包括金属丝密封环的胶筒、封隔器和桥塞的制作方法
【专利摘要】本申请涉及密封领域，特别是涉及一种石油开采工业中使用的能承受高温高压的包括金属丝密封环的胶筒、封隔器和桥塞。胶筒包括金属丝密封环和纤维丝密封环，金属丝密封环与纤维丝密封环相抵触且设置在下方；金属丝密封环包括相互交叉的多根金属丝以及将各金属丝粘接在一起的胶体；纤维丝密封环包括相互交叉的耐高温高压的多根纤维丝以及将各纤维丝粘接在一起的胶体。本申请的金属丝密封环设置在纤维丝密封环的下方时，金属丝密封环因与中心管和/或套管的摩擦会减小传递给纤维丝密封环的轴向压力，此时能够有效的减小纤维丝密封环受到的轴向压力，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的产生。
【专利说明】
包括金属丝密封环的胶筒、封隔器和桥塞
技术领域
[0001]本申请涉及密封领域，特别是涉及一种石油开采工业中使用的能承受高温高压的包括金属丝密封环的胶筒、封隔器和桥塞。
【背景技术】
[0002]封隔器是油田井下采油的一种关键工具，广泛应用于油田分注、分层改造、分层采油、机械管道堵水等多种作业，封隔器需要进行环空的封隔，以实现油气分层，而实现环空封隔的核心部件是胶筒。桥塞也是采油工作中普遍使用的一种油气分层的工具。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。封隔器和中心管同时留井，配上丢手可以单独留井，而桥塞则是单独留井。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。
[0003]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，在封隔器和桥塞中起着决定性的作用。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。最重要的是，当胶筒在井下受到高温蒸汽作用时，胶筒更多的是受到高温高压的同时作用而失效导致失去恢复能力。
[0004]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Imm左右的钢网或钢带分别固化在两个端胶筒某一端面上”。
[0005]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”。
[0006]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)”。
[0007]但是，上述现有技术仅分析了施加第一轴向压力(相当于“轴向载荷”)对胶筒形变的影响。但在实际生产过程中，需要对胶筒首先施加一个自上而下的第一轴向压力来使胶筒产生初步的密封，然后胶筒施会受到自下而上的第二轴向压力(井底气体等物质对胶筒的冲击)。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。
[0008]进一步地，发明人还发现，即使在施加第二轴向压力时胶筒能够短暂的密封，但井底气体等物质对胶筒冲击时，包含于其中的高温高压蒸汽的小分子会对高分子材料的胶筒产生降解作用，导致胶筒首先在下端部失去弹性而无法起到密封作用，影响胶筒密封的长效性。
【发明内容】
[0009]本申请的一个目的在于提供一种新的结构设计的胶筒，来防止或减小胶筒产生的肩突。
[0010]根据本申请的一个方面，提供一种包括金属丝密封环的胶筒，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，所述胶筒包括在所述轴向方向排列的一个以上的金属丝密封环和一个以上的纤维丝密封环，其中的一个所述金属丝密封环与其中的一个所述纤维丝密封环相抵触且设置在该纤维丝密封环的下方；
[0011]所述金属丝密封环包括相互交叉的多根金属丝以及将各所述金属丝粘接在一起的胶体；
[0012]所述纤维丝密封环包括相互交叉的耐高温高压的多根纤维丝以及将各所述纤维丝粘接在一起的胶体。
[0013]优选地，其中的一个所述金属丝密封环的下方设置有相抵触的第一隔环，与该金属丝密封环相抵触的一个所述纤维丝密封环的上方设置有相抵触的第二隔环，所述第一隔环和所述第二个隔环的硬度均大于所述金属丝密封环与所述纤维丝密封环的硬度；
[0014]并且，所述金属丝密封环与其相抵触的一个所述纤维丝密封环之间不设置隔环。
[0015]优选地，所述第一隔环和所述第二个隔环均为金属材质。
[0016]优选地，所述第一隔环和所述第二个隔环均为铝材质；
[0017]所述第一隔环的厚度为Dl，所述第二隔环的厚度为D2，并且4mm<DK6mm，4mm<D2^6mm0
[0018]优选地，所述第一隔环的厚度为5mm。
[0019]优选地，所述第二隔环的厚度为5mm。
[0020]优选地，所述第一隔环和所述第二个隔环均为铁材质；
[0021 ] 所述第一隔环的厚度为Dl，所述第二隔环的厚度为D2，并且2mm<DK4mm，2mm<D2<4mm0
[0022]优选地，所述第一隔环和所述第二隔环的厚度均为3mm。
[0023]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。
[0024]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。
[0025]本申请提供的技术方案至少具有如下技术效果:
[0026]1、根据本申请的技术方案，上端部的硬度大于中间部的硬度，这样在上端部受到第一轴向压力时，上端部更多地是将该第一轴向压力传递给中间部及下端部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时即可让中间部及下端部发生径向变形，从而达到胶筒整体的密封。
[0027]2、根据本申请的技术方案，在中间部的硬度不变的情况下，本申请将上端部的硬度设置为大于中间部的硬度，这样在受到相同大小的第一轴向压力作用时，上端部在径向方向的变形较小，特别需要注意的是，相应地上端部因径向变形而形成的肩突也较小。较小的肩突能够有效地防止胶筒割裂，达到了防止胶筒密封失效的效果。
[0028]3、在一个实施例中，由于基体中包含多根纤维丝，当纤维丝的数量较多时密封环偏硬，当纤维丝的数量较少时密封环偏软，这样就可以根据纤维丝的数量来调节密封环的软硬程度，这样能够通过改变密封环的硬度来直接改变胶筒整体的硬度，达到增加胶筒的抗压强度范围的目的。并且，当胶筒受到第一轴向压力而膨胀时，纤维丝将限制该膨胀，从而在整体上增加胶筒的结构硬度，增加胶筒的抗压强度。
[0029]4、本申请涉及的多个密封环轴向排列，在石油开采过程中若有个别密封环损坏，可以将损坏的密封环更换为新的密封环，而其余密封环不再更换。这样从整体上而言，增加了单个密封环平均的使用时长，能够大大减小胶筒的使用量，降低生产成本。
[0030]5、当本申请的基体选择为盘根时，可以选用现有的耐高温高压的盘根，这样，当胶体与石墨盘根或碳纤维盘根结合而成为密封环时，盘根整体能起到支撑作用，而胶体能起到变形和密封加强的作用。本申请选用现有的盘根，而不用制作专门的用作基体的盘根，能够增加生产的灵活性。据发明人所知，现有的石墨盘根和碳纤维盘根可以耐受住高温高压的作用，但石墨盘根和碳纤维盘根的回弹性较差。在本申请中，胶体分散于盘根之中，在第一轴向压力消失后胶体有助于被压缩的盘根进行回弹，从而有利于胶筒从井下取出。
[0031]6、本申请的金属丝密封环设置在纤维丝密封环的下方时，金属丝密封环因与中心管和/或套管的摩擦会减小传递给纤维丝密封环的轴向压力，此时能够有效的减小纤维丝密封环受到的轴向压力，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的产生。
【附图说明】
[0032]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:
[0033]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；
[0034]图2是本申请一个实施例的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；
[0035]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；
[0036]图4是本申请一个实施例的胶筒的结构示意图；
[0037]图5是本申请一个实施例的密封环的结构示意图；
[0038]图6是本申请一个实施例的密封环的横截面示意图；
[0039]图7是本申请一个实施例密封环的横截面示意图；
[0040]图8是本申请一个实施例的密封环的横截面示意图；
[0041 ]图9是本申请一个实施例的密封环的横截面示意图；
[0042]图10是本申请一个实施例的密封环的横截面示意图；
[0043]图11是本申请一个实施例的未示出通孔的胶筒的横截面示意图；
[0044]图12是根据本申请一个实施例的三段式的胶筒的结构示意图。
[0045]图中的附图标记如下:
[0046]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；
[0047]108-基体，109-胶体，111-第一铜皮，11 Ia-内侧铜皮，IIlb-外侧铜皮，IIlc-开口，11 Id-上侧铜皮，11 Ie-下侧铜皮，112-第二铜皮，113-第三铜皮；
[0048]30-中心管；
[0049]40-套管；
[0050]51-第一隔环，52-第二隔环，53-第三隔环，54-第四隔环；
[0051 ] 70-密封环，71-金属丝密封环，72-纤维丝密封环，73-石墨密封环；
[0052]200-压缩式封隔器；
[0053]A-第一轴向方向；
[0054]B-第二轴向方向；
[0055]F1-第一轴向压力；
[0056]F2-第二轴向压力。
【具体实施方式】
[0057]下文所述的方向“上”、“下”均是以图2作为参考叙述的。
[0058]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需要在井筒中把不同的油层、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。
[0059]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，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用于承受沿轴向方向的与第一轴向压力^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^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。在图2所示实施例中，上端部104和下端部106均具有斜边，在其它实施例中也可以不设置该斜边。
[0060]如图3所示，发明人发现，当上端部104受到第一轴向压力Fdt，上端部104会产生很大的肩突107，当再施加第二轴向压力内时，上端部104会在图3中的肩突107处发生割裂。
[0061]下面来叙述本申请减少或防止肩突107的结构设计。
[0062]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Fr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？工后，内表面102与图1和图2中的中心管30密封，外表面1I与图1和图2中的套管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。
[0063]一种减小肩突107的设计:
[0064]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。
[0065]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^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^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，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，防止或减小如图3所示的肩突107。
[0066]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。
[0067]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将不再起到密封作用，而仅仅是将受到的第一轴向压传递给中间部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的密封也仅是对该胶筒10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对胶筒10进行密封。
[0068]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，但是这样上端部104在第一轴向压力^作用下可能并未与套管40接触而并不起到密封作用。在该种特殊结构下，当下端部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1与现有技术的胶筒在起密封作用的结构上完全不同。
[0069]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与上端部104结合处出现肩突。
[0070]若为了达到如上所述的“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”和上端部104不产生肩突107的效果，可以使用不易变形的金属块，例如铁块。若金属块的直径较小，则与金属块接触的中间部105会产生更大的肩突107，若金属块的直径较大，则考虑到套管40的弯曲情况，金属块不易在套管40内滑行到合适的位置，尤其考虑到滑行距离可能长达I公里，套管40内壁具有凸起杂物时。而且若套管40内进入异物则较大的金属块也不易从套管内抽离。从另一方面说，提升力较小则不能将金属块从套管40内抽离，提升力较大则可能损伤套管40。综合考虑，本申请使用的上端部104具有弹性，但需要对上端部104的弹性进行限定，即上端部104的硬度大于中间部105的硬度，这样上端部104可以做的直径较小，方便在套管内移动，例如上端部104可以与中间部105的直径相同。由于上端部104较硬，其自身不易形成肩突107或者形成的肩突107较小，由于在压缩时上端部104在径向方向逐渐延伸变形而发生形变，减小了上端部104与套管40之间的空隙，从而减小或阻止了中间部105的肩突的形成及形成的大小。
[0071]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时产生肩突，并能够在已经产生肩突的情况下来防止下端部106在进一步承受第二轴向压力F2时造成肩突变大，从而防止下端部106被割裂而引起胶筒10密封失效。
[0072]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？工还是第二轴向压力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，并且防止上端部104与下端部106发生肩突或者防止上端部104与下端部106已经产生的肩突变大。
[0073]如图2、图3和图4所示实施例中，胶筒10由上端部104、下端部106和中间部105三部分组成。以图4为例，在第一轴向方向A上，也就是自上而下的方向上，三个密封环70分别充当上端部104、下端部106和中间部105，但更多地是由至少两个密封环70来充当中间部105。
[0074]另一种减小肩突107的设计:
[0075]【背景技术】部分提到“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”。
[0076]【背景技术】部分提到“……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Imm左右的钢网或钢带分别固化在两个端胶筒某一端面上”。
[0077]上述两种现有设计遵循同一种思路:直接在肩突的发生部位使用约束件进行限制，来直接防止肩突的产生。所以约束件的硬度是需要考虑的问题:若约束件过硬则在胶筒形变(尤其是产生肩突)的过程中，很可能约束件会对胶筒产生割伤，若约束件过软则无法起到防止肩突的作用。所以对约束件的要求非常严格，例如对于上述的现有技术的铜碗而言，需要严格的控制铜碗的厚度。
[0078]如【背景技术】所述“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能起到的材料，根据现有技术来看，目前并世界范围内还未研制出耐受20MPa高压和350 °C高温同时作用的新材料。
[0079 ]本申请采用了不同的思路:首先本申请的胶筒1由多个在轴向方向排列的密封环70组成，这样各个密封环70因材料的选择就可以硬度不同，较硬的密封环70设置的胶筒10的两端能起到防止肩突产生的问题，较软的密封环70则可以起到密封的效果。进一步地，胶筒10包括在轴向方向排列的一个以上的金属丝密封环71和一个以上的纤维丝密封环72，其中的一个金属丝密封环71与其中的一个纤维丝密封环72相抵触且设置在该纤维丝密封环72的下方。其中，金属丝密封环71包括相互交叉的多根金属丝以及将各金属丝粘接在一起的胶体。其中，纤维丝密封环72包括相互交叉的耐高温高压的多根纤维丝以及将各纤维丝粘接在一起的胶体。发明人经过多次试验，发现现有的纤维丝在22Mpa拉力的作用下会发生断裂，因此纤维丝做成的纤维丝密封环72在22Mpa轴向压力作用下也很容易发生断裂。因此发明人选择使用了金属丝密封环71。但是金属丝与胶体的粘连性小于纤维丝与胶体的粘连性，若起密封作用的部分全部使用金属丝密封环71，则在高压作用下金属丝密封环71中的胶体很可能脱落，导致胶筒10无法密封，所以本申请将金属丝密封环71与纤维丝密封环72配对使用。金属丝密封环71设置在纤维丝密封环72的下方的原因在于，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^时，当金属丝密封环71设置在纤维丝密封环72的下方时，金属丝密封环71因与中心管30和/或套管40的摩擦会减小传递给纤维丝密封环72的轴向压力，此时能够有效的减小纤维丝密封环72受到的轴向压力，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的产生。另外金属丝密封环71是由金属丝和胶体组成的，在受到第一轴向压力Fdf，其内壁和外壁基本上已经分别与中心管30和套管40接触，这样在中心管30和套管40构成的环形空间内，金属丝密封环71以基本与环形空间横截面相同的面积施加于纤维丝密封环72上，再加上金属丝密封环71相比纯金属防肩突结构柔软的特性，金属丝密封环71不会对纤维丝密封环72产生割裂。尤其是，如图11所示，当胶筒10的两端分别为石墨密封环73时，由于石墨密封环73相对较硬，再一个优选实施例中石墨密封环73外部还套设有铜皮，石墨密封环73并不会割裂金属丝，由此也不会割裂金属丝密封环71。在图11所示实施例中，实现了上述两种防肩突设计的结合，效果明显。
[0080]图11中仅示意性的示出了一个金属丝密封环71和一个纤维丝密封环72，在其它实施例中还可以设置更多的金属丝密封环71，同样地设置相同数量的与金属丝密封环71相配合的纤维丝密封环72。
[0081 ]下面来具体叙述密封环70的形状及结构。
[0082]在试验过程中发明人发现，由于胶筒10的软硬有差异，例如，由聚醚醚酮制作的胶筒10较硬，使胶筒10达到坐封需要的第一轴向压力?工较大或者说在额定大小的第一轴向压力^下胶筒10变形不足，导致胶筒10无法起到密封作用。当使用较软的胶体制成胶筒10时，该胶筒10又会因无法承受住额定大小的第一轴向压而被压溃或者即使能够承受住第一轴向压力F1但在随后承受第二轴向压力F2时胶筒还会被压溃。
[0083]发明人在解决胶筒10较软的过程中，曾在胶体中掺杂多个相互分离的耐高温高压的纤维丝，例如石墨盘根丝、玻璃纤维丝。这样的结构在一定程度上能够解决胶筒10整体偏软的问题。但是，发明人进一步发现，虽然掺杂的纤维丝每个均与胶体相连，但各个纤维丝之间基本不连接或者连接较少，所以只能很有限地增加胶筒10的硬度。所以，发明人设计了如下的技术方案:如图5所示，使用相互交叉的多根纤维丝组成一个基体108，并使胶体109分布于基体108的表面上并粘接各纤维丝来形成密封环70，这样结构的密封环70具有在径向方向的延展性，或者说，由于各纤维丝相互纠缠在一起而使密封环70能在一定范围内直径变大而不发生断裂(主要是纤维丝的断裂)，在密封环70直径变大的过程中，相互交叉的纤维丝将抵消一部分促使其直径变大的第一轴向压力F1，从而若要使得密封环70的直径增大到一定程度，需要提供更大的第一轴向压力F1。尤其是，胶体109将各交叉的纤维丝紧紧地连接在一起，若要使得密封环70的直径增大到一定程度，就需要更大的第一轴向压力F:。归纳而言，各纤维丝交叉形成一个抵抗力，胶体109将各纤维丝粘接又形成一个抵抗力，在这两个抵抗力的作用下，胶筒10整体比较难压缩，这相当于胶筒10整体变硬。当密封环70的一定体积内的纤维丝的数量大致相同时，发明人发现可以通过改变密封环的厚度来调整相互交叉的纤维丝的数量，进而能调整所需的第一轴向压力F1的大小即施加给胶筒10的坐封力的大小。同样地，可以通过增加密封环70的一定体积内的纤维丝的数量来调整相互交叉的纤维丝的数量，进而也能调整所需的第一轴向压的大小。上述两种方式制作的上端的密封环70的硬度大于中间的密封环70的硬度。
[0084]回到图5，为了结构上的清晰需要，图5仅示出了包覆于基体108所有表面的胶体109，而未示出渗入基体108内部的胶体109ο作为对此处表面的一个说明，例如当基体108的横截面为圆形时，图5中的胶体109位于基体108的圆周面上。图5中基体108由多根耐高温高压的纤维丝聚合而成，例如纤维丝可以为玻璃纤维或者碳纤维等其它耐高温高压的材质。在一个实施例中，各根纤维丝经玮编织在一起而形成基体108，在其它是实施例中各根纤维丝还可以以其它方式编织在一起而形成基体108。
[0085]图5中基体108的厚度为1.8cm-2.5cm，数量可以选择为2-12个。在图11所示实施例中具有6个密封环70，基体108的数量也为6个。纤维丝的直径选择为7-30μπι，这样就能在一个密封环70上具有数量庞大的纤维丝，能极大的提高胶筒10的硬度。根据发明人的试验，基体108的厚度以不超过2cm为宜。这是因为，发明人发现，需要将形成胶体109的胶液渗入基体108中来形成密封环70，但随着基体108厚度的增加胶液的渗入速度将逐渐变慢。尤其是当基体108的厚度大于2.5cm后胶液渗入的速度将会非常慢。所以，在一个实施例中，各基体108的厚度为2cm，在其它实施例中也可以为1.8cm或者2.5cm。
[0086]通过上面的叙述可知，在本申请的技术方案中，并不必然需要该纤维丝具有弹性，这是由于胶筒10的收缩和膨胀由胶体109来完成。上文所述，胶体109分布于各基体108的表面上和内部并将各纤维丝粘接。理想的情况是，胶体109粘接每根纤维丝，并将各纤维丝交叉地粘接在一起。
[0087]下面将详细叙述胶筒10上包覆的铜皮。
[0088]发明人发现，在解决了肩突107的问题后，若胶筒10选用合适的材料则能够起到密封作用，但在高温高压的环境下经过很短的时间(例如六小时)胶筒10还是会密封失效，对失效的胶筒10进行研究分析，发现胶筒更多地不是因肩突107的破裂而失效，而是因为胶筒10的下端部106溃烂而失效。经过研究，该溃烂是包含于井底气体中的高温高压蒸汽的小分子会对高分子材料的胶筒产生降解造成的。当胶筒10密封后，只有下端部106的下表面与井底气体直接接触，从而造成胶筒10从下往上降解失效。
[0089]在图6所示实施例中，密封环70外包覆有第一铜皮111，该第一铜皮111包覆密封环70的下表面(下边部分)、内侧面(左边部分)、外侧面(右边部分)。可以看出，第一铜皮111具有开口 111c，开口 Illc位于密封环70的上表面，且沿着密封环70的上表面延伸。在一个实施例中，参见图5，开口 Illc也可以沿着密封环70的上表面收缩成一个开孔。开口 Illc或开孔的设计，是为了在高温高压的情况下，供密封环70内残存的气体流出，在上部设置的密封环将该开孔抵压时还能阻止高温高压的气体从该开孔流入。在图6所示实施例中，开口 Illc将第二铜皮112覆盖，在其它的实施例中还可用第二铜皮112覆盖住该开口 111c。
[0090]必须考虑的是，密封环70为圆环形，所以包覆于其外的第一铜皮111也为圆环形，圆环形的第一铜皮111在弯折处容易产生破裂，所以在图7所示实施例中，第一铜皮111包覆密封环70的上表面、下表面以及外侧面而不包覆密封环70的内侧面(左边部分)。这样，第一铜皮111只需要一次弯折即可成形，提高了第一铜皮111的生产效率。上文提到“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”，所以密封环70仅需要很小的向内凸起即可与中心管30密封，而需要很大的向外凸起才可与套管40密封，由此不包覆铜皮的面没有选择在外侧面而选择在内侧面。
[0091]参见图7，在图7中第一铜皮111的开口边缘与密封环70的内侧面平齐，这种设计是在内侧面不包覆铜皮的情况下，尽可能多地对密封环70的上下表面产生保护，减小高温高压蒸汽对密封环70的降解作用。
[0092]在图8所示实施例中，密封环70外包覆有第三铜皮113，第三铜皮113包覆密封环70的下表面、内侧面、外侧面以及上表面，或者第三铜皮113包覆密封环70的上表面、下表面以及外侧面而不包覆密封环70的内侧面。当第一铜皮111还包覆于下端的石墨密封环73的上表面时，第一铜皮的形状与第三铜皮113相同。
[0093]在图9所示实施例中，密封环70外包覆有内侧铜皮Illa和外侧铜皮111b，内侧铜皮Illa包覆密封环70的一部分下表面、全部内侧面(左边部分)以及一部分上表面。外侧铜皮Illb包覆密封环70的一部分下表面、全部的外侧面(右边部分)以及一部分上表面。并且内侧铜皮Illa和外侧铜皮Illb在上表面和下表面均有相互重合叠加的部分。
[0094]在图10所示实施例中，密封环70外包覆有上侧铜皮Illd和下侧铜皮Ille，上侧铜皮Illd包覆密封环70的一部分内侧面、全部上表面(上边部分)以及一部分外侧面。下侧铜皮Ille包覆密封环70的一部分内侧面、全部下表面(下边部分)以及一部分外侧面。并且上侧铜皮11 Id和下侧铜皮11 Ie在内侧面和外侧面均有相互重合叠加的部分。在一个实施例中，上侧铜皮Illd和下侧铜皮Ille在重叠处焊接来防止高温高压蒸汽的小分子与密封环70的直接接触。
[0095]图9和图10所示实施例也是为了减少第一铜皮111的弯折处的数量，防止第一铜皮111在弯折处容易产生破裂，并且也提高了第一铜皮111的生产效率。
[0096]参见图11，当下端的两个石墨密封环73包覆有图6、图8或图9铜皮时，能够防止高温高压蒸汽的小分子对下端的石墨密封环73造成腐蚀和降解。进一步地，由于下端的石墨密封环73仅与中心管30和套管40抵触，仅起到轻微的密封作用，下端的石墨密封环73与套管40之间很可能存在间隙，所以也需要在下端的石墨密封环73的外侧面上覆盖铜皮。由于下端的石墨密封环73的上表面被金属丝密封环71的下表面抵压，隔绝了与高温高压蒸汽的小分子的直接接触，从这个方面来讲，下端的石墨密封环73的上表面并不需要覆盖铜皮。若如此，则铜皮的开口处必然位于下端的石墨密封环73的外侧面上，这样在胶筒10被压缩而径向变形的过程中，铜皮的开口会对金属丝密封环71产生割裂，由此在图6所示实施例中，开口 Illc位于上表面上，为了进一步隔绝了与高温高压蒸汽的小分子的直接接触，开口Illc将第二铜皮112覆盖。图9中的内侧铜皮Illa和外侧铜皮Illb均为“U”形结构，在安装时可以先将内侧铜皮11 Ia从内侧面套设在密封环70上，从外侧面将外侧铜皮11 Ib套设在密封环70及部分内侧铜皮Illa上，这样的结构能够将铜皮方便地安装到密封环70上，提高了安装效率。对于上端的两个石墨密封环73来说，其与铜皮组合后的结构可以为图6、图8或图9所示的结构。当为图6所示的结构时，需要将第一铜皮111和第二铜皮112均旋转180度来使用，此时开口 Illc被纤维丝密封环72的上表面抵压住，这样的结构能够防止开口 Illc张开。通过对图6所示结构分别用作处于上端和下端的叙述，可以知道开口 Illc均应被相邻的密封环抵压住，防止在受到第一轴向压力Fl或第二轴向压力F2时开口 Illc张开。图8中的结构，可以通过使用铜皮将密封环70包覆后再在缝隙处焊接来实现。图9中的结构，之所以将内侧铜皮Illa和外侧铜皮Illb的重叠部分设置于密封环70上表面和下表面，原因在于，当内侧铜皮11 Ia和外侧铜皮11 Ib的重叠部分设置于密封环70的内侧面或外侧面时，当到第一轴向压力Fl或第二轴向压力F2压缩过程中，可能会对相邻的密封环造成割裂，而且重叠部分设置于密封环70的上表面和下表面，相邻的密封环会对重叠部分挤压，进一步隔绝了与高温高压蒸汽的小分子的直接接触。图9中的内侧铜皮Illa和外侧铜皮Illb的重叠处焊接后可以形成图8中所示的结构。并且可以通过对铜皮厚度的设置来防止承受第二轴向压力F2时肩突破裂。在一个实施例中，铜皮的厚度为1mm。
[0097]需要特别强调的是，密封环70外包覆铜皮，若要实现密封环70与中心管30和套管40的密封，即金属与金属的密封，则需要非常大的压力。在本申请的实施例中，包括不包覆铜皮的金属丝密封环71和纤维丝密封环72。最下端的石墨密封环73阻止大部分的高温高压蒸汽，次下端的石墨密封环73进一步阻止一部分高温高压蒸汽，这样到达金属丝密封环71和纤维丝密封环72的高温高压蒸汽就非常少了，有效的减少了高温高压蒸汽对金属丝密封环71和纤维丝密封环72的腐蚀和降解，延长了胶筒10的密封持续时间。
[0098]当如图12所示，当胶筒10为三段式时，每一段胶筒均可以为一个单独的胶筒，这样图12所示的胶筒10就相当于由三个相互独立的胶筒在轴向方向上拼接而成。图12仅以胶筒10为三段式作为举例，在其它实施例中胶筒还可以具有其它段，例如两段或者五段。
[0099]在图11所示实施例中，金属丝密封环71的下方设置有相抵触的第一隔环51，纤维丝密封环72的上方设置有相抵触的第二隔环52，第一隔环51、第二隔环52、第三隔环53和第四隔环54的硬度均大于金属丝密封环71与纤维丝密封环72的硬度。并且，金属丝密封环71与纤维丝密封环72之间不设置隔环。第三隔环53设置在上端的两个石墨密封环73之间，第四隔环54设置在下端的两个石墨密封环73之间。
[0100]本申请的隔环(第一隔环51、第二隔环52、第三隔环53和第四隔环54)与现有技术的隔环所起的作用是不同的:在现有技术中隔环是理由其较硬的特性直接设置在胶筒10的两端来防止肩突的产生。而在本申请中，由于胶筒10是由多个密封环(金属丝密封环71、纤维丝密封环72以及石墨密封环73)组成，由于各个密封环的硬度有所不同，所以在轴向压力作用下各个密封环在轴向方向上的形变不同，例如由于纤维丝密封环72较软的原因而在轴向压力作用下部分地嵌入到相邻的石墨密封环73中，这会导致胶筒无法密封或密封效果不佳。所以在本申请中，隔环的设计是为了提供一个均匀的受力平面，由此本领域技术人员可知，在本申请中的隔环的上下两个受力面都应该尽量的为平面状，且为刚性。第一隔环51、第二隔环52、第三隔环53和第四隔环54等刚性隔环能够均匀地对其接触的上下两个面施加压力，防止金属丝密封环71、纤维丝密封环72以及石墨密封环73在受到轴向压力而在上表面或下表面变得凹凸不平。
[0101]金属丝密封环71与纤维丝密封环72之间不设置隔环，其原因在于，当受到压力时，金属丝密封环71与纤维丝密封环72会结合为一体，整体起到密封作用。若设置隔环，则在压力作用下，金属丝密封环71与纤维丝密封环72会将隔环包围，然后才会在径向进行扩张来密封，这必然会减小密封性能。第一隔环51、第二隔环52、第三隔环53和第四隔环54为金属材质，例如铝材质或铁材质。当为铝材质时，所述第一隔环(51)的厚度为Dl，所述第二隔环
(52)的厚度为D2，并且4臟<01<6111111，4111111<02<61]11]1。优选地，01和/或02为51111]1。由于铁材质较硬，所以当为铁材质时，2mm<DK4mm，2mm<D2<4mm，优选地，Dl和/或D2为3mm。
[0102]在图11所示实施例中，在胶筒10未受到第一轴向压力Fdt，各密封环70均与胶筒10的径向方向平行。如图1所示，胶筒10在受到第一轴向压力Fdt，在轴向方向缩短而在径向方向扩张，然后再在最下端的石墨密封环73处处承受第二轴向压力F2。
[0?03]在本申请的一个实施例中，基体108为石墨盘根或碳纤维盘根。盘根(packing)，通常由较柔软的线状物编织而成，通常截面积是正方形或长方形、圆形。在一个实施例中，基体108的横截面为四边形，例如正方形。在其它实施例中，基体108的横截面也可以为圆形。
[0104]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。
[0105]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。
[0106]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。
【主权项】
1.一种包括金属丝密封环的胶筒(10)，具有位于中心的通孔(103)、位于所述通孔(103)处的内表面(102)、与所述内表面(102)相对应的外表面(101)、分别位于所述胶筒(10)两端的上端部(104)和下端部(106)以及位于所述上端部(104)和所述下端部(106)之间的中间部(105)，所述上端部(104)用于承受沿轴向方向的第一轴向压力，所述下端部(106)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(104)时，所述上端部(104)、中间部(105)及下端部(106)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(106)时，所述上端部(104)、中间部(105)及下端部(106)均在所述径向方向发生形变，其特征在于，所述胶筒(10)包括在所述轴向方向排列的一个以上的金属丝密封环(71)和一个以上的纤维丝密封环(72)，其中的一个所述金属丝密封环(71)与其中的一个所述纤维丝密封环(72)相抵触且设置在该纤维丝密封环(72)的下方； 所述金属丝密封环(71)包括相互交叉的多根金属丝以及将各所述金属丝粘接在一起的胶体； 所述纤维丝密封环(72)包括相互交叉的耐高温高压的多根纤维丝以及将各所述纤维丝粘接在一起的胶体。2.根据权利要求1所述的胶筒(10)，其特征在于， 其中的一个所述金属丝密封环(71)的下方设置有相抵触的第一隔环(51)，与该金属丝密封环(71)相抵触的一个所述纤维丝密封环(72)的上方设置有相抵触的第二隔环(52)，所述第一隔环(51)和所述第二个隔环(52)的硬度均大于所述金属丝密封环(71)与所述纤维丝密封环(72)的硬度； 并且，所述金属丝密封环(71)与其相抵触的一个所述纤维丝密封环(72)之间不设置隔环。3.根据权利要求2所述的胶筒(10)，其特征在于， 所述第一隔环(51)和所述第二个隔环(52)均为金属材质。4.根据权利要求3所述的胶筒(10)，其特征在于， 所述第一隔环(51)和所述第二个隔环(52)均为铝材质； 所述第一隔环(51)的厚度为D1，所述第二隔环(52)的厚度为D2，并且4mm<Dl<6mm，4mm < D 2 < 6mm ο5.根据权利要求4所述的胶筒(10)，其特征在于， 所述第一隔环(51)的厚度为5_。6.根据权利要求4所述的胶筒(10)，其特征在于， 所述第二隔环(52)的厚度为5_。7.根据权利要求3所述的胶筒(10)，其特征在于， 所述第一隔环(51)和所述第二个隔环(52)均为铁材质； 所述第一隔环(51)的厚度为D1，所述第二隔环(52)的厚度为D2，并且2mm<Dl<4mm，2mm < D 2 < 4mm ο8.根据权利要求7所述的胶筒(10)，其特征在于， 所述第一隔环(51)和所述第二隔环(52)的厚度均为3mm。9.一种封隔器，其特征在于，包括权利要求1-8之一所述的胶筒(10)。10.一种桥塞，其特征在于，包括权利要求1-8之一所述的胶筒(10)。
【文档编号】E21B33/128GK106089146SQ201610700678
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年8月22日
【发明人】宋炜, 隆学武
【申请人】天鼎联创密封技术（北京）有限公司