μ_Р – коэффициент Пуассона (μ_Р=0,475);

F_М – площадь поперечного сечения уплотнительного элемента, м²;

G – модуль сдвига материала уплотнения, МПа;

R_П – наружный радиус уплотнения до деформации, м;

R_С – наружный радиус уплотнения после деформации, м;

R_Ш – внутренний радиус уплотнения, м.
, (2.14)
где D_C – диаметр уплотнения после деформации, м;

D_Ш – внутренний диаметр, м.



Т. к. уплотнение состоит из набора стальных и резиновых колец, модуль сдвига определим по формуле:
, (2.15)
где G_P – модуль сдвига резины;

G_C – модуль сдвига стали.

Па,

Подставим значения параметров в формулу 3.11 и, проведя расчёт, определим значение Q.

Q=409.705 кН.

Отсюда:

кН,

Определив значения всех сил, подставив их в формулу 3.1, получаем:

,

375.59<389.22.

Из проведенных расчётов можно сделать вывод, что пакер надёжно фиксируется в скважине.
2.2 Прочностной расчёт
Прочностной расчёт заключается в проверке прочности пакера.
Р_расч = Р_пак + Р_газ, (2.16)
где Р_пак – усилие со стороны пакера, кН;

Р_газ – вес, создаваемый добываемой продукцией, кН.
Р_пак = q·L, (2.17)
где q – вес 1-го погонного метра пакера, кг/м;

L – глубина установки пакера, м.
Р_газ = γ·F_вн·L, (2.18)
где γ – удельный вес продукции скважины;

F_вн – площадь проходного отверстия, м².
, (2.19)
где d – диаметр проходного отверстия пакера

---

, м.

Подставляя значения известных параметров, получаем:



Р_пак = 1.36·1500 = 2040кН;

Р_газ = 8330·0.0021·1500 = 26240Н = 26.24кН;

Р_расч = 2040+ 26.24 = 2066кН.

Определяем разрушающую нагрузку. Материал резьбой части примем сталь группы прочности Е.
Р_раз = σ_тек·f_мет, (2.20)
где Р_раз – нагрузка, приводящая к разрушению материала, кН;

σ_тек – предел текучести материала, (σ_тек = 550МПа).
, (2.21)
.

Р_раз = 550·10⁶·0.012 = 6381кН.

Для надёжности работы должно соблюдаться условие:
, (2.22)
где n – коэффициент запаса прочности.

.

Условие прочности резьбового соединения соблюдается.
2.3 Расчёт параметров пакера
При расчете пакера определяют необходимое для герметизации контактное давление, осевую силу для обеспечения этого давления, высоту уплотняющего элемента, длину хода поршня пакера, параметры корда уплотняющего элемента и проверяют на прочность обсадную колонну, ствол пакера и иные детали, имеющие малую толщину стенки.

Расчет ведем для обсадной колонны 146×7.

Контактное давление между обсадной колонной и уплотняющим элементом равно: [3]
р_к= р_кс+р_кп , (2.23)
где р_кс , р_кп – контактные давления за счет предварительного сжатия уплотнения и действия перепада давления соответственно.

Для определения контактного давления р_к и наименьшей осевой силы Q, обеспечивающей герметичное разобщение ствола скважины, используют следующие уравнения:

(2.24)

при р_к=∆р, (2.25)
где F – площадь поперечного сечения деформированного уплотнителя;

G_р= 5 МПа – модуль сдвига резины;

G_с=77 МПа – модуль сдвига стали;

R_п= 0.06 м – наружный радиус резины до деформации;

R_с= 0.066 м – наружный радиус резины после деформации

---

;

R_ш= 0.04 м – внутренний радиус резины;

∆р = 100 МПа – перепад давления у пакера;

μ_р = 0.475 – коэффициент Пуассона для резины.
(2.26)

(2.27)
.



Q ≥ 97.77 кН.



Сила прижатия резины к колонне несколько выше рабочего давления пакера, а это значит, что герметизация осуществляется.

Рассчитаем высоту сжатого пакерующего элемента из условия равенства площади поверхности до и после уплотнения. Высота втулки прототипа Н=25.6 мм.
2S_T1+S_ВН1+S_Н1=2S_Т2+S_ВН2+S_Н2 , (2.28)
где S_T1 – площадь торцов до сжатия;

S_ВН1 – площадь внутренней поверхности до сжатия;

S_Н1 – площадь наружной поверхности до сжатия;

S_Т2 – площадь торцов после сжатия;

S_ВН2 – площадь внутренней поверхности после сжатия;

S_Н2 – площадь наружной поверхности после сжатия.
(2.29)

(2.30)

(2.31)S_ВН1=2·3.14·0.04·0.0256=0.0064 м²

(2.32)S_Н1=2·3.14·0.06·0.00316=0.0096 м²

(2.33)S_ВН2=2·3.14·0.04·Н₁ м²

---

(2.34)S_ВН2=2·3.14·0.066·Н₁ м²
Для того чтобы найти Н₁ – высота элемента в сжатом состоянии, необходимо значения полученные в формулах 2.7 – 2.12 подставить в формулу 2.6.

2·0.006283+0.0064+0.0096=2·0.008658+0.2512Н₁+0.41448Н₁ ,

0.665·Н₁ =0.01137,

Н₁=0.0171 м.

Рассчитаем наименьшую допустимую высоту уплотнительного элемента.
, (2.35) .
Наибольшая высота уплотнительного элемента:
, (2.36)
где f – коэффициент трения, f=0.08

м

Оптимальная длина хода поршня:
, (2.37)
где h=0.0316 – высота свободного, не нагруженного уплотняющего элемента;

k=R_c/R_п=1.13



Проверим влияние плашечного захвата на прочность обсадной колонны при ограниченном контакте плашек по периметру обсадной колонны.

Предельная осевая нагрузка на плашечный захват, при котором обсадная колонна не нарушается, равна:

, (2.38)
где σ_B = 1250×10⁶ Па – предел прочности материала труб;

n = 5 – число плашек;

ά = 22⁰ – угол конуса плашки;

l_ПЛ = 0.12 м – высота плашек;

h – толщина стенки трубы обсадной колонны;

d – внутренний диаметр трубы обсадной колонны.



Q_ПРЕД ≤ 225 кН
, (2.39)
Предельно допустимая нагрузка на плашки в сравнении с усилием надежной пакеровки (формула 2.3) имеет коэффициент запаса 2.25, что допустимо (не менее 2).

Расчет пакера на прохождение в искривленных стволах скважины.
, (2.40)
где R – радиус изгиба ствола скважины;

---

L_ПАК = 1.8 м – длина пакера;

∆S = 0.006 м – зазор (диаметральный) между пакером и обсадной колонной.



Пакер может проходить через изогнутую колонну 146×7 с кривизной до 0.7⁰ на метр

Расчет на прочность тонких мест в деталях пакера.
, (2.41)
где σ – толщина стенки детали;

R – допускаемое напряжение;

D – наружный диаметр стенки детали.

1) Переводник уплотнительный.

Сталь 45ХН, закалка в масле при температуре 815°С, отпуск при температуре 500°С

σ = 0.00625 м

R = 980·10⁶ Па

D = 0.1145 м



2) Ствол.

Сталь 45Х, закалка, отпуск КП 540.

σ = 0.0065 м

R = 540·10⁶ Па

D = 0.064 м



3) Труба обсадной колонны.

Группа прочности Р.

σ = 0.007 м

R = 1250·10⁶ Па

D = 0.146 м



Полученные значения выше рабочего давления, следовательно, прочность тонких мест достаточна.

На основе проведенных расчетов можно сделать вывод, что пакер работоспособен при рабочем давлении 100 МПа, при этом обсадная колонна не разрушается.

3. Монтаж и эксплуатация пакера
3.1 Спуск в скважину
Перед пуском в скважину проверить взаимодействие звена фиксатора со стволом – его выход из зацепления и обратно, а также положения плашек при «заякоривании» и в «транспортном» положении.

В ходе спуска переводник уплотнительный фиксируется в нижнем (открытом) положении, что обеспечивает свободный проход жидкости через пакер и вокруг него.

Следует избегать высоких скоростей спуска (более 1,5 м/с) в целях защиты пакера и обсадной колонны. Во избежание преждевременной посадки пакера – нельзя допускать вращения рабочей колонны.
3.2 Пакерование
При достижении необходимой глубины установки рабочую колонну следует приподнять, затем повернуть ее по часовой стрелке на 2/3 оборота у пакера. После этого трубы опускают для приложения максимального усилия к пакеру (до 98 кН). При этом втулка конусная перемещается вместе с массой труб вниз под плашки и расклинивает зубья плашек между стенками обсадной трубы и втулкой конусной, надежно фиксируя пакер. В случае недостаточной массы труб или повышенного давления под пакером следует поддерживать давление в кольцевом пространстве над пакером. Также за счет этого давления можно уменьшить трение между трубами и обсадной колонной.

---

Смотрите также файлы

• Автором труда Системный подход и общая теория систем (1978) является .docx

• Практическая работа 1. Построение деревьев угроз Цель работы уметь определять и классифицировать угрозы информационной безопасности.docx

• Знакомство с традициями народов, живущих на территории России.docx

• Олимпиады школьников по предмету физическая культура ( 5 11 классы) 2016 2017 г. Содержание программы.doc

• Конспект Шоробуры С. Н., Уги124706.docx