1.3 Розрахунок оптимальної величини навантаження на ущільнювальні елементи пакерів з механічним керуванням

Пакери з механічним принципом дії ущільнюють міжтрубний простір пружними елементами за допомогою передачі навантаження на них від стиснутої маси частини колони НКТ. Оптимальним навантаженням є мінімальне навантаження на пакер, яка достатня для ущільнення міжтрубного зазору. Це навантаження одночасно має запобігати зриву пакера від перепаду тиску рідини.

При розрахунку пакерів дотримуються наступної послідовності:

1.3.1 виходячи з умови пакерування визначають найменшу величину осьової сили;

1.3.2. визначають довжину, яку необхідно підняти і посадити колону НКТ;

1.3.3. визначають довжину ходу штока, яка забезпечить стиск ущільнюючого елемента до зіткнення його з обсадною колоною;

1.3.4. визначають відносне поздовжнє стиск гумової манжети;

1.3.5. перевіряють умову ущільнення міжтрубного зазору.

1.3.6. перевіряють вплив плашкового захоплення на міцність обсадної колони.

Умова/пакування пакера в свердловині має такий вигляд:

, (21)

деР -зусилля, що діє на пакер знизу, н;

к- коефіцієнт стійкості пакерування, 1,25;

- зусилля, що діє пакер зверху, н.

У свою чергу зусилля, що діють на пакер, визначаються за такими виразами:

(22)

, (23)

деd- внутрішній діаметр обсадної колони, мм;

Ру- тиск рідини, що діє на гирлі свердловини, МПа;

- значення осьового навантаження, що діє на пакер, н;

-кут конусності конуса пакера, 9. 1;

- Кут тертя, 0,7;

- Коефіцієнт зчеплення шліпсів з обсадною колоною, 0,82.

Виходячи з умови, осьове зусилля визначається

(24)

Створення осьового навантаження досягається підняттям та посадкою колони НКТ на величину:

(25)

де - щільність матеріалу труб, 7850 кг/м3;

L-загальна довжина колони НКТ, м;

Е- модуль пружності сталі, 2,1 • 10 МПа;

-маса 1 м колони НКТ, кг/м.

Розрахункове значення осьового навантаження має бути меншим або дорівнює величині навантаження від маси всієї колони НКТ. Якщо ця умова не дотримується, то застосовують якір і Q, є навантаженням від маси всієї колони НКТ. Після цього ще раз перевіряють умову пакерування.

Збільшення довжини ходу штока призводитиме до пошкодження ущільнюючих елементів через відсутність обмеження передачі на них зусиль і, як наслідок, отримання неприпустимих деформацій. Оптимальну довжину ходу штока рекомендується визначати за таким виразом:

(26)

де - Висота вільного, не навантаженого ущільнюючого елемента, м;

Коп - коефіцієнт, що характеризує відношення радіусів;

(27)

для пакерів під обсадні колони діаметрами 146 та 168 мм - =1,13, а для 178 та 229 мм - =1,09-1,07;

- Зовнішній радіус гуми до деформації, м;

- Зовнішній радіус гуми після деформації, м;

r- внутрішній радіус гуми, м.кв.

Відносне поздовжнє стиск гумової манжети супроводжується його відносним поперечним розширенням,які пов'язані між собою наступним співвідношенням:

, (28)

де – діаметральне розширення гумової манжети, м;

-зовнішній діаметр манжети до деформації, м;

- Коефіцієнт Пуассона, 0,485;

-стиск гумової манжети по висоті, м.

З іншого боку, відповідно до закону Гука відносне поздовжнє стиснення гумовоїманжети визначається:

(29)

де – внутрішній діаметр манжети, мм;

Еу- модуль пружності гумової манжети. 18,8 МПа.

. (30)

Умова ущільнення міжтрубного зазору запишеться:

.(31)

У конструкціях пакерів, де плашки повністю перекривають кільцевий зазор, навантаження на обсадну колону рівномірно розподілено по всьому периметру. У цьому випадку граничне осьове навантаження на плашкове захоплення, при якій обсадна колона не порушується, дорівнює:

(32)

При обмеженому контакті плашок по периметру колони обсадної ділянки труб між ними працюють на вигин. Тоді

(33)

де-межа плинності матеріалу труб обсадної колони, МПа;

п- число плашок (за радіусом);

D- зовнішній діаметр обсадної колони, мм;

- Висота плашок (довжина по вертикалі), мм;

_ довжина хорди плашки, мм;

- стріла дуги поверхні плашки, мм.

Розрахункове граничне навантаження порівнюється з навантаженням, необхідним для створення ущільнення. Якщо , то конструкцію пакера вносять необхідні зміни.

Завдання 3.Розрахувати пакер з механічним керуванням, дотримуючись вище наведеної послідовності розрахунку. Вихідні дані щодо варіантів для вирішення даної задачі представлені в таблиці 3

---