CN105201445A - 用于封隔器的胶筒以及封隔器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于封隔器的胶筒以及封隔器。该用于封隔器的胶筒包括，弹性筒体,包裹在筒体的周向侧壁上的刚性支撑件，支撑件使筒体形成多个间隔开的膨胀区，其中，沿筒体的轴向向筒体的端部施加压力，多个膨胀区能够彼此独立地径向向外膨胀。一种封隔器，其包括用于封隔器的胶筒。通过本发明的胶筒适用于钻井、完井等作业，结构简单，适用井径范围广，能够显著提高工具的入井安全性和密封可靠性。

Description

用于封隔器的胶筒以及封隔器

技术领域

本发明涉及一种石油钻完井领域的井下作业工具，特别是一种封隔器。

背景技术

胶筒是封隔器的主要元件，其作用是对井内的环空进行封隔。胶筒包裹在封隔器外，在封隔器使用时，封隔器螺纹连接于两根套管之间，随套管一起下入到指定位置。在座封时，向封隔器外的胶筒的端部施压，胶筒压缩膨胀，其外壁与井壁紧密贴合，实现座封。两个座封后的封隔器之间能形成封闭的环空，本领域的技术人员能够在封闭的环空内进行开采、测试、注水、酸化和压裂等井下作业。

现有技术中，常见的组合成封隔器的胶筒有单胶筒或由单胶筒组合而成的多胶筒。单胶筒一般长度较短，因而使用单胶筒的封隔器的有效封隔长度较短，难以实现对大环空的封隔。加长后的单胶筒在座封时容易产生褶皱，不能提供足够的与井壁和套管之间的接触应力，容易导致密封失效。使用多胶筒的封隔器能够提高有效密封长度，但是由于胶筒间通过隔离环传递压缩力，这种结构容易因隔离环与胶筒之间的摩擦或错位等原因导致压缩力耗损，不能保证全部胶筒与套管和井壁之间都具有相同的接触应力。在下入井内的过程中，多个胶筒之间有翻转、脱落等风险，造成井下作业失败，并且会影响其它作业的进行。而且多个胶筒之间容易产生挤压，从而造成胶筒的提前座封。因此，现有技术中的使用单胶筒和多胶筒的封隔器均不能实现对大环空的有效封隔。

因此，需要一种能够有效实现封隔作用的封隔器。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种用于封隔器的胶筒，通过这种胶筒，能够实现有效封隔作用。本发明还提出了一种包括这种胶筒的封隔器。

根据本发明的第一方面，提出了一种用于封隔器的胶筒，包括，弹性筒体,包裹在筒体的周向侧壁上的刚性支撑件，支撑件使筒体形成多个间隔开的膨胀区，其中，沿筒体的轴向向筒体的端部施加压力，多个膨胀区能够彼此独立地径向向外膨胀。

通过这种胶筒，能够有效实现对环空的封隔作用。胶筒包裹在封隔器之外，在使用时，胶筒与封隔器一起随着套管下入井内。在座封时，施加于筒体端部的压力能够使筒体压缩变形，筒体的长度变小，筒壁变厚，从而筒体与井壁紧密贴合而实现座封。筒体的与井壁贴合的长度称为有效封隔长度。在筒体上设置了支撑件之后，使筒体形成多个间隔开的膨胀区，使每个膨胀区的长度适宜，从而在膨胀区膨胀时，膨胀区不会产生褶皱，对于较长的筒体也是如此。在不产生褶皱的情况下，这些膨胀区会彼此独立地膨胀，并且膨胀后的膨胀区能够向封隔筒与井壁之间的缝隙中充分伸展，从而使相邻膨胀区之间能够相互接触、挤压，从而相对于没有支撑件的筒体而言，显著增加了有效封隔长度，确保胶筒具有良好的封隔效果。另外，刚性支撑件是刚性的，在座封时，保证支撑件不发生明显变形，从而防止膨胀区在膨胀时产生褶皱，并能够防止因相邻膨胀区与支撑件相互挤压而导致的膨胀区相互层叠。

在一个实施例中，筒体的周向侧壁上设置有嵌入槽，支撑件嵌入到嵌入槽内。在一个优选的实施例中，嵌入槽的深度与膨胀区的厚度比为1:2～2:3。这种结构的嵌入槽保持了筒体的完整性，从而在座封时，有助于使施加在筒体端部的压力传递。与多胶筒相比，本发明的结构十分有效地避免了在座封时因支撑件的变形和错位导致的压力传递的耗损和不均匀。同时，筒体仍保持为一个整体，在下入到井内时，能够防止筒体的翻转和脱落，方便了施工。

在一个实施例中，支撑件的外径大于筒体的外径。由于支撑件凸出到筒体的外表面之外，因此在将封隔器下入井内的过程中，一旦封隔器发生晃动，支撑件会首先碰到井壁并且使封隔器快速复位，实现了对封隔器的扶正作用。另外，在封隔器发生晃动时，支撑件还防止了筒体碰到井壁，进而避免了筒体被井壁划伤，对筒体起到保护作用。

在一个实施例中，膨胀区的轴向长度与支撑件的宽度比为2:1～3:1。膨胀区的长度适中，这样既能够保证在封隔器座封时，膨胀区不会产生褶皱，也能够保证胶筒具有足够的有效封隔长度，从而膨胀区的轴向长度与支撑件的宽度比的设置能够进一步实现胶筒对环空的有效封隔。特别是在对间隙较大的环空进行封隔时，这一结构会对封隔是否成功产生决定性的影响。

在一个实施例中，在每个膨胀区内沿轴向设置有骨架。优选地，骨架的刚度大于相应膨胀区的刚度，骨架为金属骨架。由于金属骨架的刚度大于膨胀区(或筒体)的刚度并且能承受比筒体更高的温度，因此在井下座封时，骨架随相应的膨胀区的膨胀而发生弯曲变形，由于井下的高温条件不能使金属骨架的刚度降低，因而骨架能够起到对相应膨胀区的支撑作用，从而确保了膨胀区与井壁之间保持足够的接触应力，进而保证了封隔器的封隔效果。此外，骨架能够进一步防止每个膨胀区在膨胀时发生褶皱，从而进一步保证了胶筒具有较长的有效封隔长度，对环空的封隔起到了显著的作用。

在一个实施例中，在每个膨胀区的内壁的骨架的径向投影区内构造有环形槽。这种环形槽使得膨胀区容易变形，从而在施加轴向压力时，膨胀区从设置有环形槽的位置开始向外凸出变形。由于每个膨胀区都能从设置有相应环形槽的位置开始相互独立地变形，从而使整个筒体的变形更加均匀，进一步增大了胶筒的有效封隔能力，进而有助于准确而有效地封隔地层。

在一个实施例中，在筒体的端部包裹有防凸环。在封隔器座封时和座封后，防凸环均能包裹并防止端部的橡胶挤出而产生肩凸现象，从而防止在胶筒两端存在压差的情况下，筒体端部的橡胶变形过大而导致撕裂。另外，由于防凸环包裹在筒体的端部，因此防凸环的外径大于筒体的外径。在胶筒下入井内的过程中，在胶筒发生晃动，或是经过凹凸不平的井壁时，防凸环会首先接触到井壁，从而防止了筒体与井壁接触，进而防止了筒体的划伤。因此，防凸环对筒体起到了保护作用。

根据本发明的第二方面，提出了一种封隔器，其包括上述胶筒。通过这种封隔器能够实现对环空的有效封隔，甚至能够实现对大环空的有效封隔，极大地方便本领域技术人员的井下作业。

与现有的技术相比，本发明的优点在于：(1)在筒体上设置了支撑件之后，使得筒体形成多个间隔开的膨胀区。在筒体膨胀时，这些膨胀区会彼此独立地膨胀，膨胀后的膨胀区之间不会出现相互挤压的状况，从而在筒体膨胀时不会产生褶皱，对于较长的筒体也是如此。在筒体不产生褶皱的情况下，筒体会充分伸展，从而相对于没有支撑件的筒体而言，显著增加了有效封隔长度，确保胶筒具有良好的封隔效果。(2)由于筒体为整体式设计，相对于多胶筒来说，本发明的胶筒不存在相互挤压的问题，能够有效防止胶筒的提前座封。(3)刚性支撑件是不可变形的，这样能够防止膨胀后的膨胀区相互层叠。(4)这种胶筒适用于钻井、完井等作业，结构简单，适用井径范围广，能够显著提高工具的入井安全性和密封可靠性。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1是根据本发明的用于封隔器的胶筒的结构示意图；

图2是根据本发明的用于封隔器的胶筒的座封前的结构示意图；

图3是根据本发明的用于封隔器的胶筒的座封后的结构示意图。

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

图1示意性地显示了用于封隔器的胶筒10(以下简称胶筒10)的整体结构。胶筒10包括中空的弹性筒体13和包裹在筒体13的周向侧壁上的若干个支撑件，在图1中示意性地显示了两个支撑件14a和14b。筒体13可选用硬度较高的橡胶，保证筒体13不会在高温高压条件下产生变软，导致与井壁50(见图2)的接触应力下降。

多个支撑件将筒体13分成多个膨胀区，如图1中的膨胀区31a、31b和31c。在封隔器40(见图2)座封时，在筒体13的端部11和/或12上施加压力，这些膨胀区能够彼此独立地膨胀，由于相邻膨胀区被支撑件隔开，因而膨胀区长度适宜，膨胀时不会产生褶皱。在不产生褶皱的情况下，膨胀后的膨胀区能够向封隔筒与井壁之间的缝隙中充分伸展，从而使相邻膨胀区之间能够相互接触、挤压，从而显著增加了封隔器40的有效封隔长度，达到了良好的封隔效果，对于较长的筒体13(或封隔器40)更是如此。本领域的技术人员可以理解地是，对于长度较短的弹性筒体13，也可以在其中部设置仅一个支撑件，在这种情况下，仅存在有两个隔开的膨胀区，这里不再赘述。

优选地，支撑件14a和14b是刚性的，例如可使用合金钢。刚性的支撑件不易发生明显变形，能防止膨胀区在膨胀时产生褶皱，并能够防止因相邻膨胀区与支撑件相互挤压而导致的膨胀区相互层叠。

为了使支撑件牢固地安装在筒体13上，在筒体13的周向侧壁上构造有嵌入槽，支撑件则嵌入到相应的嵌入槽中。在图1所示的实施例中，筒体13的周向侧壁上构造有嵌入槽32a和32b，支撑件14a嵌入到嵌入槽32a中，支撑件14b嵌入到嵌入槽32b中。

下面以嵌入槽32a、支撑件14a和膨胀区31b为例进行描述。嵌入槽32a的深度与膨胀区31b的厚度比为1:2～2:3。这种结构使得筒体13仍为一个整体，在下入到井内时，能够防止筒体13的翻转和脱落，方便了施工。此外，嵌入槽和支撑件的设置方式使得在封隔器40座封时，作用在筒体端部的压力会均匀而有效地传递。

支撑件14a凸出到筒体13之外。在将封隔器40下入到井中时，如果封隔器40发生晃动，支撑件14a将首先接触到井壁50，从而使封隔器40复位，从而实现了对封隔器40的扶正作用。另外，支撑件14a还能防止筒体13(或膨胀区31b)接触到井壁50，从而防止了筒体13被井壁50划伤，起到了保护筒体13的作用。

膨胀区31b的轴向长度L与支撑件14a的宽度W的比值为2：1～3：1。膨胀区31b和支撑件41a的这种尺寸保证了，一方面在封隔器40座封时，进一步防止筒体13产生褶皱和撕裂，另一方面能够保证封隔器40的有效封隔长度。

在膨胀区31a、31b和31c内沿轴向设置有相应的骨架15a、15b和15c。这里针对膨胀区31b、骨架15b为例进行描述。在一个优选的实施例中，骨架15b的刚度大于相应膨胀区31b的刚度，例如骨架15b为耐高温金属骨架。骨架15b能够支撑膨胀区31b。由于下入到井中的封隔器40处于高温的环境中，筒体13容易软化而产生进一步变形，使得封隔器40容易脱落，进而导致座封失效。在设置了骨架15b后，骨架15b能够保证膨胀区31b不在高温作用下发生进一步变形而是与井壁50保持贴合状态。这样能够使膨胀区31b与井壁50之间保持足够的接触应力，从而进一步保证了封隔器40的封隔效果。

在骨架向相应的膨胀区的内壁上的相应径向投影区内构造有环形槽，也就是说，环形槽处于膨胀区的内壁上，并且处于投影区内。如图1所示的那样，胶筒10的投影区311a位于膨胀区31a内，并于投影区311a内设置有环形槽33a，投影区311b位于膨胀区31b内，并于投影区311b内设置有环形槽33b，投影区311c位于膨胀区31c内，并于投影区311c内设置有环形槽33c。

下面将针对骨架15b、膨胀区31b、投影区311b和相应的环形槽33b进行描述。环形槽33b的深度优选为小于膨胀区31b的厚度的1/3。这种环形槽33b使得膨胀区31b更容易变形。在封隔器40座封时，膨胀区31b会从构造有环形槽33b的位置开始变形，由于每一个独立膨胀的膨胀区都能从设置有相应环形槽的位置开始变形，从而使筒体的变形更加均匀，使封隔器40能有效封隔环空。这里应注意地是，环形槽33b和骨架15b均设置为不影响胶筒10的整体性的结构。还应理解地是，环形槽33b的数量可以为多个，使得膨胀区31b易于膨胀。

另外，筒体13的端部11和12上分别包裹有防凸环16a和16b。下面将以防凸环16a和端部11为例，对这种结构进行说明。防凸环16a的外径比端部11的外径大。防凸环16a能起到对端部11变形的限制作用，从而能有效防止端部11在井内的高压环境中进一步膨胀而产生肩凸现象，进而能够延长胶筒10的使用寿命。另外，防凸环16a还能在封隔器40下入井内的过程中，封隔器40发生晃动时，或是经过凹凸不平的井壁50时，能够率先与井壁50接触，从而能防止筒体13与井壁50发生接触而产生划伤。

防凸环16a用具有一定强度和延展性的金属材料制成，能够随着端部11的压缩变形而胀开。另外，还能将端部11设置为硬度更高的橡胶，以保证筒体13的强度，从而进一步延长胶筒10的使用寿命。

支撑件、骨架和防凸环均与筒体13硫化在一起，并设置为不影响筒体13的整体性的结构，以增大胶筒10的强度。

支撑件14b、膨胀区31a和31c、端部12、嵌入槽32b、骨架15a和15c、投影区311a和311c、环形槽33a和33c以及端部12均与上述特征的结构和工作原理相同，这里不再赘述。

图2和图3示意性地显示了胶筒10在座封前和座封后的结构。胶筒10包裹在封隔器40之外，封隔器40与套管螺纹连接。封隔器30随套管一起下入到井中，胶筒10与井壁50之间存在缝隙，如图2所示。在此过程中，防凸环和支撑件均能够够扶正封隔器40，并能防止筒体13被划伤。在座封时，在筒体13的端部11和/或12上施加压力，使得膨胀区的长度变小，筒壁变厚，直到这些膨胀区的外壁与井壁50贴合、压实，对封隔器40与井壁50以及套管与井壁50之间的环空实现封隔作用，如图3所示。在封隔器40的座封过程中，骨架与防凸环随相应膨胀区的膨胀而发生变形。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (10)

1.一种用于封隔器的胶筒，包括，

弹性筒体,

包裹在所述筒体的周向侧壁上的刚性支撑件，所述支撑件使所述筒体形成多个间隔开的膨胀区，

其中，沿所述筒体的轴向向所述筒体的端部施加压力，所述多个膨胀区能够彼此独立地径向向外膨胀。

2.根据权利要求1所述的胶筒，其特征在于，所述筒体的周向侧壁上设置有嵌入槽，所述支撑件嵌入到所述嵌入槽内。

3.根据权利要求2所述的胶筒，其特征在于，所述支撑件的外径大于所述筒体的外径。

4.根据权利要求2或3所述的胶筒，其特征在于，所述嵌入槽的深度与所述膨胀区的厚度比为1:2～2:3。

5.根据权利要求1到4中任一项所述的胶筒，其特征在于，所述膨胀区的轴向长度与所述支撑件的宽度比为2:1～3:1。

6.根据权利要求1到5中任一项所述的胶筒，其特征在于，在每个所述膨胀区内沿轴向设置有塑性骨架。

7.根据权利要求6所述的胶筒，其特征在于，所述骨架的刚度大于相应膨胀区的刚度，优选地，所述骨架为金属骨架。

8.根据权利要求6或7所述的胶筒，其特征在于，在每个所述膨胀区的内壁的所述骨架的径向投影区内构造有环形槽。

9.根据权利要求1到8中任一项所述的胶筒，其特征在于，在所述筒体的端部包裹有防凸环。

10.一种封隔器，其包括根据权利要求1到9中任一项所述的胶筒。