注蒸汽热敏扩张式折叠型多段封隔器技术领域
本发明涉及一种多段封隔器，具体涉及一种采用热敏金属片以及注蒸汽装置的扩张式折
叠型多段封隔器，用于开采油页岩、天然气水合物、地下水、石油等自然资源时对上覆地层
和下伏地层进行有效地封隔。
背景技术
开采油页岩等矿物时，由于油页岩等矿物常常位于某一层位的地层中，且有时只需要开
采某一特定层位的矿物而并非全部矿物；天然气水合物是在陆地永久冻土带由甲烷及水在低
温高压条件下生成的一种固体化合物，具有分布广、储量巨大的特点；有时抽取地下水时需
要抽取某一层位的地下水，防止不同层位的地下水之间互相污染；此外，在油田完井、修井、
增产作业等施工时也常常要用到封隔器封隔地层，以实现分层分段开采、控水堵水、储层改
造等目的。
因此，要想实现只开采、转运某一特定层位目标矿物的目的，必须使用封隔器加以实现。
现有的封隔器多为单层封隔，封隔效果不是很理想，容易导致上下储层间的油页岩、天
然气水合物、地下水、石油等自然资源互相污染，从而对开采矿物的品质产生不利影响。且
常规的封隔器结构复杂，部件繁多，导致加工成本高，现场操作工艺复杂，工具整体可靠性
低。
发明内容
本发明为解决上述问题，提供了一种操作简便、结构简单、对上覆地层和下伏地层进行
有效地封隔的注蒸汽热敏扩张式折叠型多段封隔器。
本发明通过以下方案实现：
一种注蒸汽热敏扩张式折叠型多段封隔器，包括动力模块、封隔模块和开采模块；
其中，动力模块包括有双动力头钻机1、双动力头2和泵3；开采模块中的具有三层结构
的活动三壁套管5与双动力头2的活动部分固定连接；开采模块中的固定外管4与双动力头2
的固定部分固定连接。
所述的封隔模块中的上顶盖7与固定外管4固定连接；
所述的双动力头2带动开采模块中的活动三壁套管5向下运动，进而驱动能够轴向折叠、
径向挤扩的封隔模块中的下弓臂18和扩张式封隔杆系。
在活动三壁套管5的内层套管53最顶端，与双动力头2连接处稍向下的位置，设置有从内
层套管53伸出活动三层套管5的侧吸管8，与地表的矿浆收集装置9连接。
具体地，封隔模块包括套管柱6、上顶盖7、上边缘曲面挡圈10、下边缘曲面挡圈11、
上压盖12、双层耐高温橡胶15、仿生上弓臂16、下弓臂18、下压盖22、热敏金属片23；
开采模块包括固定外管4、活动三壁套管5、伸缩喷管24和伸缩抽吸管25，其中活动
三壁套管5为三层结构，包括有外层套管51，中层套管52，内层套管53。
所述的双动力头钻机1通过双动力头2带动活动三壁套管5上下运动，从而驱动封隔模
块上下运动，实现封隔模块的轴向折叠、径向挤扩，从而对下伏地层进行封隔；此外，双动
力头2对固定外管4起到固定限位的作用。
活动三壁套管5为三层结构，从而形成外层环状空间、中层环状空间和内层管状空间。
其中，通过外层环状空间向下泵入高温蒸汽，泵入的高温蒸汽通过外层套管51上的高温蒸
汽孔17进入封隔杆系及双层耐高温橡胶15内部空腔，进而提高热敏金属片23的膨胀能力，
也就提高了封隔的效果；
由泵3泵出的热流体经高压胶管13通过中层环状空间向目标矿物层泵入高压热流体，
从伸缩喷管24喷出至目标矿物层，从而对目标矿物层进行水力破碎；
混有目标矿物的矿浆通过伸缩抽吸管25、活动三壁套管5的内层管状空间抽吸到地表，
通过侧吸管8进入矿浆收集装置9，其中，将活动三壁套管5的内层管状空间的顶部密封；
活动三壁套管5的底部密封，防止矿浆、热流体及蒸汽进入下伏地层。
由泵3提供喷射高压热流体、高温蒸汽和抽吸混有目标矿物的矿浆的动力，从而实现目
标矿物的开采、转运。
固定外管4侧壁上相应于目标矿物层处设置有一段长槽，伸缩喷管24和伸缩抽吸管25
从该长槽中伸出到目标矿物层；固定外管4侧壁上相应于外层套管51上的连接板20设置有
固定外管下部长槽19，从而适应活动三壁套管5的上下运动。
上边缘曲面挡圈10、下边缘曲面挡圈11分别在上、下边缘具有曲面结构，与仿生上弓
臂16及双层耐高温橡胶15的圆弧形状相配合，提高封隔的效果；
套管柱6内壁上设置有螺纹，上边缘曲面挡圈10和下边缘曲面挡圈11通过螺纹固定连
接在套管柱6的内壁上。
与固定外管4固定连接的上顶盖7可以起到导向限位及一级封隔的作用。此外，上顶盖
7与最上层的上边缘曲面挡圈10的固定位置保证了仿生上弓臂16端部和双层耐高温橡胶15
的弯曲部分正好位于上边缘曲面挡圈10和下边缘曲面挡圈11之间的空隙，使得配合良好。
上压盖12用螺栓固定在固定外管4外表面，用于将双层耐高温橡胶15的上端固定在固
定外管4上部的突起上，从而保证了双层耐高温橡胶15与固定外管4之间的密封；
下压盖22与上压盖12的作用及安装方法相同。
双层耐高温橡胶15的上端被上压盖12夹持住，双层耐高温橡胶15的下端被下压盖22
夹持住，从而避免高温蒸汽从封隔杆系中泄露出去，提高热敏金属片23的膨胀能力。
热敏金属片23采用耐高温强力胶均匀地粘结于双层耐高温橡胶15之间，当注入高温蒸
汽时，热敏金属片23膨胀变形，从而实现辅助封隔；
由于封隔杆系可以布置多层，下面以最上层的封隔杆系为例进行介绍。
下弓臂18的一端与外层套管51上的连接板20铰接，另一端与仿生上弓臂16中部铰接；
仿生上弓臂16仿造人脚的结构，包括腿部、脚跟和脚尖，仿生上弓臂16上端相当于人
体的腿部，与固定外管上的连接板21铰接，仿生上弓臂16下端相当于人体的脚跟和脚尖，
脚尖部分处于双层耐高温橡胶15的弯曲处，仿生上弓臂16的中部与下弓臂18铰接。
可选地，仿生上弓臂16和下弓臂18可以在固定外管4的圆周方向上均匀地布置多组，
优选为四组以上时，可以进行更好地撑起双层耐高温橡胶15，进而实现更好地封隔。
可选地，为防止橡胶的老化和变形，将仿生上弓臂16端部与双层耐高温橡胶15的连接
处用耐高温强力胶粘结在一起，这样当封隔杆系上下运动、扩张与回缩闭合时，仿生上弓臂
16与双层耐高温橡胶15同时扩张、闭合运动，仿生上弓臂16端部与双层耐高温橡胶15的
接触部位保持不变，可有效地避免仿生上弓臂16端部与双层耐高温橡胶15的接触部位的橡
胶老化和变形。
可选地，活动三壁套管5是一段一段地连接起来的，连接方式为最外层的外层套管51
采用导向锥面螺纹连接，即通过导向锥面外螺纹26与导向锥面内螺纹27进行连接；中层套
管52和内层套管53采用导向锥面插接的连接方式，即通过导向锥面插头28与导向锥面插
槽29进行连接。
可选地，活动三壁套管5的三层套管，即外层套管51、中层套管52和内层套管53是
通过位于每段套管上、下两头端部的四组螺栓与螺母固定联接在一起的。
可选地，下弓臂18和扩张式封隔杆系采用金属材质，并且下弓臂18和扩张式封隔杆系
的外表面均有电镀层，使得该封隔器的耐腐蚀性和密封效果更好，使用寿命更长，并可重复
使用。
本发明的工作过程为：
第一步，根据地质资料确定好上覆地层、目标矿物层及下伏地层的深度，从而在孔下不
可视条件时确定整套封隔杆系的位置，将上顶盖7固定、安装在固定外管4的中部相应位置，
将上边缘曲面挡圈10、下边缘曲面挡圈11拧至套管柱6相应位置处；将封隔模块中其他的
部件按照上述连接方式连接在相应位置；
第二步，将封隔模块和开采模块从孔口下入到地下，使得封隔模块处于下伏地层，开采
模块处于目标矿物层；在井下位置的确定是通过上顶盖的限位作用实现的；
第三步，动力模块中的双动力头2带动固定外管4和活动三壁套管5一起向下运动，固
定外管4带着上顶盖7向下运动，当上顶盖7触碰到最上位置的上边缘曲面挡圈10时，实
现一级封隔且固定外管4及整套杆系不再继续向下运动；活动三壁套管5继续向下运动，当
下部杆系挤扩、张开后，仿生上弓臂16端部和双层耐高温橡胶15的弯曲部分正好位于上边
缘曲面挡圈10和下边缘曲面挡圈11之间；至此，将固定外管4固定；当双动力头2带动活
动三壁套管5继续向下运动时，外层套管51上的连接板20驱动下弓臂18运动，进而带动
仿生上弓臂16向外摆动，整个封隔模块被轴向折叠、径向挤扩，仿生上弓臂16的端部外伸，
进而压迫双层耐高温橡胶15和上边缘曲面挡圈10、下边缘曲面挡圈11相匹配，从而实现
主封隔；上述动作类似于撑开雨伞的动作；
第四步，由泵3通过外层套管51的环状空间向下泵入高温蒸汽，泵入的高温蒸汽通过
高温蒸汽孔17进入封隔杆系及双层耐高温橡胶内部空腔，进而提高热敏金属片23的膨胀能
力，也就提高了封隔的效果；通过中层套管52的环状空间向目标矿物层泵入高压热流体，
从伸缩喷管24喷出至目标矿物层，将目标矿物进行水力破碎，破碎后的混有目标矿物的矿
浆通过伸缩抽吸管25、活动三壁套管5的内层套管53的管状空间抽吸到地表；
第五步，目标矿物开采完成后，将活动三壁套管5上提，底部封隔模块回缩，进而将整
个封隔模块和开采模块提升到地表。
本发明的注蒸汽热敏扩张式折叠型多段封隔器具有以下优点和有益效果：通过三层结构
的活动三壁套管可作为泵入高温蒸汽及开采、运移混有目标矿物的矿浆的通道，结构简单，
操作方便；仿生上弓臂独特的外形设计有效地提高了双层耐高温橡胶与上、下边缘曲面挡圈
的匹配程度，进而有效地的增强了封隔效果；封隔模块的扩张式折叠杆系结构和多组结构可
以实现多段封隔，进一步提高封隔效果。本发明可以有效地提高油页岩等自然资源的开采纯
度、降低开采过程中各个储层之间的矿物互相污染的程度，具有很好的应用前景。
附图说明
图1为本发明的总体示意图
图2为伸缩喷管、伸缩抽吸管的放大图
图3为封隔模块的局部放大图
图4为活动三壁套管的连接示意图
图中：
1双动力头钻机，2双动力头，3泵，4固定外管，5活动三壁套管，51外层套管，
52中层套管，53内层套管，6套管柱，7上顶盖，8侧吸管，9矿浆收集装置，
10上边缘曲面挡圈，11下边缘曲面挡圈，12上压盖，13高压胶管，
15双层耐高温橡胶，16仿生上弓臂，17高温蒸汽孔，18下弓臂，
19固定外管下部长槽，20外层内管上的连接板，21固定外管上的连接板，
22下压盖，23热敏金属片，24伸缩喷管，25伸缩抽吸管，26，导向锥面外螺纹，
27导向锥面内螺纹，28导向锥面插头，29导向锥面插槽。
具体实施方式
下面结合附图和实施例作进一步详细说明：
如图1所示，为本发明的注蒸汽热敏扩张式折叠型多段封隔器的总体示意图，包括动力
模块、封隔模块和开采模块；
其中，动力模块包括有双动力头钻机1、双动力头2和泵3；开采模块中的具有三层结构
的活动三壁套管5与双动力头2的活动部分固定连接；开采模块中的固定外管4与双动力头2
的固定部分固定连接。
所述的封隔模块中的上顶盖7与固定外管4固定连接；
所述的双动力头2带动开采模块中的活动三壁套管5向下运动，进而驱动能够轴向折叠、
径向挤扩的封隔模块中的下弓臂18和扩张式封隔杆系。
在活动三壁套管5的内层套管53最顶端，与双动力头2连接处稍向下的位置，设置有从内
层套管53伸出活动三层套管5的侧吸管8，与地表的矿浆收集装置9连接。
具体地，封隔模块包括套管柱6、上顶盖7、上边缘曲面挡圈10、下边缘曲面挡圈11、
上压盖12、双层耐高温橡胶15、仿生上弓臂16、下弓臂18、下压盖22、热敏金属片23；
开采模块包括固定外管4、活动三壁套管5、伸缩喷管24和伸缩抽吸管25，其中活动
三壁套管5为三层结构，包括有外层套管51，中层套管52，内层套管53。
所述的双动力头钻机1通过双动力头2带动活动三壁套管5上下运动，从而驱动封隔模
块上下运动，实现封隔模块的轴向折叠、径向挤扩，从而对下伏地层进行封隔；此外，双动
力头2对固定外管4起到固定限位的作用。
活动三壁套管5为三层结构，从而形成外层环状空间、中层环状空间和内层管状空间。
其中，通过外层环状空间向下泵入高温蒸汽，泵入的高温蒸汽通过外层套管51上的高温蒸
汽孔17进入封隔杆系及双层耐高温橡胶15内部空腔，进而提高热敏金属片23的膨胀能力，
也就提高了封隔的效果；
由泵3泵出的热流体经由高压胶管13通过中层环状空间向目标矿物层泵入高压热流体，
从伸缩喷管24喷出至目标矿物层，从而对目标矿物层进行水力破碎；
混有目标矿物的矿浆通过伸缩抽吸管25、活动三壁套管5的内层管状空间抽吸到地表，
通过侧吸管8进入矿浆收集装置9，其中，将活动三壁套管5的内层管状空间的顶部密封；
活动三壁套管5的底部密封，防止矿浆、热流体及蒸汽进入下伏地层。
由泵3提供喷射高压热流体、高温蒸汽和抽吸混有目标矿物的矿浆的动力，从而实现目
标矿物的开采、转运。
固定外管4侧壁上相应于目标矿物层处设置有一段长槽，伸缩喷管24和伸缩抽吸管25
从该长槽中伸出到目标矿物层；固定外管4侧壁上相应于外层套管51上的连接板20设置有
固定外管下部长槽19，从而适应活动三壁套管5的上下运动。
上边缘曲面挡圈10、下边缘曲面挡圈11分别在上、下边缘具有曲面结构，与仿生上弓
臂16及双层耐高温橡胶15的圆弧形状相配合，提高封隔的效果；
套管柱6内壁上设置有螺纹，上边缘曲面挡圈10和下边缘曲面挡圈11通过螺纹固定连
接在套管柱6的内壁上。
与固定外管4固定连接的上顶盖7可以起到导向限位及一级封隔的作用。此外，上顶盖
7与最上层的上边缘曲面挡圈10的固定位置保证了仿生上弓臂16端部和双层耐高温橡胶15
的弯曲部分正好位于上边缘曲面挡圈10和下边缘曲面挡圈11之间的空隙，使得配合良好。
上压盖12用螺栓固定在固定外管4外表面，用于将双层耐高温橡胶15的上端固定在固
定外管4上部的突起上，从而保证了双层耐高温橡胶15与固定外管4之间的密封；
下压盖22与上压盖12的作用及安装方法相同。
双层耐高温橡胶15的上端被上压盖12夹持住，双层耐高温橡胶15的下端被下压盖22
夹持住，从而避免高温蒸汽从封隔杆系中泄露出去，提高热敏金属片23的膨胀能力。
热敏金属片23采用耐高温强力胶均匀地粘结于双层耐高温橡胶15之间，当注入高温蒸
汽时，热敏金属片23膨胀变形，从而实现辅助封隔；
由于封隔杆系可以布置多层，下面以最上层的封隔杆系为例进行介绍。
下弓臂18的一端与外层套管51上的连接板20铰接，另一端与仿生上弓臂16中部铰接；
仿生上弓臂16仿造人脚的结构，包括腿部、脚跟和脚尖，仿生上弓臂16上端相当于人
体的腿部，与固定外管上的连接板21铰接，仿生上弓臂16下端相当于人体的脚跟和脚尖，
脚尖部分处于双层耐高温橡胶15的弯曲处，仿生上弓臂16的中部与下弓臂18铰接。
可选地，仿生上弓臂16和下弓臂18可以在固定外管4的圆周方向上均匀地布置多组，
优选为四组以上时，可以进行更好地撑起双层耐高温橡胶15，进而实现更好地封隔。
可选地，为防止橡胶的老化和变形，将仿生上弓臂16端部与双层耐高温橡胶15的连接
处用耐高温强力胶粘结在一起，这样当封隔杆系上下运动、扩张与回缩闭合时，仿生上弓臂
16与双层耐高温橡胶15同时扩张、闭合运动，仿生上弓臂16端部与双层耐高温橡胶15的
接触部位保持不变，可有效地避免仿生上弓臂16端部与双层耐高温橡胶15的接触部位的橡
胶老化和变形。
可选地，活动三壁套管5是一段一段地连接起来的，如图4所示，为活动三壁套管的连
接示意图，从图中可以看出其连接方式为最外层的外层套管51采用导向锥面螺纹连接，即
通过导向锥面外螺纹26与导向锥面内螺纹27进行连接；中层套管52和内层套管53采用导
向锥面插接的连接方式，即通过导向锥面插头28与导向锥面插槽29进行连接。
可选地，活动三壁套管5的三层套管，即外层套管51、中层套管52和内层套管53是
通过位于每段套管上、下两头端部的四组螺栓与螺母固定联接在一起的。
可选地，下弓臂18和扩张式封隔杆系采用金属材质，并且下弓臂18和扩张式封隔杆系
的外表面均有电镀层，使得该封隔器的耐腐蚀性和密封效果更好，使用寿命更长，并可重复
使用。
本发明的工作过程为：
第一步，根据地质资料确定好上覆地层、目标矿物层及下伏地层的深度，从而在孔下不
可视条件时确定整套封隔杆系的位置，将上顶盖7固定、安装在固定外管4的中部相应位置，
将上边缘曲面挡圈10、下边缘曲面挡圈11拧至套管柱6相应位置处；将封隔模块中其他的
部件按照上述连接方式连接在相应位置；
第二步，将封隔模块和开采模块从孔口下入到地下，使得封隔模块处于下伏地层，开采
模块处于目标矿物层；在井下位置的确定是通过上顶盖的限位作用实现的；
第三步，动力模块中的双动力头2带动固定外管4和活动三壁套管5一起向下运动，固
定外管4带着上顶盖7向下运动，当上顶盖7触碰到最上位置的上边缘曲面挡圈10时，实
现一级封隔且固定外管4及整套杆系不再继续向下运动；活动三壁套管5继续向下运动，当
下部杆系挤扩、张开后，仿生上弓臂16端部和双层耐高温橡胶15的弯曲部分正好位于上边
缘曲面挡圈10和下边缘曲面挡圈11之间；至此，将固定外管4固定；当双动力头2带动活
动三壁套管5继续向下运动时，外层套管51上的连接板20驱动下弓臂18运动，进而带动
仿生上弓臂16向外摆动，整个封隔模块被轴向折叠、径向挤扩，仿生上弓臂16的端部外伸，
进而压迫双层耐高温橡胶15和上边缘曲面挡圈10、下边缘曲面挡圈11相匹配，从而实现
主封隔；上述动作类似于撑开雨伞的动作；
第四步，由泵3通过外层套管51的环状空间向下泵入高温蒸汽，泵入的高温蒸汽通过
高温蒸汽孔17进入封隔杆系及双层耐高温橡胶内部空腔，进而提高热敏金属片23的膨胀能
力，也就提高了封隔的效果；通过中层套管52的环状空间向目标矿物层泵入高压热流体，
从伸缩喷管24喷出至目标矿物层，将目标矿物进行水力破碎，破碎后的混有目标矿物的矿
浆通过伸缩抽吸管25、活动三壁套管5的内层套管53的管状空间抽吸到地表；
第五步，目标矿物开采完成后，将活动三壁套管5上提，底部封隔模块回缩，进而将整
个封隔模块和开采模块提升到地表。
本发明的另一种实施方式为，开采模块中的伸缩喷管24，伸缩抽吸管25还可以布置在
封隔模块的下部，这样可以实现封隔上覆地层，开采下部目标矿物层的矿物；
进一步地，本发明的第三种实施方式为，设置两套封隔模块，分别位于伸缩喷管24，
伸缩抽吸管25的上下两侧，这样可以实现对上覆地层和下伏地层同时进行封隔，从而更有
效地开采位于中部地层的目标矿物层的矿物。
值得注意的是，上述实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式以及封隔
的组数等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均
不应排除在本发明的保护范围之外。