Запорный орган пакера
Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности и может быть использовано для разобщения ствола скважины при выкачивании предварительно нагретой тяжелой нефти. Обеспечивает расширение функциональных возможностей запорного органа пакера. Запорный орган пакера содержит концентрично установленный на трубчатом корпусе внутри скважинной трубы металлический уплотнительный элемент из сплава, обладающего эффектом памяти формы, один конец которого соединен с закрепленным на трубчатом корпусе упором, а второй - на соединенной с приводом втулке, установленной с возможностью перемещения вдоль оси трубчатого корпуса. При этом устройство дополнительно содержит одну или две защитные упругие проволочные трубчатые сетки, закрепленные противоположными концами соответственно на втулке и упоре и изготовленные из сплава, обладающего эффектом сверхупругости, одну или две упругие трубчатые диафрагмы из термостойкого материала, противоположные концы каждой из которых герметично закреплены соответственно на втулке и упоре, привод выполнен линейно-вращающим, уплотнительный элемент имеет вид проволочной спиралевидной пружины растяжения и в сжатом виде внутри скважинной трубы имеет в аустенитном состоянии форму веретена с цилиндрической средней частью. 5 ил.
Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности и может быть использовано для разобщения ствола скважины, внутренний диаметр которого на месте установки пакера больше, чем в его верхней части, а также при выкачивании предварительно нагретой тяжелой нефти.
Известны запорные органы - резиновые манжеты 4ПВМ.001 ТУ 381051502-88, 4ПВМ.006 ТУ 381051502-88 и резинометаллические манжеты УПК-1-122-32-01.00СБ, УПК-3-136-16-01.00СБ пакеров ПВ-М-122-50, ПВ-М-140-50 [1]. Данные уплотнительные манжеты проявляют высокую устойчивость при эксплуатации в таких рабочих средах, как нефть, газ, вода, H2S (до 6%), сохраняют стабильность при рабочем давлении до 70 МПа и регулярном воздействии температуры от -5°С до 120÷150°С. В пакере манжета концентрично установлена в трубчатом корпусе между закрепленным на последнем кольцевидным упором и перемещаемой приводом в осевом направлении корпуса втулкой. С целью герметизации затрубного пространства пакер оснащается системой уплотнительных манжет разной твердости. Наружный диаметр любой манжеты в транспортном (несжатом) положении на 10÷30 мм меньше внутреннего диаметра скважинной, например обсадной трубы, в которой установлен пакер. После расположения пакера на нужной глубине, под действием привода втулку перемещают навстречу упору. В результате манжета расширяется в радиальном направлении и, значительно деформируясь, герметично прижимается к обсадной трубе, разобщая собой кольцевидный зазор между ней и трубчатым корпусом.
Недостатком известного запорного органа являются ограниченные функциональные возможности.
Из-за малой разницы между диаметрами манжет в транспортном (несжатом) положении и рабочем (сжатом) положении представляется проблематичным применение оснащенных ими механических пакеров внутри скважинных колонн, внутренний диаметр которых на месте установки пакера больше, чем в ее верхней части.
Известно, что при добыче тяжелой нефти чаще всего ее предварительно разжижают путем нагрева до температуры свыше 200°С. Очевидно, что в подобных условиях представленные манжеты не годятся для применения. Известны рассчитанные на работу при -100÷350°С маслостойкие резиновые смеси на основе силиконовых и фторсиликоновых каучуков типа ИРП-1338 НТА, ИРП-1267НТА, ИРП-1354 НТА, 51-1434 НТА, 51-1570 НТА [2]. Однако изготовление из них термостойких манжет указанных типов и в особенности надувных диафрагм с высокими требованиями по герметичности для пакеров крайне затруднено. Это объясняется в основном тем, что резинокордовые изделия на основе силиконовых и фторсиликоновых каучуков годятся в основном и в первую очередь применяются при изготовлении химически стойких оболочек и уплотнительных прокладок. Но плохо приспособлены к работе в условиях восприятия высоких давлений при сильной деформации. По большей части из-за того, что в подобных условиях эксплуатации даже при использовании специальных клеев есть серьезная угроза отслоения силиконовой и фторсиликоновой резины от корда.
Известен выбранный в качестве прототипа металлический запорный орган пакера, снабженный уплотнительными элементами из сплава с памятью формы, которые при нагреве с температуры, соответствующей мартенситному состоянию до температуры аустенитного состояния, увеличиваются в радиальном направлении [3]. При этом представлены следующие варианты конструктивного исполнения таких уплотнительных элементов:
1. Концентрично установленный на трубчатом корпусе сильфонный патрубок с замкнутыми по окружности кольцевыми гофрами, противоположные концы которого герметично закреплены на соответствующих втулках. Последние с возможностью перемещения установлены на трубчатом корпусе и каждая соединена с подвижным концом одной из двух концентрично расположенных на том же корпусе приводов - пружин с памятью формы. Противоположный конец каждой пружины-привода упирается в закрепленный на корпусе упор, внутри патрубка в радиальном направлении по периметру закреплены спиралевидные цилиндрические пружины меньшего диаметра из сплава памяти.
2. Несколько расположенных друг к другу раструбами на трубчатом корпусе тарельчатых пружин в виде усеченных конусов. Данные пружины установлены между двумя подвижными втулками, каждая из которых соединена с закрепленным на корпусе упором посредством привода в виде пружины из сплава памяти.
3. Концентрично установленный на трубчатом корпусе сильфонный патрубок с замкнутыми по окружности кольцевыми гофрами, противоположные концы которого герметично закреплены на соответствующих втулках. Последние с возможностью перемещения установлены на трубчатом корпусе и каждая соединена с подвижным концом концентрично расположенной на том же корпусе пружины-привода из сплава памяти, противоположный конец которой упирается в закрепленный на корпусе упор.
4. Муфта из двух концентрично и с зазором расположенных патрубков, соединенных между собой несколькими радиальными перегородками. Муфта концентрично расположена снаружи трубчатого корпуса между двумя концентрично закрепленными на трубчатом корпусе упорными шайбами с возможностью расширения в радиальном направлении.
Общим для данных уплотнительных элементов является реализация эффекта памяти формы в диапазоне температур прямого и обратного мартенситного превращения при максимальном нагреве, например, нитинолового элемента до 250°С.
При первом варианте исполнения наружный диаметр уплотнительного элемента - гофрированного патрубка - увеличивается и он прижимается к обсадной трубе в результате нагрева самого патрубка, радиально расположенных пружин с памятью формы и пружин-приводов, которые при изменении длины, упираясь в закрепленные на корпусе упоры, распирают патрубок, помогая прижать его к обсадной трубе.
Во втором и третьем вариантах исполнения наружные диаметры соответствующих уплотнительных элементов увеличиваются в результате реализации аустенитного превращения в них и в пружинах-приводах.
В четвертом варианте исполнения при нагреве наружный патрубок увеличивается в диаметре, а перегородки удлиняются в радиальном направлении, оказывая дополнительное распирающее воздействие на этот патрубок, и он прижимается к обсадной трубе.
Недостатком известного запорного органа являются ограниченные функциональные возможности.
Известно [4], что у высокоресурсных рабочих элементов в виде никелидтитановых проволок диаметром менее 1 мм, «работающих» на растяжение-сжатие, предельно допустимой является их относительная деформация до 7÷8%. Для никелидтитановых рабочих элементов из фольги толщиной примерно 0,15 мм данный предел составляет 6%. При превышении указанных пределов относительной деформации у рабочих элементов с памятью формы циклического действия происходит постепенное накопление необратимой деформации.
Поэтому всем «работающим» на растяжение-сжатие уплотнительным элементам запорного органа при реализации в них эффекта памяти формы свойственно крайне незначительное увеличение наружного диаметра. Например, в первом и третьем варианте использован патрубок в виден сильфона, любой поперечный разрез которого имеет форму кольца. Поэтому при использовании нитинолового сильфона из многослойной фольги в процессе аустенитного превращения периметр любого из его кольцевидных разрезов может быть увеличен на 6%. Это означает, например, что при наружном диаметре сильфона в исходном мартенситном состоянии 150 мм с соответствующим периметром 471 мм периметр может быть увеличен до 499 мм, а диаметр до 159 мм. Во втором варианте исполнения высокоресурсного уплотнительного элемента в виде тарельчатой пружины недопустимо принудительное увеличение ее наружного диаметра более чем на 6%. При этом наличие внутреннего отверстия способствует снижению величины самопроизвольного увеличения наружного диаметра при аустенитном превращении. Что касается четвертого варианта, то радиальные ребра вовсе играют отрицательную роль, поскольку ограничение относительной деформации листового материала (6%) означает, что в целях сохранения цилиндрической формы монолитной муфты ее диаметр может быть увеличен на величину, соответствующую удлинению ее перегородок в радиальном направлении всего на 6%. В связи с чем муфта, имеющая в исходном мартенситном состоянии диаметр 150 мм в результате аустенитного превращения, могла бы увеличиться в диаметре до 159 мм, только если бы длина каждой из перегородок была равна радиусу наружного патрубка. А это невозможно из-за наличия внутреннего патрубка.
Исходя из сказанного, представляется проблематичным применение известных уплотнительных элементов [3] внутри скважинных колонн, внутренний диаметр которых на месте установки пакера больше, чем в ее верхней части. А поскольку уплотнительные элементы изменяют свою форму вследствие изменения температуры, представляется проблематичной их транспортировка и приведение из рабочего в транспортное положение внутри скважин с продолжающей оставаться разогретой более чем до 200°С тяжелой нефтью.
Кроме того, функциональные возможности представленных запорных органов из-за необходимости достижения герметичности при непосредственном контакте их уплотнительных элементов с металлической поверхностью скважинной трубы ограничены крайне редкими случаями применения идеально гладких скважинных труб. Особенно это относится к обычно шероховатым трубам обсадных колонн.
Целью изобретения является расширение функциональных возможностей запорного органа пакера.
Указанная цель достигается тем, что запорный орган пакера содержит концентрично установленный на трубчатом корпусе внутри скважинной, например обсадной трубы, цельный изменяемый в диаметре при изменении длины металлический уплотнительный элемент из сплава, обладающего эффектом памяти формы, например из никелида титана, один конец которого соединен с закрепленным на трубчатом корпусе упором, а второй - на соединенной с приводом втулке, установленной с возможностью перемещения вдоль оси трубчатого корпуса. При этом дополнительно содержит одну или две защитные упругие проволочные трубчатые сетки, закрепленные противоположными концами соответственно на втулке и упоре, и изготовленные, например, из сплава, обладающего эффектом сверхупругости, например из никелида титана, одну или две упругие трубчатые диафрагмы из термостойкого материала, например из термостойкой резины, противопроложные концы каждой из которых герметично закреплены соответственно на втулке и упоре, привод выполнен линейно-вращающим, уплотнительный элемент имеет вид проволочной спиралевидной пружины растяжения с круглым, овальным, прямоугольным или более сложным профилем сечения проволоки, изготовлен из сплава, обладающего эффектом сверхупругости, и в сжатом виде внутри скважинной трубы имеет в аустенитном состоянии форму веретена с цилиндрической средней частью, причем при наличии одной сетки и одной диафрагмы упор по отношению к втулке расположен в скважинной трубе со стороны области предполагаемого повышения давления, и пружина, сетка и диафрагма в данном порядке концентрично расположены одна на другой снаружи корпуса, а при наличии двух сеток и двух диафрагм одна из диафрагм, одна из сеток, пружина, другая из сеток и другая из диафрагм в данном порядке концентрично расположены одна на другой снаружи корпуса, и полость между диафрагмами содержит смазку, например машинное масло.
На фиг.1 схематично представлен внешний вид запорного органа в компактном сжатом по бокам транспортном положении (справа от оси) и рабочем распертом положении (слева от оси). На фиг.2 схематично показан продольный разрез запорного органа с одной диафрагмой и одной сеткой в компактном сжатом по бокам растянутом транспортном положении (справа от оси) и рабочем распертом положении (слева от оси). На фиг.3 схематично представлен продольный разрез запорного органа с двумя диафрагмами и двумя сетками в компактном сжатом по бокам транспортном положении (справа от оси) и рабочем распертом положении (слева от оси). На фиг.4 схематично изображена часть сетки в компактном сжатом по бокам транспортном положении. На фиг.5 схематично показана часть сетки в растянутом в ширину виде.
На фиг.1-5: 1 - скважинная труба, 2 - трубчатый корпус, 3 - кольцевидный упор, 4 - втулка, 5 - спиралевидная пружина (уплотнительный элемент), 6 - поступательно-вращательный привод, 7 - уплотнительное кольцо, 8 - кольцевидный паз, 9 - сквозное отверстие, 10 - трубчатый фильтр, 11 - упругая трубчатая диафрагма, 12 - упругая трубчатая проволочная сетка, 13 - смазка.
Запорный орган содержит (фиг.1-5) концентрично установленный внутри скважинной, например, обсадной трубы 1 трубчатый корпус 2 с кольцевидным упором 3 и с концентрично установленной с возможностью перемещения втулкой 4. Между упором 3 и втулкой 4 концентрично установлен закрепленный на них противоположными концами и изготовленный из сплава, обладающего эффектами памяти формы и сверхупругости, например из никелида титана, уплотнительный элемент в виде проволочной спиралевидной пружины 5 растяжения, которая при отсутствие внешних силовых воздействий имеет в аустенитном состоянии форму веретена с цилиндрической центральной частью. Втулка 4 снабжена поступательно-вращательным приводом 6, по меньшей мере, одним концентрично закрепленным в ней уплотнительным кольцом 7, кольцевидным пазом 8 с радиально расположенными сквозными отверстиями 9 по периферии и концентрично закрепленным над ними трубчатым фильтром 10. Причем изготовленное, например, из фторопласта уплотнительное кольцо 7 с возможностью скольжения опирается на корпус 2, а полость, в которой расположена пружина 5, посредством кольцевидного зазора между втулкой 4 и корпусом 2 через образованную пазом 8 внутреннюю полость втулки 4, отверстия 9 и фильтр 10 гидравлически связана с внутренней полостью трубы 1.
В первом варианте исполнения (фиг.2) упор 3 по отношению к втулке 4 расположен в скважинной трубе 1 со стороны области предполагаемого повышения давления. Запорный орган содержит одну диафрагму 11 в виде патрубка из упругого термостойкого материала, например из термостойкой силиконовой или фторсиликоновой резины, и его защитную проволочную трубчатую сетку 12, например, из сплава, обладающего эффектом сверхупругости, например из никелида титана. Противоположные концы диафрагмы 11 герметично закреплены соответственно на корпусе 2 и упоре 3, и при максимальном расстоянии между ними диафрагма 11 не растянута. Противоположные концы сетки 12 закреплены соответственно на корпусе 2 и упоре 3, причем пружина 5, сетка 12 и диафрагма 10 в данном порядке концентрично расположены одна на другой снаружи корпуса 1.
Во втором варианте исполнения (фиг.3) запорный орган содержит две диафрагмы 11 и две сетки 12. Противоположные концы каждой из диафрагм 11 герметично закреплены соответственно на корпусе 2 и упоре 3. Противоположные концы каждой из сеток 12 закреплены соответственно на корпусе 2 и упоре 3. Причем одна из диафрагм 11, одна из сеток 12, пружина 5, другая из сеток 12 и другая из диафрагм 11 в данном порядке концентрично расположены одна на другой снаружи корпуса 2, и полость между диафрагмами содержит смазку 13, например машинное масло. И длина той из диафрагм 11, что расположена ближе к корпусу 2, при отсутствии внешних силовых воздействий соответствует длине пружины 5 в крайне сжатом состоянии. Длина же другой диафрагмы 11 при отсутствии внешних силовых воздействий равна или меньше длины пружины 5 в крайне растянутом состоянии.
Запорный орган функционирует следующим образом (фиг.1-5). При транспортировке в трубе 1 вне зависимости от температуры пружина 5 под внешним управляющим силовым воздействием максимально растянута и ее наружный диаметр минимален. На месте установки пакера пружина 5 имеет температуру, превышающую температуру завершения аустенитного превращения в ее сплаве, в результате чего находится в сверхупругом состоянии и стремится вернуть себе веретенообразную форму. Для приведения пакера в рабочее положение втулку 4 перемещают навстречу упору 3 и в процессе укорачивания она приобретает веретенообразную форму. Важным условием для этого является точная предварительная центровка корпуса 2 относительно трубы 1. В процессе линейного перемещения втулки 4 привод 6 одновременно обеспечивает программируемое вращение втулки 4 вокруг оси. И до последнего момента укорачивания пружины 5 удерживает ее в положении, при котором наружный диаметр наиболее податливых скручиванию ее центральных витков, даже при прижатии один к другому остается недостаточным для прижатия расположенной над ними диафрагмы 11 к стенкам трубы 1. Далее путем поворота втулки 4 относительно оси привод 6 раскручивает пружину 5 в обратном предыдущему скручиванию направлении. После того, как пружина 5 примет в радиальном направлении ту форму, что была ей задана при изготовлении, а именно форму, обеспечивающую плотное прижатие расположенной над пружиной 5 диафрагмы 11 к трубе 1 в процессе воздействия на эту диафрагму 11 в радиальном направлении, до конца сжимают пружину 5 приводом 6. Таким образом, обеспечивается воздействия пружины 5 на данную диафрагму 11 в направлении, при котором низка вероятность царапания диафрагмы 11 о шероховатую поверхность трубы 1, и шероховатость трубы 1 играет позитивную роль, способствуя предотвращению выдавливания материала прижатой к трубе 1 диафрагмы 11 из зазора, в котором она расположена, под действием воспринимаемого пакером давления. Для рассмотренных вариантов исполнения (фиг.2, 3) данное перемещение втулки 4 и изменение формы пружины 5 влечет за собой следующие последствия.
При первом варианте исполнения (фиг.2) в результате уменьшения длины диафрагмы 11 и сетки 12 под действием пружины 5 они растягиваются в радиальном направлении, приобретая адекватную сжатой пружине 5 веретенообразную форму. При этом через фильтр 10, отверстия 9, образованную пазом 8 полость и зазор между втулкой 4 и корпусом 2 увеличивающаяся в объеме внутренняя полость, образованная корпусом 2 и диафрагмой 11, заполняется находящейся в трубе 1 скважинной жидкостью. Сетка 12 предотвращает угрозу проникновения диафрагмы 11 между витками сжимаемой пружины 5. В завершении данной трансформации пружина 5 через сетку 12 плотно прижимает диафрагму 11 к внутренним стенкам трубы 1 и при таком, крайне близком положении от упора 3, втулку 4 закрепляют на корпусе 2 на весь период эксплуатации пакера. При указанном расположении упора 3 по отношению к втулке 4 в скважинной трубе 1 со стороны области предполагаемого повышения давления и наличии данного перепада давлений примыкающая к упору 3 часть ближней к трубе 1 диафрагмы 11 через соответствующую сетку 12 прижимается к расположенной под ней наружной части пружины 5. То есть начинает выполнять одну из наиболее предпочтительных для элементов из термостойкой резины на основе силиконовых и фторсиликоновых каучуков функций эластичного затвора лепесткового клапана, призванного перекрывать собой крайне узкие сквозные зазоры в корпусе такого клапана-щели между максимально прижатыми друг к другу витками пружины 5.
При втором варианте исполнения (фиг.3) перед началом перемещения втулки 4 относительно упора 3 находящаяся под пружиной 5 сетка 12 защищает собой расположенную под ней диафрагму 12 от механического воздействия прижатой к ней пружины 5. В дальнейшем при сокращении расстояния между втулкой 4 и упором 3 расположенная внутри пружины 5 соответствующая диафрагма 11 стремится приобрести длину, соответствующую при отсутствии внешних воздействий ее нерастянутому состоянию. Расположенная внутри пружины 5 соответствующая сетка 12 по длине сжимается, а в радиальном направлении расширяется. И как при первом варианте (фиг.2), под действием пружины 5 расположенные снаружи пружины 5 сетка 12 и диафрагма 11 растягиваются в радиальном направлении, приобретая адекватную сжатой пружине 5 веретенообразную форму. Сетка 12 предотвращает угрозу проникновения диафрагмы 11 между витками сжимаемой пружины 5. В завершении данной трансформации пружина 5 через сетку 12 плотно прижимает диафрагму 11 к внутренним стенкам трубы 1 и при таком, крайне близком положении от упора 3 втулку 4 закрепляют на корпусе 2 на весь период эксплуатации пакера. При этом в случае расположения втулки 4 по отношению к упору 3 в скважинной трубе 1 со стороны области предполагаемого повышения давления происходит следующее. При наличии перепада давлений на наружные стенки обращенной к упору 3 близлежащей от трубы 1 диафрагмы 11 и внутренние стенки расположенной ближе к корпусу 2 диафрагмы 11 в последнюю через фильтр 10, отверстия 9, образованную пазом 8 полость и зазор между втулкой 4 и корпусом 2 поступает извне скважинная жидкость и данная диафрагма 11 увеличивается в объеме. Смазка 13 через зазоры между витками пружины 5 выдавливается во внутреннюю полость обращенной к области пониженного давления прижатой к трубе 1 близлежащей от упора 3 части наружной диафрагмы 11 и та также раздувается. Данный процесс надувания диафрагм 11 длится до тех пор, пока наружные стенки расположенной непосредственно над корпусом 2 диафрагмы 11 через расположенную на ней сетку 12 не прижмется к внутренним стенкам пружины 5, то есть не начнет выполнять одну из наиболее предпочтительных для элементов из термостойкой резины на основе силиконовых и фторсиликоновых каучуков функций эластичного затвора лепесткового клапана. В случае расположения упора 3 по отношению к втулке 4 в скважинной трубе 1 со стороны области предполагаемого повышения давления и наличия данного перепада давлений примыкающая к упору 3 часть ближней к трубе 1 диафрагмы 11 через соответствующую сетку 12 прижимается к расположенной под ней наружной части пружины 5. То есть начнет выполнять одну из наиболее предпочтительных для элементов из термостойкой резины на основе силиконовых и фторсиликоновых каучуков функций эластичного затвора лепесткового клапана, призванного перекрывать собой крайне узкие сквозные зазоры в корпусе такого клапана-щели между максимально прижатыми друг к другу витками пружины 5.
При необходимости извлечения пакера на поверхность или перемещения его на другой уровень сначала привод 6 выводят из застопоренного положения и вращают им втулку 4 в обратном предшествующему направлении. В результате наиболее податливые скручиванию витки максимального диаметра из средней части пружины 5 перемещаются в радиальном направлении ближе к корпусу 2, и лишившаяся их подпирающего воздействия расположенная снаружи пружины 5 диафрагма 11 за счет упругости сжимается в радиальном направлении и выходит из контакта со стенками трубы в наиболее щадящем для их поверхности режиме. Далее втулку 4 перемещают приводом 6 в сторону от упора 3 и в процессе удлинения с прямым (фиг.2) или опосредованным (на фиг.3 через расположенную под пружиной 5 сетку 12 и диафрагму 11) упором на корпус 2 диаметр пружины 5 уменьшается. При этом скважинная жидкость из примыкающей к корпусу 2 полости выдавливается самопроизвольно сжимающимися соответствующими упругими диафрагмами 11 в трубу 1 через зазор между втулкой 4 и корпусом 2, образованную пазом 8 полость, отверстия 9 и фильтр 10. После принятия запорным органом максимально прижатого к корпусу 2 транспортного положения привод 6 стопорят. При дальнейшей эксплуатации пакера данные операции при необходимости многократно повторяют.
Как и в традиционных механических пакерах, с манжетами возможна последовательная установка нескольких представленных запорных органов. При этом если в пакере имеется один механический привод 6, то он должен быть распорным, то есть при работе оба его противоположных конца должны перемещаться в разные стороны относительно средней части. Из чего следует, что одним механическим приводом 6 можно одновременно приводить в действие соответствующие втулки 4 двух расположенных с его противоположных сторон запорных органов. В других случаях для механического приведения в действие каждого запорного органа необходим отдельный механический привод 6. Однако если показанный на фиг.3 запорный орган расположен втулкой 4 навстречу перекрываемому им потоку скважинной жидкости и потому его действие напоминает работу обратного клапана, такой запорный орган, как и в прототипе [3], вместо механического привода может быть оснащен вспомогательным автономным тепломеханическим приводом с эффектом памяти формы, а в идеале имеющей достаточную длину стальной пружиной реверсного хода пружины 5. Последняя самостоятельно выполняет при этом функции рабочего элемента с памятью формы тепломеханического привода. Необходимым условием для функционирования подобного пакера является осуществление транспортировки пружины 5 в трубе 1 в охлажденном мартенситном состоянии и растянутом тепломеханическим приводом или реверсной пружиной виде, нагрев пружины 5 до аустенитного состояния на месте установки пакера и предварительное охлаждение пружины 5 до мартенситного состояния при демонтаже пакера.
Основным видом деформации при изменении наружного диаметра пружины 5 является изгиб, что в случае использования обладающих свойствами резины проволок из сверхупругого сплава позволяет значительно увеличить величину «раскрытия» пружины 5 в сравнении с тем же показателем представленных в прототипе уплотнительных элементов. Этому также содействует то, что величина «раскрытия» предлагаемой пружины при наличии придающих ей устойчивость корпуса 2 и трубы 1 ограничена в основном длиной последних, что не может являться ограничением для длинномерных скважинных труб.
В рабочем сжатом положении сформированная из многочисленных витков круглой или что более предпочтительно прямоугольной или овальной в поперечном сечение никелидтитановой проволоки веретенообразная пружина 5 концентрично с натягом установлена в концентричном кольцевидном зазоре между корпусом 2 и трубой 1, то есть защищена от сдвига в радиальном направлении. Это придает пружине 5 механические свойства, присущие монолитному веретенообразному баллону, стенки которого имеют толщину, адекватную размерам аналогичного сечения никелидтитановой проволоки.
Одним из наиболее распространенных типов никелидтитанового полуфабриката является проволока, цена которой из-за особенностей технологии изготовления начинает значительно возрастать, например, у круглой в сечении проволоки при диаметре менее чем 3 мм, что меньше предполагаемого диаметра (4÷10 мм) проволоки пружины 5. Для того чтобы придать ее сечению овальную, прямоугольную, квадратную или более сложную форму, достаточно протянуть ее через фигурные валки при определенной температуре. Для изготовления пружины 5 из никелидтитановой проволоки по одной из самых простых схем проволоку навивают на веретенообразную матрицу в нагретом состоянии и охлаждают. Отсутствие необходимости в проведении токарных и фрезерных работ при изготовлении уплотнительного элемента - пружины 5 из титанового сплава значительно уменьшает количество потерь никелида титана, связанных с подобными работами, способствует удешевлению обрабатывающих инструментов, снижению требований к уровню применяемых технологий и в конечном счете удешевлению производства. При этом отсутствие сварочных работ позволяет избежать снижения надежности уплотнительного элемента в виде пружины 5 из-за традиционного для никелидтитановых изделий ухудшения свойств, например повышения хрупкости в местах сварки.
В предлагаемой конструкции диафрагмы 11 выполняют традиционные для термостойких силиконовых и фторсиликоновых резин функции высокоэффективных прокладочных и защитных элементов, обеспечивающих как резиновый рукав в пульпопроводе, эффективное гашение ударов взвешенных в скважинной жидкости песчинок, защищая собой жесткие металлические элементы от абразивного воздействия.
Использованная литература
1. Уплотнительная манжета для пакера. Уральский завод эластомерных уплотнений. www.zavodrti.ru/catalog/paker/
2. НПП «Элком», РТИ, Прайс-лист на резиновые уплотнительные профили, трубки, жгуты, nppelkom.narod.ru/prices/price_profili.html.
3. Патент США №4515213, Е21В, 33/12, 1985 г.
4. Дж.Купер, Д.Баукер, У.Кросс. Исследование уникальных свойств запоминания в сплаве нитинол-55. ВЦП №Ц-88654 (Cooper J.E. е.а. SAMPE, National Simposium and Exhibition 15-th, Los Angeles North Hollywood, 1969. (Calif) Procedings p.265-274), стр.18, 22.
Запорный орган пакера, содержащий концентрично установленный на трубчатом корпусе внутри скважинной, например, обсадной трубы цельный, изменяемый в диаметре при изменении длины, металлический уплотнительный элемент из сплава, обладающего эффектом памяти формы, например, из никелида титана, один конец которого соединен с закрепленным на трубчатом корпусе упором, а второй на соединенной с приводом втулке, установленной с возможностью перемещения вдоль оси трубчатого корпуса, отличающийся тем, что дополнительно содержит одну или две защитные упругие проволочные трубчатые сетки, закрепленные противоположными концами соответственно на втулке и упоре, и изготовленные, например, из сплава, обладающего эффектом сверхупругости, например, из никелида титана, одну или две упругие трубчатые диафрагмы из термостойкого материала, например из термостойкой резины, противоположные концы каждой из которых герметично закреплены соответственно на втулке и упоре, привод выполнен линейно-вращающим, уплотнительный элемент имеет вид проволочной спиралевидной пружины растяжения с круглым, овальным, прямоугольным или более сложным профилем сечения проволоки, изготовлен из сплава, обладающего эффектом сверхупругости и в сжатом виде внутри скважинной трубы имеет в аустенитном состоянии форму веретена с цилиндрической средней частью, причем при наличии одной сетки и одной диафрагмы упор по отношению к втулке расположен в скважинной трубе со стороны области предполагаемого повышения давления, и пружина, сетка и диафрагма в данном порядке концентрично расположены одна на другой снаружи корпуса, а при наличии двух сеток и двух диафрагм одна из диафрагм, одна из сеток, пружина, другая из сеток и другая из диафрагм в данном порядке концентрично расположены одна на другой снаружи корпуса, и полость между диафрагмами содержит смазку, например машинное масло.
