專利名稱：一種大弧度弓形密封膠筒的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及油氣田用壓縮式封隔器，特別是涉及一種大弧度弓形密封膠筒。
背景技術：
在油氣田開發(fā)領域，封隔器是實施分層采油、分層注水、分層壓裂或酸化及機械長堵保證井下注采工藝實施的重要元器件。而這個元器件的核心零部件“封隔器膠筒”又是封隔器最核心的重要零部件，它的質量好壞直接影響整個石油產業(yè)的開采工作，能否順利進行。當今，石油作為關鍵的民生能源資源和國家的戰(zhàn)略資源受到國內國外的高度重視，人類已經高度的依賴石油，而石油的消耗速度在全球迅速上升，而人類在尚未開發(fā)出更 為價廉高效的能源資源替代石油之前，如何有效的開采現有石油資源是關系到整個世界生存的重大現實問題。所以實施深井開采技術，挖掘深層儲存油源是我國乃至世界石油開發(fā)的局勢。目前，隨著易開發(fā)油田的逐漸減少和勘探技術深入發(fā)展。國內油田開發(fā)的深度普遍加深，開發(fā)難度逐漸加大，并且隨著超深井的開采，這就對井下封隔器膠筒的質量要求越來越高，以確保井下的正常施工開采。固封隔器膠筒面臨的工況條件也就越來越惡劣，主要是隨著開采深度的增加，溫度越來越高160 200°C，壓力越來越大，70 110 MPa，并且還需耐化學腐蝕?，F今國內生產的傳統(tǒng)封隔器膠筒如圖4、圖5和圖6所示以及和化工部關于生產封隔器膠筒的標準HC/2701-95，在質量已遠遠不能保證現代油田的深井或超深井開采的要求，進口的封隔器膠筒質量好的也僅僅上能達到150 160°C，壓力在84 MPa以下的工作條件，在國際上還沒有任何一家生產廠制造出能滿足160 200°C高溫、壓力70 110MPa工作條件的封隔器膠筒。因此，隨著現代石油工業(yè)的高速發(fā)展，隨著油井的不斷加深創(chuàng)造出能確保耐高溫160 200°C、耐高壓70 IlOMPa.并且耐化學腐蝕，新型封隔器膠筒能保證深井和超深井的石油開采，已是國內國外的一大難題，基于此，我國科技部已把封隔器膠筒的質量提高列入“863”科技項目之一的重要攻克難題。

發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的技術問題是克服現有封隔器密封膠筒不能在惡劣工況下使用的缺陷，提供一種大弧度弓形密封膠筒，該密封膠筒可以滿足壓力為70 105Mpa、溫度為150 200°C和腐蝕性工況下的使用要求，并且卸壓以后通過橡膠膠筒的彈性回彈解除密封。為了解決上述技術問題，本發(fā)明采用如下的技術方案
本發(fā)明的大弧度弓形密封膠筒，包括膠筒、支撐骨架，膠筒套在支撐骨架的外側，在膠筒的外側套有將膠筒包住的弓形外套筒，在支撐骨架的內徑表面設有矩形密封槽和位于其中的密封圈，弓形外套筒的上端設有保護蓋，在支撐骨架底部外緣上設有凸臺，凸臺包住弓形外套筒的下部，在弓形外套筒和支撐骨架的底部設有與膠筒連通的流道孔。弓形外套筒用耐高溫、耐高壓、耐腐蝕且摩擦系數較小的材料制成，比如聚四氟乙烯、改性填充聚四氟乙烯等。在支撐骨架底部設置流道孔的目的是硫化成型密封膠筒時作為補料孔使用。設保護蓋的目的是避免高壓時弓形外套筒產生蠕變而發(fā)生翹軸，避免了卡住外套管和封隔器密封膠筒上端墊塊的現象，所以保護蓋起到了肩保作用。為了進一步增加前述密封膠筒對內芯的密封能力，可做如下改進支撐骨架的內側上部設有矩形密封圈，在矩形密封圈的上面設有與其接觸的壓蓋，壓蓋的水平底部與支撐骨架之間的壓縮距為I. 5 2mm。為了避免在受壓狀態(tài)下膠筒產生翹曲，弓形外套筒的底部內側為凹槽結構，膠筒底部形狀與其對應。優(yōu)選的，弓形外套筒的中間部分為圓弧形。這樣在密封膠筒受到壓力時，膠筒的變形應力集中于中間部分，達到環(huán)形密封效果。
優(yōu)選的，前述大弧度密封膠筒中的弓形外套筒和矩形密封圈選用聚四氟乙烯或改性填充聚四氟乙烯制備。前述密封膠筒中的外套筒是采用改性填充聚四氟乙烯、聚苯脂填充材料或聚苯脂材料制備而成。填充聚四氟乙烯可以進一步提高聚四氟乙烯的耐壓強度，而改性處理的目的是使填充聚四氟乙烯外套筒便于與膠筒和支撐骨架通過硫化工藝粘結，使粘結更牢固可
O為了提高支撐骨架的承壓能力，前述密封膠筒中的支撐骨架和壓蓋由金屬制備而成。當然也可以選擇其他承壓能力強的材料來制備。前述密封膠筒中的密封圈由橡膠制備而成。密封圈的作用是防塵以及安裝時對內芯進行初始密封，所以可以選用橡膠制備。前述的密封膠筒，對弓形外套筒進行表面改性處理后與支撐骨架緊密貼合形成空心腔室，再將橡膠經過高溫高壓壓入空心腔室進行硫化，通過硫化模具一次硫化加工使弓形外套筒、膠筒和支撐骨架粘結制成一體。聚四氟乙烯材料具有耐高溫、強度大、靜摩擦系數小且耐腐蝕等特性，可以提高密封面的接觸強度，使密封膠筒滿足壓力為70 105Mpa、溫度為150 200°C和腐蝕性工況下的使用要求，對其進行填充和改性，可以進一步提高聚四氟乙烯的耐壓強度并具有一定的粘接性能，使外套筒與膠筒粘接在一起成為一體，這樣就可以在卸壓后，通過橡膠膠筒的彈性回彈帶動弓形外套筒從而解除密封。與現有技術相比，本發(fā)明的密封膠筒設有弓形外套筒和支撐骨架，密封膠筒受壓后向下移動使膠筒產生膨脹變形，在膠筒在膨脹作用下，弓形外套筒緊貼油氣井外套管而形成軸向密封，而設置保護蓋可以避免工作時弓形外套筒產生蠕變而發(fā)生翹軸，避免了卡住外套管和封隔器密封膠筒上端墊塊的現象，起肩保作用，形成軸向密封后，由支撐骨架承受外部壓力，避免了壓力過大而致使膠筒受損，在膠筒不受損的情況下，當外部壓力卸去后，利用膠筒的彈性回彈帶動外套筒，解除對油氣井外套管的密封，這樣密封膠筒就可以多次使用。因為外套筒是用耐高溫、強度大、靜摩擦系數小且耐腐蝕的材料制成，所以可以滿足惡劣工況(壓力70 105Mpa、溫度為150 200°C )的使用要求，適應當前油氣田深井或超深井開采施工的要求，并且支撐骨架保護了膠筒不受損，使得密封膠筒可以多次使用，大幅節(jié)約了拆裝時間和降低了工作成本。


圖I是本發(fā)明的結構示意 圖2是圖I結構的仰視 圖3是本發(fā)明另一種結構的示意 圖4、圖5和圖6是現有壓縮式封隔器密封膠筒結構示意 圖7是圖I所示密封膠筒工作時的初始狀態(tài)；
圖8是圖I所示密封膠筒完成對油氣井外套管和內芯密封時的狀態(tài)。
具體實施例方式如圖I和圖2所示(圖I是圖2的A-A剖視圖)，本發(fā)明密封膠筒包括橡膠膠筒5、金屬支撐骨架6，橡膠膠筒5套在金屬支撐骨架6的外側，在橡膠膠筒5的外側套有將橡膠膠筒5包住的聚四氟乙烯或改性填充聚四氟乙烯弓形外套筒4，弓形外套筒4的底部內側為凹槽結構，膠筒5底部形狀與其對應，弓形外套筒4的中間部分為圓弧形(如果弓形外套筒的材料強度在70 IlOMpa，那么圓弧形外套筒的外形尺寸R在25 50mm，內壁R在20 40mm之間,適用于膠筒的尺寸高度在50 120mm),在金屬支撐骨架6的內徑表面設有矩形密封槽9和位于其中的橡膠密封圈7，聚四氟乙烯或改性填充聚四氟乙烯弓形外套筒4的上端設有金屬保護蓋2，保護蓋2的高度為10 15_，金屬保護蓋2部分包住弓形外套筒4的上部，即保護蓋2完全包住弓形外套筒上部外側以及頂部的一部分(二分之一以上)，在金屬支撐骨架6底部外緣上設有凸臺10，凸臺10包住聚四氟乙烯或改性填充聚四氟乙烯弓形外套筒4的下部，在弓形外套筒4和金屬支撐骨架6的底部設有與橡膠膠筒5連通的流道孔
8。為了進一步增加密封膠筒對內芯的密封能力，可做如下改進在金屬支撐骨架6的內側上部設置聚四氟乙烯或改性填充聚四氟乙烯矩形密封圈3，在矩形密封圈3的上面有與其接觸的金屬壓蓋I，金屬壓蓋I的水平底部與金屬支撐骨架6之間的壓縮距為I. 5 2mm。在制備時，對弓形外套筒4進行表面改性處理后與支撐骨架6緊密貼合形成空心腔室，再將橡膠經過高溫高壓壓入空心腔室進行硫化，通過硫化模具一次硫化加工使弓形外套筒4、膠筒5和支撐骨架6粘結制成一體。外套筒設為弓形幾何結構的目的是當受到高壓時，上下結構強度大幅度高于中部弧形部分，通過橡膠的彈性膨脹和外套筒的幾何形變，在高壓力作用下與外套管緊密貼合，達到環(huán)形密封之目的，卸壓時，利用橡膠的回彈力以及聚四氟乙烯或改性填充聚四氟乙烯的低摩擦系數小的特性迅速脫離與外管道的接觸面。弓形外套筒4高出金屬支撐骨架的部分形成壓縮距，在化工部標準HG/T 2701-95《油氣田用壓縮(Ys)式封隔器膠筒》中壓縮距的定義是橡膠膠筒5在座封時，其軸向被壓縮的長度。本實施例中的壓縮距是根據壓縮距的高度體積和環(huán)形體積相等原則計算得出的長度加上該長度1/3的補償值得出。本發(fā)明還可以將金屬保護蓋2設置成全包結構，如圖3所示，即保護蓋2完全包住弓形外套筒上部外側以及頂部。下面以圖I和圖2所示的結構為例，說明本發(fā)明密封膠筒的工作過程如圖7所示，將密封膠筒置于固定墊塊上，墊塊與封隔器的壓縮部件形成壓縮結構，橡膠密封圈7對油氣井內芯進行初始密封并且可以防塵。當密封膠筒受到來自壓縮部件的壓力時，橡膠膠筒5在壓力下膨脹變形，在該變形的作用下，聚四氟乙烯或改性填充聚四氟乙烯弓形外套筒4緊貼油氣井外套管而形成軸向密封，當壓縮部件與金屬壓蓋I接觸后，繼續(xù)下壓，矩形密封圈3變形形成對內芯的密封，直至壓蓋I和金屬支撐骨架6接觸，此時對外套管和內芯的密封完成，如圖8所示。此后，由金屬支撐骨架6和壓蓋I承受來自壓縮部件的壓力，避免膠筒5的橡膠承受過大的壓力而彈性受損，可使膠筒5保持彈性。卸壓后，在橡膠膠筒5的回彈作用下，帶動弓形外套筒4回彈，從而解除密封，使卸壓后密封膠筒與油氣井外套管輕松脫離。由于聚四氟乙烯材料具有耐高溫、耐高壓、強度比橡膠大、靜摩擦系數小且耐腐蝕等特性，可以提高密封面的接觸強度，使密封膠筒滿足壓力為70 105Mpa、溫度為150 200 0C和腐蝕性的惡劣工況使用要求。在前述的實施例中，外套筒和矩形圈是用改性填充聚四氟乙烯制備而成，采用常規(guī)的方法對聚四氟乙烯進行填充以進一步提高聚四氟乙烯的耐壓強度，而改性的目的是使 填充聚四氟乙烯和橡膠膠筒具有較好的粘接性能，可采用常規(guī)化學活化處理、等離子刻蝕輝光照射處理或者輻射接枝處理等方法對填充聚四氟乙烯進行表面改性。
權利要求
1.一種大弧度弓形密封膠筒，包括膠筒(5)、支撐骨架(6)，膠筒(5)套在支撐骨架(6)的外側，其特征在于在膠筒(5)的外側套有將膠筒(5)包住的弓形外套筒(4)，在支撐骨架(6)的內徑表面設有矩形密封槽(9)和位于其中的密封圈(7)，弓形外套筒(4)的上端設有保護蓋(2)，在支撐骨架(6)底部外緣上設有凸臺(10)，凸臺(10)包住弓形外套筒(4)的下部，在弓形外套筒(4)和支撐骨架(6 )的底部設有與膠筒(5 )連通的流道孔(8 )。
2.按照權利要求I所述大弧度弓形密封膠筒，其特征在于支撐骨架(6)的內側上部設有矩形密封圈(3)，在矩形密封圈(3)的上面設有與其接觸的壓蓋(1)，壓蓋(I)的水平底部與支撐骨架(6)之間的壓縮距為I. 5 2mm。
3.按照權利要求I所述大弧度弓形密封膠筒，其特征在于弓形外套筒(4)的底部內側為凹槽結構，膠筒(5)底部形狀與其對應。
4.按照權利要求I所述大弧度弓形密封膠筒，其特征在于弓形外套筒(4)的中間部分為圓弧形。
5.按照權利要求I至4任一所述大弧度弓形密封膠筒，其特征在于弓形外套筒(4)是采用聚四氟乙烯或改性填充聚四氟乙烯制備而成。
6.按照權利要求I或2所述大弧度弓形密封膠筒，其特征在于支撐骨架(6)是由金屬制備而成。
7.按照權利要求I所述大弧度弓形密封膠筒，其特征在于密封圈(7)由橡膠制備而成。
8.按照權利要求2所述大弧度弓形密封膠筒，其特征在于矩形密封圈(3)是由聚四氟乙烯或改性填充聚四氟乙烯制備而成。
9.按照權利要求2所述大弧度弓形密封膠筒，其特征在于所述壓蓋(I)由金屬制備而成。
10.按照權利要求I至4任一所述大弧度弓形密封膠筒，其特征在于對弓形外套筒(4)進行表面改性處理后與支撐骨架(6)緊密貼合形成空心腔室，再將橡膠經過高溫高壓壓入空心腔室進行硫化，通過硫化模具一次硫化加工使弓形外套筒(4)、膠筒(5)和支撐骨架(6)粘結制成一體。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種大弧度弓形密封膠筒，包括膠筒、支撐骨架，膠筒套在支撐骨架的外側，在膠筒的外側套有將膠筒包住的弓形外套筒，在支撐骨架的內徑表面設有矩形密封槽和位于其中的密封圈，弓形外套筒的上端設有保護蓋，在支撐骨架底部外緣上設有凸臺，凸臺包住弓形外套筒的下部，在弓形外套筒和支撐骨架的底部設有與膠筒連通的流道孔，本發(fā)明的密封膠筒可以滿足惡劣工況(壓力70～105Mpa、溫度為150～200℃)的使用要求，適應當前油氣田深井或超深井開采施工的要求，并且支撐骨架保護了膠筒不受損，使得密封膠筒可以多次使用，大幅節(jié)約了拆裝時間和降低了工作成本。
文檔編號E21B33/127GK102787822SQ201110130800
公開日2012年11月21日 申請日期2011年5月20日 優(yōu)先權日2011年5月20日
發(fā)明者盧熠, 秦舒浩 申請人:貴陽高新隆碩氟材料有限公司