一种耐高温高压的封隔器胶筒及新型封隔器的制作方法

本发明涉及试油测试领域，具体地涉及一种耐高温高压的封隔器胶筒及新型封隔器。

背景技术：

我国深层、超深层天然气储量分别占天然气总资源量的31.23％、15.93％。在常规浅层油气开发进入枯竭期，为满足对油气的需求，向深层油气藏进军成为必然，陆续被发现双鱼石、九龙山和磨溪高石梯、库车山前等构造带的大量优质油气储层。然而这些储层一个典型的特点是高温高压甚至超高温高压，给试油完井作业带来了严峻的挑战。

封隔器是试油完井作业的关键工具之一，承担封隔油套环空、保障井筒安全的重任。胶筒是封隔器的核心部件，是密封作用的直接执行者，其在井下的抗高温性能和强度决定着试油完井作业的成败。面对井下的高温高压特征，封隔器胶筒的密封性能不仅与橡胶材料有关，还与封隔器胶筒的结构有关，需要对封隔器胶筒结构进行设计，巧妙胶筒利用结构上的力学特性，实现胶筒变形后更好的与套管壁接触形成密封，同时保障胶筒整体结构的稳固，避免胶筒挤坏、撕裂等。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的一个或多个问题。例如，本发明的目的之一在于提供一种耐高温高压的封隔器胶筒及新型封隔器，以满足井下高温高压的恶劣的工作条件。

为了实现上述目的，本发明一方面提供了一种耐高温高压的封隔器胶筒。

所述封隔器可包括封隔器胶筒，所述封隔器胶筒可包括第一弹性构件、第二弹性构件，以及自上而下依次连接且内外径都相同的上胶筒、中胶筒和下胶筒，其中，

上胶筒的上端面可为第一环形平面，下端面可为向里凹陷的第一环形曲面；

中胶筒的上端面可为向外突出且与所述第一环形面相适配的第二环形曲面，中胶筒的下端面为向外突出的第三环形曲面；

下胶筒的上端面可为向内凹陷且与所述第三环形曲面相适配的第四环形曲面，下胶筒的下端可为第二环形平面；

第一弹性构件沿第一环形平面的周向设置在上胶筒的上端内，以使上胶筒上端能够承受径向的剪切力；

第二弹性构件沿第二环形平面的周向设置在下胶筒的下端内，以使下胶筒下端能够承受径向的剪切力；

所述封隔器胶筒的橡胶材料可以由按照质量分数计的如下原料制备而成：

36～50％氢化丁腈橡胶、12～33％喷雾炭黑、1～14％热裂解炭黑、3～14％纳米白炭黑、3～19％陶土、1～9％增塑剂、0.5～2％防老剂、0.5～2％硫化剂、1～4％交联促进剂。

在本发明的耐高温高压的封隔器胶筒的一个示例性实施例中，所述上胶筒和下胶筒的尺寸可一致。

在本发明的耐高温高压的封隔器胶筒的一个示例性实施例中，所述上胶筒和中胶筒高度比可为1：0.83～1：1.3，封隔器胶筒外径和封隔器胶筒高度比可为1：1～1：1.5。

在本发明的耐高温高压的封隔器胶筒的一个示例性实施例中，所述上胶筒和下胶筒的橡胶材料是由如下原料制备而成：

36～46％氢化丁腈橡胶、23～33％喷雾炭黑、4～14％热裂解炭黑、3～13％纳米白炭黑、3～13％陶土、1～4％增塑剂、0.5～2％防老剂、0.5～2％硫化剂、1～4％交联促进剂。

在本发明的耐高温高压的封隔器胶筒的一个示例性实施例中，所述中胶筒的橡胶材料是由如下原料制备而成：

40～50％氢化丁腈橡胶、12～22％喷雾炭黑、1～11％热裂解炭黑、4～14％纳米白炭黑、9～19％陶土、1～9％增塑剂、0.5～2％防老剂、0.5～2％硫化剂、1～4％交联促进剂。

在本发明的耐高温高压的封隔器胶筒的一个示例性实施例中，所述氢化丁腈橡胶中丙烯腈质量分数可为36～44％、残余双键含量可小于8％，所述氢化丁腈橡胶的生胶门尼粘度ml1+4(100℃)可为50～100。

在本发明的耐高温高压的封隔器胶筒的一个示例性实施例中，所述热裂解炭黑的比表面积可为7～12m²/g。

在本发明的耐高温高压的封隔器胶筒的一个示例性实施例中，所述增塑剂可包括dos增塑剂、dop增塑剂、tp-95增塑剂和totm增塑剂中的至少一种。

在本发明的耐高温高压的封隔器胶筒的一个示例性实施例中，所述防老剂可包括rd防老剂、445防老剂、zmti防老剂和mb防老剂中的至少一种。

在本发明的耐高温高压的封隔器胶筒的一个示例性实施例中，所述交联促进剂可包括n，n’-间苯撑双马来酰亚胺。

在本发明的耐高温高压的封隔器胶筒的一个示例性实施例中，所述硫化剂可包括双叔丁基过氧异丙基苯，所述双叔丁基过氧异丙基苯的有效含量不低于40％。

在本发明的耐高温高压的封隔器胶筒的一个示例性实施例中，所述胶筒的橡胶材料的制备方法可包括步骤：

将制备原料中的氢化丁腈橡胶、热裂解炭黑、喷雾炭黑、纳米白炭黑、陶土、增塑剂和防老剂投入到混炼设备中进行第一次混炼，第一次出胶得到母胶；

将母胶、制备原料中的硫化剂和交联促进剂投入到混炼设备中进行第二次混炼，第二次出胶得到耐高温高压的橡胶材料。

在本发明的耐高温高压的封隔器胶筒的一个示例性实施例中，所述胶筒的橡胶材料的制备方法可包括步骤：

将制备原料中的氢化丁腈橡胶、热裂解炭黑、喷雾炭黑、纳米白炭黑、陶土、增塑剂和防老剂投入到混炼设备中进行第一次混炼，第一次出胶得到母胶；

将母胶、制备原料中的硫化剂和交联促进剂投入到混炼设备中进行第二次混炼，第二次出胶得到待硫化橡胶材料；

将待硫化橡胶材料进行干燥处理；

将所述干燥后的材料进行第一次硫化，得到第一硫化产物；

将第一硫化产物进行第二次硫化，得到耐高温高压的橡胶材料。

在本发明的耐高温高压的封隔器胶筒的一个示例性实施例中，在所述进行第二次混炼之前，所述方法还可包括步骤：将所述母胶在室温下放置8h以上。

在本发明的耐高温高压的封隔器胶筒的一个示例性实施例中，所述第一次混炼的混炼设备的转子转速可为70～80rpm，第一次出胶的温度可为90～100℃，时间可为10～15min。

在本发明的耐高温高压的封隔器胶筒的一个示例性实施例中，所述第二次混炼的密炼机的转子转速可为50～70rpm，第二次出胶的温度可为100～120℃，时间可为3～5min。

在本发明的耐高温高压的封隔器胶筒的一个示例性实施例中，所述方法还可包括步骤：将待硫化橡胶材料在室温下放置8h以上。

在本发明的耐高温高压的封隔器胶筒的一个示例性实施例中，所述第一次硫化的温度条件可为145～155℃，时间可为42～48min。

在本发明的耐高温高压的封隔器胶筒的一个示例性实施例中，所述第二次硫化的温度条件可为145～155℃，时间可为3～5h。

本发明另一方面提供了一种新型封隔器。

所述封隔器包括上述封隔器胶筒。

与现有技术相比，本发明的有益效果可包括：所述胶筒能够耐180℃高温、105mpa压差，同时，采用斜面三胶筒结构，且中胶筒材质较软，两端胶筒材质较硬，可实现中胶筒先起凸紧贴套管，两端胶筒后膨胀逐步跟进紧贴套管，整个胶筒贴套管更紧密，密封更好。因此，采用所述胶筒的封隔器能够更加有效地满足恶劣的井下开采对封隔器的技术要求。

附图说明

通过下面结合附图进行的描述，本发明的上述和其他目的和特点将会变得更加清楚，其中：

图1示出了本发明一个示例性实施例中的封隔器胶筒的一个结构示意图；

图2示出了本发明一个示例性实施例中的多层弹簧的一个结构示意图；

主要附图标记说明：

1、上胶筒，2、中胶筒，3、下胶筒，4、第一弹性构件，5、第二弹性构件，6、外弹簧，7、内弹簧。

具体实施方式

在下文中，将结合附图和示例性实施例详细地描述本发明的耐高温高压的封隔器胶筒及新型封隔器，本发明中出现的第一和第二不表示先后顺序，仅用于相互区别。

本发明一方面提供了一种耐高温高压的封隔器胶筒。

在本发明的一个示例性实施例中，如图1所示，所述封隔器胶筒可以包括第一弹性构件、第二弹性构件，以及自上而下依次连接且内外径都相同的上胶筒、中胶筒和下胶筒，其中，上胶筒的上端面为第一环形平面，下端面为向里凹陷的第一环形曲面；中胶筒的上端面为向外突出且与所述第一环形面相适配的第二环形曲面，中胶筒的下端面为向外突出的第三环形曲面；下胶筒的上端面为向内凹陷且与所述第三环形曲面相适配的第四环形曲面，下胶筒的下端为第二环形平面；第一弹性构件沿第一环形平面的周向设置在上胶筒的上端内，以使上胶筒上端能够更好地承受径向的剪切力；第二弹性构件沿第二环形平面的周向设置在下胶筒的下端内，以使下胶筒下端能够更好地承受径向的剪切力。

在本实施例中，上胶筒和中胶筒的高度比可以为1：0.83～1：1.3，胶筒外径和胶筒高度比可以为1：1～1：1.5，当三个胶筒压缩坐封于套管后，轴向压缩率小于0.25，根据胶筒压缩前和压缩后体积不变的原理，通过调整胶筒长度和厚度值，就可以改变胶筒压缩变形后贴到套管壁的压缩率。例如胶筒越厚，就越容易贴着套管，当压缩贴向套管壁时，只需要很小的轴向压缩率就可以了；而胶筒很薄时，就需要在轴向上很大幅度的压缩胶筒，胶筒的压缩率就大。当压缩率控制在0.25以内时，根据套管内径的大小，反过来设计胶筒的长度和厚度，让其更好的压缩后紧紧的贴在套管内壁上，而轴向上不发生胶筒弯曲。

在本实施例中，第一环形曲面和上胶筒轴线的夹角为79～81度，在此角度范围内中胶筒被斜角包裹挤压，压缩变形更均衡，胶筒不易偏心，周向密封更好。

在本实施例中，第一弹性构件可以包括第一弹簧、第二弹性构件可以包括第二弹簧，第一弹簧和第二弹簧都可以为多层弹簧，第一弹簧可以在所述上胶筒内围成一个圆环，并且圆环的径向可以与上胶筒的轴向方向垂直，第二弹簧可以在所述下胶筒内围成一个圆环，并且圆环的径向可以与下胶筒的轴向相垂直。进一步地，如图2所示，第一弹簧和第二弹簧都可以包括双层弹簧，包括外弹簧和内弹簧。

其中，弹簧的初始长度可以按照以下公式进行计算：

l＝πd+15

其中，l：搭接长度，d：胶筒直径，π：3.1416，式中单位：mm。

计算出初始长度后对大弹簧进行裁切，接好头后放入产品硫化模具中进行比对，根据实际情况再确定需裁切的合适长度。内弹簧根据外弹簧的实际长度进行裁切。

在本实施例中，所述封隔器胶筒的橡胶材料由按照质量分数计的如下原料制备而成：

36～50％氢化丁腈橡胶、12～33％喷雾炭黑、1～14％热裂解炭黑、3～14％纳米白炭黑、3～19％陶土、1～9％增塑剂、0.5～2％防老剂、0.5～2％硫化剂、1～4％交联促进剂。

在本实施例中，所述上胶筒和下胶筒的橡胶材料可以由按照质量分数计的如下成分制备而成：36～46％氢化丁腈橡胶、23～33％喷雾炭黑、4～14％热裂解炭黑、3～13％纳米白炭黑、3～13％陶土、1～4％增塑剂、0.5～2％防老剂、0.5～2％硫化剂、1～4％交联促进剂。

在本实施例中，所述中胶筒的橡胶材料可以由按照质量分数计的如下原料制备而成：40～50％氢化丁腈橡胶、12～22％喷雾炭黑、1～11％热裂解炭黑、4～14％纳米白炭黑、9～19％陶土、1～9％增塑剂、0.5～2％防老剂、0.5～2％硫化剂、1～4％交联促进剂。

在本实施例中，氢化丁腈橡胶可以选用阿朗新科hnbr3607、hnbr3907、hnbr4307、hnbr4367，氢化丁腈橡胶hnbr具备优良的耐油耐溶剂性并保持较好的耐高低温平衡性，所述氢化丁腈橡胶中的丙烯腈质量分数为可以为36～44％，残余双键含量小于8％，氢化丁腈橡胶的生胶门尼粘度ml1+4(100℃)可以为50～100。

当选用的氢化丁腈橡胶中的丙烯腈的质量分数为36～44％时可以使得制备得到的橡胶材料可以兼顾耐热、耐油、耐硫化氢的性能，以及良好的压缩永久变形特性。测试封隔器胶筒要求胶筒在测试完成后具有良好的回复性，丙烯腈含量越高，胶筒的回复性越差，为了所述橡胶材料制备得到的测试封隔器胶筒在测试完成后由良好的回复性，丙烯腈的质量分数不宜再高。

当选用的氢化丁腈橡胶中的残余双键含量小于8％时，可以保证硫化时能够产生更多的交联键，能够提高橡胶的三维网络结构，有利于橡胶抵抗油气井下较高的压力。

当选用的氢化丁腈橡胶的生胶门尼粘度在50～100的范围时，能够保证橡胶材料在炼胶和硫化的过程中具备良好的加工性。

在本实施例中，喷雾炭黑、热裂解炭黑和纳米白炭黑作为组合补强材料，用作提高橡胶的强度机械性能的同时分别又发挥各自独有的优势以对抗井下高温老化、动态载荷本体失效、高挤压撕裂等恶劣环境。其中，喷雾炭黑还可提高橡胶后期耐老化的性能；热裂解炭黑在炭黑中具有最大的粒子尺寸(平均直径可为240～320nm)，但是其比表面积最低，可为7～12m²/g，热裂解炭黑能够减小橡胶压缩永久变形性、提高动态在和密封性能；高比表面积的纳米白炭黑(比表面积为250m²/g)，原生粒子直径小于100nm，能够极大地提高橡胶在高温高压环境下的抗撕裂性能和耐磨性能。

在本实施例中，陶土作为填充剂，在不影响加工性能的前提下能够提高橡胶的硬度和耐酸性，可以避免过量使用炭黑类补强剂而使得橡胶加工困难、成品率低的情况。

在本实施例中，为了改善橡胶的加工性能和硫化时材料在模具中的流动性，可以在制备原料中加入增塑剂，增塑剂可以选用dos增塑剂、dop增塑剂、tp-95增塑剂和totm增塑剂中的至少一种，进一步地，可以为其中两种，其中，totm可以提高橡胶耐高温性能，dos可以改善橡胶的低温性能。

在本实施例中，防老剂可以选用rd防老剂、445防老剂、zmti防老剂和mb防老剂中的至少一种，进一步地，可以为其中两种，防老剂能够减缓橡胶的老化速度，提高橡胶的使用寿命，其中防老剂rd和mb并用具有良好的协同作用，防老剂445和zmti并用具有良好的协同能力。

在本实施例中，使用双叔丁基过氧异丙基苯替代传统的硫磺作为硫化剂，由于双叔丁基过氧异丙基苯未过氧化物，在硫化交联时形成c-c键，强度比硫磺硫化时形成的s-s键高，有利于增加橡胶分子链发生硫化交联成网状时的结构强度，且耐温、耐硫化氢腐蚀性能更好，实现更好的橡胶本体结构强度。所述双叔丁基过氧异丙基苯的有效含量可以不低于40％，例如60％。

在本实施例中，n，n’-间苯撑双马来酰亚胺作为助交联剂，能够协同过氧化物，加速氢化丁腈橡胶的硫化形成较高的交联网络结构和交联密度，以延长密封能力和时间。因为耐压差性能达到105mpa时需要的封隔时间较长，即177℃条件下至少封隔24h，适量的交联促进剂能够产生最佳的力学性能。

在本实施例中，，所述胶筒的橡胶材料的制备方法的制备原料可以包括上述的原料，例如按照质量分数计的：36～50％氢化丁腈橡胶、12～33％喷雾炭黑、1～14％热裂解炭黑、3～14％纳米白炭黑、3～19％陶土、1～9％增塑剂、0.5～2％防老剂、0.5～2％硫化剂、1～4％交联促进剂，所述制备方法，可以包括以下步骤：

第一次混炼：依次将以下组分投入混炼机器：

制备原料中的氢化丁腈橡胶；

制备原料中的热裂解炭黑；

制备原料中的喷雾炭黑；

制备原料中的纳米白炭黑；

制备原料中的陶土和增塑剂；

自备原料中的防老剂；

经过第一次混炼后得到母胶，将母胶在室温下停放8h以上，例如10h。其中，混炼机器的转子转速可以为70～80rpm，进一步地，可以为75rpm，混炼总时间可以为10～15min，进一步地，可以为10min，第一次混炼对温度的要求可包括在90～100℃的温度条件下出胶，进一步地，可以为100℃。将母胶在室温下停放8h以上能够消除母胶第一次混炼过程中留下的内部应力，还能够促进内部原料的分散，同时提高补强。

第二次混炼：依次将以下组分投入混炼机器：

母胶；

制备原料中的硫化剂和交联促进剂；

在100～120℃的温度条件下出胶，例如110℃。然后在0.5～1mm辊距的开炼机上薄通打三角包3～5次，最后均匀出片，即可得到端部胶筒材料。其中，混炼机器的转子转速可以为50～70rpm，进一步地，可以为65rpm，混炼总时间可以为3～5min，进一步地，可以为4min。

在本实施例中，所述胶筒的橡胶材料的制备方法的制备原料可以包括上述原料，所述制备方法的制备原料可以包括上述的原料，例如按照质量分数计的：36～50％氢化丁腈橡胶、12～33％喷雾炭黑、1～14％热裂解炭黑、3～14％纳米白炭黑、3～19％陶土、1～9％增塑剂、0.5～2％防老剂、0.5～2％硫化剂、1～4％交联促进剂，所述制备方法还可以包括以下步骤：

s01：第一次混炼：依次将以下组分投入混炼机器：

制备原料中的氢化丁腈橡胶；

制备原料中的热裂解炭黑；

制备原料中的喷雾炭黑；

制备原料中的纳米白炭黑；

制备原料中的陶土和增塑剂；

自备原料中的防老剂；

经过第一次混炼后得到母胶，将母胶在室温下停放8h以上，例如10h，将母胶停放有利于消除母胶混炼过程中留下的内部应力。其中，混炼机器的转子转速可以为70～80rpm，进一步地，可以为75rpm，混炼总时间可以为10～15min，进一步地，可以为10min，第一次混炼对温度的要求可包括在90～100℃的温度条件下出胶，进一步地，可以为100℃。将母胶在室温下停放8h以上能够消除母胶第一次混炼过程中留下的内部应力，还能够促进内部原料的分散，同时提高补强。该步骤可与上一种端部胶筒材料的制备中的第一次混炼相同。

s02：第二次混炼：依次将以下组分投入混炼机器：

母胶；

制备原料中的硫化剂和交联促进剂；

在100～120℃的温度条件下出胶，例如110℃。然后在0.5～1mm辊距的开炼机上薄通打三角包3～5次，最后均匀出片，即可得到端部胶筒的待硫化橡胶材料。其中，混炼机器的转子转速可以为50～70rpm，进一步地，可以为65rpm，混炼总时间可以为3～5min，进一步地，可以为4min。该步骤可与上一种端部胶筒材料的制备中的第二次混炼相同。

s03：将待硫化橡胶材料在室温下停放8h以上，然后在50～65℃的热鼓风干燥箱内预烘1.5～2.5h，然后用平板硫化机在温度90～100℃、20～25mpa压力下压制成型。

在本实施例中，将待硫化的橡胶材料在室温下停放是为了使原料中的交联促进剂在材料中扩散均匀，有利于后期进行硫化后的橡胶材料的稳定性。

预烘可以使得橡胶内部、外部达到一个较高的温度：首先可以使得橡胶变软，增加流动性，有利于后期成型，同时也避免硫化初始阶段外部与内部温差过高使得橡胶硫化不均匀，进一步地，预烘的温度可以为60℃，时间可以为2h。而平板硫化机是硫化机器中的一种，不仅可以提供橡胶的硫化环境条件，还可以提供橡胶在模具中压制成型的温度和压力条件，进一步地，压制成型的温度可以为100℃，压力可以为25mpa。

s04：将压制成型后的橡胶材料进行第一次硫化，得到第一硫化产物。第一次硫化处理的硫化温度可以控制在145～155℃，硫化时间可以控制在42～48min，进一步地，硫化的温度可以为150℃，时间可以为45min。第一次硫化的目的是为了保证橡胶绝大部分都被硫化，形成橡胶内部强度高的网状结构，增大橡胶机械强度。

s05：将第一硫化产物进行第二次硫化，得到封隔器端部胶筒的橡胶材料。第二次硫化可以在热老化试验箱中进行，第二次硫化的温度可以控制在145～155℃，硫化的时间可以控制在3～5，进一步地，硫化的温度可以为150℃，时间可以为4h。第二次硫化的目的是进一步硫化，使硫化更彻底，由于防老箱的硫化效果不如硫化机，所以耗时比较长，但是由于第一次硫化已经基本硫化完成，为进一步提高硫化效果，其性价比较高。

在本实施例中，按照中部胶筒的制备原料制备得到的中部胶筒相比较按照上胶筒或下胶筒的制备原料制备得到的上胶筒或下胶筒的硬度要低、质地要软。

本发明另一方面提供了一种新型封隔器。

在本发明的另一个示例性实施例中，所述封隔器可包括密封部分、锚定部分、扶正部分、坐封部分、锁紧部分和解封部分，其中，

密封部分可以包括封隔器胶筒、赖以安装封隔器胶筒的钢碗、隔环(挡圈)和各种防止密封元件“肩部突出”的“防突”部件，所述封隔器胶筒可以包括上一个示例性实施例中所述的封隔器胶筒。

锚定部分可以包括水力锚和卡瓦。

扶正部分可以包括扶正弹簧和扶正器，扶正器可以包括扶正弹簧罩、弹簧座和弹簧。

坐封部分可包括坐封活塞、中心管、上下接头和滑环套。

锁紧部分可包括中心管、销钉和内锁紧机构。

解封部分可以包括平衡活塞、平衡阀、循环孔缸套和解封销钉。

综上所述，本发明的耐高温高压的封隔器胶筒及封隔器的优点可包括：

(1)胶筒采用斜面三胶筒结构，且中间胶筒材质较软，两端胶筒材质较硬，可实现中间胶筒先起凸紧贴套管，两端胶筒后膨胀逐步跟进紧贴套管，整个胶筒贴套管更紧密，密封更好，且端部胶筒硬，强度大，抗撕裂能力强。避免了传统三个胶筒硬度一致，两端胶筒贴套管后形成摩擦力减少了挤压力对中间胶筒的传递，而造成中胶筒密封差。

(2)采用斜面三胶筒结构，斜角配合，中胶筒被斜角包裹挤压，压缩变形更均衡，胶筒不易偏心，周向密封更好。

(3)上胶筒(或下胶筒)长度：中部胶筒长度＝1.2：1～1：1.3；胶筒外径：胶筒总长＝1:1～1：1.5；三个胶筒压缩坐封于套管后，轴向压缩率小于0.25。可保证每个胶筒有足够长度和厚度形成密封，且不会卷曲。

(4)采用弹性构件端部保护措施，可实现由弹簧承受胶筒端部的剪切力，提高了胶筒的抗撕裂能力；同时弹簧具有变形回缩性，当测试结束便于回收封隔器。采用双层弹簧，能够避免弹簧中空结构而失稳，提高了弹簧的稳定性。

(5)采用了所述橡胶材料组合以及结构特征的封隔器胶筒更能够使得封隔器满足井下耐高温高压的工作条件。

尽管上面已经通过结合示例性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应该清楚，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可对本发明的示例性实施例进行各种修改和改变。