УПЛОТНЕНИЕ ПОДВИЖНОГО СОЕДИНЕНИЯ СКВАЖИННОГО ОБОРУДОВАНИЯ
SEAL OF MOVABLE CONNECTION OF DOWNHOLE EQUIPMENT

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в нефтегазодобывающей промышленности, например, для уплотнения пары цилиндр-шток, соответственно, в клапанах или пакерах.
Известно уплотнительное устройство поршня, включающее два концентрично расположенных в канавке поршня кольца и расширитель в виде набора спиральных пружин. Рабочее поршневое кольцо имеет на внутренней цилиндрической поверхности периодически выполненные клинообразные выступы, которые свободно входят в пазы дополнительного кольца. Между поверхностями пазов и клинообразных выступов помещены цилиндрические пружины. Под воздействием пружин поршневое кольцо по наклонным поверхностям выступов и пазов отодвигается от дополнительного кольца и прижимается к зеркалу цилиндра, создавая уплотнительный эффект устройства. Пазы выполнены на внешней цилиндрической поверхности дополнительного кольца, а клинообразные выступы - на внутренней цилиндрической поверхности поршневого кольца (патент №2416750, опубл. 20.04.2011 г.).
Недостатком данного изобретения является то, что в случае использования уплотнительного устройства в скважине, возможно разрушение и слом спиральных пружин при попадании посторонних предметов в процессе работы внутрискважинного оборудования, что приведет к неработоспособности уплотнения подвижного соединения.
Известно поршневое уплотнение двигателя внутреннего сгорания, в поршневой канавке которого установлены верхнее кольцо, нижнее кольцо, при этом верхний торец верхнего кольца выполнен под острым углом к своему нижнему торцу, а большей вертикальной стороной кольцо обращено к оси цилиндра. Под нижнем кольцом установлено дополнительное кольцо с маслосъемными функциями, нижний торец которого выполнен под острым углом к своему верхнему торцу, большей вертикальной стороной кольцо обращено к стенке цилиндра, а между наружной вертикальной поверхностью верхнего кольца и стенкой цилиндра имеется зазор. Угол наклона нижнего торца дополнительного кольца меньше угла наклона верхнего торца верхнего кольца. Под нижним торцом дополнительного кольца по наружному диаметру поршня выполнена канавка, сообщающаяся отверстиями с внутренней полостью поршня (патент №2447306, опубл. 10.04.2011 г.).
Известно уплотнение пары поршень - цилиндр двигателя внутреннего сгорания, содержащее направляющий цилиндр и поршень со съемной жаропрочной головкой. Уплотнительные неразрезные кольца установлены в общую ступенчатую проточку на поршне со стороны надпоршневого объема на проставочных кольцах. Уплотнительные кольца выполнены из пористого порошкового материала, установлены с натягом в направляющий цилиндр (патент №2141067, опубл. 10.11.1999 г.).
Недостатком известных решений (патенты №2447306 и №2141067) является возможность применения только в масляной среде и неработоспособность в среде, содержащей механические примеси и агрессивные жидкости, различные отложения (асфальто-смолопарафинистые, солей и др.).
Известна конструкция подвижного соединения, состоящая из уплотнительных и защитных колец, установленных в канавках поршня (ГОСТ 9833-73 «Кольца резиновые уплотнительные круглого сечения для гидравлических и пневматических устройств», стр.22, стр.58-59).
К недостаткам известной конструкции подвижного соединения по ГОСТ 9833-73 относится возможность применения только в масляной среде и неработоспособность в среде, содержащей механические примеси и агрессивные жидкости, различные отложения (асфальто-смолопарафинистые, солей и др.), а также то, что данное подвижное соединение рассчитано только на материал из углеродистых сталей и не учитывает материал из нержавеющих сталей с коэффициентом трения и характером трения значительно отличающимися от углеродистых сталей.
Техническим результатом, достигаемым при использовании данного изобретения, является обеспечение герметичности уплотнения подвижного соединения скважинного оборудования при работе в среде, содержащей механические примеси, агрессивные жидкости и различные отложения (асфальто-смолопарафинистые, солей и др.), предотвращение заклинивания деталей подвижного соединения, а также предотвращение разрушения уплотнительного резинового кольца.
Для достижения поставленного технического результата в уплотнении подвижного соединения скважинного оборудования, согласно изобретению, в канавку штока подвижно установлены рабочие шайбы, взаимодействующие с внутренней поверхностью цилиндра и защитные шайбы, рабочие и защитные шайбы выполнены разрезными, уплотнительное резиновое кольцо расположено между рабочими шайбами, при этом имеется зазор между внутренним диаметром цилиндра и внешним диаметром штока, а зазор между внутренним диаметром рабочей шайбы и диаметром канавки под уплотнительное резиновое кольцо перекрыт защитной шайбой.
Также для достижения поставленного технического результата в уплотнении подвижного соединения скважинного оборудования, согласно изобретению, пара цилиндр-шток может быть выполнена из углеродистой стали, а рабочие и защитные шайбы выполнены из закаленной стали.
Также для достижения поставленного технического результата в уплотнении подвижного соединения скважинного оборудования, согласно изобретению, пара цилиндр-шток и защитные шайбы могут быть выполнены из нержавеющей стали, а рабочие шайбы из бронзы.
На фиг.1 и фиг.2 представлено уплотнение подвижного соединения скважинного оборудования. На фиг.3 приведена рабочая шайба. На фиг.4 представлена защитная шайба.
Уплотнение подвижного соединения скважинного оборудования (фиг.1) состоит из уплотнительного резинового кольца 1, рабочих 2 (фиг.3) и защитных 3 (фиг.4) шайб. Рабочие 2 и защитные 3 шайбы выполнены разрезными, благодаря чему предотвращается заклинивание деталей подвижного соединения. На штоке 4 выполнена канавка 5. В канавку 5 подвижно установлены рабочие 2 и защитные 3 шайбы. За счет взаимодействия подвижно установленных рабочих шайб 2 с внутренней поверхностью цилиндра 6, а также благодаря перекрытию зазора между внутренним диаметром рабочей шайбы 2 и диаметром канавки 5 защитной шайбой 3 обеспечивается герметичность уплотнения подвижного соединения скважинного оборудования при работе в среде, содержащей механические примеси, агрессивные жидкости и различные отложения (асфальто-смолопарафинистые, солей и др.). Уплотнительное резиновое кольцо 1 расположено между рабочими шайбами 2, за счет чего обеспечивается герметичность уплотнения подвижного соединения. Между внутренним диаметром рабочей шайбы 2 и диаметром канавки 5 под уплотнительное резиновое кольцо 1 имеется зазор Δh. Зазор Δh перекрыт защитными шайбами 3 для предотвращения затекания резины под действием давления в зазор Δh. Между внутренней поверхностью цилиндра 6 и штоком 4 имеется зазор ΔS.
Уплотнение подвижного соединения скважинного оборудования (фиг.2) может быть выполнено в сборной конструкции и поджато гайкой 7.
Пара цилиндр-шток может быть выполнена из углеродистой стали, рабочие и защитные шайбы выполнены из закаленной стали. Пара цилиндр-шток и защитные шайбы могут быть выполнены из нержавеющей стали, а рабочие шайбы из бронзы.
Уплотнение подвижного соединения скважинного оборудования работает следующим образом.
1
2
1
2
При создании перепада давления ΔР (где ΔP=P-P, P - это давление с правой стороны уплотнения подвижного соединения, а Р - это давление с левой стороны уплотнения подвижного соединения) уплотнительное резиновое кольцо 1 прижимается к рабочим 2 и защитным 3 шайбам, а также к внутренней поверхности цилиндра 6 (фиг.1, фиг.2). При этом за счет упругости резины обеспечивается герметичность пары цилиндр-шток.
При движении штока 4 влево за счет перепада давления ΔР, рабочая шайба 2 удаляет с внутренней поверхности цилиндра 6 механические примеси, отложения солей, окалину в зазор ΔS, сохраняя при этом подвижность и герметичность пары цилиндр-шток.
При движении штока 4 относительно цилиндра 6 и встрече с непреодолимой преградой в виде значительных отложений солей, окалины, механических примесей на поверхности цилиндра 6, рабочая шайба 2 уменьшается в диаметре за счет разрезной конструкции рабочей шайбы 2 и наличия зазора Δh. Рабочая шайба 2 преодолевает препятствие, тем самым сохраняя подвижность пары цилиндр-шток.
Применение заявляемого изобретения позволяет обеспечить герметичность уплотнения при работе в среде, содержащей механические примеси, агрессивные жидкости, различные отложения (асфальто-смолопарафинистые, солей и др.), предотвратить заклинивание деталей подвижного соединения, а также предотвратить разрушение уплотнительного резинового кольца. Данная конфигурация подвижного соединения увеличивает срок службы скважинного оборудования, позволяет исключить аварии и осложнения, как в процессе работы скважинного оборудования, так и при его извлечении из скважины.