上端部較硬的膠筒、封隔器和橋塞的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及密封領(lǐng)域，特別是涉及一種石油開采工業(yè)中使用的能承受高溫高壓的上端部較硬的膠筒、封隔器和橋塞。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種膠筒，膠筒上端部的硬度大于中間部的硬度，以致上端部承受第一軸向壓力時，中間部在徑向方向的形變大于上端部在徑向方向的形變。上端部的硬度大于中間部的硬度，這樣在上端部受到第一軸向壓力時，上端部更多地是將該第一軸向壓力傳遞給中間部及下端部而非用于自身的徑向變形。這樣能夠在使用較小的第一軸向壓力時即可讓中間部及下端部發(fā)生徑向變形，從而達(dá)到膠筒整體的密封。
【專利說明】
上端部較硬的膠筒、封隔器和橋塞
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及密封領(lǐng)域，特別是涉及一種石油開采工業(yè)中使用的能承受高溫高壓的上端部較硬的膠筒、封隔器和橋塞。
【背景技術(shù)】
[0002]封隔器是油田井下采油的一種關(guān)鍵工具，廣泛應(yīng)用于油田分注、分層改造、分層采油、機械管道堵水等多種作業(yè)，封隔器需要進(jìn)行環(huán)空的封隔，以實現(xiàn)油氣分層，而實現(xiàn)環(huán)空封隔的核心部件是膠筒。橋塞也是采油工作中普遍使用的一種油氣分層的工具。封隔器和橋塞的主要區(qū)別是，封隔器一般是在壓裂、酸化、找漏等措施施工時暫時的留在井內(nèi)，而橋塞是在封層采油等措施時暫時或永久地留在井內(nèi)。封隔器和中心管同時留井，配上丟手可以單獨留井，而橋塞則是單獨留井。從結(jié)構(gòu)上說，封隔器是中空結(jié)構(gòu)，可以自由流動油氣水，而橋塞中則是實心結(jié)構(gòu)。
[0003]作為油氣分離的工具，封隔器和橋塞都需要膠筒，膠筒作為密封的關(guān)鍵部件，其質(zhì)量直接影響封隔器和橋塞的密封效果和使用壽命，在封隔器和橋塞中起著決定性的作用。膠筒一般采用橡膠類材料制成，故稱之為膠筒。但膠筒僅是一種行業(yè)內(nèi)約定成俗的技術(shù)術(shù)語，用于表示起到密封作用的功能性部件，而不僅僅指膠筒只能由橡膠制作。當(dāng)膠筒承受一定的壓力來促使其變形用來密封時，需要考慮膠筒本身的形變能力，若形變不足會導(dǎo)致其無法起到密封作用;若形變過大，可能導(dǎo)致膠筒因壓潰而失效，喪失恢復(fù)能力。最重要的是，當(dāng)膠筒在井下受到高溫蒸汽作用時，膠筒更多的是受到高溫高壓的同時作用而失效導(dǎo)致失去恢復(fù)能力。
[0004]2013年第一期的《石油礦場機械》公開了《封隔器膠筒結(jié)構(gòu)改進(jìn)及優(yōu)勢分析》的文章，其中記載有以下內(nèi)容常用的封隔器上串有3個膠筒，分為上、中、下3個膠筒結(jié)構(gòu)尺寸相同和上下膠筒為長膠筒、中膠筒為短膠筒2種結(jié)構(gòu)形式。通過對傳統(tǒng)三膠筒結(jié)構(gòu)的研究發(fā)現(xiàn)，起主要密封作用的是上膠筒”。并且，通過非線性有限元分析軟件Abaqus進(jìn)行非線性分析得出隨著軸向載荷增大，軸向壓縮量也增大，開始時壓縮量增大較明顯，隨后壓縮量增大變緩，膠筒變形趨于穩(wěn)定；隨著坐封力的增大，膠筒與套管接觸長度逐漸增加。膠筒外表柱面部分徑向變形受限制，膠筒內(nèi)表面變形如外表一樣向外鼓，當(dāng)載荷增加時膠筒被壓扁并在最后壓實。但由于結(jié)構(gòu)限制，只有上膠筒能夠被壓實。在工作壓力為30MPa時，上膠筒基本完全壓實，膠筒上端出現(xiàn)輕微肩突，但未發(fā)生膠筒割裂現(xiàn)象，肩突在允許范圍之內(nèi)”。
[0005]上述現(xiàn)有技術(shù)僅分析了自上而下對膠筒施加第一軸向壓力(相當(dāng)于“軸向載荷”)，但在實際生產(chǎn)過程中，需要對膠筒首先施加一個第一軸向壓力來使膠筒產(chǎn)生密封;然后膠筒會受到一個自下而上的第二軸向壓力(井底氣體等物質(zhì)對膠筒的沖擊)的作用。根據(jù)發(fā)明人的試驗，當(dāng)軸向的工作壓力為30MPa時，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)幾乎所有的上膠筒都會出現(xiàn)肩突，再進(jìn)一步施加自下而上的第二軸向壓力(例如15Ma)時，所有的上膠筒均會在肩突處產(chǎn)生割裂，導(dǎo)致密封失效。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的一個目的在于提供一種新的結(jié)構(gòu)設(shè)計的膠筒，來防止膠筒密封失效。
[0007]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種膠筒，膠筒具有位于中心的通孔、位于所述通孔處的內(nèi)表面、與所述內(nèi)表面相對應(yīng)的外表面、分別位于所述膠筒兩端的上端部和下端部以及位于所述上端部和所述下端部之間的中間部，所述上端部用于承受沿軸向方向的第一軸向壓力，所述下端部用于承受沿所述軸向方向的與所述第一軸向壓力相反的第二軸向壓力；當(dāng)所述第一軸向壓力施加于所述上端部時，所述上端部、中間部及下端部均在徑向方向發(fā)生形變;當(dāng)所述第二軸向壓力施加于所述下端部時，所述上端部、中間部及下端部均在徑向方向發(fā)生形變，所述上端部的硬度大于所述中間部的硬度，以致所述上端部承受所述第一軸向壓力時，所述中間部在徑向方向的形變大于所述上端部在徑向方向的形變。
[0008]優(yōu)選地，所述下端部的硬度大于所述中間部的硬度，以致所述下端部承受所述第二軸向壓力時，所述中間部在徑向方向的形變大于所述下端部在徑向方向的形變。
[0009]優(yōu)選地，所述上端部與所述下端部的硬度基本相同，以致所述上端部承受所述第一軸向壓力時，所述中間部在徑向方向的形變大于所述上端部和所述下端部在徑向方向的形變，并且所述下端部承受所述第二軸向壓力時，所述中間部在徑向方向的形變大于所述上端部和所述下端部在徑向方向的形變。
[0010]優(yōu)選地，所述膠筒由兩個以上的密封環(huán)在所述軸向方向排列而成。
[0011]優(yōu)選地，所述膠筒由兩個密封環(huán)在所述軸向方向排列而成，一個所述密封環(huán)充當(dāng)所述上端部，另一個所述密封環(huán)充當(dāng)所述下端部和所述中間部。
[0012]優(yōu)選地，所述膠筒由三個密封環(huán)在所述軸向方向排列而成，三個所述密封環(huán)分別充當(dāng)所述上端部、所述中間部和所述下端部。
[0013]優(yōu)選地，所述膠筒由多于三個的密封環(huán)在所述軸向方向排列而成，分布于所述軸向方向兩端的兩個所述密封環(huán)分別充當(dāng)所述上端部和所述下端部，剩余的所述密封環(huán)充當(dāng)所述中間部。
[0014]優(yōu)選地，所述密封環(huán)均具有膠體和呈圓環(huán)狀的基體，所述基體由相互交叉的耐高溫高壓的多根纖維絲組成，所述膠體粘接各所述纖維絲，并且所述膠體分布于各所述基體的表面上以致沿所述軸向方向排列的多個所述密封環(huán)的內(nèi)部和外部分別形成所述內(nèi)表面和外表面。
[0015]優(yōu)選地，所述基體為石墨盤根或碳纖維盤根；
[0016]優(yōu)選地，各所述密封環(huán)均與所述膠筒的徑向方向成夾角β;
[0017]其中，5°<β<45°。
[0018]優(yōu)選地，膠筒還包括約束套，所述約束套整體呈擴口狀，所述約束套的擴口端套設(shè)在所述上端部或所述下端部上，所述約束套的縮口端遠(yuǎn)離被所述擴口端套設(shè)的所述上端部或所述下端部來用于承受所述第一軸向壓力或所述第二軸向壓力。
[0019]優(yōu)選地，所述縮口端具有向內(nèi)的倒邊。
[0020]優(yōu)選地，被所述擴口端套設(shè)的所述上端部或所述下端部呈縮口狀來與所述擴口端相配合。
[0021]優(yōu)選地，所述約束套為銅質(zhì)，所述擴口端的最大厚度小于或等于2mm。
[0022]優(yōu)選地，所述約束套的數(shù)量為兩個，其中一個所述約束套的擴口端套設(shè)在所述上端部，另一個所述約束套的擴口端套設(shè)在所述下端部上。
[0023]根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供一種封隔器，該封隔器具有上述技術(shù)方案之一所限定的膠筒。
[0024]根據(jù)本發(fā)明的再一個方面，提供一種橋塞，該橋塞具有上述技術(shù)方案之一所限定的膠筒。
[0025]本申請?zhí)峁┑募夹g(shù)方案至少具有如下技術(shù)效果:
[0026]1、根據(jù)本申請的技術(shù)方案，上端部的硬度大于中間部的硬度，這樣在上端部受到第一軸向壓力時，上端部更多地是將該第一軸向壓力傳遞給中間部及下端部而非用于自身的徑向變形。這樣能夠在使用較小的第一軸向壓力時即可讓中間部及下端部發(fā)生徑向變形，從而達(dá)到膠筒整體的密封。
[0027]2、根據(jù)本申請的技術(shù)方案，在中間部的硬度不變的情況下，本申請將上端部的硬度設(shè)置為大于中間部的硬度，這樣在受到相同大小的第一軸向壓力作用時，上端部在徑向方向的變形較小，特別需要注意的是，相應(yīng)地上端部因徑向變形而形成的肩突也較小。較小的肩突能夠有效地防止膠筒割裂，達(dá)到了防止膠筒密封失效的效果。
[0028]3、在一個實施例中，由于基體中包含多根纖維絲，當(dāng)纖維絲的數(shù)量較多時密封環(huán)偏硬，當(dāng)纖維絲的數(shù)量較少時密封環(huán)偏軟，這樣就可以根據(jù)纖維絲的數(shù)量來調(diào)節(jié)密封環(huán)的軟硬程度，這樣能夠通過改變密封環(huán)的硬度來直接改變膠筒整體的硬度，達(dá)到增加膠筒的抗壓強度范圍的目的。
[0029]4、本申請的基體具有相互交叉的纖維絲，膠體將各纖維絲粘接。當(dāng)膠筒受到第一軸向壓力而膨脹時，纖維絲將限制該膨脹，從而在整體上增加膠筒的結(jié)構(gòu)硬度，增加膠筒的抗壓強度。
[0030]5、本申請涉及的多個密封環(huán)軸向排列，在石油開采過程中若有個別密封環(huán)損壞，可以將損壞的密封環(huán)更換為新的密封環(huán)，而其余密封環(huán)不再更換。這樣從整體上而言，增加了單個密封環(huán)平均的使用時長，能夠大大減小膠筒的使用量，降低生產(chǎn)成本。
[0031]6、當(dāng)本申請的基體選擇為盤根時，可以選用現(xiàn)有的耐高溫高壓的盤根，這樣，當(dāng)膠體與石墨盤根或碳纖維盤根結(jié)合而成為密封環(huán)時，盤根整體能起到支撐作用，而膠體能起到變形和密封加強的作用。本發(fā)明選用現(xiàn)有的盤根，而不用制作專門的用作基體的盤根，能夠增加生產(chǎn)的靈活性。據(jù)發(fā)明人所知，現(xiàn)有的石墨盤根和碳纖維盤根可以耐受住高溫高壓的作用，但石墨盤根和碳纖維盤根的回彈性較差。在本申請中，膠體分散于盤根之中，在第一軸向壓力消失后膠體有助于被壓縮的盤根進(jìn)行回彈，從而有利于膠筒從井下取出。
[0032]7、本申請的基體均與膠筒的徑向方向成夾角，這樣在膠筒受到第一軸向壓力作用時，密封環(huán)首先變成與膠筒的徑向方向平行，然后密封環(huán)才進(jìn)行徑向的向內(nèi)和向外凸起。而在密封環(huán)由傾斜狀態(tài)變?yōu)榕c徑向方向平行的狀態(tài)中，密封環(huán)自身并不會產(chǎn)生徑向方向的變形，只是膠筒會產(chǎn)生徑向方向的變形。這樣，從總體來看，增加了膠筒的徑向方向的變形量，能夠克服膠筒較硬而徑向方向變形不足的缺陷。
【附圖說明】
[0033]后文將參照附圖以示例性而非限制性的方式詳細(xì)描述本發(fā)明的一些具體實施例。附圖中相同的附圖標(biāo)記標(biāo)示了相同或類似的部件或部分。附圖中:
[0034]圖1是本發(fā)明一個實施例的包含膠筒的壓縮式封隔器與中心管及套管的位置關(guān)系示意圖；
[0035]圖2是本發(fā)明一個實施例的膠筒與中心管及套管的位置關(guān)系示意圖，其中僅示出了一部分膠筒、中心管及套管；
[0036]圖3示出了圖2所示的膠筒被施加第一軸向壓力后產(chǎn)生的肩突與中心管及套管的位置關(guān)系示意圖，此時還未對膠筒施加第二軸向壓力；
[0037]圖4是本發(fā)明一個實施例的膠筒的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0038]圖5是本發(fā)明一個實施例的密封環(huán)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0039]圖6是本發(fā)明另一個實施例的膠筒的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0040]圖7是本發(fā)明再一個實施例的膠筒的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0041]圖8是圖6和圖7所示的膠筒被第一軸向壓力壓縮后的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0042]圖9是本發(fā)明一個實施例涉及的約束套的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0043]圖10是本發(fā)明一個實施例的包含約束套的膠筒的結(jié)構(gòu)示意圖，其示出了壓縮前的約束套與膠筒其它部分的位置關(guān)系；
[0044]圖11是圖10中膠筒被第一軸向壓力壓縮過程中的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0045]圖12是圖10中膠筒被第一軸向壓力壓縮后的結(jié)構(gòu)示意圖，其示出了壓縮后的約束套與膠筒其它部分的位置關(guān)系；
[0046]圖13是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的三段式的膠筒的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0047]圖中的附圖標(biāo)記如下:
[0048]10-膠筒，101-外表面，102-內(nèi)表面，103-通孔，104-上端部，105-下端部，106-中間部，107-肩突；
[0049 ] 108-基體，109-膠體，111 -密封環(huán)；
[0050] 20-約束套，21-縮口端，22-擴口端；
[0051 ] 30-中心管；
[0052]40-套管；
[0053]50-剛性隔環(huán)；
[0054]60-凸起；
[0055]200-壓縮式封隔器；
[0056]A-第一軸向方向；
[0057]B-第二軸向方向；
[0058]F1-第一軸向壓力；
[0059]F2-第二軸向壓力。
【具體實施方式】
[0060]下文所述的方向“上”、“下”均是以圖2作為參考敘述的。
[0061]如圖1所示的壓縮式封隔器200具有本申請的膠筒10。壓縮式封隔器200連接于中心管30上并置于套管40內(nèi)。壓縮式封隔器200需要在井筒中把不同的油層、水層分隔開并承受一定壓差，要求既能下到井筒預(yù)定位置，封隔嚴(yán)，又能在井下具有耐久性，需要時可順利起出。
[0062]如圖2所示，膠筒10位于套管40和中心管30組成的環(huán)形空隙內(nèi)，剛性隔環(huán)50在軸向方向上提供自上而下(即第一軸向方向A)的第一軸向壓，在其它實施例中還可以去掉剛性隔環(huán)50并由能對膠筒10施加第一軸向壓力F1的其它部件來代替。如圖2所示，膠筒10兩端為上端部104和下端部105，中間部106位于上端部104和下端部105之間。上端部104用于承受沿軸向方向的第一軸向壓力F1，下端部105用于承受沿軸向方向的與第一軸向壓力^相反的第二軸向壓力F2。作為膠筒10的一部分，上端部104、下端部105和中間部106均應(yīng)該具有彈性，作為一種解釋，當(dāng)?shù)谝惠S向壓力F1施加于上端部104時，上端部104、中間部106及下端部105均在徑向方向發(fā)生形變；當(dāng)?shù)诙S向壓力F2施加于下端部105時，上端部104、中間部106及下端部105均在徑向方向發(fā)生形變。在圖2所示實施例中，上端部104和下端部105均具有斜邊，在其它實施例中也可以不設(shè)置該斜邊。
[0063]在圖4所示實施例中，膠筒10整體為筒狀，膠筒10具有位于中心的通孔103，該通孔103由內(nèi)表面102限定而形成，外表面101位于與內(nèi)表面102相對應(yīng)的通孔103的外側(cè)處。當(dāng)?shù)谝惠S向壓力Fr沿第一軸向方向A作用于上端部104或第二軸向壓力F2沿第二軸向方向B作用于下端部105時，膠筒10整體將被軸向壓縮而進(jìn)行徑向擴張(與“在徑向方向的發(fā)生形變”具有相同的含義)，促使外表面101向外凸起并且內(nèi)表面102向內(nèi)凸起，但在時序上一般地是外表面101先向外凸起。在施加第一軸向壓力？!后，內(nèi)表面102與圖1和圖2中的中心管30密封，外表面1I與圖1和圖2中的套管40密封。一般地，內(nèi)表面102與中心管30之間的空隙較小(幾近相互貼合)，而外表面101與套管40之間的間隙較大，由于中心管30和套管40分別將內(nèi)表面102和外表面101的最大的凸起大小進(jìn)行了限定，所以導(dǎo)致外表面101向外凸起的程度大于內(nèi)表面102向內(nèi)凸起的程度。
[0064]如上所述，上端部104、下端部105和中間部106均應(yīng)該具有彈性，但在圖2和圖4所示實施例中，上端部104的硬度大于中間部106的硬度。所以上端部104承受第一軸向壓力F1時，中間部106在徑向方向的形變大于上端部104在徑向方向的形變。
[0065]由于上端部104的硬度大于中間部106的硬度，這樣在上端部104受到第一軸向壓力^時，上端部104更多地是將該第一軸向壓力F1傳遞給中間部106及下端部105而非用于自身的徑向變形。這樣能夠在使用較小的第一軸向壓力^時即可讓中間部106及下端部105發(fā)生徑向變形，從而達(dá)到膠筒10整體的密封。發(fā)明人在試驗中發(fā)現(xiàn)，若上端部104的硬度不大于中間部106的硬度，則上端部104在受到第一軸向壓力，更多的是用于自身的徑向變形而非傳遞給中間部106及下端部105，如圖3所示的那樣，上端部104會產(chǎn)生很大的肩突107。當(dāng)再施加第二軸向壓力內(nèi)時，上端部104會在圖3中的肩突107處發(fā)生割裂。
[0066]根據(jù)本申請的技術(shù)方案，在中間部106的硬度不變的情況下，本申請將上端部104的硬度設(shè)置為大于中間部106的硬度，這樣在受到相同大小的第一軸向壓力F1作用時，上端部104在徑向方向的變形較小，特別需要注意的是，相應(yīng)地上端部104因徑向變形而形成的肩突107也較小。較小的肩突107能夠有效地防止膠筒10割裂，達(dá)到了防止膠筒10密封失效的效果。
[0067]由于上端部104的徑向形變較小，很可能地，此時上端部104在徑向方向的形變已經(jīng)不足于將套管40和中心管30密封，也就是說此時上端部104將不再起到密封作用，而僅僅是將受到的第一軸向壓力F1傳遞給中間部106和下端部105，這是本申請的膠筒10與現(xiàn)有技術(shù)的膠筒的一個很重要的不同之處。而且，即使上端部104的徑向形變較大而將套管40和中心管30密封，此時上端部104的密封也僅是對該膠筒10密封的一個補充，無論上端部104是否起到密封作用，上端部104硬度大于中間部106硬度的設(shè)置，防止了肩突107的過大而導(dǎo)致的膠筒10割裂，也能用較小的第一軸向壓對膠筒10進(jìn)行密封。
[0068]根據(jù)本申請的技術(shù)方案，在中間部106的硬度不變的情況下，本申請將上端部104的硬度設(shè)置為大于中間部106的硬度，但是這樣上端部104在第一軸向壓力^作用下可能并未與套管40接觸而并不起到密封作用。在該種特殊結(jié)構(gòu)下，當(dāng)下端部105與中間部106的硬度基本相同時，本申請的膠筒的密封由下端部105和中間部106來提供；當(dāng)下端部105與上端部104的硬度基本相同時，本申請的膠筒的密封由中間部106來提供。這樣本申請的膠筒1與現(xiàn)有技術(shù)的膠筒在起密封作用的結(jié)構(gòu)上完全不同。
[0069]作為一個優(yōu)選實施例，當(dāng)上端部104的外壁與套管40的內(nèi)壁相抵觸，更優(yōu)地是上端部104的外壁與套管40的內(nèi)壁密封，此時上端部104的下部基本等面積地覆蓋于中間部106的上部，上端部104與中間部106基本不存在徑向方向上的差異，從而能對中間部106與上端部104結(jié)合處產(chǎn)生向下的抵壓作用，防止或者減少中間部106與上端部104結(jié)合處出現(xiàn)肩突。
[0070]若為了達(dá)到如上所述的“更多地是將該第一軸向壓力F1傳遞給中間部106及下端部105而非用于自身的徑向變形”和上端部104不產(chǎn)生肩突107的效果，可以使用不以變形的金屬塊，例如鐵塊。但若金屬塊的直徑較小，則與金屬塊接觸的中間部106會產(chǎn)生更大的肩突107，若金屬塊的直徑較大，則考慮到套管40的彎曲情況，金屬塊不易在套管40內(nèi)滑行到合適的位置，而且若套管40內(nèi)進(jìn)入異物則較大的金屬塊也不易從套管內(nèi)抽離。從另一方面說，提升力較小則不能將金屬塊從套管40內(nèi)抽離，提升力較大則可能損傷套管40。綜合考慮，本申請使用的上端部104具有彈性，但對上端部104的彈性進(jìn)行了限定，即上端部104的硬度大于中間部106的硬度，這樣上端部104可以做的直徑較小，方便在套管內(nèi)移動，例如上端部104可以與中間部106的直徑相同。由于上端部104較硬，其自身不易形成肩突107或者形成的肩突107較小，由于在壓縮時上端部104在徑向方向逐漸延伸變形而發(fā)生形變，減小了上端部104與套管40之間的空隙，從而減小或阻止了中間部106的肩突的形成及形成的大小。
[0071]在一個實施例中，下端部105的硬度大于中間部106的硬度，以致下端部105承受第二軸向壓力F2時，中間部106在徑向方向的形變大于下端部105在徑向方向的形變。基于同樣的原理，這樣的結(jié)構(gòu)能夠防止下端部105在承受第一軸向壓力F1或者第二軸向壓力F2時產(chǎn)生肩突，并能夠在已經(jīng)產(chǎn)生肩突的情況下來防止下端部105在進(jìn)一步承受第二軸向壓力F2時造成肩突變大，從而防止下端部105被割裂而引起膠筒10密封失效。
[0072]在另一個實施例中，上端部104與下端部105的硬度基本相同，也就是說，上端部104與下端部105的硬度均大于中間部106的硬度，這樣無論受到第一軸向壓力？工還是第二軸向壓力F2時，中間部106的形變均大于上端部104與下端部105。這樣的結(jié)構(gòu)能使中間部106很快地達(dá)到密封狀態(tài)，并且防止上端部104與下端部105發(fā)生肩突或者防止上端部104與下端部105已經(jīng)產(chǎn)生的肩突變大。
[0073]如圖2、圖3和圖4所示實施例中，膠筒10由上端部104、下端部105和中間部106三部分組成，三個密封環(huán)111分別充當(dāng)上端部104、下端部105和中間部106。在圖6、圖7和圖8所示實施例中，膠筒10由11個密封環(huán)111組成，其中最上端的密封環(huán)111充當(dāng)上端部104，最下端的密封環(huán)111充當(dāng)下端部105，其余的9個密封環(huán)111充當(dāng)中間部106。在其它實施例中，組成中間部106的密封環(huán)111還可以為其它數(shù)量?；氐綀D2、圖3和圖4，膠筒10還可以僅有兩個密封環(huán)111組成，其中一個密封環(huán)111充當(dāng)上端部104，另一個密封環(huán)111充當(dāng)下端部105和中間部106。
[0074]下面來具體敘述密封環(huán)111的形狀及結(jié)構(gòu)。
[0075]發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，由于膠筒10的軟硬有差異，例如，由聚醚醚酮制作的膠筒10較硬，達(dá)到坐封需要的第一軸向壓力F1較大或者說在額定大小的第一軸向壓力F1下膠筒10變形不足，導(dǎo)致膠筒10無法起到密封作用。當(dāng)使用較軟的膠體制成膠筒10時，該膠筒會因無法承受住額定大小的第一軸向壓力F1而被壓潰或者即使能夠承受住第一軸向壓力^但在隨后承受第二軸向壓力F2時膠筒還會被壓潰。
[0076]發(fā)明人在解決膠筒10較軟的過程中，曾在膠體中摻雜多個相互分離的耐高溫高壓的纖維絲，該結(jié)構(gòu)能在一定程度上能夠解決膠筒10整體偏軟的問題。但是，發(fā)明人進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，雖然摻雜的纖維絲每個均與膠體相連，但各個纖維絲之間基本不連接或者連接較少，所以只能很有限地增加膠筒10的硬度。所以，發(fā)明人設(shè)計了如下的技術(shù)方案:使用相互交叉的多根纖維絲組成一個基體108，并使膠體109分布于基體108的表面上并粘接各纖維絲來形成密封環(huán)111，這樣結(jié)構(gòu)的密封環(huán)111具有在徑向方向的延展性，或者說，由于各纖維絲相互糾纏在一起而使密封環(huán)111能在一定范圍內(nèi)直徑變大而不發(fā)生斷裂(主要是纖維絲的斷裂)，在密封環(huán)111直徑變大的過程中，相互交叉的纖維絲將抵消一部分促使其直徑變大的第一軸向壓力F1，從而若要使得密封環(huán)111的直徑增大到一定程度，需要提供更大的第一軸向壓力F1。尤其是，膠體109將各交叉的纖維絲緊緊地連接在一起，若要使得密封環(huán)111的直徑增大到一定程度，就需要更大的第一軸向壓。歸納而言，各纖維絲交叉形成一個抵抗力，膠體109將各纖維絲粘接又形成一個抵抗力，在這兩個抵抗力的作用下，膠筒10整體比較難壓縮，這相當(dāng)于膠筒10變硬。當(dāng)密封環(huán)111的一定體積內(nèi)的纖維絲的數(shù)量大致相同時，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)可以通過改變密封環(huán)的厚度來調(diào)整相互交叉的纖維絲的數(shù)量，進(jìn)而能調(diào)整所需的第一軸向壓力Fi的大小即施加給膠筒10的坐封力的大小。同樣地，可以通過增加密封環(huán)111的一定體積內(nèi)的纖維絲的數(shù)量來調(diào)整相互交叉的纖維絲的數(shù)量，進(jìn)而也能調(diào)整所需的第一軸向壓力F1的大小。上述兩種方式制作的上端部104，均能使得上端部104的硬度大于中間部106的硬度。
[0077]如圖5所示，密封環(huán)111包括基體108和膠體109兩部分。圖5僅為了結(jié)構(gòu)上的清晰需要，而僅示出了包覆于基體108所有表面的膠體109，例如，當(dāng)基體108的橫截面為圓形時，圖5中的膠體109位于基體108的圓周上。圖5未示出滲入基體108內(nèi)部的膠體109?；w108由多根耐高溫高壓的纖維絲聚合而成，例如纖維絲可以為玻璃纖維或者碳纖維等其它耐高溫高壓的材質(zhì)。在一個實施例中，各根纖維絲經(jīng)瑋編織在一起而形成基體108，在其它是實施例中各根纖維絲還可以以其它方式編織在一起而形成基體108。
[0078]通過上面的敘述可知，在本申請的技術(shù)方案中，并不必然需要該纖維絲具有彈性，這是由于膠筒10的收縮和膨脹由膠體109來完成。上文所述，膠體109分布于各基體108的表面上和內(nèi)部并將各纖維絲粘接。理想的情況是，膠體109粘接每根纖維絲，并將各纖維絲交叉地粘接在一起。
[0079]參見圖4、圖5和圖6，膠筒10的兩個端部104、105可以通過膠體109來找平。各密封環(huán)111整體上呈圓環(huán)狀并沿膠筒10的軸向方向延伸。當(dāng)相鄰基體108之間的膠體109的厚度相同時，能夠盡可能地使膠筒10的在相同面積內(nèi)的硬度基本相同，防止膠筒10受力不均而在局部發(fā)生坍塌。但是，當(dāng)如圖13所示，當(dāng)膠筒10為三段式時，每一段膠筒均可以為一個單獨的膠筒，這樣圖13所示的膠筒10就相當(dāng)于由三個相互獨立的膠筒在軸向方向上拼接而成。圖13僅以膠筒10為三段式作為舉例，在其它實施例中膠筒還可以具有其它段，例如兩段或者五段。
[0080]由于膠體109內(nèi)包覆有密封環(huán)111，密封環(huán)111的基體108具有相互交叉的纖維絲，膠體109分布于基體108的表面上和內(nèi)部并將各纖維絲粘接。首先，膠體109內(nèi)混合有纖維絲，當(dāng)膠筒10受到第一軸向壓力F1或第二軸向壓力^而膨脹(向內(nèi)和向外)時，纖維絲將限制該膨脹，從而在整體上增加膠筒10的結(jié)構(gòu)硬度，增加膠筒10的抗壓強度。尤其是，為圓環(huán)狀的基體108時，當(dāng)密封環(huán)111受到第一軸向壓力F1S第二軸向壓力F2時，各個密封環(huán)111受力比較均勻，防止了膠筒1的局部坍塌。并且，在本申請的一個實施例中，相鄰的基體108之間的膠體109的厚度相同，這樣就能保證受到第一軸向壓力F1或第二軸向壓力^作用的密封環(huán)111均勻地將力傳遞下去，防止了密封環(huán)111的各部分受力不均而被壓潰。
[0081 ] 參見圖6，各密封環(huán)111相互通過膠體109粘接并且粘接的各密封環(huán)111的軸向方向的長度之和等于通孔103的長度，從而形成多個密封段。圖5中基體108的厚度為1.8cm-2.5cm,數(shù)量為2-12個。在一個優(yōu)選實施例中基體108的數(shù)量為5個，這樣密封環(huán)111的數(shù)量也為5個。纖維絲的直徑為7-30μπι，這樣就能在一個密封環(huán)111上具有數(shù)量龐大的纖維絲，能極大的提高膠筒10的硬度。根據(jù)發(fā)明人的試驗，基體108的厚度以不超過2cm為宜。這是因為，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，需要將形成膠體109的膠液滲入基體108中來形成密封環(huán)111，但隨著基體108厚度的增加膠液的滲入速度將逐漸變慢。尤其是當(dāng)基體108的厚度大于2.5cm后膠液滲入的速度將會非常慢。所以，在一個實施例中，各基體108的厚度為2cm，在其它實施例中也可以為1.8cm或者2.5cm。
[0082]參見圖6、圖7和圖8，其示出了受到第一軸向壓力F1時膠筒10的變形過程。從圖6可以看出，相鄰的兩個基體108之間具有膠體109，在膠筒10未受到第一軸向壓力Fdt，基體108均與膠筒10的徑向方向成夾角β，在圖6中β為10°角。在其它實施例中，β還可以為5°角或45°角。本申請中設(shè)置β的原因在于，當(dāng)密封環(huán)111整體較硬而受到額定大小的第一軸向壓力Fi而致膠筒10變形不足而無法起到密封作用時，密封環(huán)111首先從與膠筒10的徑向方向成夾角β而變成密封環(huán)111與膠筒10的徑向方向水平，進(jìn)而如圖8所示的那樣密封環(huán)再進(jìn)行徑向的凸起，這樣的結(jié)構(gòu)能夠提高膠筒10的變形程度。在圖7所示實施例中，在膠筒10未受到第一軸向壓力Fdt，基體108均與膠筒10的徑向方向平行。如圖8所示，圖6和圖7所示的膠筒10在受到第一軸向壓力Fdt，均在軸向方向縮短，而在徑向方向擴張，然后再在膠筒10的下端部105處施加第二軸向壓力F2。
[0083]在本發(fā)明的一個實施例中，基體108為石墨盤根或碳纖維盤根。盤根(packing)，通常由較柔軟的線狀物編織而成，通常截面積是正方形或長方形、圓形。在一個實施例中，基體108的橫截面為四邊形，例如正方形。在其它實施例中，基體108的橫截面也可以為圓形。
[0084]下面將詳細(xì)敘述膠筒10的約束套20。
[0085]參考圖9、圖10、圖11和圖12，如圖9所示，約束套20整體呈擴口狀，其具有擴口端22和縮口端21。參見圖10，約束套20的擴口端22套設(shè)在上端部104和下端部105上，在其它實施例中，擴口端22還可以只套設(shè)在上端部104和下端部105之一上，其主要取決了該端部是否需要約束變形來防止在壓縮過程中變形過大。在圖10-圖12中，約束套20的數(shù)量為兩個，其中一個約束套20的擴口端22套設(shè)在上端部104，另一個約束套20的擴口端22套設(shè)在下端部105上。參見圖11，約束套20的縮口端21遠(yuǎn)離被擴口端22套設(shè)的上端部104或下端部105來用于承受來自軸向的壓力。在圖10和圖11中，僅為結(jié)構(gòu)清晰的需要而示意性的示出約束套20和膠筒10其它部分的位置關(guān)系，實際上，約束套20是與膠筒10的端部緊密結(jié)合的，即兩者之間相互接觸。從圖12可以看出，在承受第一軸向壓力^后，約束套20整體呈圓筒狀。并且，約束套20的擴口端22與縮口端21的直徑基本相同，并且兩者的直徑與套管40的內(nèi)徑相同，此時膠筒10的外表面101與套管40密封，而且膠筒10的內(nèi)表面102與中心管30密封。
[0086]約束套20的作用在本申請中非常重要，這是由于本申請的密封環(huán)111均軸向設(shè)置，而對密封環(huán)111產(chǎn)生作用的也是來自軸向的壓力。所以，非常可能地，位于膠筒10兩端的密封環(huán)111會因第一軸向壓力Fi或第二軸向壓力F2的作用而在徑向方向與中心管30和套管40先行接觸，導(dǎo)致膠筒10中部的密封環(huán)111因受力過小而無法產(chǎn)生徑向凸起。通過約束套20在端部的約束，能夠首先使中部的密封環(huán)111先行凸起，當(dāng)中部的密封環(huán)111被中心管30和套管40限制住后，兩端的密封環(huán)111再發(fā)生徑向凸起并帶動約束套20產(chǎn)生圖10、圖11和圖12那樣的變形?；蛘呤紫仁怪胁康拿芊猸h(huán)111先行凸起，并在此過程中，兩端的密封環(huán)111也發(fā)生徑向凸起并帶動約束套20產(chǎn)生圖10、圖11和圖12那樣的變形。上述兩種方式均是為了防止膠筒10的兩端先行凸起而做的專門設(shè)計。當(dāng)約束套20與上端部104較硬的設(shè)計共同出現(xiàn)于膠筒10時，能夠使中間部106無失誤地進(jìn)行徑向方向的優(yōu)先變形。
[0087]在圖10和圖11所示實施例中，上端部104和下端部105的邊緣經(jīng)過倒角處理，來與約束套20相適應(yīng)，也就是說，被擴口端22套設(shè)的上端部104和下端部105呈縮口狀來與擴口端22相配合。膠筒10的這種設(shè)計可以增加膠筒10的端部與約束套20的接觸面積，并且該種設(shè)計的端部與第一軸向壓力F1之間具有夾角，從而需要更大的第一軸向壓力F1才能壓縮膠筒10產(chǎn)生額定大小的形變，一定程度的增大了需要的坐封力。如圖12所示，當(dāng)施加第一軸向壓力?!后，膠筒10將向徑向方向而向內(nèi)和向外延伸，由于套管40的束縛，此時約束套20將在套管40限制的范圍內(nèi)進(jìn)行徑向的擴張，最終約束套20的擴口端22將與膠筒10的直徑基本相同，且與套管40的內(nèi)徑也基本相同。如圖11所示，在壓縮過程中，會形成凸起，圖11中示意性的示出了一個凸起60，在實際壓縮時，膠筒10的外表面101整體作為凸起向外擴張，只是本申請在一個實施例中刻意通過約束套20的設(shè)計來將膠筒10的中部的凸起速度快于其兩端的凸起速度。非常重要的，若約束套20選擇為不宜變形的材料，那么如圖11所示的那樣，當(dāng)繼續(xù)壓縮時，凸起60將和約束套20的上邊緣接觸，并最終對凸起60造成剪切，影響了膠筒10的密封。在本申請中約束套選擇為銅套，并且在厚度上限定擴口端22的最大厚度不超過2mm，擴口端22指的是例如圖9中整個喇叭狀的邊緣，而非圖9中最右側(cè)的那個端面。這樣的限定能夠使得約束套20不會對凸起60造成損傷，或者損傷較為輕微。并且也有利于在壓縮過程中，套管40對約束套20產(chǎn)生變形而成為如圖12所示的那樣。基于同樣的道理，也不能在壓縮前使用如圖12中所示的那樣的直角型的約束套20，否則在壓縮的過程中約束套20也會對逐漸凸起的外表面101產(chǎn)生剪切而對膠筒10產(chǎn)生割裂。在本申請中，約束套20為喇叭口狀，在壓縮的過程中，約束套20與凸起60是一種面接觸而非線接觸，大大減少了凸起60損傷的可能性。而如圖9所示，縮口端21具有向內(nèi)的倒邊，在壓縮時倒邊將圍繞中心管30，并且倒邊來接收第一軸向壓，這樣的設(shè)計能夠使壓縮套20有序地、逐漸的變形，不會被第一軸向壓力？工突然壓潰。本申請選擇約束套20為銅套的另一個重要原因在于，這樣在將封隔器200從井下起出時，銅套容易變形，不會卡在套管40之間?；谕瑯拥牡览恚部梢赃x擇同樣易變形的銀作為約束套。
[0088]本發(fā)明還提供一種封隔器，該封隔器具有上述技術(shù)方案之一所限定的膠筒10。
[0089]本發(fā)明還提供一種橋塞，該橋塞具有上述技術(shù)方案之一所限定的膠筒10。
[0090]至此，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識到，雖然本文已詳盡示出和描述了本申請的多個示例性實施例，但是，在不脫離本申請精神和范圍的情況下，仍可根據(jù)本申請公開的內(nèi)容直接確定或推導(dǎo)出符合本申請原理的許多其他變型或修改。因此，本申請的范圍應(yīng)被理解和認(rèn)定為覆蓋了所有這些其他變型或修改。
【主權(quán)項】
1.一種膠筒(10)，具有位于中心的通孔(103)、位于所述通孔(103)處的內(nèi)表面(102)、與所述內(nèi)表面(102)相對應(yīng)的外表面(101)、分別位于所述膠筒(10)兩端的上端部(104)和下端部(105)以及位于所述上端部(104)和所述下端部(105)之間的中間部(106)，所述上端部(104)用于承受沿軸向方向的第一軸向壓力，所述下端部(105)用于承受沿所述軸向方向的與所述第一軸向壓力相反的第二軸向壓力；當(dāng)所述第一軸向壓力施加于所述上端部(104)時，所述上端部(104)、中間部(106)及下端部(105)均在徑向方向發(fā)生形變；當(dāng)所述第二軸向壓力施加于所述下端部(105)時，所述上端部(104)、中間部(106)及下端部(105)均在所述徑向方向發(fā)生形變，其特征在于， 所述上端部(104)的硬度大于所述中間部(106)的硬度，以致所述上端部(104)承受所述第一軸向壓力時，所述中間部(106)在徑向方向的形變大于所述上端部(104)在徑向方向的形變。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的膠筒(10)，其特征在于， 所述下端部(105)的硬度大于所述中間部(106)的硬度，以致所述下端部(105)承受所述第二軸向壓力時，所述中間部(106)在徑向方向的形變大于所述下端部(105)在徑向方向的形變。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的膠筒(10)，其特征在于， 所述上端部(104)與所述下端部(105)的硬度基本相同，以致所述上端部(104)承受所述第一軸向壓力時，所述中間部(106)在徑向方向的形變大于所述上端部(104)和所述下端部(105)在徑向方向的形變，并且所述下端部(105)承受所述第二軸向壓力時，所述中間部(106)在徑向方向的形變大于所述上端部(104)和所述下端部(105)在徑向方向的形變。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的膠筒(10)，其特征在于， 所述膠筒(10)由兩個以上的密封環(huán)(111)在所述軸向方向排列而成。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的膠筒(10)，其特征在于， 所述膠筒(10)由兩個所述密封環(huán)(I 11)在所述軸向方向排列而成，一個所述密封環(huán)(111)充當(dāng)所述上端部(104)，另一個所述密封環(huán)(111)充當(dāng)所述下端部(105)和所述中間部(106);或者 所述膠筒(I O)由三個密封環(huán)(111)在所述軸向方向排列而成，三個所述密封環(huán)(111)分別充當(dāng)所述上端部(104)、所述中間部(106)和所述下端部(105);或者 所述膠筒(10)由多于三個的密封環(huán)(111)在所述軸向方向排列而成，分布于所述軸向方向兩端的兩個所述密封環(huán)(111)分別充當(dāng)所述上端部(104)和所述下端部(105)，剩余的所述密封環(huán)(111)充當(dāng)所述中間部(106)。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的膠筒(10)，其特征在于， 所述密封環(huán)(111)均具有膠體(109)和呈圓環(huán)狀的基體(108)，所述基體(108)由相互交叉的耐高溫高壓的多根纖維絲組成，所述膠體(109)粘接各所述纖維絲，并且所述膠體(109)分布于各所述基體(108)的表面上以致沿所述軸向方向排列的多個所述密封環(huán)(111)的內(nèi)部和外部分別形成所述內(nèi)表面(102)和外表面(101)。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的膠筒(10)，其特征在于， 所述基體(108)為石墨盤根或碳纖維盤根； 優(yōu)選地，各所述密封環(huán)(111)均與所述膠筒(10)的所述徑向方向成夾角β; 其中，5。<β<45° ο8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的膠筒(10)，其特征在于，還包括: 約束套(20)，所述約束套(20)整體呈擴口狀，所述約束套(20)的擴口端(22)套設(shè)在所述上端部(104)或所述下端部(105)上，所述約束套(20)的縮口端(21)遠(yuǎn)離被所述擴口端(22)套設(shè)的所述上端部(104)或所述下端部(105)來用于承受所述第一軸向壓力或所述第二軸向壓力； 優(yōu)選地，所述縮口端(21)具有向內(nèi)的倒邊； 優(yōu)選地，被所述擴口端(22)套設(shè)的所述上端部(104)或所述下端部(105)呈縮口狀來與所述擴口端(22)相配合； 優(yōu)選地，所述約束套(20)為銅質(zhì)，所述擴口端(22)的最大厚度小于或等于2mm; 優(yōu)選地，所述約束套(20)的數(shù)量為兩個，其中一個所述約束套(20)的擴口端(22)套設(shè)在所述上端部(104)，另一個所述約束套(20)的擴口端(22)套設(shè)在所述下端部(105)上。9.一種封隔器，其特征在于，包括權(quán)利要求1-8之一所述的膠筒(10)。10.一種橋塞，其特征在于，包括權(quán)利要求1-8之一所述的膠筒(10)。
【文檔編號】E21B33/134GK105863552SQ201610341306
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年5月20日
【發(fā)明人】宋煒, 隆學(xué)武
【申請人】天鼎聯(lián)創(chuàng)密封技術(shù)（北京）有限公司