Методика конструирования и расчета скважинных уплотнителей

 

Рассмотрим некоторые рекомендации по конструированию пакеров и их расчета.

В задании на конструирование пакера обычно даются его глав­ные парамет­ры, условия эксплуатации и описание технологи­ческих процессов, для которых необходим пакер.

К главным параметрам относятся: диапазон внутренних диа­метров обсад­ной колонны, в которую спускают пакер; перепад давления, воспринимаемый им; особенности технологического процесса, для которого предназначен пакер.

Надежное уплотнение может быть создано при разности диа­метров уплот­не­ния пакера до его деформации и обсадной ко­лонной до 15...20 мм. Рабочие перепады давления обычно равны 10...100 МПа. Технологические процессы часто требуют нали­чия в пакере клапана-отсекателя, нескольких каналов, не сооб­щающихся друг с другом, обратного клапана и пр.

К дополнительным исходным данным относятся температу­ра, при кото­рой должен работать пакер, агрессивность окружа­ющей среды, длительность ра­бо­ты пакера без подъема, способ его спуска и подъема (на трубах, канат­ной техникой) или воз­можность разбуривания, показатели надежности и пр.

При расчете пакера определяют необходимое для герметиза­ции контакт­ное давление, осевую силу, обеспечивающую это давление, оптимальные вы­со­ту уплотняющего элемента, длину хода штока пакера, параметры корда уплот­няющего элемента.

Контактное давление между обсадной колонной и уплотняю­щими эле­мен­тами типа а и б (см. рис. 1.3.2) равно [10]:

, (1.3.1)

(1.3.2)

где Р _кси Р _кп — контактные давления за счет предварительного сжатия уплотнения и действия перепада давления, соответственно.

Резина, применяемая в пакерах, имеет коэффициент Пуассо­на μ_р = 0,475.

Для определения контактного давления Р _к и наименьшей ве­личины осе­вой силы Q,обеспечивающей герметичное разобще­ние ствола скважины, исполь­зуют следующие уравнения, выте­кающие из (1.3.1):

при , (1.3.3)

где F — площадь поперечного (диаметрального) сечения уплотнительного эле­мен­та в деформированном состоянии; G = 5,1... 1 МПа — модуль сдвига рези­ны; R _пи R _c — наружный радиус резины до деформации и после нее (после­дний равен внутреннему радиусу обсадной колонны); r _ш— внутренний ра­диус ре­зи­ны; ΔР — перепад давления у пакера.

Высота уплотнительного элемента пакера в свободном состо­янии может быть определена из условия равенства площади его поверхности до и после дефо­рмирования.

, (1.3.4)

где h _c — высота элемента в сжатом состоянии. Считается, что это условие обес­пе­чивает предохранение от зате­кания резины в зазор между пакером и обсад­ной колонной. Расчеты высоты уплотнительного элемента при учете этого поло­жения дают наименьшую высоту одного уплотняющего элемента. В пакере реко­мен­дуют иметь несколько (два-четыре) таких уп­лотнений.

Наибольшая высота уплотнительного элемента может быть най­дена по условию самозакрепления пакера при действии осевого усилия.

, (1.3.5)

Где f — коэффициент трения.

В конструкции пакера должна быть предусмотрена длина хода его штока (ствола), которая обеспечит сжатие уплотняющего элемента до соприкосно­ве­ния его с обсадной колонной и герме­тичность уплотнения.

Увеличение хода штока будет приводить к повреждению уп­лотняющих эле­ментов из-за отсутствия ограничения передачи на них усилий и как следст­вие — получению недопустимых де­формаций.

Оптимальную длину хода штока рекомендуют определять по следующей формуле:

, (1.3.6)

где h — высота свободного, не нагруженного уплотняющего элемента;

Для пакеров под обсадные колонны с диаметрами 146 и 168 мм коэф­фи­циент k _оп= 1,13; с диаметрами 178 и 299 мм — k _оп = 1,09 — 1,07.

У гидравлического пакера при расширении цилиндра в рези­не (см. рис. 1.3.2, в) возникают небольшие напряжения. Основ­ную нагрузку несут нити кор­да, имеющие большую жесткость, чем резина.

Толщина кордной оболочки, характеризующая прочность уплотнитель­но­го элемента в целом, определяется числом слоев материала корда:

, (1.3.7)

где ΔР — перепад давления у пакера; R_k — средний радиус корда в момент при­жатия пакера к стенкам скважины; | N| — допус­тимое усилие нити на раз­рыв; t — шаг нитей (по перпендикуля­ру к нити) кордной ткани; β — угол подъе­ма нитей корда с ок­ружным направлением в момент прижатия пакера к обсад­ной колонне.

Угол подъема нитей корда определяют следующим образом. При подаче дав­ле­ния внутрь оболочки, не имеющей при расшире­нии ограничений в ра­диальном направлении, оно будет воспри­ниматься нитями корда без изме­не­ния размеров последних в том случае, если угол подъема нитей будет >35°. При большем угле оболочка увеличивается по диаметру и укорачивается за счет изме­нения угла подъема нитей без их продольной деформации. Начальный угол определяют из равенства длины нитей в преде­лах одного шага намотки до начала деформации и в момент прижатия к стенкам скважины:

, (1.3.8)

где R_kc — средний радиус корда пакера в свободном состоя­нии; β _н — на­чаль­ный угол подъема нитей корда. Из последнего выражения находим

. (1.3.9)

Осевое перемещение свободного конца уплотняющего элемента равно

, (1.3.10)

где l / l _о — шаг намотки нитей корда после прижатия оболочки к обсадной ко­лон­не и в свободном состоянии; L — рабочая высо­та намотки корда в сво­бод­ном состоянии.

; . (1.3.14)

При расчете пакера необходимо проверять влияние плашечного захвата на прочность обсадной колонны.

В конструкциях пакеров, где плашки полностью перекрыва­ют кольцевой за­зор, нагрузка на обсадную колонну распределе­на равномерно по всему пе­ри­мет­ру. В этом случае предельная осевая нагрузка на плашечный захват, при ко­торой обсадная колонна не нарушается, равна:

(1.3.12)

При ограниченном контакте плашек по периметру обсадной колонны участ­ки труб между ними работают на изгиб. Тогда

(1.3.13)

В (1.3.12) и (1.3.13) σ _т — предел текучести материала труб обсадной колон­ны; п — число плашек (по радиусу); α — угол конуса плашки; D, d, h — наруж­ный и внутренний диаметры и толщина стенки трубы обсадной колонны; l _пл — вы­сота плашек (длина по вертикали); L _пл — длина хорды плашки; f _пл — стре­ла дуги поверхности плашки.

Запасы прочности при расчетах по (1.3.12) принимают рав­ными 1,15 для обсад­ных труб диаметрами 114...219 мм и 1,52 — для труб диаметром более 219 мм. При расчетах по (1.3.13) запас прочности берут примерно в 2 раза боль­шим, учитывая, что пре­дел касательного напряжения τ _т ≈ 0,58 σ _т.

При разработке конструкции пакера предельная нагрузка срав­нивается с наг­рузкой, необходимой для создания уплотнения (формула (1.3.3). Если Q _пред < Q, то в конструкцию пакера вносят необходимые изменения (угла α, гео­метрических размеров уплотнения).

При проектировании пакера для использования его в искрив­ленных сква­жинах надо учитывать возможность деформации пакера при про­хож­де­нии им изогнутых частей ствола.

Длина пакера, при которой он будет касаться обсадной ко­лонны в трех точ­ках (по концам и в середине) при прохождении им изогнутой части сква­жи­ны, определяется из выражения

, (1.3.14)

где R — радиус изгиба ствола скважины; Δs — зазор (диамет­ральный) между па­ке­ром и обсадной колонной. При большей длине пакер, проходя изгиб, или заст­рянет, или изогнется сам. Последнее может привести к его повреждению. Этот расчет относится и ко всякому другому оборудова­нию, спускаемому в искрив­ленную скважину (скважинные штанговые насосы, центробежные на­со­сы, погружные двига­тели и т.д.).

Расчет максимально возможного давления, при котором па­кер будет нахо­дить­ся в равновесии, производится по формуле

(1.3.15)

где G — вес НКТ; H ₁ — глубина спуска пакера; D _в — внутрен­ний диаметр эксплуа­тационной колонны; D _н — внешний диа­метр эксплуатационной ко­лон­ны; d _н — наружный диаметр НКТ; d _в— внутренний диаметр НКТ; ρ ₁, ρ ₂ — соот­ветст­венно плот­ность жидкости в трубах и затрубном пространстве.

 

 

РАЗДЕЛ 2.