CN107044269A - 一种可重复利用的耐高压封隔器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于油田井下工具领域,尤其涉及一种可重复利用的耐高压封隔器,本发明提供了一种可重复利用的耐高压封隔器,包括中心管、胶筒和胶筒护套,所述的中心管的两端结构相同,中心管上对称设置有两个凹槽段,凹槽段上设置有凹槽组,两个凹槽段之间的区段沿轴向排布有至少两组窄缝,所述的胶筒的两端在两个凹槽段对应范围内与中心管硫化成一体,所述的胶筒护套通过螺纹连接在中心管上并罩在与中心管上的凹槽段对应的一段胶筒的外部。本发明将胶筒与中心管硫化成一体,并对胶筒结构进行了重新设计,不但提高了封隔器的承压能力,也简化了封隔器的结构,减少了零件数量,降低了封隔器的制造成本。

Description

一种可重复利用的耐高压封隔器
技术领域
本发明属于油田井下工具技术领域,尤其涉及一种可重复利用的耐高压封隔器。
背景技术
压裂工艺是在油田开采时常用的一种增产工艺。压裂是指采油或采气过程中,利用水力作用,使油气层形成裂缝的一种方法。当把油层压出许多裂缝后,加入支撑剂(如石英砂等)充填进裂缝,提高油气层的渗透能力,以增加产油量。膨胀式封隔器是压裂过程中常用的一种井下工具,由于封隔器在压裂工艺中的工作压力大大高于在其它工艺中的工作压力,因此对封隔器的承压能力、稳定性和可靠性均提出了较高的要求。
胶筒组件是封隔器的主要功能部件,对封隔器的承压能力起决定性作用。现有技术中的膨胀式封隔器的胶筒组件通常由胶筒和硫化连接在胶筒两端的两个接头组成,这种结构的胶筒在承受高压时容易发生胶筒与接头脱离失效的问题。另外,这种胶筒组件需要另置中心管以及其它相关零件进行装配固定,零部件数量多,因此加工成本高。
另外,封隔器工作时,常常需要在井下停留数月甚至一年以上,而现有的钢制封隔器在井下长时间安装后会被严重锈蚀,不但难以拆卸更换胶筒,而且各关键结构的尺寸精度也不能保证,因此,现有的封隔器大多只能使用一次,不能重复利用,进而导致封隔器的应用成本居高不下。
发明内容
本发明通过改变阀系的布置方式,提供一种可重复利用的耐高压封隔器,以解决上述背景技术中提出的问题。
本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现:本发明提供了一种可重复利用的耐高压封隔器,包括中心管、胶筒和胶筒护套,所述的中心管和胶筒护套均包含碳纤维复合材料,其中,中心管的结构包括钢制基体,由所述的碳纤维复合材料构成的碳纤维复合层包覆在钢制基体的外侧,在碳纤维复合层内,所有碳纤维束均沿中心管的长度方向布置,所述的胶筒护套内的碳纤维束共有两层,内层的碳纤维束的长度方向与中心管的轴线方向一致,外层的碳纤维束螺旋缠绕在内层碳纤维束的外侧,所述的各碳纤维束之间均通过环氧树脂粘结而成;所述的中心管的两端结构相同,中心管上对称设置有两个凹槽段,凹槽段上设置有凹槽组,两个凹槽段之间的区段沿轴向排布有至少两组窄缝,各组窄缝沿中心管的长度方向排列,每组窄缝中的各条窄缝相互平行且交错排列,所述的胶筒的两端在两个凹槽段对应范围内与中心管硫化成一体,所述的胶筒护套通过螺纹连接在中心管上并罩在与中心管上的凹槽段对应的一段胶筒的外部,所述的胶筒内设置有用于增加胶筒结构强度的骨架层,骨架层包括由芳纶线斜向交叉织成的周向无断口的环形网结构,将胶筒沿轴线方向切开并平铺后,芳纶线与胶筒的轴线的夹角为15°,所述的胶筒内与凹槽段位置相对应的骨架层区段上设置有至少一个钢丝环,所述的芳纶线依次缠绕在所有钢丝环上,所述的胶筒由氢化丁腈橡胶制成,所述的中心管上的螺纹和凹槽均通过模具成型的方式进行加工;所述的环氧树脂内添加有用于改善环氧树脂强度的玄武岩短纤维。
所述的凹槽组由至少三个横截面为矩形的环形凹槽和对称布置的两组螺旋状凹槽组成,每组螺旋状凹槽均由两条相互交叉的螺旋状凹槽组成,环形凹槽的槽底与螺旋状凹槽的槽底在同一圆柱面上。
所述的环形凹槽的深度为3mm,所述的环形凹槽的槽顶设置有圆角,圆角的半径为1—1.5mm。所述的窄缝的长度方向与本封隔器的轴线方向平行,窄缝的长度不大于30mm,窄缝的宽度小于0.25mm,每组窄缝均由至少三条窄缝环形均匀分布组成。
本发明的有益效果为:
1、本发明将胶筒与中心管硫化成一体,并对胶筒结构进行了重新设计,不但提高了封隔器的承压能力,也简化了封隔器的结构,减少了零件数量,降低了封隔器的制造成本。
2、本发明中的中心管和胶筒护套均采用碳纤维制成,与传统的钢制结构相比,碳纤维具有防锈、质轻、耐腐蚀等诸多优异的性能,封隔器长时间使用后,中心管和胶筒护套仍然不会腐蚀损坏,也不会锈死,从而使得封隔器可重复利用,节省封隔器的使用成本。
附图说明
图1是本发明的结构示意图;
图2是胶筒的平面展开结构示意图;
图3是中心管凹槽段的结构示意图;
图4是图3中A处的局部放大结构示意图。
图中,1-中心管,2-胶筒护套,3-钢丝环,4-胶筒,5-窄缝,6-芳纶线,7-环形凹槽,8-螺旋状凹槽,9-圆角,10-钢制基体。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步描述:
本实施例包括中心管、胶筒4和胶筒护套2。
所述的中心管和胶筒护套2均包含碳纤维复合材料,与钢材相比,碳纤维复合材料在满足封隔器基本使用性能的前提下,还具有防锈、质轻、耐腐蚀等优异性能,及时长时间处于井下恶劣环境中,也能轻松拆卸并且零件的尺寸精度不会受损,从而使得封隔器可以多次重复利用,降低使用封隔器时投入的成本。
在本发明中,中心管的结构包括钢制基体10,由所述的碳纤维复合材料构成的碳纤维复合层1包覆在钢制基体10的外侧,由于中心管主要承受的是沿长度方向的拉应力,因此,在碳纤维复合层1内,所有碳纤维束均沿中心管的长度方向布置。
所述的胶筒护套2内的碳纤维束共有两层,内层的碳纤维束的长度方向与中心管的轴线方向一致,内层的碳纤维束通过环氧树脂粘结成胶筒护套2的内层结构,外层的碳纤维束螺旋缠绕在内层碳纤维束的外侧,外层的碳纤维束通过环氧树脂粘结成胶筒护套2的外层结构。两层炭纤维束使得胶筒护套2在轴向和周向两个方向均可获得足够的强度,从而保证胶筒护套2不会沿碳纤维束之间的缝隙开裂。
所述的各碳纤维束之间均通过环氧树脂粘结而成,为保证螺纹结构和凹槽结构具有足够的抗剪强度,需要在所述的环氧树脂内添加用于改善环氧树脂强度的玄武岩短纤维。同时,螺纹和凹槽结构均需要通过模具成型的方式进行加工,而不能通过机加工手段进行加工,因为机械加工会切断碳纤维束,破坏碳纤维的完整性,从而导致零件的强度大打折扣。
还需要说明的是,与传统的机械加工方式相比,采用模具成型的方式生产封隔器零件,零件的加工效率会成倍提高,从而有效提高封隔器的整体加工效率。
所述的中心管的两端结构相同,中心管上对称设置有两个凹槽段,凹槽段上设置有凹槽组。两个凹槽段之间的区段沿轴向排布有至少两组窄缝5,窄缝5的作用是保证过液的同时筛除沙砾,防止因泥沙淤积在胶筒4与中心管之间而导致胶筒4不能完全复位,进而导致胶筒4在起下井过程中磨损加速的问题。
本发明设置了至少两组窄缝5,各组窄缝5沿中心管的长度方向排列。与设置一组相同过液能力的较长的窄缝5相比,在保证过液能力的同时,减小了窄缝5的长度。事实上,由于窄缝5的存在,窄缝5所在的区段变成了中心管的强度短板,减小窄缝5的长度有利于从力学结构上减少窄缝带来的强度损失,尤其有利于改善中心管的抗弯强度和抗扭强度。每组窄缝5中的各条窄缝5相互平行且交错排列,与非交错排列相比,可进一步改善中心管的抗弯性能和抗扭性能。
通常,中心管的厚度为6—8mm,直径为60—70mm,实验表明,在这两个数值范围内,窄缝5的长度大于30mm时,强度的下降趋势开始趋于明显,因此,窄缝5的长度最好不大于30mm。压裂时,直径小于0.5mm的沙粒极少,因此,将窄缝5的宽度设置成小于0.25mm,可基本滤除全部沙粒。每组窄缝5均由至少三条窄缝5环形均匀分布组成。环形均匀分布的窄缝5使得中心管的结构强度在周向范围内均匀分布,避免了产生强度短板。所述的胶筒4的两端在两个凹槽段对应范围内与中心管硫化成一体,与将胶筒4硫化在两个接头上的现有技术相比,将胶筒4直接硫化在中心管上,不但使得两个硫化连接区段之间拥有稳固的支撑,也使得胶筒4与中心管之间的附着力更强,因此进一步保证了二者之间的连接强度和连接处的耐压能力,进而提高了封隔器的整体耐压能力。所述的胶筒护套2通过螺纹连接在中心管上并罩在与中心管上的凹槽段对应的一段胶筒4的外部。
所述的凹槽组由至少三个横截面为矩形的环形凹槽7和对称布置的两组螺旋状凹槽8组成,环形凹槽7的作用是增强硫化时胶筒4的附着力,环形凹槽7的横截面设置成矩形,与设置成梯形相比,抵抗胶筒从凹槽内滑出的能力更强。但将环形凹槽7的横截面设置成矩形时,胶筒4上与环形凹槽7的槽顶的交角处由于应力过于集中易发生撕裂损伤,为避免上述的应力过于集中的问题,在环形凹槽7的槽顶设置了圆角9。圆角9的半径为1—1.5mm,因为圆角9半径过小难以消除应力,圆角9过大又会使得胶筒4在中心管4上的附着力下降。螺旋状凹槽8的设置,使各环形凹槽7内填充的橡胶相互连接,一方面降低了位于凹槽内的胶筒4被剪切损坏的风险,另一方面也进一步增强了胶筒4的附着力。每组螺旋状凹槽8均由两条相互交叉的螺旋状凹槽8组成,交叉设置使得各环形凹槽7内填充的橡胶相互连接更紧密、更稳固,进一步发挥了螺旋状凹槽8的加固作用。环形凹槽7的槽底与螺旋状凹槽8的槽底在同一圆柱面上,使得凹槽的槽底平整,有理减少槽底的应力集中现象,进而提高中心管强度。
为保证胶筒4的附着强度,环形凹槽7的深度一定要足够,考虑到圆角9的尺寸需求和凹槽过深会增加中心管厚度进而增加本发明的重量这两个因素,所述的环形凹槽7的深度为3mm。
所述的胶筒4由氢化丁腈橡胶制成。氢化丁腈橡胶具有良好耐油性能;并且由于其高度饱和的结构,使其具良好的耐热性能,优良的耐化学腐蚀性能(对氟利昂、酸、碱的具有良好的抗耐性),优异的耐臭氧性能,较高的抗压缩永久变形性能;同时氢化丁腈橡胶还具有高强度,高撕裂性能、耐磨性能优异等特点,是综合性能极为出色的橡胶之一。但由于技术偏见等原因,现有技术中还没有应用这种橡胶制造封隔器胶筒的先例。
所述的胶筒4内设置有用于增加胶筒4的结构强度的骨架层。
所述的骨架层包括由芳纶线6斜向交叉织成的周向无断口的环形网结构。现有技术中的胶筒的骨架层通常采用钢丝或尼龙帘子布制成,虽然这两种材料的可靠性和稳定性相对较好,成本也相对较低,但也存在不足:一方面,钢丝的密度大不利于降低封隔器的总重量、回弹性差使得胶筒4变形后容易失效,尼龙帘子布的强度差限制了胶筒4的耐压性能;另一方面,虽然两种材料的可靠性和稳定性相对较好,但仍存在一定的失效风险,而一旦胶筒4在使用中失效会造成巨大的经济损失,得不偿失。本发明采用的芳纶是一种新型高科技合成纤维,具有超高强度、高模量和耐高温、耐酸耐碱、重量轻等优良性能,其强度是钢丝的5~6倍,模量为钢丝或玻璃纤维的2~3倍,韧性是钢丝的2倍,而重量仅为钢丝的1/5左右,在560度的温度下,不分解,不融化。它具有良好的绝缘性和抗老化性能。有效避免了采用钢丝或尼龙帘子布作为骨架材料产生的问题。
将胶筒4沿轴线方向切开并平铺后,芳纶线6与胶筒4的轴线的夹角为15°,15°是保证胶筒4最佳膨胀能力的最适宜角度,该角度太大或太小都会对骨架层的强度或膨胀能力造成不利影响。所述的胶筒4内与凹槽段位置相对应的骨架层区段上设置有至少一个钢丝环3,所述的芳纶线6依次缠绕在所有钢丝环3上,钢丝环3作用有两个:一是通过阻止胶筒4的硫化连接区段外胀来防止环形凹槽7内的橡胶滑脱,从而进一步增强附着力,二是通过将芳纶线6缠绕在钢丝环3上来防止芳纶线6从橡胶中抽离,从而进一步提高胶筒4的强度和耐压能力。
本发明将胶筒4与中心管硫化成一体,并对胶筒4结构进行了重新设计,不但提高了封隔器的承压能力,也简化了封隔器的结构,减少了零件数量,降低了封隔器的制造成本。

Claims (3)

1.一种可重复利用的耐高压封隔器,包括中心管、胶筒(4)和胶筒护套(2),其特征在于:所述的中心管和胶筒护套(2)均包含碳纤维复合材料,其中,中心管的结构包括钢制基体(10),由所述的碳纤维复合材料构成的碳纤维复合层(1)包覆在钢制基体(10)的外侧,在碳纤维复合层(1)内,所有碳纤维束均沿中心管的长度方向布置,所述的胶筒护套(2)内的碳纤维束共有两层,内层的碳纤维束的长度方向与中心管的轴线方向一致,外层的碳纤维束螺旋缠绕在内层碳纤维束的外侧,所述的各碳纤维束之间均通过环氧树脂粘结而成;
所述的中心管的两端结构相同,中心管上对称设置有两个凹槽段,凹槽段上设置有凹槽组,两个凹槽段之间的区段沿轴向排布有至少两组窄缝(5),各组窄缝(5)沿中心管的长度方向排列,每组窄缝(5)中的各条窄缝(5)相互平行且交错排列,所述的胶筒(4)的两端在两个凹槽段对应范围内与中心管硫化成一体,所述的胶筒护套(2)通过螺纹连接在中心管上并罩在与中心管上的凹槽段对应的一段胶筒(4)的外部,所述的胶筒内设置有用于增加胶筒结构强度的骨架层,骨架层包括由芳纶线(6)斜向交叉织成的周向无断口的环形网结构,将胶筒(4)沿轴线方向切开并平铺后,芳纶线(6)与胶筒(4)的轴线的夹角为15°,所述的胶筒(4)内与凹槽段位置相对应的骨架层区段上设置有至少一个钢丝环(3),所述的芳纶线(6)依次缠绕在所有钢丝环(3)上,所述的胶筒(4)由氢化丁腈橡胶制成;
所述的中心管上的螺纹和凹槽均通过模具成型的方式进行加工;
所述的环氧树脂内添加有用于改善环氧树脂强度的玄武岩短纤维。
2.根据权利要求1所述的一种可重复利用的耐高压封隔器,其特征在于:所述的凹槽组由至少三个横截面为矩形的环形凹槽(7)和对称布置的两组螺旋状凹槽(8)组成,每组螺旋状凹槽(8)均由两条相互交叉的螺旋状凹槽(8)组成,环形凹槽(7)的槽底与螺旋状凹槽(8)的槽底在同一圆柱面上。
3.根据权利要求2所述的一种可重复利用的耐高压封隔器,其特征在于:所述的环形凹槽(7)的深度为3mm,所述的环形凹槽(7)的槽顶设置有圆角(9),圆角(9)的半径为1—1.5mm,所述的窄缝(5)的长度方向与本封隔器的轴线方向平行,窄缝(5)的长度不大于30mm,窄缝(5)的宽度小于0.25mm,每组窄缝(5)均由至少三条窄缝(5)环形均匀分布组成。
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