一种自适应高性能桥塞的制作方法

本发明属于采油工具领域，具体涉及一种自适应高性能桥塞。

背景技术：

桥塞是油田生产中的常用井下工具，可实现对井下特定层位的短期、长期或永久封堵。现有桥塞在座封过程中，一般均依靠普通的压缩橡胶，这类压缩橡胶的承压能力不大，膨胀情况和对异型井壁的适应能力也不理想，在受到过大压力时，容易座封失效，且失效后无补救方法。另外，现有桥塞在封堵完成后，需要解封时，往往需要采用钻破、溶解等方法破坏桥塞内部结构，导致桥塞成为耗材，应用成本较高，且对人工操作要求较高。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种对井壁适应能力强、可自适应、自补救、自动解封的高性能桥塞。

为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：一种自适应桥塞，包括中心管，所述中心管外套设胶筒组件，所述胶筒组件包括环绕中心管设置的压缩橡胶筒，所述压缩橡胶筒横截面为内侧小、外侧大的倒梯形，所述中心管外、压缩橡胶筒上下设置与压缩橡胶筒形状适配的楔形挤压件；所述压缩橡胶筒设置为两个，两个压缩橡胶筒间环绕中心管设置第一自膨胀橡胶筒；所述压缩橡胶筒和第一自膨胀橡胶筒外表面齐平；所述第一自膨胀橡胶筒内部设置可在第一自膨胀橡胶筒挤压作用下破裂的第一储液盒，所述第一储液盒内装有可使第一自膨胀橡胶筒膨胀的液体。

优选的，所述第一自膨胀橡胶筒内贯穿设置通孔，所述通孔连通第一自膨胀橡胶筒周向表面和靠近中心管一侧底面，所述第一自膨胀橡胶筒靠近中心管一侧底面上设置数个尖锐凸起，所述尖锐凸起对侧设置固接在中心管上的第一储液盒；所述尖锐凸起与第一储液盒相分离，所述第一储液盒与尖锐凸起相对面为可被尖锐凸起刺破的材质。

优选的，所述第一储液盒内、靠近中心管一侧面设置数个处于压缩状态的第一弹性部件，所述第一弹性部件上固接底板，所述底板构成第一储液盒底部，且底板可沿中心管径向活动。

优选的，所述中心管外、第一自膨胀橡胶筒与压缩橡胶筒间，固接套设刚性套筒。

优选的，所述第一自膨胀橡胶筒由遇油自膨胀橡胶制成，所述遇油自膨胀橡胶的组分中包括氧化铁。

优选的，还包括封堵组件，所述封堵组件包括两片呈太极状的封堵片，所述两片封堵片分别伸入中心管管腔内部，在中心管内部契合形成垂直于中心管的封堵面，该封堵面用于封堵中心管的管内腔。

优选的，所述封堵片在中心管内部形成平面时，所述封堵片在中心管管腔内的面积≤封堵片总面积的2/3。

优选的，每个所述封堵片大端靠近中心管部分通过活动转轴连接在一个收纳槽内，每个收纳槽均呈半圆环槽形并环绕中心管设置；所述封堵片可绕活动转轴为轴心在收纳槽和中心管间转动；所述收纳槽槽壁与封堵片之间通过第一挤压件和第二挤压件相互挤压，所述的第一挤压件固接在收纳槽槽壁上，所述第二挤压件固接在封堵片大端端部，所述第一、第二挤压件与活动转轴垂直，相互挤压使得封堵片位于封堵中心管的位置；

所述收纳槽通过与中心管平行的连接件与一个压缩槽固接，所述压缩槽内表面沿中心管径向向外凹陷呈弧形；所述收纳槽与压缩槽分别对称设置2个，共同环绕设置在封堵套内部，所述封堵套环绕设置在中心管上，所述连接件、收纳槽和压缩槽连接形成的整体与封堵套内壁通过数个第二弹性部件连接，所述收纳槽和压缩槽外侧与封堵套接触的位置设置棘齿，所述封堵套内部对应设置与棘齿配合的棘齿槽，所述收纳槽和压缩槽可在外力作用下朝背离中心管方向运动。

优选的，所述压缩槽的呈弧形的面靠近收纳槽一侧向中心管轴心方向延伸，在中心管腔内形成第一挡板，所述第一挡板与解封筒上的触发机构适配。

优选的，所述解封筒的管径与中心管管径适配，且解封筒的轴向长度大于中心管的管径；

所述解封筒外套设第二自膨胀橡胶筒，所述第二自膨胀橡胶筒与解封筒间设置第二储液盒，所述第二储液盒内装有可使第二自膨胀橡胶筒膨胀的液体；所述解封筒上设置由第一挡板触发开启第二储液盒的解封结构；

所述解封结构包括环绕在解封筒外侧周向上的棘轮环，所述棘轮环与设置在解封筒周向对应位置的棘齿对应，所述棘轮环上固接至少一个穿刺条，所述穿刺条位于解封筒与第二自膨胀橡胶筒之间、尖端朝向所述第二储液盒，并与第二储液盒相分离，所述穿刺条另一端凸出解封筒底部，将所述解封筒放入桥塞时，所述穿刺条凸出的部分可与第一挡板接触。

本发明具有以下有益效果：本发明将普通的压缩橡胶和自膨胀橡胶结合使用，一旦出现压缩橡胶座封失效的情况，自膨胀橡胶可立刻快速进行自补救，实现二次座封。另外，本发明还配套提供了封堵套和解封筒，正常情况下，桥塞实现封堵功能；需要解封时，只需将解封筒放入封堵套内即可实现自动解封。且解封完成后，解封筒套在中心管内部，待桥塞使用结束后，可随桥塞一起取出，只需更换解封筒外的橡胶筒即可再次投入使用。

附图说明

图1为本发明的轴向剖面结构示意图；

图2为图1的a处放大示意图；

图3为图1的b-b视图；

图4为本发明的解封筒结构示意图；

图5为解封筒进入桥塞、封堵套处于解封状态示意图；

图6为图5的c-c视图。

具体实施方式

如图1、2、3所示的，本发明提供了一种可以实现自适应的桥塞。需要说明的是，桥塞所需的上下接头、限位套等结构均为成熟的现有技术，本领域技术人员根据需要自行选择安装即可，不涉及本发明改进点，故未一一赘述。本发明所述桥塞包括中心管10，所述中心管10外套设胶筒组件。所述胶筒组件包括横截面为内侧小、外侧大的倒梯形的压缩橡胶筒30，所述中心管10外、压缩橡胶筒30左右设置与压缩橡胶筒30形状适配的楔形挤压件20。所述压缩橡胶筒30的材质为受到压力后会发生体积膨胀的橡胶材质。当挤压件20受力挤压压缩橡胶筒30时，压缩橡胶筒30膨胀至与外壁井壁接触、挤压，完成座封。所述压缩橡胶筒30周向上中空，内设第一自膨胀橡胶筒60。也可以理解为，所述压缩橡胶筒30设置为2个，2个压缩橡胶筒30中间环绕中心管10设置第一自膨胀橡胶筒60。所述第一自膨胀橡胶筒60的材质为遇水或遇油可自膨胀的橡胶，优选为遇水遇油均可自膨胀的橡胶。所述压缩橡胶筒30和第一自膨胀橡胶筒60周向表面齐平。所述第一自膨胀橡胶筒60内部设置可在第一自膨胀橡胶筒60挤压作用下破裂的第一储液盒63，所述第一储液盒63内装有可使第一自膨胀橡胶筒60膨胀的液体。

为了在特定情况下快速启动第一自膨胀橡胶筒60，优选的方式为：所述第一自膨胀橡胶筒60内贯穿设置通孔62，所述通孔62连通第一自膨胀橡胶筒60周向表面和靠近中心管10一侧底面。所述通孔62可以设置多个；优选的方式为，所述通孔62设置为1个环绕中心管10的相互连通的孔，方便外界液体通过通孔62快速到达第一自膨胀橡胶筒60各处。所述第一自膨胀橡胶筒60靠近中心管10一侧底面上设置数个尖锐凸起，所述尖锐凸起可以与第一自膨胀橡胶筒60一体成型，为相同材质；也可以是固接在第一自膨胀橡胶筒60上的坚硬耐腐蚀材质(例如不锈钢等)构成的凸起。所述尖锐凸起朝向固接在中心管10上的第一储液盒63。所述尖锐凸起在初始状态时与第一储液盒63相分离，待第一自膨胀橡胶筒60遇到液体开始膨胀后，尖锐凸起与第一储液盒63接触并将其戳破。所述第一储液盒63与尖锐凸起相对面为可被尖锐凸起刺破的材质，该材质可以为有一定厚度的pvc材质等；第一储液盒63其余面为耐腐蚀材质，例如不锈钢等。

为了保证第一储液盒63内的液体快速、完全地被第一自膨胀橡胶筒60吸收，更优选的方式为：所述第一储液盒63内、靠近中心管10一侧面设置数个处于压缩状态的第一弹性部件64(例如弹簧)。所述第一弹性部件64上固接底板，所述底板上为储液空间。应当理解的是：所述第一储液盒63内部设置为两层，靠近第一自膨胀橡胶筒60的一层盛放液体。在初始状态下，靠近中心管10的一层内部的第一弹性部件64在液体和底板的作用下被压缩；第一储液盒63表面被刺破后，液体释放，第一弹性部件64释放弹力、推动底板快速上移，加速液体外泄。为了完全释放液体，第一弹性部件64可以设置为：将底板推至对侧面时，第一弹性部件64仍处于一定的压缩状态，或刚好恢复至未压缩状态。为了便于底板运动，优选的方式为，底板与第一储液盒63侧壁接触位置通过滑槽配合安装。

为了避免压缩橡胶筒30与第一自膨胀橡胶筒60相互干扰，优选的方式为：所述中心管10外、第一自膨胀橡胶筒60与压缩橡胶筒30间，固接套设刚性套筒61。所述刚性套筒61为不锈钢等耐腐蚀材质。在这种设置方式下，第一自膨胀橡胶筒60与第一储液盒63均设置在刚性套筒61内部，当压缩橡胶筒30受到外力挤压时，第一自膨胀橡胶筒60与第一储液盒63不会受到外力干扰。只有在压缩橡胶筒30变形、失效、漏液时，第一自膨胀橡胶筒60与外界液体接触，才会发生膨胀。

所述桥塞还包括封堵组件，以实现桥塞的封堵作用，避免桥塞两侧液体流通。如图1、3所示，所述封堵组件包括两片呈太极状的封堵片50。所述两片封堵片50分别从中心管10一侧面伸入中心管10管腔内部，在中心管10内部契合形成垂直于中心管10的平面(封堵面)，将中心管10管内腔堵住。为了更好地实现密封，两片封堵片50接触处分别设置一层防滑、耐腐蚀的材质，增加密封性能，例如设置一层耐腐蚀橡胶垫。所述橡胶垫的形状、大小与封堵片50的端面适配(图中未示出)。为了受力更加均匀，优选的方式为：所述封堵片50在中心管10内部形成平面时，所述封堵片在中心管10管内腔内的面积≤封堵片50总面积的2/3。

封堵组件可以选择性安装。当需要桥塞连通两侧时，可以不安装封堵组件；需要桥塞实现封堵功能，则可以直接将封堵片50卡放在中心管10内部。当封堵结束后，再采用钻破等方式破坏封堵片50即可。由于封堵片50是两片相互契合的太极结构，受到来自桥塞一侧的液体压力时，受力更均匀；当需要破坏封堵片50时，由于封堵片50是薄片结构，且两片封堵片50是直接契合的，可以通过钻破契合位置的方式快速破坏封堵片50，比一般的实心小球等封堵结构更容易破坏。

上述实施方式只能将封堵片50暴力破坏后解封，成本较高，对人员操作要求也较高。为了更便捷实现快速流通桥塞两侧液体、且不破坏封堵片50，优选的方式为：封堵结束后，下放适配的解封筒70，实现自动解封。

具体为：所述每片封堵片50穿过中心管10的一端通过活动转轴46连接在一个收纳槽43内，所述收纳槽43对称设置2个，每个封堵片50装在一个收纳槽43内。所述封堵片50可以以活动转轴46为轴心在收纳槽43和中心管10间进行转动。所述中心管10外侧、活动转轴46对应位置、封堵片50上方，设置与中心管10径向垂直的支撑板49。所述活动转轴46可转动、垂直连接在支撑板49上。即，支撑板49位于收纳槽43与中心管10限定的空间内部、中心管10外侧壁上。在这种设置方式下，活动转轴46与中心管10径向平行，活动转轴46转动时也与中心管10径向平行，并可带动封堵片50以活动转轴46为中心进行转动。

显然，所述中心管10管壁位于封堵片50处、处于被封堵片50截断的状态。因中心管10并不需要承受来自外界的弯折力，该截断对中心管10和桥塞功能实现没有影响。应当理解的是：收纳槽43上对应设置有与封堵片50形状、大小相适配的开口，封堵片50可以在外力作用下完全转入收纳槽43中被收纳起来。

所述收纳槽43槽壁与封堵片50之间通过第一挤压件44和第二挤压件45相互挤压，所述的第一挤压件44固接在收纳槽43槽壁上，所述第二挤压件45固接在封堵片50大端端部。所述第一、第二挤压件44、45与活动转轴46垂直。第一、第二挤压件44、45相互接触、相互挤压，使得封堵片50位于封堵中心管10的位置。即，第一、第二挤压件44、45之间只是相互接触，并未设置结构使两者以挂扣、勾结等方式连接在一起。第一、第二挤压件44、45中的其中一个结构由弹性材质构成，例如由耐腐蚀橡胶材料构成。作为优选的实施方式，第一、第二挤压件44、45中的其中一个设置为处于压缩状态的弹簧，以便在第一、第二挤压件44、45相分离时，对封堵片50提供一个反向推力。当封堵片50位于中心管10内部、实现封堵时，各所述第一、第二挤压件44、45分别抵在各封堵片50太极形状较大的一端，进一步帮助两个封堵片50契合封闭中心管10。

所述收纳槽43通过与中心管10平行的连接件47与压缩槽41固接，所述压缩槽41朝向中心管10一侧向背离中心管10方向凹陷，形成弧形。所述压缩槽41对称设置2个。所述收纳槽43与压缩槽41共同位于套设固接于中心管10上的封堵套40内部，所述收纳槽43、压缩槽41、连接件47形成的整体与封堵套40间通过第二弹性部件48(例如弹簧)连接。弹性部件处于自然状态。所述收纳槽43和压缩槽41的周向上，其分别与封堵套40接触的位置，分别设置棘齿。所述封堵套40上对应设置与棘齿配合的棘齿槽。所述棘齿和棘齿槽的设置方向为：所述收纳槽43和压缩槽41在外力作用下只能朝背离中心管10方向运动。所述棘齿和棘齿槽中的至少一个结构使用带有一定弹性的材质制作(例如耐腐蚀的硬橡胶，耐腐蚀的硬质塑料等)，便于棘齿在棘齿槽上定向运动。

所述压缩槽41的弧形面靠近收纳槽43一侧向中心管10方向延伸，伸入中心管10，形成第一挡板421。所述第一挡板421与解封筒70上的穿刺条72配合，解封筒70进入后，穿刺条72受到来自第一挡板421的阻力。优选的方式为，所述第一挡板421另一端铰接第二挡板422。铰接面位于远离收纳槽43的一侧面，第一、第二挡板421、422的铰接处对侧面固定限位钢板(钢板位于图1中第一、第二挡板421、422铰接处的下侧面)，使得第一挡板421与第二挡板422只能朝向压缩槽41方向弯折，不能朝向收纳槽43方向弯折。

当需要将封堵片50收纳入收纳槽43中，实现自动解封时，可通过中心管10投入适配的解封筒70。解封筒70的投入方式可以根据桥塞所处位置不同，利用解封筒70自身重力到达所需位置，或者泵送至所需位置，均为成熟的现有技术，此处不再赘述。如图4、5、6所示，所述解封筒70的管径与中心管10管径相适配，且解封筒70的轴向长度大于中心管10的管径。应当理解的是，所述解封筒70的最大外径略小于中心管10的管径，可以在中心管10中顺利进出，且因为其轴向长度大于中心管10的管径，所以不会横卧进入导致解封失败。

所述解封筒70外套设第二自膨胀橡胶筒73，其材质与第一自膨胀橡胶筒60的材质相同。所述第二自膨胀橡胶筒73与解封筒70间设置第二储液盒74，所述解封筒70上设置由第一、第二挡板421、422触发开启第二储液盒74的解封结构。所述解封结构包括环绕在解封筒70外侧周向上的棘轮环71，所述棘轮环71与设置在解封筒70周向对应位置的棘齿对应。所述棘轮环71使用有一定弹性的材质制作(例如耐腐蚀硬橡胶，或耐腐蚀硬质塑料等)，便于棘轮环71与棘齿间发生相对运动。所述棘轮环71上固接至少一个穿刺条72，优选对称设置2个穿刺条72，分别与两个第一、第二挡板421、422所在位置(或第一挡板421所在位置)对应。所述穿刺条72位于解封筒70与第二自膨胀橡胶筒73之间、尖端朝向所述第二储液盒74，并与第二储液盒74相分离，所述穿刺条72另一端凸出解封筒70底部。所述第二储液盒74的设置方式可以参照第一储液盒63进行。

解封筒70的优选设置方式为，在解封筒70外部、第二自膨胀橡胶筒73两端，环绕解封筒70分别设置第一阻位环75和第二阻位环76。所述第一、第二阻位环75、76宽度大于解封筒70的宽度，小于中心管10的管径。在这种设置方式下，穿刺条72从第二阻位环76中间穿过，第二阻位环76对应位置设置供穿刺条72穿过并可运动的凹形槽。在第二自膨胀橡胶筒73膨胀时，第一、第二阻位环75、76可对第二自膨胀橡胶筒73的膨胀方向起到限位作用，使其朝向解封筒70的宽度方向膨胀。

应当理解的是，放入解封筒70后，解封筒70运动至第一、第二挡板421、422，被第一、第二挡板421、422挡住，泵送的力或重力所维持的惯性会促使解封筒70继续向前运动，促使穿刺条72受到第一、第二挡板421、422的挤压，带动棘轮环71向上运动，进而刺破第二储液盒74，液体释放，促使第二自膨胀橡胶筒73膨胀，第二自膨胀橡胶筒73卡入压缩槽41形成的弧形面(弧形槽)内，持续的膨胀对压缩槽41施加推力，使得压缩槽41带动收纳槽43一起向背离中心管10方向运动，直至运动到封堵套40底部(顶部)。压缩槽41运动中，带动第一、第二挡板421、422回缩，设置第一、第二挡板421、422的长度，使压缩槽41运动结束时，第一挡板421离开中心管10内部，第二挡板422可以在受到来自收纳槽43方向的液体冲击下弯折，便于液体通过。同时，收纳槽43运动带动第一挤压件44随之运动，封堵片50在活动转轴46和支撑板49的限位作用下，不随收纳槽43的运动而运动，第一、第二挤压件44、45相分离，不再对封堵片50提供与中心管10径向垂直的挤压力，第一、第二挤压件44、45中的弹性材质构成的结构也会在分离的瞬间对封堵片50提供一个反向推力(当第一、第二挤压件44、45中的其中一个设置为弹簧时，该反向推力更为明显)，促使两片封堵片50间出现缝隙。液体从缝隙中流过，推动封堵片50逐渐收入收纳槽43内部。

为了实现封堵片50更快回到收纳槽43内，优选的方式为，在收纳槽43内部、收纳槽43与封堵片50之间，设置一个处于拉伸状态的第三弹性部件51(例如弹簧)。即：第三弹性部件51的一端固定在收纳槽43内壁，另一端固定在封堵片50上、远离活动转轴46的位置(当然，也位于中心管10外)。所述第一、第二挤压件44、45提供的挤压力大于第三弹性部件51提供的拉力。当第一、第二挤压件44、45相分离时，第三弹性部件51拉动封堵片50绕活动转轴46转动，帮助其快速回到收纳槽43内。也可以在封堵片50上设置数个位于不同位置的第三弹性部件51，帮助其快速复位。这种设置方式下，当解封筒70进入、收纳槽43远离中心管10运动时，第三弹性部件51上的拉力逐渐增大；同时，第一、第二挤压件44、45相分离，封堵片50在第三弹性部件51的拉力作用下回到收纳槽43内。

当不需要桥塞时，将桥塞及卡住的解封筒70一并取出，破坏解封筒70外部已膨胀的第二自膨胀橡胶筒73，更换新的第二自膨胀橡胶筒73和第二储液盒74，即可再次使用。为了便于将解封筒70外的棘轮环71复位，可以在棘轮环71上设置带密封开关的钥匙开孔(图中未示出)。工作状态时，密封钥匙孔；需要复原时，使用钥匙将棘轮环71打开，放至所需位置，再将棘轮环71重新合拢扣上即可。为了便于将桥塞上封堵套40内的结构复原，也可在封堵套40外表面设置可密封的开口，同时将连接压缩槽41和收纳槽43的连接件47设置为可通过钥匙拆开的结构。需要复原时，打开封堵套40外表面的开口，通过钥匙将连接件47拆开，实现棘轮、棘齿分离，将压缩槽41和收纳槽43放至所需位置复原后，再将连接件47合拢扣上即可。封堵套40上的开口也便于对封堵套40内部进行清理、更换弹性部件等需要定期更换的零件。从而实现桥塞和解封筒70的循环利用。

为了提高第一、二自膨胀橡胶筒60、73的膨胀率，实现快速、高效膨胀，优选的方案为，所述第一、二自膨胀橡胶筒60、73所用的橡胶均为特制的遇油膨胀橡胶，对应液体为汽油。所述橡胶的配方为：15～18份三元乙丙橡胶，2～5份炭黑、1～3份硬脂酸、1～3份氧化钙、3～5份氧化铁、6～8份活性氧化锌、0.04～0.3份二甲基二硫代氨基甲酸锌、0.5～1份防老剂rd、0.01～1硫磺。

所述橡胶在180℃、10mpa条件下进行硫化，具体制备方法如下：

(1)将三元乙丙橡胶在开炼机上塑炼至表面光滑，调节开炼机辊距为0.3mm，加入炭黑，混炼1～2min；

(2)调节辊距为2.5mm，加入硬脂酸、氧化钙、氧化铁和活性氧化锌，混炼1～2min；

(3)加入二甲基二硫代氨基甲酸锌、防老剂rd，混炼6～10min；

(4)最后加入硫磺，在180℃、10mpa条件下硫化1～1.5h。

为更好地展示所述橡胶的效果，下面进行具体展示。按上述方法制备17组橡胶，作为实验组。其中，各组所用三元乙丙橡胶均为16份，硬脂酸均为三元乙丙橡胶质量的15％，防老剂rd用量均为三元乙丙橡胶质量的3％。各组橡胶的配方如表1所示。表1中“二甲基二硫代氨基甲酸锌：硫磺”指二者质量比。应当理解的是，表1只是示例，并非只发明人只进行了表1中的实验。

表1各组橡胶具体配方展示表

在相同条件下分别测试各组橡胶的常见油类吸收率、膨胀率及力学性能，每组设置3个重复。其中，吸油率、膨胀率的测定方法为：将干燥的橡胶完全浸泡在待吸油中，至橡胶重量、体积没有变化后取出，比较吸油前后橡胶的重量、体积差异即可。吸油率单位为：g/g，即每克橡胶的最大吸油量。结果如表2所示。

表2各组橡胶的综合性能展示表