Уплотнительный узел пакера
Изобретение относится к нефтегазовой промышленности и может быть использовано в трубопроводной технике и технике сосудов высокого давления. Технический результат - возможность работы уплотнительного узла уменьшенных габаритов при высоких давлениях среды. Уплотнительный узел содержит ствол, размещенный на нем соосно пакет, состоящий из среднего и двух крайних верхнего и нижнего эластичных колец разной степени твердости, а также опорные втулки. Узел также содержит жесткие направляющие втулки и фиксаторы. Направляющие втулки размещены на стволе между средним и крайними эластичными кольцами. Наружная поверхность направляющих втулок выполнена наклонной от среднего кольца к крайним, среднее кольцо в средней части изнутри снабжено кольцевой канавкой, а снаружи - по окружности площадками с радиальными гнездами. Каждый фиксатор выполнен в виде грибка, который имеет ножку в форме усеченной четырехгранной прямоугольной пирамиды, обращенной вершиной к свободному концу, снабженному закругленным утолщением, и рифления на наружной поверхности шляпки грибка. Грибок размещен ножкой в отдельном гнезде среднего кольца. 15 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и может быть использовано в пакерах для разобщения полостей эксплуатационных колонн нефтяных, газовых и водяных скважин.
Изобретение также может быть использовано для уплотнения в трубопроводах и пробках, располагаемых внутри отводных отверстий сосудов, работающих под высоким давлением.
Известен узел уплотнения пакера, перемещаемого в колонне на тросовой подвеске, содержащий эластичную манжету, ось и опорные втулки (см. Патент РФ № 2122104, МПК Е 21 В 33/12, 1997). Недостатком описанного узла уплотнения является возможность его смещения после установки в колонне под давлением среды вверх или вниз с потерей герметизации из-за фиксации пакера только эластичной частью манжеты.
Наиболее близким аналогом предложенного устройства является известный уплотнительный узел пакера, содержащий ствол, размещенный на нем соосно пакет, состоящий из среднего и двух крайних эластичных колец разной твердости, и опорные втулки, где среднее кольцо пластичное, а крайние упругие (см. Авторское свидетельство СССР № 1399449, МПК Е 21 В 33/12, 1986). Такие уплотнительные узлы широко распространены в нефтегазовой промышленности, имеют хорошую осевую фиксацию только при креплении на насосно-компрессорных трубах, а при контакте с цилиндрическими участками внутренних поверхностей эксплуатационных колонн выдерживают высокий перепад давления. Однако при более высоких перепадах давления пакет эластичных колец теряет сцепление с внутренней поверхностью колонны, стык раскрывается и нарушается его герметичность. Кроме того, данный тип уплотнительного узла не обеспечивает герметичность на часто встречающихся нецилиндрических участках внутренних поверхностей эксплуатационных колонн из-за отсутствия самоцентровки.
Настоящее изобретение устраняет указанные недостатки путем самоцентровки и сцепления уплотнительного узла на внутренней поверхности колонны любого профиля и уменьшения деформации пакета эластичных колец под давлением среды, что позволяет использовать пакеры с таким узлом уплотнения при еще больших перепадах давления среды. Это особенно важно при жестких габаритных, ограничениях предъявляемых к скважинному оборудованию.
Это достигается тем, что уплотнительный узел пакера содержит ствол, размещенный на нем соосно пакет, состоящий из среднего и двух крайних верхнего и нижнего эластичных колец разной степени твердости, а также опорных втулок.
Согласно изобретению уплотнительный узел пакера также содержит жесткие направляющие втулки и фиксаторы. Направляющие втулки размещены на стволе между средним и крайними эластичными кольцами. Наружная поверхность направляющих втулок выполнена наклонной от среднего кольца к крайним, где диаметр наклонной поверхности каждой направляющей втулки уменьшается от среднего кольца к крайнему. Среднее кольцо в средней части изнутри снабжено кольцевой канавкой, а снаружи - по окружности площадками с глухими радиальными гнездами. Каждый фиксатор выполнен в виде грибка, имеет ножку в форме усеченной четырехгранной пирамиды, обращенной вершиной к свободному концу, снабженному закругленным утолщением, рифления на наружной поверхности шляпки грибка и размещен ножкой в отдельном радиальном гнезде среднего кольца.
Кроме того:
- между каждой направляющей втулкой и средним кольцом могут быть дополнительно установлены жесткие промежуточные кольца со скругленной наружной поверхностью;
- внутренняя полость каждого гнезда среднего кольца эквивалентна по форме и размерам наружной поверхности ножки грибка;
- ребра пирамиды ножки грибка скруглены;
- смежные грани поверхности пирамиды ножки грибка разновелики по ширине, а противоположные равновелики;
- рифления на наружной поверхности шляпки грибка сонаправлены с поверхностями более широких граней пирамиды ножки;
- плоскости более широких граней ножек каждого грибка, установленного в гнездо среднего эластичного кольца, поперечны оси ствола;
- твердость крайних эластичных колец меньше твердости среднего эластичного кольца;
- твердость крайних эластичных колец больше твердости среднего эластичного кольца;
- твердость верхнего крайнего эластичного кольца меньше твердости среднего и нижнего крайнего эластичных колец;
- твердость верхнего крайнего эластичного кольца больше твердости среднего и нижнего крайнего эластичных колец;
- твердость нижнего крайнего эластичного кольца меньше твердости среднего и верхнего крайнего эластичных колец;
- твердость нижнего крайнего эластичного кольца больше твердости среднего и верхнего крайнего эластичных колец;
- наружная поверхность шляпки грибка снабжена дополнительными рифлениями, поперечными основным;
- закругленное утолщение свободного конца ножки грибка расположено во внутренней кольцевой канавке среднего эластичного кольца.
Добавление в уплотнительный узел жестких направляющих втулок между средним и крайними эластичными кольцами, а также фиксаторов, выполненных в виде грибков с ножками, имеющими форму пирамиды, и шляпками с рифлениями, установленными радиально по окружности в среднем эластичном кольце в плоскости, поперечной оси ствола, позволяет фиксаторам отследить контур внутренней поверхности колонны, а также увеличить сцепляемость фиксаторов и усилить контакт эластичных колец с внутренней поверхностью колонны любого профиля с ростом давления среды и повысить устойчивость уплотнительных элементов к "опрокидыванию" и затеканию в зазор в зоне, примыкающей к наружному диаметру узла, под воздействием высоких перепадов давления среды.
Дополнительная установка между каждой направляющей втулкой и средним кольцом жестких промежуточных колец со скругленной наружной поверхностью позволяет сохранять исходный осевой размер пакета эластичных колец, который уменьшается из-за усадки вследствие их пластической деформации при работе.
Скругление кромок жестких деталей предохраняет в процессе работы от разрушения эластичные детали уплотнительного узла.
Выполнение направляющих втулок с наклонными наружными поверхностями, где диаметр наклонной поверхности уменьшается от среднего эластичного кольца к крайнему, позволяет крайним эластичным кольцам больше, чем обычно, деформироваться радиально не только от осевого воздействия опорных втулок, но и от радиального воздействия направляющих втулок.
Выполнение радиальных гнезд в среднем кольце в форме усеченной пирамиды с поверхностями, расширяющимися к периферии, эквивалентными по форме и размерам ножкам грибков, позволяет установить их в гнезда беззазорно, что обеспечивает радиальное движение грибка к внутренней поверхности колонны и обратно без кругового поворота относительно оси ножки при наименьшем перемещении опорных втулок.
Выполнение радиальных гнезд под ножки грибков посередине среднего эластичного кольца позволяет получить равномерную деформацию гнезд и радиальное перемещение грибков при осевом сжатии, что обеспечивает одновременный контакт рифлений шляпок всех грибков с внутренней поверхностью колонны и повышает устойчивость уплотнительного узла к воздействию больших перепадов давлений среды.
Расположение рифлений на шляпке грибка сонаправленно с поверхностями более широких граней пирамиды ножки грибка позволяет ориентировать рифления в поперечной плоскости относительно оси колонны, что также увеличивает сцепляемость уплотнительного узла с последней.
Установка в гнезда среднего эластичного кольца ножек грибков так, что их более широкие грани поперечны продольной оси ствола, позволяет обеспечивать в процессе осевого сжатия работу среднего эластичного кольца в зоне упругой деформации.
Размещение в гнездах среднего эластичного кольца радиально по окружности фиксаторов в виде грибков позволяет самоцентрироваться уплотнительному узлу на податливом эластичном кольце по внутренней поверхности колонны любого профиля.
Установка в уплотнительный узел эластичных колец с разной степенью твердости определяется условиями работы узла.
Снабжение наружной поверхности шляпки грибка дополнительными рифлениями, поперечными основным, в процессе установки в колонне усиливает противодействие повороту фиксаторов вокруг осей ножек при сжатии узла уплотнения вдоль оси ствола.
Таким образом, решены поставленные в изобретении задачи:
- обеспечивается самоцентровка и герметичность стыка уплотнительного узла на внутренней поверхности колонны любого профиля при высоких перепадах давления среды, действующей на уплотнительный узел;
- исключается смещение уплотнительного узла после установки в колонне под действием высоких перепадов давления среды сверху или снизу.
Настоящее изобретение будет более понятно после рассмотрения последующего подробного описания выполнения и работы уплотнительного узла пакера со ссылкой на прилагаемые чертежи, где:
На фиг.1 изображен продольный разрез уплотнительного узла пакера в транспортном положении;
На фиг.2 - продольный разрез уплотнительного узла пакера, установленного в эксплуатационной колонне.
Уплотнительный узел пакера, представленный на фиг.1, 2, содержит ствол 1, размещенный на нем соосно пакет, состоящий из среднего 2 и двух крайних верхнего 3 и нижнего 4 эластичных колец разной степени твердости, а также опорные втулки 5 и 6. Узел также содержит жесткие направляющие втулки 7, 8 и фиксаторы 9. Направляющие втулки 7, 8 размещены на стволе 1 между средним 2 и крайними 3, 4 эластичными кольцами. Наружная поверхность направляющих втулок 7, 8 выполнена наклонной от среднего кольца 2 к крайним 3, 4. Среднее кольцо 2 в средней части изнутри снабжено кольцевой канавкой 10, а снаружи - по окружности площадками 11 с радиальными гнездами 12. Каждый фиксатор 9 выполнен в виде грибка, который имеет ножку 13 в форме усеченной четырехгранной прямоугольной пирамиды, обращенной вершиной к свободному концу, снабженному закругленным утолщением 14, и рифления 15 на наружной поверхности шляпки грибка. Каждый грибок размещен ножкой 13 в отдельном радиальном гнезде 12 среднего эластичного кольца 2.
Между каждой направляющей втулкой 7, 8 и средним эластичным кольцом 2 дополнительно устанавливаются жесткие промежуточные кольца 16 со скругленной наружной поверхностью.
Диаметр наружной наклонной поверхности каждой направляющей втулки 7, 8 уменьшается от среднего эластичного кольца 2 соответственно к крайним кольцам 3 или 4.
Внутренняя полость каждого радиального гнезда 12 среднего кольца 2 эквивалентна по форме и размерам наружной поверхности ножки 13 грибка 9.
Ребра пирамиды ножки 13 грибка скруглены.
Смежные грани поверхности пирамиды по высоте всей ножки 13 грибка 9 разновелики по ширине, а противоположные грани - равновелики. Рифления 15 на наружной поверхности шляпки грибка 9 сонаправлены с поверхностями более широких граней пирамиды ножки 13.
Плоскости более широких граней ножек 13 каждого грибка 9, установленного в гнездо 12 среднего эластичного кольца 2, поперечны оси ствола 1.
Жесткие промежуточные кольца 16 разной толщины устанавливаются в уплотнительный узел для сохранения первоначального осевого размера по потребности при необратимой пластической деформации эластичных колец 2, 3 и 4 в процессе работы.
В зависимости от условий работы твердости эластичных колец могут быть:
- твердость крайних эластичных колец 3, 4 меньше твердости среднего эластичного кольца 2;
- твердость крайних эластичных колец 3, 4 больше твердости среднего эластичного кольца 2;
- твердость верхнего крайнего эластичного кольца 3 меньше твердости среднего 2 и нижнего крайнего 4 эластичных колец;
- твердость верхнего крайнего эластичного кольца 3 больше твердости среднего 2 и нижнего крайнего 4 эластичных колец;
- твердость нижнего крайнего эластичного кольца 4 меньше твердости среднего 2 и верхнего крайнего 3 эластичных колец;
- твердость нижнего крайнего эластичного кольца 4 больше твердости среднего 2 и верхнего крайнего 3 эластичных колец.
Наружные поверхности шляпок грибков 9 могут снабжаться дополнительными рифлениями (не показано), поперечными основным рифлениям 15.
Закругленные утолщения 14 свободных концов ножек 13 грибков 9 располагаются во внутренней кольцевой канавке 10 среднего эластичного кольца 2.
Уплотнительный узел по фиг.1, 2 работает следующим образом. Узел в составе пакера опускается с устья скважины на тросовой подвеске (не показано) в эксплуатационную колонну на заданную глубину. После достижения заданной глубины включается привод (не показано) и через опорные втулки 5, 6 пакет эластичных колец 2, 3 и 4 сжимается по оси ствола 1.
В процессе сжатия эластичные кольца 2, 3 и 4 за счет деформации увеличиваются по наружному диаметру. Увеличение наружного диаметра крайних эластичных колец 3, 4 происходит не только от осевого сжатия, но и за счет их упора на наружные наклонные поверхности соответственно направляющих втулок 7, 8. В начале сжатия усилие от опорных втулок 5, 6 на среднее эластичное кольцо 2 передается через крайние эластичные кольца 3, 4 и плоские поверхности направляющих втулок. Затем при дальнейшем сжатии крайние эластичные кольца 3 и 4 наружной частью перемещаются в кольцевой зазор между ними и эксплуатационной колонной, формируя вне зоны направляющих втулок 7, 8 дополнительный "эластичный" упор для среднего кольца 2 и непосредственно контактируя с ним. При деформации среднего эластичного кольца 2 за счет наличия наклонных поверхностей в радиальных гнездах 12 среднего эластичного кольца 2 и на ножках 13 грибки 9 перемещаются радиально от оси ствола 1 до контакта рифлениями 15 наружной поверхности шляпки грибка 9 с внутренней поверхностью колонны любого профиля. Дальнейшее сжатие пакета эластичных колец 2, 3 и 4 вызывает поджатие фиксаторов 9 эластичным кольцом 2 к колонне и проникновение рифлений 15 во внутреннюю поверхность колонны с зацепом за нее, что обеспечивает устойчивость уплотнительному узлу против воздействия давления среды сверху или снизу колонны. Выключение привода происходит при достижении заданного уровня мощности.
При подаче давления среды выше или ниже уплотнительного узла на нем создается перепад давления, который старается вывернуть пакет эластичных колец 2, 3 и 4, а также фиксаторы 9 в зоне их контакта с внутренней поверхностью колонны. Однако при этом увеличиваются усилия воздействия эластичного кольца 2 на грибки (фиксаторы) 9. Расфиксация и разгерметизация уплотнительного узла наступит только при разрушении материала эластичных колец 2, 3 или 4 давлением среды.
При снятии давления среды и усилия сжатия с опорных втулок 5 и 6 за счет эластичности кольца 2, 3 и 4 возвращаются в исходное положение. При этом эластичное кольцо 2, воздействуя на утолщения 14 ножек 13 грибков 9, расцепляет рифления 15 с внутренней поверхностью колонны и также устанавливает фиксаторы 9 в исходное положение.
Эта операция может выполняться многократно.
Данное изобретение позволяет повысить надежность работы уплотнительного узла пакера при более высоких давлениях среды в колонне, уменьшить габариты и упростить конструкцию пакера в целом.
1. Уплотнительный узел пакера, содержащий ствол, размещенный на нем соосно пакет, состоящий из среднего и двух крайних верхнего и нижнего эластичных колец разной степени твердости, а также опорные втулки, отличающийся тем, что узел также содержит жесткие направляющие втулки и фиксаторы, направляющие втулки размещены на стволе между средним и крайними эластичными кольцами, наружная поверхность направляющих втулок выполнена наклонной от среднего кольца к крайним, среднее кольцо в средней части изнутри снабжено кольцевой канавкой, а снаружи - по окружности площадками с радиальными гнездами, каждый фиксатор выполнен в виде грибка, который имеет ножку в форме усеченной четырехгранной прямоугольной пирамиды, обращенной вершиной к свободному концу, снабженному закругленным утолщением, и рифления на наружной поверхности шляпки грибка, причем грибок размещен ножкой в отдельном гнезде среднего кольца.
2. Уплотнительный узел пакера по п.1, отличающийся тем, что между каждой направляющей втулкой и средним эластичным кольцом дополнительно установлены жесткие промежуточные кольца со скругленной наружной поверхностью.
3. Уплотнительный узел пакера по п.1, отличающийся тем, что диаметр наклонной поверхности каждой направляющей втулки уменьшается от среднего эластичного кольца к крайнему.
4. Уплотнительный узел пакера по п.1, отличающийся тем, что внутренняя полость каждого радиального гнезда среднего кольца эквивалентна по форме и размерам наружной поверхности ножки грибка.
5. Уплотнительный узел пакера по п.1, отличающийся тем, что ребра пирамиды ножки грибка скруглены.
6. Уплотнительный узел пакера по п.1, отличающийся тем, что смежные грани поверхности пирамиды ножки грибка разновелики по ширине, а противоположные грани равновелики.
7. Уплотнительный узел пакера по п.6, отличающийся тем, что рифления на наружной поверхности шляпки грибка сонаправлены с поверхностями более широких граней пирамиды ножки.
8. Уплотнительный узел пакера по п.6, отличающийся тем, что плоскости более широких граней ножек каждого грибка, установленного в гнездо среднего эластичного кольца, поперечны оси ствола.
9. Уплотнительный узел пакера по п.1, отличающийся тем, что твердость крайних эластичных колец меньше твердости среднего эластичного кольца.
10. Уплотнительный узел пакера по п.1, отличающийся тем, что твердость крайних эластичных колец больше твердости среднего эластичного кольца.
11. Уплотнительный узел пакера по п.1, отличающийся тем, что твердость верхнего крайнего эластичного кольца меньше твердости среднего и нижнего крайнего эластичных колец.
12. Уплотнительный узел пакера по п.1, отличающийся тем, что твердость верхнего крайнего эластичного кольца больше твердости среднего и нижнего крайнего эластичных колец.
13. Уплотнительный узел пакера по п.1, отличающийся тем, что твердость нижнего крайнего эластичного кольца меньше твердости среднего и верхнего крайнего эластичных колец.
14. Уплотнительный узел пакера по п.1, отличающийся тем, что твердость нижнего крайнего эластичного кольца больше твердости среднего и верхнего крайнего эластичных колец.
15. Уплотнительный узел пакера по п.1, отличающийся тем, что наружная поверхность шляпки грибка снабжена дополнительными рифлениями, поперечными основным.
16. Уплотнительный узел пакера по п.1, отличающийся тем, что закругленное утолщение свободного конца ножки грибка расположено в кольцевой канавке среднего эластичного кольца.
