油气井环空压力调节装置和管柱
技术领域
本实用新型涉及环空压力控制工程技术领域，尤其涉及一种油气井环空压力调节装置和管柱。
背景技术
在钻井完井过程中，为了分隔不同的地质层系，防止地层压力不同导致井壁坍塌，需要一层或多层套管固井，每层套管用水泥固井，各层套管之间的环形空间加注环空保护液，各层套管之间的环形空间的压力即为环空压力，由于环空之间可能存在天然气或环空保护液，受生产时温度影响热胀冷缩而产生了压力。环空压力控制在高产高压天然气井开发过程中非常重要，环空压力超高可能造成套管破裂，天然气窜入地表，造成严重井喷事故。
现有技术中，缓冲井内环空压力的方式通常是通过操作采油树上与套管连接的阀门对环空压力进行控制，打开采油树阀门吸压，对井内的环空压力进行缓冲。然而该方式大幅度的增加了工作人员的劳动强度，且容易因人为疏忽或操作不当而发生套管破裂等不安全事故。
实用新型内容
为了解决上述的技术问题，本实用新型提供一种油气井环空压力调节装置和管柱，该油气井环空压力调节装置结构简单，操作方便，能够减少工作人员的劳动强度，同时还能够提高施工过程中的安全系数。
为了实现上述的技术效果，一方面，本实用新型提供一种油气井环空压力调节装置，用于调节井内环空的压力，包括连接短节和环绕在所述连接短节外侧的罩体；所述罩体的内壁和所述连接短节的外壁之间形成具有一定容纳空间的腔室，所述腔室内设置有活塞，所述活塞可移动地连接在所述罩体的内壁和所述连接短节的外壁之间，且沿着所述连接短节的轴向方向往复移动。
所述活塞包括第一活塞和第二活塞，所述第一活塞和所述第二活塞沿所述连接短节的轴向方向相对设置，且所述第一活塞和所述第二活塞将所述腔室分隔为第一空间、第二空间和第三空间；所述第一空间内设置有至少两个弹性件，所述弹性件的一端与所述第一活塞连接，所述弹性件的另一端与所述第二活塞连接；以及
所述罩体上开设有用于将所述第二空间和所述井内环空连接的第一连通口以及用于将所述第三空间和所述井内环空连接的第二连通口。
在上述的油气井环空压力调节装置中，可选的是，所述第一空间内充有用于吸收压力的可压缩介质。
在上述的油气井环空压力调节装置中，可选的是，所述连接短节的外壁上和/或所述罩体远离所述连接短节的第一侧壁上设置有阻挡块；所述阻挡块包括第一阻挡块和第二阻挡块，所述第一阻挡块设置在所述第二空间内且靠近所述第一连通口，用于限制所述第一活塞在所述腔室内的活动范围；所述第二阻挡块设置在所述第三空间内且靠近所述第二连通口，用于限制所述第二活塞在所述腔室内的活动范围。
在上述的油气井环空压力调节装置中，可选的是，还包括：加热器；所述加热器设置在所述第一空间内，用于加热所述可压缩介质。
在上述的油气井环空压力调节装置中，可选的是，还包括：第一控制装置；所述第一控制装置与所述加热器连接，用于控制所述加热器的开启和关闭。
在上述的油气井环空压力调节装置中，可选的是，还包括：测压设备；所述测压设备设置在所述第一空间内，且与所述第一控制装置电性连接。
当所述测压设备测得的压力值小于预设压力值时，所述第一控制装置控制所述加热器开启；当所述测压设备测得的压力值大于预设压力值时，所述第一控制装置控制所述加热器关闭。
在上述的油气井环空压力调节装置中，可选的是，所述腔室内还包括：至少两个导向杆；所述弹性件套设在所述导向杆上；所述导向杆的一端与所述罩体的第二侧壁连接，所述导向杆的另一端与所述罩体的第三侧壁连接；所述导向杆与所述第一活塞和所述第二活塞之间可滑动地连接。
在上述的油气井环空压力调节装置中，可选的是，所述弹性件包括第一弹性件和第二弹性件；所述导向杆上设置有固定部，所述第一弹性件的一端与所述第一活塞连接，所述第一弹性件的另一端与所述固定部连接；所述第二弹性件的一端与所述第二活塞连接，所述第二弹性件的另一端与所述固定部连接。
在上述的油气井环空压力调节装置中，可选的是，所述腔室内还包括：伸缩机构；所述伸缩机构设置在所述第一空间内，所述伸缩机构包括第二控制装置、第一伸缩部件和第二伸缩部件，所述第二控制装置设置在第一侧壁上，所述第一伸缩部件的一端与所述第二控制装置连接，所述第一伸缩部件的另一端朝向所述第一活塞；所述第二伸缩部件的一端与所述第二控制装置连接，所述第二伸缩部件的另一端朝向所述第二活塞。
另一方面，本实用新型还提供一种管柱，至少包括油管和上述的油气井环空压力调节装置。
所述油气井环空压力调节装置的连接短节的两端分别设置有连接部，所述连接部用于连接油管，以使所述连接短节与所述油管连通。
本实用新型提供的油气井环空压力调节装置和管柱，该油气井环空压力调节装置通过将连接短节连接于油管，随着油管下入至井内，腔室内的第二空间和第三空间分别通过第一连通口和第二连通口连通于井内环空，以使腔室内的第一活塞和第二活塞在环空压力较大时向相对靠拢的方向移动，同时压缩第一空间内的弹性件和/或可压缩介质，将环空压力的部分压力通过活塞传递给可压缩介质，从而对环空压力起到缓冲的作用，保护井筒的安全。因此，本实用新型实施例的油气井环空压力调节装置结构简单，易于实现，投入成本较低，并且在实现缓冲井内环空压力的过程中，只需将油气井环空压力调节装置随着油管下入至井内，操作简单，减少工作人员的劳动强度。
本实用新型的构造以及它的其他实用新型目的及有益效果将会通过结合附图而对优选实施例的描述而更加明显易懂。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实用新型实施例提供的一种油气井环空压力调节装置的结构示意图；
图2为本实用新型实施例提供的另一种油气井环空压力调节装置的结构示意图；
图3为本实用新型实施例提供的再一种油气井环空压力调节装置的结构示意图；
图4为本实用新型实施例提供的又一种油气井环空压力调节装置的结构示意图；
图5为本实用新型实施例提供的又一种油气井环空压力调节装置的结构示意图；
图6为本实用新型实施例提供的又一种油气井环空压力调节装置的结构示意图。
附图标记说明：
100-油气井环空压力调节装置；
1-连接短节；
11-连接部；
2-罩体；
21-第一侧壁；
22-第二侧壁；
23-第三侧壁；
3-腔室；
31-第一空间；
32-第二空间；
321-第一连通口；
33-第三空间；
331-第二连通口；
10-活塞；
101-第一活塞；
102-第二活塞；
20-弹性件；
201-第一弹性件；
202-第二弹性件；
30-阻挡块；
301-第一阻挡块；
302-第二阻挡块；
40-加热器；
50-第一控制装置；
60-测压设备；
70-导向杆；
701-固定部；
80-伸缩机构；
801-第二控制装置；
802-第一伸缩部件；
803-第二伸缩部件。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型的优选实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的部件或具有相同或类似功能的部件。所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。下面结合附图对本实用新型的实施例进行详细说明。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应作广义理解，例如，可以使固定连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或者两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
实施例一
图1为本实用新型实施例提供的一种油气井环空压力调节装置的结构示意图。图2为本实用新型实施例提供的另一种油气井环空压力调节装置的结构示意图。图3为本实用新型实施例提供的再一种油气井环空压力调节装置的结构示意图。图4为本实用新型实施例提供的又一种油气井环空压力调节装置的结构示意图。图5为本实用新型实施例提供的又一种油气井环空压力调节装置的结构示意图。图6为本实用新型实施例提供的又一种油气井环空压力调节装置的结构示意图。
如图1所示，本实用新型实施例一提供一种油气井环空压力调节装置100，用于调节井内环空的压力，包括连接短节1和环绕在连接短节1外侧的罩体2，罩体2的内壁和连接短节1的外壁之间形成具有一定容纳空间的腔室3。
其中，罩体2可以环绕连接短节1的外壁一周，以形成一个具有完整的环形空间的腔室3。或者，罩体2也可以环绕连接短节1的外壁不到一周，以形成一个为半环形空间的腔室3。
腔室3内设置有活塞10，活塞10可移动地连接在罩体2的内壁和连接短节1的外壁之间，且沿着连接短节1的轴向方向往复移动。
其中，活塞10包括第一活塞101和第二活塞102，第一活塞101和第二活塞102沿连接短节1的轴向方向相对设置，且第一活塞101和第二活塞102将腔室3分隔为第一空间31、第二空间32和第三空间33。
第一空间31内设置有至少两个弹性件20，弹性件20的一端与第一活塞101连接，弹性件20的另一端与第二活塞102连接。当第一活塞101和第二活塞102相互靠拢时，弹性件20对第一活塞101和第二活塞102具有使其远离的作用力。
而且，罩体2上开设有用于将第二空间32和井内环空连接的第一连通口321以及用于将第三空间33和井内环空连接的第二连通口331。当油气井环空压力调节装置100随着油管下入至井内时，第一连通口321和第二连通口331分别与井内环空连通。
进一步地，第一空间31内充有用于吸收压力的可压缩介质。具体地，可压缩介质可采用气体或弹性材料等，能够在被压缩时吸收压力，实现压力缓冲即可，本实用新型对可压缩介质的具体类型并不加以限定，也不限于上述示例。
由于气体的压力比较容易测量与掌控，作为一种优选的实施方式，可压缩介质可以为气体。从而可以利用气体的可压缩性质，吸收环空压力的部分压力。在实际使用时，根据环空压力不宜超过的压力值，向腔室3的第一空间31内充入预设压力值的气体，以实现当环空压力大于不宜超过的压力值时，压缩腔室3内的第一活塞101和第二活塞102相对靠拢，将环空压力的部分压力传递给第一空间31内的气体，从而对环空压力起到缓冲的作用。
作为蓄能缓冲作用的气体，例如，该气体可以为氮气。
需要说明的是，弹性件20主要的作用是使第一活塞101和第二活塞102复位，同时弹性件20也具有一定的缓冲压力的作用。因此，为了保证可压缩介质可以在弹性件20具有压力缓冲的基础上进一步地实现压力缓冲，作为一种优选的实施方式，可压缩介质的可压缩临界压力值需要大于弹性件20的可压缩临界压力值。
需要说明的是，当腔室3的第一空间31内充入的是气体时，可以先将第一活塞101或第二活塞102中的其中一者安装于腔室3内，然后充入一定压力的气体后，再将第一活塞101或第二活塞102中的另一者安装于腔室3内，从而使充入的气体位于第一活塞101和第二活塞102之间的第一空间31内。其中，腔室3可以设计为由罩体2围绕连接短节1的外壁且与连接短节1的外壁形成两端具有开口的空间，例如可以在两端的开口处分别连接有密封盖，也可以设计为其他形式，只要能够满足腔室3内能够装入弹性件30、活塞20等零部件即可。本实用新型对腔室3的具体设计形式并不加以限定，也不限于上述示例。
如图2所示，在本实施例中，连接短节1的外壁上和/或罩体2远离连接短节1的第一侧壁21上设置有阻挡块30。
其中，可以仅在连接短节1的外壁上设置有阻挡块30，可以仅在罩体2远离连接短节1的第一侧壁21上设置有阻挡块30，也可以同时在连接短节1的外壁上和罩体2远离连接短节1的第一侧壁21上设置有阻挡块30。当连接短节1的外壁上和罩体2远离连接短节1的第一侧壁21上同时设置有阻挡块30时，对活塞20的阻挡会更加平衡。
具体地，阻挡块30包括第一阻挡块301和第二阻挡块302，第一阻挡块301设置在第二空间32内且靠近第一连通口321，用于限制第一活塞101在腔室3内的活动范围；第二阻挡块302设置在第三空间33内且靠近第二连通口331，用于限制第二活塞102在腔室3内的活动范围。也就是说，第一活塞101和第二活塞102在相互靠拢或远离时，均不会堵住第一连通口321和第二连通口331。
需要说明的是，该用于限制第一活塞101和第二活塞102活动范围的结构(例如第一阻挡块301和第二阻挡块302)只要能使第一活塞101和第二活塞102不会堵住第一连通口321和第二连通口331即可，本实用新型对用于限制第一活塞101和第二活塞102的活动范围的结构并不加以限定，也不限于上述示例。
在实际使用时，将油气井环空压力调节装置100通过连接短节1连接于油管，并随着油管下入至井内，腔室3内的第二空间32和第三空间33分别通过第一连通口321和第二连通口331连通于井内环空，当环空压力大于第一空间31内的可压缩介质的可压缩临界压力值时(此时，可压缩介质的可压缩临界压力值大于弹性件20的可压缩临界压力值)，第一活塞101和第二活塞102向相对靠拢的方向移动，第二空间32和第三空间33逐渐变小，同时压缩第一活塞101和第二活塞102之间的弹性件20和可压缩介质，弹性件20和可压缩介质吸收了环空压力的部分压力(主要由可压缩介质吸收压力)，对环空压力起到缓冲作用，从而保护井筒的安全。
如图3所示，本实用新型实施例提供的油气井环空压力调节装置100还包括：加热器40，加热器40设置在第一空间31内，用于加热可压缩介质，以使可压缩介质膨胀推动第一活塞101和第二活塞102。
作为一种可选的实施方式，还包括：第一控制装置50，第一控制装置50与加热器40连接，用于控制加热器40的开启和关闭。
需要说明的是，通过设置加热器40和第一控制装置50可以使得油气井环空压力调节装置100具有对环空进行补压的功能。具体地，其工作原理为：可以在井内环空设置有压力传感器(图中未示出)，利用压力传感器对环空压力进行检测，当环空压力较低时，通过第一控制装置50启动加热器40对第一空间31内的气体进行加热，气体受热膨胀，推动腔室3内的第一活塞101和第二活塞102向相对远离的方向移动，从而对环空进行补压；当环空压力达到所需达到的压力值时，通过第一控制装置50关闭加热器40，停止补压。
需要说明的是，第一控制装置50可以设计为手动控制，或者也可设计为自动控制。本实用新型实施例中的油气井环空压力调节装置100，可以在大排量注入作业时，对环空补压，提高油套管的安全系数，从而确保井筒的完整性。
作为一种可选的实施方式，还包括：测压设备60；测压设备60设置在第一空间31内，且与第一控制装置50电性连接。
当测压设备60测得的压力值小于预设压力值时，第一控制装置50控制加热器40开启；当测压设备60测得的压力值大于预设压力值时，第一控制装置50控制加热器40关闭。
其中，测压设备60可以采用压力传感器或者其他气体测压仪等，根据测压设备60测得的压力值与预设压力值之间的关系，利用第一控制装置50控制加热器40的开启和关闭。其中，预设压力值可以根据环空压力的下限值来进行设定。
在实际使用时，测压设备60设置于腔室3的第一空间31内。在腔室3的第一空间31内设置测压设备60，能够测量第一空间31内的气体的压力，该压力随着环空压力的变化而变化，即当环空压力较大时，第一活塞101和第二活塞102会压缩第一空间31内的气体，使得第一空间31内的气体压力增大，当环空压力较小时，第一空间31内的气体不再被压缩，压力变小，直至第一活塞101和第二活塞102受到的环空压力与第一空间31内的压力相平衡。具体地，设定预设压力值，当测压设备60测得的气体压力值小于预设压力值时，表明环空压力较低，需要补压，则可通过第一控制装置50启动加热器40，使第一空间31内的气体加热膨胀，对环空进行补压；当测压设备60测得的气体压力值大于或等于预设压力值时，表明环空压力增大，不需要补压，则可通过第一控制装置50关闭加热器40，停止补压。通过第一控制装置50开启或关闭加热器40实现对环空压力的控制，可以在很大程度上减少工作人员的劳动强度。
进一步地，如图4所示，腔室3还可以包括：至少两个导向杆70。弹性件20套设在导向杆70上；导向杆70的一端与罩体2的第二侧壁22连接，导向杆70的另一端与罩体2的第三侧壁23连接；导向杆70与第一活塞101和第二活塞102之间可滑动地连接。
其中，第一活塞101和第二活塞102可以沿着导向杆70移动，导向杆70对第一活塞101和第二活塞102起导向作用，在导向杆70上套设弹性件20，弹性件20对第一活塞101和第二活塞102也可以起到平衡支撑的作用。
作为一种可选的实施方式，弹性件20可以为压缩弹簧。压缩弹簧结构简单，且成本较低。
作为一种可选的实施方式，如图5所示，弹性件20包括第一弹性件201和第二弹性件202；导向杆70上设置有固定部701，第一弹性件201的一端与第一活塞101连接，第一弹性件201的另一端与固定部701连接；第二弹性件202的一端与第二活塞102连接，第二弹性件202的另一端与固定部701连接。
需要说明的是，固定部701可以是位于导向杆70中间位置的连接孔或者其他结构，本实用新型对固定部701的具体结构并不加以限定，也不限于上述示例。
在本实施例中，如图6所示，腔室3内还可以包括：伸缩机构80；伸缩机构80设置在第一空间31内，伸缩机构80包括第二控制装置801、第一伸缩部件802和第二伸缩部件803，第二控制装置801设置在第一侧壁21上，第一伸缩部件802的一端与第二控制装置801连接，第一伸缩部件802的另一端朝向第一活塞101；第二伸缩部件803的一端与第二控制装置801连接，第二伸缩部件803的另一端朝向第二活塞102。
当第一伸缩部件802和第二伸缩部件803伸出时，推动第一活塞101和第二活塞102相对远离，当第一伸缩部件802和第二伸缩部件803缩回时，第一伸缩部件802和第二伸缩部件803脱离第一活塞101和第二活塞102。通过在第一空间31内设置伸缩机构80，当需要进行环空补压时，通过第二控制装置801控制第一伸缩部件802和第二伸缩部件803朝向第一活塞101和第二活塞102伸出，以使第一伸缩部件802和第二伸缩部件803推动第一活塞101和第二活塞102紧压环空中的流体，对环空补压；当不需要进行环空补压时，通过第二控制装置801控制第一伸缩部件802和第二伸缩部件803缩回，使第一伸缩部件802和第二伸缩部件803不接触活塞。
需要说明的是，伸缩机构80可以位于第一空间31内与弹性件20等其他部件不发生干涉的位置。
本实用新型实施例一提供的油气井环空压力调节装置，通过连接短节连接于油管，随着油管下入至井内，腔室内的第二空间和第三空间分别通过第一连通口和第二连通口连通于井内环空，以使腔室内的第一活塞和第二活塞在环空压力较大时向相对靠拢的方向移动，同时压缩第一空间内的弹性件和/或可压缩介质，将环空压力的部分压力通过活塞传递给可压缩介质，从而对环空压力起到缓冲的作用，保护井筒的安全。因此，本实用新型实施例的油气井环空压力调节装置结构简单，易于实现，投入成本较低，并且在实现缓冲井内环空压力的过程中，只需将油气井环空压力调节装置随着油管下入至井内，操作简单，减少工作人员的劳动强度。
实施例二
在上述实施例一的基础上，本实用新型实施例二提供一种管柱，至少包括油管和上述实施例一中的油气井环空压力调节装置100。
油气井环空压力调节装置100的连接短节1的两端分别设置有连接部11，连接部11用于连接油管，以使连接短节1与油管连通。
其中，连接短节1两端的连接部11可以根据与油管的连接方式灵活的进行设计，例如，可以采用螺纹连接，也可以采用焊接连接。本实用新型对连接短节1与油管之间的连接方式并不加以限定，也不限于上述示例。
例如，连接短节1的连接部11可以设置有外螺纹，油管的一端可以设置有内螺纹，连接短节1和油管之间通过螺纹连接。该连接方式方便拆装，且连接可靠。
需要说明的是，当油气井环空压力调节装置100通过连接短节1与油管相连后，便可随着油管下入至井内。
此外，油气井环空压力调节装置100的其他结构及原理与上述实施例一相同，此处不再赘述
本实用新型实施例二提供的管柱，至少包括油管和油气井环空压力调节装置，该油气井环空压力调节装置通过连接短节连接于油管，随着油管下入至井内，腔室内的第二空间和第三空间分别通过第一连通口和第二流通口连通于井内环空，以使腔室内的第一活塞和第二活塞在环空压力较大时向相对靠拢的方向移动，同时压缩第一空间内的弹性件和/或可压缩介质，环空压力的部分压力通过活塞传递给可压缩介质，从而对环空压力起到缓冲的作用，保护井筒的安全。因此，本实用新型实施例的油气井环空压力调节装置结构简单，易于实现，投入成本较低，并且在实现缓冲井内环空压力的过程中，只需将油气井环空压力调节装置随着油管下入至井内，操作简单，减少工作人员的劳动强度。
在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或者位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或者暗示所指的装置或者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实用新型的限制。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非是另有精确具体地规定。
本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。
