下端密封環包覆上下兩層銅皮的膠筒、封隔器和橋塞的製作方法

2023-12-03 05:27:16 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下端密封環包覆上下兩層銅皮的膠筒、封隔器和橋塞。

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，用於組織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)」。

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密封；然後再對膠筒施加一個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15Ma)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，即使膠筒能夠密封，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，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，來防止膠筒密封失效。

根據本申請的一個方面，提供一種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，所述膠筒由一個位於上端的上端密封環、一個位於下端的下端密封環、一個以上的位於所述上端密封環和所述下端密封環之間的中間密封環在所述軸向方向排列而成，所述上端密封環充當所述上端部，所述下端密封環充當所述下端部，所述中間密封環充當所述中間部；

其中，所述下端密封環外包覆有第一銅皮，所述第一銅皮包覆所述下端密封環的上表面、下表面、內側面以及外側面；所述第一銅皮的厚度設置為，當所述上端部承受所述第一軸向壓力時，所述下端密封環在所述徑向方向發生形變而使分布於所述下端密封環的所述內側面上的第一銅皮能與中心管牴觸，以及分布於所述下端密封環的所述外表面上的第一銅皮能與套管牴觸；

所述第一銅皮由上側銅皮和下側銅皮組成，所述上側銅皮包覆所述下端密封環的上表面、外側面、內側面，所述下側銅皮包覆所述下端密封環的下表面、內側面和外側面；並且所述上側銅皮和所述下側銅皮在所述下端密封環的內側面和外側面重疊；

所述上側銅皮(111d)包覆所述下端密封環(73)的內側面的長度小於所述下側銅皮(111e)包覆所述下端密封環(73)的內側面的長度，所述上側銅皮(111d)包覆所述下端密封環(73)的外側面的長度小於所述下側銅皮(111e)包覆所述下端密封環(73)的外側面的長度；並且，在所述上側銅皮(111d)和所述下側銅皮(111e)的重疊處，所述上側銅皮(111d)將所述下側銅皮(111e)覆蓋住以防止所述下端密封環(73)被壓縮時所述下側銅皮(111e)對相鄰的所述中間密封環(72)產生割裂。

優選地，所述上側銅皮和所述下側銅皮在重疊處焊接。

優選地，所述上端密封環外包覆有第三銅皮，所述第三銅皮包覆所述上端密封環的上表面、下表面以及外側面而不包覆所述上端密封環的內側面；所述第三銅皮的厚度設置為，當所述下端部承受所述第二軸向壓力時，包覆於由所述上端密封環的所述上表面形成的肩突上的所述第三銅皮不發生破裂。

優選地，所述中間密封環的數量為三個，其中最下端的所述中間密封環與最上端的所述中間密封環均包覆有銅皮，中間的所述中間密封環不包覆銅皮。

優選地，所述上端密封環的硬度大於所述中間密封環的硬度，以致所述上端密封環承受所述第一軸向壓力時，所述中間密封環在徑向方向的形變大於所述上端密封環在徑向方向的形變；

所述下端密封環的硬度大於所述中間密封環的硬度，以致所述下端密封環承受所述第二軸向壓力時，所述中間密封環在徑向方向的形變大於所述下端密封環在徑向方向的形變。

優選地，所述上端密封環與所述下端密封環的硬度基本相同，以致所述上端密封環承受所述第一軸向壓力時，所述中間密封環在徑向方向的形變大於所述上端密封環和所述下端密封環在徑向方向的形變，並且所述下端密封環承受所述第二軸向壓力時，所述中間密封環在徑向方向的形變大於所述上端密封環和所述下端密封環在徑向方向的形變。

優選地，所述中間密封環具有膠體和呈圓環狀的基體，所述基體由相互交叉的耐高溫高壓的多根纖維絲組成，所述膠體粘接各所述纖維絲，並且所述膠體分布於各所述基體的表面上以致沿所述軸向方向排列的多個所述密封環的內部和外部分別形成所述內表面和外表面。

優選地，所述基體為石墨盤根或碳纖維盤根或玻璃纖維盤根。

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，由於基體中包含多根纖維絲，當纖維絲的數量較多時密封環偏硬，當纖維絲的數量較少時密封環偏軟，這樣就可以根據纖維絲的數量來調節密封環的軟硬程度，這樣能夠通過改變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。

4、本申請的基體具有相互交叉的纖維絲，膠體將各纖維絲粘接。當膠筒受到第一軸向壓力而膨脹時，纖維絲將限制該膨脹，從而在整體上增加膠筒的結構硬度，增加膠筒的抗壓強度。

5、本申請涉及的多個密封環軸向排列，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。

6、當本申請的基體選擇為盤根時，可以選用現有的耐高溫高壓的盤根，這樣，當膠體與石墨盤根或碳纖維盤根結合而成為密封環時，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，而不用製作專門的用作基體的盤根，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。

7、本申請的基體均與膠筒的徑向方向成夾角，這樣在膠筒受到第一軸向壓力作用時，密封環首先變成與膠筒的徑向方向平行，然後密封環才進行徑向的向內和向外凸起。而在密封環由傾斜狀態變為與徑向方向平行的狀態中，密封環自身並不會產生徑向方向的變形，只是膠筒會產生徑向方向的變形。這樣，從總體來看，增加了膠筒的徑向方向的變形量，能夠克服膠筒較硬而徑向方向變形不足的缺陷。

8、本申請的下端密封環包覆有第一銅皮，減小或防止了高溫高壓蒸汽的小分子對膠筒的降解作用，提高了膠筒密封的長效性。

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的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是本申請另一個實施例的膠筒的結構示意圖；

圖12是本申請再一個實施例的膠筒的結構示意圖；

圖13是圖12所示的膠筒被第一軸向壓力壓縮後的結構示意圖；

圖14是本申請一個實施例涉及的約束套的結構示意圖；

圖15是本申請一個實施例的包含約束套的膠筒的結構示意圖，其示出了壓縮前的約束套與膠筒其它部分的位置關係；

圖16是圖15中膠筒被第一軸向壓力壓縮過程中的結構示意圖；

圖17是圖15中膠筒被第一軸向壓力壓縮後的結構示意圖，其示出了壓縮後的約束套與膠筒其它部分的位置關係；

圖18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；

20-約束套，21-縮口端，22-擴口端；

30-中心管；

40-套管；

50-剛性隔環；

60-凸起；

70-密封環，71-上端密封環，72-中間密封環，73-下端密封環；

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。

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。

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。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，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的密封也僅是對該膠筒10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，防止或者減少中間部105與上端部104結合處出現肩突。

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會產生更大的肩突107，若金屬塊的直徑較大，則考慮到套管40的彎曲情況，金屬塊不易在套管40內滑行到合適的位置，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，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，其自身不易形成肩突107或者形成的肩突107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的肩突的形成及形成的大小。

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時產生肩突，並能夠在已經產生肩突的情況下來防止下端部106在進一步承受第二軸向壓力F2時造成肩突變大，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，並且防止上端部104與下端部106發生肩突或者防止上端部104與下端部106已經產生的肩突變大。

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分別為位於上方的上端密封環71、中間密封環72和位於下方的下端密封環73。上端密封環71充當上端部104，中間密封環72充當中間部105，下端密封環73充當下端部106。在圖11所示實施例中，位於上端密封環71和下端密封環73之間的中間密封環72的數量為三個。在圖12和圖13所示實施例中，中間密封環72的數量為九個。在其它實施例中，中間密封環72的數量還可以設置為其它的數量。

下面來具體敘述密封環70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密封環70，這樣結構的密封環70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密封環70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)，在密封環70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，從而若要使得密封環70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，若要使得密封環70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，膠筒10整體比較難壓縮，這相當於膠筒10整體變硬。當密封環70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密封環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，可以通過增加密封環70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。上述兩種方式製作的上端密封環71，均能使得上端密封環71的硬度大於中間密封環72的硬度。

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。

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。

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為環形，所以包覆於其外的第一銅皮111也為環形，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。

從圖10可以看出，上側銅皮111d包覆所述下端密封環73的內側面的長度小於所述下側銅皮111e包覆所述下端密封環73的內側面的長度。所述上側銅皮111d包覆所述下端密封環73的外側面的長度小於所述下側銅皮111e包覆所述下端密封環73的外側面的長度。並且，在所述上側銅皮111d和所述下側銅皮111e的重疊處，所述上側銅皮111d將所述下側銅皮111e覆蓋住以防止所述下端密封環73被壓縮時所述下側銅皮111e對相鄰的所述中間密封環72產生割裂。

參見圖11，膠筒10具有一個上端密封環71、一個下端密封環73以及三個中間密封環72。在該實施例中，下端密封環73可以包覆有圖6、圖8或圖9那樣結構的銅皮。這樣，在圖11所示的膠筒10密封后，能夠防止高溫高壓蒸汽的小分子對下端密封環73的下表面造成腐蝕和降解。進一步地，由於下端密封環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，所以也需要在下端密封環73的外側面上覆蓋銅皮。由於下端密封環73的上表面被最下端的中間密封環72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，下端密封環73的上表面並不需要覆蓋銅皮。但是若下端密封環73的上表面不覆蓋銅皮，則銅皮的開口處必然位於下端密封環73的外側面上，這樣在膠筒10被壓縮而徑向變形的過程中，銅皮的開口會對下端密封環73自身或最下端的中間密封環72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。對於上端密封環71來說，上端密封環71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被最上端的中間密封環72的上表面抵壓住，這樣的結構能夠防止上端密封環71在受到第一軸向壓力F1時開口111c張開。通過對圖6所示結構分別用作上端密封環71和下端密封環73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產生割裂作用，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。

以圖11為例，下端密封環71與銅皮的結構如圖6所示，當上端密封環71承受第一軸向壓力F1時，第一軸向壓力F1向下傳遞而致下端密封環73在徑向方向發生形變，這樣分布於下端密封環73的內側面上的第一銅皮111能與中心管30牴觸，分布於下端密封環73的外表面上的第一銅皮111能與套管40牴觸，這可以通過對第一銅皮111的厚度進行設置來實現，並且此時不包覆銅皮的密封環70與中心管30和套管40分別密封。在一個實施例中，第一銅皮111的厚度為1mm。當上端密封環71與銅皮的結構如圖8所示，下端密封環71承受第二軸向壓力F2時，包覆於由上端密封環71的上表面形成的肩突上的第三銅皮113不發生破裂。這可以通過對第三銅皮113的厚度進行設置來實現，在一個實施例中，第三銅皮113的厚度為1mm。

需要特別強調的是，密封環70外包覆銅皮，若要實現密封環70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，包括一個不包覆銅皮的密封環，這個密封環一般位於中間，例如在圖11所示實施例中位於三個中間密封環72中間的中間密封環72就不包覆銅皮，在圖12所示實施例中任一的中間密封環72不包覆銅皮。不包覆銅皮的密封環70起到主要的密封作用，下端密封環71阻止大部分的高溫高壓蒸汽，最下端的中間密封環72進一步阻止一部分高溫高壓蒸汽，這樣到達第最下端的中間密封環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中間的中間密封環72的腐蝕和降解，延長了膠筒10的密封持續時間。不包覆銅皮的中間密封環72的數量還可以根據需要設置兩個以上。上端密封環71包覆有銅皮時，主要是用銅皮來防止或肩突107，請參照上文「減少或防止肩突107的結構設計」。

參見圖12，膠筒10的兩個端部104、105可以通過膠體109來找平。各密封環70整體上呈圓環狀並沿膠筒10的軸向方向延伸。當相鄰基體108之間的膠體109的厚度相同時，能夠儘可能地使膠筒10的在相同面積內的硬度基本相同，防止膠筒10受力不均而在局部發生坍塌。但是，當如圖18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18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18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。需要說明的是，在本申請的一個實施例中，剛性隔環50還可以使用於圖11所示的各密封環之間，發明人發現，當密封環70及包覆的銅皮有部分凸出或部分較硬時，會嚴重的影響與其相牴觸的密封環的變形。而剛性隔環50能夠均勻地對其接觸的上下兩個面施加壓力，防止密封環70因自身硬度不均而在受到軸向壓力時在其上表面或下表面變得凹凸不平，而且防止密封環70因自身硬度不均而對其相鄰的密封環的上表面或下表面造成凹凸不平。

由於膠體109內混合有纖維絲，當膠筒10受到第一軸向壓力F1或第二軸向壓力F2而徑向方向膨脹(向內和向外)時，纖維絲將限制該膨脹，從而在整體上增加膠筒10的結構硬度，增加膠筒10的抗壓強度。尤其是，基體108為圓環狀時，當密封環70受到第一軸向壓力F1或第二軸向壓力F2時，各個密封環70受力比較均勻，防止了膠筒10的局部坍塌。並且，在本申請的一個實施例中，相鄰的基體108之間的膠體109的厚度相同，這樣就能保證受到第一軸向壓力F1或第二軸向壓力F2作用的密封環70均勻地將力傳遞下去，防止了密封環70的各部分受力不均而被壓潰。

參見圖12，各密封環70相互通過膠體109粘接並且粘接的各密封環70的軸向方向的長度之和等於通孔103的長度，從而形成多個密封段。圖5中基體108的厚度為1.8cm-2.5cm，數量可以選擇為2-12個。在圖11所示實施例中具有5個密封環70，基體108的數量也為5個。纖維絲的直徑選擇為7-30μm，這樣就能在一個密封環70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中來形成密封環70，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。

參見圖12和圖13，圖12和圖1整體示出了受到第一軸向壓力F1時膠筒10的變形過程。以圖12所示膠筒10為例，相鄰的密封環70之間具有膠體109，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的徑向方向成夾角β，在圖12中β為10°角。在其它實施例中，β還可以為5°角或45°角。本申請中設置β的原因在於，當密封環70整體較硬而受到額定大小的第一軸向壓力F1而致膠筒10變形不足而無法起到密封作用時，密封環70首先從與膠筒10的徑向方向成夾角β而變成密封環70與膠筒10的徑向方向水平，進而再進行徑向的凸起，這樣的結構能夠提高膠筒10的變形程度。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，圖11和圖12所示的膠筒10在受到第一軸向壓力F1時，均在軸向方向縮短，而在徑向方向擴張，然後再在下端密封環73處施加第二軸向壓力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。

下面將詳細敘述膠筒10的約束套20。

參考圖14、圖15、圖16和圖17，如圖14所示，約束套20整體呈擴口狀，其具有擴口端22和縮口端21。參見圖15，約束套20的擴口端22套設在上端部104和下端部106上，在其它實施例中，擴口端22還可以只套設在上端部104和下端部106之一上，其主要取決了該端部是否需要約束變形來防止在壓縮過程中變形過大。在圖15-圖17中，約束套20的數量為兩個，其中一個約束套20的擴口端22套設在上端部104，另一個約束套20的擴口端22套設在下端部106上。參見圖16，約束套20的縮口端21遠離被擴口端22套設的上端部104或下端部106來用於承受來自軸向的壓力。在圖15和圖16中，僅為結構清晰的需要而示意性的示出約束套20和膠筒10其它部分的位置關係，實際上，約束套20是與膠筒10的端部緊密結合的，即兩者之間相互接觸。從圖17可以看出，在承受第一軸向壓力F1後，約束套20整體呈圓筒狀。並且，約束套20的擴口端22與縮口端21的直徑基本相同，並且兩者的直徑與套管40的內徑相同，此時膠筒10的外表面101與套管40密封，而且膠筒10的內表面102與中心管30密封。

約束套20的作用在本申請中非常重要，這是由於本申請的密封環70均軸向設置，而對密封環70產生作用的也是來自軸向的壓力。所以，非常可能地，位於膠筒10兩端的上端密封環71和下端密封環72會因第一軸向壓力F1或第二軸向壓力F2的作用而在徑向方向與中心管30和套管40先行接觸，導致中間密封環72因受力過小而無法產生徑向凸起。通過約束套20在端部的約束，能夠首先使中間密封環72先行凸起，當中間密封環72被中心管30和套管40限制住後，上端密封環71和下端密封環72再發生徑向凸起並帶動約束套20產生圖15、圖16和圖17那樣的變形。或者首先使中間密封環72先行凸起，並在此過程中，上端密封環71和下端密封環72也發生徑向凸起並帶動約束套20產生圖15、圖16和圖17那樣的變形。上述兩種方式均是為了防止膠筒10的兩端先行凸起而做的專門設計。當約束套20與上端部104較硬的設計共同出現於膠筒10時，能夠使中間部105無失誤地進行徑向方向的優先變形。

在圖15和圖16所示實施例中，上端部104和下端部106的邊緣經過倒角處理，來與約束套20相適應，也就是說，被擴口端22套設的上端部104和下端部106呈縮口狀來與擴口端22相配合。膠筒10的這種設計可以增加膠筒10的端部與約束套20的接觸面積，並且該種設計的端部與第一軸向壓力F1之間具有夾角，從而需要更大的第一軸向壓力F1才能壓縮膠筒10產生額定大小的形變，一定程度的增大了需要的坐封力。如圖17所示，當施加第一軸向壓力F1後，膠筒10將向徑向方向而向內和向外延伸，由於套管40的束縛，此時約束套20將在套管40限制的範圍內進行徑向的擴張，最終約束套20的擴口端22將與膠筒10的直徑基本相同，且與套管40的內徑也基本相同。如圖16所示，在壓縮過程中，會形成凸起，圖16中示意性的示出了一個凸起60，在實際壓縮時，膠筒10的外表面101整體作為凸起向外擴張，只是本申請在一個實施例中刻意通過約束套20的設計來將膠筒10的中部的凸起速度快於其兩端的凸起速度。非常重要的，若約束套20選擇為不宜變形的材料，那麼如圖16所示的那樣，當繼續壓縮時，凸起60將和約束套20的上邊緣接觸，並最終對凸起60造成剪切，影響了膠筒10的密封。在本申請中約束套選擇為銅套，並且在厚度上限定擴口端22的最大厚度不超過2mm，擴口端22指的是例如圖14中整個喇叭狀的邊緣，而非圖14中最右側的那個端面。這樣的限定能夠使得約束套20不會對凸起60造成損傷，或者損傷較為輕微。並且也有利於在壓縮過程中，套管40對約束套20產生變形而成為如圖17所示的那樣。基於同樣的道理，也不能在壓縮前使用如圖17中所示的那樣的直角型的約束套20，否則在壓縮的過程中約束套20也會對逐漸凸起的外表面101產生剪切而對膠筒10產生割裂。在本申請中，約束套20為喇叭口狀，在壓縮的過程中，約束套20與凸起60是一種面接觸而非線接觸，大大減少了凸起60損傷的可能性。而如圖14所示，縮口端21具有向內的倒邊，在壓縮時倒邊將圍繞中心管30，並且倒邊來接收第一軸向壓力F1，這樣的設計能夠使壓縮套20有序地、逐漸的變形，不會被第一軸向壓力F1突然壓潰。本申請選擇約束套20為銅套的另一個重要原因在於，這樣在將封隔器200從井下起出時，銅套容易變形，不會卡在套管40之間。基於同樣的道理，也可以選擇同樣易變形的銀作為約束套。

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。