塞010能够保持在与井道11基本同轴的位置。这样当柱塞010在井道11内下行时，柱塞010与井道11在径向上的相对位置是基本不变的，如此避免了柱塞010与井道11发生剧烈碰撞的问题，大大降低了柱塞010内运动机构被误触发的可能性(在本实施例中，即大大降低了执行机构300被误触发的可能性)。另外，由于相邻的扶正条120之间形成有供物体通过的通过间隔120a，使得柱塞010下行时，流体依然能够由通过间隔120a从柱塞010下方流动至柱塞010的上方，确保柱塞010能够快速下行到达井底。当柱塞010下行至斜井段或水平段时，在扶正条120的支撑下，柱塞010依然能够维持在于井道11基本同轴的位置。这样，聚集在井道11径向底部的异物12能够从通过间隔120a通过，大大降低了柱塞010端部与异物12的接触面积，降低了柱塞010的下行阻力，提高了柱塞010的下行速度。

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。