防肩突的胶筒、封隔器及桥塞的制作方法

本申请涉及密封领域，特别是涉及一种耐高温高压的防止肩突发生的胶筒、具有该胶筒的封隔器及桥塞。

背景技术：

全球可开采的稠油约4000亿吨，约是常规原油的2.5倍。稠油中的胶质与沥青含量较高，轻质馏分较少，因此相对密度及粘度比较高。而粘度是影响稠油采收率的主要因素，随着温度增加，粘度很快下降，从而有利于稠油采收率的提高。蒸汽吞吐技术是稠油开采的主要技术，该技术通过对稠油油井注入高温高压饱和蒸汽，将油层中一定范围内的原油加热降粘后，回采出来，即吞进蒸汽，吐出原油。蒸汽吞吐技术包括注蒸汽阶段、闷井阶段(目的在于将原油加热降粘)和开井回采阶段。

封隔器是蒸汽吞吐技术的关键工具。另外，桥塞也是采油工作中普遍使用的一种油气分层工具。封隔器和桥塞的主要区别是，封隔器一般是在压裂、酸化、找漏等措施施工时暂时的留在井内，而桥塞是在封层采油等措施时暂时或永久地留在井内。从结构上说，封隔器是中空结构，可以自由流动油气水，而桥塞中则是实心结构。

作为油气分离的工具，封隔器和桥塞都需要胶筒，胶筒作为密封的关键部件，其质量直接影响封隔器和桥塞的密封效果和使用寿命。胶筒一般采用橡胶类材料制成，故称之为胶筒。但胶筒仅是一种行业内约定成俗的技术术语，用于表示起到密封作用的功能性部件，而不仅仅指胶筒只能由橡胶制作。当胶筒承受一定的压力来促使其变形用来密封时，需要考虑胶筒本身的形变能力，若形变不足会导致其无法起到密封作用；若形变过大，可能导致胶筒因压溃而失效，丧失恢复能力。

2002年第九期的《石油机械》公开了《封隔器压缩胶筒“防突”新结构》，其中记载有如下内容：“所谓防突，就是在胶筒端部安放某种阻挡环、支撑件、限制装置和保护件等，用于阻止和限制封隔器坐封时胶筒朝油套环形空间突出或流动”。“由于防突结构是用来覆盖封隔器和套管间的环形间隙，封隔器坐封时，一旦胶筒变形与套管壁接触，在外载作用下，防突装置就会展开罩住封隔器与套管壁间的环隙，阻止胶筒朝此环隙中突出，迫使胶筒呈各向均匀压缩状态，产生和保持胶筒较高的接触应力，从而获得良好的密封”。“……主要有铜碗固化型和钢网或钢带固化型两种。前者是将两个2mm厚的铜碗分别固化在两个端胶筒某一端面上，后者是将厚1mm左右的钢网或钢带分别固化在两个端胶筒某一端面上”。

2013年第一期的《石油矿场机械》公开了《封隔器胶筒结构改进及优势分析》的文章，其中记载有以下内容：“常用的封隔器上串有3个胶筒，分为上、中、下3个胶筒结构尺寸相同和上下胶筒为长胶筒、中胶筒为短胶筒2种结构形式。通过对传统三胶筒结构的研究发现，起主要密封作用的是上胶筒”。并且，通过非线性有限元分析软件Abaqus进行非线性分析得出：“随着轴向载荷增大，轴向压缩量也增大，开始时压缩量增大较明显，随后压缩量增大变缓，胶筒变形趋于稳定；随着坐封力的增大，胶筒与套管接触长度逐渐增加。胶筒外表柱面部分径向变形受限制，胶筒内表面变形如外表一样向外鼓，当载荷增加时胶筒被压扁并在最后压实。但由于结构限制，只有上胶筒能够被压实。在工作压力为30MPa时，上胶筒基本完全压实，胶筒上端出现轻微肩突，但未发生胶筒割裂现象，肩突在允许范围之内”。

2009年第一期《石油矿场机械》中的《高压封隔器密封胶筒的改进》中认为“由于橡胶表层容易被撕裂，因此考虑在橡胶的表层加一层金属片(例如铜片)”。

技术实现要素：

本申请的一个目的在于提供一种新型结构的胶筒来防止肩突的产生。

根据本申请的一个方面，提供一种胶筒，具有位于中心的通孔、位于所述通孔处的内表面、与所述内表面相对应的外表面、分别位于所述胶筒两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间的中间部，所述上端部用于承受沿轴向方向的第一轴向压力，所述下端部用于承受沿所述轴向方向的与所述第一轴向压力相反的第二轴向压力；当所述第一轴向压力施加于所述上端部时，所述上端部、中间部及下端部均在径向方向发生形变；当所述第二轴向压力施加于所述下端部时，所述上端部、中间部及下端部均在所述径向方向发生形变，所述胶筒的上端设置一个上端硬质密封环来充当所述胶筒的上端部，所述胶筒的下端设置一个下端硬质密封环来充当所述胶筒的下端部；

上端软质密封环、下端软质密封环及一个中间硬质密封环依次自上而下充当所述胶筒的中间部。

优选地，所述上端硬质密封环与所述下端硬质密封环形状相同且在上下方向上相互对称；

所述上端硬质密封环包括相互连接的第一渐变部与第一圆柱部，所述第一渐变部设置在所述第一圆柱部的上方；

所述第一渐变部从上到下直径逐渐变大，所述第一圆柱部从上到下直径维持不变且与所述第一渐变部最大直径相同，而致所述上端硬质密封环的上端硬质密封环顶端的水平方向的宽度为上端硬质密封环底端的水平方向的宽度的1/3-2/5。

优选地，所述上端硬质密封环的上表面及外表面均包覆有第一铜皮；所述下端硬质密封环的下表面及外表面均包覆有第二铜皮；所述第一铜皮与所述第二铜皮形状相同且在上下方向上相互对称；

所述第一铜皮包括相互连续的第一水平部、第一倾斜部和第一竖直部；所述第一水平部与所述上端硬质密封环顶端部相贴合，所述第一倾斜部与所述第一渐变部的外表面相贴合，所述第一竖直部与所述第一圆柱部的至少一部分外表面相贴合。

优选地，所述第一竖直部与所述第一圆柱部的全部外表面相贴合。

优选地，所述第一倾斜部与水平方向的夹角为β，且45度≤β≤55度。

优选地，所述第一倾斜部与水平方向的夹角为45度。

优选地，所述第一铜皮的厚度为D，且0.8mm≤D≤1.2mm。

优选地，所述第一铜皮的厚度为1.2mm。

根据本申请的另一个方面，提供一种封隔器，该封隔器具有上述技术方案之一所限定的胶筒。

根据本申请的再一个方面，提供一种桥塞，该桥塞具有上述技术方案之一所限定的胶筒。

本申请提供的技术方案至少具有如下技术效果：

1、根据本申请的技术方案，胶筒包括自上而下的上端硬质密封环、上端软质密封环、上端软质密封环、中间硬质密封环和下端硬质密封环，该种结构的胶筒充分考虑了轴向压力作用下各密封环的受力状态，能够有效的防止肩突的发生。

2、根据本申请的技术方案，第一铜皮的第一倾斜部与水平方向的夹角为β，且45度≤β≤55度，β角度的选择能够有效的防止肩突的发生。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本申请的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。附图中：

图1是本申请一个实施例的包含胶筒的压缩式封隔器与中心管及套管的位置关系示意图；

图2是胶筒与中心管及套管的位置关系示意图，其中仅示出了一部分胶筒、中心管及套管；

图3示出了图2所示的胶筒被施加第一轴向压力后产生的肩突与中心管及套管的位置关系示意图，此时还未对胶筒施加第二轴向压力；

图4是本申请一个实施例的胶筒的结构示意图；

图5是胶筒被压缩后第一铜皮的第一倾斜部与水平方向的夹角逐渐变大时肩突变化的仿真模拟图，其中图5a-图5e中第一倾斜部与水平方向的夹角依次为35度、40度、45度、50度、55度；

图6是胶筒被压缩后第一铜皮的厚度对肩突影响的仿真模拟图；其中图6a-图6c中第一铜皮的厚度依次为0.8mm、1.0mm和1.2mm；

图7是本申请一个实施例中胶筒的结构示意图及部分结构的放大示意图；

图8是图7所示胶筒的仿真模拟图。

图中的附图标记如下：

10-胶筒，101-外表面，102-内表面，103-通孔，104-上端部，105-中间部，106-下端部，107-肩突；

111-第一铜皮，111a-第一水平部，111b-第一倾斜部，111c-第一竖直部；

112-第二铜皮；

30-中心管；

40-套管；

50-刚性隔环；

71-上端硬质密封环，701-上端硬质密封环顶端，702-上端硬质密封环底端，703-第一渐变部，704-第一圆柱部；

72-下端硬质密封环；

73-中间硬质密封环；

74-上端软质密封环；

75-下端软质密封环；

200-压缩式封隔器；

300-热采井口；

β-第一倾斜部与水平方向的夹角；

D-第一铜皮的厚度；

A-第一轴向方向；

B-第二轴向方向；

F₁-第一轴向压力；

F₂-第二轴向压力。

具体实施方式

下文所述的方向“上”、“下”、“水平”均是以图2作为参考叙述的。

如图1所示的压缩式封隔器200具有本申请的胶筒10。压缩式封隔器200连接于中心管30上并置于套管40内。压缩式封隔器200需要把不同的油层、水层分隔开并承受一定压差，要求既能下到井筒预定位置，封隔严，又能在井下具有耐久性，需要时可顺利起出。

如图2所示，胶筒10位于套管40和中心管30组成的环形空隙内，刚性隔环50在轴向方向上提供自上而下(即第一轴向方向A)的第一轴向压力F₁，在其它实施例中还可以去掉刚性隔环50并由能对胶筒10施加第一轴向压力F₁的其它部件来代替。如图2所示，胶筒10两端为上端部104和下端部106，中间部105位于上端部104和下端部106之间。上端部104用于承受沿轴向方向的第一轴向压力F₁，下端部106的一个作用是承受沿轴向方向的与第一轴向压力F₁相反的第二轴向压力F₂。作为胶筒10的一部分，上端部104、下端部106和中间部105均应该具有弹性。作为对弹性的一种解释及弹性大小的限定，当第一轴向压力F₁施加于上端部104时，上端部104、中间部105及下端部106均在径向方向发生形变；当第二轴向压力F₂施加于下端部106时，上端部104、中间部105及下端部106均在径向方向发生形变。

如图3所示，发明人发现，当上端部104受到第一轴向压力F₁时，上端部104会产生很大的肩突107，当再施加第二轴向压力F₂时，上端部104会在图3中的肩突107处发生割裂。

肩突107产生的一部分原因是上端部104的材料硬度不足，导致上端部104在承受第一轴向压力F₁和第二轴向压力F₂时变形过大。

在图4所示实施例中，胶筒10整体为筒状，胶筒10具有位于中心的通孔103，该通孔103由内表面102限定而形成，外表面101位于与内表面102相对应的通孔103的外侧处。当第一轴向压力F₁沿第一轴向方向A作用于上端部104或第二轴向压力F₂沿第二轴向方向B作用于下端部106时，胶筒10整体将被轴向压缩而进行径向扩张(与“在径向方向的发生形变”具有相同的含义)，促使外表面101向外凸起并且内表面102向内凸起，但在时序上一般地是外表面101先部分地向外凸起。在施加第一轴向压力F₁后，内表面102与图1和图2中所示的中心管30密封，外表面101与图1和图2中所示的套管40密封。一般地，内表面102与中心管30之间的空隙较小(几近相互贴合)，而外表面101与套管40之间的间隙较大，由于中心管30和套管40分别将内表面102和外表面101的最大的凸起大小进行了限定，所以导致外表面101向外凸起的程度大于内表面102向内凸起的程度。

下面来叙述本申请减少或防止肩突107的结构设计。

一种减小肩突107的设计：

如上所述，上端部104、下端部106和中间部105均应该具有弹性，但在图2和图4所示实施例中，上端部104的硬度大于中间部105的硬度，所以上端部104承受第一轴向压力F₁时，中间部105在径向方向的形变大于上端部104在径向方向的形变。

由于上端部104的硬度大于中间部105的硬度，这样在上端部104受到第一轴向压力F₁时，上端部104更多地是将该第一轴向压力F₁传递给中间部105及下端部106而非用于自身的径向变形。这样能够在使用较小的第一轴向压力F₁时即可让中间部105及下端部106发生径向变形，从而达到胶筒10整体的密封。发明人在试验中发现，若上端部104的硬度不大于中间部105的硬度，则上端部104在受到第一轴向压力F₁时，更多的是用于自身的径向变形而非传递给中间部105及下端部106，不能防止或减小如图3所示的肩突107。

根据本申请的技术方案，在中间部105的硬度不变的情况下，本申请将上端部104的硬度设置为大于中间部105的硬度，这样在受到相同大小的第一轴向压力F₁作用时，上端部104在径向方向的变形较小，特别需要注意的是，相应地上端部104因径向变形而形成的肩突107也较小。较小的肩突107能够有效地防止胶筒10割裂，达到了防止胶筒10密封失效的效果。

由于上端部104的径向形变较小，很可能地，此时上端部104在径向方向的形变已经不足将套管40和中心管30密封，也就是说此时上端部104将不再主要起到密封作用，而很大的作用是将受到的第一轴向压力F₁传递给中间部105和下端部106，这是本申请的胶筒10与现有技术的胶筒的一个很重要的不同之处。而且，即使上端部104的径向形变较大而将套管40和中心管30密封，此时上端部104的密封也仅是对中间部105密封的一个补充。无论上端部104是否起到密封作用，上端部104硬度大于中间部105硬度的设置，防止了肩突107的过大而导致的胶筒10割裂，也能用较小的第一轴向压力F₁对胶筒10进行密封。在该种特殊结构下，当进而下端部106与中间部105的硬度基本相同时，本申请的胶筒的密封由下端部106和中间部105来提供；当下端部106与上端部104的硬度基本相同时，本申请的胶筒的密封由中间部105来提供。这样本申请的胶筒10与现有技术的胶筒在起密封作用的结构上完全不同。

作为一个优选实施例，当上端部104的外壁与套管40的内壁相抵触时，更优地是上端部104的外壁(或者说上端部104的外表面)与套管40的内壁密封时，此时上端部104的下部基本等面积地覆盖于中间部105的上部，上端部104与中间部105基本不存在径向方向上的差异，从而能对中间部105与上端部104结合处产生向下的抵压作用，防止或者减少中间部105向上凸起而导致肩突。

在一个实施例中，下端部106的硬度大于中间部105的硬度，以致下端部106承受第二轴向压力F₂时，中间部105在径向方向的形变大于下端部106在径向方向的形变。基于同样的原理，这样的结构能够防止下端部106在承受第一轴向压力F₁或者第二轴向压力F₂时产生向下的凸起，并能够在已经产生向下凸起的情况下来防止下端部106在进一步承受第二轴向压力F₂时造成凸起变大，从而防止下端部106被割裂而引起胶筒10密封失效。

在另一个实施例中，上端部104与下端部106的硬度基本相同，也就是说，上端部104与下端部106的硬度均大于中间部105的硬度，这样无论受到第一轴向压力F₁还是第二轴向压力F₂时，中间部105的形变均大于上端部104与下端部106。这样的结构能使中间部105很快地达到密封状态，并且防止或减小上端部104与下端部106发生肩突。

根据发明人的试验，当第一轴向压力为30MPa时，发明人发现几乎所有的胶筒都会出现肩突，再进一步施加第二轴向压力(例如15MPa或20MPa)时，所有的胶筒均会在肩突处产生割裂，导致密封失效。发明人认为应该从胶筒本身的结构上进行改进，来研发出一种既能够密封又不容易产生肩突的胶筒结构。但矛盾在于，若需要胶筒实现密封功能则胶筒不能太硬，若需要防止肩突则胶筒不能太软。若胶筒是一个硬度均匀体，则需要选择合适硬度的材料，根据现有技术来看，目前在世界范围内还未研制出耐受20MPa高压和350℃高温同时作用的新材料。而本申请中，胶筒10由多个在轴向方向排列的密封环(上端硬质密封环71、下端硬质密封环72、中间硬质密封环73、上端软质密封环74和下端软质密封环75)组成，这样各个密封环因材料的选择就可以硬度不同，较硬的密封环设置在胶筒10的两端能起到防止肩突产生的问题，较软的密封环则可以起到密封的效果。发明人发现肩突的产生以及肩突的破裂更多地是发生在胶筒10被施加自下而上的第二轴向压力F₂时，当下端硬质密封环72设置在下端时，经过初次径向扩张而与中心管30和/或套管40接触后，下端硬质密封环72因与中心管30和/或套管40的摩擦会减小传递给上端软质密封环74和下端软质密封环75的轴向压力，此时能够有效的减小上端软质密封环74和下端软质密封环75受到的轴向压力，以及减小传递给上端硬质密封环71的轴向压力，而肩突产生的原因就在于轴向压力过大，所以这种设计可以减小或防止肩突107的产生。另外，参见图7，本申请设置了一个中间硬质密封环73，该中间硬质密封环73处于下端软质密封环75与下端硬质密封环72之间，基于同样的道理，下方的双层较硬的密封环的设计能进一步减小传递给上端硬质密封环71的轴向压力，更有效地防止肩突107的产生。虽然在一个方案中，也可以将中间硬质密封环73设置于其它位置，例如设置在上端硬质密封环71和上端软质密封环74之间，此时第一轴向压力F₁可能无法将上端硬质密封环71和中间硬质密封环73压开，导致上端硬质密封环71和中间硬质密封环73径向形变不足，上端软质密封环74和下端软质密封环75会沿着上端硬质密封环71和中间硬质密封环73与中心管30和套管40之间的空隙向上凸起。若中间硬质密封环73设置在上端软质密封环74和下端软质密封环75之间，则较软的上端软质密封环74和下端软质密封环75无法将较硬的中间硬质密封环73压开，同样会导致下端软质密封环75会沿着中间硬质密封环73与中心管30和套管40之间的空隙向上凸起的问题。而本申请中，中间硬质密封环73处于下端软质密封环75与下端硬质密封环72之间，若第一轴向压力F₁作用下的下端软质密封环75能将中间硬质密封环73压开，则在中间硬质密封环73下设置下端硬质密封环72时，下端软质密封环75同样能将中间硬质密封环73压开，虽然此时下端硬质密封环72可能径向形变不足，但下端硬质密封环72位于最下端，并不会有密封环因此而产生向上的凸起。并且，在随后第二轴向压力F₂作用时只会在最大的形变范围内进一步增加个密封环的径向形变，此时可以弥补下端硬质密封环72的径向形变的不足。上述设计考虑了第一轴向压力F₁和第二轴向压力F₂的施加顺序以及各密封环的位置关系。

在一个实施例中，上端硬质密封环71、下端硬质密封环72、中间硬质密封环73的硬度相同，上端软质密封环74和下端软质密封环75的硬度相同。在所有实施例中，上端硬质密封环71、下端硬质密封环72、中间硬质密封环73的硬度当然地大于上端软质密封环74和下端软质密封环75的硬度。

另一种减小肩突107的设计：

在图7所示实施例中，上端硬质密封环71与下端硬质密封环72形状相同且在上下方向上相互对称，第一铜皮111包覆在上端硬质密封环71的上表面及外表面；第二铜皮112包覆在下端硬质密封环72的下表面及外表面。第一铜皮111与第二铜皮112形状相同且在上下方向上相互对称。这样上端硬质密封环71与下端硬质密封环72可以相互通用，第一铜皮111与第二铜皮112可以相互通用，均降低了生产难度。由于上端硬质密封环71与下端硬质密封环72形状相同，下文通过对上端硬质密封环71的形状限定即可同时说明下端硬质密封环72的形状，通过对第一铜皮111的形状限定即可同时说明下端硬质密封环72的形状。

关于第一铜皮的倾斜角：图5是第一铜皮111的第一倾斜部与水平方向的夹角逐渐变大时肩突变化的仿真模拟图，其中图5a-图5e中第一倾斜部与水平方向的夹角依次为35度、40度、45度、50度、55度。图中阴影部分S表示促使肩突产生的内部作用力，阴影部分S越深则表示内部作用力越大。第一倾斜部的具体位置请参见图7。从图中可以看出，第一倾斜部与水平方向的夹角越大则肩突107越小。在第一倾斜部与水平方向的夹角为45度时，基本不会产生肩突，此时内部作用力较图5a和图5b中所示的内部作用力大，但较图5d和图5e中所示的内部作用力。当第一倾斜部与水平方向的夹角为50度时，肩突107部分甚至还未到达隆起的程度，但此时阴影部分S出现了明显的黑斑，锁门内部作用力产生了局部累积。为了增加胶筒10的耐用性，本申请优先选择第一倾斜部与水平方向的夹角为45度。

关于第一铜皮的厚度：图6a-图6c中第一铜皮的厚度依次为0.8mm、1.0mm和1.2mm。如图6所示，随着第一铜皮111厚度增加，内部作用力变小。当第一铜皮111厚度为0.8mm时，肩突107并不明显；当第一铜皮111厚度为1.0mm时肩突107已经不再产生，但此时内部作用力相对于周围的作用力仍然属于力的集中区域。当第一铜皮111厚度为1.2mm时内部作用力已经基本与周围的作用力相同。在本申请的一个实施例中，选用的第一铜皮111厚度为1.2mm。

关于第一铜皮的形状：在图7所示实施例中，上端硬质密封环71包括相互连接的第一渐变部703与第一圆柱部704，第一渐变部703设置在第一圆柱部704的上方。具体地，第一渐变部703从上到下直径逐渐变大，从而整体上呈圆台状；第一圆柱部704从上到下直径维持不变且与第一渐变部703最大直径相同而呈圆柱状。第一渐变部703与第一圆柱部704的形状设计使上端硬质密封环71的上端硬质密封环顶端701的宽度为上端硬质密封环底端702的宽度的1/3-2/5，当与第一倾斜部与水平方向的夹角选择在45度与55度共同限定时，其实际上限定了第一渐变部703的上下方向上的厚度，此时如图8所示的那样能防止肩突107的产生。第一铜皮111包括相互连续的第一水平部111a、第一倾斜部111b和第一竖直部111c。第一水平部111a与上端硬质密封环顶端部701相贴合，第一倾斜部111b与第一渐变部703的外表面相贴合，第一竖直部111c与第一圆柱部704的外表面相贴合。在现有技术中，一般地会避免第一铜皮111对第一圆柱部704的束缚，这样会影响上端硬质密封环71对套管40的密封。但在本申请中，起主要密封作用的是上端软质密封环74和下端软质密封环75，上端硬质密封环71和下端硬质密封环72更多地是防止肩突107产生。在第一竖直部111c对第一圆柱部704外表面束缚时，会减小内部作用力造成的第一圆柱部704向套管40方向的位移，而增大第一渐变部703向第一倾斜部111b方向的位移，而由于第一倾斜部与水平方向的夹角选择在45度与55度之间，在此夹角的选择时已经能够防止肩突的产生，故而当设置防肩突107产生的第一铜皮111时，更不会因第一渐变部703向第一倾斜部111b方向移动而产生肩突107。在图7所示实施例中，第一竖直部111c与第一圆柱部704的全部外表面相贴合，在其它实施例中，第一竖直部111c也可以只与第一圆柱部704的一部分外表面相贴合。

从图8可以看出，本申请图7所示的胶筒10在被在压缩后，上端软质密封环74和下端软质密封环75基本成为一个整体，中间硬质密封环73和下端硬质密封环72基本成为一个整体。上端软质密封环74和下端软质密封环75组成的整体与中间硬质密封环73和下端硬质密封环72组成的整体的软硬程度差异较大，且与上端硬质密封环71的硬度较大。参见图6和图8可知，此时促使肩突107产生的内部作用力较小，达到了防止肩突107产生的目的。

本申请还提供一种封隔器，该封隔器具有上述技术方案之一所限定的胶筒10。

本申请还提供一种桥塞，该桥塞具有上述技术方案之一所限定的胶筒10。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本申请的多个示例性实施例，但是，在不脱离本申请精神和范围的情况下，仍可根据本申请公开的内容直接确定或推导出符合本申请原理的许多其他变型或修改。因此，本申请的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。