CN106522873A - 具有碟簧的胶筒、封隔器和桥塞 - Google Patents
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Abstract
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碟簧的胶筒、封隔器和桥塞。碟簧充当胶筒的上端部，碟簧包括：承压圈环绕而成的安装孔；外侧翅片，各外侧翅片之间设置有第一贯通孔，靠近安装孔的外侧翅片尾端连接于承压圈上，远离安装孔的外侧翅片头端与中间部相抵压，外侧翅片头端倾斜向下朝远离安装孔的方向延伸而致外侧翅片尾端高于外侧翅片头端；当承压圈承受轴向压力时，外侧翅片头端被中间部抵压而在径向方向上向外扩张，当轴向压力加大到第一额定值时，外侧翅片头端与套管相抵压，只需要调整外侧翅片的硬度即可有效地防止肩突的产生。
Description
技术领域
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碟簧的胶筒、封隔器和桥塞。
背景技术
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)。根据发明人的试验，当第一轴向压力为30MPa时，发明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，发明人还发现，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。
发明内容
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，提供一种具有碟簧的胶筒，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，其特征在于，
所述碟簧充当所述上端部，所述碟簧包括：
位于中部的圆形的安装孔，所述安装孔由一承压圈环绕而成；
在所述承压圈周向面上分布的多个外侧翅片，各所述外侧翅片之间设置有第一贯通孔，靠近所述安装孔的外侧翅片尾端连接于所述承压圈上，远离所述安装孔的外侧翅片头端与所述中间部相抵压，所述外侧翅片头端倾斜向下朝远离所述安装孔的方向延伸而致所述外侧翅片尾端高于所述外侧翅片头端；
当所述承压圈承受轴向压力时，所述外侧翅片头端被所述中间部抵压而在径向方向上向外扩张，当所述轴向压力加大到第一额定值时，所述外侧翅片头端与套管相抵压。
优选地，所述碟簧的数量为两个，两个所述碟簧在所述轴向方向上叠压；
其中，位于上端的所述碟簧的所述外侧翅片覆盖住位于下端的所述碟簧的所述第一贯通孔。
优选地，所述外侧翅片头端的下表面为水平面。
优选地，所述承压圈的一部分上表面为水平面。
优选地，所述承压圈上分布有多个在所述轴向方向上贯穿所述承压圈的第二贯穿孔，所述第二贯穿孔与所述安装孔相通；
当所述承压圈承受所述轴向压力时，所述承压圈在所述径向方向上朝靠近所述安装孔的方向扩张，当所述轴向压力加大到第二额定值时，所述承压圈与中心管相抵压。
优选地，所述第二贯穿孔朝远离所述安装孔的方向延伸，与所述外侧翅片相交且贯穿一部分所述外侧翅片。
优选地，所述第二贯穿孔朝远离所述安装孔的方向延伸，且与所述外侧翅片不相交；
所述碟簧的数量为两个，两个所述碟簧在所述轴向方向上叠压；
当叠压时，位于上端的所述碟簧的所述外侧翅片覆盖住位于下端的所述碟簧的所述第一贯通孔，位于上端的所述碟簧的所述第二贯穿孔被位于下端的所述碟簧的所述承压圈封堵住。
优选地，所述第一贯通孔与所述第二贯穿孔均位于所述径向方向上。
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，当承压圈承受轴向压力时，外侧翅片头端被中间部抵压而在径向方向上向外扩张，当轴向压力加大到第一额定值时，外侧翅片头端与套管相抵压。此时外侧翅片将中间部抵压住，只需要调整外侧翅片的硬度即可有效地防止肩突的产生。
2、在一个实施例中，位于上端的碟簧的外侧翅片覆盖住位于下端的碟簧的第一贯通孔。这样，上端的碟簧的外侧翅片就限制了中间部从下端的碟簧的第一贯通孔向上凸起的长度，能够防止该凸起破裂。
附图说明
后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本申请的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。附图中：
图1是本申请一个实施例的包含胶筒的压缩式封隔器与中心管及套管的位置关系示意图；
图2是现有技术中一个胶筒的结构示意图；
图3是现有技术的胶筒与中心管及套管的位置关系示意图，其中仅示出了一部分胶筒、中心管及套管；
图4示出了图3所示的胶筒被施加第一轴向压力或第二轴向压力后产生的肩突结构示意图；
图5是本申请一个实施例的碟簧的结构示意图；
图6是本申请另一个实施例的碟簧的结构示意图；
图7是本申请再一个实施例的碟簧的结构示意图。
图中的附图标记如下：
10-胶筒，101-外表面，102-内表面，103-通孔，104-上端部，105-中间部，106-下端部，107-肩突；
20-碟簧，201-安装孔，202-承压圈，203-外侧翅片，204-外侧翅片尾端，205-外侧翅片头端，206-第一贯通孔，207-第二贯穿孔；
30-中心管；
40-套管；
50-刚性隔环；
200-压缩式封隔器；
300-热采井口；
A-第一轴向方向；
B-第二轴向方向；
F1-第一轴向压力；
F2-第二轴向压力。
具体实施方式
下文所述的方向“上”、“下”均是以图2作为参考叙述的。
如图1所示的压缩式封隔器200具有本申请的胶筒10。压缩式封隔器200连接于中心管30上并置于套管40内。压缩式封隔器200需要在井筒中把不同的油层、水层分隔开并承受一定压差，要求既能下到井筒预定位置，封隔严，又能在井下具有耐久性，需要时可顺利起出。
如图2所示，胶筒10整体为筒状，胶筒10具有位于中心的通孔103，该通孔103由内表面102限定而形成，外表面101位于与内表面102相对应的通孔103的外侧处。当第一轴向压力F1沿第一轴向方向A作用于上端部104或第二轴向压力F2沿第二轴向方向B作用于下端部106时，胶筒10整体将被轴向压缩而进行径向扩张(与“在径向方向的发生形变”具有相同的含义)，促使外表面101向外凸起并且内表面102向内凸起。
如图3所示，胶筒10位于套管40和中心管30组成的环形空隙内，刚性隔环50在轴向方向上提供自上而下(即第一轴向方向A)的第一轴向压力F1，在其它实施例中还可以去掉刚性隔环50并由能对胶筒10施加第一轴向压力F1的其它部件来代替。上端部104用于直接承受沿轴向方向的第一轴向压力F1，下端部106用于直接承受沿轴向方向的与第一轴向压力F1相反的第二轴向压力F2。作为胶筒10的一部分，上端部104、下端部106和中间部105均应该具有弹性。作为对弹性的一种解释及弹性大小的限定，当第一轴向压力F1施加于上端部104时，上端部104、中间部105及下端部106均在径向方向发生形变；当第二轴向压力F2施加于下端部106时，上端部104、中间部105及下端部106均在径向方向发生形变。在施加第一轴向压力F1后或者在施加第二轴向压力F2后，内表面102与中心管30密封，外表面101与套管40密封。一般地，内表面102与中心管30之间的空隙较小(几乎相互贴合)，而外表面101与套管40之间的间隙较大，且中心管30和套管40分别将内表面102和外表面101的最大的凸起大小进行了限定，所以导致外表面101向外凸起的程度大于内表面102向内凸起的程度。
如图4所示，当上端部104受到第一轴向压力F1时，上端部104会产生肩突107，当再施加第二轴向压力F2时，上端部104会在图3中的肩突107处发生割裂。或者，上端部104虽然在受到第一轴向压力F1时不产生肩突107，但当再施加第二轴向压力F2时产生肩突107，受材料延伸性及刚性隔环50剪切的作用，肩突107非常容易割裂。
下面来叙述本申请减少或防止肩突107的结构设计。
本申请使用碟簧20来充当充当图2和图3所示的上端部104。
在一个实施例中，碟簧20包括：
位于中部的圆形的安装孔201，安装孔201由承压圈202环绕而成。安装孔201用于套设在中心管30上。
在承压圈202周向面上分布的多个外侧翅片203，各外侧翅片203之间设置有第一贯通孔206。第一贯通孔206将各个外侧翅片203间隔开来。外侧翅片203包括尾端、头端以及它们之间的中间部分。靠近安装孔201的外侧翅片尾端204连接于承压圈202上，远离安装孔201的外侧翅片头端205与中间部105相抵压，外侧翅片头端205倾斜向下朝远离安装孔201的方向延伸而致外侧翅片尾端204高于外侧翅片头端205。
当承压圈202承受轴向压力时，外侧翅片头端205被中间部105抵压而在径向方向上向外扩张，当轴向压力加大到第一额定值时，外侧翅片头端205与套管40相抵压。此时外侧翅片203将中间部105抵压住，只需要调整外侧翅片203的硬度即可有效地防止肩突107的产生。并且，在轴向压力消失后，碟簧20整体在轴向方向朝上弹起，外侧翅片头端205在径向方向上向内收缩，有利于将图3所示的胶筒10从套管40内起出。在一个实施例中，碟簧20为金属材质来增加强度，还可以在外侧翅片头端205上包覆有银或紫铜来增加与套管40的贴合度。
如图5所示，由于外侧翅片203之间具有第一贯通孔206，为了防止在施加轴向压力时中间部105从第一贯通孔206凸起破裂，在一个实施例中设置两个碟簧20，这两个碟簧20在轴向方向上相互叠压。位于上端的碟簧20的外侧翅片203覆盖住位于下端的碟簧20的第一贯通孔206。这样，上端的碟簧20的外侧翅片203就限制了中间部105从下端的碟簧20的第一贯通孔206向上凸起的长度，能够防止该凸起破裂。
考虑到中间部105的上表面为水平面，在一个实施例中，外侧翅片头端205的下表面为水平面。这样能够防止外侧翅片头端205刺穿中间部105。或者在图5所示的外侧翅片头端205处设置在水平方向延伸的外沿，用外沿与中间部105抵压，也能够在施加轴向压力时防止中间部105被刺穿。
参见图3和图4，考虑到一般地使用刚性隔环50的水平的下表面对承压圈202施压，在一个实施例中，承压圈202的一部分上表面为水平面，这可以增加刚性隔环50的施压面积防止碟簧20被压裂。
在图6所示实施例中，承压圈202上分布有多个在轴向方向上贯穿承压圈202的第二贯穿孔207，第二贯穿孔207与安装孔201相通，这使承压圈202形成为与多个外侧翅片203相对应的多个内侧翅片。
当承压圈202承受轴向压力时，承压圈202或者说内侧翅片在径向方向上朝靠近安装孔201的方向扩张，当轴向压力加大到第二额定值时，承压圈202与中心管30相抵压。该结构能防止中间部105在靠近中心管30处产生向上的凸起。并且，在轴向压力消失后，碟簧20整体在轴向方向朝上弹起，承压圈202或者说内侧翅片在径向方向上向外(远离安装孔201的方向)收缩，有利于将图3所示的胶筒10与中心管30的分离。
通过调节第二贯穿孔207的大小，可以调节在额定轴向压力下承压圈202的下移程度，从而调节承压圈202与中心管30的间隙。在一个实施例中，第二贯穿孔207朝远离安装孔201的方向延伸，第二贯穿孔207与外侧翅片203相交且贯穿一部分外侧翅片203，此时在额定轴向压力下承压圈202与中心管30相抵压、外侧翅片头端205与套管40相抵压。
如图6所示，第一贯通孔206与第二贯穿孔207均位于径向方向上，且相互间隔排列。由于第一贯通孔206与第二贯穿孔207均较长，两个图6所示的碟簧20叠加时，在上的碟簧20的第二贯穿孔207难免与在下的碟簧20的第一贯通孔206相重合，无法限制中间部105从第一贯通孔206、第二贯穿孔207向上凸起的长度。所以在如图7所示实施例中，第二贯穿孔207朝远离安装孔201的方向延伸，且与外侧翅片203不相交。当两个如图7所示的碟簧20在轴向方向上叠压时，就可以通过转动上端的碟簧20来达到如下状态：当叠压时，位于上端的碟簧20的外侧翅片203覆盖住位于下端的碟簧20的第一贯通孔206，位于上端的碟簧20的第二贯穿孔被位于下端的碟簧20的承压圈202封堵住，限制了中间部105从第一贯通孔206、第二贯穿孔207向上凸起的长度。
本申请还提供一种封隔器，该封隔器具有上述技术方案之一所限定的胶筒10。
本申请还提供一种桥塞，该桥塞具有上述技术方案之一所限定的胶筒10。
至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本申请的多个示例性实施例，但是，在不脱离本申请精神和范围的情况下，仍可根据本申请公开的内容直接确定或推导出符合本申请原理的许多其他变型或修改。因此，本申请的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。
Claims (10)
1.一种具有碟簧的胶筒(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，
所述碟簧(20)充当所述上端部(104)，所述碟簧(20)包括：
位于中部的圆形的安装孔(201)，所述安装孔(201)由一承压圈(202)环绕而成；
在所述承压圈(202)周向面上分布的多个外侧翅片(203)，各所述外侧翅片(203)之间设置有第一贯通孔(206)，靠近所述安装孔(201)的外侧翅片尾端(204)连接于所述承压圈(202)上，远离所述安装孔(201)的外侧翅片头端(205)与所述中间部(105)相抵压，所述外侧翅片头端(205)倾斜向下朝远离所述安装孔(201)的方向延伸而致所述外侧翅片尾端(204)高于所述外侧翅片头端(205)；
当所述承压圈(202)承受轴向压力时，所述外侧翅片头端(205)被所述中间部(105)抵压而在径向方向上向外扩张，当所述轴向压力加大到第一额定值时，所述外侧翅片头端(205)与套管(40)相抵压。
2.根据权利要求1所述的胶筒(10)，其特征在于，
所述碟簧(20)的数量为两个，两个所述碟簧(20)在所述轴向方向上叠压；
其中，位于上端的所述碟簧(20)的所述外侧翅片(203)覆盖住位于下端的所述碟簧(20)的所述第一贯通孔(206)。
3.根据权利要求1所述的胶筒(10)，其特征在于，
所述外侧翅片头端(205)的下表面为水平面。
4.根据权利要求1所述的胶筒(10)，其特征在于，
所述承压圈(202)的一部分上表面为水平面。
5.根据权利要求1所述的胶筒(10)，其特征在于，
所述承压圈(202)上分布有多个在所述轴向方向上贯穿所述承压圈(202)的第二贯穿孔(207)，所述第二贯穿孔(207)与所述安装孔(201)相通；
当所述承压圈(202)承受所述轴向压力时，所述承压圈(202)在所述径向方向上朝靠近所述安装孔(201)的方向扩张，当所述轴向压力加大到第二额定值时，所述承压圈(202)与中心管(30)相抵压。
6.根据权利要求5所述的胶筒(10)，其特征在于，
所述第二贯穿孔(207)朝远离所述安装孔(201)的方向延伸，与所述外侧翅片(203)相交且贯穿一部分所述外侧翅片(203)。
7.根据权利要求5所述的胶筒(10)，其特征在于，
所述第二贯穿孔(207)朝远离所述安装孔(201)的方向延伸，且与所述外侧翅片(203)不相交；
所述碟簧(20)的数量为两个，两个所述碟簧(20)在所述轴向方向上叠压；
当叠压时，位于上端的所述碟簧(20)的所述外侧翅片(203)覆盖住位于下端的所述碟簧(20)的所述第一贯通孔(206)，位于上端的所述碟簧(20)的所述第二贯穿孔(207)被位于下端的所述碟簧(20)的所述承压圈(202)封堵住。
8.根据权利要求5所述的胶筒(10)，其特征在于，
所述第一贯通孔(206)与所述第二贯穿孔(207)均位于所述径向方向上。
9.一种封隔器，其特征在于，包括权利要求1-8之一所述的胶筒(10)。
10.一种桥塞，其特征在于，包括权利要求1-8之一所述的胶筒(10)。
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