Способ уплотнения подвижных цилиндрических элементов Советский патент 1992 года по МПК E21B33/06 

Изобретение относится к способам уплотнения подвижных цилиндрических элементов и может быть использовало, в частности, при бурении нефтяных и газовых скважин для уплотнений бурильной колонны.

Известны способы уплотнения подвижной колонны уплотнителей путем воздействия на него радиальным давлением.

Недостатком указанных способов является повышенный износ участков уплотнителя, расположенных около его концов ввиду неравномерного распределения контактных давлений по его трущейся поверхности с большим возрастанием от центра к его торцам. Снижение же радиального давления с целью уменьшения износа концевых участков приводит к потере герметичности уплотнения.

Целью изобретения является обеспечение возможности более равномерного износа материала уплотнительной втулки по длине.

Поставленная цель достигается тем, что перед началом эксплуатации воздействуют радиальным давлением на уплотнительную втулку для полного перекрытия радиального зазора при отсутствии скважинного давления, определяют оптимальную длину линии контакта цилиндрических элементов по величине давления в ее граничных точках не превышающего давления в центральной плоскости уплотнительной втулки, затем определяют оптимальное радиальное давление, необходимое для перекрытия радиального зазора по длине оптимальной линии контакта, а величину эксплуатационного радиального давления - в виде суммы оптимального радиального давления и рабочего давления скважины.

На фиг. 1 представлен уплотнительный узел; на фиг. 2 -эпюра контактных давлений внутренней поверхности уплотнителя, контактирующего с подвижной трубой; на фиг. 3 - расчетная схема уплотнителя.

Ё

ч

ч|

Os

VI

о о

Ј

Уплотнительный узел (фиг, 1) состоит из уплотнителя 1, подвижной колонны 2, корпус 3, крышки 4, крышки 5, штуцера 6,

Способ уплотнения осуществляется следующим образом.

Перед началом эксплуатации воздействуем радиальным давлением на уплотни- тельную втулку для полного перекрытия радиального зазора при отсутствии сква- жинного давления.

Определяем величину перемещений расчетных точек при прогибе внутренней поверхности уплотнителя в зависимости от материала, геометрических параметров и условий работы.

Определяем контактные давления в расчетных точках (при рабочем давлении скважины равным нулю}. По полученным результатам строим эпюру (фиг. 2).

По эпюре графическим построением определяем оптимальную длину линии контакта цилиндрических элементов с контактным давлением в ее граничных точках не превышающего давления в центральной плоскости уплотнительной втулки.

По величине перемещений расчетных точек, расположенных по концам оптимальной линии контакта, определяется оптимальное радиальное давление до начала эксплуатации, т. е. при рабочем давлении равном нулю.

Эксплуатационное радиальное давление определяется как сумма оптимального радиального давления и рабочего давления скважины.

Пример. Предложенный способ был реализован в узле телескопического компенсатора, изготовленного Волгоградским заводом буровой техники, который поставляет комплектующие узлы для морской буровой установки ППБУ - 6000/200. Узел телескопического компенсатора прошел испытания в ПО Прикасяийбурнефть. Расчеты проводили для моделей уплотнителя телескопического компенсатора морской буровой установки, выполненных в масштабе 1:4 по отношению к натурным узлам. Уплотнители изготовлены из резины ПЭ-39. При реализации способа были приняты следующие исходные данные:

-характеристики материала резины: , модуль упругости Е 100 кг/см2

коэффициент Пуассона v 0,49

-геометрические параметры узла: конструктивный зазор , геометрические размеры уплотнителя: наружный диаметр уплотнителя D 185

мм,

внутренний диаметр уплотнителя d- 155 мм,

длина уплотнителя I 175 мм,

толщина стенки уплотнителя s 15 мм - условия работы:

величина рабочего давления Рр8б. 0;

величина радиального давления Ррад 1 МПа;

температура окружающей среды Т0кр. 20° С;

вязкость жидкости у 100 Па -с;

скорость течения жидкости v 0,5 м/с.

Перед началом эксплуатации воздействуем радиальным давлением (Ррад. 1 МПа) на уплотнительную втулку для полного перекрытия радиального зазора при отсутствии скважинного давления,

Определяем величину перемещений

расчетных точек при прогибе внутренней

поверхности уплотнителя в зависимости от

материала, геометрических параметров и

условий работы последующей зависимости:

«о ,(-) +

+ 2AY2(S)+2BY3(t), d) где Yt, Y2, Ya - функции А.Н. Крылова

30

Yi(|) chb Ј cosb Ј; Y2(t) |shb-Ј- sinb Ј;

35 Ya( Ј) - |(chb-f- sinb-| - shb Ј cosb Ј );

JL.

R

; b

2ч.

(1-vz);

R

R 1 + R 2 u 1,-х-ХЧ

.snx ( X).

1

45 ();

50

( shb - sln& ) 2 Sh26-sln26

В ctgb - cthb - A(ctgb - cthb);

55

Aipx -i Q

b -.b ъ ; cthx e e

Roex e-x

P - радиальное давление; Ri - радиус поверхности уплотнителя; R2 - радиус внутренней поверхности уплотнителя;

Е - модуль упругости;

s - толщина стенки уплотнителя; v- коэффициент Пуассона.

Определяем контактные давления в расчетных точках (при рабочем давлении скважины равным нулю). По полученным результатам строим эпюру (фиг 2).

По эпюре (фиг. 2) графическим построением определяем оптимальную линию контакта Ik, исходя из того, что величина давления в граничных точках линии контакта не превышает давления в центральной плоскости уплотнительной втулки. Для этого из точки А, лежащей в центре уплотнителя, проводим прямую, перпендикулярную основанию. Отрезок АБ является максимальным значением контактных давлений в центре уплотнителя. Из точки Б влево и вправо проводим прямую, параллельную основанию. Пересечение этой прямой с эпюрой контактных давлений слева и справа определяют граничные значения (точки В и Г) длины линии контакта уплотнителя с контактным давлением равным его значению в центре уплотнителя. Из точек В и Г опустим перпендикуляры на основание. Получим отрезок ДЕ, который равен длине линии контакта уплотнителя с контактным давлением, равным его значению в центре уплотнителя, и является оптимальной дли- ной линии контакта для данного уплотнителя (для нашего случая оптимальная длина линии контакта 1ОП 110 мм.

По величине перемещения w0 расчетных точек D и Е, расположенных по концам оптимальной линии контакта, определяем оптимальное радиальное давление до начала эксплуатации, в нашем случае Ропт.рад. 0.17МПа.

Эксплуатационное радиальное давление определяется как сумма оптимального радиального давления и рабочего давления скважины, в нашем случае Рэксп.рад 0,17 МПа + Рраб.

Технико-экономические преимущества. В сравнении с прототипом срок службы уплотнителя за счет исключения интенсивного износа на конечных участках увеличится в 1,5-2 раза. Кроме того, снижается трудоемкость по замене вышедших из строя уплотнителей в условиях открытого моря и снижаются затраты за счет увеличения межремонтного периода.

Формула изобретения Способ уплотнения подвижных цилиндрических элементов путем воздействия на уплотнительную втулку радиальным давлением, отличающийся тем, что, с целью обеспечения возможности более равномерного износа материала уплотнительной втулки по длине, воздействуют на втулку радиальным давлением до полного перекрытия радиального зазора при отсутствии скважинного давления, определяют опти- мальнукудоину линии контакта цилиндрических элементов по величине давления в ее граничных точках, непревышающей величину давления в центральной плоскости уплот- нительной втулки, затем определяют величину радиального давления, необходимую для перекрытия радиального зазора по линии контакта оптимальной длины, а величину эксплуатационного радиального давления - в виде суммы найденного оптимального радиального давления и рабочего давления скважины.

Изобретение может быть использовано, в частности, при бурении нефтяных и газовых скважин для уплотнения бурильной колонны. Сущность изобретения: перед началом эксплуатации определяют величину перемещения расчетных точек при прогибе внутренней поверхности уплотнителя от воздействия радиального давления, величина которого позволяет перекрыть уплотняемый зазор всеми расчетными точками в зависимости от материала уплотнителя, геометрических размеров уплотни- тельной втулки и условий работы. 3 ил.

Фиг. i