МЕТОДИКА ЗА ПРОЕКТИРАНЕ И ИЗЧИСЛЯВАНЕ НА УПЛЪТНЕНИЯ НА КЛАДЕНЦИ
Помислете за някои препоръки за дизайна на опаковчиците и тяхното изчисляване.
Заданието за проектиране на пакер обикновено съдържа основните му параметри, условията на работа и описание на технологичните процеси, за които е необходим пакерът.
Основните параметри включват: диапазона на вътрешните диаметри на обсадната колона, в която се пуска пакерът; спад на налягането, възприет от него; характеристики на технологичния процес, за който е предназначен опаковчикът.
Надеждно уплътнение може да се създаде с разлика в диаметрите на уплътнението на пакера преди неговата деформация и колоната на обсадната колона до 15,20 mm. Паданията на работното налягане обикновено са равни на 10.100 MPa. Технологичните процеси често изискват наличието на спирателен вентил в пакера, няколко канала, които не комуникират помежду си, възвратен клапан и др.
Допълнителните входни данни включват температурата, при която трябва да работи пакера, агресивността на околната среда, продължителността на пакера без повдигане, начина на спускане и повдигане (на тръби, кабелно оборудване) или възможността за пробиване, показатели за надеждност и др.
При изчисляване на пакера се определя контактното налягане, необходимо за уплътняване, аксиалната сила, осигуряваща това налягане, оптималната височина на уплътнителния елемент, дължината на хода на пръта на пакера и параметрите на корда на уплътнителния елемент.
Контактното налягане между корпуса и уплътнителните елементи от типaиb(виж Фиг. 1.3.2) е [10]:
, (1.3.1)
(1.3.2)
къдетоPksiPkp—са контактните налягания, дължащи се съответно на предварителната компресия на уплътнението и действието на спада на налягането.
Каучукът, използван в пакерите, има коефициент на Поасон μp = 0,475.
За определяне на контактаналяганеРk и най-малката стойност на аксиалната силаQ, която осигурява херметично отделяне на сондажния отвор, се използват следните уравнения, произтичащи от (1.3.1):
за , (1.3.3)
къдетоF —площта на напречното (диаметрално) сечение на уплътнителния елемент в деформирано състояние;G= 5.1. 1 MPa - модул на срязване на гумата;RpiRc—външен радиус на каучука преди и след деформация (последният е равен на вътрешния радиус на обсадната колона);rw е вътрешният радиус на гумата;ΔР —спад на налягането в пакера.
Височината на уплътнителния елемент на пакера в свободно състояние може да се определи от условието за равенство на неговата повърхност преди и след деформация.
, (1.3.4)
къдетоhc—е височината на елемента в компресирано състояние. Смята се, че това условие осигурява защита срещу изтичане на каучук в междината между пакера и колоната на обшивката. Изчисленията на височината на уплътнителния елемент, като се вземе предвид това положение, дават най-малката височина на един уплътнителен елемент. Препоръчва се в опаковката да има няколко (две-четири) такива уплътнения.
Максималната височина на уплътнителния елемент може да се намери от условието за самофиксиране на пакера под действието на аксиална сила.
, (1.3.5)
Къдетоfе коефициентът на триене.
Конструкцията на пакера трябва да предвижда дължината на хода на неговия прът (цилиндър), която да осигури компресията на уплътнителния елемент до контакта му с обсадната колона и херметичността на уплътнението.
Увеличаването на хода на пръта ще доведе до повреда на уплътнителните елементи поради липсата на ограничение за прехвърляне на сили към тях и в резултат на това до получаване на неприемливи деформации.
Препоръчва се да се определи оптималната дължина на хода на прътаследната формула:
, (1.3.6)
къдетоh —е височината на свободен, ненатоварен уплътнителен елемент;
За пакери за обсадни колони с диаметри 146 и 168 mm коефициентътkop= 1,13; с диаметри 178 и 299 mm -kop=1,09 - 1,07.
При хидравличния пакер, когато цилиндърът се разширява в гума (виж Фиг. 1.3.2,c), възникват малки напрежения. Основното натоварване се носи от кордови нишки, които имат по-голяма твърдост от гумата.
Дебелината на обвивката на корда, която характеризира здравината на уплътнителния елемент като цяло, се определя от броя на слоевете на материала на корда:
, (1.3.7)
къдетоΔР —спад на налягането в пакера;Rk —среден радиус на корда в момента на притискане на пакера към стените на сондажа;N— допустима сила на скъсване на резбата;t —стъпка на резбата (по перпендикуляра на резбата) кордна тъкан;βе ъгълът на повдигане на нишките на кордата спрямо периферната посока в момента, в който пакерът е притиснат към обсадната колона.
Ъгълът на повдигане на въжетата се определя по следния начин. Когато се прилага натиск вътре в обвивката, която няма ограничения в радиална посока по време на разширение, то ще бъде възприето от нишките на корда, без да се променят размерите на последните, ако ъгълът на повдигане на нишките е> 35°. При по-голям ъгъл обвивката се увеличава в диаметър и се скъсява чрез промяна на ъгъла на издигане на нишките без тяхната надлъжна деформация. Началният ъгъл се определя от равенството на дължината на нишките в една стъпка на навиване преди началото на деформацията и в момента на притискане към стените на сондажа:
, (1.3.8)
къдетоRkcе средният радиус на корда на пакер в свободно състояние;βn — начален ъгъл на повдигане на нишките на корда. От последния израз, който намираме
. (1.3.9)
Аксиално движение на свободния крайуплътнителен елемент е равен на
, (1.3.10)
къдетоl/lo е стъпката на навиване на корда след притискане на обвивката към корпуса и в свободно състояние;L —работна височина на навиване на кабела в свободно състояние.
; . (1.3.14)
При изчисляване на пакера е необходимо да се провери влиянието на захващането на буталото върху здравината на обсадната колона.
При конструкции на пакер, където плъзгачите покриват напълно пръстеновидната междина, натоварването върху колоната на обшивката се разпределя равномерно по целия периметър. В този случай максималното аксиално натоварване на захвата на буталото, при което колоната на обсадните колони не се нарушава, е равно на:
(1.3.12)
При ограничен контакт на буталите по периметъра на обсадната колона, тръбните секции между тях работят на огъване. Тогава
(1.3.13)
В (1.3.12) и (1.3.13)σm е границата на провлачване на материала на обсадната тръба;n —брой матрици (по радиус);α— ъгъл на конус на матрицата;D, d, h —външен и вътрешен диаметър и дебелина на стената на обвивката;lpl — височина на зара (вертикална дължина);Lpl е дължината на хордата на матрицата;fpl—дъгова стрелка на повърхността на матрицата.
Границите на безопасност при изчисленията съгласно (1.3.12) се приемат равни на 1,15 за обсадни тръби с диаметър 114,219 mm и 1,52 за тръби с диаметър над 219 mm. При изчисляване съгласно (1.3.13) запасът на безопасност се приема приблизително 2 пъти по-голям, като се има предвид, че границата на напрежението на срязванеτt ≈ 0,58σt.
При проектиране на пакер крайното натоварване се сравнява с натоварването, необходимо за създаване на уплътнение (формула (1.3.3). АкоQпред.