密封胶筒组件及封隔器的制作方法

1.本发明涉及油气勘探开发或地质钻探作业领域，特别涉及一种密封胶筒组件及封隔器。


背景技术：

2.封隔器是油气勘探领域的一种井下工具，用于在油气井底部的油管和套管之间的环形空间形成有效密封，控制地层中的油气通过油管采集到地面而不能进入环形空间，防止油气不受控制的冲出井口，导致严重的井喷事故。
3.封隔器一般由中心轴、密封胶筒、卡瓦等部件组成，其中密封胶筒是实现封隔作用的关键部件。在深部油气资源勘探开发过程中，封隔器需要放置于动辄7000米甚至更深的井底，承受70mpa以上的生产压差和150℃以上的环境温度；同时，连接井口和封隔器的管柱在温度、压力、振动等作用下持续伸长和缩短，造成封隔器受力状态恶劣，密封部件容易失效。另外，天然气井中使用的气密封隔器要求更高，同等使用温度和压力条件下，气密封要求气密封隔器的胶筒具有更高的接触压力。
4.但是，现有的封隔器胶筒一般由橡胶材料注压形成，高温下橡胶硬度急剧降低，呈果冻状，在高压作用下流动性强，密封容易失效，进而严重影响封隔器特别是气密封隔器的密封效果。
5.鉴于此，本发明人根据多年从事本领域和相关领域的生产设计经验，经过反复试验设计出一种密封胶筒组件及封隔器，以期解决现有技术存在的问题。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种密封胶筒组件及封隔器，能够实现在高温高压条件下的有效密封。
7.为达到上述发明目的，本发明提出一种密封胶筒组件，其中，所述密封胶筒组件包括中胶筒和两个边胶筒，所述中胶筒和所述边胶筒均呈筒状且同轴设置，两个所述边胶筒对称地设置于所述中胶筒的两端，且两个所述边胶筒分别与所述中胶筒的两端相抵接。
8.如上所述的密封胶筒组件，其中，所述边胶筒的筒壁由纤维编织网和包覆在纤维编织网外的橡胶组成。
9.如上所述的密封胶筒组件，其中，所述边胶筒的筒壁内设置有多个所述纤维编织网，所述纤维编织网为具有网格状结构的筒状体，多个所述纤维编织网沿所述边胶筒的径向由内向外逐层套设。
10.如上所述的密封胶筒组件，其中，所述纤维编织网由多条周向纤维和多条纵向纤维交错编织而成的网状结构，所述周向纤维呈同心圆环状且沿所述边胶筒的圆周方向设置，多条所述纵向纤维沿所述边胶筒的轴向顺序间隔排列，所述纵向纤维沿所述边胶筒的轴线方向设置，多条所述纵向纤维沿所述边胶筒的圆周方向顺序间隔排列。
11.如上所述的密封胶筒组件，其中，所述周向纤维的线径大于所述纵向纤维的线径。
12.如上所述的密封胶筒组件，其中，所述中胶筒的两端面分别与两个所述边胶筒的端面锥面配合。
13.如上所述的密封胶筒组件，其中，所述中胶筒的端面为沿所述中胶筒的轴向向外的方向逐渐缩径的锥面，所述边胶筒朝向所述中胶筒一端的端面也为锥面且与所述中胶筒的端面对位配合。
14.如上所述的密封胶筒组件，其中，所述边胶筒其背向所述中胶筒的另一端设置有折叠保护环，所述折叠保护环由延展性金属制成，所述边胶筒的该另一端的端面为平面，所述折叠保护环其一侧面且与所述边胶筒的该端面相抵接，所述折叠保护环的外缘沿朝向所述边胶筒的侧壁延伸形成限位凸缘。
15.如上所述的密封胶筒组件，其中，所述边胶筒其背向所述中胶筒的该另一端设置有防凸保护环，该另一端的内壁上开设有安装环槽，所述防凸保护环嵌设在所述安装环槽内，且所述防凸保护环的侧面与所述折叠保护环的侧面相抵接。
16.本发明还提出一种封隔器，其中，所述封隔器至少包括中心轴、导环、压紧环和如上所述的密封胶筒组件，所述导环、所述密封胶筒组件和所述压紧环沿所述中心轴的轴向依次套设在所述中心轴外，所述导环和所述压紧环分别抵接于所述密封胶筒组件的两端，所述导环和所述中心轴固定连接，所述压紧环、所述边胶筒和所述中胶筒分别与所述中心轴滑动配合。
17.本发明提出的密封胶筒组件及封隔器具有以下特点和优点：
18.本发明提出的密封胶筒组件和封隔器，使用时下入井下的套管中，之后在推力的作用下，压紧环朝向导环移动，带动边胶筒和中胶筒产生变形，将套管和中心轴之间的环形空间全封堵，由于密封胶筒组件采用了三段式胶筒结构，中胶筒为主密封，边胶筒为辅助密封，两个边胶筒能够分担中胶筒受到的拉扯力(即边胶筒受到的沿中心轴轴向的推拉力)，在提高密封胶筒组件与套管的接触应力的同时，还能减少中胶筒的变形程度，进而实现高温高压工况下的有效密封。
附图说明
19.在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本发明公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本发明的理解，并不是具体限定本发明各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本发明的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本发明。
20.图1为本发明中密封胶筒组件的结构示意图；
21.图2为本发明中纤维编织网的结构示意图；
22.图3为本发明中封隔器的坐封示意图；
23.图4为本发明中的中胶筒的结构示意图；
24.图5为本发明中折叠保护环的安装示意图。
25.附图标记说明：
26.100、密封胶筒组件；
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10、中胶筒；
27.20、边胶筒；
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21、纤维编织网；
28.211、周向纤维；
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212、纵向纤维；
29.30、折叠保护环；
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31、限位凸缘；
30.40、防凸保护环；
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200、封隔器；
31.210、中心轴；
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220、导环；
32.230、压紧环；
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300、套管。
具体实施方式
33.结合附图和本发明具体实施方式的描述，能够更加清楚地了解本发明的细节。但是，在此描述的本发明的具体实施方式，仅用于解释本发明的目的，而不能以任何方式理解成是对本发明的限制。在本发明的教导下，技术人员可以构想基于本发明的任意可能的变形，这些都应被视为属于本发明的范围。
34.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者可能存在居中元件。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能存在居中元件。
35.本发明提出一种密封胶筒组件100，该密封胶筒组件100包括中胶筒10和两个边胶筒20，中胶筒10和边胶筒20均呈筒状且同轴设置，两个边胶筒20分别位于中胶筒10的两端，且两个边胶筒20分别与中胶筒10的两端抵接。
36.如图1至图5所示，本发明还提出了一种封隔器200，该封隔器200至少包括中心轴210、导环220、压紧环230和密封胶筒组件100，导环220、密封胶筒组件100和压紧环230沿中心轴210的轴向依次套设在中心轴210外，导环220和压紧环230分别抵接于密封胶筒组件100的两端，导环220和中心轴210固定连接，压紧环230、边胶筒20和中胶筒10分别与中心轴210滑动配合。
37.本发明提出的密封胶筒组件100和封隔器200，使用时下入井下的套管300中，之后在推力的作用下，压紧环230朝向导环220移动，带动边胶筒20和中胶筒10产生变形，将套管300和中心轴210之间的环形空间全封堵，由于密封胶筒组件100采用了三段式胶筒结构，中胶筒10为主密封，边胶筒20为辅助密封，两个边胶筒20能够分担中胶筒10受到的拉扯力(即边胶筒20受到的沿中心轴210轴向的推拉力)，在提高密封胶筒组件100与套管的接触应力的同时，还能减少中胶筒10的变形程度，进而实现高温高压工况下的有效密封。
38.需要说明的是，在本发明中，高温高压是指温度150℃以上同时压力70mpa以上的工作状况；同时，本发明提出密封胶筒组件100和封隔器200能够用于气密封天然气勘探开发井中存在的天然气。
39.在本发明一个可选的实施方式中，边胶筒20的筒壁由纤维编织网21和包覆在纤维编织网21外的橡胶组成。纤维编织网21能够促使推力在边胶筒20中均匀分散，增大边胶筒20与套管300的接触应力，增加了密封可靠性。同时，纤维编织网21还能强化边胶筒20的变形控制能力，使得边胶筒20在高温高压状态下也不会过度变形，保证边胶筒20能够始终贴紧套管300，不但保证了边胶筒20的密封性，还能防止中胶筒10从边胶筒20和套管300之间的间隙挤出，进一步保证了中胶筒10的密封性。
40.在该实施方式一个可选的例子中，边胶筒20的筒壁内设置有多个纤维编织网21，纤维编织网21为具有网格状结构的筒状体，多个纤维编织网21沿边胶筒20的径向由内向外逐层套设。
41.在一个可选的例子中，各纤维编织网21为由多条周向纤维211和多条纵向纤维212交错编织而成的网状体，周向纤维211呈同心圆环状且沿边胶筒20的圆周方向设置，多条纵向纤维211沿边胶筒20的轴向顺序间隔排列，纵向纤维212沿边胶筒20的轴线方向设置，多条纵向纤维212沿边胶筒20的圆周方向顺序间隔排列。周向纤维211形成边胶筒20的骨架，控制边胶筒20被纵向压缩时的横向扩展的程度。纵向纤维212与周向纤维211交织成网，增强边胶筒20的整体强度，防止其在高温软化状态下发生流动。同时，纤维编织网21可根据需要调整安装密度(各周向纤维211的间距、各纵向纤维212的间距)，实现不同温度、压力下的有效密封。
42.进一步的，周向纤维211和纵向纤维212分别为耐高温聚合物材质制成。
43.进一步的，周向纤维211的线径比纵向纤维212的线径大。
44.优选的，周向纤维211的线径和纵向纤维212的线径的比例关系为5：1，即周向纤维211的线径：纵向纤维212的线径＝5：1。
45.在该实施方式一个可选的例子中，包覆在纤维编织网21外的橡胶为耐高温高压橡胶；中胶筒10也由耐高温高压橡胶制成。
46.优选的，耐高温高压橡胶为四丙氟橡胶、氟橡胶、全氟醚橡胶或它们的混合物。
47.在一个可选实施方式中，中胶筒10的两端面分别与两个边胶筒20的端面锥面配合。采用上述结构，能够增加中胶筒10和边胶筒20之间的抵接面的面接，进而增加两个边胶筒20对中胶筒10的限位效果。
48.在该实施方式一个可选的例子中，中胶筒10的端面为沿中胶筒10的轴向向外的方向逐渐缩径的锥面，边胶筒20朝向中胶筒10一端的端面也为锥面且与中胶筒10的端面对位配合。采用上述结构，边胶筒20不但能够对中胶筒10施加轴线方向的限位力，边胶筒20还能将中胶筒10压紧在中心轴210上，避免中胶筒10从边胶筒20和套筒200之间的间隙挤出。
49.优选的，中胶筒10的端面为14度的锥面(即中胶筒10的端面与中胶筒10的横截面的夹角θ，如图4所示)。
50.在本发明一个可选的方式中，边胶筒20其背向中胶筒10的另一端设置有折叠保护环30，折叠保护环30由延展性金属制成，边胶筒20另一端的端面为平面，折叠保护环30其一侧面且与边胶筒20的该端面相抵接，折叠保护环30的外缘沿朝向边胶筒20的侧壁延伸形成限位凸缘31。采用上述结构，折叠保护环30的一侧面与边胶筒20的端面紧密贴合，折叠保护环30的另一侧面与导环220或压紧环230紧密贴合，同时，限位凸缘31对边胶筒20的部分侧壁进行包覆，当边胶筒20胀大时，折叠保护环30也随边胶筒20一同胀大，折叠保护环30的限位凸缘31始终保持对边胶筒20肩部的包覆，有效防止了边胶筒20在高温软化状态下，从折叠保护环30与套管300之间的间隙挤出。
51.进一步的，折叠保护环30可采用黄铜、铝合金等高延展性金属制成。
52.优选的，折叠保护环30其朝向边胶筒20的表面(内表面)经抛光处理，粗糙度为ra0.8-1.6μm，折叠保护环30其背向边胶筒20的表面(外表面)粗糙度为ra1.6-3.2μm。
53.在该实施方式一个可选的例子中，边胶筒20其背向中胶筒10的另一端设置有防凸保护环40，边胶筒20其另一端的内壁上开设有安装环槽22，防凸保护环40设置在安装环槽22内，且防凸保护环40的侧面与折叠保护环30的侧面相抵接。防凸保护环40对边胶筒20及折叠保护环30具有限位作用，进一步防止折叠保护环30和边胶筒20的端面之间发生移动。
54.在本发明一个可选的例子中，边胶筒20、中胶筒10的纵向长度(中心轴210轴向的长度)之比为1:1.3。
55.进一步的，中心轴210外壁抛光处理，粗糙度为ra0.8-1.6μm。
56.进一步的，中胶筒10内径和边胶筒20的内径比中心轴210的外径略小，即中胶筒10、边胶筒20与中心轴210过盈配合，一般取中胶筒10内径(边胶筒20内径)比中心轴210外径小1-1.2mm。
57.请参考图1至图5，现结合一实施例，对本发明提出的密封胶筒组件100及封隔器200的使用过程进行详细说明：
58.如图1所示，导环220、密封胶筒组件100、压紧环230依次套装于中心轴210上。其中，边胶筒20、中胶筒10的纵向长度之比为1:1.3。密封胶筒组件100中折叠保护环30与导环220或压紧环230紧密贴合。导环220固定，压紧环230可沿中心轴210的轴向移动。如图3所示，当封隔器200坐封时，压紧环230在推力作用下挤压边胶筒20，带动中胶筒10、边胶筒20同步变形，将套管300和中心轴210之间的环形空间完全封堵。这一过程中，两个折叠保护环30被胀大，但仍保持对边胶筒20肩部的完全包覆。
59.在本发明中，密封胶筒组件100采用三段压缩式胶筒，由中胶筒10和对称设置在中胶筒10两端的边胶筒20组成，中胶筒10作为主要密封件，边胶筒20为次要密封件。密封胶筒组件100两侧设置导环210和压紧环230，压紧环230推挤压缩密封胶筒组件100，中胶筒10和边胶筒20同时变形，封堵中心轴210和套管300之间的环形空间。同时，通过聚合物纤维强化边胶筒20，配合折叠保护环30、防凸保护环40，控制边胶筒20的变形，提高边胶筒20与套管300的接触应力，实现高温高压工况下的有效密封。
60.针对上述各实施方式的详细解释，其目的仅在于对本发明进行解释，以便于能够更好地理解本发明，但是，这些描述不能以任何理由解释成是对本发明的限制，特别是，在不同的实施方式中描述的各个特征也可以相互任意组合，从而组成其他实施方式，除了有明确相反的描述，这些特征应被理解为能够应用于任何一个实施方式中，而并不仅局限于所描述的实施方式。