上下兩端直徑較大的膠筒、封隔器和橋塞的製作方法

2023-06-02 15:09:56 2

本申請涉及密封領域，特別是涉及一種石油開採工業中使用的能承受高溫高壓的上下兩端直徑較大的膠筒。

背景技術：

封隔器是油田井下採油的一種關鍵工具，廣泛應用於油田分注、分層改造、分層採油、機械管道堵水等多種作業，封隔器需要進行環空的封隔，以實現油氣分層，而實現環空封隔的核心部件是膠筒。橋塞也是採油工作中普遍使用的一種油氣分層的工具。封隔器和橋塞的主要區別是，封隔器一般是在壓裂、酸化、找漏等措施施工時暫時的留在井內，而橋塞是在封層採油等措施時暫時或永久地留在井內。封隔器和中心管同時留井，配上丟手可以單獨留井，而橋塞則是單獨留井。從結構上說，封隔器是中空結構，可以自由流動油氣水，而橋塞中則是實心結構。

作為油氣分離的工具，封隔器和橋塞都需要膠筒，膠筒作為密封的關鍵部件，其質量直接影響封隔器和橋塞的密封效果和使用壽命，在封隔器和橋塞中起著決定性的作用。膠筒一般採用橡膠類材料製成，故稱之為膠筒。但膠筒僅是一種行業內約定成俗的技術術語，用於表示起到密封作用的功能性部件，而不僅僅指膠筒只能由橡膠製作。當膠筒承受一定的壓力來促使其變形用來密封時，需要考慮膠筒本身的形變能力，若形變不足會導致其無法起到密封作用；若形變過大，可能導致膠筒因壓潰而失效，喪失恢復能力。最重要的是，當膠筒在井下受到高溫蒸汽作用時，膠筒更多的是受到高溫高壓的同時作用而失效導致失去恢復能力。

2002年第九期的《石油機械》公開了《封隔器壓縮膠筒「防突」新結構》，其中記載有如下內容：「所謂防突，就是在膠筒端部安放某種阻擋環、支撐件、限制裝置和保護件等，用於阻止和限制封隔器坐封時膠筒朝油套環形空間突出或流動」。「由於防突結構是用來覆蓋封隔器和套管間的環形間隙，封隔器坐封時，一旦膠筒變形與套管壁接觸，在外載作用下，防突裝置就會展開罩住封隔器與套管壁間的環隙，阻止膠筒朝此環隙中突出，迫使膠筒呈各向均勻壓縮 狀態，產生和保持膠筒較高的接觸應力，從而獲得良好的密封」。「……主要有銅碗固化型和鋼網或鋼帶固化型兩種。前者是將兩個2mm厚的銅碗分別固化在兩個端膠筒某一端面上，後者是將厚1mm左右的鋼網或鋼帶分別固化在兩個端膠筒某一端面上」。

2013年第一期的《石油礦場機械》公開了《封隔器膠筒結構改進及優勢分析》的文章，其中記載有以下內容：「常用的封隔器上串有3個膠筒，分為上、中、下3個膠筒結構尺寸相同和上下膠筒為長膠筒、中膠筒為短膠筒2種結構形式。通過對傳統三膠筒結構的研究發現，起主要密封作用的是上膠筒」。並且，通過非線性有限元分析軟體Abaqus進行非線性分析得出：「隨著軸向載荷增大，軸向壓縮量也增大，開始時壓縮量增大較明顯，隨後壓縮量增大變緩，膠筒變形趨於穩定；隨著坐封力的增大，膠筒與套管接觸長度逐漸增加。膠筒外表柱面部分徑向變形受限制，膠筒內表面變形如外表一樣向外鼓，當載荷增加時膠筒被壓扁並在最後壓實。但由於結構限制，只有上膠筒能夠被壓實。在工作壓力為30MPa時，上膠筒基本完全壓實，膠筒上端出現輕微肩突，但未發生膠筒割裂現象，肩突在允許範圍之內」。

2009年第一期《石油礦場機械》中的《高壓封隔器密封膠筒的改進》中認為「由於橡膠表層容易被撕裂，因此考慮在橡膠的表層加一層金屬片(例如銅片)」。

但是，上述現有技術僅分析了施加第一軸向壓力(相當於「軸向載荷」)對膠筒形變的影響。但在實際生產過程中，需要對膠筒首先施加一個自上而下的第一軸向壓力來使膠筒產生初步的密封，然後膠筒施會受到自下而上的第二軸向壓力(井底氣體等物質對膠筒的衝擊)。根據發明人的試驗，當第一軸向壓力為30MPa時，發明人發現幾乎所有的膠筒都會出現肩突，再進一步施加第二軸向壓力(例如15MPa或20MPa)時，所有的膠筒均會在肩突處產生割裂，導緻密封失效。

進一步地，發明人還發現，即使在施加第二軸向壓力時膠筒能夠短暫的密封，但井底氣體等物質對膠筒衝擊時，包含於其中的高溫高壓蒸汽的小分子會對高分子材料的膠筒產生降解作用，導致膠筒首先在下端部失去彈性而無法起到密封作用，進而在膠筒的中間部也產生降解而失去彈性，影響膠筒密封的長效性。

技術實現要素：

本申請的一個目的在於提供一種新的結構設計的膠筒，來防止或減小膠筒的降解。

根據本申請的一個方面，提供一種上下兩端直徑較大的膠筒，具有位於中心的通孔、位於所述通孔處的內表面、與所述內表面相對應的外表面、分別位於所述膠筒兩端的上端部和下端部以及位於所述上端部和所述下端部之間的中間部，所述上端部用於承受沿軸向方向的第一軸向壓力，所述下端部用於承受沿所述軸向方向的與所述第一軸向壓力相反的第二軸向壓力；當所述第一軸向壓力施加於所述上端部時，所述上端部、中間部及下端部均在徑向方向發生形變；當所述第二軸向壓力施加於所述下端部時，所述上端部、中間部及下端部均在所述徑向方向發生形變，所述膠筒包括在所述軸向方向排列的一個以上的金屬絲密封環和一個以上的纖維絲密封環，其中的一個所述金屬絲密封環與其中的一個所述纖維絲密封環相牴觸且設置在該纖維絲密封環的下方；

所述金屬絲密封環包括相互交叉的多根金屬絲以及將各所述金屬絲粘接在一起的膠體；

所述纖維絲密封環包括相互交叉的耐高溫高壓的多根纖維絲以及將各所述纖維絲粘接在一起的膠體；

所述膠筒的上端設置一個硬質密封環來充當所述膠筒的上端部，所述膠筒的下端設置另一個所述硬質密封環來充當所述膠筒的下端部；

所述金屬絲密封環外均包覆第一石墨層，所述第一石墨層至少包覆所述金屬絲密封環的外側面；

所述纖維絲密封環外均包覆第二石墨層，所述第二石墨層至少包覆所述纖維絲密封環的外側面；

上端的所述硬質密封環與下端的所述硬質密封環的直徑均大於所述金屬絲密封環的直徑及所述纖維絲密封環的直徑。

優選地，所述第一石墨層包覆所述金屬絲密封環的外側面、上表面以及下表面，所述第二石墨層包覆所述纖維絲密封環的外側面、上表面以及下表面；或

所述第一石墨層包覆所述金屬絲密封環的外側面、內側面、上表面以及下表面，所述第二石墨層包覆所述纖維絲密封環的外側面、內側面、上表面以及下表面。

優選地，所述第一石墨層和所述第二石墨層的外部均塗覆有保護層，所述保護層在高溫時被破壞而液化或固化為熔渣。

優選地，其中的一個所述金屬絲密封環的下方設置有相牴觸的第一隔環，與該金屬絲密封環相牴觸的一個所述纖維絲密封環的上方設置有相牴觸的第二隔環，所述第一隔環和所述第二隔環的硬度均大於所述金屬絲密封環與所述纖維絲密封環的硬度；

並且，所述金屬絲密封環與其相牴觸的一個所述纖維絲密封環之間不設置隔環。

優選地，所述第一隔環和所述第二隔環均為金屬材質。

優選地，所述第一隔環和所述第二隔環均為鋁材質；

所述第一隔環的厚度為D1，所述第二隔環的厚度為D2，並且4mm≤D1≤6mm，4mm≤D2≤6mm。

優選地，所述第一隔環的厚度為5mm。

優選地，所述第二隔環的厚度為5mm。

優選地，所述第一隔環和所述第二隔環均為鐵材質；

所述第一隔環的厚度為D1，所述第二隔環的厚度為D2，並且2mm≤D1≤4mm，2mm≤D2≤4mm。

優選地，所述第一隔環和所述第二隔環的厚度均為3mm。

所述硬質密封環為石墨密封環，所述石墨密封環包括相互交叉的耐高溫高壓的碳纖維絲以及將各所述碳纖維絲粘接在一起的石墨。

進一步優選地，所述石墨密封環外包覆有銅皮。

根據本申請的另一個方面，提供一種封隔器，該封隔器具有上述技術方案之一所限定的膠筒。

根據本申請的再一個方面，提供一種橋塞，該橋塞具有上述技術方案之一所限定的膠筒。

本申請提供的技術方案至少具有如下技術效果：

1、根據本申請的技術方案，上端部的硬度大於中間部的硬度，這樣在上端部受到第一軸向壓力時，上端部更多地是將該第一軸向壓力傳遞給中間部及下端部而非用於自身的徑向變形。這樣能夠在使用較小的第一軸向壓力時即可讓中間部及下端部發生徑向變形，從而達到膠筒整體的密封。

2、根據本申請的技術方案，在中間部的硬度不變的情況下，本申請將上端部的硬度設置為大於中間部的硬度，這樣在受到相同大小的第一軸向壓力作用時，上端部在徑向方向的變形較小，特別需要注意的是，相應地上端部因徑向 變形而形成的肩突也較小。較小的肩突能夠有效地防止膠筒割裂，達到了防止膠筒密封失效的效果。

3、在一個實施例中，當纖維絲的數量較多時纖維絲密封環偏硬，當纖維絲的數量較少時纖維絲密封環偏軟，這樣就可以根據纖維絲的數量來調節纖維絲密封環的軟硬程度，金屬絲密封環也是如此。這樣能夠通過改變纖維絲密封環或金屬絲密封環的硬度來直接改變膠筒整體的硬度，達到增加膠筒的抗壓強度範圍的目的。並且，當膠筒受到第一軸向壓力而膨脹時，纖維絲或金屬絲將限制該膨脹，從而在整體上增加膠筒的結構硬度，增加膠筒的抗壓強度。

4、本申請的多個密封環(金屬絲密封環、纖維絲密封環和硬質密封環)軸向排列，在石油開採過程中若有個別密封環損壞，可以將損壞的密封環更換為新的密封環，而其餘密封環不再更換。這樣從整體上而言，增加了單個密封環平均的使用時長，能夠大大減小膠筒的使用量，降低生產成本。

5、當膠體與石墨盤根或碳纖維盤根結合而成為纖維絲密封環時，盤根整體能起到支撐作用，而膠體能起到變形和密封加強的作用。本申請選用現有的盤根而非另行製作，能夠增加生產的靈活性。據發明人所知，現有的石墨盤根和碳纖維盤根可以耐受住高溫高壓的作用，但石墨盤根和碳纖維盤根的回彈性較差。在本申請中，膠體分散於盤根之中，在第一軸向壓力消失後膠體有助於被壓縮的盤根進行回彈，從而有利於膠筒從井下取出。

6、本申請的金屬絲密封環設置在纖維絲密封環的下方時，金屬絲密封環因與中心管和/或套管的摩擦會減小傳遞給纖維絲密封環的自下而上的第二軸向壓力，而肩突產生的很大一部分原因就在於第二軸向壓力過大，所以這種設計可以減小或防止肩突的產生。

7、在本申請的一個實施例中，為了防止高溫高壓蒸汽對膠筒的降解或其它氣體對膠筒的腐蝕，需要在膠筒與井底氣體接觸的地方都包覆石墨層來防止或減小腐蝕和降解，但是為了防止肩突的發生，需要膠筒的上下端部均為不怕腐蝕與降解的金屬，尤其是耐腐蝕和降解的銅。所以本申請只對中間部包覆石墨層，這樣結構的膠筒既能夠防止肩突的發生，又能夠防止膠筒在井下長時間使用時發生降解和腐蝕。

8、在本申請的一個實施例中，上端的所述硬質密封環與下端的所述硬質密封環的直徑均大於所述金屬絲密封環的直徑及所述纖維絲密封環的直徑，這樣包覆在金屬絲密封環和纖維絲密封環外側面的石墨層在下沉到井底及運輸過程中會被直徑較大的硬質密封環在上下端部保護，防止了石墨層的損壞。

附圖說明

後文將參照附圖以示例性而非限制性的方式詳細描述本申請的一些具體實施例。附圖中相同的附圖標記標示了相同或類似的部件或部分。附圖中：

圖1是本申請一個實施例的包含膠筒的壓縮式封隔器與中心管及套管的位置關係示意圖；

圖2是本申請一個實施例的膠筒與中心管及套管的位置關係示意圖，其中僅示出了一部分膠筒、中心管及套管；

圖3示出了圖2所示的膠筒被施加第一軸向壓力後產生的肩突與中心管及套管的位置關係示意圖，此時還未對膠筒施加第二軸向壓力；

圖4是本申請一個實施例的膠筒的結構示意圖；

圖5是本申請一個實施例的密封環的結構示意圖；

圖6是本申請一個實施例的密封環的橫截面示意圖；

圖7是本申請一個實施例密封環的橫截面示意圖；

圖8是本申請一個實施例的密封環的橫截面示意圖；

圖9是本申請一個實施例的密封環的橫截面示意圖；

圖10是本申請一個實施例的密封環的橫截面示意圖；

圖11是本申請一個實施例的未示出通孔的膠筒的橫截面示意圖；

圖12是根據本申請一個實施例的三段式的膠筒的結構示意圖。

圖中的附圖標記如下：

10-膠筒，101-外表面，102-內表面，103-通孔，104-上端部，105-中間部，106-下端部，107-肩突；

108-基體，109-膠體，111-第一銅皮，111a-內側銅皮，111b-外側銅皮，111c-開口，111d-上側銅皮，111e-下側銅皮，112-第二銅皮，113-第三銅皮，114-第二石墨層；

30-中心管；

40-套管；

50-剛性隔環，51-第一隔環，52-第二隔環，53-第三隔環，54-第四隔環；

70-密封環，71-金屬絲密封環，72-纖維絲密封環，73-石墨密封環；

200-壓縮式封隔器；

A-第一軸向方向；

B-第二軸向方向；

F1-第一軸向壓力；

F2-第二軸向壓力。

具體實施方式

下文所述的方向「上」、「下」均是以圖2作為參考敘述的。

如圖1所示的壓縮式封隔器200具有本申請的膠筒10。壓縮式封隔器200連接於中心管30上並置於套管40內。壓縮式封隔器200需要在井筒中把不同的油層、水層分隔開並承受一定壓差，要求既能下到井筒預定位置，封隔嚴，又能在井下具有耐久性，需要時可順利起出。

如圖2所示，膠筒10位於套管40和中心管30組成的環形空隙內，剛性隔環50在軸向方向上提供自上而下(即第一軸向方向A)的第一軸向壓力F1，在其它實施例中還可以去掉剛性隔環50並由能對膠筒10施加第一軸向壓力F1的其它部件來代替。如圖2所示，膠筒10兩端為上端部104和下端部106，中間部105位於上端部104和下端部106之間。上端部104用於承受沿軸向方向的第一軸向壓力F1，下端部106用於承受沿軸向方向的與第一軸向壓力F1相反的第二軸向壓力F2。作為膠筒10的一部分，上端部104、下端部106和中間部105均應該具有彈性。作為對彈性的一種解釋及彈性大小的限定，當第一軸向壓力F1施加於上端部104時，上端部104、中間部105及下端部106均在徑向方向發生形變；當第二軸向壓力F2施加於下端部106時，上端部104、中間部105及下端部106均在徑向方向發生形變。在圖2所示實施例中，上端部104和下端部106均具有斜邊，在其它實施例中也可以不設置該斜邊。

如圖3所示，發明人發現，當上端部104受到第一軸向壓力F1時，上端部104會產生很大的肩突107，當再施加第二軸向壓力F2時，上端部104會在圖3中的肩突107處發生割裂。圖3隻示出了較多發生的向上的肩突，而未示出較少發生的向下的肩突。

下面來敘述本申請減少或防止肩突107的結構設計。

在圖4所示實施例中，膠筒10整體為筒狀，膠筒10具有位於中心的通孔103，該通孔103由內表面102限定而形成，外表面101位於與內表面102相對應的通孔103的外側處。當第一軸向壓力F1沿第一軸向方向A作用於上端部104或第二軸向壓力F2沿第二軸向方向B作用於下端部106時，膠筒10整體將被軸向壓縮而進行徑向擴張(與「在徑向方向的發生形變」具有相同的含 義)，促使外表面101向外凸起並且內表面102向內凸起，但在時序上一般地是外表面101先部分地向外凸起。在施加第一軸向壓力F1後，內表面102與圖1和圖2中的中心管30密封，外表面101與圖1和圖2中的套管40密封。一般地，內表面102與中心管30之間的空隙較小(幾近相互貼合)，而外表面101與套管40之間的間隙較大，由於中心管30和套管40分別將內表面102和外表面101的最大的凸起大小進行了限定，所以導致外表面101向外凸起的程度大於內表面102向內凸起的程度。

一種減小肩突107的設計：

如上所述，上端部104、下端部106和中間部105均應該具有彈性，但在圖2和圖4所示實施例中，上端部104的硬度大於中間部105的硬度，也就是說上端部104、下端部106與中間部105的彈性大小不同。所以上端部104承受第一軸向壓力F1時，中間部105在徑向方向的形變大於上端部104在徑向方向的形變。

由於上端部104的硬度大於中間部105的硬度，這樣在上端部104受到第一軸向壓力F1時，上端部104更多地是將該第一軸向壓力F1傳遞給中間部105及下端部106而非用於自身的徑向變形。這樣能夠在使用較小的第一軸向壓力F1時即可讓中間部105及下端部106發生徑向變形，從而達到膠筒10整體的密封。發明人在試驗中發現，若上端部104的硬度不大於中間部105的硬度，則上端部104在受到第一軸向壓力F1時，更多的是用於自身的徑向變形而非傳遞給中間部105及下端部106，不能防止或減小如圖3所示的肩突107。

根據本申請的技術方案，在中間部105的硬度不變的情況下，本申請將上端部104的硬度設置為大於中間部105的硬度，這樣在受到相同大小的第一軸向壓力F1作用時，上端部104在徑向方向的變形較小，特別需要注意的是，相應地上端部104因徑向變形而形成的肩突107也較小。較小的肩突107能夠有效地防止膠筒10割裂，達到了防止膠筒10密封失效的效果。

由於上端部104的徑向形變較小，很可能地，此時上端部104在徑向方向的形變已經不足將套管40和中心管30密封，也就是說此時上端部104將不再起到密封作用，而僅僅是將受到的第一軸向壓力F1傳遞給中間部105和下端部106，這是本申請的膠筒10與現有技術的膠筒的一個很重要的不同之處。而且，即使上端部104的徑向形變較大而將套管40和中心管30密封，此時上端部104的密封也僅是對中間部105密封的一個補充。無論上端部104是否起到密封作 用，上端部104硬度大於中間部105硬度的設置，防止了肩突107的過大而導致的膠筒10割裂，也能用較小的第一軸向壓力F1對膠筒10進行密封。

根據本申請的技術方案，在中間部105的硬度不變的情況下，本申請將上端部104的硬度設置為大於中間部105的硬度，但是這樣上端部104在第一軸向壓力F1作用下可能並未與套管40接觸而並不起到密封作用。在該種特殊結構下，當進而下端部106與中間部105的硬度基本相同時，本申請的膠筒的密封由下端部106和中間部105來提供；當下端部106與上端部104的硬度基本相同時，本申請的膠筒的密封由中間部105來提供。這樣本申請的膠筒10與現有技術的膠筒在起密封作用的結構上完全不同。

作為一個優選實施例，當上端部104的外壁與套管40的內壁相牴觸時，更優地是上端部104的外壁與套管40的內壁密封時，此時上端部104的下部基本等面積地覆蓋於中間部105的上部，上端部104與中間部105基本不存在徑向方向上的差異，從而能對中間部105與上端部104結合處產生向下的抵壓作用，防止或者減少結合處向上凸起而導致肩突。

若為了達到如上所述的「更多地是將該第一軸向壓力F1傳遞給中間部105及下端部106而非用於自身的徑向變形」和上端部104不產生肩突107的效果，可以使用不易變形的金屬塊，例如鐵塊。若金屬塊的直徑較小，則與金屬塊接觸的中間部105會產生更大的向上凸起，而若金屬塊的直徑較大，則考慮到套管40的彎曲情況，較大的金屬塊不易在套管40內滑行到合適的位置，尤其考慮到滑行距離可能長達1公裡且套管40內壁具有凸起雜物時。而且若套管40內進入異物則較大的金屬塊也不易從套管內抽離。從另一方面說，把膠筒10從套管40內拉出的提升力較小則不能將金屬塊從套管40內抽離，提升力較大則可能損傷套管40。綜合考慮，本申請使用的上端部104具有彈性，但需要對上端部104的彈性進行限定，即上端部104的硬度大於中間部105的硬度，這樣上端部104可以做的直徑較小，方便在套管內移動，例如上端部104可以與中間部105的直徑相同。由於上端部104較硬，其自身不易形成向上的凸起或者形成的凸起較小，由於在壓縮時上端部104在徑向方向逐漸延伸變形而發生形變，減小了上端部104與套管40之間的空隙，從而減小或阻止了中間部105向上的凸起。

在一個實施例中，下端部106的硬度大於中間部105的硬度，以致下端部106承受第二軸向壓力F2時，中間部105在徑向方向的形變大於下端部106在徑向方向的形變。基於同樣的原理，這樣的結構能夠防止下端部106在承受第 一軸向壓力F1或者第二軸向壓力F2時產生向下的凸起，並能夠在已經產生向下凸起的情況下來防止下端部106在進一步承受第二軸向壓力F2時造成凸起變大，從而防止下端部106被割裂而引起膠筒10密封失效。

在另一個實施例中，上端部104與下端部106的硬度基本相同，也就是說，上端部104與下端部106的硬度均大於中間部105的硬度，這樣無論受到第一軸向壓力F1還是第二軸向壓力F2時，中間部105的形變均大於上端部104與下端部106。這樣的結構能使中間部105很快地達到密封狀態，並且防止或減小上端部104與下端部106發生肩突。

如圖2、圖3和圖4所示實施例中，膠筒10由上端部104、下端部106和中間部105三部分組成。以圖4為例，在第一軸向方向A上，也就是自上而下的方向上，三個密封環70分別充當上端部104、下端部106和中間部105，但更多地是由至少兩個密封環70來充當中間部105。

另一種減小肩突107的設計：

背景技術部分提到「所謂防突，就是在膠筒端部安放某種阻擋環、支撐件、限制裝置和保護件等，用於阻止和限制封隔器坐封時膠筒朝油套環形空間突出或流動」。「主要有銅碗固化型和鋼網或鋼帶固化型兩種。前者是將兩個2mm厚的銅碗分別固化在兩個端膠筒某一端面上，後者是將厚1mm左右的鋼網或鋼帶分別固化在兩個端膠筒某一端面上」。

上述兩種現有設計遵循同一種思路：直接在肩突的發生部位使用約束件進行限制，來直接防止肩突的產生。所以約束件的硬度需要考慮：若約束件過硬則在膠筒形變的過程中，很可能約束件會對膠筒產生割傷，若約束件過軟則無法起到防止肩突的作用。所以對約束件的要求非常嚴格，例如對於上述的現有技術的銅碗而言，需要嚴格的控制銅碗的厚度。

如背景技術所述「根據發明人的試驗，當第一軸向壓力為30MPa時，發明人發現幾乎所有的膠筒都會出現肩突，再進一步施加第二軸向壓力(例如15MPa或20MPa)時，所有的膠筒均會在肩突處產生割裂，導緻密封失效」。發明人認為應該從膠筒本身的結構上進行改進，來研發出一種既能夠密封又不容易產生肩突的膠筒結構。但矛盾在於，若需要膠筒實現密封功能則膠筒不能太硬，若需要防止肩突則膠筒不能太軟。若膠筒是一個硬度均勻體，則需要選擇合適硬度能起到的材料，根據現有技術來看，目前在世界範圍內還未研製出耐受20MPa高壓和350℃高溫同時作用的新材料。

本申請採用了不同的思路：首先本申請的膠筒10由多個在軸向方向排列的密封環70組成，這樣各個密封環70因材料的選擇就可以硬度不同，較硬的密封環70設置的膠筒10的兩端能起到防止肩突產生的問題，較軟的密封環70則可以起到密封的效果。進一步地，如圖11所示，膠筒10包括在軸向方向排列的一個以上的金屬絲密封環71和一個以上的纖維絲密封環72，其中的一個金屬絲密封環71與其中的一個纖維絲密封環72相牴觸且設置在該纖維絲密封環72的下方。其中，金屬絲密封環71包括相互交叉的多根金屬絲以及將各金屬絲粘接在一起的膠體。其中，纖維絲密封環72包括相互交叉的耐高溫高壓的多根纖維絲以及將各纖維絲粘接在一起的膠體。發明人經過多次試驗，發現現有的纖維絲在22Mpa拉力的作用下會發生斷裂，因此纖維絲做成的纖維絲密封環72在22Mpa軸向壓力作用下也很容易發生斷裂。因此發明人選擇使用了金屬絲密封環71。但是金屬絲與膠體的粘連性小於纖維絲與膠體的粘連性，若起密封作用的部分全部使用金屬絲密封環71，則在高壓作用下金屬絲密封環71中的膠體很可能脫落，導致膠筒10無法密封，所以本申請將金屬絲密封環71與纖維絲密封環72配對使用。金屬絲密封環71設置在纖維絲密封環72的下方的原因在於，發明人發現肩突的產生以及肩突的破裂更多地是發生在膠筒10被施加自下而上的第二軸向壓力F2時，當金屬絲密封環71設置在纖維絲密封環72的下方時，金屬絲密封環71因與中心管30和/或套管40的摩擦會減小傳遞給纖維絲密封環72的軸向壓力，此時能夠有效的減小纖維絲密封環72受到的軸向壓力，而肩突產生的原因就在於軸向壓力過大，所以這種設計可以減小或防止肩突的產生。另外金屬絲密封環71是由金屬絲和膠體組成的，在受到第一軸向壓力F1時，其內壁和外壁基本上已經分別與中心管30和套管40接觸，這樣在中心管30和套管40構成的環形空間內，金屬絲密封環71以基本與環形空間橫截面相同的面積施加於纖維絲密封環72上，再加上金屬絲密封環71相比純金屬防肩突結構柔軟的特性，金屬絲密封環71不會對纖維絲密封環72產生割裂。尤其是，如圖11所示，當膠筒10的兩端分別為石墨密封環73時，由於石墨密封環73相對較硬，在一個優選實施例中石墨密封環73外部還套設有銅皮，石墨密封環73並不會割裂金屬絲，由此也不會割裂金屬絲密封環71。需要說明的是，石墨密封環73僅為硬質密封環的一種，還可以為經過淬火的銅環。在圖11所示實施例中，實現了上述兩種防肩突設計的結合，效果明顯。

圖11中僅示意性的示出了一個金屬絲密封環71和一個纖維絲密封環72，在其它實施例中還可以設置更多的金屬絲密封環71，同樣地設置相同數量的與金屬絲密封環71相配合的纖維絲密封環72。

下面來具體敘述纖維絲密封環72的形狀及結構。

在試驗過程中發明人發現，由於膠筒10的軟硬有差異，例如，由聚醚醚酮製作的膠筒10較硬，使膠筒10達到坐封需要的第一軸向壓力F1較大或者說在額定大小的第一軸向壓力F1下膠筒10變形不足，導致膠筒10無法起到密封作用。當使用較軟的膠體製成膠筒10時，該膠筒10又會因無法承受住額定大小的第一軸向壓力F1而被壓潰或者即使能夠承受住第一軸向壓力F1但在隨後承受第二軸向壓力F2時膠筒還會被壓潰。

發明人在解決膠筒10較軟的過程中，曾在膠體中摻雜多個相互分離的耐高溫高壓的纖維絲，例如石墨盤根絲、玻璃纖維絲。這樣的結構在一定程度上能夠解決膠筒10整體偏軟的問題。但是，發明人進一步發現，雖然摻雜的纖維絲每個均與膠體相連，但各個纖維絲之間基本不連接或者連接較少，所以只能很有限地增加膠筒10的硬度。所以，發明人設計了如下的技術方案：如圖5所示，使用相互交叉的多根纖維絲組成一個基體108，並使膠體109分布於基體108的表面上並粘接各纖維絲來形成纖維絲密封環72，這樣結構具有在徑向方向的延展性，或者說，由於各纖維絲相互糾纏在一起而使纖維絲密封環72能在一定範圍內直徑變大而不發生斷裂(主要是纖維絲的斷裂)，在纖維絲密封環72直徑變大的過程中，相互交叉的纖維絲將抵消一部分促使其直徑變大的第一軸向壓力F1，從而若要使得纖維絲密封環72的直徑增大到一定程度，需要提供更大的第一軸向壓力F1。尤其是，膠體109將各交叉的纖維絲緊緊地連接在一起，若要使得纖維絲密封環72的直徑增大到一定程度，就需要更大的第一軸向壓力F1。歸納而言，各纖維絲交叉形成一個抵抗力，膠體109將各纖維絲粘接又形成一個抵抗力，在這兩個抵抗力的作用下，纖維絲密封環72比較難壓縮，這相當於膠筒10整體變硬。當纖維絲密封環72的一定體積內的纖維絲的數量大致相同時，發明人發現可以通過改變纖維絲密封環72的厚度來調整相互交叉的纖維絲的數量，進而能調整所需的第一軸向壓力F1的大小即施加給膠筒10的坐封力的大小。同樣地，可以通過增加纖維絲密封環72的一定體積內的纖維絲的數量來調整相互交叉的纖維絲的數量，進而也能調整所需的第一軸向壓力F1的大小。

在圖5中，示出了第二石墨層114，第二石墨層114分布於纖維絲密封環72外側面和內側面。在一個優選實施例中，第二石墨層114僅分布於纖維絲密封環72外側面，這是由於上文所述的「內表面102與中心管30之間的空隙較小(幾近相互貼合)，而外表面101與套管40之間的間隙較大」，所以纖維絲密封環72的內側面更容易與中心管30密封，而纖維絲密封環72的外表面很可能與套管40之間具有非常微小的間隙，而高溫高壓的蒸汽等其它氣體會在膠筒10密封后持續地通過這些微小的間隙對膠筒10產生腐蝕和降解。在其它的實施例中，第二石墨層114包覆纖維絲密封環72的外側面、上表面以及下表面。第二石墨層114雖然能夠耐受高溫和高壓，但其容易撕裂破碎，所以在本申請中第二石墨層114的外部塗覆有保護層，該保護層的作用僅在於在到達井下的過程中或者在運輸的過程中防止第二石墨層114損壞，例如該保護層可以是普通的膠液凝固而成或者聚乙烯塑料層，這些保護層並不會對膠筒10的密封產生積極的作用，而會在高溫時被破壞而液化或固化為熔渣。第一石墨層分布於金屬絲密封環71的位置及外部的保護層與此類似，此處不再贅述。另外一種保護第二石墨層114的結構如下，參見圖11，可以將纖維絲密封環72的直徑設置的稍微小於兩端的石墨密封環73的直徑，同樣地能防止第二石墨層114損壞。在另外一個實施例中，可以將上述兩種防止第二石墨層114損壞的措施結合使用，效果更為明顯。防止第一石墨層損壞的措施與防止第二石墨層114基本相同，此處不再贅述。

回到圖5，為了結構上的清晰需要，圖5僅示出了包覆於基體108所有表面的膠體109，而未示出滲入基體108內部的膠體109。作為對此處表面的一個說明，例如當基體108的橫截面為圓形時，圖5中的膠體109位於基體108的圓周面上。圖5中基體108由多根耐高溫高壓的纖維絲聚合而成，例如纖維絲可以為玻璃纖維或者碳纖維等其它耐高溫高壓的材質。在一個實施例中，各根纖維絲經緯編織在一起而形成基體108，在其它是實施例中各根纖維絲還可以以其它方式編織在一起而形成基體108。

圖5中基體108的厚度為1.8cm-2.5cm，纖維絲的直徑選擇為7-30μm，這樣就能在一個纖維絲密封環72上具有數量龐大的纖維絲，能極大的提高膠筒10的硬度。根據發明人的試驗，基體108的厚度以不超過2cm為宜。這是因為，發明人發現，需要將形成膠體109的膠液滲入基體108中來形成纖維絲密封環72，但隨著基體108厚度的增加膠液的滲入速度將逐漸變慢。尤其是當基 體108的厚度大於2.5cm後膠液滲入的速度將會非常慢。所以，在一個實施例中，各基體108的厚度為2cm，在其它實施例中也可以為1.8cm或者2.5cm。

通過上面的敘述可知，在本申請的技術方案中，並不必然需要該纖維絲具有彈性，這是由於膠筒10的收縮和膨脹由膠體109來完成。上文所述，膠體109分布於各基體108的表面上和內部並將各纖維絲粘接。理想的情況是，膠體109粘接每根纖維絲，並將各纖維絲交叉地粘接在一起。

金屬絲密封環71與此相似，此處不再贅述。

下面將詳細敘述膠筒10上包覆的銅皮。

發明人發現，在解決了肩突107的問題後，若膠筒10選用合適的材料則能夠起到密封作用，但在高溫高壓的環境下經過很短的時間(例如六小時)膠筒10還是會密封失效，對失效的膠筒10進行研究分析，發現膠筒更多地不是因肩突107的破裂而失效，而是因為膠筒10的下端部106潰爛而失效。經過研究，該潰爛是包含於井底氣體中的高溫高壓蒸汽的小分子會對高分子材料的膠筒產生降解造成的。當膠筒10密封后，只有下端部106的下表面與井底氣體直接接觸，從而造成膠筒10從下往上降解失效。

在圖6所示實施例中，密封環70外包覆有第一銅皮111，該第一銅皮111包覆密封環70的下表面(下邊部分)、內側面(左邊部分)、外側面(右邊部分)。可以看出，第一銅皮111具有開口111c，開口111c位於密封環70的上表面，且沿著密封環70的上表面延伸。在一個實施例中，參見圖5，開口111c也可以沿著密封環70的上表面收縮成一個開孔。開口111c或開孔的設計，是為了在高溫高壓的情況下，供密封環70內殘存的氣體流出，在上部設置的密封環將該開孔抵壓時還能阻止高溫高壓的氣體從該開孔流入。在圖6所示實施例中，開口111c將第二銅皮112覆蓋，在其它的實施例中還可用第二銅皮112覆蓋住該開口111c。

必須考慮的是，密封環70為圓環形，所以包覆於其外的第一銅皮111也為圓環形，圓環形的第一銅皮111在彎折處容易產生破裂，所以在圖7所示實施例中，第一銅皮111包覆密封環70的上表面、下表面以及外側面而不包覆密封環70的內側面(左邊部分)。這樣，第一銅皮111隻需要一次彎折即可成形，提高了第一銅皮111的生產效率。上文提到「內表面102與中心管30之間的空隙較小(幾近相互貼合)，而外表面101與套管40之間的間隙較大」，所以密封環70僅需要很小的向內凸起即可與中心管30密封，而需要很大的向 外凸起才可與套管40密封，由此不包覆銅皮的面沒有選擇在外側面而選擇在內側面。

參見圖7，在圖7中第一銅皮111的開口邊緣與密封環70的內側面平齊，這種設計是在內側面不包覆銅皮的情況下，儘可能多地對密封環70的上下表面產生保護，減小高溫高壓蒸汽對密封環70的降解作用。

在圖8所示實施例中，密封環70外包覆有第三銅皮113，第三銅皮113包覆密封環70的下表面、內側面、外側面以及上表面，或者第三銅皮113包覆密封環70的上表面、下表面以及外側面而不包覆密封環70的內側面。當第一銅皮111還包覆於下端的石墨密封環73的上表面時，第一銅皮的形狀與第三銅皮113相同。

在圖9所示實施例中，密封環70外包覆有內側銅皮111a和外側銅皮111b，內側銅皮111a包覆密封環70的一部分下表面、全部內側面(左邊部分)以及一部分上表面。外側銅皮111b包覆密封環70的一部分下表面、全部的外側面(右邊部分)以及一部分上表面。並且內側銅皮111a和外側銅皮111b在上表面和下表面均有相互重合疊加的部分。

在圖10所示實施例中，密封環70外包覆有上側銅皮111d和下側銅皮111e，上側銅皮111d包覆密封環70的一部分內側面、全部上表面(上邊部分)以及一部分外側面。下側銅皮111e包覆密封環70的一部分內側面、全部下表面(下邊部分)以及一部分外側面。並且上側銅皮111d和下側銅皮111e在內側面和外側面均有相互重合疊加的部分。在一個實施例中，上側銅皮111d和下側銅皮111e在重疊處焊接來防止高溫高壓蒸汽的小分子與密封環70的直接接觸。

圖9和圖10所示實施例也是為了減少第一銅皮111的彎折處的數量，防止第一銅皮111在彎折處容易產生破裂，並且也提高了第一銅皮111的生產效率。

參見圖11，當下端的兩個石墨密封環73包覆有圖6、圖8或圖9銅皮時，能夠防止高溫高壓蒸汽的小分子對下端的石墨密封環73造成腐蝕和降解。進一步地，由於下端的石墨密封環73僅與中心管30和套管40牴觸，僅起到輕微的密封作用，下端的石墨密封環73與套管40之間很可能存在間隙，所以也需要在下端的石墨密封環73的外側面上覆蓋銅皮。由於下端的石墨密封環73的上表面被金屬絲密封環71的下表面抵壓，隔絕了與高溫高壓蒸汽的小分子的直接接觸，從這個方面來講，下端的石墨密封環73的上表面並不需要覆蓋銅皮。若如此，則銅皮的開口處必然位於下端的石墨密封環73的外側面上，這樣在膠筒10被壓縮而徑向變形的過程中，銅皮的開口會對金屬絲密封環71 產生割裂，由此在圖6所示實施例中，開口111c位於上表面上，為了進一步隔絕了與高溫高壓蒸汽的小分子的直接接觸，開口111c將第二銅皮112覆蓋。圖9中的內側銅皮111a和外側銅皮111b均為「U」形結構，在安裝時可以先將內側銅皮111a從內側面套設在密封環70上，從外側面將外側銅皮111b套設在密封環70及部分內側銅皮111a上，這樣的結構能夠將銅皮方便地安裝到密封環70上，提高了安裝效率。對於上端的兩個石墨密封環73來說，其與銅皮組合後的結構可以為圖6、圖8或圖9所示的結構。當為圖6所示的結構時，需要將第一銅皮111和第二銅皮112均旋轉180度來使用，此時開口111c被纖維絲密封環72的上表面抵壓住，這樣的結構能夠防止開口111c張開。通過對圖6所示結構分別用作處於上端和下端的敘述，可以知道開口111c均應被相鄰的密封環抵壓住，防止在受到第一軸向壓力F1或第二軸向壓力F2時開口111c張開。圖8中的結構，可以通過使用銅皮將密封環70包覆後再在縫隙處焊接來實現。圖9中的結構，之所以將內側銅皮111a和外側銅皮111b的重疊部分設置於密封環70上表面和下表面，原因在於，當內側銅皮111a和外側銅皮111b的重疊部分設置於密封環70的內側面或外側面時，當到第一軸向壓力F1或第二軸向壓力F2壓縮過程中，可能會對相鄰的密封環造成割裂，而且重疊部分設置於密封環70的上表面和下表面，相鄰的密封環會對重疊部分擠壓，進一步隔絕了與高溫高壓蒸汽的小分子的直接接觸。圖9中的內側銅皮111a和外側銅皮111b的重疊處焊接後可以形成圖8中所示的結構。並且可以通過對銅皮厚度的設置來防止承受第二軸向壓力F2時肩突破裂。在一個實施例中，銅皮的厚度為1mm。

需要特別強調的是，石墨密封環73外包覆銅皮，若要實現與中心管30和套管40的密封，即金屬與金屬的密封，則需要非常大的壓力。在本申請的實施例中，包括不包覆銅皮的金屬絲密封環71和纖維絲密封環72。最下端的石墨密封環73阻止大部分的高溫高壓蒸汽，次下端的石墨密封環73進一步阻止一部分高溫高壓蒸汽，這樣到達金屬絲密封環71和纖維絲密封環72的高溫高壓蒸汽就非常少了，有效的減少了高溫高壓蒸汽對金屬絲密封環71和纖維絲密封環72的腐蝕和降解，延長了膠筒10的密封持續時間。

當如圖12所示，當膠筒10為三段式時，每一段膠筒均可以為一個單獨的膠筒，這樣圖12所示的膠筒10就相當於由三個相互獨立的膠筒在軸向方向上拼接而成。圖12僅以膠筒10為三段式作為舉例，在其它實施例中膠筒還可以具有其它段，例如兩段或者五段。

在圖11所示實施例中，金屬絲密封環71的下方設置有相牴觸的第一隔環51，纖維絲密封環72的上方設置有相牴觸的第二隔環52，第一隔環51、第二隔環52、第三隔環53和第四隔環54的硬度均大於金屬絲密封環71與纖維絲密封環72的硬度。並且，金屬絲密封環71與纖維絲密封環72之間不設置隔環。第三隔環53設置在上端的兩個石墨密封環73之間，第四隔環54設置在下端的兩個石墨密封環73之間。

本申請的隔環(第一隔環51、第二隔環52、第三隔環53和第四隔環54)與現有技術的隔環所起的作用是不同的：在現有技術中隔環是理由其較硬的特性直接設置在膠筒10的兩端來防止肩突的產生。而在本申請中，由於膠筒10是由多個密封環(金屬絲密封環71、纖維絲密封環72以及石墨密封環73)組成，由於各個密封環的硬度有所不同，所以在軸向壓力作用下各個密封環在軸向方向上的形變不同，例如由於纖維絲密封環72較軟的原因而在軸向壓力作用下部分地嵌入到相鄰的石墨密封環73中，這會導致膠筒無法密封或密封效果不佳。所以在本申請中，隔環的設計是為了提供一個均勻的受力平面，由此本領域技術人員可知，在本申請中的隔環的上下兩個受力面都應該儘量的為平面狀，且為剛性。第一隔環51、第二隔環52、第三隔環53和第四隔環54等剛性隔環能夠均勻地對其接觸的上下兩個面施加壓力，防止金屬絲密封環71、纖維絲密封環72以及石墨密封環73在受到軸向壓力而在上表面或下表面變得凹凸不平。

金屬絲密封環71與纖維絲密封環72之間不設置隔環，其原因在於，當受到壓力時，金屬絲密封環71與纖維絲密封環72會結合為一體，整體起到密封作用。若設置隔環，則在壓力作用下，金屬絲密封環71與纖維絲密封環72會將隔環包圍，然後才會在徑向進行擴張來密封，這必然會減小密封性能。第一隔環51、第二隔環52、第三隔環53和第四隔環54為金屬材質，例如鋁材質或鐵材質。當為鋁材質時，所述第一隔環(51)的厚度為D1，所述第二隔環(52)的厚度為D2，並且4mm≤D1≤6mm，4mm≤D2≤6mm。優選地，D1和/或D2為5mm。由於鐵材質較硬，所以當為鐵材質時，2mm≤D1≤4mm，2mm≤D2≤4mm，優選地，D1和/或D2為3mm。

在圖11所示實施例中，在膠筒10未受到第一軸向壓力F1時，各密封環70均與膠筒10的徑向方向平行。如圖1所示，膠筒10在受到第一軸向壓力F1時，在軸向方向縮短而在徑向方向擴張，然後再在最下端的石墨密封環73處處承受第二軸向壓力F2。

在本申請的一個實施例中，基體108為石墨盤根或碳纖維盤根。盤根(packing)，通常由較柔軟的線狀物編織而成，通常截面積是正方形或長方形、圓形。在一個實施例中，基體108的橫截面為四邊形，例如正方形。在其它實施例中，基體108的橫截面也可以為圓形。

本申請還提供一種封隔器，該封隔器具有上述技術方案之一所限定的膠筒10。

本申請還提供一種橋塞，該橋塞具有上述技術方案之一所限定的膠筒10。

至此，本領域技術人員應認識到，雖然本文已詳盡示出和描述了本申請的多個示例性實施例，但是，在不脫離本申請精神和範圍的情況下，仍可根據本申請公開的內容直接確定或推導出符合本申請原理的許多其他變型或修改。因此，本申請的範圍應被理解和認定為覆蓋了所有這些其他變型或修改。