CN111791457A - 一种套管外封隔器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及油气钻井、完井、固井或者测井技术领域，具体涉及一种套管外封隔器，包括中心管、胶筒和胶筒固定环，胶筒套设于中心管之外，胶筒固定环固定在中心管上且与胶筒的两端固定连接，胶筒与中心管之间留有环形空间，胶筒包括由遇液体不膨胀的弹性材料制成的内筒和由遇油膨胀的弹性材料制成的外筒，胶筒固定环上设有通向环形空间的第一流道，第一流道的入口设有密封阀芯，内筒包括内筒体，内筒体轴向中心处设有径向的通孔，通孔的面向中心管的一端设有可压裂封膜,胶筒与胶筒固定环的连接处环绕设有指型簧片。本发明提供的套管外封隔器，可以避免胶筒的爆裂、撕裂和挤出，提高封隔效果。

Description

一种套管外封隔器

技术领域

本发明涉及油气钻井、完井、固井或者测井技术领域，具体涉及一种套管外封隔器。

背景技术

封隔器是指具有弹性密封原件，并借此封隔各种尺寸管柱与井眼之间以及管柱之间环形空间，并隔绝产层，以控制产注液保护套管的井下工具。根据具体的封隔位置不同可以分为多类，其中用于封隔套管与井眼之间环形空间的称为套管外封隔器。套管外封隔器可有效封隔油气水层，进行有选择性的开采或者封堵某一层段，保证套管外环形空间的密封。目前，套管外封隔器广泛应用于石油和天然气工业的油气井固井或完井工具，随着在压力敏感地型的地层进行油气井固井的施工越来越多，套管外封隔器可显著提高固井质量，有效进行层间封隔，保护或减少油层污染，为提高原油采收率和开采效率提供了保障。套管外封隔器逐渐成为固井、选择性完井技术的一种重要工具，已经成为研究应用的热点方向。

现有技术中的套管外封隔器主要是扩张式套管外封隔器和自膨胀式套管外封隔器。

扩张式套管外封隔器的工作原理是：在固井碰压后向套管内施加一定的压力，通过封隔器的特定装置使套管内钻井液填充进封隔器的胶筒内，使胶筒膨胀，封隔环形空间。目前的扩张式套管外封隔器存在以下问题：

首先，扩张式套管外封隔器虽然能实现套管与井壁间环形空间的密封，但由于胶筒的内外侧壁分别受到液压和井壁的作用力，所以胶筒的侧壁厚度变薄。在井壁存在不规则性，导致井壁作用于胶筒上的作用力不均匀的情况下，从而容易在压差较大的部分发生胀破现象，影响密封效果。

其次，由于井眼内壁不规整，膨胀后的胶筒各处受力不均，且膨胀后的胶筒厚度减薄，易导致封隔器爆裂，失去封隔作用。

授权公告号为CN107939334B的发明专利，公开了一种柱塞式扩张封隔器，利用工作过程中压力的变化使金属管扩张来进行坐封，包括中心管、扩张管、上套管、下套管和坐封阀，扩张管套设在中心管上，扩张管的两端分别与所述上套管和下套管固定连接，和所述中心管的两端分别与所述上套管和下套管固定连接，中心管、上套管、扩张管和下套管配合形成扩张腔，通过座封阀控制流体进入扩张腔，进入扩张腔的流体压持扩张管，使得扩张管向外变形扩张，扩张管外径逐渐变大，直至扩张管外壁接触障碍物为止，从而实现封隔。该封隔器的扩张管为金属管，因此避免了管体爆裂的情况，但是金属材质的扩张性能小于橡胶材质，因此该封隔器仅仅适用于环形空间较小的管与管之间的封隔，而不适用于环形空间较大的套管与井眼之间的封隔。

授权公告号为CN105781478B的发明专利，公开了一种无限压液力膨胀式套管外封隔器总成，包括连接单元、膨胀单元和控制单元，连接单元构成封隔器中心的刚性连接结构。膨胀单元套在中间连接管的外侧，膨胀单元包括膨胀筒护环、膨胀筒胀环、膨胀筒组件和膨胀筒连接环，膨胀筒组件与中间连接管之间设置有用于容纳液体的环形空间。所述的膨胀筒由橡胶材料制成。该技术方案中虽然采用了橡胶材料制成膨胀筒的筒体，但是为了提高其承压性能，膨胀筒的内部设置了耐高压加强骨架，扩张能力有限，限制了其座封性能。

自膨胀封隔器是一种无机械运动部件且不需要坐封工具的自激发胀封式封隔器，其工作原理是：通过限位机构对胶筒进行轴向定位，利用遇液体（油或水）膨胀橡胶的吸附特性使胶筒径向膨胀，从而封隔井眼与套管之间的环空，实现胶筒的胀封。但是目前的自膨胀套管外封隔器存在以下问题：由于橡胶膨胀后其弹性性能大大降低，抗形变能力下降，容易导致在座封过程中橡胶被挤出和撕裂，严重影响其封隔性能。

此外，现有的胶筒多为橡胶所制成，外表面平滑，由于橡胶材质较软且胶筒外表面未设有防滑结构，导致封隔器容易滑动。为保证稳固座封，现有做法是加大压力，使胶筒胀得更大，以此增大与井眼内壁的摩擦力，但是胶筒胀大后也更容易爆裂。

发明内容

为了解决上述技术问题至少之一，本发明提供了一种套管外封隔器，通过对胶筒进行复合结构设计，使其兼具扩张式套管外封隔器和自膨胀式套管外封隔器的优点，并且避免了现有技术中胶筒易发生爆裂和撕裂挤出的问题，提高了座封效果和座封的安全性。具体技术方案如下：

一种套管外封隔器，包括中心管、胶筒和胶筒固定环，所述胶筒套设于所述中心管之外，所述胶筒固定环固定在所述中心管上且与所述胶筒的两端固定连接，所述胶筒与所述中心管之间留有环形空间，所述胶筒包括由遇液体不膨胀的弹性材料制成的内筒和由遇液体膨胀的弹性材料制成的外筒，所述胶筒固定环上设有通向所述环形空间的第一流道，所述第一流道的入口设有密封阀芯，所述内筒包括内筒体，所述内筒体轴向中心处设有径向的通孔，所述通孔的面向所述中心管的一端设有可压裂的封膜，所述胶筒与所述胶筒固定环的连接处环绕设有指型簧片。

现有技术中的自膨胀型封隔器都是吸水膨胀或者吸油膨胀，因此向封隔器内注入的液体要与外筒的材料性质相匹配，工作时，向中心管内泵送液体，中心管内的液体的径向压力达到一定值后，密封阀芯打开第一流道与中心管之间的通路，液体通过第一流道进入环形空间，液体的不断流入使胶筒的内筒和外筒发生形变扩张，当内筒的内筒体达到形变最大值后，孔上的封膜在拉伸和挤压的双重作用下破裂，液体流入孔内与外筒接触，外筒不断的吸收液体膨胀，完成座封。内筒体可由弹性金属材料或者内部添加骨架材料（如钢丝或者尼龙）的橡胶材料制成，这样可以充分保证胶筒的基础强度。受制于材质限制，内筒的扩张程度有限，因此在内筒外配套遇到液体自膨胀的外筒，传统的自膨胀胶筒一般为由橡胶材料制成的单层胶筒，为了满足座封性能，其厚度较大，并且为了更好的座封效果，通常希望其膨胀率高，但是膨胀率过高容易导致橡胶失去弹性，在井眼和液体压力的共同作用下极易引起挤压破裂甚至碎裂，从而失去座封功能。而本实施例中的外筒与内筒协同作用实现座封，不需要外筒具有过高的膨胀率即可满足座封效果，避免了膨胀率过高对橡胶材料的弹性性能起到的破坏作用。指型簧片可以对胶筒起到保护作用，在胶筒发生弹性形变膨胀时，在指型簧片的保护下，胶筒与胶筒固定环相连接处不易发生破裂。

遇液体膨胀的弹性材料主要包括吸油膨胀橡胶和吸水膨胀橡胶，其中以吸水膨胀橡胶最为常用。吸水膨胀橡胶是一种通过弹性密封和吸水膨胀双重止水的新型功能高分子材料，广泛用作土木建筑的止水材料、密封材料、填料等。橡胶的高弹性和较好的机械强度，使得橡胶在吸水后可膨胀几至几百倍，可以克服橡胶材料因永久形变、蠕变和嵌接材料的固化收缩等带来的止水失效缺陷。其作用机理是当橡胶与水接触时，水分子不断地通过扩散、毛细及表面吸附等物理作用进入吸水膨胀胶内，与橡胶中的亲水性基团形成极强的亲和力，使橡胶发生膨胀形变，当抵抗形变的应力和渗透压差达到平衡时，吸水膨胀橡胶持相对稳定的止水和堵漏的效果。

吸水膨胀橡胶可由橡胶材料和亲水性的化学物质进行共混制成。吸水膨胀橡胶中基体材料确定的原则是：弹性好，工艺性能好，具有一定的强度。常用的橡胶有天然橡胶、氯丁橡胶、丁基橡胶、三元乙丙橡胶以及热塑性的SBS等。氯丁橡胶比丁基橡胶作基体制得的膨胀性能好，但以丁基橡胶为基体时强度高，耐压性好。亲水性化学物质常采用吸水性树脂，可改善橡胶的强度与加工性能，以及吸水膨胀橡胶成的关键组分。吸水树脂应选择粒度小、吸水率大、保持水的能力强、在橡胶中易分散、不会析出的品种。一般吸水树脂的用量越大，膨胀率就越大。但用量过大会影响橡胶的物理机械性能，因此，应在吸水性和胶料的物理机械性能间达到最佳平衡。

吸油膨胀橡胶与吸水膨胀橡胶类似，一般是在橡胶材料上引入亲油性功能团或亲油性组分制成的新型材料。当吸油膨胀橡胶与油接触时，油分子通过扩散及表面吸附作用进入到吸油膨胀橡胶内，橡胶整体发生形变膨胀。

遇液体不膨胀的弹性材料一般采用传统的橡胶材料或者具有弹性性能的金属材料如弹性合金等。

优选的，所述外筒包括外筒体，所述外筒体内设有互通的第二流道和第三流道，所述第二流道为径向设置且连通所述通孔，所述第三流道为轴向设置。

外筒需要通过吸收液体进行自膨胀，由于外筒具有一定的厚度而内筒体上与外筒体相通的孔的孔径有限，因此其吸收液体膨胀的速度较慢，通过在外筒体内设置第二流道和第三流道，可以提高外筒体的液体吸收速度，提高其自膨胀效率。

优选的，所述外筒外侧套设保护筒，所述保护筒由遇液体不膨胀的高弹性材料制成，所述外筒体内增设第四流道，所述第四流道为径向设置且连通所述第三流道，所述第四流道有多个且以所述第二流道为中线对称排列，相邻两个所述第四流道之间的距离沿所述第三流道上下两端逐渐递减。

由于有保护筒进行保护，因此外筒体内部可以增设第四流道，外筒体内部的流道越多，其吸收液体膨胀的效率越高。

优选的，所述保护筒外侧壁设有圆形的第二防滑凸起，所述第二防滑凸起沿所述保护筒轴向排列且向其轴线中心处聚拢，所述第二防滑凸起上设有若干第三防滑凸起。

在保护筒进行膨胀时，中心处发生的形变量最大，因此，第二防滑凸起在保护筒的轴线中心处的密度设置为最大，向轴线两端密度依次减小，可以补偿由于中心处形变时第二防滑凸起之间增大的间距，使膨胀后的保护筒上的第二防滑凸起分布均匀，提高封隔时的防滑效果，在第二防滑凸起上设置第三防滑凸起，可以更好的适应形状不规则的井眼侧壁，进一步提高防滑效果。

优选的，所述外筒包括外筒体，所述外筒体的内壁为弧形凹面，所述弧形凹面的中心处设有镂空的尖刺部，所述尖刺部对准所述通孔，所述中心处的上下两侧对称设有多组所述尖刺部，所述内筒体上增设与多组所述尖刺部相应的所述通孔和所述封膜。

弧形凹面的设计适当减小了外筒体的弹性形变量，即在内筒体扩张到最大值之前，外筒体不发生或者仅发生很小的弹性形变，而当内筒体扩张到最大值之后，外筒体不再发生弹性形变，单纯的通过吸收液体进行自膨胀，进一步减轻了外筒体的破裂风险。尖刺部可以将内筒上的封膜在内筒形变到最大值后刺破，保证了封膜的破裂。

优选的，所述胶筒还包括卡紧所述内筒和所述外筒两端的连接环，所述连接环与所述胶筒固定环连接，所述连接环为顶部封端的空心圆环，包括内环壁、外环壁和顶壁，所述内环壁与所述顶壁一体成型，所述外环壁与所述顶壁可拆卸连接，所述顶壁的外侧壁设有第一螺孔，所述外环壁上方设有贯穿所述外环壁的第二螺孔，所述第一螺孔和所述第二螺孔通过沉头螺钉连接，所述第一螺孔和所述第二螺孔有多个，分别沿所述顶壁和所述外环壁圆周等距排列，所述内筒与所述外筒的厚度合计略大于所述连接环的所述内环壁与所述外环壁之间的距离，所述内环壁和所述外环壁相对一侧分别设有密封圈，所述密封圈上设有第一防滑凸起，所述第一防滑凸起面向所述顶壁的方向斜向。

连接环既可以使内筒和外筒紧密贴合，又可以方便胶筒与胶筒固定环的连接。先将内筒和外筒依次套设在内环壁上，然后将外环壁通过沉头螺钉与顶壁连接固定，将内筒和外筒密封压实，然后将连接环与胶筒固定环连接固定。

优选的，所述胶筒固定环包括同轴心且依次互通连接的锥形环、第一圆环和第二圆环，所述第一圆环的直径大于所述第二圆环的直径，所述胶筒套设于所述第二圆环的外侧，所述第一圆环上设有面向所述中心管开设的径向凹槽，所述径向凹槽的槽口处可滑动设有所述密封阀芯，所述径向凹槽内设有弹簧，所述弹簧一端固定于所述径向凹槽的槽底，另一端连接所述密封阀芯，所述径向凹槽与所述第一流道互通。

优选的，所述胶筒固定环包括同轴心且依次互通连接的第一圆环和第二圆环，所述第一圆环的直径大于所述第二圆环的直径，所述胶筒套设于所述第二圆环的外侧，所述密封阀芯包括第一阀芯和第二阀芯，所述第一圆环上设有与其同轴的环形密封第五流道和贯穿所述第五流道的第一圆孔和第二圆孔，所述第一圆孔和所述第二圆孔的轴线与所述中心管平行，所述第一圆孔底部设有连通所述中心管的第六流道，所述第一圆孔底部设有第一阀芯，所述第一阀芯在初始状态下封住所述流道，所述第一阀芯上方设有抵住所述第一阀芯的第一剪钉，所述第一圆孔上方设有第一限位块；所述第二圆孔底部设有第七流道，所述第七流道连通所述第一流道，所述第二圆孔内设有工字型第二阀芯，所述第二阀芯包括底部、中轴和顶部，所述底部和所述顶部的直径与所述第二圆孔相适应，所述中轴的直径小于所述第二圆孔，初始状态下，所述中轴位于所述第五流道内，所述底部和所述顶部位于所述第五流道的上下两侧，所述第五流道远离所述中心管的一侧连通所述第一流道，所述第二阀芯上方设有抵住所述第二阀芯的第二剪钉，所述第二圆孔上方设有第二限位块。

上述套管外封隔器中的封膜制备方法，包括以下步骤：

S1、按HDPE (高密度聚乙烯)：PP(聚丙烯)为2：1的比例共混获得第一共混物；

S2、按第一共混物：填料为1：（0.05-0.25）的比例共混获得第二共混物；

S3、将第二共混物放入单螺杆挤出机熔融挤出获得挤出物；

S4、将挤出物冷却制得所述封膜。

优选的，所述单螺杆挤出机包括挤出机本体和口模，所述口模包括入口管、稳流区、稳流板和主流道，所述入口管连通所述稳流区，所述稳流区的截面为锥形，所述稳流板设于所述稳流区和所述主流道之间，所述稳流板上设有多个稳流孔，所述稳流孔沿所述稳流板的中心处向外围等距分布且其孔径向外围逐渐增大。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1.胶筒设为包含内筒和外筒的双层结构，内筒体由弹性金属材料或者内部添加骨架材料（如钢丝或者尼龙）的橡胶材料制成，为胶筒提供了基础形变同时对外筒起到支撑作用，外筒相较于传统的单层自膨胀橡胶胶筒而言厚度有所减少，而且进行适度的膨胀即可达到座封效果，降低了对自膨胀材料的性能要求，适用范围广，座封效果好且不易挤压爆裂；

2.胶筒的外筒内壁设置弧形凹面，弧形凹面上设置若干尖刺部，在内筒相应位置设置孔和封膜，即可以保证封膜的彻底破裂，又可以减少外筒体的弹性形变。传统的自膨胀材料在弹性形变和自膨胀同时发生时更容易产生变形破裂，通过弧形凹面的设计适当减小了外筒体的弹性形变量，进一步减轻了外筒体的破裂风险；

3. 在外筒外侧设置由高弹性材料制成的保护筒，外筒体在内筒体和保护筒的双重夹持下，即使因过度形变发生破裂也不会影响座封效果，如果外筒体发生破裂，其吸收液体的效率会增加，进一步提高了膨胀率，能够更好的进行座封；

4.保护筒上设置防滑凸起，可以有效防止封隔器的滑脱，提高座封效果；

5.胶筒固定环上设置密封的第五流道以及贯穿第五流道的第一圆孔和第二圆孔，在第一圆孔和第二圆孔内分别设置第一阀芯和第二阀芯，可以更加精确的控制液体向环形空间内的流动以及最终对环形空间的封闭；

6.胶筒固定环和胶筒之间设置指型簧片，可以保护胶筒与胶筒固定环相连接处，使其不易发生破裂；

7.通过两种膜材料进行复合并搭配填料，制备了具有一定弹性形变且能够在适当的压力下被压裂的封膜；

8.通过设置带有稳流区和稳流板的口模，制备了质量稳定，满足使用需求的多层结构的封膜；

综上所述，本发明提供的套管外封隔器，可以避免胶筒的爆裂、撕裂和挤出，提高封隔效果。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1中胶筒的结构示意图；

图3为图2中连接环的结构示意图；

图4为图1中胶筒固定环的结构示意图；

图5为实施例2中胶筒的结构示意图；

图6为实施例3中第二防滑凸起的结构示意图；

图7为实施例4中胶筒的结构示意图；

图8为实施例5中胶筒固定环初始状态的结构示意图；

图9为图8中第五流道的俯视图；

图10为实施例5中胶筒固定环最终状态的结构示意图；

图11为实施例6中口模的结构示意图。

附图标记说明：

1、中心管，2、胶筒，3、胶筒固定环，4、指型簧片，5、环形空间，6、口模，

21、内筒，22、外筒，23、连接环，24、保护筒，

211、内筒体，212、通孔，213、封膜，

221、外筒体，222、第二流道，223、第三流道，224、第四流道，225、尖刺部，

231、内环壁，232、外环壁，233、顶壁，234、沉头螺钉，235、密封圈，

2321、第二螺孔，2331、第一螺孔，2351、第一防滑凸起，

241、第二防滑凸起，242、第三防滑凸起，

31、锥形环，32、第一圆环，33、第二圆环，34、第一流道，35、密封阀芯，36、第一限位块，37、第二限位块，

321、径向凹槽，322、弹簧，323、第五流道，324、第一圆孔，325、第六流道，326、第一剪钉，327、第二圆孔，328、第七流道，329、第二剪钉，

351、第一阀芯，352、第二阀芯，

3521、底部，3522、中轴、3523、顶部，

61、入口管，62、稳流区，63、稳流板，64、主流道，

631、稳流孔。

具体实施方式

下面结合附图及实施例描述本发明具体实施方式：

需要说明的是，本说明书所附图中示意的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。

同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

实施例1：

结合附图1-4，一种套管外封隔器，包括中心管1、胶筒2和胶筒固定环3，所述胶筒2套设于所述中心管1之外，所述胶筒固定环3固定在所述中心管1上且与所述胶筒2的两端固定连接，所述胶筒2与所述中心管1之间留有环形空间5，所述胶筒2包括由遇液体不膨胀的弹性材料制成的内筒21和由遇液体膨胀的弹性材料制成的外筒22，所述胶筒固定环3上设有通向所述环形空间5的第一流道34，所述第一流道34的入口设有密封阀芯35，所述内筒21包括内筒体211，所述内筒体211轴向中心处设有径向的通孔212，所述通孔212的面向所述中心管1的一端设有可压裂封膜213，所述胶筒2与所述胶筒固定环3的连接处环绕设有指型簧片4。

可压裂的封膜213可以采用热压或者粘接等方式附着在通孔212一侧，封膜213具有一定的弹性形变能力，在内筒体211的形变达到最大时其弹性形变也达到极限值，此时在液体压力的作用下封膜213破裂。

所述外筒22包括外筒体221，所述外筒体221内设有互通的第二流道222和第三流道223，所述第二流道222为径向设置且连通所述通孔212，所述第三流道223为轴向设置。所述外筒体221的外径沿所述外筒体221的两端向其轴线中心处增大。外筒22需要通过吸收液体进行自膨胀，由于外筒22具有一定的厚度而内筒体211上与外筒体221相通的通孔212的孔径有限，因此其吸收液体膨胀的速度较慢，通过在外筒体221内设置第二流道222和第三流道223，可以提高外筒体221的液体吸收速度，提高其自膨胀效率。

所述胶筒2还包括卡紧所述内筒21和所述外筒22两端的连接环23，所述连接环23与所述胶筒固定环3连接，所述连接环23为顶部封端的空心圆环，包括内环壁231、外环壁232和顶壁233，所述内环壁231与所述顶壁233一体成型，所述外环壁232与所述顶壁233可拆卸连接，所述顶壁233的外侧壁设有第一螺孔2331，所述外环壁232上方设有贯穿所述外环壁232的第二螺孔2321，所述第一螺孔2331和所述第二螺孔2321通过沉头螺钉234连接，所述第一螺孔2331和所述第二螺孔2321有多个，分别沿所述顶壁233和所述外环壁232圆周等距排列，所述内筒21与所述外筒22的厚度合计略大于所述连接环23的所述内环壁231与所述外环壁232之间的距离，这样可以使内筒21和外筒22的贴合更加牢固紧密，所述内环壁231和所述外环壁232相对一侧分别设有密封圈235，所述密封圈235上设有第一防滑凸起2351，所述第一防滑凸起2351面向所述顶壁233的方向斜向。第一防滑凸起2351面向顶壁233的方向倾斜，可以进一步增加内筒21和外筒22膨胀时两端向下滑动的阻力，使内筒21和外筒22更牢固的固定于连接环23上。

所述胶筒固定环3包括同轴心的锥形环31、第一圆环32和第二圆环33，所述锥形环31的下方连接所述第一圆环32，所述第一圆环32的下方连接所述第二圆环33，所述第一圆环32的直径大于所述第二圆环33的直径，所述胶筒2套设于所述第二圆环33的外侧。

所述第一圆环32上设有面向所述中心管1开设的径向凹槽321，所述径向凹槽321的槽口处可滑动设有所述密封阀芯35，所述径向凹槽321内设有弹簧322，所述弹簧322一端固定于所述径向凹槽321的槽底，另一端连接所述密封阀芯35，所述径向凹槽321与所述第一流道34互通。

所述套管外封隔器还包括指型簧片4，所述指型簧片4环绕安装在所述胶筒2的两端且固定于所述胶筒固定环3上。指型簧片4可以对胶筒2起到保护作用，在胶筒2发生弹性形变膨胀时，在指型簧片4的保护下，胶筒2与胶筒固定环3相连接处不易发生破裂。

本实施例中套管外封隔器的工作原理和工作过程：现有技术中的自膨胀型封隔器都是吸水膨胀或者吸油膨胀，因此向封隔器内注入的液体要与外筒22的材料性质相匹配，工作时，向中心管1内泵送液体，中心管1内的液体的径向压力达到一定值后，弹簧322产生压缩形变，密封阀芯35向径向凹槽321内侧滑动，打开第一流道34与中心管1之间的通路，液体通过第一流道34进入环形空间5，液体的不断流入使胶筒2的内筒21和外筒22发生形变扩张，当内筒21的内筒体211达到形变最大值后，通孔212上的封膜213在拉伸和挤压的双重作用下破裂，液体通过通孔212流入外筒体221内的第二流道222以及与第二流道222互通的第三流道223中，由于液体通过第二流道222和第三流道223与外筒体221充分接触，因此外筒体221充分膨胀，完成座封。内筒体211可由弹性金属材料或者内部添加骨架材料（如钢丝或者尼龙）的橡胶材料制成，这样可以充分保证胶筒2的基础强度。受制于材质限制，内筒21的扩张程度有限，因此在内筒21外搭配遇到液体自膨胀的外筒22，传统的自膨胀胶筒一般为由橡胶材料制成的单层胶筒，为了满足座封性能，其厚度较大，并且为了更好的座封效果，通常希望其膨胀率高，但是膨胀率过高容易导致橡胶失去弹性，在井眼和液体压力的共同作用下极易引起挤压破裂甚至碎裂，从而失去座封功能。而本实施例中的外筒22与内筒21协同作用实现座封，不需要外筒22具有过高的膨胀率即可满足座封效果，避免了膨胀率过高对橡胶材料的弹性性能起到的破坏作用。在胶筒固定环3上固定安装指型簧片4，指型簧片4环绕设置在胶筒2的两端，可以对胶筒2起到保护作用，在胶筒2发生弹性形变膨胀时，在指型簧片4的保护下，胶筒2不易发生挤出破裂。

实施例2：

本实施例为实施例1套管外封隔器中胶筒2的一个变形例，由于传统的自膨胀材料需要在物理机械性能和自膨胀性能之间做出取舍，想要较高的自膨胀性能就需要引入较多的亲水性基团，而引入的亲水性基团越多，其物理机械性能就越低，而物理机械性能的降低会使胶筒在形变过程中更容易发生撕裂或者破碎，即为了充分利用自膨胀材料的膨胀性能就必然会大大削弱其弹物理机械性能，使其容易爆裂或者碎裂从而失去座封效果，因此，本实施例提出了另一种技术方案，即可以充分利用外筒体221的膨胀性能又不影响其座封效果。具体方案如下：

结合附图5，所述外筒22外侧套设保护筒24，所述保护筒24由遇液体不膨胀的高弹性材料制成，所述高弹性材料一般为高弹性的橡胶材质，所述外筒体221内增设第四流道224，所述第四流道224为径向设置且连通所述第三流道223，所述第四流道224有多个且以所述第二流道222为中线对称排列，相邻两个所述第四流道224之间的距离沿所述第三流道223上下两端逐渐递减。

其工作过程如下：当液体进入环形空间5后，挤压内筒21、外筒22和保护筒24同时发生形变，当内筒体211达到形变最大值后，封膜213破裂，液体通过通孔212进入第二流道222并通过第二流道222流入第三流道223，再由第三流道223相继流入多个第四流道224，使外筒体221能够充分吸收液体从而最大限度的发生膨胀，外筒体221膨胀使保护筒24进一步形变，由于保护筒24为高弹性材料制成，因此可以充分满足形变要求，而外筒体221在内筒体211和保护筒24的双重夹持下，即使因过度形变发生破裂也不会影响座封效果，而且如果外筒体221发生破裂，那么其吸收液体的效率会增加，进一步提高了膨胀率，能够更好的进行座封。

实施例3：

本实施例为实施例2套管外封隔器中保护筒24的改进方案，由于高弹性的橡胶材质较软且外表面未设有防滑结构，导致封隔器容易滑动影响封隔效果，因此提出如下技术方案：

结合附图6，所述保护筒24外侧壁设有圆形的第二防滑凸起241，所述第二防滑凸起241沿所述保护筒24轴向排列且向其轴线中心处聚拢，所述第二防滑凸起241上设有若干第三防滑凸起242；

在保护筒24进行膨胀时，中心处发生的形变量最大，因此，第二防滑凸起241 在保护筒24的轴线中心处的密度设置为最大，向轴线两端密度依次减小，可以补偿由于中心处形变时第二防滑凸起241之间增大的间距，使膨胀后的保护筒24上的第二防滑凸起241分布均匀，提高封隔时的防滑效果，在第二防滑凸起241上设置第三防滑凸起242，可以更好的适应形状不规则的井眼侧壁，进一步提高防滑效果。

实施例4：

本实施例为实施例1套管外封隔器中胶筒2的另一个变形例，将实施例1中的胶筒2进行改进，使内筒21上的封膜213在内筒21形变到最大值后更易破裂，保证液体能够充分接触到外筒体221，具体方案如下：

结合附图7，所述外筒22包括外筒体221，所述外筒体221的内壁为弧形凹面，所述弧形凹面的中心处设有镂空的尖刺部225，所述尖刺部225对准所述通孔212，所述中心处的上下两侧对称设有多组所述尖刺部225，所述内筒体211上增设与多组所述尖刺部225相应的所述通孔212和所述封膜213。

其工作过程如下：当液体进入环形空间5后，挤压内筒体211发生形变，当内筒体211的形变达到最大值后，内筒体211与具有弧形凹面的外筒体221的内壁贴紧，弧形凹面上的尖刺部25穿过内筒体211上的通孔212，刺破附着于通孔212另一侧的封膜213，在内筒体211的形变产生的拉伸和液体产生的挤压的双重作用下，封膜213沿刺破点迅速开裂，液体通过多个通孔212与外筒体221充分接触，使其膨胀。本实施例即可以保证封膜213的彻底破裂，又可以减少外筒体221的弹性形变。如前所述，传统的自膨胀材料在弹性形变和自膨胀同时发生时更容易产生变形破裂，本实施例通过弧形凹面的设计适当减小了外筒体221的弹性形变量，即在内筒体211扩张到最大值之前，外筒体221不发生或者仅发生很小的弹性形变，而当内筒体211扩张到最大值之后，外筒体221不再发生弹性形变，单纯的通过吸收液体进行自膨胀，进一步减轻了外筒体221的破裂风险。

实施例5：

本实施例为实施例1套管外封隔器中胶筒固定环3的改进方案，

结合附图8-10，所述胶筒固定环3包括同轴心且依次互通连接的第一圆环32和第二圆环33，所述第一圆环32的直径大于所述第二圆环33的直径，所述胶筒2套设于所述第二圆环33的外侧，所述密封阀芯35包括第一阀芯351和第二阀芯352，所述胶筒固定环3包括同轴心的第一圆环32和第二圆环33，所述第一圆环32的下方连接所述第二圆环33，所述第一圆环32的直径大于所述第二圆环33的直径，所述胶筒2套设于所述第二圆环33的外侧。

所述第一圆环32上设有与其同轴的环形密封第五流道323和贯穿所述第五流道323的第一圆孔324和第二圆孔327，所述第一圆孔324和所述第二圆孔327的轴线与所述中心管1平行，所述第一圆孔324底部设有连通所述中心管1的第六流道325，所述第一圆孔324底部设有第一阀芯351，所述第一阀芯351在初始状态下封住所述第五流道323，所述第一阀芯351上方设有抵住所述第一阀芯351的第一剪钉326，所述第一圆孔324上方设有第一限位块36；所述第二圆孔327底部设有第七流道328，所述第七流道328连通所述第一流道34，所述第二圆孔327内设有工字型第二阀芯352，所述第二阀芯352包括底部3521、中轴3522和顶部3523，所述底部3521和所述顶部3523的直径与所述第二圆孔327相适应，所述中轴3522的直径小于所述第二圆孔327，初始状态下，所述中轴3522位于所述第五流道323内，所述底部3521和所述顶部3523位于所述第五流道323的上下两侧，所述第五流道323远离所述中心管1的一侧连通所述第一流道34，所述第二阀芯352上方设有抵住所述第二阀芯352的第二剪钉329，所述第二圆孔327上方设有第二限位块37。

本实施例的工作原理和工作过程如下：胶筒固定环3内的第一阀芯351和第二阀芯352的初始位置如图8所示，向中心管1内泵送液体，液体流入第六流道325向第一阀芯351施加一个向上的力，随着中心管1内液体压力的增加，第六流道325内的液体向第一阀芯351施加的力也不断增加，当达到预设的压力值时第一剪钉326断裂，第一阀芯351向上滑动至第一限位块36处，第五流道323与第六流道325连通，液体流入第五流道323并经第五流道323流入与其相连通的第一流道34，通过第一流道34流入环形空间5内，当环形空间5内充满液体后，会有部分液体经第一流道34流入与其相通的第七流道328对第二阀芯352施加一个向上的力，当环形空间5内的液体达到稳定量之后，第七流道328内的液体对第二阀芯352施加的力达到最大值，第二剪钉329断裂，第二阀芯352上滑至第二限位块37处，第二阀芯352的底部3521将第五流道323封堵，实现环形空间5的密封。

实施例1-5中的技术方案或技术特征在不互相冲突的情况下可以交叉使用，例如，实施例2中的在外筒22外套设保护筒24的技术方案和实施例3中保护筒24外侧壁设置第二防滑凸起241和第三防滑凸起242的技术方案或技术特征同时适用于实施例1、实施例4和实施例5。

实施例6：

本实施例提供了一种用于实施例1中的封膜213的制备方法，其主要步骤如下：

S1、按HDPE (高密度聚乙烯)：PP(聚丙烯)为2：1的比例共混获得第一共混物；

S2、按第一共混物：填料为1：（0.05-0.25）的比例共混获得第二共混物；

S3、将第二共混物放入单螺杆挤出机熔融挤出获得挤出物；

S4、将挤出物冷却制得所述封膜213；

高密度聚乙烯的化学稳定性好，在室温条件下，不溶于任何有机溶剂，耐酸、碱和各种盐类的腐蚀；薄膜对水蒸气和空气的渗透性小，吸水性低，但是其耐热氧化性能差，而聚丙烯的熔点为165℃，耐热性好，因此在高密度聚乙烯外面复合一层聚丙烯膜可以大大提高其使用性能，此外，配合适量的填料（如碳酸钙、蒙脱土等）可以得到特定形变条件下具备所需物理机械强度的封膜213。

为了更好的得到多层复合机构的封膜213，对单螺杆挤出机的口模进行了特殊设计，结合附图11，所述单螺杆挤出机包括挤出机本体和口模6，所述口模6包括入口管61、稳流区62、稳流板63和主流道64，所述入口管61连通所述稳流区62，所述稳流区62的截面为锥形，所述稳流板63设于所述稳流区62和所述主流道64之间，所述稳流板63上设有多个稳流孔631，所述稳流孔631沿所述稳流板63的中心处向外围等距分布且其孔径向外围逐渐增大。

通过该方法制备的封膜具有多层结构，其原理是：在挤出流动过程中，通过控制口模6的温度与剪切速率调控HDPE与PP的粘性流动行为，由于HDPE、PP和填料对温度场与剪切场有着不同的响应行为，从而控制HDPE在流动过程中向中心移动，而PP则自发地的向边缘流动富集形成连续结构，填料则均匀的分布在两者之间，最终在特定的流动长度后得到具有稳定多层结构的封膜。该封膜不仅有多个不同性质的薄膜层，而且由于是一次挤出成型，其层间界面是由流动迁移而形成，所以界面由两种材料过渡形成，因而界面不易剥离，可以大幅度提高多层薄膜的界面结合强度，满足使用需求。

本实施例中制得的封膜213保证了其具有适度的弹性形变，并且通过对填料用量的控制，可以调整其物理机械强度，保证封膜213在一定的形变条件下受到预定的液体压力时，发生破裂。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种套管外封隔器，包括中心管（1）、胶筒（2）和胶筒固定环（3），所述胶筒（2）套设于所述中心管（1）之外，所述胶筒固定环（3）固定在所述中心管（1）上且与所述胶筒（2）的两端固定连接，所述胶筒（2）与所述中心管（1）之间留有环形空间（5），其特征在于，所述胶筒（2）包括由遇液体不膨胀的弹性材料制成的内筒（21）和由遇液体膨胀的弹性材料制成的外筒（22），所述胶筒固定环（3）上设有通向所述环形空间（5）的第一流道（34），所述第一流道（34）的入口设有密封阀芯（35），所述内筒（21）包括内筒体（211），所述内筒体（211）轴向中心处设有径向的通孔（212），所述通孔（212）的面向所述中心管（1）的一端设有可压裂的封膜（213），所述胶筒（2）与所述胶筒固定环（3）的连接处环绕设有指型簧片（4）。

2.根据权利要求1所述的套管外封隔器，其特征在于，所述外筒（22）包括外筒体（221），所述外筒体（221）内设有互通的第二流道（222）和第三流道（223），所述第二流道（222）为径向设置且连通所述通孔（212），所述第三流道（223）为轴向设置。

3.根据权利要求2所述的套管外封隔器，其特征在于，所述外筒（22）外侧套设保护筒（24），所述保护筒（24）由遇液体不膨胀的高弹性材料制成，所述外筒体（221）内增设第四流道（224），所述第四流道（224）为径向设置且连通所述第三流道（223），所述第四流道（224）有多个且以所述第二流道（222）为中线对称排列，相邻两个所述第四流道（224）之间的距离沿所述第三流道（223）上下两端逐渐递减。

4.根据权利要求3所述的套管外封隔器，其特征在于，所述保护筒（24）外侧壁设有圆形的第二防滑凸起（241），所述第二防滑凸起（241）沿所述保护筒（24）轴向排列且向其轴线中心处聚拢，所述第二防滑凸起（241）上设有若干第三防滑凸起（242）。

5.根据权利要求1所述的套管外封隔器，其特征在于，所述外筒（22）包括外筒体（221），所述外筒体（221）的内壁为弧形凹面，所述弧形凹面的中心处设有镂空的尖刺部（225），所述尖刺部（225）对准所述通孔（212），所述中心处的上下两侧对称设有多组所述尖刺部（225），所述内筒体（211）上增设与多组所述尖刺部（225）相应的所述通孔（212）和所述封膜（213）。

6.根据权利要求1所述的套管外封隔器，其特征在于，所述胶筒（2）还包括卡紧所述内筒（21）和所述外筒（22）两端的连接环（23），所述连接环（23）与所述胶筒固定环（3）连接，所述连接环（23）为顶部封端的空心圆环，包括内环壁（231）、外环壁（232）和顶壁（233），所述内环壁（231）与所述顶壁（233）一体成型，所述外环壁（232）与所述顶壁（233）可拆卸连接，所述顶壁（233）的外侧壁设有第一螺孔（2331），所述外环壁（232）上方设有贯穿所述外环壁（232）的第二螺孔（2321），所述第一螺孔和所述第二螺孔通过沉头螺钉（234）连接，所述第一螺孔（2331）和所述第二螺孔（2321）有多个，分别沿所述顶壁（233）和所述外环壁（232）圆周等距排列，所述内筒（21）与所述外筒（22）的厚度合计略大于所述连接环（23）的所述内环壁（231）与所述外环壁（232）之间的距离，所述内环壁（231）和所述外环壁（232）相对一侧分别设有密封圈（235），所述密封圈（235）上设有第一防滑凸起（2351），所述第一防滑凸起（2351）面向所述顶壁（233）的方向斜向。

7.根据权利要求1所述的套管外封隔器，其特征在于，所述胶筒固定环（3）包括同轴心且依次互通连接的锥形环（31）、第一圆环（32）和第二圆环（33），所述第一圆环（32）的直径大于所述第二圆环（33）的直径，所述胶筒（2）套设于所述第二圆环（33）的外侧，所述第一圆环（32）上设有面向所述中心管（1）开设的径向凹槽（321），所述径向凹槽（321）的槽口处可滑动设有所述密封阀芯（35），所述径向凹槽（321）内设有弹簧（322），所述弹簧（322）一端固定于所述径向凹槽（321）的槽底，另一端连接所述密封阀芯（35），所述径向凹槽（321）与所述第一流道（34）互通。

8.根据权利要求1所述的套管外封隔器，其特征在于，所述胶筒固定环（3）包括同轴心且依次互通连接的第一圆环（32）和第二圆环（33），所述第一圆环（32）的直径大于所述第二圆环（33）的直径，所述胶筒（2）套设于所述第二圆环（33）的外侧，所述密封阀芯（35）包括第一阀芯（351）和第二阀芯（352），所述第一圆环（32）上设有与其同轴的环形密封第五流道（323）和贯穿所述第五流道（323）的第一圆孔（324）和第二圆孔（327），所述第一圆孔（324）和所述第二圆孔（327）的轴线与所述中心管（1）平行，所述第一圆孔（324）底部设有连通所述中心管（1）的第六流道（325），所述第一圆孔（324）底部设有所述第一阀芯（351），所述第一阀芯（351）在初始状态下封住所述第五流道（323），所述第一阀芯（351）上方设有抵住所述第一阀芯（351）的第一剪钉（326），所述第一圆孔（324）上方设有第一限位块（36）；所述第二圆孔（327）底部设有第七流道（328），所述第七流道（328）连通所述第一流道（34），所述第二圆孔（327）内设有工字型的所述第二阀芯（352），所述第二阀芯（352）包括底部（3521）、中轴（3522）和顶部（3523），所述底部（3521）和所述顶部（3523）的直径与所述第二圆孔（327）相适应，所述中轴（3522）的直径小于所述第二圆孔（327），初始状态下，所述中轴（3522）位于所述第五流道（323）内，所述底部（3521）和所述顶部（3523）位于所述第五流道（323）的上下两侧，所述第五流道（323）远离所述中心管（1）的一侧连通所述第一流道（34），所述第二阀芯（352）上方设有抵住所述第二阀芯（352）的第二剪钉（329），所述第二圆孔（327）上方设有第二限位块（37）。

9.根据权利要求1所述的套管外封隔器中的封膜制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、按高密度聚乙烯：聚丙烯为2：1的比例共混获得第一共混物；

S2、按第一共混物：填料为1：（0.05-0.25）的比例共混获得第二共混物；

S3、将第二共混物放入单螺杆挤出机熔融挤出获得挤出物；

S4、将挤出物冷却制得所述封膜（213）。

10.根据权利要求9所述的封膜制备方法，其特征在于，所述单螺杆挤出机包括挤出机本体和口模（6），所述口模（6）包括入口管（61）、稳流区（62）、稳流板（63）和主流道（64），所述入口管（61）连通所述稳流区（62），所述稳流区（62）的截面为锥形，所述稳流板（63）设于所述稳流区（62）和所述主流道（64）之间，所述稳流板（63）上设有多个稳流孔（631），所述稳流孔（631）沿所述稳流板（63）的中心处向外围等距分布且其孔径向外围逐渐增大。

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