具有金属密封环的胶筒、封隔器和桥塞制造技术

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具有金属密封环的胶筒、封隔器和桥塞。金属密封环包括金属弹簧、内侧金属环、外侧金属环。在上端的金属密封环的上端面用于直接承受第一轴向压力，在下端的金属密封环的下端面用于直接承受第二轴向压力，各金属密封环能在轴向压力的作用下在径向方向发生形变来与中心管和套管分别贴合。其内部的金属弹簧被轴向压缩而向径向方向延伸，进而金属弹簧带动内侧金属环和外侧金属环在径向方向延伸，当延伸量足够大时，外侧金属环的内表面与中心管相贴合，外侧金属环的外表面与套管相贴合，从而起到防肩突的作用。

【技术实现步骤摘要】

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具有金属密封环的胶筒、封隔器和桥塞。
技术介绍
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。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。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1mm左右的钢网或钢带分别固化在两个端胶筒某一端面上”。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”。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)”。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)。根据专利技术人的试验，当第一轴向压力为30MPa时，专利技术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。进一步地，专利技术人还发现，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，进而在胶筒的中间部也产生降解而失去弹性，影响胶筒密封的长效性。
技术实现思路
本申请的一个目的在于提供一种新的密封结构，来防止或减小胶筒肩突的发生。根据本申请的一个方面，提供一种具有金属密封环的胶筒，所述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，一个位于上端的所述金属密封环充当所述上端部，另一个位于下端的所述金属密封环充当所述下端部，所述金属密封环包括：粗细相同且首尾相接的金属弹簧；闭合的内侧金属环，包覆于所述金属弹簧的外部；闭合的外侧金属环，包覆于所述内侧金属环的外部，所述外侧金属环的硬度小于所述内侧金属环的硬度；在上端的所述金属密封环的上端面用于直接承受所述第一轴向压力，在下端的所述金属密封环的下端面用于直接承受所述第二轴向压力，各所述金属密封环能在轴向压力的作用下在径向方向发生形变来与中心管和套管分别贴合。优选地，所述内侧金属环内部充盈有胶体，所述金属弹簧置于所述胶体中。优选地，所述内侧金属环和所述外侧金属环的横截面均为四方形。优选地，所述外侧金属环的横截面为圆形，所述外侧金属环通过硬质垫片与所述中间部间接接触。优选地，所述中间部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在所述轴向方向上相抵触且设置在该纤维丝密封环的下方；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所述胶体；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所述胶体；所述金属密封环整体的硬度大于所述金属丝密封环整体的硬度，所述金属丝密封环整体的硬度大于所述纤维丝密封环整体的硬度。优选地，所述金属丝密封环外均包覆第一石墨层，所述第一石墨层至少包覆所述金属丝密封环的外侧面；所述纤维丝密封环外均包覆第二石墨层，所述第二石墨层至少包覆所述纤维丝密封环的外侧面。优选地，所述第一石墨层包覆所述金属丝密封环的外侧面、上表面以及下表面，所述第二石墨层包覆所述纤维丝密封环的外侧面、上表面以及下表面；或所述第一石墨层包覆所述金属丝密封环的外侧面、内侧面、上表面以及下表面，所述第二石墨层包覆所述纤维丝密封环的外侧面、内侧面、上表面以及下表面。优选地，所述第一石墨层和所述第二石墨层的外部均涂覆有保护层，所述保护层在高温时被破坏而液化或固化为熔渣。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。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。本申请提供的技术方案至少具有如下技术效果：1、在一个实施例中，金属密封环设置在上下两端，当轴向压力施加于金属密封环时，其内部的金属弹簧被轴向压缩而向径向方向延伸，进而金属弹簧带动内侧金属环和外侧金属环在径向方向延伸，当延伸量足够大时，外侧金属环的内表面与中心管相贴合，外侧金属环的外表面与套管相贴合，从而起到防肩突的作用。2、在一个实施本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有金属密封环的胶筒(10)，所述胶筒(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，其特征在于，一个位于上端的所述金属密封环(73)充当所述上端部(104)，另一个位于下端的所述金属密封环(73)充当所述下端部(106)，所述金属密封环(73)包括：粗细相同且首尾相接的金属弹簧(731)；闭合的内侧金属环(732)，包覆于所述金属弹簧(731)的外部；闭合的外侧金属环(733)，包覆于所述内侧金属环(732)的外部，所述外侧金属环(733)的硬度小于所述内侧金属环(732)的硬度；在上端的所述金属密封环(73)的上端面用于直接承受所述第一轴向压力，在下端的所述金属密封环(73)的下端面用于直接承受所述第二轴向压力，各所述金属密封环(73)能在轴向压力的作用下在径向方向发生形变来与中心管(30)和套管(40)分别贴合。...

【技术特征摘要】
1.一种具有金属密封环的胶筒(10)，所述胶筒(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，其特征在于，一个位于上端的所述金属密封环(73)充当所述上端部(104)，另一个位于下端的所述金属密封环(73)充当所述下端部(106)，所述金属密封环(73)包括：粗细相同且首尾相接的金属弹簧(731)；闭合的内侧金属环(732)，包覆于所述金属弹簧(731)的外部；闭合的外侧金属环(733)，包覆于所述内侧金属环(732)的外部，所述外侧金属环(733)的硬度小于所述内侧金属环(732)的硬度；在上端的所述金属密封环(73)的上端面用于直接承受所述第一轴向压力，在下端的所述金属密封环(73)的下端面用于直接承受所述第二轴向压力，各所述金属密封环(73)能在轴向压力的作用下在径向方向发生形变来与中心管(30)和套管(40)分别贴合。2.根据权利要求1所述的胶筒(10)，其特征在于，所述内侧金属环(732)内部充盈有胶体(109)，所述金属弹簧(731)置于所述胶体(109)中。3.根据权利要求2所述的胶筒(10)，其特征在于，所述内侧金属环(732)和所述外侧金属环(733)的横截面均为四方形。4.根据权利要求2所述的胶筒(10)，其特征在于，所述外侧金属环(733)的横截面为圆形，所述外侧金属环(733)通过硬质垫片(60)与所述中间部(105)间接接触。5.根据权利要求4所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋炜，隆学武，
申请(专利权)人：隆学武，宋炜，
类型：发明
国别省市：北京;11