RU2582142C1

RU2582142C1 - Packer sealing assembly

Info

Publication number: RU2582142C1
Application number: RU2015112443/03A
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Николаевич Лебедев; Сергей Николаевич Пещеренко; Александр Сергеевич Фадейкин; Дмитрий Валерьевич Горбунов; Алексей Александрович Фотиев; Михаил Анатольевич Политов; Евгений Вячеславович Пошвин
Original assignee: Акционерное общество "Новомет-Пермь"
Priority date: 2015-04-06
Filing date: 2015-04-06
Publication date: 2016-04-20

Abstract

FIELD: oil industry.

SUBSTANCE: invention relates to oil and gas industry, specifically to equipment for separation and compaction of intervals of producing or injection wells. Packer seal assembly includes a housing with a tubular abutment surface from bottom, elastic sealing member, top and bottom limiting sleeve with trapezoidal section, placed at ends of sealing member which is axially movable. Elastic sealing element is formed with a cross section in shape of a triangle, directed by vertex to housing, and on converging ends of sleeves there are guide grooves to form protrusions having shape of isosceles triangles with base adjacent to body, projections on bushings are staggered providing engagement bushings with axial movement by entering a sleeve of projections into grooves of another.

EFFECT: technical result consists in reduction of force on limiting sleeve and high reliability of operation.

2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к нефтяной и газовой промышленности, а именно к оборудованию для разобщения и уплотнения интервалов добывающих или нагнетательных скважин.The invention relates to the oil and gas industry, and in particular to equipment for separation and compaction of the intervals of producing or injection wells.

Узел уплотнения обеспечивает перекрытие интервала скважины при повышенном давлении рабочей среды (воды, нефти, газа, газового конденсата). Уплотнительные элементы взаимодействуют со скважиной при создании на них усилия определенной величины с помощью колонны насосно-компрессорных труб или по средствам передачи гидравлической энергии на поршень для преодоления упруго-деформационных свойств эластичного элемента.The sealing unit provides overlapping of the interval of the well at elevated pressure of the working medium (water, oil, gas, gas condensate). Sealing elements interact with the well when creating a certain force on them using a tubing string or by means of hydraulic energy transfer to a piston to overcome the elastic-deformation properties of an elastic element.

Известен уплотнительный узел пакера, содержащий ствол с муфтой, тягу с разжимным конусом плашек якоря, мандрель в осевом канале ствола, уплотнение в расточке переходника, поджатое грунд-буксой через хвостовик, уплотнитель термостойкого пакера между верхней и нижней опорами, снабженными экструзионными шайбами [патент RU №2440483 А, МПК E21B 33/12, опубл. 20.01.2012]. Нижняя опора пакера снабжена продольными пазами, равномерно размещенными по периметру, и жестко связана с верхним концом тяги разжимного конуса обоймой, снабженной внутренними выступами, входящими в продольные пазы с возможностью осевого перемещения. Тяга снабжена гайкой и бандажом, установленным с возможностью охвата нижней опоры и образованием зазора с торцом обоймы. Уплотнение мандрели снабжено скребком в виде кольца с внутренней расточкой и продольными пазами на торцовых поверхностях, установленным во внутренней проточке хвостовика с возможностью взаимодействия с грунд-буксой и наружной поверхностью мандрели.Known packer sealing assembly comprising a barrel with a sleeve, a rod with an expanding cone of anchor dies, a mandrel in the axial bore of the barrel, a seal in the adapter bore, pressed by a gruff box through the shank, a heat-resistant packer seal between the upper and lower supports equipped with extrusion washers [RU patent No. 2440483 A, IPC E21B 33/12, publ. 01/20/2012]. The lower support of the packer is provided with longitudinal grooves evenly spaced around the perimeter, and is rigidly connected to the upper end of the rod of the expanding cone by a cage provided with internal protrusions that are axially movable into the longitudinal grooves. The rod is equipped with a nut and a bandage installed with the possibility of covering the lower support and the formation of a gap with the end face of the cage. The seal of the mandrel is equipped with a scraper in the form of a ring with an internal bore and longitudinal grooves on the end surfaces mounted in the inner groove of the shank with the possibility of interaction with the ground box and the outer surface of the mandrel.

На лифте насосно-компрессорных труб (НКТ) уплотнительный узел спускается в обсадной колонне на определенный уровень, после чего правым вращением лифта НКТ устанавливается контакт якоря со стенками обсадной колонны, затем по лифту НКТ передается нагрузка на уплотнитель, ограниченный сверху и снизу экструзионными шайбами, которые защищают эластичный элемент от контакта с рабочей жидкостью в процессе эксплуатации и от вытекания резины при деформации.On the elevator of tubing (tubing), the sealing unit is lowered in the casing to a certain level, after which the armature contacts the walls of the casing by right-hand rotation of the tubing elevator, then the load on the seal is transmitted through the tubing elevator, bounded by upper and lower extrusion washers, which protect the elastic element from contact with the working fluid during operation and from leakage of rubber during deformation.

Однако данная конструкция имеет существенный недостаток, связанный с тем, что контакт с обсадной колонной происходит по всей длине уплотнителя и, соответственно, давление прижатия уплотнителя к стенкам обсадной колонны крайне мало, что существенно ограничивает область применения данного уплотнительного узла.However, this design has a significant drawback due to the fact that contact with the casing occurs along the entire length of the seal and, accordingly, the pressure of the seal against the walls of the casing is extremely small, which significantly limits the scope of this sealing assembly.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является узел уплотнения пакера, содержащий корпус в форме трубы с упорной поверхностью внизу, выполненной на конус, эластичный уплотнительный элемент, состоящий из двух надетых на корпус эластичных колец трапециевидного сечения, разделенных промежуточной металлической втулкой трапециевидного сечения, свободно перемещающейся по корпусу, и верхнюю ограничительную металлическую втулку трапециевидного сечения, повторяющую контур уплотнительного элемента [SU 1828910 A1, МПК E21B 33/12, опубл. 27.03.1993]. Уплотнительный элемент в местах контакта с поверхностями скольжения и контакта со средой скважины армирован металлическими секторами, закрепленными при помощи винтов. Снизу опорой для уплотнительного элемента служит упорная поверхность корпуса, выполненная на конус.Closest to the technical nature of the claimed is a packer seal assembly comprising a pipe-shaped housing with a thrust surface below, made on a cone, an elastic sealing element consisting of two trapezoidal elastic rings mounted on the housing, separated by an intermediate metal sleeve of a trapezoidal section, freely moving along the body, and the upper limiting metal sleeve of a trapezoidal section, repeating the contour of the sealing element [SU 1828910 A1, IPC E21B 33/12, publ. . 03/27/1993]. The sealing element at the points of contact with the sliding surfaces and contact with the well medium is reinforced with metal sectors fixed with screws. Bottom support for the sealing element is a thrust surface of the housing, made on a cone.

Под действием созданного усилия верхняя ограничительная втулка движется вдоль корпуса, сжимая верхнюю часть уплотнительного элемента, от которого усилие передается на промежуточную металлическую втулку, которая, в свою очередь, движется в осевом направлении по корпусу и передает усилие на нижнюю часть уплотнительного элемента, последний движется вдоль нижней упорной поверхности корпуса, выполненной на конус. Усилие, приложенное в осевом направлении на уплотнительный элемент, вызывает его сужение в осевом направлении и расширение в радиальном направлении, в результате чего происходит контакт уплотнительного элемента со стенками обсадной колонны.Under the action of the created force, the upper restrictive sleeve moves along the body, compressing the upper part of the sealing element, from which the force is transmitted to the intermediate metal sleeve, which, in turn, moves axially along the body and transfers force to the lower part of the sealing element, the latter moves along the lower thrust surface of the housing, made on a cone. The force exerted in the axial direction on the sealing element causes it to narrow in the axial direction and expand in the radial direction, as a result of which the sealing element contacts the casing walls.

Недостатком данного узла уплотнения является сложность конструкции и необходимость значительного изменения формы сечения эластичного уплотнительного элемента, требующие приложения повышенного усилия на верхнюю ограничительную втулку. Кроме того, конструкция недостаточно надежна из-за острых кромок промежуточной металлической втулки, разрушающих уплотнительный элемент.The disadvantage of this seal assembly is the design complexity and the need for a significant change in the cross-sectional shape of the elastic sealing element, requiring the application of increased force on the upper limit sleeve. In addition, the design is not reliable due to the sharp edges of the intermediate metal sleeve, destroying the sealing element.

Задачей настоящего изобретения является упрощение конструкции узла за счет оптимизации формы уплотнительного элемента, уменьшение усилия на ограничительную втулку для изменения формы уплотнительного элемента и повышение надежности работы.The objective of the present invention is to simplify the design of the node by optimizing the shape of the sealing element, reducing the force on the restrictive sleeve to change the shape of the sealing element and increasing the reliability.

Указанный технический результат достигается тем, что в узле уплотнения пакера, содержащем корпус в виде трубы с упорной поверхностью снизу, эластичный уплотнительный элемент, верхнюю и нижнюю ограничивающие втулки трапециевидного сечения, размещенные на торцах уплотнительного элемента с возможностью осевого перемещения, эластичный уплотнительный элемент выполнен с сечением в форме треугольника, ориентированного вершиной к корпусу, а на сходящихся торцах втулок выполнены направляющие пазы с образованием выступов, имеющих форму равнобедренных треугольников с основанием, примыкающим к корпусу, причем выступы на втулках расположены в шахматном порядке, обеспечивающем зацепление втулок при их осевом перемещении за счет вхождения выступов одной втулки в пазы другой.The specified technical result is achieved by the fact that in the packer seal assembly comprising a housing in the form of a pipe with a thrust surface from below, an elastic sealing element, upper and lower trapezoidal restriction bushings placed at the ends of the sealing element with the possibility of axial movement, the elastic sealing element is made with a cross section in the form of a triangle oriented with the apex toward the body, and on the converging ends of the bushings, guide grooves are made with the formation of protrusions having the shape of equal femoral triangle with a base adjacent to the housing, wherein the protrusions on the bushings are arranged in a staggered configuration that provides engagement sleeves during their axial displacement due to the occurrence of one of the sleeve into the grooves of the projections another.

При этом упорная поверхность в корпусе расположена перпендикулярно оси вращения.In this case, the thrust surface in the housing is perpendicular to the axis of rotation.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен общий вид узла уплотнения пакера, на фиг. 2 - втулка трапециевидного сечения с направляющими пазами, вид сверху; на фиг. 3 - уплотнительный узел пакера при контакте с обсадной колонной.The invention is illustrated by drawings, where in FIG. 1 shows a general view of the packer seal assembly, FIG. 2 - trapezoidal sleeve with guide grooves, top view; in FIG. 3 - packer sealing assembly in contact with the casing.

Узел уплотнения пакера содержит корпус 1, выполненный в виде трубы с упорной поверхностью 2 в нижней части, на который надеты с возможностью осевого перемещения верхняя и нижняя ограничивающие втулки трапециевидного сечения 3, ориентированные навстречу друг другу торцом с острым углом. Между ограничительными втулками 3 расположен эластичный уплотнительный элемент 5, имеющий форму треугольного сечения, вершина которого ориентирована к корпусу 1. Боковые поверхности уплотнительного элемента 5 прилегают к сходящимся наклонным поверхностям торцов втулок 3. На торцах втулок 3 со стороны острых углов выполнены направляющие пазы 4, между которыми образуются выступы в форме равнобедренных треугольников с основанием, примыкающим к корпусу 1. Направляющие пазы 4 в нижней втулке 3 расположены напротив ответных выступов, образованных между направляющими пазами 4 верхней трапециевидной втулки 3. По корпусу 1 втулки 3 изолированы от протекания уплотнительными кольцами 6, размещенными в пазах 7. Нижняя втулка 3 опирается на упорную поверхность 2, расположенную перпендикулярно оси вращения корпуса 1.The packer sealing assembly comprises a housing 1 made in the form of a pipe with a thrust surface 2 in the lower part, on which the upper and lower trapezoidal cross-sectional restriction bushings 3, oriented towards each other with an acute angle end, are mounted with axial movement. Between the restriction bushings 3 there is an elastic sealing element 5 having the shape of a triangular section, the apex of which is oriented to the housing 1. The lateral surfaces of the sealing element 5 are adjacent to the converging inclined surfaces of the ends of the bushings 3. At the ends of the bushings 3, guide grooves 4 are made between sharp edges, between which form the protrusions in the form of isosceles triangles with a base adjacent to the housing 1. The guide grooves 4 in the lower sleeve 3 are located opposite the reciprocal protrusions, formed s between the guide grooves 4 of the upper trapezoidal sleeve 3. As the body 1 of the sleeve 3 are isolated from the flow of sealing rings 6 arranged in the grooves 7. The lower sleeve 3 rests on the abutment surface 2 arranged perpendicular to the rotation axis of the body 1.

Узел уплотнения работает следующим образом.The seal assembly operates as follows.

На верхнюю втулку 3 трапециевидного сечения действует усилие величиной P, под действием которого она начинает свое движение в осевом направлении по корпусу 1. Во время движения в направляющие пазы 4 верхней втулки 3 свободно входят ответные выступы между направляющими пазами 4 нижней втулки 3, что не требует применения значительного усилия, и образуется устойчивое зацепление втулок, при котором исключается взаимодействие их острых углов с уплотнительным элементом 5. В результате осевого перекрытия втулки 3 перемещают эластичный уплотнительный элемент 5 в радиальном направлении вплоть до его контакта с обсадной колонной 8, после чего происходит деформирование эластичного уплотнительного элемента 5 (фиг. 3) и обеспечивается надежная герметизация пакера с обсадной колонной 8.A force of magnitude P acts on the upper sleeve 3 of the trapezoidal section, under the influence of which it starts its movement in the axial direction along the housing 1. During movement, the reciprocal protrusions freely enter the guide grooves 4 of the upper sleeve 3, which does not require the application of considerable force, and a stable engagement of the bushings is formed, in which the interaction of their sharp angles with the sealing element 5 is excluded. As a result of the axial overlap of the sleeve 3, the elastic seal is moved element of 5 in the radial direction up to its contact with the casing 8, after which there is elastic deformation of the sealing member 5 (FIG. 3) and provides reliable sealing of the packer to the casing 8.

Таким образом, благодаря новой форме уплотнительного элемента и наличию направляющих пазов, обеспечивающих возможность перекрытия нижней и верхней втулок, уменьшается требуемое усилие для деформации уплотнительного элемента и облегчается процесс герметизации скважин. Отсутствие острых углов в месте контакта уплотнительного элемента и деформирующих его втулок защищает эластичный уплотнительный элемент от разрывов и, как следствие, повышает надежность работы узла.Thus, due to the new shape of the sealing element and the presence of guide grooves that provide the possibility of overlapping the lower and upper bushings, the required force for deformation of the sealing element is reduced and the sealing process of the wells is facilitated. The absence of sharp corners at the contact point of the sealing element and the bushings deforming it protects the elastic sealing element from tearing and, as a result, increases the reliability of the assembly.

Claims

1. The packer seal assembly, comprising a housing in the form of a pipe with a thrust surface from below, an elastic sealing element, upper and lower trapezoidal restriction bushings placed at the ends of the sealing element with the possibility of axial movement, characterized in that the elastic sealing element is made with a section in the form a triangle oriented with its apex toward the body, and on the converging ends of the bushes there are guide grooves with the formation of protrusions having the shape of isosceles triangles with the base aniem adjacent to the housing, wherein the protrusions on the bushings are arranged in a staggered configuration that provides engagement bushing upon axial movement due to the occurrence of one of the sleeve into the grooves of the projections another.

2. The packer seal assembly according to claim 1, characterized in that the abutment surface is perpendicular to the axis of rotation of the housing.