Рассмотрена конструкция и принцип действия пакера с радиальным расширением уплотнителя и устройством, предотвращающим выдавливание его материала в зазор.
Обычно для разобщения частей ствола скважины пакером требуется приложить довольно значительную осевую поджимающую силу, обеспечивающую увеличение радиальных размеров уплотнителя до соприкосновения с уплотняемой поверхностью с определенным натягом. В случае паронагнетательных скважин эта нагрузка должна быть обеспечена во всех циклах нагрева в течение длительного времени.
Снижение усилий для достижения герметичности возможно обеспечить также увеличением внешнего диаметра уплотнителя не осевым сжатием, а радиальным расширением. Например, за счет перемещения внутри уплотнителя штока с конусными участками, так называемого ствола переменного сечения, который как бы "прошивает" кольца уплотнителя. Для работы такого пакера в условиях высоких температур предложено [1] уплотнитель изготавливать из трех колец - крайних из фторопласта-4 и среднего из свинца.
Рисунок 1 - Схема распакеровки уплотнительного узла пакера.
1 - верхнее уплотнительное кольцо; 2 - среднее уплотнительное кольцо; 3 – нижнее уплотнительное кольцо; 4 - ствол переменного сечения; 5 - тонкая часть ствола; 6 - нижний конусный переход; 7 - верхний конусный переход; 8 – цилиндрическая часть; 9 - утолщенная часть ствола; 10 - ограничитель; 11 - опорная втулка; 12 - обсадная колонна.
На рис.1 показана схема распакеровки уплотнительного узла пакера: а - транспортное положение, б - момент прошивания пакета колец нижним конусом конусного перехода, в - момент прошивания пакета колец цилиндрической ступенью, г - момент прошивания пакета колец верхним конусом конусного перехода, д - положение произведенной пакеровки, е - схема действия усилий при прошивании уплотнительного кольца конусом.
Уплотнительные кольца 1, 2 и 3 свободно надеты на ствол переменного сечения 4. Он имеет тонкую часть 5, нижний 6 и верхний 7 конусные переходы, а также цилиндрическую ступень 8, по длине превышающую высоту пакета уплотнительных колец 1, 2 и 3, и утолщенную часть 9. Ствол 4 оканчивается ограничителем 10. Снизу на тонкую часть ствола надета опорная втулка 11, на которую опирается пакет уплотнительных колец.
Уплотнительный узел пакера работает следующим образом. Пакер, в состав которого он входит, спускается в скважину на насосно-компрессорных трубах и на требуемой глубине (рис.1,а) опирается опорной втулкой 11 через хвостовик на забой скважины или шлипсы. Пакеровка производится опусканием колонны насосно-компрессорных труб. При этом пакет уплотнительных колец 1, 2 и 3 опирается на неподвижную опорную втулку 11, а ствол переменного сечения прошивает его.
На первом этапе распакеровки (рис.1,б) уплотнительные кольца последовательно прошиваются нижним конусом, увеличиваясь в диаметре, и занимают положение на цилиндрической ступени 8 (рис.1,в). При этом наружные диаметры уплотнительных колец достигают внутреннего диаметра обсадной колонны 12. Вследствие большой пластичности среднего свинцового кольца его размеры изменяются такимобразом, что его наружная поверхность только касается внутренней поверхности обсадной колонны. В то же время наружные поверхности более упругих фторопластовых верхнего и нижнего колец прижимаются к ней. Таким образом, среднее кольцо оказывается в замкнутом пространстве между крайними кольцами, которые приходят в уплотненное состояние с внутренней поверхностью обсадной колонны и предохраняют материал среднего кольца от выдавливания при дальнейшем прошивании.
На следующем этапе (рис.1,г) уплотнительные кольца прошиваются верхним конусом и занимают свое крайнее положение на утолщенной части ствола (рис.1,д). При этом кольца оказываются в стесненном состоянии между утолщенной частью ствола и внутренней поверхностью обсадной колонны. Этим достигается напряженное состояние верхнего и нижнего колец и развивается усилие, остаточное для раздавливания среднего пластичного уплотнительного кольца. Вследствие этого материал среднего кольца затекает во все имеющиеся в месте пакеровки неровности, чем достигается повышенная надежность пакеровки. Необходимо отметить, что на первом этапе распакеровки крайние кольца достигают внутренней поверхности обсадной колонны и сопрягаются с ней под некоторым натягом при осевых нагрузках, не приводящих к раздавливанию и вытеканию пластичного материала среднего кольца в начальные зазоры между упругими крайними кольцами и обсадной колонной. Этим обуславливается выбор размера диаметра d1 цилиндрической ступени. Он определяется из условия сохранения объемов колец при их растяжении и увеличении наружного диаметра до величины, равной внутреннему диаметру обсадной колонны D1.
До начала пакеровки объем V1 уплотнительного кольца равен
.gif)
где b1 - высота кольца, м;
D1 - наружный диаметр кольца, м;
d1 - внутренний диаметр кольца, равный наружному диаметру тонкой части ствола, м. После перемещения колец на цилиндрическую ступень, их объем равен
.gif)
где b2 - высота кольца, м;
D2 - наружный диаметр кольца, м;
d2 - внутренний диаметр кольца, равный наружному диаметру тонкой части ствола, м.
Так как объемы колец не изменяются, то
.gif)
Размеры колец меняются незначительно, поэтому принимаем, что их высота не изменилась, b1 = b2 , тогда
Следовательно, диаметр цилиндрической ступени может быть выбран в зависимости от диаметров уплотнительных колец и внутреннего диаметра обсадной колонны в месте установки пакера. Угол αмежду осью и образующей конусного перехода выбирается из следующих соображений. Усилие P при прошивании верхнего фторопластового кольца нижним конусом не должно создавать такого давления на среднее свинцовое кольцо, под действием которого оно раздавливалось бы раньше, чем произойдет полное ограничение его крайними кольцами. Это последнее допускаемое усилие [Pпл] определяется пластичными свойствами свинцового кольца и равно
.gif)
где σпл - предел ползучести свинца, Па.
.gif)
Усилие прошивания P определяется по схеме действия сил, представленной на рис.1,е, где:
Qтр -усилие преодоления силы трения при движении кольца по конусу, Н;
Qпл -усилие движения кольца по конусу с одновременным растяжением, Н;
Qр - усилие растяжения, Н;
QN - нормальное усилие, Н.
Эти усилия определяются по формулам:
.gif)
где F1 - площадь сечения кольца в начальном положении, м2;
σр - предел прочности при растяжении фторопласта-4, Па.
.gif)
где f - коэффициент трения фторопласта-4 по стали конусного перехода в условиях пакеровки.
Усилие прошивания
.gif)
Из условия (6) и уравнения (5) следует
.gif)
или, перенеся все члены, содержащие α, в левую часть
Следовательно, угол конусности αможно выбрать в зависимости от прочностных свойств материалов среднего и верхнего уплотнительных колец, их геометрических размеров и коэффициента трения материала верхнего кольца по стали конусного перехода в условиях пакеровки. Например, при изготовлении фторопластовых и свинцовых колец с наружным диаметром 136 мм и внутренним 73 мм (т.е. диаметр тонкой части ствола также 73 мм) и при установке пакера в обсадной колонне с внутренним диаметром 144,3 мм, диаметр цилиндрической ступени, определяемый по уравнению (4), составит 81,6 мм. При коэффициенте трения фторопласта-4 по стали 0,15 и высоте уплотнительных колец 40 мм, угол между осью и образующей нижнего конуса, определяемый по уравнению (14) составит 11o. Кроме того, исследования показали, что при свободном, т.е. не ограниченном стенкой обсадной колонны, прошивании фторопластовых колец с наружным диаметром 121,0 мм стволом переменного сечения с диаметром тонкой части 73,9 мм, утолщенной части 88,9 мм и углом конусности 11o, наружный диаметр увеличивается до 133,8 мм, а высота кольца изменяется от 30,0 до 29,0 мм. Так как изменение высоты незначительно, то допущение о равенстве высот b1 = b2, принятое при выводе уравнения (4) правомерно. Упругое деформирование уплотнителя паркера такого типа и его напряженное состояние рассмотрено нами [2] ранее.
При температуре выше 327oС фторопласт переходит в высокоэластичное состояние, при котором возможно выдавливание материала в зазоры между деталями пакера и внутренней поверхностью обсадной колонны. Для предотвращения такого выдавливания обычно применяют тарелочные опорные шайбы с первоначально поднятыми вверх под углом лепестками, разводимыми для увеличениядиаметра опоры при сдавливании уплотнительного материала в процессе распакеровки. Диаметр разведенных до плоского состояния опоры лепестков остается не больше внутреннего диаметра колонны, что не решает полностью проблемы. Кроме того, при изготовлении опорных поверхностей в виде пакета тарельчатых шайб из листового металла, происходит следующее. Шайбы, согнутые в виде тарелок и собранные в пакет, опираются друг на друга отогнутыми лепестками, в то время как плоские донья шайб не соприкасаются, и между ними остается свободное пространство. Поэтому, при действии на пакер даже небольшой осевой нагрузки (например, при преждевременной посадке пакера при спуске его в скважину за счет трения деталей пакера о внутреннюю поверхность колонны или при зацеплении о неровности и выступы) происходит схождение доньев тарельчатых шайб, преждевременное разгибание лепестков и их выход за габариты пакера, что приводит к их разрушению, нарушению целостности пакера и, как следствие, к отказу устройства. Предложено [3] снабжать пакеты опорных тарельчатых шайб, ограничивающих с торцов уплотнительные кольца пакера , дополнительными антиэкструзивными шайбами. Наружный диаметр этих шайб больше внутреннего диаметра обсадной колонны, а внутренний - меньше диаметра направляющего штока.
Для исключения преждевременного срабатывания пакера при его спуске в скважину предложено размещать между доньями опорных и антиэкструзивных шайб элементы ограниченной жесткости. Такие элементы изготавливаются в виде распорных колец из материала с более низкой прочностью, чем материал уплотнителя или выполняются в виде кольцевых выступов на доньях опорных и антиэкструзивных шайб.
Схематическое изображение предложенного уплотнительного узла термостойкого пакера приведено на рис.2, где а - пакер в транспортном, б - в рабочем положении. Пакер состоит из ствола переменного сечения 1 с конусным переходом 2. На ствол надеты головка 3 и уплотнительные элементы 4, крайние из которых имеют наружные 5 и внутренние 6 фаски и торцовые поверхности 7. На наружные фаски надеты пакеты тарельчатых шайб , состоящие из опорных шайб 8 и антиэкструзивных шайб 9.
.gif)
Рисунок 2 - Уплотнительный узел термостойкого пакера.
1 - ствол; 2 - конусный переход; 3 - головка; 4 - уплотнительные элементы; 5 - наружные фаски; 6 - внутренние фаски; 7 - торцовые поверхности уплотнительных элементов; 8 - опорные шайбы; 9 - антиэкструзионные шайбы; 10 - обсадная колонна.
Шайбы, изготавляемые из тонкой (0,6-0,8 мм) листовой стали в виде тарелок, показаны на рис.3. Они состоят из плоских доньев 1, наружных конусных частей 2, согнутых на угол β= 65-70o и внутренних выгнутых частей 3, согнутых на угол γ= 25-30o по отношению к центральной оси шайбы. Углы βи γ соответствуют углам наружных и внутренних фасок крайних уплотнительных элементов. Шайба с элементом ограниченной жесткости в виде распорного кольца (рис.3,а) снабжена распорным кольцом 4 из полиэтилена высокого давления, а шайба с элементом ограниченной жесткости в виде кольцевого выступа (рис.3,б) имеет кольцевой выступ 5 , выдавленный в плоском дне 1.
На рис.4 показана развертка, из которой путем сгибания изготавливается антиэкструзивная шайба. Лепестки 1 сгибаются по линии сгиба на угол β таким образом, чтобы края лепестков 2 смыкались, образуя наружную конусную часть шайбы. Размер лепестков 1 выбирается таким, чтобы наружный диаметр развертки был на 8-10 мм больше внутреннего диаметра обсадной колонны, а после сгибания - на 1-1,5 мм меньше габаритного диаметра пакера, что обеспечивает свободное прохождение в скважине. Края внутреннего отверстия развертки шириной 2-3 мм подгибаются в ту же сторону, что и лепестки 1, на угол γ. Диаметр внутреннего отверстия на 4-5 мм меньше диаметра цилиндрического ствола, после сгибания становится больше последнего. Собранные в нижний и верхний пакеты опорные и антиэкструзивные шайбы вместе с уплотнительными элементами надеваются на ствол пакера. Т.к. приспособления ограниченной жесткости заполняют свободные пространства между доньями шайб, пакеты вместе с уплотнениями образуют жесткую систему, несжимаемую под действием усилий, не связанными с усилиями пакеровки. Пакер спускается в скважину на насосно-компрессорных трубах. При достижении заданной глубины производится распакеровка уплотнительных элементов под действием веса насосно-компрессорных труб. При превышения давления от осевой нагрузки предела прочности при сжатии приспособлений ограниченной жесткости последние ликвидируются. При этом, если используются распорные втулки из полиэтилена, последний выдавливается в зазоры между шайбами и другими деталями пакера. Если используются кольцевые выступы, то они вдавливаются до принятия доньями плоского состояния.
.gif)
Рисунок 3 - Антиэкструзионные шайбы.
а - шайба с элементом ограниченной жесткости в виде распорного кольца; б - шайба с элементом ограниченной жесткости в виде кольцевого выступа. 1 - плоские донья; 2 - наружные конусные части; 3 - внутренние выгнутые части; 4- распорное кольцо; 5 - кольцевой выступ.
Рисунок 4 - Развертка антиэкструзионной шайбы.
1 - лепестки развертки; 2 - края лепестков; 3 - края внутреннего отверстия развертки.
После ликвидации приспособлений ограниченной жесткости опорные и антиэкструзивные шайбы приходят в соприкосновение своими доньями и стремятся принять плоское состояние. При этом разогнутые опорные шайбы увеличивают площадь опоры, а антиэкструзивные шайбы разгибаются таким образом, что их наружные и внутренние периферийные части опираются, соответственно, на внутреннюю поверхность обсадной колонны и наружную поверхность ствола пакера, сгибаются под прямым углом и прижимаются материалом уплотнительных элементов (рис.2,б).
Таким образом, деформированный материал уплотнительного элемента оказывается в замкнутой кольцевой полости, ограниченной сверху и снизу пакетами опорных и антиэкструзивных шайб. При этом опорные шайбы создают консольные опоры, предотвращающие натекание фторопласта-4 на металлические детали пакера, а загнутые периферийные части антиэкструзивных шайб, отмеченные на рис.4 пунктиром, перекрывают зазоры и исключают экструзию материала уплотнителя. Извлечение пакера из скважины производится обычным образом поднятием колонны насосно- компрессорных труб. При этом уплотнительный узел перемещается с утолщенной части ствола на тонкую и оказывается в положении, при котором пакер может быть свободно извлечен из скважины, а антиэкструзивные шайбы приходят в беспорядочное состояние и разрушаются и требуют замены. Необходимо отметить, что при этом уплотнительные кольца принимают размеры несколько больше первоначальных, но используя пластические свойства фторопласта-4 и свинца и применяя специальные приспособления, можно восстановить их для повторного использования.
Выполнение уплотнительного узла пакера с пакетами опорных и антиэкструзивных шайб позволяет исключить выдавливание материала уплотнителя в зазоры между деталями пакера и внутренней поверхностью обсадной колонны при работе пакера в условиях высоких температур и давлений. Размещение между доньями шайб элементов ограниченной жесткости в виде распорных колец или снабжение доньев кольцевыми выступами исключает вероятность выхода из строя пакетов шайб при спуске пакера в скважину.
Все это повышает надежность работы пакера при герметизации затрубного пространства паронагнетательных скважин при паротепловом воздействии на пласт или капитальном ремонте.
Литература
1. А.с. 1399449 СССР. Уплотнительный узел пакера / И.В.Роман, А.К.Арсеньев, А.В.Литвинов, А.Д.Чумаченко. Опубл. 30.05.88. Бюл. № 20.
2. Литвинов В.М., Литвинов А.В. Упругое деформирование уплотнителя // Сборник научных трудов СевКавГТУ. Серия "Нефть и газ". Вып. 2. Ставрополь: СевКавГТУ, 1999. С. 192-202.
3. А.с. 1404636 СССР. Пакер / И.В.Роман, А.К.Арсеньев, А.В.Литвинов, Н.А.Белогуров. Опубл. 23.06.88. Бюл. № 23.
Автор: В.М.Литвинов , А.В.Литвинов
