Манжета пакера

Полезная модель относится к устройствам, применяемым в нефтяной промышленности в качестве уплотнительных элементов к пакерам, предназначенным для гидравлического разрыва пласта, тампонажных работ, кислотной обработки, испытания пласта и обнаружения не герметичности обсадной колонны.
Известна манжета пакера, включающая корпус из эластичного материала, выполненный в виде кольца, армированного металлическими элементами (см. описание полезной модели к патенту Российской Федерации № 164 011, МПК E21B 33/12, опубл. 28.08.2016).
Корпус манжеты выполнен в виде втулки, которая имеет промежуточную часть, одну торцовую часть и другую торцовую часть. Промежуточная часть выполнена из эластичного материала - резины. Торцовые части также выполнены из эластичного материала и армированы металлическими элементами в виде витков стальной проволоки. Продольное осевое сечение каждой торцовой части имеет форму усеченной прямоугольной трапеции, внутри которой расположены витки стальной проволоки.
Известная манжета пакера для перехода в рабочее состояние требует наличия в пакере механического или гидравлического якоря, применение которых обусловлено осложнениями при их поломке. В предлагаемой манжете для перехода в рабочее состояние не требуется наличия в пакере механического или гидравлического якоря, что удешевляет и упрощает конструкцию пакера.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели, принятым в качестве прототипа, является манжета пакера, включающая корпус из эластичного материала, выполненный в виде кольца с трапецеидальной формой продольного осевого сечения, наружная поверхность которого представляет собой два сопряженных участка цилиндрической и усеченно-конической форм, армированного металлическими элементами, выполненными в виде двух металлических цанг, внутренней и наружной, лепестковой конструкции конической формы, расположенных коаксиально, и с перекрытием зазоров между лепестками, и элемента для фиксации манжеты в пакере (см. описание полезной модели к патенту Российской Федерации №81 249, МПК E21B 33/12, опубл. 10.03.2009).
Известная манжета пакера не надёжна в процессе эксплуатации. В известной манжете пакера обе цанги выполнены методом штамповки из листовой стали, в результате чего имеют недостаточную жесткость, что приводит к чрезмерному выгибанию цанг наружу и впоследствии разрушению всей манжеты. Цанги закреплены на элементе для фиксации манжеты в пакере, выполненной в виде втулки, методом сварки, что при эксплуатации при высоких осевых давлениях приводит к частым разрывам манжеты в месте скрепления.
Технической задачей и результатом предлагаемой полезной модели, является повышение надежности работы.
Технический результат достигается тем, что в известной манжете пакера, включающей корпус из эластичного материала, выполненный в виде кольца с трапецеидальной формой продольного осевого сечения, наружная поверхность которого представляет собой два сопряженных участка цилиндрической и усеченно-конической форм, армированного металлическими элементами в виде двух цанг - внутренней и наружной - лепестковой конструкции конической формы, расположенных коаксиально и с перекрытием зазоров между лепестками, элемент для фиксации манжеты в пакере, при этом наружная цанга выполнена методом штамповки, имеются отличия, а именно цанга внутренняя выполнена из цельного стального горячекатаного проката круглого сечения методом точения и фрезерования в виде одной детали с элементом фиксации манжеты в пакере и оснащена отверстиями по окружности для заливки эластичного материала, при этом наружная поверхность части цанги внутренней в виде элемента фиксации выполнена ступенчатой для обеспечения возможности установки цанги наружной относительно цанги внутренней при заливке резины.
Для достижения поставленной задачи цанга внутренняя изготовлена в виде одной детали с элементом фиксации - втулкой - из цельного стального горячекатаного проката круглого сечения методом точения и фрезерования, в результате чего имеет более жесткую форму (цельнометаллическую), которая способна воспринимать более высокие нагрузки и давления (до 850 атм), что значительно превышает допустимое давление известной манжеты (до 700 атм).
Полезная модель поясняется чертежами где: на фиг.1 изображено продольное сечение общего вида манжеты пакера; на фиг.2 - продольное сечение внутренней цанги; на фиг 3 - продольное сечение наружной цанги.
Корпус 1 манжеты пакера выполнен из эластичного материала и армирован металлическими цангами 2 и 3 лепестковой конструкции с продольными разрезами.
Корпус 1 имеет форму, напоминающую усеченный конус, а продольное осевое сечение - форму трапеции. При этом и внешняя и внутренняя поверхности уплотнительного элемента имеют технологические неровности, обусловленные функциональным назначением конструкции. Верхняя часть корпуса 1 имеет цилиндрическую форму, а нижняя - усечено-коническую. Такая геометрия корпуса 1 позволяет обеспечить надежное прижатие манжеты к стенкам обсадной колонны без создания дополнительного осевого усилия.
Цанга 2 внутренняя выполнена в виде одной детали, состоящей из двух частей нижней - элемента фиксации манжеты в пакере, и верхней части лепестковой конструкции.
Поскольку основную нагрузку воспринимает цанга 2 внутренняя, она изготовлена из цельного стального горячекатаного проката круглого сечения методом точения и фрезерования. Это позволяет изготавливать цангу 2 внутреннюю из высококачественных легированных конструкционных сталей и подвергать готовое изделие термической обработке, повышая тем самым её твердость, что позволяет повысить надёжность и безотказность в работе и воспринимать высокие давления. Наружная поверхность элемента фиксации манжеты в пакере выполнена ступенчатой для обеспечения возможности фиксации цанги наружной 3 относительно цанги внутренней 2 при заливке резины.
Цангу 3 наружную выполняют методом штамповки из листовой стали марки 65 Г (рессорно-пружинной).
На цанге 2 внутренней в основании между лепестков выполнены отверстия 4 по окружности (на известной манжете аналогичные отверстия отсутствуют). Отверстия 4 позволяют эластичному материалу при его заливке свободно проникать в пространство между цангами 2 и 3, повышая тем самым целостность корпуса 1, и обеспечивают отсутствие воздушных пузырьков в теле эластичного материала манжеты - резины.
Цанги 2 и 3 расположены коаксиально с перекрытием зазоров между лепестками. Таким образом, лепестки внешней металлической цанги 3 расположены в зазорах, образованных продольными разрезами внутренней цанги 2.
Каждая цанга 2 и 3 имеет возможность деформироваться в радиальном направлении на большую величину без ее разрушения, что способствует увеличению срока службы манжеты пакера.
Устройство работает следующим образом.
Манжету устанавливают элементом фиксации цанги 2 внутренней на стволе пакера. При спуске инструмента в скважину манжета деформируется в радиальном направлении и цилиндрической частью наружной поверхности прилегает к стенке обсадной колонны.
После подачи давления жидкость воздействует на внутренние конические поверхности манжеты и дополнительно прижимает наружную поверхность к стенке обсадной колонны, обеспечивая герметичность. Необходимую прочность манжете обеспечивает наличие цанг 2 и 3. При выполнении работы не требуется дополнительных манипуляций с колонной насосно-компрессорных труб, необходимых для прижатия манжеты к обсадной трубе и т.п.
Пример конкретного выполнения
Изготовлена манжета 202.01.00 для пакера (пакера моделей ПГС-М1 ПГС-М2),общий вид которой, в целом, напоминает усеченный конус, а продольное осевое сечение представляет собой трапецию. Корпус манжеты выполнен из резиновой смеси, марку которой выбирают в зависимости от условий эксплуатации и армирован двумя металлическими цангами лепестковой конструкции. Манжета имеет габаритные размеры: высота трапеции 135 мм, верхний наружный диаметр 135 мм. Фиксатором манжеты на оправке пакера является внутренняя цилиндрическая поверхность элемента фиксации диаметром 80 мм, выполненная в виде одной детали с верхней частью цанги 2 внутренней из цельного стального горячекатаного проката круглого сечения методом точения и фрезерования.
Цанга внешняя изготовлена из листовой стали толщиной 1,8 мм толщиной 1,5 мм и имеет 20 лепестков шириной 15 мм, высотой 93 мм и величиной зазора между лепестками, равной 2,7мм. Цанга внутренняя имеет 20 лепестков шириной 15,8 мм и высотой лепестков 60 мм. Лепестки цанги внутренней расположены таким образом, что перекрывают зазоры, образованные разрезами металлической цанги внешней, усиливая прочность и жесткость конструкции. Манжета заявляемой конструкции позволяет обеспечить герметичное разобщение обсадной колонны без создания осевых усилий при давлениях до 850 атм.