CN107420065A - 一种智能弹性胶筒及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种智能弹性胶筒及其制备方法，包括外侧的包覆层，包覆层内部设置有智能弹性层，智能弹性层内部依靠主体骨架进行支撑分隔，主体骨架之间包覆有混合液，智能弹性层为独立分装骨架结构，其骨架结构为空心小体积堆聚而成，空心小体积内包覆有纳米多孔材料与液体的混合液，主体骨架起支撑定型作用与包覆纳米多孔材料与液体的混合液的作用：包覆纳米多孔材料与液体的混合液的作用是指每一个小体积内独立包裹纳米多孔材料与液体的混合液。在压缩式封隔器工作过程中，封隔器胶筒会受到轴向载荷，随后压缩胶筒实现密闭有套环空功能。本发明所采用智能弹性层的结构，在胶筒受压后会发生形变，本发明具有结构简单，方便实用的特点。

Description

一种智能弹性胶筒及其制备方法

技术领域

本发明涉及封隔器胶筒技术领域，特别涉及一种智能弹性胶筒及其制备方法。

背景技术

封隔器是指用来密封环空和(或)隔离目的层段，控制注入或釆出流体，并能承受压差的井下工具。封隔器一般采用油管(钻杆)或电缆下井。现场上，往往把用油管(钻杆)下井的管柱称为封隔器管柱或封隔器系统。封隔器的密封和隔离功能主要依靠密封元件来实现。目前封隔器密封元件主要用的是胶筒，其材料为橡胶，由于胶筒是非线性弹性材料，其橡胶配方的不同对材料性能有相当大的影响，进而直接影响封隔器的密封性能。除此之外，胶筒在高温环境中承受较高的压差时胶筒肩部易被压裂，使胶筒密封失效，从而造成封隔器的耐压低、使用寿命短。目前使用的高温高压压缩式胶筒，常在胶筒的两端加金属环或者金属网保护结构，在压差不是很高的情况下，基本满足了胶筒的使用要求，但是随着压差的进一步升高，胶筒的工作能力依然不理想。为了进一步改善上述缺点，研究人员多是从封隔器胶筒的结构进行改进，效果并不理想。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提出一种智能弹性胶筒及其制备方法，该弹性胶筒能够智能调节自身形状、体积变化，从而实现对外所体现压力(也即自身受力)的基本恒定，具有结构简单，方便实用，提升胶筒工作性能，减小胶筒失效风险的特点。

为达到上述目的，本发明采用的方案为：

一种智能弹性胶筒，包括外侧的包覆层1，所述的包覆层1内部设置有智能弹性层2，所述的智能弹性层2内部依靠主体骨架进行支撑分隔，主体骨架的每个小分格之内包覆有混合液2-2，所述的主体骨架为独立分装骨架结构。

所述的智能弹性层2为空心小体积骨架堆聚而成。

所述的包覆层1边角处为圆滑状。

所述的主体骨架为空心的立方体2-1A、空心蜂窝体2-1B或空心圆柱体2-1C的小分格组成，且小分格之间相互联接。

所述的小分格与小分格之间联接而不连通。

所述的混合液2-2为纳米多孔材料与液体的混合液，所述液体为水或甘油，所述的纳米多孔材料为憎水性多孔材料，其表面硅铝比应大于300。

所述纳米多孔材料的最可孔径范围控制在1～2nm。

所述的纳米多孔材料的有效孔体积与液体体积的比在1:3～1:5之间。

所述的包覆层1采用耐介质耐高温的丁晴橡胶。

一种弹性胶筒的制备方法：

步骤一：将所选材料按照纳米多孔材料有效孔体积与液体体积为1:3～1:5混合后，放置于真空环境中，80℃恒温环境下，进行12小时以上的脱气处理；

步骤二：将主体骨架采用热塑性聚氨酯弹性体橡胶TPU为材料，采用多次注射成型技术制成，多次注射成型过程沿胶筒轴向分层进行。制作时，先按照所需骨架结构对丁晴橡胶进行一次冲模，冷却后在该层填充混合液2-2，再进行第二次冲模；如此反复，直至形成所需要的胶筒形状。

步骤三：在已完成的智能弹性层2外包裹包覆层1。

本发明的有益效果：

本发明在环境温度与压力变化时具有自适应与自调节能力，且胶筒肩部不会出现应力集中现象，该胶筒的独立分装骨架结构增加了胶筒的使用安全寿命，当胶筒外层磨损或失效后，内层压力实时感应变化并迅速做出自适应调节，大大减小封隔器胶筒失效风险。

附图说明

附图1为本发明结构一示意图。

附图2为本发明结构二示意图。

附图3为本发明结构三示意图。

附图4为本发明弹性材料胶筒工作原理图。

附图5为本发明压力-体积变化示意图。

附图6为混合液2-2示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作进一步详细说明。

如图1图2图3所示，一种智能弹性胶筒，包括包覆层1和智能弹性层2，所述包覆层1采用耐介质耐高温丁晴橡胶；所述智能弹性层2由主体骨架封装纳米多孔材料与液体的混合液2-2构成。主体骨架采用热塑性聚氨酯弹性体橡胶TPU制作；其由若干空心小体积堆聚而成，空心小体积可为立方体2-1A或空心蜂窝体2-1B或空心圆柱体2-1C；小体积之间联接而不连通：每个小体积骨架相互联结为一个整体作为主体骨架；每个小体积之内的包覆空间相互独立，以保证一个小体积失效破裂而不影响其他小体积功能。所述每个小体积内都封装有纳米多孔材料与液体的混合液2-2；所述纳米多孔材料为憎水性多孔材料，其最可孔径范围控制在1～2nm；所述液体为水或甘油；所封装的纳米多孔材料与液体混合比例的确定方法为：纳米多孔材料的有效孔体积与液体体积的比在1:3～1:5之间。

利用纳米多孔材料与功能流体结合后独特的压力-体积变化特性，通过合理设计，使得该新型胶筒具有更大的抗压能力，能够更好的适应井底高压。

新型封隔器胶筒材料在井底不会因为井底的高温而失效，具有良好的抗高温性能。

所述的混合液2-2为纳米多孔材料与液体的混合液，所述纳米多孔材料为憎水性多孔材料，所述液体为水或甘油。

所述的纳米多孔材料为憎水性多孔材料，其表面硅铝比应大于300，以保证进入到多孔材料中的液体在压力减小后能够顺利流出孔道，从而保证智能弹性胶筒的自调节与自适应性能。

所述纳米多孔材料的最可孔径范围控制在1～2nm，在所述硅铝比与所述孔道范围内选取的纳米多孔材料与所述液体封装后，其临界渗透压范围在20～50MPa，可满足大部分封隔器坐封需求，若纳米多孔材料孔道过大或过小，其临界渗透压将过低或太高，不适合用于制作封隔器胶筒的智能弹性层。

所述的纳米多孔材料的有效孔体积与液体体积的比在1:3～1:5之间，在该体积比范围内，可保证受压达到设计允许最大值时所有多孔材料孔道中都有液体填充，从而可保证所述智能弹性层在受压时可以达到最大的弹性伸缩范围。有效孔体积与液体体积比过大，将不能保证纳米多孔材料与液体混合之后的流动性；有效孔体积与液体体积比过小，将增加所述胶筒的质量，却不能够进一步提高其受压时的最大伸缩能力(因为液体密度远大于多孔材料密度)。

所述的包覆层1采用耐介质耐高温的丁晴橡胶。

一种弹性胶筒的制备方法：

步骤一：所述混合液的配置及脱气处理。

将所选纳米多孔材料与液体按设计比例混合后，放置于真空环境中，80℃恒温环境下，进行12小时以上的脱气处理。(纳米多孔材料与液体混合过程中会有大量气泡产生，多孔材料孔道中本身也有气体存在，而气体的存在会影响液体流入、流出多孔材料孔道，从而破坏所述智能弹性层的功能，因此必须对所述混合液进行脱气处理。)

步骤二：所述主体骨架结构的成型及混合液的封装。

主体骨架结构采用热塑性聚氨酯弹性体橡胶TPU制成。制作工艺采用分层注射成型技术，多次注射成型过程沿胶筒轴向分层进行，整个胶筒的制作需多次注射成型与填料过程后方能完成。制作时，先按照所需骨架结构对丁晴橡胶进行一次冲模，冷却后在该层填充混合液，再进行第二次冲模。如此反复，直至形成所需要的胶筒形状。

步骤三：在已完成的智能弹性层外包裹包覆层。

如图4图5图6所示：纳米多孔材料与液体封装在一个密闭空间内，在加压初期，所施加压力比较低时，由于表面张力的作用，液体无法进入到小孔内部，此时整个胶筒对外所表现的压力体积特性基本呈线性，为包覆层、主体骨架、纳米多孔材料与液体的混合液中所采用的液体的弹性变形的总和。随着所施加压力的增大，液体会突破多孔材料孔口的表面张力的阻碍，进入到多孔材料内部，此时的压力容积特性为图5中曲线的进孔平台期，这一进孔平台期即是智能弹性层的第一工作区间，在该区间内，随着压力的继续增大，液体会源源不断的进入到多孔材料的孔道当中去，对外表现的压力变化十分微小，即：在进孔平台期(智能弹性层的第一工作区间)，环空压力(即外界环境压力)增大后，液体流入多孔材料孔道，胶筒整体对外围套管及内侧油管压力维持不变。若所施加的外界压力继续增大，液体填满多孔材料孔道之后，整个胶筒对外表现的压力-体积特性曲线恢复斜率较大的线性增长趋势，为包覆层、主体骨架、纳米多孔材料与液体的混合液中所采用的液体的弹性变形的总和，此范围已超出该发明所设计的工作范围，在此列出只为表述一个完整的纳米多孔材料与液体混合液封装后受压的压力体积特性变化过程。减小外界压力到达一定值后，由于所述纳米多孔材料为憎水性材料，液体会自发流出多孔材料孔道，体现为图5中压力-体积特性曲线的出孔平台期，这是该种新型胶筒的第二工作区间。如上所述，在该区间(出孔平台期)内，随着外界压力的减小，液体会自发流出多孔材料孔道，对外表现的压力变化也十分微小，即：在出孔平台期(智能弹性层的第二工作区间)，环空压力减小后，液体流出多孔材料孔道，胶筒整体对外围套管及内侧油管压力维持不变。综上所述，在所述进孔平台期与出孔平台期，即智能弹性层的第一工作区间与第二工作区间内，当环空压力变化时，液体会自发的流入或流出多孔材料孔道，而对外体现的压力变化十分微小，胶筒施加在外围套管和内侧油管的交变应力也因此减小。因此该新型胶筒可突破传统胶筒材料的抗压极限，具有更好的抗压性能。当环空温度发生变化时，会引发材料体积发生热胀冷缩的变化从而引发压力的变化，在所述工作区间内，这些压力变化会引发流体流入或流出多孔材料孔道，从而实现智能调节，最终实现对外体现压力不变或变化微小。由于该新型胶筒智能弹性层有多个小体积封装液固混合物组成，压力传递性能远远优于传统材料胶筒，胶筒各个部位受压后压力均匀分布，胶筒肩部不存在应力集中现象。该新型胶筒的独立分装骨架结构增加了胶筒的安全使用寿命，当胶筒外层包覆层甚至某一独立小体积磨损或失效后，智能弹性层的其余部位会迅速做出反应，各个封装小体积内的液体感应到压力变化，自发流入或流出多孔材料孔道，智能弹性层形状自适应调节，胶筒两侧自动调整至紧贴套管与油管，大大减小封隔器胶筒失效风险。

本发明的工作原理：

在压缩式封隔器工作过程中，封隔器胶筒会受到轴向载荷，随后压缩胶筒实现密闭有套环空功能，本发明所采用智能弹性层的结构，在胶筒受压后会发生形变。包覆层采用耐介质耐高温的丁晴橡胶制作而成，起到对智能弹性层的初级保护作用。智能弹性层由两部分组成：主体骨架与纳米多孔材料与液体的混合液。主体骨架由多个空心的正方体或蜂窝状或圆柱状小体积构成，小体积之间相互联接而不连通。主体骨架起支撑定型作用与包覆纳米多孔材料与液体的混合液的作用：支撑定型作用是保证胶筒在受到剪力的时候，不会因为发生大的形变而导致胶筒失效；包覆纳米多孔材料与液体的混合液的作用是指每一个小体积内独立包裹纳米多孔材料与液体的混合液，保证一个小体积破裂后不影响其他小体积功能。小体积内封装的纳米多孔材料与液体的混合液为智能弹性层的主要功能材料。封隔器坐封完成后，智能弹性层受到轴向压力被压缩，密闭有套环空。此时，混合液中的液体只有一部分进入到了多孔材料的孔道当中，多孔材料孔道还并未被填满(对应到图5压力-位移曲线图中，应在进孔压力平台区上中间部位)。当环空压力或温度发生变化时，液体会自发的流入或流出多孔材料孔道，实现对外界环境变化的自适应调节，对外体现的压力(也即自身受力)变化微小。

Claims (8)

1.一种智能弹性胶筒，包括外侧的包覆层(1)，其特征在于，所述的包覆层(1)内部设置有智能弹性层(2)，所述的智能弹性层(2)内部依靠主体骨架进行支撑分隔，主体骨架之间包覆有混合液(2-2)，所述的主体骨架为独立分装骨架结构。

2.根据权利要求1所述的一种智能弹性胶筒，其特征在于，所述的智能弹性层(2)为空心小体积骨架堆聚而成。

3.根据权利要求1所述的一种智能弹性胶筒，其特征在于，所述的包覆层(1)边角处为圆滑状。

4.根据权利要求1所述的一种智能弹性胶筒，其特征在于，所述的主体骨架为空心的立方体(2-1A)、空心蜂窝体(2-1B)或空心圆柱体(2-1C)的小分格组成，且小分格之间相互联接。

5.根据权利要求4所述的一种智能弹性胶筒，其特征在于，所述的小分格与小分格之间联接而不连通。

6.根据权利要求1所述的一种智能弹性胶筒，其特征在于，所述的混合液(2-2)为纳米多孔材料与液体的混合液，所述液体为水或甘油，所述的纳米多孔材料为憎水性多孔材料，所述的纳米多孔材料表面硅铝比应大于300，所述纳米多孔材料的最可孔径范围控制在1～2nm。

7.根据权利要求6所述的一种智能弹性胶筒，其特征在于，所述的纳米多孔材料的有效孔体积与液体体积的比在1:3～1:5之间。

8.基于权利要求1所述一种弹性胶筒的制备方法，其特征在于，

步骤一：将所选材料按照纳米多孔材料有效孔体积与液体体积比为1:3～1:5混合后，放置于真空环境中，80℃恒温环境下，进行12小时以上的脱气处理；

步骤二：将主体骨架采用热塑性聚氨酯弹性体橡胶TPU，采用多次注射成型技术制成，多次注射成型过程沿胶筒轴向分层进行，制作时，先按照所需骨架结构对丁晴橡胶进行一次冲模，冷却后在该层填充混合液(2-2)，再进行第二次冲模，如此反复，直至形成所需要的胶筒形状；

步骤三：在已完成的智能弹性层(2)外包裹包覆层(1)。