Уплотнительный узел пакера

 

Устройство относится к уплотнительным узлам пакеров, используемых для герметизации межтрубного пространства при эксплуатации скважин. Технический результат - обеспечение безотказной работы уплотнительного узла пакера за счет исключения прихвата манжеты при снятии (распакеровке). Уплотнительный узел пакера включает эластичную манжету, сердечник переменного сечения. Сердечник выполнен в виде цилиндра с конусной входной частью. Верхняя, входная часть эластичной манжеты выполнена в виде ответного сердечнику конуса, а относительное удлинение уплотнительной манжеты при расклинивании не превышает 1,2-1,35 от первоначальной длины при превышении тангенциальных сил со стороны колонны над силами со стороны сердечника. 3 ил.

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к уплотнительным узлам пакеров, используемых для герметизации межтрубного пространства при эксплуатации скважин.

Известен уплотнительный узел пакера с упором на уступ хвостовика обсадной колонны, включающий конусный стакан и одно или два резиновых уплотнительных кольца - манжеты (1)

Однако при его использовании из-за больших сил трения, возникающих между стаканом и манжетой, манжетой и стенкой трубы, невозможно обеспечить исключение прихвата манжеты в трубе вследствие проникновения (затекания) материала манжеты в зазор между обсадной колонной и верхней частью стакана пакера при снятии (распакеровке) последнего.

В качестве прототипа принят уплотнительный узел пакера с опорой на забой, включающий конусный стакан, одно или два резиновых уплотнительных кольца, упорное кольцо, кожух (2).

Однако при его использовании также сложно исключить прихват манжеты в трубе вследствие проникновения (затекания) материала манжеты в зазор между обсадной колонной и верхней частью стакана пакера при снятии (распакеровке) последнего.

Цель изобретения - обеспечение безотказной работы уплотнительного узла пакера за счет исключения прихвата манжеты при снятии (распакеровке).

Поставленная цель достигается тем, что уплотнительный узел пакера, включающий эластичную манжету, сердечник переменного сечения выполнен в виде цилиндра с конусной входной частью, при этом верхняя входная часть эластичной манжеты выполнена в виде ответного сердечнику конуса, а относительное удлинение эластичной манжеты при расклинивании не превышает 1,2-1,35 от первоначальной длины при превышении тангенциальных сил со стороны колонны над силами со стороны сердечника

На фиг. 1 представлен уплотнительный узел перед установкой (расклиниванием) манжеты. На фиг. 2 представлен уплотнительный узел в промежуточной стадии деформации манжеты. На фиг. 3 представлен уплотнительный узел после окончания установки (расклинивания) манжеты.

Внутри обсадной колонны - 1 помещен уплотнительный узел пакера, состоящий из сердечника - 2, имеющего цилиндрическую часть - 3, входной конус - 4, и эластичной манжеты - 5, имеющей сверху ответный сердечнику входной конус - 6.

Работает устройство следующим образом.

На фиг.1 представлен уплотнительный узел перед установкой (расклиниванием) манжеты. Сердечник - 2 располагается над манжетой - 5, находящейся в свободном (нерасклиненном) состоянии и имеющей длину L₀. Тангенциальные усилия со стороны колонны Р_к и со стороны сердечника Р_с отсутствуют. Затем при установке пакера сердечник - 2 начинает двигаться вниз, входит своей конусной частью - 4 в соприкосновение с ответным входным конусом - 6 манжеты - 5 и далее, продолжая двигаться вниз, начинает расклинивать уплотнительную манжету - 5 до диаметра обсадной колонны 1. Происходит первая стадия деформации уплотнительной манжеты 5, которая заканчивается тогда, когда внешний диаметр уплотнительной манжеты достигает величины внутреннего диаметра колонны. В этом случае по всему поперечному сечению манжеты за счет растяжения создается поле растягивающих тангенциальных напряжений. Промежуточная стадия деформации уплотнительной манжеты представлена на фиг.2. Верхняя входная часть уплотнительной манжеты прижимается к поверхности конуса сердечника 2 Вторая стадия деформации происходит при условиях, когда внешний диаметр уплотнительной манжеты остается постоянным и равным диаметру обсадной колонны скважины, а внутренний диаметр уплотнительной манжеты увеличивается до максимального диаметра конуса сердечника. В этом случае происходит деформация сжатия, которая сопровождается возникновением сжимающих тангенциальных напряжений. Оптимальным условием для работы уплотнительной манжеты будет условие, когда общая сжимающая сила по поперечному сечению, возникающая на второй стадии деформации, будет равна или больше силы растягивающей.

Соблюдение данного условия позволяет применять уплотнительный элемент в форме манжеты. При этом растягивающие напряжения, возникающие в первой стадии деформации, стремятся притянуть наружную часть кромки манжеты к поверхности конуса, фиг.2, а напряжения, возникающие при второй стадии деформации, возвращают эту кромку в исходное положение и прижимают ее к внутренней поверхности эксплуатационной колонны, фиг.3. Удлинение манжеты, ее размер L_p не должны превышать 1,2-1,35 от первоначальной длины L₀.

Промысловые испытания показали высокую надежность предлагаемого уплотнительного узла при полном исключении прихватов пакеров по причинам, связанным с конструкцией уплотнительного узла.

Впервые в нефтепромысловой практике удалось обеспечить надежную работу пакера с уплотнительным узлом в виде расклинивающейся сердечником уплотнительной манжеты.

Использование предлагаемого уплотнительного узла позволит резко упростить конструкцию пакеров. Изготовление уплотнительного узла, как и самих пакеров с ним, не требует заводских условий и возможно в условиях слабооснащенных мастерских. Применение предлагаемого уплотнительного узла позволит резко сократить непроизводительные затраты, вызванные ремонтными работами на скважинах, обуславливаемые прихватами пакеров.

Источники информации

1. Книга “Пакеры и якори”, авт. З.И. Захарчук и В.И. Масич, Гостоптехиздат, г. Москва, 1961 г., с. 45, рис. 31.

2. Книга “Пакеры и якори”, авт. З.И.Захарчук и В.И.Масич, Гостоптехиздат, г. Москва, 1961 г., с. 46, рис. 33.

Формула изобретения

Уплотнительный узел пакера, включающий эластичную манжету, сердечник переменного сечения, отличающийся тем, что сердечник выполнен в виде цилиндра с конусной входной частью, при этом верхняя, входная часть эластичной манжеты выполнена в виде ответного сердечнику конуса, а относительное удлинение эластичной манжеты при расклинивании не превышает 1,2-1,35 первоначальной длины при превышении тангенциальных сил со стороны колонны над силами со стороны сердечника.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3