一种可重复利用的膨胀式套管外封隔器

本发明属于油田井下工具技术领域，尤其涉及一种可重复利用的膨胀式套管外封 隔器。

套管外封隔器是一种用于石油工业油气井固井或完井工具，是采用机械方式制止 或控制油、气、水互窜的重要手段，它主要由膨胀筒、中间连接管及阀系等组成，下井时将其 接于套管管柱的适当位置，靠套管内液压力的升高使膨胀筒膨胀，以达到控制管外环空的 目的。目前现场使用的套管外封隔器的阀系结构复杂，并且这种阀系安装采用横向安置，即 阀的轴线方向于管外封隔器的轴向方向垂直，因此加工制造难度大，耗时长，加工成本很 高。另外，这种阀系在制造过程中必须采用焊接工艺，不但对工艺水平的要求高，而且阀系 的整体承压能力会因此受到限制。

另外，封隔器工作时，常常需要在井下停留数月甚至一年以上，而现有的钢制封隔 器在井下长时间安装后会被严重锈蚀，不但难以拆卸更换胶筒，而且各关键结构的尺寸精 度也不能保证，因此，现有的封隔器大多只能使用一次，不能重复利用，进而导致封隔器的 应用成本居高不下。

本发明通过改变阀系的布置方式，提供一种可重复利用的膨胀式套管外封隔器， 以解决上述背景技术中提出的问题。

本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：本发明提供了一种可重复利 用的膨胀式套管外封隔器，包括连接单元、膨胀单元和控制单元，所述的连接单元主要由上 连接管、阀体、中间连接管、接头和下连接管通过螺纹依次连接而成，其中，阀体、中间连接 管和接头均由碳纤维复合材料制成；

由碳纤维复合材料制成的各零件的侧壁均为双层碳纤维结构，每层碳纤维结构均 为由环氧树脂粘结而成的碳纤维束制成，其中，构成内层碳纤维结构的各股碳纤维束的长 度方向均与封隔器的轴线方向一致，构成外层碳纤维结构的各股碳纤维束螺旋缠绕在内层 碳纤维结构的外侧；

所述的环氧树脂内添加用于改善环氧树脂强度的玄武岩短纤维，由碳纤维复合材 料制成的各零件上的螺纹和沟槽结构均需要通过模具成型的方式进行加工；

所述的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，所述的膨胀筒组件由两个膨胀筒接头和膨胀筒组成，膨胀筒 的两端硫化在两个膨胀筒接头上，靠近阀体的膨胀筒接头通过连接螺丝与阀体相连，另一 个膨胀筒接头通过螺纹与膨胀筒连接环相连，膨胀筒护环和膨胀筒胀环套装在膨胀筒组件 的外侧，所述的接头的外侧设置有台肩，所述的膨胀筒连接环从接头一侧套入并靠在所述 的台肩上，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；

所述的控制单元主要由打开阀、关闭阀和单向阀组成，阀体上设置有两个轴线与 中间连接管的轴线平行的贯通孔，两个贯通孔均将中间连接管与膨胀单元之间的环形空间 与本发明的外部连通，打开阀和关闭阀安装在一个贯通孔内，单向阀安装在另一个贯通孔 内，打开阀和关闭阀通过压帽封装在阀体内，打开阀包括打开阀芯、打开阀套和打开销，打 开阀芯通过打开销与打开阀套连接，关闭阀包括关闭阀芯、关闭弹簧和安全销，关闭阀芯的 尾部设置有滑杆，滑杆穿过压帽中心的圆孔并通过安全销安装在压帽上，所述的关闭弹簧 套在滑杆上且位于压帽与关闭阀芯的头部之间；

所述的阀体的内侧通过螺纹安装有充液销，充液销的轴线垂直于打开阀或关闭阀 的轴线，充液销上设置有凸出于阀体内壁的悬出段，充液销的中心设置有盲孔，盲孔与打开 阀和关闭阀之间的空间连通，盲孔的最深处与阀体的中轴线之间的距离小于阀体的最小内 径；

阀体的端部、上连接管的外侧设置有一压环，压环通过螺栓安装在阀体的端部，压 环上与关闭阀和单向阀对应的位置分别设置有过液孔。

与阀体相邻的膨胀筒接头点焊在中间连接管上。所述的打开阀芯与打开阀套之间 设置有密封件，所述的关闭阀芯所在的贯通孔的内壁与所述的关闭阀芯之间设置有密封 件。所述的单向阀的过液方向为由本发明的外部至内部。所述的关闭阀芯的头部与所述的 打开阀芯的尾部相抵。所述的膨胀筒由橡胶材料制成，膨胀筒的内部设置有耐高压加强骨 架。所述的耐高压加强骨架由钢丝或尼龙材料制成。

本发明的有益效果为：

1、本发明中的各主要结构件均采用碳纤维制成，与传统的钢制结构相比，碳纤维 具有防锈、质轻、耐腐蚀等诸多优异的性能，封隔器长时间使用后，各主要结构件仍然不会 腐蚀损坏，也不会因锈死难以拆卸，封隔器取出后，仅需更换胶筒和个别附件即可将封隔器 重复利用，节省封隔器的使用成本。

2、本发明将阀系中的各阀的轴线均与封隔器轴线平行，通过常规的及加工技术即 可实现加工，且耗时短，对工人的技术水平要求也大大降低。

3、本发明所采用的耐高压膨胀筒以及无焊接工艺的高承压阀系，可满足油气井固 井施工作业的极限压力标准，故对施工中的压力大小不做特别限制。而在现有技术中，由于 同类装置的承压能力有限，通常需要在施工时采用限压阀限压。

4、由单向阀、打开阀、关闭阀构成的阀系，具有对环境压力自动补偿和平衡的功 能，所以本发明对钻井液、固井水泥浆顶替液的密度不做特殊要求。而在现有技术中，要求 介质由密度引起的管内外压差一般不大于5MPa，这很难满足现场要求。

5、现有技术中的同类产品在装配时，需要在装置内填充油或其它液体，否则打开 阀会提前打开。而本发明设置的单向阀连通了套管外的环空和封隔器的内部，可在封隔器 随套管下入井内的同时，将环空内的液体引入膨胀筒内，从而保持膨胀筒内外的压力平衡， 这一结构改进，不但避免了现有的套管外封隔器在组装时由阀腔及膨胀筒内充液引起的不 确定性，而且避免产生打开阀提前打开的问题。

6、本发明的阀系由两组相互独立的阀组成，结构简单，加工方便且无焊接工艺，因 此对材料的可焊接性能无要求，而且承压强度大。

图1是本发明的结构示意图；

图2是打开阀和关闭阀处的局部放大图。

图中，1-上连接管，2-压环，3-安全销，4-关闭弹簧，5-关闭阀芯，6-阀体，7-充液 销，8-打开阀芯，9-打开阀套，10-打开销，11-连接螺丝，12-膨胀筒接头，13-膨胀筒护环， 14-膨胀筒胀环，15-膨胀筒，16-中间连接管，17-膨胀筒连接环，18-接头，19-下连接管，20- 单向阀，21-压帽。

以下结合附图对本发明做进一步描述：

本实施例包括连接单元、膨胀单元和控制单元，所述的连接单元主要由上连接管 1、阀体6、中间连接管16、接头18和下连接管19通过螺纹依次连接而成，构成封隔器中心的 刚性连接结构。其中，阀体6、中间连接管16和接头18均由碳纤维复合材料制成；

由碳纤维复合材料制成的各零件均为空心回转件，各零件的侧壁均为双层碳纤维 结构，每层碳纤维结构均为由环氧树脂粘结而成的碳纤维束制成，其中，构成内层碳纤维结 构的各股碳纤维束的长度方向均与封隔器的轴线方向一致，构成外层碳纤维结构的各股碳 纤维束螺旋缠绕在内层碳纤维结构的外侧。两层炭纤维束使得各零件在轴向和周向两个方 向均获得足够的强度，从而保证各零件不会沿碳纤维束之间的缝隙开裂。

封隔器的各主要结构件采用碳纤维复合材料制成，与钢材相比，碳纤维复合材料 在满足封隔器基本使用性能的前提下，还具有防锈、质轻、耐腐蚀等优异性能，即使长时间 处于井下恶劣环境中，也能轻松拆卸并且零件的尺寸精度不会受损，从而使得封隔器可以 多次重复利用，降低使用封隔器时投入的成本。

为进一步保证采用碳纤维复合材料制成的各零件上的螺纹结构和沟槽等结构具 有足够的抗剪强度，提高零件的设计安全系数，需要在所述的环氧树脂内添加用于改善环 氧树脂强度的玄武岩短纤维。同时，螺纹和沟槽等结构均需要通过模具成型的方式进行加 工，模具成型加工成胚料后，可再通过机加工方式进行零件尺寸精度的最后调整。此处绝不 能通过机加工手段进行加工，因为机械加工会切断碳纤维束，破坏碳纤维的完整性，从而导 致零件的强度大打折扣。

还需要说明的是，与传统的机械加工方式相比，采用模具成型的方式生产封隔器 零件，零件的加工效率会成倍提高，从而有效提高封隔器的整体加工效率。

所述的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13、膨胀筒胀 环14、膨胀筒组件和膨胀筒连接环17，所述的膨胀筒组件由两个膨胀筒接头12和膨胀筒15 组成，膨胀筒15的两端硫化在两个膨胀筒接头12上。靠近阀体6的膨胀筒接头12通过连接螺 丝11与阀体6相连，以便于装配时旋转阀体6，使装配工作顺利完成。另一个膨胀筒接头12通 过螺纹与膨胀筒连接环17相连，与现有的销钉连接方式相比，进一步保证了连接的稳固性。 膨胀筒护环13和膨胀筒胀环14套装在膨胀筒组件的外侧，所述的接头18的外侧设置有台 肩，所述的膨胀筒连接环17从接头18一侧套入并靠在所述的台肩上，膨胀筒组件与中间连 接管16之间设置有用于容纳液体的环形空间。

所述的控制单元主要由打开阀、关闭阀和单向阀20组成，阀体6上设置有两个轴线 与中间连接管的轴线平行的贯通孔，两个贯通孔均将中间连接管16与膨胀单元之间的环形 空间与本发明的外部连通，打开阀和关闭阀安装在一个贯通孔内，单向阀20安装在另一个 贯通孔内。加工上述的贯通孔是一项极为常见的机械加工工艺，工艺难度低，工时短，因此 与现有技术相比加工成本得以大大降低。

打开阀和关闭阀通过压帽21封装在阀体6内，打开阀包括打开阀芯8、打开阀套9和 打开销10，打开阀芯8通过打开销10与打开阀套9连接，关闭阀包括关闭阀芯5、关闭弹簧4和 安全销3。关闭阀芯5的尾部设置有滑杆，滑杆穿过压帽21中心的圆孔并通过安全销3安装在 压帽21上，所述的关闭弹簧4套在滑杆上且位于压帽21与关闭阀芯5的头部之间。滑杆的作 用有两个，一是起扶正作用，使得关闭阀芯可以平稳的动作，二是通过调整滑杆的截面直径 可以调整打开阀芯5两侧的承压面积的面积差，进而起到调整安全销3剪断极限压力值的作 用。

所述的阀体6的内侧通过螺纹安装有充液销7，充液销7的轴线垂直于打开阀或关 闭阀的轴线，充液销7上设置有凸出于阀体6内壁的悬出段，充液销7的中心设置有盲孔，盲 孔与打开阀和关闭阀之间的空间连通，盲孔的最深处与阀体6的中轴线之间的距离小于阀 体6的最小内径。

充液销7被破坏前，可起到防止下套管时，钻井液的激动压力进入阀腔的作用。施 工时，用替水泥胶塞从套管内部将充液销7的悬出端撞断，盲孔变成通孔，套管内部与打开 阀腔得以连通，顶替液进入打开阀腔；在套管内压力逐步升高的过程中，安全销3先受力剪 断，关闭阀芯5释放并在压力作用下向远离打开阀的方向运动；压力继续升高，当打开阀腔 内的压力达到打开销10的剪断极限值时，打开销10受力剪断，打开阀芯8释放并向远离关闭 阀芯5的方向运动，打开阀打开，顶替液进入膨胀筒15内，使膨胀筒15和膨胀筒胀环14膨胀。 当套管内的压力释放后，关闭阀芯5在关闭弹簧4的作用下向靠近打开阀的方向运动，进而 切断充液销7处的过液通道，从而隔绝套管与膨胀筒内的空间，实现封隔作用。

需要说明的是，施工时，由于顶替液与钻井液、固井水泥浆之间存在密度差异，导 致充液销7剪断后套管外环空与打开阀腔内存在压差，为防止安全销3在该压差作用下剪 断，通过调整安全销3的截面积或关闭阀芯5的有效承压面积，将安全销3的剪断压力设定为 比上述的压差大1MPa。用同样的方法将打开销10的剪断压力设定为15—20MPa，该范围既保 证了打开销10不至于意外剪断，又使得打开销10可以相对容易的剪断以节省设备制造成本 和施工成本。

阀体6的端部、上连接管1的外侧设置有一压环2，其作用是保护阀体6上安装各阀 的端面，防止受损，同时为关闭阀芯5尾部的滑杆提供活动空间。压环2通过螺栓安装在阀体 6的端部，压环6上与关闭阀和单向阀对应的位置分别设置有过液孔。

与阀体6相邻的膨胀筒接头12点焊在中间连接管16上。使得膨胀筒接头12与中间 连接管16具有良好的对中性，有利于装配时阀体6与膨胀筒接头12的对中正。

所述的打开阀芯8与打开阀套9之间设置有密封件，所述的关闭阀芯5所在的贯通 孔的内壁与所述的关闭阀芯5之间设置有密封件。

所述的单向阀20的过液方向为由本发明的外部至内部。现有技术中的同类产品在 装配时，需要在装置内填充油或其它液体，否则打开阀会提前打开。而本发明设置的单向阀 20连通了套管外的环空和封隔器的内部，可在封隔器随套管下入井内的同时，将环空内的 液体引入膨胀筒15内，从而保持膨胀筒15内外的压力平衡，这一结构改进，不但避免了现有 的套管外封隔器在组装时由于阀腔及膨胀筒15内充液引起的不确定性，而且避免产生打开 阀提前打开的问题。

所述的关闭阀芯5的头部与所述的打开阀芯8的尾部相抵。在安全销3剪断后、打开 销10剪断前，当套管外环空的静液柱压力大于套管内静液柱压力时，在压差的作用下，关闭 阀芯5有向打开阀方向运动的趋势，由于关闭阀芯5与打开阀芯8二者相抵，所以关闭阀芯5 推动打开阀芯8从而参与剪断打开销10的动作，使得打开阀芯8的动作更可靠。

所述的膨胀筒15由橡胶材料制成，膨胀筒15的内部设置有耐高压加强骨架，保证 了膨胀筒15的承压性能。所述的耐高压加强骨架由钢丝或尼龙材料制成。

本发明将阀系中的各阀的轴线均与封隔器轴线平行，通过常规的及加工技术即可 实现加工，且耗时短，对工人的技术水平要求也大大降低。

本发明所采用的耐高压膨胀筒15以及无焊接工艺的高承压阀系，可满足油气井固 井施工作业的极限压力标准，故对施工中的压力大小不做特别限制。而在现有技术中，由于 同类装置的承压能力有限，通常需要在施工时采用限压阀限压。

由单向阀、打开阀、关闭阀构成的阀系，具有对环境压力自动补偿和平衡的功能， 所以本发明对钻井液、固井水泥浆顶替液的密度不做特殊要求。而在现有技术中，要求介质 由密度引起的管内外压差一般不大于5MPa，这很难满足现场要求。

本发明的阀系由两组相互独立的阀组成，结构简单，加工方便且无焊接工艺，因此 对材料的可焊接性能无要求，而且承压强度大。