УЗЕЛ УПЛОТНЕНИЯ СКВАЖИННОГО УСТРОЙСТВА Российский патент 1998 года по МПК E21B33/12 

Изобретение относится к скважинному оборудованию для нефтегазодобывающей промышленности, в частности к глубинному оборудованию, например, для раздельной эксплуатации пластов, предотвращения фонтанирования, изоляционных работ, гидроразрыва пластов.

Известно уплотнение пакера, содержащее эластичные кольца и с обоих сторон каждого из них упорные кольца, выполненные с наклонными торцевыми поверхностями с возможностью вытеснения эластичных колец в противоположных направлениях к соответствующим уплотнительным поверхностям [1].

Недостатки. Большие контактные поверхности. Это при химически активных средах приводит к появлению высоких сил адгезионного взаимодействия материалов эластичного кольца и обсадной трубы. Адгезионное взаимодействие при снятии нагрузки с уплотнения препятствует размыканию контактных поверхностей, что при распакеровке устройства приводит к аварийным ситуациям. Уплотнительный элемент (эластичное кольцо) работает на полный перепад давления, что при высоких давлениях требует специальной антиэкструзионной защиты, т.е. усложняет конструкцию.

Наиболее близким по технической сущности является узел уплотнения скважинного устройства по заявке N 93-035227/03 (034688) от 16.07.93, МПК E 21 B 33/00. Узел уплотнения скважинного устройства содержит корпус и установленные на нем чередующиеся между собой уплотнительные кольца из эластичного материала и шайбы в виде тарельчатых пружин, установленные с возможностью вытеснения уплотнительных колец в противоположных направлениях при создании на них осевого усилия.

Недостатки. Неравномерный перепад давления по кольцам. Это обусловлено различными условиями вытеснения уплотнительных колец к уплотняемым поверхноcтям. Наружу (к поверхности скважины) кольца вытесняются в большей степени, при этом кольца, уплотняющие поверхность корпуса, перегружаются, что при значительном увеличении давления (например при гидроразрыве пласта) снижает надежность уплотнения.

Неравномерное распределение давления при его увеличении обусловливает перегружение и разрушение в первую очередь одного из нижних колец.

Уплотнение позволяет уплотнять рабочую поверхность изнутри скважины, тогда как бывает необходимость уплотнять наружную поверхность, например в составе превентора насосно-компрессорную трубу.

В основу изобретения положена задача сохранения надежности уплотнения при увеличении давления до высокого, требуемом, например, при гидроразрыве пласта. Это достигается за счет нормирования нагрузки на уплотнительные кольца в пределах их работоспособности.

Поставленная задача решается узлом уплотнения скважинного устройства, содержащем корпус и установленные на нем чередующиеся между собой уплотнительные кольца из эластичного материала и шайбы в виде тарельчатых пружин, установленные с возможность вытеснения уплотнительных колец в противоположных направлениях при создании на них осевого усилия, которое, согласно изобретению, выполнено с возможностью смыкания шайб при предельной нагрузке на уплотнительные кольца, например, за счет переменной кривизны шайб со стороны противоположной уплотнительной поверхности соответствующего кольца.

Можно смыкание шайб при предельной нагрузке на уплотнительные кольца выполнить за счет установки втулок между шайбами со стороны противоположной уплотнительной поверхности соответствующего кольца. Целесообразно шайбы снабдить прорезями по площади взаимодействия при смыкании, причем со стороны противоположной поверхности корпуса.

Прорези на шайбах можно выполнить со стороны уплотняемой поверхности корпуса.

Выполнение уплотнения с возможностью смыкания шайб при предельной нагрузке на уплотнительные кольца (за счет подбора сечения эластичного кольца, втулок, переменной кривизны периферийных участков шайб и т.д.) дает возможность нормировать нагрузку на уплотнительные кольца в пределах их работоспособности.

На фиг. 1 изображена конструктивная схема узла уплотнения с шайбами переменной кривизны; на фиг. 2 - узел уплотнения на фиг. 1 в рабочем состояния; на фиг. 3 - уплотнение с втулками между шайбами для передачи нагрузки с шайбы на шайбу; на фиг. 4 - уплотнение с шайбами, прорезанными по ширине площади взаимодействия (при смыкании) со стороны рабочей уплотняемой поверхности; на фиг. 5 - уплотнение, изображенное на фиг. 4 в рабочем состоянии; на фиг. 6 - уплотнение с шайбами переменой кривизны, прорезанными со стороны уплотняемой поверхности, например корпуса; на фиг. 7 - уплотнение на фиг. 6 в рабочем состоянии; на фиг. 8 - шайба с прорезями с одной стороны; на фиг. 9 - шайба с прорезями с обоих сторон; на фиг. 10 - шайба с упругой накладкой.

Узел уплотнения скважинного устройства содержит корпус 1, относительно поверхности которого производится уплотнение рабочей поверхности 2 обсадной трубы скважины или насосно-компрессорной трубы (фиг. 4, 5). На корпусе 1 установлен набор шайб 3, выполненных в виде тарельчатых пружин, и между ними уплотнительные кольца 4 и 5 из эластичного материала. Шайбы 3 выполнены с антиэкструзионным зазором (на фиг. не показан) относительно корпуса 1 и зазором 6 относительной рабочей (уплотняемой) поверхности 2. Зазор 6 значительно меньше радиального размера шайб 3, которые определяют размер сечения колец 4, 5, расположенных между шайбами. Ориентированы шайбы 3 так, что друг с другом образуют в поперечном сечении камеры в виде трапеций. В каждой камере установлено по уплотнительному кольцу 4 или 5. Кольца 4 и 5 выполнены в поперечном сечении кругообразными. Форма камер в виде трапеций между шайбами обеспечивает возможность вытеснения уплотнительных колец 4 и 5 в противоположных направлениях, т.е. к уплотняемой поверхности 2 (кольца 4) и к поверхности корпуса 1 (кольца 5) при осевой нагрузке. Нагружается уплотнение механические или гидравлически (Рупр), например через поршень 7.

Согласно изобретению, узел уплотнения выполнен с возможностью смыкания шайб 3 при предельной нагрузке на уплотнительные кольца. Предельная нагрузка фиксируется за счет передачи нагрузки с шайбы на шайбу при их смыкании, например за счет расчета, необходимого для смыкания шайб поперечного сечения уплотнительных колец. Передачу нагрузки с шайбы на шайбу можно достичь и за счет переменной кривизны шайб, выполнив их с буртиками 8, постановки втулок 9, а также при выполнении прорезей 10 по периферии шайб, т.е. по площади взаимодействия, что сопровождается большей степенью вытеснения колец. При смыкании шайб развиваются запланированные напряжения в материале колец, а, следовательно, и контактные давления на уплотняемые поверхности. При необходимости увеличить сечения колец 4 (например, при увеличении зазора 6) шайбы могут быть выполнены переменной кривизны (см. фиг. 1, например с буртиками 8), установлены втулки 9 (фиг. 3), выполнены прорези (фиг. 6, 7). Буртики 8 (втулки 9) могут быть выполнены с обоих сторон шайб для смежных уплотнительных колец или сочетаться с втулками 9, радиальными прорезями 10. Диаметр буртиков или втулок должен быть не менее диаметра уплотнительных колец. Радиальные прорези 10 могут выполняться как со стороны корпуса 1, так и с противоположной стороны (см. фиг. 9) в пределах площади взаимодействия шайб.

Устройство работает следующим образом. Устройство в виде пакера или превентора с заявленным узлом уплотнения устанавливают в требуемом для работы месте скважины. Узел уплотнения нагружают продольной нагрузкой P_упр.. Нагрузка через шайбы 3, скользящие вдоль поверхности корпуса, воспринимается уплотнительными кольцами 4 и 5. Ввиду того что шайбы между собой образуют трапецеидальные камеры большим основанием всегда направленные поочередно в противоположных направлениях к уплотняемым поверхностям, кольца 4 в процессе сжатия вытесняют в сторону рабочей уплотняемой поверхности 2, а кольца 5 перемещают к поверхности корпуса. С ростом продольной нагрузки кольца 5 деформируются до требуемой величины контактного давления на корпус 1, шайбы смыкаются сами на себя, через буртики 8 или втулки 9. Если шайбы снабжены прорезями 10, то периферийные участки их деформируются по планируемой площади взаимодействия. Прорези 10 позволяют уменьшить жесткость периферийных участков шайбы, при этом увеличивается площадь взаимодействия за счет их изгиба, вследствии этого увеличивается площадь взаимодействия за счет их изгиба, вследствие этого увеличивается степень выдавливания уплотнительного кольца.

При дальнейшем увеличении осевого усилия (P_упр.) кольца 5 не деформируются, нагрузка передается через соответствующие шайбы, но продолжают нагружаться кольца 4 до требуемой величины. После чего шайбы, вытесняющие эти кольца, также смыкаются, т. е. нагрузку, превышающую допустимую, на эластичные кольца не передают. Кольца 4 под действием запланированной нагрузки приходят во взаимодействие с уплотняемой поверхностью 2. Если, например, обсадная труба деформирована, часть колец 4 может быть недогружена (не вступила во взаимодействие с обсадной трубой с необходимым контактным давлением). Для компенсации этого возможного явления уплотнение заведомо выполняется с большим количеством уплотнительных колец (и шайб). В совокупности с нагрузкой от давления удерживаемой среды контактное давление не превышает допустимого, что обеспечивает максимальную работоспособность материала уплотнительных колец. Деформации эластичных колец состоят из изменения формы поперечного сечения и изменения диаметра кольца. Каждое эластичное кольцо при сжатии, как правило, не полностью занимает объем трапецеидальной камеры, т.е. кольца чередуются с полостями 11. Под влиянием давления среды (жидкость, газ) контактное давление первого (со стороны высокого давления) уплотнительного кольца с уплотняемой поверхностью уменьшается и среда заполняет полость 11 между первым и вторым кольцом и т.д. Каждое уплотнительное кольцо работает на разность давлений до и после себя. Подбирая количество уплотнительных колец можно исключить утечки среды, обеспечивая на каждом кольце падение давления не выше планируемого. Нормируя объем трапецеидальной камеры из условия максимально возможной нагрузки на кольца 4 и 5, тем самым, к их величине предъявляем встречное требование: величина уплотнительных колец должна быть такой, чтобы при сжатии они не были перегружены. Ввиду того, что диаметральные размеры уплотняемой поверхности не постоянны, то целесообразно применять максимально возможное сечение уплотнительного кольца. Это обеспечивает небольшую разницу в изменении степени деформирования сечения кольца и сохранение напряжения в материале кольца в пределах надежной работоспособности.

Радиальный размер шайб значительно больше зазора их с рабочей уплотняемой поверхностью, а он (радиальный размер) определяет размеры камеры и, следовательно, размеры эластичного кольца. Для большего сечения кольца допустимы большие деформации, а также кольца большего сечения более надежно перекрывают большие зазоры.

В работе, например в составе пакера, кольца могут находиться под влиянием агрессивной среды и постоянной нагрузки. Тогда резина разбухает, радиальная упругость кольца значительно снижается, а материал кольца прилипает к контактной поверхности, но собственная упругость кольца в поперечном сечении сохраняется лучше. При снятии пакера осевая нагрузка с уплотнения убирается. Эластичный материал, ранее деформированный между шайбами 3, стремится принять первоначальную форму сечения, вследствие чего происходит отрыв кольца от уплотняемой поверхности по большей части контакта. После этого усилие снятия пакера значительно снижается, т.е. устраняется возможность прихвата пакера.

Деформации обсадной трубы 1 в процессе эксплуатации часто встречающейся дефект, усложняющий работу уплотнения, т.к. зазор между шайбами и уплотняемой поверхностью может превысить оптимальный размер относительно уплотнительных колец. Вследствие того, что радиальный размер шайб много больше зазора 6 поперечный размер колец 4 значительно превосходит этот зазор. Кольцо большего сечения легко компенсирует погрешности уплотняемой поверхности при меньших степенях деформации, а, следовательно, и при меньших напряжениях в материале кольца. В отношении колец 5 ограничение степени сжатия позволяет уменьшить их поперечное сечение (см. фиг. 4, 5).

Конструкция уплотнения обеспечивает применение эластичных колец 4 большого сечения, в которых проявляются достаточно большие упругие деформации. Отвод эластичных колец 4, например, от поверхности обсадной трубы (рабочая поверхность 2) обеспечен упругой восстанавливаемостью круглой формы (или близкой к ней) поперечного сечения уплотнительных элементов 4. Антиэкструзионная защита проявляется в том, что уплотнительные кольца 4 значительно больше возможных уплотняемых зазоров 6 (с учетом приобретенных дефектов на уплотняемой поверхности) и снижением перепада давления на один уплотняемый элемент 4.

Упрощение конструкции объясняется применением набора простых элементов. Достаточно простая конструкция уплотнения обеспечивает надежную работу при высоких перепадах давления в целом на уплотнение. Не превышая максимально возможные нагрузки на каждое уплотнительное кольцо, предохраняем их от перегрузки и преждевременного разрушения. Другим преимуществом является возможность уменьшения диаметра колец 5, что дает возможность увеличить центральный канал устройства для проведения различного рода работ.

Дополнительный материал
Для сохранения надежности уплотнения при увеличении давления до сверхвысокого целесообразно к шайбам (не деформируются при нагрузке) прикрепить герметично (например на клею) упругие накладки 12 с прорезями по периферии, выполненные профилированными с возможностью экструзионной защиты уплотнительных колец (т. е. входят в контакт с уплотняемой поверхностью) со стороны противоположной поверхности корпуса.

Упругие лепестки (участки накладки между прорезями) сопровождают уплотнительное кольцо в его перемещениях (под действием нагрузки) к уплотняемой поверхности и помогают движению обратно (при снятии нагрузки) См. фиг. 10.

На фиг. 10 изображена шайба с упругой накладкой. Пунктиром обозначено положение накладки в рабочем состоянии уплотнительного кольца (не показано).

Использование: в нефтегазодобывающей промышленности, и в частности в глубинном оборудовании, для раздельной эксплуатации пластов, предотвращения фонтанирования, изоляционных работ, гидроразрыва пластов. Обеспечивает повышение надежности уплотнений за счет нормирования нагрузки на них. Сущность изобретения: устройство содержит корпус, на нем установлены шайбы, выполненные с наклонными торцовыми поверхностями. Они образуют между собой и корпусом камеры в виде трапеций. Сами шайбы выполнены в виде тарельчатых пружин. Между шайбами установлены уплотнительные кольца. Шайбы выполнены с возможностью предохранения от перегрузки уплотнительных колец. Камеры в виде трапеций размещены последовательно по корпусу. 5 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Узел уплотнения скважинного устройства, содержащий корпус, установленные на ней шайбы с наклонными торцевыми поверхностями, образующими между собой и корпусом камеры в виде трапеций, уплотнительные кольца из эластичного материала, установленные между шайбами с возможностью вытеснения уплотнительных колец в противоположных направлениях при создании на них осевого усилия, отличающийся тем, что шайбы выполнены в виде тарельчатых пружин и с возможностью предохранения от перегрузки уплотнительных колец, а камеры в виде трапеций размещены последовательно по корпусу. 2. Узел по п. 1, отличающийся тем, что шайбы выполнены с переменной кривизной со стороны, противоположной уплотнительной поверхности соответствующего уплотнительного кольца. 3. Узел по пп.1 и 2, отличающийся тем, что он снабжен втулками, установленными между шайбами со стороны, противоположной уплотнительной поверхности уплотнительного кольца. 4. Узел по пп.1 и 2, отличающийся тем, что шайбы со стороны, противоположной поверхности корпуса, выполнены с прорезями по площади взаимодействия при их смыкании. 5. Узел по пп.1 и 2, отличающийся тем, что шайбы со стороны корпуса выполнены с прорезями по площади взаимодействия при их смыкании. 6. Узел по пп.1 и 2, отличающийся тем, что он снабжен упругими профилированными накладками с прорезями, прикрепленными к шайбам и выполненными с возможностью экструзионной защиты уплотнительных колец со стороны, противоположной поверхности корпуса.