ПАКЕР

Полезная модель относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к устройствам, применяемым при бурении и эксплуатации нефтяных и газовых скважин.
Известен пакер, содержащий ствол, установленные на стволе уплотнительную манжету с верхним и нижним нажимными элементами, якорный узел и седло с фиксатором (А.с. СССР №773250, кл. Е 21 В 33/12, 1980 г.).
Недостатком этого пакера является сложность конструкции, заключающаяся в наличии якорного узла, состоящего из разрывных якорных втулок, конусов и заклинивающих элементов в виде раздвижных плашек, и как следствие этого, сложность изготовления пакера с якорным узлом. К недостаткам можно отнести и недостаточную эксплуатационную надежность, заключающуюся в том, что входящие в состав якорного узла, раздвижные плашки, которые должны обеспечивать перекрытие кольцевого пространства внизу уплотнительного элемента, размещены на определенном расстоянии от резинового элемента. Поэтому после создания осевой сжимающей нагрузки резиновый элемент пакера может затекать в радиальный зазор, образованный между якорной втулкой и стенками скважины. В результате перекрывающее устройство не будет выполнять полностью свою функцию.
Задачей предлагаемого технического решения является упрощение конструкции и снижение затрат на изготовление пакера.
Поставленная задача решается тем, что в известном пакере, содержащем ствол, установленный на стволе уплотнительный элемент с верхней и нижней нажимными втулками, и заклинивающие элементы,
снабженные зубчатой нарезкой, согласно полезной модели, заклинивающие элементы выполнены в виде шлипсовых упоров, размещенных непосредственно в уплотнительном элементе.
Шлипсовый упор может быть выполнен в виде полусферы или в виде конуса.
Сущность полезной модели заключается в том, что шлипсовые упоры, входящие в зацепление с обсадной колонной, расположены непосредственно в уплотнительном элементе пакера. Такое решение позволяет отказаться от конструктивно сложных якорных узлов.
Выполнение шлипсового упора в виде полусферы или в виде конуса направлено на лучшее выдавливание упоров из уплотнительного элемента.
Материалами для изготовления шлипсовых упоров, в случае, если пакер разбуриваемый, могут являться, например закаленный дюралюминий или низкосортный чугун, а также композитные или синтетические материалы с необходимыми характеристиками.
В том случае, если пакер неразбуриваемый, шлипсовые упоры могут быть выполнены из известных материалов, обычно применяемых для изготовления плашек в якорных узлах этих пакеров.
На фиг.1 изображен пакер, общий вид, на котором показаны варианты исполнения шлипсового упора; на фиг.2 показан уплотнительный элемент в транспортном и рабочем положениях; на фиг.3 показан шлипсовый упор в зацеплении с обсадной колонной.
Пакер включает ствол 1, установленный на нем уплотнительный элемент 2, с размещенными в нем шлипсовыми упорами 3, наружная поверхность которых снабжена зубчатой нарезкой 4. Шлипсовый упор 3 выполнен в виде полусферы 5 или в виде конуса 6. На стволе 1 над и под уплотнительной манжетой 2 расположены нажимные втулки 7, устройство расположено в обсадной колонне 8.
Устройство работает следующим образом.
Пакер спускают в скважину до требуемой глубины на колонне насосно-компрессорных или бурильных труб.
Посредством известного установочного устройства усилие, необходимое для посадки пакера в скважине, через нажимные втулки 7, перемещающиеся в осевом направлении по стволу 1 пакера, передается на уплотнительный элемент 2, приводя его в осевое сжатие и радиальное расширение по диаметру до соединения с обсадной трубой 8. Деформируясь, уплотнительный элемент 2 передает усилие на шлипсовые упоры 3 и происходит выталкивание их из уплотнительного элемента, обеспечивая разобщение и герметизацию пакеруемого пространства. Выталкивающее усилие, возникающее на концевой части шлипсового упора 3, выполненного например, в виде полусферы 5 или конуса 6, обеспечивает контактное усилие врезания шлипсового упора посредством зубчатой нарезки 4 во внутреннюю поверхность обсадной трубы 8, фиксируя уплотнительный элемент 2 в рабочем положении.
После окончания технологического процесса по ремонту или другому виду работ в скважине, освобождение уплотнительного элемента 2 от контакта с обсадной колонной 8 осуществляется любым известным способом.
Усилие, удерживающее пакер от сдвига в процессе его работы, складывается из усилия, возникающего на контактной поверхности уплотнительного элемента и контактного усилия на шлипсовом упоре, умноженного на количество этих упоров.
Усилие, возникающее на контактной поверхности уплотнительного элемента, рассчитывается известным способом, применяемым при расчетах пакера, и в данном техническом решении не рассматривается.
Произведем расчет контактного усилия на шлипсовых упорах, представляющего касательное напряжение τ, возникающего в месте контакта шлипсового упора и внутренней поверхности обсадной трубы, и расчет необходимого количества шлипсовых упоров.
Усилие Q, с которым шлипсовый упор врезается в обсадную трубу, обеспечивается напряжениями, возникающими в теле уплотнительного элемента, сжимаемого нажимными втулками.
Определим значения этих напряжений на конкретном примере.
1
1
2
2
Уплотнительный элемент 2 (фиг.2), расположенный на стволе 1 пакера, имеет в транспортном положении диаметр D и ширину L, после сжатия, он принимает новое положение, с размерами D (равном внутреннему диаметру обсадной трубы) и L.
i
1
2
Примем размеры уплотнительного элемента до деформации, равными D=110 мм, L=120 мм, диаметр обсадной трубы - D, равным 124 мм и диаметр ствола пакера - d, равным 70 мм.
Материал уплотнительного элемента - пакерная резина с модулем упругости Юнга Е, принимаемым для расчета, равным 75 МПа.
Перепад давления Δg над и под пакером в процессе эксплуатации составляет Δg=20 МПа.
Рассмотрим напряженное состояние уплотнительного элемента в рабочем положении. Воспользуемся законом Гука о пропорциональности нормальных напряжений σ и относительной деформации ε
1
2
1
2
При установке уплотнительного элемента в рабочее положение, происходит его упругое деформирование, при этом диаметр D изменяется до диаметра D, а ширина L принимает размер L, вследствие этого
р
где ε - радиальная относительная деформация;
л
ε - линейная относительная деформация.
2
Для определения L, считаем, что объем V уплотнительного элемента при деформации остается неизменным, т.е.
при это
2
р
Подставив числовые значения в формулы 5, 6 и 7, определяем, что L=82 мм, ε=0,11,
л
р
л
ε=0,32 и, соответственно: σ=8,25 МПа и σ=24,0 МПа,
р
где σ - радиальное нормальное напряжение, МПа;
л
σ - линейное нормальное напряжение, МПа.
Найдем усилие Q, с которым шлипсовый упор врезается в обсадную трубу.
э
Для расчета выбираем шлипсовый упор, выполненный в виде конуса. По третьей теории прочности (Беляев Н.М., Сопротивление материалов, М., Наука, 1976, с.126-128.) следует, что эквивалентное нормальное напряжение σ, возникающее в уплотнительном элементе составляет:
э
л
p
в нашем случае: σ-σ-σ=15,75 МПа,
из этого следует, что
к
2
где S - площадь боковой поверхности конуса, см,
подставляя числовые значения, получим: Q=774 кгс.
Затем, произведем расчет нормального σ и касательного τ напряжений, возникающих в месте контакта шлипсового упора и внутренней поверхности обсадной трубы (фиг.3).
Воспользуемся формулой расчета давления цилиндра на плоскость (Писаренко Г.С., Яковлев А.П., Матвеев В.В., Справочник по сопротивлению материалов, Киев, Наукова думка, 1988, с.628-630).
где R - радиус округления острия зуба зубчатой нарезки шлипсового упора, при R, стремящемся к нулю, принимаем R=0,001 мм;
1
2
E и Е - модули упругости материалов обсадной трубы и шлипсового упора соответственно, МПа.
Для упрощения расчета (для стали 45) примем
1
2
-5
E=E=2,4·10 МПа
Подставив числовые значения в формулу 10, находим, что σ=18 МПа, тогда касательное напряжение для данного случая составит:
т.е. τ=5,4 МПа, а так как Δg=20 МПа, то количество шлипсовых упоров (n) составит:
Таким образом, для параметров, заданных в начале расчета, и вычисленных в процессе расчета, таких как, усилие, с которым шлипсовый упор врезается в обсадную трубу, равное 774 кгс, нормальное и касательное напряжения, возникающие в месте контакта шлипсового упора и обсадной трубы, равные 18 МПа и 5,4 МПа соответственно, необходимое количество шлипсовых упоров, для размещения их в уплотнительном элементе, составит 4.
Предлагаемое техническое решение обеспечивает упрощение конструкции пакера, исключает использование якорного узла и позволяет получить экономический и технический эффекты. Применение предложенного пакера обеспечивается меньшими затратами на его изготовление.