本申請涉及密封領(lǐng)域，特別是涉及一種石油開采工業(yè)中使用的具有碟簧的膠筒、封隔器和橋塞。

背景技術(shù)：

封隔器是油田井下采油的一種關(guān)鍵工具，廣泛應(yīng)用于油田分注、分層改造、分層采油、機(jī)械管道堵水等多種作業(yè)，封隔器需要進(jìn)行環(huán)空的封隔，以實現(xiàn)油氣分層，而實現(xiàn)環(huán)空封隔的核心部件是膠筒。橋塞也是采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(qū)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(nèi)，而橋塞是在封層采油等措施時暫時或永久地留在井內(nèi)。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(jié)構(gòu)上說，封隔器是中空結(jié)構(gòu)，可以自由流動油氣水，而橋塞中則是實心結(jié)構(gòu)。

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(guān)鍵部件，其質(zhì)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。膠筒一般采用橡膠類材料制成，故稱之為膠筒。但膠筒僅是一種行業(yè)內(nèi)約定成俗的技術(shù)術(shù)語，用于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制作。當(dāng)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(dǎo)致其無法起到密封作用；若形變過大，可能導(dǎo)致膠筒因壓潰而失效，喪失恢復(fù)能力。最重要的是，當(dāng)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(dǎo)致失去恢復(fù)能力。

2002年第九期的《石油機(jī)械》公開了《封隔器壓縮膠筒“防突”新結(jié)構(gòu)》，其中記載有如下內(nèi)容：“所謂防突，就是在膠筒端部安放某種阻擋環(huán)、支撐件、限制裝置和保護(hù)件等，用于阻止和限制封隔器坐封時膠筒朝油套環(huán)形空間突出或流動”?！坝捎诜劳唤Y(jié)構(gòu)是用來覆蓋封隔器和套管間的環(huán)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(huán)隙，阻止膠筒朝此環(huán)隙中突出，迫使膠筒呈各向均勻壓縮狀態(tài)，產(chǎn)生和保持膠筒較高的接觸應(yīng)力，從而獲得良好的密封”?！啊饕秀~碗固化型和鋼網(wǎng)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，后者是將厚1mm左右的鋼網(wǎng)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(jī)械》公開了《封隔器膠筒結(jié)構(gòu)改進(jìn)及優(yōu)勢分析》的文章，其中記載有以下內(nèi)容：“常用的封隔器上串有3個膠筒，分為上、中、下3個膠筒結(jié)構(gòu)尺寸相同和上下膠筒為長膠筒、中膠筒為短膠筒2種結(jié)構(gòu)形式。通過對傳統(tǒng)三膠筒結(jié)構(gòu)的研究發(fā)現(xiàn)，起主要密封作用的是上膠筒”。并且，通過非線性有限元分析軟件Abaqus進(jìn)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，隨后壓縮量增大變緩，膠筒變形趨于穩(wěn)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(nèi)表面變形如外表一樣向外鼓，當(dāng)載荷增加時膠筒被壓扁并在最后壓實。但由于結(jié)構(gòu)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(xiàn)輕微肩突，但未發(fā)生膠筒割裂現(xiàn)象，肩突在允許范圍之內(nèi)”。

2009年第一期《石油礦場機(jī)械》中的《高壓封隔器密封膠筒的改進(jìn)》中認(rèn)為“由于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(xiàn)有技術(shù)僅分析了施加第一軸向壓力(相當(dāng)于“軸向載荷”)對膠筒形變的影響。但在實際生產(chǎn)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(chǎn)生初步的密封，然后膠筒施會受到自下而上的第二軸向壓力(井底氣體等物質(zhì)對膠筒的沖擊)。根據(jù)發(fā)明人的試驗，當(dāng)?shù)谝惠S向壓力為30MPa時，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)幾乎所有的膠筒都會出現(xiàn)肩突，再進(jìn)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(chǎn)生割裂，導(dǎo)致密封失效。

進(jìn)一步地，發(fā)明人還發(fā)現(xiàn)，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(zhì)對膠筒沖擊時，包含于其中的高溫高壓蒸汽的小分子會對高分子材料的膠筒產(chǎn)生降解作用，導(dǎo)致膠筒首先在下端部失去彈性而無法起到密封作用，進(jìn)而在膠筒的中間部也產(chǎn)生降解而失去彈性，影響膠筒密封的長效性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本申請的一個目的在于提供一種新的密封結(jié)構(gòu)，來防止或減小膠筒肩突的發(fā)生。

根據(jù)本申請的一個方面，提供一種具有碟簧的膠筒，所述膠筒具有位于中心的通孔、位于所述通孔處的內(nèi)表面、與所述內(nèi)表面相對應(yīng)的外表面、分別位于所述膠筒兩端的上端部和下端部以及位于所述上端部和所述下端部之間的中間部，所述上端部用于承受沿軸向方向的第一軸向壓力，所述下端部用于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，其特征在于，

所述碟簧充當(dāng)所述上端部，所述碟簧包括：

位于中部的圓形的安裝孔，所述安裝孔由一承壓圈環(huán)繞而成；

在所述承壓圈周向面上分布的多個外側(cè)翅片，各所述外側(cè)翅片之間設(shè)置有第一貫通孔，靠近所述安裝孔的外側(cè)翅片尾端連接于所述承壓圈上，遠(yuǎn)離所述安裝孔的外側(cè)翅片頭端與所述中間部相抵壓，所述外側(cè)翅片頭端傾斜向下朝遠(yuǎn)離所述安裝孔的方向延伸而致所述外側(cè)翅片尾端高于所述外側(cè)翅片頭端；

當(dāng)所述承壓圈承受軸向壓力時，所述外側(cè)翅片頭端被所述中間部抵壓而在徑向方向上向外擴(kuò)張，當(dāng)所述軸向壓力加大到第一額定值時，所述外側(cè)翅片頭端與套管相抵壓。

優(yōu)選地，所述碟簧的數(shù)量為兩個，兩個所述碟簧在所述軸向方向上疊壓；

其中，位于上端的所述碟簧的所述外側(cè)翅片覆蓋住位于下端的所述碟簧的所述第一貫通孔。

優(yōu)選地，所述外側(cè)翅片頭端的下表面為水平面。

優(yōu)選地，所述承壓圈的一部分上表面為水平面。

優(yōu)選地，所述承壓圈上分布有多個在所述軸向方向上貫穿所述承壓圈的第二貫穿孔，所述第二貫穿孔與所述安裝孔相通；

當(dāng)所述承壓圈承受所述軸向壓力時，所述承壓圈在所述徑向方向上朝靠近所述安裝孔的方向擴(kuò)張，當(dāng)所述軸向壓力加大到第二額定值時，所述承壓圈與中心管相抵壓。

優(yōu)選地，所述第二貫穿孔朝遠(yuǎn)離所述安裝孔的方向延伸，與所述外側(cè)翅片相交且貫穿一部分所述外側(cè)翅片。

優(yōu)選地，所述第二貫穿孔朝遠(yuǎn)離所述安裝孔的方向延伸，且與所述外側(cè)翅片不相交；

所述碟簧的數(shù)量為兩個，兩個所述碟簧在所述軸向方向上疊壓；

當(dāng)疊壓時，位于上端的所述碟簧的所述外側(cè)翅片覆蓋住位于下端的所述碟簧的所述第一貫通孔，位于上端的所述碟簧的所述第二貫穿孔被位于下端的所述碟簧的所述承壓圈封堵住。

優(yōu)選地，所述第一貫通孔與所述第二貫穿孔均位于所述徑向方向上。

根據(jù)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(shù)方案之一所限定的膠筒。

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

本申請?zhí)峁┑募夹g(shù)方案至少具有如下技術(shù)效果：

1、在一個實施例中，當(dāng)承壓圈承受軸向壓力時，外側(cè)翅片頭端被中間部抵壓而在徑向方向上向外擴(kuò)張，當(dāng)軸向壓力加大到第一額定值時，外側(cè)翅片頭端與套管相抵壓。此時外側(cè)翅片將中間部抵壓住，只需要調(diào)整外側(cè)翅片的硬度即可有效地防止肩突的產(chǎn)生。

2、在一個實施例中，位于上端的碟簧的外側(cè)翅片覆蓋住位于下端的碟簧的第一貫通孔。這樣，上端的碟簧的外側(cè)翅片就限制了中間部從下端的碟簧的第一貫通孔向上凸起的長度，能夠防止該凸起破裂。

附圖說明

后文將參照附圖以示例性而非限制性的方式詳細(xì)描述本申請的一些具體實施例。附圖中相同的附圖標(biāo)記標(biāo)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(guān)系示意圖；

圖2是現(xiàn)有技術(shù)中一個膠筒的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是現(xiàn)有技術(shù)的膠筒與中心管及套管的位置關(guān)系示意圖，其中僅示出了一部分膠筒、中心管及套管；

圖4示出了圖3所示的膠筒被施加第一軸向壓力或第二軸向壓力后產(chǎn)生的肩突結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是本申請一個實施例的碟簧的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6是本申請另一個實施例的碟簧的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7是本申請再一個實施例的碟簧的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中的附圖標(biāo)記如下：

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

20-碟簧，201-安裝孔，202-承壓圈，203-外側(cè)翅片，204-外側(cè)翅片尾端，205-外側(cè)翅片頭端，206-第一貫通孔，207-第二貫穿孔；

30-中心管；

40-套管；

50-剛性隔環(huán)；

200-壓縮式封隔器；

300-熱采井口；

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連接于中心管30上并置于套管40內(nèi)。壓縮式封隔器200需要在井筒中把不同的油層、水層分隔開并承受一定壓差，要求既能下到井筒預(yù)定位置，封隔嚴(yán)，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整體為筒狀，膠筒10具有位于中心的通孔103，該通孔103由內(nèi)表面102限定而形成，外表面101位于與內(nèi)表面102相對應(yīng)的通孔103的外側(cè)處。當(dāng)?shù)谝惠S向壓力F₁沿第一軸向方向A作用于上端部104或第二軸向壓力F₂沿第二軸向方向B作用于下端部106時，膠筒10整體將被軸向壓縮而進(jìn)行徑向擴(kuò)張(與“在徑向方向的發(fā)生形變”具有相同的含義)，促使外表面101向外凸起并且內(nèi)表面102向內(nèi)凸起。

如圖3所示，膠筒10位于套管40和中心管30組成的環(huán)形空隙內(nèi)，剛性隔環(huán)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(huán)50并由能對膠筒10施加第一軸向壓力F₁的其它部件來代替。上端部104用于直接承受沿軸向方向的第一軸向壓力F₁，下端部106用于直接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(yīng)該具有彈性。作為對彈性的一種解釋及彈性大小的限定，當(dāng)?shù)谝惠S向壓力F₁施加于上端部104時，上端部104、中間部105及下端部106均在徑向方向發(fā)生形變；當(dāng)?shù)诙S向壓力F₂施加于下端部106時，上端部104、中間部105及下端部106均在徑向方向發(fā)生形變。在施加第一軸向壓力F₁后或者在施加第二軸向壓力F₂后，內(nèi)表面102與中心管30密封，外表面101與套管40密封。一般地，內(nèi)表面102與中心管30之間的空隙較小(幾乎相互貼合)，而外表面101與套管40之間的間隙較大，且中心管30和套管40分別將內(nèi)表面102和外表面101的最大的凸起大小進(jìn)行了限定，所以導(dǎo)致外表面101向外凸起的程度大于內(nèi)表面102向內(nèi)凸起的程度。

如圖4所示，當(dāng)上端部104受到第一軸向壓力F₁時，上端部104會產(chǎn)生肩突107，當(dāng)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(fā)生割裂。或者，上端部104雖然在受到第一軸向壓力F₁時不產(chǎn)生肩突107，但當(dāng)再施加第二軸向壓力F₂時產(chǎn)生肩突107，受材料延伸性及剛性隔環(huán)50剪切的作用，肩突107非常容易割裂。

下面來敘述本申請減少或防止肩突107的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

本申請使用碟簧20來充當(dāng)充當(dāng)圖2和圖3所示的上端部104。

在一個實施例中，碟簧20包括：

位于中部的圓形的安裝孔201，安裝孔201由承壓圈202環(huán)繞而成。安裝孔201用于套設(shè)在中心管30上。

在承壓圈202周向面上分布的多個外側(cè)翅片203，各外側(cè)翅片203之間設(shè)置有第一貫通孔206。第一貫通孔206將各個外側(cè)翅片203間隔開來。外側(cè)翅片203包括尾端、頭端以及它們之間的中間部分?？拷惭b孔201的外側(cè)翅片尾端204連接于承壓圈202上，遠(yuǎn)離安裝孔201的外側(cè)翅片頭端205與中間部105相抵壓，外側(cè)翅片頭端205傾斜向下朝遠(yuǎn)離安裝孔201的方向延伸而致外側(cè)翅片尾端204高于外側(cè)翅片頭端205。

當(dāng)承壓圈202承受軸向壓力時，外側(cè)翅片頭端205被中間部105抵壓而在徑向方向上向外擴(kuò)張，當(dāng)軸向壓力加大到第一額定值時，外側(cè)翅片頭端205與套管40相抵壓。此時外側(cè)翅片203將中間部105抵壓住，只需要調(diào)整外側(cè)翅片203的硬度即可有效地防止肩突107的產(chǎn)生。并且，在軸向壓力消失后，碟簧20整體在軸向方向朝上彈起，外側(cè)翅片頭端205在徑向方向上向內(nèi)收縮，有利于將圖3所示的膠筒10從套管40內(nèi)起出。在一個實施例中，碟簧20為金屬材質(zhì)來增加強(qiáng)度，還可以在外側(cè)翅片頭端205上包覆有銀或紫銅來增加與套管40的貼合度。

如圖5所示，由于外側(cè)翅片203之間具有第一貫通孔206，為了防止在施加軸向壓力時中間部105從第一貫通孔206凸起破裂，在一個實施例中設(shè)置兩個碟簧20，這兩個碟簧20在軸向方向上相互疊壓。位于上端的碟簧20的外側(cè)翅片203覆蓋住位于下端的碟簧20的第一貫通孔206。這樣，上端的碟簧20的外側(cè)翅片203就限制了中間部105從下端的碟簧20的第一貫通孔206向上凸起的長度，能夠防止該凸起破裂。

考慮到中間部105的上表面為水平面，在一個實施例中，外側(cè)翅片頭端205的下表面為水平面。這樣能夠防止外側(cè)翅片頭端205刺穿中間部105。或者在圖5所示的外側(cè)翅片頭端205處設(shè)置在水平方向延伸的外沿，用外沿與中間部105抵壓，也能夠在施加軸向壓力時防止中間部105被刺穿。

參見圖3和圖4，考慮到一般地使用剛性隔環(huán)50的水平的下表面對承壓圈202施壓，在一個實施例中，承壓圈202的一部分上表面為水平面，這可以增加剛性隔環(huán)50的施壓面積防止碟簧20被壓裂。

在圖6所示實施例中，承壓圈202上分布有多個在軸向方向上貫穿承壓圈202的第二貫穿孔207，第二貫穿孔207與安裝孔201相通，這使承壓圈202形成為與多個外側(cè)翅片203相對應(yīng)的多個內(nèi)側(cè)翅片。

當(dāng)承壓圈202承受軸向壓力時，承壓圈202或者說內(nèi)側(cè)翅片在徑向方向上朝靠近安裝孔201的方向擴(kuò)張，當(dāng)軸向壓力加大到第二額定值時，承壓圈202與中心管30相抵壓。該結(jié)構(gòu)能防止中間部105在靠近中心管30處產(chǎn)生向上的凸起。并且，在軸向壓力消失后，碟簧20整體在軸向方向朝上彈起，承壓圈202或者說內(nèi)側(cè)翅片在徑向方向上向外(遠(yuǎn)離安裝孔201的方向)收縮，有利于將圖3所示的膠筒10與中心管30的分離。

通過調(diào)節(jié)第二貫穿孔207的大小，可以調(diào)節(jié)在額定軸向壓力下承壓圈202的下移程度，從而調(diào)節(jié)承壓圈202與中心管30的間隙。在一個實施例中，第二貫穿孔207朝遠(yuǎn)離安裝孔201的方向延伸，第二貫穿孔207與外側(cè)翅片203相交且貫穿一部分外側(cè)翅片203，此時在額定軸向壓力下承壓圈202與中心管30相抵壓、外側(cè)翅片頭端205與套管40相抵壓。

如圖6所示，第一貫通孔206與第二貫穿孔207均位于徑向方向上，且相互間隔排列。由于第一貫通孔206與第二貫穿孔207均較長，兩個圖6所示的碟簧20疊加時，在上的碟簧20的第二貫穿孔207難免與在下的碟簧20的第一貫通孔206相重合，無法限制中間部105從第一貫通孔206、第二貫穿孔207向上凸起的長度。所以在如圖7所示實施例中，第二貫穿孔207朝遠(yuǎn)離安裝孔201的方向延伸，且與外側(cè)翅片203不相交。當(dāng)兩個如圖7所示的碟簧20在軸向方向上疊壓時，就可以通過轉(zhuǎn)動上端的碟簧20來達(dá)到如下狀態(tài)：當(dāng)疊壓時，位于上端的碟簧20的外側(cè)翅片203覆蓋住位于下端的碟簧20的第一貫通孔206，位于上端的碟簧20的第二貫穿孔被位于下端的碟簧20的承壓圈202封堵住，限制了中間部105從第一貫通孔206、第二貫穿孔207向上凸起的長度。

本申請還提供一種封隔器，該封隔器具有上述技術(shù)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(shù)方案之一所限定的膠筒10。

至此，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)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范圍的情況下，仍可根據(jù)本申請公開的內(nèi)容直接確定或推導(dǎo)出符合本申請原理的許多其他變型或修改。因此，本申請的范圍應(yīng)被理解和認(rèn)定為覆蓋了所有這些其他變型或修改。