Scientific journal
Modern high technologies
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,899

WAYS OF IMPROVING RESOURCE СOMPACTOR ELEMENT PACKER

Mamedov Q.V.
The results of research that presented a new way to treat the effect of self- compactor in the packer well equipment with compactor elements of complex configurations – concentric and eccentric transitory holes. Theoretically and experimentally established geometric shapes and sizes of compactor elements packer which achieve self-compactor differs from those accepted in the classical theory of the compactors. Developed engineering method of determining the measureless parameters of the coefficients, characterizing geometrical shapes, sizes and loading conditions of compactor elements packers.

Резиновые уплотнители широко применяются в уплотнительных узлах нефтепромыслового оборудования, таких как обвязка обсадных колонн, универсальный превентор, скважинный пакер с концентрично и эксцентрично расположенными проходными отверстиями, погружной центробежный электронасос и др.

Следует отметить, что узел уплотнения скважинного пакера весьма важен с точки зрения безопасной и нормальной эксплуатации скважин. При продолжительных сжимающих нагрузках может произойти затекание резины в зоне между стенкой трубы и металлическими частями пакера, что может быть причиной залипания пакера в колонне [1].

Несмотря на разновидность данных уплотнителей, существует один общий критерий - критерий уплотнения, т.е. время службы уплотнителя, который, главным образом, зависит от физико-механических свойств, геометрических форм уплотнителя, условий нагружения и т.д. Для устранения явления разрушения уплотнители изготавливаются из специальной нефтегазостойкой резины различной твердости [2].

Однако влияние геометрии уплотнителя на его самоуплотнение в условиях сложного деформирования пока неизвестно. Для выбора геометрических параметров уплотнительного узла пакерных устройств пока не разработана общая методика расчета.

Как было отмечено выше, уплотнители скважинных пакеров конструктивно оформлены в виде «упорная шайба - уплотнитель (резина)», где упорные шайбы упираются на плоские поверхности верхнего и нижнего торца уплотнительного элемента. Это приводит к неравномерному деформированию элементов за счет возникновения силы трения между поверхностями «упорная шайба - уплотнитель», что отрицательно влияет на механизм уплотнения. В результате чего уплотнитель приобретает бочкообразную форму.

Кроме того, согласно Г.М. Бартеневу [3], контурная площадь контакта, будучи обусловлена объемной и поверхностной деформациями, в сильной степени зависит от геометрии тела и регулирования степени деформации. Поэтому в существующих конструкциях уплотнительного узла с увеличением осевого усилия самоуплотнения не обеспечивается. Это объясняется тем, что в торцах уплотнительных элементов не предусмотрен свободный объем для уплотнительных элементов и шайб, уменьшающий силы трении. С этой целью предложена новая конфигурация уплотнительных узлов, обеспечивающих самоуплотнение [4, 5].

Проведенные исследования показали, что при наличии в уплотнительном элементе «свободного объема» условия уплотнения в значительной степени улучшаются. Это достигается не только наличием свободного объема в теле уплотнительного элемента, но и за счет условия нагружения его опорных поверхностей.

Поэтому целесообразно рассматривать два основных безразмерных параметра: безразмерные площадь ys и объем yv, определяющих геометрическую форму и условия загруженности с учетом объема, вырезов, распределенных в теле уплотнительного элемента. С учетом исследований определим ys и yv.

А для уплотнителя с концентрично расположенным отверстием имеем:

 (1)

 (2)

Приближенно оценим величину rв. Примем, что к шайбе приложено осевое усилие Q, которое будет обеспечивать соприкосновение уплотнителя со стенкой эксплуатационной колонны. Пусть сила трения, отнесенная к единице площади между упорной шайбой и уплотнительным элементом, достигает максимального значения tmах и по высоте упругого элемента уменьшается до некоторого значения to.

Рис. 1. Зависимость безразмерного объёма выреза от самоуплотняющей относительной деформации упругого элемента:
1 - ys = 0,082...0,10; 2 - ys = 0,12...0,14; 3 - ys = 0,15...0,17

Изучение влияния геометрии на механизм уплотнения сводится экспериментально к выяснению условий проявления самоуплотнения. В соответствии с этим были изготовлены уплотнители с различными геометрическими формами и размерам: ys = 0,082...0,10; ys = 0,12...0,14; ys = 0,15...0,17. При этом параметры уплотнителя были следующие: h = 0,060; 0,070; 0,080; 0,090; 0,100 м; D = 0,134...0,140 м; de = 0,076...0,955 м; твёрдость по ТМ-2-78...85.

Как видно из рис. 1, характер изменения ys (1), ys (2), ys (3) oт относительной деформации самоуплотнения e соответствуют кривым, полученным для уплотнителя с эксцентрично расположенным проходным отверстием.

Экспериментально подтверждено (рис. 2), что в существующих резиновых элементах внутренняя упругая деформация накапливается неравномерно из-за неравномерности упругого элемента [7]. При этом большая часть приложенной энергии Э - QÑh/2VpEc (Q - осевое усилие, приложенное к упругому элементу; Ñh - осевая деформация упругого элемента; Vp объём упругого элемента) расходуется на трение между резинами и поверхностями упорной шайбы: Птр = 1 - Пэ, Пэ =П/Э (Пэ - полезная упругость уплотнителя) (рис. 3).

Эффект от действия закона Паскаля можно достигнуть на основе конструктивных изменений и технологических совершенств при посадке пакеров, что увеличит внутреннюю упругую деформацию в упругом элементе при возможно наименьшей осевой нагрузке, т.е. равномерного распределения напряжений как в радиальном направлении, так и по высоте упругого элемента. Исследованиями установлено, что одним из методов повышения герметизирующей способности упругого элемента кроме конструктивных изменений является темп приложения осевого усилия к упругому элементу.

Рис. 2. Зависимость упругой деформации, отнесённой к единице объёма, в безразмерном виде  от относительной деформации самоуплотнения eсу

На основе экспериментальных испытаний выявлено (60, что для уменьшения самоуплотняющего осевого усилия для улучшения герметизирующей способности упругого элемента требуется прикладывать усилие с темпом tQ = 300 с; при этом усилие самоуплотнения уменьшается в 1,5 раза, а деформация увеличивается в 1,045 раза по сравнению с tQ = 30 с.

 

Рис. 3. В эластичных элементах зависимость между относительной деформацией уплотнителя eк и накопленной безразмерной энергией деформации . Эластичные элементы: с «о», «», «», Æ - вида;
однодырочные симметричные, h, мм:
* - 60; + - 70; ~ - 80; w - 90: дырочные эксцентричные (один, два, три) h, мм: - 56,5; o - 60; D - 70; à - 80; - 90; - 100, Ñ - 110; - 120; N - теоретические точки

Результаты исследования показывают, что резиновый упругий элемент независимо от числа отверстий (одно-, двух - или трехпроходных) и их расположения (концентрично или эксцентрично) при e > 0,5 ведёт себя, как жидкий материал в соответствии с законом Паскаля.

При деформации торцов упругого элемента (для необходимого уплотнения) касательные напряжения изменяются от «0» до  по направлению вдоль x по закону окружности (рис. 4):

 (3)

Зная уравнение окружности (вырез у торца уплотнительного элемента выполнен по полусферическим формам):

 (4)

Решая уравнения, получим:

 (5)

Из (4) и (5) находим:

 (6)

Теперь можно определить внутреннее давление в пределах выреза:

 (7)

 

Рис. 4. Уплотнительный узел упругого элемента

Выведем новые переменные

rвыр - х = z,

откуда dx = -dz

(8)

Обозначим

 dz = rвыр cosada.

Получим:

 (9)

Тогда находим:

 (10)

Известно из [13], что внешняя осевая сила Q уравновешивается касательными напряжениями:

 (11)

Тогда

Получим:

Максимальные напряжения будут возникать на внутренней стороне, где

R = R1,

т.е.

С другой стороны допускаемое внутреннее давление (по Ламе):

 (12)

Тогда находим:

 (13)

Согласно эксперименту [4]

 (14)

Тогда

 

 (15)

где - коэффициент концентрации нормальных напряжений, основной критерий самоуплотнения.

(16)

где , здесь εпр - предельное значение относительной деформации; - коэффициент заполнения до деформации уплотнения; β - коэффициент сжимаемости; - упругая энергия в момент самоуплотнения; - упругая энергия в момент предельных значений деформации.

Заключение

Таким образом, нами получены новые коэффициенты безразмерного объема ψv и безразмерной площади поверхности вырезов ψs, характеризующие влияние геометрии уплотнителя с концентрично и эксцентрично расположенными отверстиями, и коэффициент концентрации нормальных напряжений, основной критерий самоуправления.

Установлено влияние этого параметра на величину самоуплотняющей относительной деформации.

Показано, что при различных геометрических формах ψv = 0,091.. .0,099 минимальное значение e составляет 0,20...0,22, что является вполне естественным, т.к. резина, находясь в замкнутом объеме, ведёт себя подобно жидкости.

Список литературы

  1. Аврущенко Б.Х. Резиновые уплотнители. - Л.: Химия, 1978. - 136 с.
  2. Бартенеф Г.М. Структура и релаксационные свойства эластомеров. - М.: Химия, 1979. - 288 с.
  3. Уплотнительный элемент однопроходного пакера: а.с. SU 161533 А1 СССР Кл. Е21 ВЗЗ/12 Бюл. Изобр. (1990), № 47 / В.Т. Мамедов, С.Р. Гурбанов.
  4. Уплотнительный элемент однопроходного эксцентричного пакера: а.с. SU 1609964 А1 СССР Кл. Е21 ВЗЗ/12 Бюл. Изобр. (1990), №44, В.Т.Мамедов, С.Р. Гурбанов.
  5. Прикладные методы расчёта изделий из высокоэлаcтичных материалов. С.И. Дымников, Э.Э. Лавендел, А.М. Павловский, М.И. Сниегс; под. ред. Э.Э. Лавендела. - Рига: Зинатне, 1980. - 238 с.
  6. Потураев В.Н., Дырда В.И. Резиновые детали ма- шин. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1977.
  7. Гурбанов Р.С., Мамедов В.Т., Гурбанов С.Р. Исследование эффекта самоуплотнения в пакерах с упругим элементом с аксиальными отверстиями // Баку, изд. АзСУ. Известия высших учебных заведений «Нефть и газ». - 1991. - № 5, 89. - 96 с.