高温高压封隔器及耐温耐压胶筒的制作方法

本发明涉及封隔器技术领域，特别涉及一种高温高压封隔器及耐温耐压胶筒。

背景技术：

随着勘探开发的不断深入，全球油气勘探开发对象已经从常规油气藏转向非常规油气藏，目的层由中浅层向深层和超深层快速延伸，如何实现新地区、新领域、新层位尤其是深层的油气突破，寻找和扩大油田含油气范围及领域，已经成为顺利实现中国石油资源接替目标的主要手段。近年来，我国西部地区油气资源接替能力逐渐增强，预计到2030年将形成西部接替东部的新格局，主要接替区分布在新疆的塔里木、准噶尔、吐哈盆地和青海的柴达木盆地以及四川盆地，其中的绝大部分油气资源埋藏深度在5000米以下，深层油气资源开发已经成为我国石油引领未来油气勘探与开发最重要的战略现实领域。

深层油气资源开发具有储层构造应力复杂多变、自然产能普遍较低、温度高、施工压力高等特点，压裂施工难度较越来越大，对封隔器性能要求越来越高。

目前封隔器胶筒主要采用丁腈橡胶、氢化丁腈橡胶和氟橡胶等材料，随着温度不断升高，胶筒本身的强度和硬度都会降低，胶筒的耐温性能与选用的材料密切相关，而耐压性能主要与合理的结构有关。胶筒在高温高压条件下，胶筒肩部容易突出增大，甚至破裂，从而导致封隔器的耐压性能降低，使用寿命缩短，甚至密封失效。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种在高温高压情况下，阻止胶筒沿着封隔器与套管环空外凸的耐温耐压胶筒。

本发明的另一目的是提供一种能够实现可靠的密封的高温高压封隔器。

为此，本发明技术方案如下：

一种高温高压封隔器，包括自上而下依次套装在所述中心管外侧上橡胶组件、密封胶筒和下橡胶组件；其中，

所述上橡胶组件包括自上而下依次套装的上外隔环、上内隔环、胶筒、下内隔环和下外隔环；所述上内隔环压配在所述胶筒的顶面上，所述下内隔环抵在所述胶筒的底面上；所述上内隔环和所述下内隔环的外壁均向内凹陷形成一外径自上而下逐渐增大的弧形凹面，所述上外隔环和所述下外隔环的内壁均加工为分别与所述上内隔环和所述下内隔环的外壁相互配合的弧形凸面；所述钢丝网包覆并固定在所述胶筒外壁上，且所述钢丝网上端和下端分别设置并固定在所述上内隔环和所述上外隔环之间以及所述下内隔环和所述下外隔环之间；

所述下橡胶组件与所述上橡胶组件具有相同的结构。

通过优化耐温耐压胶筒胶筒的结构，利用端部胶筒上金属护套网高性能的抗拉强度，补偿橡胶体在高温状态下软化抗拉强度降低的弱性，并保护橡胶体在高压状态下不被挤出。

进一步地，所述钢丝网的宽度大于所述上内隔环、所述下内隔环和所述胶筒的宽度之和，使所述钢丝网完全包覆在所述上内隔环、所述下内隔环和所述胶筒的外侧壁面上。

具体地，所述钢丝网分别与所述上内隔环的外壁、所述下内隔环的外壁、所述胶筒的外壁、所述上外隔环的内壁和所述下外隔环的内壁一体硫化成型。

进一步地，所述上橡胶组件、所述密封胶筒和所述下橡胶组件的轴向长度比为6:5:6。

通过改变耐温耐压胶筒的结构和传统制作工艺，在胶筒外部环周包裹金属护套网作为端部保护胶筒，在端部胶筒中间安装密封胶筒，利用带有金属护套网的端部胶筒保护密封胶筒，控制密封胶筒在高温状况下承载高压时外突，从而保证了封隔器在高温井内承载高压差。

一种采用如上所述的耐温耐压胶筒构成的高温高压封隔器，包括自上而下依次套装在所述中心管外侧的上接头、耐温耐压胶筒、上活塞、锁紧环、下活塞和下接头；其中，

所述上接头和所述下接头固定在所述中心管的顶端和底端；

所述耐温耐压胶筒抵在所述上接头的底面上；

所述上活塞和下活塞之间间隔设置；所述的锁紧环设置并固定在所述上活塞内侧，在所述中心管外壁上且位于所述锁紧环上方加工有能够与所述锁紧环相互配合的单向步进式螺纹；在所述上活塞和下活塞外侧套装并固定有一缸套，使所述中心管、所述缸套、所述上活塞和所述下活塞之间围成一环空空间；

所述中心管的侧壁上沿圆周方向开设有两个液体流通孔，使所述中心管内腔通过所述液体流通孔与所述环空空间形成连通；

在所述缸套的下侧外壁上沿圆周方向设置有四个剪切销钉，将所述缸套固定在所述下活塞上；在所述下活塞下侧外壁上沿圆周方向设置有四个紧定螺钉，将所述下活塞固定在所述下接头上。

进一步地，在所述上接头和所述中心管之间、所述下接头和所述中心管之间均设置有双道密封圈。

进一步地，在所述上活塞和所述中心管之间、所述缸套和所述下活塞之间分别设置有双道密封圈；在所述上活塞和所述缸套之间、所述下活塞和所述中心管之间分别设置有一道密封圈。

与现有技术相比，该耐温耐压胶筒由上橡胶组件、密封胶筒和下橡胶组件构成，其上橡胶组件和下橡胶组件通过向模具内注胶使钢丝网包覆在胶筒和隔环表面，增强了胶筒本身的强度和硬度，提高了其在高温条件下的防肩突效果和承压能力，阻止了胶筒沿着封隔器与套管环空外凸，有效地保护了中间的密封胶筒，提高了封隔器在高温下的承压能力；配合高温高压封隔器的结构，使坐封过程简单，易操作，并最终实现可靠的密封。

附图说明

图1为本发明的高温高压封隔器的结构示意图；

图2为本发明的高温高压封隔器的橡胶组件的结构示意图；

图3为本发明的高温高压封隔器的橡胶组件的抗压测试实验装置的结构示意图

图4为本发明实施例2的施工过程的施工曲线；

图5为本发明实施例3的施工过程的施工曲线。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。

实施例1

如图1所示，一种高温高压封隔器，包括中心管9和自上而下依次套装在所述中心管9外侧的上接头1、耐温耐压胶筒、上活塞5、锁紧环14、下活塞7和下接头10。

所述上接头1和所述下接头10螺纹连接在所述中心管9的顶端和底端，且在所述上接头1和所述中心管9之间、所述下接头10和所述中心管9之间均设置有双道密封圈。

所述耐温耐压胶筒包括自上而下依次套装在所述中心管9外侧上橡胶组件2、密封胶筒3和下橡胶组件4。

如图2所示，所述上橡胶组件2包括自上而下依次套装的上内隔环201、上外隔环202、胶筒204、下内隔环205和下外隔环206；具体地，所述上内隔环201压配在所述胶筒204的顶面上，所述下内隔环205抵在所述胶筒204的底面上；所述上内隔环201和所述下内隔环205的外壁均向内凹陷形成一外径自上而下逐渐增大的弧形凹面，所述上外隔环202和所述下外隔环206的内壁均加工为分别与所述上内隔环201和所述下内隔环205的外壁相互配合的弧形凸面；所述钢丝网203采用向模具内注胶使钢丝网包覆并固定在所述胶筒204外壁上，且所述钢丝网203的宽度与所述上内隔环201、所述下内隔环205和所述胶筒204的宽度之和相适应，使所述钢丝网203的上端和下端分别设置在所述上内隔环201和所述上外隔环202之间、所述下内隔环205和所述下外隔环206之间，并通过向模具内腔注入橡胶硫化成型方法固定，使上橡胶组件2的各部分安装在一起。

其中，所述上橡胶组件2的外径与所述密封胶筒3的外径保持一致；所述上橡胶组件2和所述密封胶筒3的高度比为6:5；所述下橡胶组件4与所述上橡胶组件2尺寸、结构相同；具体地，耐温耐压胶筒轴向总长度为170mm，其中，所述上橡胶组件2和所述下橡胶组件4的轴向长度为60mm，密封胶筒3的轴向长度为50mm；

所述上活塞5抵在所述下橡胶组件4的底面上，其顶端外壁向外凸起形成有第一环形台阶、底部内壁向内凹陷形成有第二环形台阶；所述锁紧环14设置在所述的上活塞5内侧并固定在第二环形台阶处，在所述中心管9外壁上且位于所述锁紧环14上方加工有能够与所述锁紧环14相互配合的单向步进式螺纹，使所述锁紧环14只能相对于所述中心管9的单向步进式螺纹向上运动；

所述下活塞7上侧外壁上下侧内壁分别向内凹陷形成有第三环形台阶和第四环形台阶，使所述下接头10套装在所述下活塞7内侧且所述下接头10的顶端抵在所述第四环形台阶的下端面上；在所述下活塞7下侧外壁上沿圆周方向设置有四个紧定螺钉12，将所述下活塞7固定在所述下接头10上；

所述缸套6套装在所述上活塞5和所述下活塞7外侧；所述缸套7一端抵在所述上活塞5第一环形台阶的下端面上、另一端压配在所述下活塞7的第三环形台阶的上端面上，使所述上活塞5和所述下活塞7之间间隔设置，进而使设置在所述中心管9外侧的所述缸套6、所述上活塞5和所述下活塞7围成一环空空间13；

在所述中心管9的侧壁上沿圆周方向开设有两个液体流通孔11，使所述中心管9内腔通过所述液体流通孔11与所述环空空间13形成连通；

在所述缸套6的下侧外壁上沿圆周方向设置有四个剪切销钉8，将所述缸套6固定在所述下活塞7上；

为保证封隔器装置的密封性，在所述上活塞5和所述中心管9之间、所述缸套6和所述下活塞7之间分别设置有双道密封圈；在所述上活塞5和所述缸套6之间、所述下活塞7和所述中心管9之间分别设置有一道密封圈。

使用时，将连接有该高温高压封隔器的压裂管柱下至指定压裂位置，具体地，该高温高压封隔器下方连接有投球滑套；压裂施工时经油管投球至高温高压封隔器下方投球滑套后，管柱内憋压至指定压力，剪断销钉8，管柱内液体流入环空空间13中，在液压作用下推动上活塞5上行压缩由下橡胶组件4、密封胶筒3和上橡胶组件2构成的耐温耐压胶筒；与此同时，缸套6和锁紧环14随同上活塞5一起上行，锁紧环14与中心管9外壁上的单向步进式螺纹完成锁紧，以保持持续的座封力，继续憋压至额定座封压力，即可完成封隔器的座封。

其中，耐温耐压胶筒中的下橡胶组件4和上橡胶组件2对密封胶筒3起保护作用：压裂下层时，下橡胶组件4起到初密封和阻止胶筒沿着封隔器与套管环空外凸的作用，保护密封胶筒3，实现可靠的密封；压裂上层时，上橡胶组件2起到初密封和阻止胶筒沿着封隔器与套管环空外凸的作用，保护密封胶筒3，实现可靠的密封。

性能测试：

1)实验室实验：

将封隔器组装完成后，在下接头处连接球座，放入试压缸内；投球后从中心管加压至封隔器启动压力，剪断销钉，继续加压至坐封压力，稳压10min，完成封隔器的座封，继续加压打悼球座销钉；将试压缸放进加热装置内，进行加热，然后加压进行承压实验。

实验条件：温度200℃，压强100MPa，加热时间180min。

经测试：封隔器在上述实验条件下密封情况良好，实验后胶筒没有破裂，防突效果突出，可见该封隔器具有良好的耐高温和抗压特性。

现场施工：

实施例2(鄂探1井)：

鄂探1井I层组试气井段为4857.85-4861.38m，根据压力梯度本井I层组(4851.0-4861.0m)井段地层破裂压力为：

P(破)＝H×C＝4856.0×0.0243＝118.00MPa

根据邻井实测地层温度数据，本井的I层组(4851.0-4861.0m)井段地层温度为：

T＝0.0343×4861.0+16.8047＝183.54℃

如图4所示，为该施工过程的施工曲线。从图中可见：13:00-15:00往地层挤入酸液，排量0.8～1.2m³/min，泵压65～97MPa，停泵40min，待酸液反应后，以降低后期施工压力，降低作业风险。16:00开始打入前置压裂液，开始压裂施工，施工排量3～4m³/min，施工压力104～118MPa，累计砂量41.0m³，最高砂比17％，泵入总液量641.0m³。

实施例3(牛新1井)：

牛新1井I层组试气井段为5303.90-5329.50m，根据压力梯度本井I层组(5303.90-5329.50m)井段地层破裂压力为：

P(破)＝H×C＝5315.0×0.0243＝129.2MPa

根据邻井实测地层温度数据，本井的I层组(5303.90-5329.50m)井段地层温度为：

T＝0.0343h+16.8047＝0.0343×5315.0+16.8047＝199.1092℃

如图5所示，为该施工过程的施工曲线。从图中可见：18:30-22:00往地层挤入酸液，排量0.8--1.2m³/min，泵压52-83MPa，停泵40min，待酸液反应后，以降低后期施工压力，降低作业风险。22:50开始打入前置压裂液，开始压裂施工，施工排量2.5～3m³/min，施工压力93～107MPa，累计砂量61.1m³，最高砂比15％，泵入总液量783.0m³。

现场试验表明，封隔器最高施工压力118MPa，最大施工压差92MPa，地层温度199℃，封隔器密封性能良好，胶筒承压性能显著提高。