本發(fā)明屬于油田井下工具技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種可重復(fù)利用的耐高壓封隔器。

背景技術(shù)：

壓裂工藝是在油田開采時(shí)常用的一種增產(chǎn)工藝。壓裂是指采油或采氣過程中，利用水力作用，使油氣層形成裂縫的一種方法。當(dāng)把油層壓出許多裂縫后，加入支撐劑(如石英砂等)充填進(jìn)裂縫，提高油氣層的滲透能力，以增加產(chǎn)油量。膨脹式封隔器是壓裂過程中常用的一種井下工具，由于封隔器在壓裂工藝中的工作壓力大大高于在其它工藝中的工作壓力，因此對(duì)封隔器的承壓能力、穩(wěn)定性和可靠性均提出了較高的要求。

膠筒組件是封隔器的主要功能部件，對(duì)封隔器的承壓能力起決定性作用。現(xiàn)有技術(shù)中的膨脹式封隔器的膠筒組件通常由膠筒和硫化連接在膠筒兩端的兩個(gè)接頭組成，這種結(jié)構(gòu)的膠筒在承受高壓時(shí)容易發(fā)生膠筒與接頭脫離失效的問題。另外，這種膠筒組件需要另置中心管以及其它相關(guān)零件進(jìn)行裝配固定，零部件數(shù)量多，因此加工成本高。

另外，封隔器工作時(shí)，常常需要在井下停留數(shù)月甚至一年以上，而現(xiàn)有的鋼制封隔器在井下長(zhǎng)時(shí)間安裝后會(huì)被嚴(yán)重銹蝕，不但難以拆卸更換膠筒，而且各關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的尺寸精度也不能保證，因此，現(xiàn)有的封隔器大多只能使用一次，不能重復(fù)利用，進(jìn)而導(dǎo)致封隔器的應(yīng)用成本居高不下。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明通過改變閥系的布置方式，提供一種可重復(fù)利用的耐高壓封隔器，以解決上述背景技術(shù)中提出的問題。

本發(fā)明所解決的技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：本發(fā)明提供了一種可重復(fù)利用的耐高壓封隔器，包括中心管、膠筒和膠筒護(hù)套，所述的中心管和膠筒護(hù)套均包含碳纖維復(fù)合材料，其中，中心管的結(jié)構(gòu)包括鋼制基體，由所述的碳纖維復(fù)合材料構(gòu)成的碳纖維復(fù)合層包覆在鋼制基體的外側(cè)，在碳纖維復(fù)合層內(nèi)，所有碳纖維束均沿中心管的長(zhǎng)度方向布置，所述的膠筒護(hù)套內(nèi)的碳纖維束共有兩層，內(nèi)層的碳纖維束的長(zhǎng)度方向與中心管的軸線方向一致，外層的碳纖維束螺旋纏繞在內(nèi)層碳纖維束的外側(cè)，所述的各碳纖維束之間均通過環(huán)氧樹脂粘結(jié)而成；所述的中心管的兩端結(jié)構(gòu)相同，中心管上對(duì)稱設(shè)置有兩個(gè)凹槽段，凹槽段上設(shè)置有凹槽組，兩個(gè)凹槽段之間的區(qū)段沿軸向排布有至少兩組窄縫，各組窄縫沿中心管的長(zhǎng)度方向排列，每組窄縫中的各條窄縫相互平行且交錯(cuò)排列，所述的膠筒的兩端在兩個(gè)凹槽段對(duì)應(yīng)范圍內(nèi)與中心管硫化成一體，所述的膠筒護(hù)套通過螺紋連接在中心管上并罩在與中心管上的凹槽段對(duì)應(yīng)的一段膠筒的外部，所述的膠筒內(nèi)設(shè)置有用于增加膠筒結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的骨架層，骨架層包括由芳綸線斜向交叉織成的周向無斷口的環(huán)形網(wǎng)結(jié)構(gòu)，將膠筒沿軸線方向切開并平鋪后，芳綸線與膠筒的軸線的夾角為15°，所述的膠筒內(nèi)與凹槽段位置相對(duì)應(yīng)的骨架層區(qū)段上設(shè)置有至少一個(gè)鋼絲環(huán)，所述的芳綸線依次纏繞在所有鋼絲環(huán)上，所述的膠筒由氫化丁腈橡膠制成，所述的中心管上的螺紋和凹槽均通過模具成型的方式進(jìn)行加工；所述的環(huán)氧樹脂內(nèi)添加有用于改善環(huán)氧樹脂強(qiáng)度的玄武巖短纖維。

所述的凹槽組由至少三個(gè)橫截面為矩形的環(huán)形凹槽和對(duì)稱布置的兩組螺旋狀凹槽組成，每組螺旋狀凹槽均由兩條相互交叉的螺旋狀凹槽組成，環(huán)形凹槽的槽底與螺旋狀凹槽的槽底在同一圓柱面上。

所述的環(huán)形凹槽的深度為3mm，所述的環(huán)形凹槽的槽頂設(shè)置有圓角，圓角的半徑為1—1.5mm。所述的窄縫的長(zhǎng)度方向與本封隔器的軸線方向平行，窄縫的長(zhǎng)度不大于30mm，窄縫的寬度小于0.25mm，每組窄縫均由至少三條窄縫環(huán)形均勻分布組成。

本發(fā)明的有益效果為：

1、本發(fā)明將膠筒與中心管硫化成一體，并對(duì)膠筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，不但提高了封隔器的承壓能力，也簡(jiǎn)化了封隔器的結(jié)構(gòu)，減少了零件數(shù)量，降低了封隔器的制造成本。

2、本發(fā)明中的中心管和膠筒護(hù)套均采用碳纖維制成，與傳統(tǒng)的鋼制結(jié)構(gòu)相比，碳纖維具有防銹、質(zhì)輕、耐腐蝕等諸多優(yōu)異的性能，封隔器長(zhǎng)時(shí)間使用后，中心管和膠筒護(hù)套仍然不會(huì)腐蝕損壞，也不會(huì)銹死，從而使得封隔器可重復(fù)利用，節(jié)省封隔器的使用成本。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是膠筒的平面展開結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是中心管凹槽段的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是圖3中a處的局部放大結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中，1-中心管，2-膠筒護(hù)套，3-鋼絲環(huán)，4-膠筒，5-窄縫，6-芳綸線，7-環(huán)形凹槽，8-螺旋狀凹槽，9-圓角，10-鋼制基體。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步描述：

本實(shí)施例包括中心管、膠筒4和膠筒護(hù)套2。

所述的中心管和膠筒護(hù)套2均包含碳纖維復(fù)合材料，與鋼材相比，碳纖維復(fù)合材料在滿足封隔器基本使用性能的前提下，還具有防銹、質(zhì)輕、耐腐蝕等優(yōu)異性能，及時(shí)長(zhǎng)時(shí)間處于井下惡劣環(huán)境中，也能輕松拆卸并且零件的尺寸精度不會(huì)受損，從而使得封隔器可以多次重復(fù)利用，降低使用封隔器時(shí)投入的成本。

在本發(fā)明中，中心管的結(jié)構(gòu)包括鋼制基體10，由所述的碳纖維復(fù)合材料構(gòu)成的碳纖維復(fù)合層1包覆在鋼制基體10的外側(cè)，由于中心管主要承受的是沿長(zhǎng)度方向的拉應(yīng)力，因此，在碳纖維復(fù)合層1內(nèi)，所有碳纖維束均沿中心管的長(zhǎng)度方向布置。

所述的膠筒護(hù)套2內(nèi)的碳纖維束共有兩層，內(nèi)層的碳纖維束的長(zhǎng)度方向與中心管的軸線方向一致，內(nèi)層的碳纖維束通過環(huán)氧樹脂粘結(jié)成膠筒護(hù)套2的內(nèi)層結(jié)構(gòu)，外層的碳纖維束螺旋纏繞在內(nèi)層碳纖維束的外側(cè)，外層的碳纖維束通過環(huán)氧樹脂粘結(jié)成膠筒護(hù)套2的外層結(jié)構(gòu)。兩層炭纖維束使得膠筒護(hù)套2在軸向和周向兩個(gè)方向均可獲得足夠的強(qiáng)度，從而保證膠筒護(hù)套2不會(huì)沿碳纖維束之間的縫隙開裂。

所述的各碳纖維束之間均通過環(huán)氧樹脂粘結(jié)而成，為保證螺紋結(jié)構(gòu)和凹槽結(jié)構(gòu)具有足夠的抗剪強(qiáng)度，需要在所述的環(huán)氧樹脂內(nèi)添加用于改善環(huán)氧樹脂強(qiáng)度的玄武巖短纖維。同時(shí)，螺紋和凹槽結(jié)構(gòu)均需要通過模具成型的方式進(jìn)行加工，而不能通過機(jī)加工手段進(jìn)行加工，因?yàn)闄C(jī)械加工會(huì)切斷碳纖維束，破壞碳纖維的完整性，從而導(dǎo)致零件的強(qiáng)度大打折扣。

還需要說明的是，與傳統(tǒng)的機(jī)械加工方式相比，采用模具成型的方式生產(chǎn)封隔器零件，零件的加工效率會(huì)成倍提高，從而有效提高封隔器的整體加工效率。

所述的中心管的兩端結(jié)構(gòu)相同，中心管上對(duì)稱設(shè)置有兩個(gè)凹槽段，凹槽段上設(shè)置有凹槽組。兩個(gè)凹槽段之間的區(qū)段沿軸向排布有至少兩組窄縫5，窄縫5的作用是保證過液的同時(shí)篩除沙礫，防止因泥沙淤積在膠筒4與中心管之間而導(dǎo)致膠筒4不能完全復(fù)位，進(jìn)而導(dǎo)致膠筒4在起下井過程中磨損加速的問題。

本發(fā)明設(shè)置了至少兩組窄縫5，各組窄縫5沿中心管的長(zhǎng)度方向排列。與設(shè)置一組相同過液能力的較長(zhǎng)的窄縫5相比，在保證過液能力的同時(shí)，減小了窄縫5的長(zhǎng)度。事實(shí)上，由于窄縫5的存在，窄縫5所在的區(qū)段變成了中心管的強(qiáng)度短板，減小窄縫5的長(zhǎng)度有利于從力學(xué)結(jié)構(gòu)上減少窄縫帶來的強(qiáng)度損失，尤其有利于改善中心管的抗彎強(qiáng)度和抗扭強(qiáng)度。每組窄縫5中的各條窄縫5相互平行且交錯(cuò)排列，與非交錯(cuò)排列相比，可進(jìn)一步改善中心管的抗彎性能和抗扭性能。

通常，中心管的厚度為6—8mm，直徑為60—70mm，實(shí)驗(yàn)表明，在這兩個(gè)數(shù)值范圍內(nèi)，窄縫5的長(zhǎng)度大于30mm時(shí)，強(qiáng)度的下降趨勢(shì)開始趨于明顯，因此，窄縫5的長(zhǎng)度最好不大于30mm。壓裂時(shí)，直徑小于0.5mm的沙粒極少，因此，將窄縫5的寬度設(shè)置成小于0.25mm，可基本濾除全部沙粒。每組窄縫5均由至少三條窄縫5環(huán)形均勻分布組成。環(huán)形均勻分布的窄縫5使得中心管的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度在周向范圍內(nèi)均勻分布，避免了產(chǎn)生強(qiáng)度短板。所述的膠筒4的兩端在兩個(gè)凹槽段對(duì)應(yīng)范圍內(nèi)與中心管硫化成一體，與將膠筒4硫化在兩個(gè)接頭上的現(xiàn)有技術(shù)相比，將膠筒4直接硫化在中心管上，不但使得兩個(gè)硫化連接區(qū)段之間擁有穩(wěn)固的支撐，也使得膠筒4與中心管之間的附著力更強(qiáng)，因此進(jìn)一步保證了二者之間的連接強(qiáng)度和連接處的耐壓能力，進(jìn)而提高了封隔器的整體耐壓能力。所述的膠筒護(hù)套2通過螺紋連接在中心管上并罩在與中心管上的凹槽段對(duì)應(yīng)的一段膠筒4的外部。

所述的凹槽組由至少三個(gè)橫截面為矩形的環(huán)形凹槽7和對(duì)稱布置的兩組螺旋狀凹槽8組成，環(huán)形凹槽7的作用是增強(qiáng)硫化時(shí)膠筒4的附著力，環(huán)形凹槽7的橫截面設(shè)置成矩形，與設(shè)置成梯形相比，抵抗膠筒從凹槽內(nèi)滑出的能力更強(qiáng)。但將環(huán)形凹槽7的橫截面設(shè)置成矩形時(shí)，膠筒4上與環(huán)形凹槽7的槽頂?shù)慕唤翘幱捎趹?yīng)力過于集中易發(fā)生撕裂損傷，為避免上述的應(yīng)力過于集中的問題，在環(huán)形凹槽7的槽頂設(shè)置了圓角9。圓角9的半徑為1—1.5mm，因?yàn)閳A角9半徑過小難以消除應(yīng)力，圓角9過大又會(huì)使得膠筒4在中心管4上的附著力下降。螺旋狀凹槽8的設(shè)置，使各環(huán)形凹槽7內(nèi)填充的橡膠相互連接，一方面降低了位于凹槽內(nèi)的膠筒4被剪切損壞的風(fēng)險(xiǎn)，另一方面也進(jìn)一步增強(qiáng)了膠筒4的附著力。每組螺旋狀凹槽8均由兩條相互交叉的螺旋狀凹槽8組成，交叉設(shè)置使得各環(huán)形凹槽7內(nèi)填充的橡膠相互連接更緊密、更穩(wěn)固，進(jìn)一步發(fā)揮了螺旋狀凹槽8的加固作用。環(huán)形凹槽7的槽底與螺旋狀凹槽8的槽底在同一圓柱面上，使得凹槽的槽底平整，有理減少槽底的應(yīng)力集中現(xiàn)象，進(jìn)而提高中心管強(qiáng)度。

為保證膠筒4的附著強(qiáng)度，環(huán)形凹槽7的深度一定要足夠，考慮到圓角9的尺寸需求和凹槽過深會(huì)增加中心管厚度進(jìn)而增加本發(fā)明的重量這兩個(gè)因素，所述的環(huán)形凹槽7的深度為3mm。

所述的膠筒4由氫化丁腈橡膠制成。氫化丁腈橡膠具有良好耐油性能；并且由于其高度飽和的結(jié)構(gòu)，使其具良好的耐熱性能，優(yōu)良的耐化學(xué)腐蝕性能(對(duì)氟利昂、酸、堿的具有良好的抗耐性)，優(yōu)異的耐臭氧性能，較高的抗壓縮永久變形性能；同時(shí)氫化丁腈橡膠還具有高強(qiáng)度，高撕裂性能、耐磨性能優(yōu)異等特點(diǎn)，是綜合性能極為出色的橡膠之一。但由于技術(shù)偏見等原因，現(xiàn)有技術(shù)中還沒有應(yīng)用這種橡膠制造封隔器膠筒的先例。

所述的膠筒4內(nèi)設(shè)置有用于增加膠筒4的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的骨架層。

所述的骨架層包括由芳綸線6斜向交叉織成的周向無斷口的環(huán)形網(wǎng)結(jié)構(gòu)。現(xiàn)有技術(shù)中的膠筒的骨架層通常采用鋼絲或尼龍簾子布制成，雖然這兩種材料的可靠性和穩(wěn)定性相對(duì)較好，成本也相對(duì)較低，但也存在不足：一方面，鋼絲的密度大不利于降低封隔器的總重量、回彈性差使得膠筒4變形后容易失效，尼龍簾子布的強(qiáng)度差限制了膠筒4的耐壓性能；另一方面，雖然兩種材料的可靠性和穩(wěn)定性相對(duì)較好，但仍存在一定的失效風(fēng)險(xiǎn)，而一旦膠筒4在使用中失效會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，得不償失。本發(fā)明采用的芳綸是一種新型高科技合成纖維，具有超高強(qiáng)度、高模量和耐高溫、耐酸耐堿、重量輕等優(yōu)良性能,其強(qiáng)度是鋼絲的5～6倍，模量為鋼絲或玻璃纖維的2～3倍，韌性是鋼絲的2倍，而重量?jī)H為鋼絲的1/5左右，在560度的溫度下，不分解，不融化。它具有良好的絕緣性和抗老化性能。有效避免了采用鋼絲或尼龍簾子布作為骨架材料產(chǎn)生的問題。

將膠筒4沿軸線方向切開并平鋪后，芳綸線6與膠筒4的軸線的夾角為15°，15°是保證膠筒4最佳膨脹能力的最適宜角度，該角度太大或太小都會(huì)對(duì)骨架層的強(qiáng)度或膨脹能力造成不利影響。所述的膠筒4內(nèi)與凹槽段位置相對(duì)應(yīng)的骨架層區(qū)段上設(shè)置有至少一個(gè)鋼絲環(huán)3，所述的芳綸線6依次纏繞在所有鋼絲環(huán)3上，鋼絲環(huán)3作用有兩個(gè)：一是通過阻止膠筒4的硫化連接區(qū)段外脹來防止環(huán)形凹槽7內(nèi)的橡膠滑脫，從而進(jìn)一步增強(qiáng)附著力，二是通過將芳綸線6纏繞在鋼絲環(huán)3上來防止芳綸線6從橡膠中抽離，從而進(jìn)一步提高膠筒4的強(qiáng)度和耐壓能力。

本發(fā)明將膠筒4與中心管硫化成一體，并對(duì)膠筒4結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，不但提高了封隔器的承壓能力，也簡(jiǎn)化了封隔器的結(jié)構(gòu)，減少了零件數(shù)量，降低了封隔器的制造成本。