一种安全、环保、可泄压的封井装置
技术领域
本发明属于油田井下工具技术领域，尤其涉及一种安全、环保、可泄压的封井装置。
背景技术
在现有的封井技术中，采用的是使用井口帽和下桥塞的封井工艺。当采用井口帽封井时，由于停产一段时间后，井内的压力会上升，造成井口憋压，井口帽会无法打开，如果封井帽上加装阀门，则阀门又易被盗或放油，达不到封井的目的。采用下桥塞封井时，下入、打开桥塞均需要动用作业车和泵车，并需要起下管柱作业，因此作业费用很高，且不能反复使用。
因此，有必要设计一种新的封井装置来解决上述问题。
发明内容
为了解决背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种安全、环保、可泄压的封井装置。
本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：本发明提供了一种安全、环保、可泄压的封井装置，包括中心管、卡瓦安装套、卡瓦、锥体、胶筒、坐封推套和活塞套，卡瓦安装套、锥体、胶筒和坐封推套均套装在中心管上，卡瓦通过卡瓦安装套安装在中心管的周围，
所述胶筒共有四个，分别称为胶筒A、胶筒B、胶筒C和胶筒D，四个胶筒从上到下依次排列在中心管外侧且胶筒硬度按照由上到下的顺序依次减小，相邻两个胶筒之间通过隔板隔开；
所述活塞套通过螺纹连接在中心管的下端，所述坐封推套的上端与所述胶筒D接触，坐封推套的下端插在活塞套上端内侧的环形空间内，中心管上与坐封推套的下端对应设置有抽真空孔，所述中心管内抽真空，中心管内抽真空后，负压经过抽真空孔作用于坐封推套，使坐封推套保持在下极限位置，所述坐封推套与活塞套之间设置有弹簧A，中心管内的真空解除后，坐封推套在弹簧A的弹力作用下始终保持远离活塞套的运动趋势；
所述中心管的内侧设置有连动管，连动管下端的外侧通过锁块A锁定在中心管上，所述中心管的管壁上加工有用于安装锁块A的径向通孔，锁块A安装在该径向通孔内并可沿径向顺畅滑动，所述连动管上设置有与锁块A匹配的锁槽，锁块A的内侧插在该锁槽内，锁块A的外侧抵在所述坐封推套的内侧，坐封推套的内侧还设置有供所述锁块A退位的退位槽；
所述连动管的下端与活塞套之间设置有弹簧B，连动管在弹簧B的弹力作用下始终保持向上的运动趋势；
所述锥体通过锁块B锁定在中心管上，所述中心管的管壁上加工有用于安装锁块B的径向通孔，锁块B安装在该径向通孔内并可沿径向顺畅滑动，所述锥体的内壁上设置有与锁块B匹配的锁槽，锁块B的外侧插在该锁槽内，锁块B的内侧抵在所述连动管的外侧，连动管的外侧还设置有供所述锁块B退位的退位槽；
所述中心管的外侧通过销轴固定连接有密封座，密封座的下端抵在所述胶筒A上，密封座的上端插在所述锥体下端内侧的环形空间内，并使锥体内侧形成一个环形密闭空间，该环形密闭空间内填充有压缩气体，锥体在压缩气体的压力作用下始终保持远离密封座的运动趋势，所述锥体和密封座之间设置有弹簧C，锥体在弹簧C的弹力作用下始终保持远离密封座的运动趋势；
所述中心管内安装有阀组件，阀组件的结构包括阀杆、除真空阀头、泄压阀头和解封滑套，除真空阀头通过螺纹连接在中心管的上端，除真空阀头的下部的外侧设置有圆锥面，所述中心管的内侧加工有环形凸台，该环形凸台的内侧也加工有圆锥面，该圆锥面与除真空阀头上的圆锥面配合实现密封，阀杆滑动插装在除真空阀头中央的通孔内，阀杆的上端通过螺纹连接有螺母，螺母的下侧与除真空阀头之间设置有弹簧D，阀杆在弹簧D的弹力作用下始终保持向上的运动趋势，所述泄压阀头固定连接在阀杆的下端，泄压阀头上端的外侧设置有圆锥面，该圆锥面与活塞套底部内侧的圆锥面配合实现密封，所述解封滑套固定连接在除真空阀头的下端，解封滑套的位置位于所述环形凸台的下方，并且解封滑套外径大于所述环形凸台的内孔直径；
所述卡瓦安装套通过锁块C锁定在中心管上，所述中心管的管壁上加工有用于安装锁块C的径向通孔，锁块C安装在该径向通孔内并可沿径向顺畅滑动，所述卡瓦安装套的内壁上设置有与锁块C匹配的锁槽，锁块C的外侧插在该锁槽内，锁块C的内侧抵在所述解封滑套的外侧。
作为进一步的技术方案，所述四个胶筒的硬度分别为60、75、85和95，以邵氏硬度计量。
作为进一步的技术方案，所述胶筒C和胶筒D之间的隔板与坐封推套之间设置有止退机构，其结构包括滑管、滑杆和卡块，滑管和滑杆分别固定连接在隔板和坐封推套上，滑杆滑动插装在滑管内，所述卡块设置在滑管的根部，滑杆的上端与所述卡块对应设置有卡槽。
作为进一步的技术方案，所述卡瓦安装套的下端与锥体之间设置有弹簧E，卡瓦安装套在弹簧E的弹力作用下始终保持向上的运动趋势。
作为进一步的技术方案，所述弹簧E的弹性模量小于弹簧C的弹性模量。
本发明的有益效果为：
1、本发明设置了四个硬度不同的胶筒，并把四个胶筒按照硬度从大到小的顺序由上至下排列，这种结构的好处在于：胶筒坐封时，只需要使最下方硬度最小的胶筒D坐封，因此所需要的坐封压力很小，因此坐封时不用动用作业车、泵车、水罐车等大型设备，作业成本大幅降低。
另外，本发明虽然坐封压力小，但坐封后的承压能力很强，因此工作可靠性好。具体而言，当井下压力上顶时，坐封后的胶筒D连同其上下两侧的隔板会作为一个组合活塞被压力推动上行，继而压缩胶筒C，使胶筒C坐封；压力继续升高，胶筒C和胶筒C上侧的隔板也一同上行形成新的、承压能力更强的组合活塞,该组合活塞的推力作用于胶筒B使胶筒B被压缩，从而使胶筒B坐封；压力继续升高，胶筒B和胶筒B上侧的隔板也一同上行形成新的、承压能力更强的组合活塞,该组合活塞的推力作用于胶筒A使胶筒A被压缩，从而使胶筒A坐封。
2、本发明采用特别的真空坐封方式，坐封时只需解除中心管内的真空即可，无需采用其他作业手段，因此使用更加方便，作业成本更低。
出厂前，将中心管内抽成真空，以使坐封推套稳定地处于下极限位置，并使弹簧A压缩，同时，将锥体内侧的环形密闭空间中注入压缩气体。
使用时，通过工具拧动除真空阀头使中心管内的真空状态解除，此后，坐封推套在弹簧A的推动下向上运动，从而压缩胶筒D使其坐封；坐封推套上行后，当锁块A与坐封推套内侧的退位槽对正时，连动管的上行趋势使锁块A得以沿径向向外滑动，从而使锁块A对连动管的锁定作用解除，连动管得以在弹簧B的弹力作用下上行；连动管上行后，当连动管外侧的退位槽与锁块B对正时，锥体的上行趋势使锁块B得以沿径向向内侧滑动，从而使锁块B对锥体的锁定作用解除，锥体得以在弹簧C的弹力作用下上行；锥体上行后，卡瓦在锥体的推动下沿锥体的径向向外运动，从而实现卡瓦的坐封。
3、现有技术中的封井器采用了与封隔器等井下工具相同的坐封和解封原理，运输过程中的震动有可能导致封井器意外解封。而在本发明中，解封时需要旋转除真空阀头数周，因此运输过程中不会意外解封。
4、本发明中设置了泄压机构，当井下积蓄的压力过大时，可通过下压阀杆的方式适当泄压，从而避免井下压力过大造成危险。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是图1中A处的局部放大图。
图中：1-中心管，2-卡瓦安装套，3-卡瓦，4-阀杆，5-锥体，6-连动管，7-密封座，8-胶筒A，9-胶筒B，10-胶筒C，11-胶筒D，12-坐封推套，13-活塞套，14-泄压阀头，15-抽真空孔，16-弹簧B，17-弹簧A，18-锁块A，19-隔板，20-销轴，21-弹簧C，22-锁块B，23-弹簧E，24-锁块C，25-解封滑套，26-泄压孔，27-除真空阀头，28-弹簧D，29-螺母，30-环形凸台，31-滑管，32-滑杆，33-卡块，34-退位槽，35-环形密闭空间，36-卡槽。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步描述：
如图1所示，本发明包括中心管1、卡瓦安装套2、卡瓦3、锥体5、胶筒、坐封推套12和活塞套13，卡瓦安装套2、锥体5、胶筒和坐封推套12均套装在中心管1上，卡瓦3通过卡瓦安装套2安装在中心管1的周围。以上结构为现有技术中的常见结构，在此不再赘述。
本发明的重大创新之一在于：所述胶筒共有四个，分别称为胶筒A8、胶筒B9、胶筒C10和胶筒D11，四个胶筒从上到下依次排列在中心管1外侧且胶筒硬度按照由上到下的顺序依次减小，相邻两个胶筒之间通过隔板19隔开。
本发明设置了四个硬度不同的胶筒，并把四个胶筒按照硬度从大到小的顺序由上至下排列，这种结构的好处在于：胶筒坐封时，只需要使最下方硬度最小的胶筒D11坐封，因此所需要的坐封压力很小，因此坐封时不用动用作业车、泵车、水罐车等大型设备，作业成本大幅降低。
在井下工具领域，胶筒作为密封件具有两个性能特点：一是硬度越大，承压能力越强；二是硬度越大越难以被压缩，所需的坐封压力越大。本发明恰恰巧妙运用了胶筒的这两个性能特点，井下压力上顶时，随着压力的增大，胶筒C10、胶筒B9和胶筒A8依次自动坐封，使胶筒组件的承压能力随压力的升高而升高(硬度最大的胶筒A8被压缩后，胶筒组件的承压能力达到最大)，从而既保证了较小的坐封压力小，又使胶筒具有很强的承压能力，因此本发明的工作可靠性好。
具体而言，当井下压力上顶时，坐封后的胶筒D11连同其上下两侧的隔板19会形成一个组合活塞并被压力推动上行，继而压缩胶筒C10，使胶筒C10坐封；压力继续升高，胶筒C10和胶筒C10上侧的隔板19也一同上行形成新的、承压能力更强的组合活塞,该组合活塞的推力作用于胶筒B9使胶筒B9被压缩，从而使胶筒B9坐封；压力继续升高，胶筒B9和胶筒B9上侧的隔板19也一同上行形成新的、承压能力更强的组合活塞,该组合活塞的推力作用于胶筒A8使胶筒A8被压缩，从而使胶筒A8坐封。
如图1所示，本发明中，所述活塞套13通过螺纹连接在中心管1的下端，所述坐封推套12的上端与所述胶筒D11接触，坐封推套12的下端插在活塞套13上端内侧的环形空间内，中心管1上与坐封推套12的下端对应设置有抽真空孔15，中心管1内抽真空后，负压经过抽真空孔15作用于坐封推套12，使坐封推套12保持在下极限位置，所述坐封推套12与活塞套13之间设置有弹簧A17，中心管1内的真空解除后，坐封推套12在弹簧A17的弹力作用下始终保持远离活塞套13的运动趋势。胶筒D11坐封前，坐封推套12位于如图1所示的位置，此时，弹簧A17处于压缩状态。使用时，通过工具拧动除真空阀头27使中心管1内的真空状态解除。此后，坐封推套12在弹簧A17的推动下向上运动，从而压缩胶筒D11使其坐封。
具体实施时，解除中心管1内真空状态的方式有两种：
第一种，可在中心管1和除真空阀头27上分别通过螺纹连接上两根直径不同的钢管，在井口使两根钢管相对旋转便可使除真空阀头27与中心管1相对转动，当除真空阀头27与所述环形凸台30脱离时，空气经过泄压孔26进入中心管1内部，从而将中心管1内的真空状态解除。
第二种：可通过下压阀杆4的方式使井下的空气进入中心管内，具体可在安装本发明的管柱内投入铅杆，铅杆自由落体产生的冲击力作用于阀杆4，进而将泄压阀头14打开。
如图1所示，本发明中，所述中心管1的内侧设置有连动管6，连动管6下端的外侧通过锁块A18锁定在中心管1上，所述中心管1的管壁上加工有用于安装锁块A18的径向通孔，锁块A18安装在该径向通孔内并可沿径向顺畅滑动，所述连动管6上设置有与锁块A18匹配的锁槽，锁块A18的内侧插在该锁槽内，锁块A18的外侧抵在所述坐封推套12的内侧，坐封推套12的内侧还设置有供所述锁块A18退位的退位槽34。所述连动管6的下端与活塞套13之间设置有弹簧B16，连动管6在弹簧B16的弹力作用下始终保持向上的运动趋势。
所述锥体5通过锁块B22锁定在中心管1上，所述中心管1的管壁上加工有用于安装锁块B22的径向通孔，锁块B22安装在该径向通孔内并可沿径向顺畅滑动，所述锥体5的内壁上设置有与锁块B22匹配的锁槽，锁块B22的外侧插在该锁槽内，锁块B22的内侧抵在所述连动管6的外侧，连动管6的外侧还设置有供所述锁块B22退位的退位槽34。所述中心管1的外侧通过销轴20固定连接有密封座7，密封座7的下端抵在所述胶筒A8上，密封座7的上端插在所述锥体5下端内侧的环形空间内，并使锥体5内侧形成一个环形密闭空间35，该环形密闭空间35内填充有压缩气体，锥体5在压缩气体的压力作用下始终保持远离密封座7的运动趋势，所述锥体5和密封座7之间设置有弹簧C21，锥体5在弹簧C21的弹力作用下始终保持远离密封座7的运动趋势。坐封推套12上行后，当锁块A18与坐封推套12内侧的退位槽34对正时，连动管6的上行趋势使锁块A18得以沿径向向外滑动，从而使锁块A18对连动管6的锁定作用解除，连动管6得以在弹簧B16的弹力作用下上行；连动管6上行后，当连动管6外侧的退位槽34与锁块B22对正时，锥体5的上行趋势使锁块B22得以沿径向向内侧滑动，从而使锁块B22对锥体5的锁定作用解除，锥体5得以在弹簧C21的弹力以及环形密闭空间35内的压缩气体压力作用下向上移动；锥体5上行后，卡瓦3在锥体5的推动下沿锥体5的径向向外运动，从而实现卡瓦3的坐封。
所述中心管1内安装有阀组件，阀组件的结构包括阀杆4、除真空阀头27、泄压阀头14和解封滑套25。其中，阀杆4的作用是用来驱动泄压阀头14动作，从而使井下的压力进入中心管。本发明中，除真空阀头27通过螺纹连接在中心管1的上端，除真空阀头27的下部的外侧设置有圆锥面，所述中心管1的内侧加工有环形凸台30，该环形凸台30的内侧也加工有圆锥面，该圆锥面与除真空阀头27上的圆锥面配合实现密封。两个圆锥面分离时，中心管1内与外界连通。
阀杆4滑动插装在除真空阀头27中央的通孔内，阀杆4的上端通过螺纹连接有螺母29，螺母29的下侧与除真空阀头27之间设置有弹簧D28，阀杆4在弹簧D28的弹力作用下始终保持向上的运动趋势，从而保持泄压阀头14在常态下保持关闭状态。
所述泄压阀头14固定连接在阀杆4的下端，泄压阀头14上端的外侧设置有圆锥面，该圆锥面与活塞套13底部内侧的圆锥面配合实现密封，所述解封滑套25固定连接在除真空阀头27的下端，解封滑套25的位置位于所述环形凸台30的下方，并且解封滑套25外径大于所述环形凸台30的内孔直径。当井下积蓄的压力过大时，可通过下压阀杆4的方式适当泄压，从而避免井下压力过大造成危险。
所述卡瓦安装套2通过锁块C24锁定在中心管1上，所述中心管1的管壁上加工有用于安装锁块C24的径向通孔，锁块C24安装在该径向通孔内并可沿径向顺畅滑动，所述卡瓦安装套2的内壁上设置有与锁块C24匹配的锁槽，锁块C24的外侧插在该锁槽内，锁块C24的内侧抵在所述解封滑套25的外侧。
解封时，通过管柱将除真空阀头27从中心管1的上端旋下并上提，可使解封滑套25一同上提，继而解除锁块C24对卡瓦安装套2的锁定作用，最终实现本发明的解封，本发明解封后，还可通过上提除真空阀头27的方式将本发明整体从井内取出。
所述四个胶筒的硬度分别为60度、75度、85度和95度(以邵氏硬度计量)，四种硬度中，85度为普通封隔器胶筒的常用硬度，也就是说，当胶筒B9坐封后，本发明的承压能力能达到20MPa左右，当胶筒A8坐封后，本发明的承压能力将进一步提高。
作为进一步的技术方案，所述胶筒C10和胶筒D11之间的隔板19与坐封推套12之间设置有止退机构，其结构包括滑管31、滑杆32和卡块33，滑管31和滑杆32分别固定连接在隔板19和坐封推套12上，滑杆32滑动插装在滑管31内，所述卡块33设置在滑管31的根部，滑杆32的上端与所述卡块33对应设置有卡槽36，胶筒D11被压缩后，滑杆32插入滑管31的根部并被卡块33卡住而不能回位。止退机构可把胶筒D11上下两侧的两块隔板19锁定在一起，从而使胶筒D11在坐封后始终保持在被压缩状态。
作为进一步的技术方案，所述卡瓦安装套2的下端与锥体5之间设置有弹簧E23，卡瓦安装套2在弹簧E23的弹力作用下始终保持向上的运动趋势，解封后，卡瓦安装套2会在弹簧E23的作用下向上运动，从而使卡瓦3和套管内壁解除接触。
作为进一步的技术方案，所述弹簧E23的弹性模量小于弹簧C21的弹性模量。
本发明的位置位于距井口0-10米的范围内，因此坐封、解封、泄压等过程均可通过钢管等工具操作。
需要注意的是，最常见的套管的直径为124-126mm，为了保证常规胶筒的坐封，现有的封井器和封隔器的外径均为113或114mm，而本发明的外径应设定为120-122mm才能保证密封效果。
