一种耐高温高压的小尺寸封隔器的制作方法

本发明涉及桥梁防护技术领域领域，具体涉及一种耐高温高压的小尺寸封隔器。

背景技术：

封隔器是油田、气田钻采工艺中重要的井下工具之一。随着油田、气田逐渐进入开发后期，许多不利于开发条件逐一显现；其一，油、气层间矛盾越来越突出；其二，受注入水质、洗井、作业等各方面因素的影响，油层、气层污染程度加剧；其三，井下套管缩径、挫断、破裂等日益恶化。对于稀油老油田，为了实现稳油控水，经常需要采取压裂、酸化等多种措施，这直接造成套管腐蚀、变形、穿孔、挫断等。这些都增加了油气钻采的难度，从而对封隔器的使用提出了更高的要求，急需与深井、超深井以及分支井等作业相匹配组合的各型封隔器。随着近些年油气井的开发生产不断向深井、超深井发展，钻采工艺也不断向较深层方向发展，油气井开采的工况条件也越来越复杂，这对于井下作业中的关键工具一封隔器提出了更高的要求，封隔器的使用温度越来越高、压差也越来也大、腐蚀性越来越强。在封隔器使用中，由于胶筒在高温、高压作用下发生破坏，不密封，造成封隔器失效的案列比比皆是；这大大限制了气井、油井的开采速度和区域。

目前，针对上述情况，国外哈里伯顿公布有7″封隔器，其耐温200℃、耐压差105mpa；贝克休斯的bastille封隔器其技术指标为耐温204℃、耐压差120mpa；其均能够有效地适应上述使用环境。但是，综合分析国内外所公布的已成功试验、现场使用的耐温200℃及以上、耐压差100mpa以上的封隔器成品，其工具尺寸规格均为7″。而随着压裂需求的进一步提升，井下可容纳工具尺寸也越来越小，7″规格的封隔器并不能完全满足实际压裂工艺的需求。

因此，对5¹/2″封隔器的耐高温高压综合性能的研究也日益受到重视。但是，由于5¹/2″封隔器受到尺寸的限制，相较于7″封隔器的胶筒，前者胶筒的胶壁更薄、在坐封力下的轴向形变量更大，应力集中、肩部破坏等情况加剧；此外，由于尺寸减小，封隔器所使用到的密封组件尺寸同样减小，在高温高压的条件下，抗流变挤出性能减弱，导致密封件的可靠性显著下降；在上述两个因素的影响下，就要求橡胶胶筒以及橡胶密封件具有更优的耐温、耐压和耐酸碱性能。目前，受限于封隔器橡胶制件的材料以及结构设计瓶颈，尚未有能够与7″封隔器之耐高温高压性能相媲美的5¹/2″封隔器产品。

同时，现有的封隔器密封件，存在着在高温高压条件下抗流变性能较差的问题，但是由于工艺的限制以及具有耐高温高压树脂或橡胶材料的弹性形变较差而带来的装配问题，因此，较少的圈形密封材料能够用于封隔器组件中，这也限制着小尺寸封隔器性能对的进一步提升。

技术实现要素：

本发明提供了一种耐高温高压的小尺寸封隔器，通过橡胶材料以及橡胶件结构的综合改进，解决了现有5¹/2″封隔器耐高温高压性能不足以及因装配问题而造成的密封件选材局限的问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种耐高温高压的小尺寸封隔器，包括容积管和套设于容积管一端上的外中心管；所述容积管与外中心管之间设置有若干个相互平行设置的第一密封组件；所述第一密封组件包括至少两个密封圈以及数量较密封圈多一个的挡圈；所述挡圈上制有斜切口，以使挡圈自斜切口处断开；所述斜切口所在平面与挡圈的底面之间所夹锐角为10～20°；所述密封圈两侧均卡合有挡圈。

进一步的，所述挡圈与密封圈相接一侧设置有与密封圈相卡合的弧形卡槽；所述弧形卡槽的弦长小于密封圈的直径。

进一步的，所述外中心管的内壁上开设有与第一密封组件数量相同且相互平行的若干个第一环状沟槽；每一所述第一环状沟槽中安装有一第一密封组件。

进一步的，所述容积管未套设外中心管的一端上套设有水力锚体；所述外中心管延容积管外壁延伸至水力锚体内，以使外中心管外壁与水力锚体的内壁之间嵌合。

更进一步的，所述外中心管与水力锚体之间设置有若干个相互平行的第二密封组件；所述容积管与水力锚体之间设置有若干个相互平行的第三密封组件；所述第二密封组件和所述第三密封组件的结构和材质均与第一密封组件相同。

再进一步的，所述水力锚体与外中心管的接触面上开设有与第二密封组件数量相同且相互平行的若干个第二环状沟槽；每一所述第二环状沟槽内安装有一第二密封组件；所述水力锚体与容积管的接触面上开设有与第三密封组件数量相同且相互平行的若干个第三环状沟槽；每一所述第三环状沟槽中均安装有一第三密封组件。

更进一步的，所述水体锚体远离外中心管一端的端部嵌设有上接头；所述上接头与水体锚体之间设置有若干个第四密封组件；所述第四密封组件的结构和材质与第一密封组件相同。

再进一步的，所述水体锚体与上接头的接触面上设有与第四密封组件数量相同且相互平行的若干个第四环状沟槽；每一所述第四环状沟槽中均安装有一第四密封组件。

进一步的，所述外中心管上套设有胶筒组件；所述胶筒组件两端设置有保护碗；所述保护碗为由钢丝通过无规律随机弯曲并压制而成的中部带通孔的碗状结构；所述保护碗的表面设置有一层橡胶层。

更进一步的，所述保护碗包括圆台以及位于所述圆台底部的锥形台；所述锥形台的上表面直径大于所述锥形台的下表面直径；所述锥形台的上表面与所述圆台的底面相吻合；锥形台的椎体与所述锥形台的下表面的夹角为30-40°；所述保护碗内设置有贯穿于所述圆台和所述锥形台的通孔；所述圆台、所述锥形台和所述通孔同共轴线；所述圆台与所述锥形台为一体式结构。

综上所述，本发明相较于现有技术的有益效果是：

(1)通过在密封圈的两侧添加由耐高温、抗流变效果更好的材料所制成的挡圈，能够在密封圈与挡圈相互配合，能为密封圈提供较好的保护作用，避免密封圈在测试的高温高压条件下因变软而产生流变现象，从组件之间的缝隙中流出，使得其密封性能更好，避免坐封效果减弱和失效的情况发生，从而保证封隔器的耐高温高压性能；

(2)本技术方案所提供的小尺寸封隔器，其具有适应现有井下苛刻条件下作业的完备耐高温高压性能，能够同时承受300℃高温条件和105mpa高压条件，实现了国产5¹/2″封隔器媲美国内外优质7″封隔器耐高温高压水平的零突破，从而为我国高性能5¹/2″封隔器领域填补了空白，同时也带来了更加广阔和丰厚的国际化市场潜力；

(3)将挡圈进行特定角度的斜切处理，方便安装的同时，还能够有效保持挡圈对密封圈所起到的保护作用，扩大了挡圈的选材范围，相应地为小尺寸封隔器的性能提供了必要的基础条件；

(4)由钢丝无规律挝折压制形成的全新结构的用于保护胶筒组件的保护碗，能够利用其内部结构成网状，使得当钢丝与钢丝之间因外力挤压，外力来自胶筒被压缩时的力的传递，造成错动变形，进而使得保护碗的形变量与端部胶筒的形变量更好地吻合，从而能更好的保护胶筒，防止胶筒向套管环空“突出”，防止胶筒被挤坏，使胶筒的密封作用更好，进而使得小尺寸封隔器用胶筒组件在厚度明显变小的情况下依然能够在高温高压的环境中起到良好的坐封效果，进一步提升了小尺寸封隔器的耐温耐压性能。

附图说明

图1是本发明中所述一种耐高温高压的小尺寸封隔器的结构示意图

图2是图1中部位a的局部放大图

图3是图1中部位b的局部放大图

图4是图1中部位c的局部放大图

图5是图1中部位d的局部放大图

图6是图5中部位e的局部放大图

图7是本发明中挡圈斜切方式的示意图

图8是本发明中装配有保护碗的胶筒组件的结构示意图

图9是本发明中装配有保护碗的胶筒组件坐封时的结构示意图

图10是本发明中装配有保护碗的胶筒组件解封时的结构示意图

图11是本发明中所述保护碗的结构示意图

图中标记为：1-上接头，2-水力锚体，3-容积管，4-胶筒组件，5-扶正体，6-外中心管，7-第四密封组件，8-第三密封组件，9-第二密封组件，10-第一密封组件，11-挡圈，12-密封圈，13-保护碗，14-套管，15-锥形台，16-圆台，17-通孔，18-橡胶层，19-斜切口。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体的实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例1

参照图1～6，一种耐高温高压的小尺寸封隔器，包括容积管3和套设于容积管3一端上的外中心管6；所述容积管3与外中心管6之间设置有若干个相互平行设置的第一密封组件10；所述第一密封组件10包括至少两个密封圈12以及数量较密封圈12多一个的挡圈11；所述挡圈11上制有斜切口19，以使挡圈11自斜切口19处断开；所述斜切口19所在平面与挡圈11的底面之间所夹锐角为10～20°；所述密封圈12两侧均卡合有挡圈11。

本实施例中，所述小尺寸封隔器，其结构组成、装配关系以及坐封原理上与现有的封隔器大致相同。由于本实施例中的改进点主要针对组成封隔器的各部件之间所需要的密封组件，因此各部件之间的位置以及连接关系均参照现有技术，再次不做赘述。

传统封隔器所使用的密封组件，通常仅有一个密封圈12组成，然后装配与各密封部位所在的某一部件侧壁上所开设的环形槽内。这种由单一密封圈12所组成的密封组件，在实际使用过程中，由于井下高温高压的环境，构成密封圈12的橡胶容易发生流变现象，进而使得密封组件丧失其本身应该具有的密封功能，导致封隔器坐封效果不佳，甚至出现坐封失效的问题，严重影响到井下作业的稳定性和可靠性。

本实施例中所采用的密封组件，具有全新结构，通过在密封圈12的两侧添加由耐高温、抗流变效果更好的材料所制成的挡圈11，能够在密封圈12与挡圈11相互配合，能为密封圈12提供较好的保护作用，避免密封圈12在测试的高温高压条件下因变软而产生流变现象，从组件之间的缝隙中流出，使得其密封性能更好，避免坐封效果减弱和失效的情况发生，从而保证封隔器的耐高温高压效果。

与此同时，由于挡圈11的材质相对于密封圈12的抗流变性能好，相反的，其可弹性形变性能会有所减弱，所以挡圈11在安装的过程中存在难以套设于中心管上的问题。采用10～20°斜切口19的形式自上而下将挡圈11的一部分切断，使得挡圈11在该斜切口19出能够断开，这样，装配时挡圈11可适当向外扩张或向内收缩完成在密封槽内安装；又由于斜切口19与挡圈11的底面之间所夹锐角为10～20°，角度较小，挡圈11斜切开后所形成的切面面积较大，这使得被切开的两边在密封槽内相互重叠，没有明显间隙，形状基本能够保持与未切开前一样，所以依旧可以同挡圈11的其他未被切开的部位一样起到对密封圈11的保护作用。此外，经过反复的试验发现，斜切口与挡圈11的底面之间所夹锐角为15°时，对挡圈11的性能影响最小，与原有未切开时的性能几乎一致。

较佳地，密封圈12不少于2个；将密封圈12设置为2个，其与挡圈11配合后能起到较好的密封效果，且相对于单个的密封圈12而言，能进一步提升密封组件的承压能力，即提高密封组件的承受压力上限，使密封组件的承压能力达到105mpa以上，同时，设置2个密封圈12也可在封隔器实际工作时，起到更好的保障作用，即即使一个密封圈12损坏，也还有一个密封圈12能达到密封效果，使得密封组件所起到的密封效果依然存在，若只有一个，则只能立刻对封隔器进行维修，给井下工作带来了极大的安全隐患。

较佳地，挡圈11与密封圈12相接一侧设置有与密封圈12相卡合的弧形卡槽；由于在密封圈12两侧均需设置挡圈11，因而在挡圈11设置有多个时，位于最边上的挡圈11只有一面设置有弧形卡槽，而位于中间的挡圈11则两面都设置弧形卡槽，弧形卡槽与密封圈12的形状相适应，使得密封圈12与挡圈11能进行更好的贴合，既能提升挡圈11对密封圈12的保护作用，又能提升密封组件的密封性能，使得密封效果更好。

较佳地，弧形卡槽的弦长小于密封圈12的直径；在不影响挡圈11对密封圈12提供保护作用的同时，还能使密封圈12能与需要密封的部件进行更为紧密的接触，提升密封效果。

另外，挡圈11也可以设置为一环形圈，并在挡圈11上开设供密封圈12卡入的限位槽，卡槽的数量与密封圈12的数量相匹配，限位槽的深度小于密封圈12的直径，同时，密封圈12及挡圈11均由耐高温的柔性材料制成；在使用时，将挡圈11套在在用于放置密封组件的位置，并将密封圈12卡在限位槽内，使密封圈12与挡圈11紧密贴合，对密封圈12起到较好的保护作用，同时密封圈12的直径大于限位槽的深度，使密封圈12另一侧能与一需密封的部件紧密贴合，而挡圈11受到压力时也能与另一需密封的组件紧密贴合，从而对部件进行较好的密封。

较佳地，密封圈12的材料为全氟醚橡胶；全氟醚橡胶具有均质性，表面没有渗透、开裂和针孔的困扰，能起到很好的密封作用，且其耐化学性好，不易被腐蚀，并且耐温性可达300℃，在使用时本身不会发生老化和软化，能适应长期高温环境下工作，为试验井提供极好的密封性能。

较佳地，挡圈11的材料为聚酰亚胺；聚酰亚胺是综合性能最佳的有机高分子材料之一，耐高温达400℃以上，在-200℃-300℃温度范围内长期使用，无明显熔点，具有良好的耐高温性能；其与密封圈12配合使用，能对密封圈12起到较好的保护作用，防止密封圈12在高温下因变软而产生流变现象。

此处，以设置2个密封圈12的密封组件为例，使用该类型密封组件的小尺寸封隔器，能够同时承受300℃高温条件和105mpa高压条件，从而突破了现有51/2″封隔器的耐高温高压性能不足，无法与7″封隔器相媲美的瓶颈，满足了现行压裂工艺对井下工具尺寸大小以及耐高温高压性能所同时提出的苛刻要求。

具体的，上述密封圈12的实际使用方式为：所述外中心管6的内壁上开设有与第一密封组件10数量相同且相互平行的若干个第一环状沟槽；每一所述第一环状沟槽中安装有一第一密封组件10。

由于封隔器具有较为复杂的结构，且根据不同的应用场景，常常带有不同的附加配件；例如为了便于封隔器稳定固定于套管14内的预设位置而在封隔器的一端所转配的水力锚体2，又或者为了保证封隔器能够更加平稳稳定地下入而设置的扶正体5，等等。在井下的高温高压环境中，这一系列的附加配件与原有部件之间均需要通过密封组件来保证其在坐封过程中的密封性能，而为了避免各部件之间的密封性能出现短板，保证小尺寸封隔器的整体耐高温高压性能，本实施例还作出了如下优化方案：作为优选方案的，所述容积管未套设外中心管的一端上套设有水力锚体；所述外中心管延容积管外壁延伸至水力锚体内，以使外中心管外壁与水力锚体的内壁之间嵌合。

较佳的，由于封隔器具有较为复杂的结构，且根据不同的应用场景，常常带有不同的附加配件；例如为了便于封隔器稳定固定于套管1414内的预设位置而在封隔器的一端所转配的水力锚体22，又或者为了保证封隔器能够更加平稳稳定地下入而设置的扶正体55，等等。在井下的高温高压环境中，这一系列的附加配件与原有部件之间均需要通过密封组件来保证其在坐封过程中的密封性能，而为了避免各部件之间的密封性能出现短板，保证小尺寸封隔器的整体耐高温高压性能，本实施例还作出了如下优化方案：

较佳的，所述水体锚体远离外中心管6一端的端部嵌设有上接头1；所述上接头1与水体锚体之间设置有若干个第四密封组件7；所述第四密封组件7的结构和材质与第一密封组件10相同。所述水体锚体与上接头1的接触面上设有与第四密封组件7数量相同且相互平行的若干个第四环状沟槽；每一所述第四环状沟槽中均安装有一第四密封组件7。

需要强调的是，上述第一环状沟槽、第二环状沟槽、第三环状沟槽以及第四环状沟槽与相应密封件的安装方式，属于现有技术，可以参考活塞与活塞环之间的装配方式进行，在此不做赘述。

通过上述的设置所得到的小尺寸封隔器，其具有适应现有井下苛刻条件下作业的完备耐高温高压性能，能够同时承受300℃高温条件和105mpa高压条件，实现了国产51/2″封隔器媲美国内外优质7″封隔器耐高温高压水平的零突破，从而为我国高性能51/2″封隔器领域填补了空白，同时也带来了更加广阔和丰厚的国际化市场潜力。

实施例2

基于实施例1，参照图7和10，为了避免因封隔器尺寸变小使得胶筒组件的厚度减小而带来的更为明显的胶筒组件受压易损风险，进行了如下改进：所述外中心管6上套设有胶筒组件4；所述胶筒组件4两端设置有保护碗13；所述保护碗13为由钢丝通过无规律随机弯曲并压制而成的中部带通孔17的碗状结构；所述保护碗13的表面设置有一层橡胶层18。

其中，所述胶筒组件4，其通常采用耐高温高压橡胶制成，使用中通过其扩张形变而与套管14内壁接触，从而完成封隔器的坐封动作。现有技术中，根据设计使用需求和适用井下条件的不同，胶筒组件4通常可以设计有单胶筒和复合胶筒两种形式；单胶筒是指，胶筒组件4仅包含一个套装于外中心管6上的且用于坐封的主胶筒；复合胶筒是指，除了前述主胶筒外，在主胶筒的两侧还对称地设置有若干组副胶筒，也称端胶筒，副胶筒的长度通常远小于主胶筒，其作用在于保护主胶筒，防止主胶筒在坐封力的作用下发生损坏，从而保证主胶筒坐封功能的实现。但是，由于井下坐封使用过程中始终存在环空压力，即封隔器与套管14之间间隙中所存在的压力，使胶筒受到向上挤压力，从而使胶筒向套管14环空“突出”，使胶筒会被挤坏，失去密封作用。

本实施例所提供的保护碗，区别于现有技术中的保护碗13，其具有立体的主体结构且使用钢丝无规律挝制而成，并且其为相互镜面对称的一组两个。如图8，使用过程中，保护碗13同样套设于外中心管6上且在胶筒组件4的两侧镜面对称地各置一个，同时每一保护碗13均与胶筒组件4紧贴。由于钢丝的强度高，且因其内部结构成网状，当钢丝与钢丝之间因外力挤压，外力来自胶筒被压缩时的力的传递，造成错动变形，保护碗13的形变量与端部胶筒的形变量相吻合，从而能很好的保护胶筒，防止胶筒向套管14环空“突出”，防止胶筒被挤坏，使胶筒的密封作用好。此外，如图9，外力消失后，因钢丝自带弹性，整个钢丝网肩部保护碗13可以恢复以前的形状，不会与套管14内壁产生摩擦，在封隔器工作结束后，需要移动封隔器位置时，不会增加额外的阻力。解决了上述由于环控压力的作用，使胶筒受到向上挤压力，从而使胶筒向套管14环空“突出”，使胶筒会被挤坏，失去密封作用的缺陷，从而进一步提升本本实施例中小尺寸封隔器在高温高压环境下的使用可靠性以及耐高温高压性能的稳定性。

此外，本实施例中所述保护碗13的制备过程为，将钢丝通过无规律随机弯曲后，放入固定形状的模型内，并通过高强度压力压制成碗状结构，以构成所述保护碗13；作为参考的，所形成的钢丝碗状结构可以参照钢丝球所形成的结构，尽管两者在硬度上和具体的空间排布上存在着一定的差异。同时由于采用钢丝挝折而成，其本身具有极佳的回弹性能，当环空压力消失后，胶筒组件4由于自身弹回恢复一定变形，钢丝网构成的保护碗13也因其回弹性能，在自身恢复一定变形的同时也辅助胶筒组件4作出进一步的形变恢复，进而使得保护碗13和胶筒组件4均能与套管14失去接触，这种情况下，当移动封隔器的时候，不会增加额外的摩擦力，避免了封隔器打捞遇阻的情况发生。

较佳的，所述钢丝至少为一根。所述钢丝为一根，一根钢丝方便无规律随机弯曲加工，且制成的保护碗13质地均一，弹性强度均匀，对胶筒的保护效果好。

较佳的，所述钢丝为304不锈钢钢丝。强度适中，容易加工成型，且在使用的过程中耐温耐压稳定性好。

更佳的，所述钢丝的直径为0.2～0.3mm。制成的保护碗13弹性适中且容易压制成形，强度刚好，保证被挤压形变的同时，自带弹性恢复力好，不会和套管14壁产生摩擦。

较佳的，所述保护碗13的外表面设置有一层橡胶层18。覆盖钢丝网的表面，使之外表面光滑平整，而且对钢丝网自身也起到定型的作用。

更佳的，所述橡胶层18为过氧化高氟橡胶层18、全氟醚橡胶层18或聚酰亚胺橡胶层18中的一种。起定型和耐高温作用。

实施例3

基于实施例2，参照图10，为了进一步提升保护碗对胶筒组件所起到的保护作用，进行了如下改进：所述保护碗13包括圆台16以及位于所述圆台16底部的锥形台15，所述锥形台15的上表面直径大于所述锥形台15的下表面直径，所述锥形台15的上表面与所述圆台16的底面相吻合，所述保护碗13内设置有贯穿于所述圆台16和所述锥形台15的通孔17，所述圆台16、所述锥形台15和所述通孔17同轴心，所述圆台16与所述锥形台15为一体式结构。值得注意的是，本实施例中为了方便描述，将所述保护碗13的各部分结构作出了区分，但其实质上是有钢丝挝折后在高压模具中压制而成的一体式结构，而作为保护碗13的内容填充物，其实质上依然是具有相互关联关系的钢丝网结构；通孔17方便将保护碗13套设于中心管上；保护碗13的圆台16一侧与端胶筒的端面相吻合且接触，保护碗13的锥形台15的一侧与胶筒座相接触，由于钢丝的强度高，且因其内部结构成网状，当钢丝与钢丝之间因外力挤压，外力来自胶筒被压缩时的力的传递，造成错动变形，保护碗13的形变量与端部胶筒的形变量相吻合，从而能很好的保护胶筒，使之不会遭受压力的破坏，使胶筒组件4的抗压能力强，使用寿命长，节省成本。

较佳的，所述锥形台15的椎体与所述锥形台15的下表面的夹角为30-40°。即保护碗13锥形台15的椎体与胶筒座平面之间的夹角为30-40°，挤压保护碗13的锥形台15的一侧，胶筒发生形变，此角度的设置能保证胶筒的形变不会超过胶筒座，保证胶筒的形变量在可控范围内，防止胶筒向套管14环空“突出”。

更佳的，所述夹角为35°。保证胶筒的形变量在可控范围内，防止胶筒向套管14环空“突出”。

以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。