УЗЕЛ УПЛОТНЕНИЯ ПАКЕРА
PACKER SEALING ASSEMBLY

Изобретение относится к нефтяной и газовой промышленности, а именно к оборудованию для разобщения и уплотнения интервалов добывающих или нагнетательных скважин.
Узел уплотнения обеспечивает перекрытие интервала скважины при повышенном давлении рабочей среды (воды, нефти, газа, газового конденсата). Уплотнительные элементы взаимодействуют со скважиной при создании на них усилия определенной величины с помощью колонны насосно-компрессорных труб или по средствам передачи гидравлической энергии на поршень для преодоления упруго-деформационных свойств эластичного элемента.
Известен уплотнительный узел пакера, содержащий ствол с муфтой, тягу с разжимным конусом плашек якоря, мандрель в осевом канале ствола, уплотнение в расточке переходника, поджатое грунд-буксой через хвостовик, уплотнитель термостойкого пакера между верхней и нижней опорами, снабженными экструзионными шайбами [патент RU №2440483 А, МПК E21B 33/12, опубл. 20.01.2012]. Нижняя опора пакера снабжена продольными пазами, равномерно размещенными по периметру, и жестко связана с верхним концом тяги разжимного конуса обоймой, снабженной внутренними выступами, входящими в продольные пазы с возможностью осевого перемещения. Тяга снабжена гайкой и бандажом, установленным с возможностью охвата нижней опоры и образованием зазора с торцом обоймы. Уплотнение мандрели снабжено скребком в виде кольца с внутренней расточкой и продольными пазами на торцовых поверхностях, установленным во внутренней проточке хвостовика с возможностью взаимодействия с грунд-буксой и наружной поверхностью мандрели.
На лифте насосно-компрессорных труб (НКТ) уплотнительный узел спускается в обсадной колонне на определенный уровень, после чего правым вращением лифта НКТ устанавливается контакт якоря со стенками обсадной колонны, затем по лифту НКТ передается нагрузка на уплотнитель, ограниченный сверху и снизу экструзионными шайбами, которые защищают эластичный элемент от контакта с рабочей жидкостью в процессе эксплуатации и от вытекания резины при деформации.
Однако данная конструкция имеет существенный недостаток, связанный с тем, что контакт с обсадной колонной происходит по всей длине уплотнителя и, соответственно, давление прижатия уплотнителя к стенкам обсадной колонны крайне мало, что существенно ограничивает область применения данного уплотнительного узла.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является узел уплотнения пакера, содержащий корпус в форме трубы с упорной поверхностью внизу, выполненной на конус, эластичный уплотнительный элемент, состоящий из двух надетых на корпус эластичных колец трапециевидного сечения, разделенных промежуточной металлической втулкой трапециевидного сечения, свободно перемещающейся по корпусу, и верхнюю ограничительную металлическую втулку трапециевидного сечения, повторяющую контур уплотнительного элемента [SU 1828910 A1, МПК E21B 33/12, опубл. 27.03.1993]. Уплотнительный элемент в местах контакта с поверхностями скольжения и контакта со средой скважины армирован металлическими секторами, закрепленными при помощи винтов. Снизу опорой для уплотнительного элемента служит упорная поверхность корпуса, выполненная на конус.
Под действием созданного усилия верхняя ограничительная втулка движется вдоль корпуса, сжимая верхнюю часть уплотнительного элемента, от которого усилие передается на промежуточную металлическую втулку, которая, в свою очередь, движется в осевом направлении по корпусу и передает усилие на нижнюю часть уплотнительного элемента, последний движется вдоль нижней упорной поверхности корпуса, выполненной на конус. Усилие, приложенное в осевом направлении на уплотнительный элемент, вызывает его сужение в осевом направлении и расширение в радиальном направлении, в результате чего происходит контакт уплотнительного элемента со стенками обсадной колонны.
Недостатком данного узла уплотнения является сложность конструкции и необходимость значительного изменения формы сечения эластичного уплотнительного элемента, требующие приложения повышенного усилия на верхнюю ограничительную втулку. Кроме того, конструкция недостаточно надежна из-за острых кромок промежуточной металлической втулки, разрушающих уплотнительный элемент.
Задачей настоящего изобретения является упрощение конструкции узла за счет оптимизации формы уплотнительного элемента, уменьшение усилия на ограничительную втулку для изменения формы уплотнительного элемента и повышение надежности работы.
Указанный технический результат достигается тем, что в узле уплотнения пакера, содержащем корпус в виде трубы с упорной поверхностью снизу, эластичный уплотнительный элемент, верхнюю и нижнюю ограничивающие втулки трапециевидного сечения, размещенные на торцах уплотнительного элемента с возможностью осевого перемещения, эластичный уплотнительный элемент выполнен с сечением в форме треугольника, ориентированного вершиной к корпусу, а на сходящихся торцах втулок выполнены направляющие пазы с образованием выступов, имеющих форму равнобедренных треугольников с основанием, примыкающим к корпусу, причем выступы на втулках расположены в шахматном порядке, обеспечивающем зацепление втулок при их осевом перемещении за счет вхождения выступов одной втулки в пазы другой.
При этом упорная поверхность в корпусе расположена перпендикулярно оси вращения.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен общий вид узла уплотнения пакера, на фиг. 2 - втулка трапециевидного сечения с направляющими пазами, вид сверху; на фиг. 3 - уплотнительный узел пакера при контакте с обсадной колонной.
Узел уплотнения пакера содержит корпус 1, выполненный в виде трубы с упорной поверхностью 2 в нижней части, на который надеты с возможностью осевого перемещения верхняя и нижняя ограничивающие втулки трапециевидного сечения 3, ориентированные навстречу друг другу торцом с острым углом. Между ограничительными втулками 3 расположен эластичный уплотнительный элемент 5, имеющий форму треугольного сечения, вершина которого ориентирована к корпусу 1. Боковые поверхности уплотнительного элемента 5 прилегают к сходящимся наклонным поверхностям торцов втулок 3. На торцах втулок 3 со стороны острых углов выполнены направляющие пазы 4, между которыми образуются выступы в форме равнобедренных треугольников с основанием, примыкающим к корпусу 1. Направляющие пазы 4 в нижней втулке 3 расположены напротив ответных выступов, образованных между направляющими пазами 4 верхней трапециевидной втулки 3. По корпусу 1 втулки 3 изолированы от протекания уплотнительными кольцами 6, размещенными в пазах 7. Нижняя втулка 3 опирается на упорную поверхность 2, расположенную перпендикулярно оси вращения корпуса 1.
Узел уплотнения работает следующим образом.
На верхнюю втулку 3 трапециевидного сечения действует усилие величиной P, под действием которого она начинает свое движение в осевом направлении по корпусу 1. Во время движения в направляющие пазы 4 верхней втулки 3 свободно входят ответные выступы между направляющими пазами 4 нижней втулки 3, что не требует применения значительного усилия, и образуется устойчивое зацепление втулок, при котором исключается взаимодействие их острых углов с уплотнительным элементом 5. В результате осевого перекрытия втулки 3 перемещают эластичный уплотнительный элемент 5 в радиальном направлении вплоть до его контакта с обсадной колонной 8, после чего происходит деформирование эластичного уплотнительного элемента 5 (фиг. 3) и обеспечивается надежная герметизация пакера с обсадной колонной 8.
Таким образом, благодаря новой форме уплотнительного элемента и наличию направляющих пазов, обеспечивающих возможность перекрытия нижней и верхней втулок, уменьшается требуемое усилие для деформации уплотнительного элемента и облегчается процесс герметизации скважин. Отсутствие острых углов в месте контакта уплотнительного элемента и деформирующих его втулок защищает эластичный уплотнительный элемент от разрывов и, как следствие, повышает надежность работы узла.