Рукав уплотнительный для пакера

Полезная модель относится к резинотехническим изделиям, а именно к рукавам уплотнительным для пакеров, применяемым в качестве уплотнительных элементов для временной герметизации (перекрытия) участков скважин, при бурении, креплении, испытании скважин, а также при проведении ремонтно-изоляционных работ в скважинах.
Для герметичного отделения испытуемого пласта от остальной части ствола скважины, во внутреннюю полость рукава пакера подается избыточное давление, при этом уплотнительный рукав раздувается по диаметру. В скважине под пакером для возбуждения притока продуктивной жидкости из пласта, сбрасывается давление. Возникает значительный перепад давлений на стенку торцевой части рукава, которая может затекать в уплотняемый кольцевой зазор между корпусом пакера и стенкой скважины, в результате сильных напряжений стенка рукава в зоне затекания разрушается, и герметичность ствола скважины нарушается.
Для предотвращения затекания используют различные приемы, укрепляющие (упрочняющие) торцевые части уплотнительных элементов, обеспечивая, таким образом, им торцевую защиту.
Известен рукав уплотнительный, содержащий силовой каркас из нескольких парных взаимоперекрещивающихся слоев кордной ткани, при этом серединная часть каждого слоя выполнена из высокоэластичной анидной или капроновой кордной ткани, а торцевые части этого же слоя выполнены из малорастяжимой арамидной кордной ткани или металлокорда (патент RU 2522367, E21B33/00, F16L11/08, опубл. 10.07.2014).
Применение известных высокопрочных кордов или других материалов более жестких, чем резинокордный композит, для изготовления армирующих каркасов уплотнительных элементов, расширяет область использования самих пакеров, но значительно удорожает стоимость пакера, и усложняет его конструкцию.
Кроме того, данная конструкция не обеспечивает надежной работы уплотнительного элемента при высоких перепадах давлений, поскольку слои силового каркаса серединной части, выполненные из высокоэластичного материала будут стремительно растягиваться по диаметру, при этом их крепление обеспечивается путем соединения внахлест с малорастяжимыми силовыми слоями торцевой части, следовательно, основная нагрузка придется на зоны пересечения этих двух материалов, и неравномерность растяжения может привести к износу эластичного слоя в зоне его закрепления со слоями торцевой части.
Наиболее близкой по сущности к предлагаемому техническому решению является уплотнительная муфта в устройстве герметичного перекрытия. Муфта выполнена многослойной и содержит минимум одну армирующую волокнистую конструкцию повышенной плотности, образованную множеством длинных и тонких волокон, обладающих высокой механической прочностью. При этом волокна наматываются спиральным образом с углом намотки по отношению к продольной оси симметрии от 45° до 60° на концевых участках, и от 15° до 30° в центральной части этой муфты (патент RU 2389864, E21B33/12, опубл. 20.05.2010).
Однако муфта имеет сложную и нетехнологичную в изготовлении конструкцию, это связано с применением в армирующей конструкции множества волокон независимых друг от друга, и необходимостью выполнения сложных трудоемких расчетов углов размещения этих волокон, на указанных в описании участках конструкции, в противном случае данная конструкция не будет обеспечивать надежность герметизирующего устройства при его эксплуатации.
Задачей предлагаемой полезной модели является разработка упрощенной конструкции рукава уплотнительного для пакера, обеспечивающего повышение его надежности при эксплуатации.
Техническим результатом является предотвращение затекания стенки рукава в уплотняемый зазор, повышение надежности герметизации ствола скважины.
Технический результат достигается тем, что в рукаве уплотнительном для пакера, содержащем внутренний герметизирующий резиновый слой и наружный защитный резиновый слой, между которыми расположена силовая армирующая конструкция, выполненная спиральным образом вокруг внутреннего резинового слоя, с величиной угла намотки существенно более высокой в торцевых частях рукава, чем в его серединной части, при этом намотка выполнена из кордных нитей, предварительно скрепленных в полосу невулканизованной резиновой смесью, в серединной части рукава угол намотки составляет 10-30°, а в торцевых частях угол намотки составляет 40-55°, причем направление угла намотки в торцевых частях противоположно направлению угла намотки в серединной части, а длина торцевых частей равна 1,5-1,8 величины наружного диаметра рукава в недеформированном состоянии.
Использование схемы с переменным углом намотки нитей в торцевых частях относительно серединной части обеспечивает перераспределение нагрузок в рукаве пакера в сторону роста нагрузки на кордные нити в торцевых частях рукава. За счет противоположного направления угла намотки нитей в торцевых частях относительно направления намотки нитей в серединной части рукава, в сочетании с величиной углов намотки и длиной торцевых участков, обеспечивается дополнительная жесткость и прочность торцевых частей для удержания значительных перепадов давлений. Это предотвращает затекание стенки рукава в уплотняемый зазор, повышая при этом надежность герметизации ствола скважины, и обеспечивает высокую надежность работы пакера, даже при значительных перепадах давлений в скважине. При этом использование для намотки кордных нитей, предварительно скрепленных в полосу невулканизованной резиновой смесью, обеспечивает монолитность конструкции и прочность связи между ее слоями, что дополнительно повышает надежность герметизации ствола скважины и обеспечивает высокую надежность работы пакера, а также надежность эксплуатации рукава при одновременном упрощении его конструкции.
Сущность полезной модели поясняется чертежами: фиг. 1 – продольный разрез рукава уплотнительного, фиг. 2 – схема расположения на плоскости кордных нитей в серединной части и торцевых частях рукава.
Рукав уплотнительный содержит ниппели стальные 1, внутренний герметизирующий резиновый слой 2, наружный защитный резиновый слой 3 и, расположенную между ними, силовую армирующую конструкцию 4.
Силовая армирующая конструкция 4 образованна из кордных нитей, предварительно скрепленных в полосу невулканизованной резиновой смесью, намотанных спиральным образом вокруг внутреннего резинового слоя 2. Кордные нити собраны в полосу путем одностороннего обрезинивания. Используют при этом кордные нити с заданными физико-механическими свойствами в зависимости от требований к рукаву по давлению.
1
2
Угол намотки каждой полосы кордных нитей в серединной части рукава α имеет величину 10-30°, в зависимости от требований по величине коэффициента пакерования, в торцевых частях рукава, длина которых равна 1,5-1,8 величины наружного диаметра рукава в недеформированном состоянии, угол намотки прорезиненных кордных нитей этой же полосы α имеет величину 40-55°. При этом направление угла намотки каждой полосы кордных нитей в серединной части рукава противоположно направлению угла намотки прорезиненных кордных нитей этой же полосы в торцевых частях данного рукава. Указанное сочетание параметров намотки в торцевых и срединной части рукава уплотнительного для пакера обеспечивает жесткость и прочность торцевых частей рукава за счет их раздутия, увеличения по диаметру до контакта со стенкой скважины, и обеспечивает более плотное прилегание наружного резинового слоя рукава к стволу скважины и высокое контактное давление за счет стремительного раздутия серединной части рукава. При этом повышается надежность герметизации ствола скважины и предотвращается затекание стенки рукава в уплотняемый зазор.
1
2
1
2
При увеличении угла намотки кордных нитей, в торцевых частях рукава относительно его серединной части, происходит уплотнение упаковки нитей в торцевых частях, за счет изменения ширины полосы кордных нитей, которая зависит от угла намотки, согласно формуле: , где D – диаметр намотки, α – угол намотки (см. Лепетов В.А., Юрцев Л.Н. Расчеты и конструирование резиновых изделий и технологической оснастки: Учеб. пособие для вузов. – 4-е изд., перераб. и доп. – М: Издательство «ИСТЕК», 2009, - 420 с.). То есть шаг намотки нитей изменяется от значения t в серединной части до значения t в торцевых частях, причем t>t. При уменьшении шага, и увеличении плотности упаковки нитей в торцевых частях рукава, повышается жесткость торцевых частей, тем самым предотвращая затекание стенки рукава в уплотняемый зазор, повышая при этом надежность герметизации ствола скважины.
Длина торцевых частей, равная 1,5-1,8 величины наружного диаметра рукава в недеформированном состоянии, измеряемая от ниппелей рукава, обеспечивает защиту торцевых частей, при сохранении упруго-расширяющихся свойств рукава при воздействии избыточного давления, при этом, указанные жесткие участки торцев, препятствуют затеканию стенки рукава в уплотняемый зазор, повышая при этом надежность герметизации ствола скважины.
Применение кордных нитей, предварительно скрепленных в полосу невулканизованной резиновой смесью, путем одностороннего обрезинивания обеспечивает монолитность стенок силовой армирующей конструкции, прочность связи внутреннего резинового слоя, силового слоя и наружного резинового слоя, что повышает надежность эксплуатации рукава при одновременном упрощении его конструкции.
Рукав уплотнительный работает следующим образом.
Под действием внутреннего избыточного давления, подаваемого во внутреннюю полость рукава пакера, рукав раздувается по диаметру до контакта со стенкой скважины. Серединная часть рукава, достигая стенки скважины, обеспечивает плотное прилегание наружного защитного резинового слоя рукава к стволу скважины, высокое контактное давление и надежность герметизации. Торцевые части рукава, раздуваясь, соприкасаются со стенкой скважины, и, опираясь на стенку скважины и заделку в ниппеле, за счет повышенной жесткости, препятствуют затеканию стенки рукава в уплотняемый зазор между корпусом пакера и стенкой скважины, обеспечивая при этом надежность герметизации ствола скважины.
Таким образом, рукав уплотнительный для пакера, содержащий внутренний герметизирующий резиновый слой и наружный защитный резиновый слой, между которыми расположена силовая армирующая конструкция, выполненная спиральным образом намоткой вокруг внутреннего резинового слоя предварительно скрепленных в полосу невулканизованной резиновой смесью кордных нитей так, что в серединной части рукава угол намотки составляет 10-30°, а в торцевых частях угол намотки составляет 40-55°, направление угла намотки в торцевых частях противоположно направлению угла намотки в серединной части, а длина торцевых частей равна 1,5-1,8 величины наружного диаметра рукава в недеформированном состоянии, обеспечивает предотвращение затекания стенки рукава в уплотняемый зазор, повышение надежности герметизации ствола скважины, то есть повышает надежность рукава при эксплуатации.