RU2813081C1

RU2813081C1 - Packer cup collar and method of its manufacturing

Info

Publication number: RU2813081C1
Application number: RU2023120774A
Authority: RU
Inventors: Иван Соломонович Пятов; Сергей Викторович Ладанов; Игорь Евгеньевич Кривых; Евгения Александровна Парий
Original assignee: Иван Соломонович Пятов
Filing date: 2023-08-08
Publication date: 2024-02-06

Abstract

FIELD: oil industry.

SUBSTANCE: invention is designed for oil production from wells, and can be used as sealing elements for packers designed for hermetically sealing well casing intervals during various technological operations at the well. A cup collar of a packer and a method for its manufacturing are claimed. The cup collar of the packer is made in form of an expanding sleeve with a through stepped hole. The bushing is made whole of material having a Shore hardness of A 90±5, tensile strength not less than 5 MPa, elongation at break not less than 30% and compressive modulus of elasticity not less than 150 MPa. The collar material contains the following components, mixed in the following proportions in mass fractions: shungite powder with particle size 1...20 mcm – from 90 to 110; binding elastomer of the “БКНС” brand from nitrile butadiene rubber - from 25 to 35; crosslinking agent in form of organic peroxide – from 1 to 2; mineral fibres - from 1 to 30.

EFFECT: increase in the reliability of operation and service life of the packer, as well as an increase in manufacturability and a reduction in the labour intensity of manufacturing the packer collar due to the use of a material with certain properties and design.

4 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к нефтяной промышленности, в частности к добыче нефти из скважин и может быть использовано в качестве уплотнительных элементов к пакерам, предназначенным для герметичного разобщение интервалов ствола обсадной колонны в процессе проведения различных технологических операций на скважине.The invention relates to the oil industry, in particular to oil production from wells, and can be used as sealing elements for packers designed for hermetically sealing well casing intervals during various technological operations at the well.

Известны манжеты пакера по патентам RU81249 (МПК Е21В 33/12, опубл. 10.03.09) и RU195714 (МПК Е21В 33/12, опубл. 04.02.20), US20030098153 (МПК Е21В 33/12, опубл. 29.05.03), имеющие принципиально схожую конструкцию, содержащую эластичный элемент, выполненный в виде кольца трапецеидальной формы продольного осевого сечения, армированного металлическими элементами с втулкой.Packer cuffs are known according to patents RU81249 (MPK E21B 33/12, published on 03/10/09) and RU195714 (MPK E21B 33/12, published on 02/04/20), US20030098153 (MPK E21B 33/12, published on 05/29/03), having a fundamentally similar design, containing an elastic element made in the form of a trapezoidal ring with a longitudinal axial section, reinforced with metal elements with a sleeve.

Недостатком данных решений является относительно высокая трудоемкость производства манжеты, связанная с необходимостью изготовления армирующих элементов и их позиционирования в пресс-форме перед вулканизацией резиновой смеси, применение армирующих элементов приводит к неконтролируемой радиальной деформации опорной части манжеты и ее износу, обнажающему арматуру, которая в этом случае может выламываться. Самой главной проблемой в использовании арматуры является то, что после первого же срабатывания арматура не позволяет вернуться манжете в исходное состояние, тем самым сохраняется взаимодействие между манжетой и обсадной колонной. Дальнейшее перемещение манжеты по колонне, способствует абразивному износу тонкому слою резины на поверхности арматуры, что с большой вероятностью приводит к разрушению внутреннего резинового слоя манжеты и как следствие не герметичности последней. Для решения этой проблемы, защиты внутренней резиновой поверхности манжеты, приходится использовать арматуру с двумя рядами лепестков, что ухудшает технологичность производства таких манжет. Повреждение манжеты показано на фиг. 1.The disadvantage of these solutions is the relatively high labor intensity of the cuff production, associated with the need to manufacture reinforcing elements and their positioning in the mold before vulcanization of the rubber mixture; the use of reinforcing elements leads to uncontrolled radial deformation of the supporting part of the cuff and its wear, exposing the reinforcement, which in this case may break off. The most important problem in using fittings is that after the first actuation, the fittings do not allow the collar to return to its original state, thereby maintaining the interaction between the collar and the casing. Further movement of the cuff along the column promotes abrasive wear of the thin layer of rubber on the surface of the reinforcement, which most likely leads to the destruction of the inner rubber layer of the cuff and, as a result, the latter’s leakage. To solve this problem, to protect the inner rubber surface of the cuff, it is necessary to use fittings with two rows of petals, which impairs the manufacturability of such cuffs. The cuff injury is shown in Fig. 1.

Также известна манжета пакера, которая выполнена в виде втулки, имеющей промежуточную часть, и две торцовых части. Промежуточная часть выполнена из эластичного материала с прочностью 15÷40 МПа и твердостью 60÷80 единиц по Шору. Торцовые части выполнены из эластичного материала и армированы металлическим элементом из витков стальной проволоки с объемной плотностью 70÷90%, что позволяет иметь твердость 90÷100 единиц по Шору. Стальная проволока имеет прочность временного сопротивления разрыву 290÷350 Н/мм², а относительное удлинение 5÷12%. Продольное осевое сечение каждой торцовой части имеет форму усеченной прямоугольной трапеции, внутри которой расположены витки стальной проволоки с объемной плотностью 70÷90% (по патенту RU164011, МПК Е21В 33/12, опубл. 20.08.16).A packer collar is also known, which is made in the form of a sleeve having an intermediate part and two end parts. The intermediate part is made of elastic material with a strength of 15÷40 MPa and a hardness of 60÷80 Shore units. The end parts are made of elastic material and reinforced with a metal element made of turns of steel wire with a bulk density of 70÷90%, which allows for a hardness of 90÷100 Shore units. Steel wire has a tensile strength of 290÷350 N/mm ² , and a relative elongation of 5÷12%. The longitudinal axial section of each end part has the shape of a truncated rectangular trapezoid, inside of which there are coils of steel wire with a bulk density of 70÷90% (according to patent RU164011, IPC E21B 33/12, publ. 08.20.16).

Недостатком данного решения является относительно высокая трудоемкость производства манжеты, связанная с необходимостью изготовления армирующих элементов и их позиционирования в пресс-форме перед вулканизацией резиновой смеси.The disadvantage of this solution is the relatively high labor intensity of the cuff production, associated with the need to manufacture reinforcing elements and their positioning in the mold before vulcanization of the rubber mixture.

Известна чашечная манжета пакера для герметизации внутренней части трубы под давлением. Манжета выполнена в форме колокола. Широкий конец имеет губу из более мягкого материала, который является неотъемлемой частью корпуса манжеты, которая является более твердым материалом (по патенту US7261153B2, МПК Е21В 33/12, опубл. 28.08.07).A cup seal packer is known for sealing the inside of a pipe under pressure. The cuff is made in the shape of a bell. The wide end has a lip made of a softer material, which is an integral part of the cuff body, which is a harder material (according to patent US7261153B2, IPC E21B 33/12, publ. 08/28/07).

Известна чашечная манжета пакера для герметизации внутренней части трубы под давлением, которая включает в себя первую часть относительно мягкого материала и вторую часть относительно твердого материала. Часть относительно более мягкого материала начинается у кромки манжеты и простирается с наружной стороны на одну треть длины до всей длины манжеты. Манжета может дополнительно содержать втулку или фиксатор, закрепленные в твердом материале, для крепления на пакере (по патенту US7959155B2, МПК Е21В 33/126, опубл. 14.06.11).A cup seal packer is known for sealing the interior of a pipe under pressure, which includes a first portion of relatively soft material and a second portion of relatively hard material. A portion of the relatively softer material begins at the edge of the cuff and extends from the outside one-third of the way to the entire length of the cuff. The cuff may additionally contain a sleeve or retainer fixed in solid material for fastening to the packer (according to patent US7959155B2, IPC E21B 33/126, publ. 06.14.11).

Недостатком данных манжет является то, что, твердый материал обеспечивает жесткость манжеты, но ограничивает ее раскрытие под давлением и прижатие к стенкам обсадной трубы, а герметизация манжеты обеспечивается за счет упругого сжатия мягкого материала. В результате герметичность манжеты может быть недостаточной, особенно при наличии дефектов на внутренней стенке обсадной трубы.The disadvantage of these cuffs is that the hard material provides rigidity to the cuff, but limits its opening under pressure and pressing against the walls of the casing, and the sealing of the cuff is ensured by elastic compression of the soft material. As a result, the tightness of the collar may not be sufficient, especially if there are defects on the inner wall of the casing.

Наиболее близким техническим решением является чашечная манжета пакера, которая по варианту исполнения состоит из корпуса с продольным отверстием. Наружная часть корпуса и отверстие расширяются в продольном направлении от одного конца к другому. Корпус выполнен из эластомера, выбранного из группы бутадиен-нитрильных и гидрированных бутадиен-нитрильных каучуков с твердостью поверхности поп Шор А от 80 до 90 (по патенту US6668938B2, МПК Е21В 33/128, опубл. 30.12.03).The closest technical solution is a cup seal packer, which according to its design consists of a body with a longitudinal hole. The outer part of the housing and the opening expand in the longitudinal direction from one end to the other. The body is made of an elastomer selected from the group of butadiene-nitrile and hydrogenated butadiene-nitrile rubbers with a surface hardness pop Shore A from 80 to 90 (according to patent US6668938B2, IPC E21B 33/128, publ. 12/30/03).

В данном решении указывается только материал и его твердость, тогда как для эффективной работы важны и другие свойства используемого материала, например, прочность и растяжение при разрыве, модуль упругости. Для обеспечения этих свойств могут применяться различные материалы.In this solution, only the material and its hardness are indicated, while other properties of the material used are also important for effective operation, for example, strength and tensile strength, elastic modulus. Various materials can be used to provide these properties.

Технический результат, достигаемый при использовании предлагаемого изобретения, заключается в повышении надежности работы и ресурса пакера, а также повышении технологичности и снижении трудоемкости изготовления манжеты пакера за счет применения материала с определенными свойствами и конструктивного исполнения.The technical result achieved by using the present invention is to increase the reliability and service life of the packer, as well as to increase manufacturability and reduce the labor intensity of manufacturing the packer collar due to the use of a material with certain properties and design.

Технический результат изобретения достигается тем, что чашечная манжета пакера выполнена в виде расширяющейся втулки со сквозным ступенчатым отверстием и отличается тем, что втулка изготовлена цельной из материала, имеющего твердость Шор А 90±5, прочность при разрыве не менее 5 МПа, растяжение при разрыве не менее 30% и модуль упругости при сжатии не менее 150 МПа.The technical result of the invention is achieved in that the cup collar of the packer is made in the form of an expanding sleeve with a through stepped hole and is characterized in that the sleeve is made of a solid material having a Shore A hardness of 90±5, a tensile strength of at least 5 MPa, and no tensile strength at break. less than 30% and a compressive modulus of elasticity of at least 150 MPa.

Кроме того, материал манжеты может содержать следующие компоненты, смешанные в следующей пропорции в массовых долях:In addition, the cuff material may contain the following components, mixed in the following proportions in mass fractions:

шунгитовый порошок с размером частиц 1…20 мкм - от 90 до 110;shungite powder with a particle size of 1...20 microns - from 90 to 110;

связующий эластомер марки БКНС из бутадиен-нитрильного каучука - от 25 до 35;binding elastomer of the BKNS brand from nitrile butadiene rubber - from 25 to 35;

сшивающий агент в виде органической перекиси - от 1 до 2;crosslinking agent in the form of organic peroxide - from 1 to 2;

минеральные волокна - от 1 до 30.mineral fibers - from 1 to 30.

Чашечная манжета пакера изготавливается способом, который заключается в формовании заготовки из смесевой массы в формующем гнезде пресс-формы и отличается тем, что смесевая масса для заготовки смешивается на лабораторных вальцах до получения однородной массы из следующих компонентов, смешанных в следующей пропорции в массовых долях:The cup collar of the packer is manufactured by a method that consists in molding a workpiece from a mixture mass in the molding cavity of a mold and is characterized in that the mixture mass for the workpiece is mixed on laboratory rollers until a homogeneous mass is obtained from the following components, mixed in the following proportions in mass fractions:

минеральные волокна - от 1 до 30mineral fibers - from 1 to 30

затем из смесевой массы изготавливают заготовку, объем которой соответствует объему формующего гнезда пресс-формы, заготовку помещают в пресс-форму и вулканизируют, после вулканизации полученную манжету выдерживают в свободном состоянии не менее 4 часов.then a blank is made from the mixture mass, the volume of which corresponds to the volume of the molding cavity of the mold, the blank is placed in the mold and vulcanized, after vulcanization the resulting cuff is kept in a free state for at least 4 hours.

Предпочтительное время смешения смесевой массы составляет 30±5 минут с фрикцией 1:1,25.The preferred time for mixing the mixture mass is 30±5 minutes with a friction of 1:1.25.

Вулканизацию предпочтительно проводят при температуре от 160 до 180°С в течение от 10 до 40 мин.Vulcanization is preferably carried out at a temperature of 160 to 180°C for 10 to 40 minutes.

Предлагаемое изобретение поясняется следующими чертежами:The present invention is illustrated by the following drawings:

Фиг. 2 - манжета пакера, аксонометрия;Fig. 2 - packer collar, axonometry;

Фиг. 3 - манжета пакера, продольный разрез;Fig. 3 - packer collar, longitudinal section;

Фиг. 4 - пакер.Fig. 4 - packer.

Чашечная манжета пакера 1 (фиг. 2, 3) выполнена в виде расширяющейся втулки 2 со сквозным ступенчатым отверстием 3.The cup collar of the packer 1 (Fig. 2, 3) is made in the form of an expanding sleeve 2 with a through stepped hole 3.

Чашечная манжета пакера изготавливается следующим способом. Для создания углерод-углеродной матрицы (СС) используются компоненты:The cup collar of the packer is manufactured in the following way. To create a carbon-carbon matrix (CC), the following components are used:

Смешение указанных компонентов производят на лабораторных вальцах ПД 320 160/160 с фрикцией 1:1,25, в течение 30±5 мин до получения однородной смесевой массы. Из смесевой массы изготавливают заготовку соответствующую объему формующего гнезда пресс-формы.Mixing of these components is carried out on laboratory rollers PD 320 160/160 with a friction of 1:1.25, for 30±5 minutes until a homogeneous mixture mass is obtained. A blank corresponding to the volume of the forming cavity of the mold is made from the mixture mass.

Вулканизируют заготовку в гнезде пресс-формы по формовой технологии производства эластомерного изделия при температуре от 160 до 180°С и длительности процесса от 10 до 40 мин. Вулканизованная заготовка из подготовленной эластомерной смеси имеет при разрыве удлинение 50-140% и прочность не менее 5 МПа. После вулканизации заготовку выдерживают в свободном состоянии в течение 4 часов для снятия напряжений.The workpiece is vulcanized in the mold cavity using mold technology for the production of an elastomeric product at a temperature of 160 to 180°C and a process duration of 10 to 40 minutes. The vulcanized blank from the prepared elastomeric mixture has an elongation at break of 50-140% and a strength of at least 5 MPa. After vulcanization, the workpiece is kept in a free state for 4 hours to relieve stress.

Изготовленная по описанному способу чашечная манжета имеет следующие характеристики: твердость Шор А 90±5, прочность при разрыве не менее 5 МПа, растяжение при разрыве не менее 30% и модуль упругости при сжатии не менее 150 МПа.The cup cuff manufactured according to the described method has the following characteristics: hardness Shore A 90±5, tensile strength of at least 5 MPa, elongation at break of at least 30% and compressive modulus of elasticity of at least 150 MPa.

Применение.Application.

Чашечная манжета применяется в составе пакера, который монтируется на эксплуатационной колонне. Например, в составе чашечного пакера, применяемого при гидроразрыве пласта (ГРП). Пакер (фиг. 4) состоит из корпуса 4 с накрученными на него верхней муфтой 5 и нижней муфтой 6. Между муфтами 5 и 6 установлены чашечные манжеты 1. На каждой манжете 1 с узкой стороны установлена защитная втулка 7. Манжеты 1 поджаты регулировочными втулками 8 и поджимным кольцом 9.The cup collar is used as part of a packer, which is mounted on the production string. For example, as part of a cup packer used in hydraulic fracturing (hydraulic fracturing). The packer (Fig. 4) consists of a body 4 with an upper coupling 5 and a lower coupling 6 screwed onto it. Cup collars 1 are installed between couplings 5 and 6. A protective sleeve 7 is installed on each collar 1 on the narrow side. Cuffs 1 are tightened by adjusting sleeves 8 and clamping ring 9.

После монтажа пакера на колонне осуществляется спуск в скважину. Чашечные манжеты в процессе спуска находятся в прижатом к корпусу пакера состоянии и не препятствуют движению в процессе спуска.After installing the packer on the string, it is lowered into the well. During the lowering process, the cup collars are pressed against the packer body and do not interfere with movement during the lowering process.

После установки пакера в заданном интервале начинается его использование по прямому назначению. Разделение зон скважины осуществляется за счет раскрытия чашечных манжет под давлением таким образом, чтобы обеспечить плотное прилегание кромок манжет к стенкам скважины. After installing the packer in a given interval, its use for its intended purpose begins. The separation of the well zones is carried out by opening the cup cuffs under pressure in such a way as to ensure a tight fit of the cuff edges to the walls of the well.

При необходимости сменить интервал размещения пакера путем подъема или спуска, чашечные манжет после снятия давления прижимаются к корпусу пакера, и осуществляется смена размещения, после чего в заданной точке манжеты раскрываются повторно, обеспечивая разделение зон скважины в соответствии с функциональным назначением.If it is necessary to change the packer placement interval by raising or lowering, the cup cuffs, after removing the pressure, are pressed against the packer body, and the placement is changed, after which at a given point the cuffs are opened again, ensuring separation of the well zones in accordance with the functional purpose.

Изготовление манжеты из материала, имеющего характеристики согласно предложенному изобретению, позволяет повысить надежность работы и ресурс за счет:Manufacturing a cuff from a material having the characteristics according to the proposed invention makes it possible to increase operational reliability and service life due to:

повышенной износостойкости манжеты при спуско-подъемных операциях (твердость Шор А 90±5);increased wear resistance of the cuff during hoisting and hoisting operations (hardness Shore A 90±5);

способности выдерживать высокое до 70 МПа давление (прочность при разрыве не менее 5 МПа)ability to withstand high pressure up to 70 MPa (tensile strength of at least 5 MPa)

необходимой упругости для обеспечения раскрытия манжеты при работе пакера (растяжение при разрыве не менее 30%, модуль упругости при сжатии не менее 150 МПа).the necessary elasticity to ensure the opening of the cuff during packer operation (tension at rupture of at least 30%, modulus of elasticity in compression of at least 150 MPa).

Указанные свойства возможно получить в материале состав и способ изготовления, которого описан в предложенном изобретении.The specified properties can be obtained in the material composition and manufacturing method, which is described in the proposed invention.

Указанные свойства позволяют отказаться от применения в конструкции манжеты металлического армирования, расположенного в теле манжеты, которое приводит к повреждению полимерного материала манжеты при повторной эксплуатации, а также значительно повышают технологичность и снижают трудоемкость изготовления, так как не требуется изготовление металлических деталей и их установка и позиционирование в пресс-форме.These properties make it possible to avoid the use of metal reinforcement in the cuff design located in the body of the cuff, which leads to damage to the polymer material of the cuff during repeated use, and also significantly increase manufacturability and reduce the labor intensity of manufacturing, since the manufacture of metal parts and their installation and positioning is not required in a mold.

Таким образом, решения, используемые в изобретении, позволяют повысить надежность работы и ресурс пакера, а также повысить технологичность и снизить трудоемкость изготовления манжеты и тем самым способствуют достижению технического результата.Thus, the solutions used in the invention make it possible to increase the reliability of operation and service life of the packer, as well as improve manufacturability and reduce the labor intensity of manufacturing the cuff, and thereby contribute to the achievement of a technical result.

Claims

1. Cup seal of the packer, made in the form of an expanding sleeve with a through stepped hole, characterized in that the sleeve is made of a solid material having a Shore A hardness of 90±5, a tensile strength of at least 5 MPa, an elongation at break of at least 30% and modulus of elasticity in compression is not less than 150 MPa, and the cuff material contains the following components mixed in the following proportions in mass fractions:

- shungite powder with a particle size of 1...20 microns - from 90 to 110;

- binding elastomer of the BKNS brand from nitrile butadiene rubber - from 25 to 35;

- crosslinking agent in the form of organic peroxide – from 1 to 2;

- mineral fibers – from 1 to 30.

2. A method for manufacturing a cup collar of a packer, which consists in molding a workpiece from a mixture mass in the molding cavity of a mold and characterized in that the mixture mass for the workpiece is mixed on laboratory rollers until a homogeneous mass is obtained from the following components, mixed in the following proportions in mass fractions:

- shungite powder with a particle size of 1...20 microns - from 90 to 110;

- crosslinking agent in the form of organic peroxide – from 1 to 2;

- mineral fibers – from 1 to 30;

then a blank is made from the mixture mass, the volume of which corresponds to the volume of the molding cavity of the mold, the blank is placed in the mold and vulcanized, after vulcanization the resulting cuff is kept in a free state for at least 4 hours.

3. The method according to claim 2, characterized in that the mixing time of the mixture mass is 30±5 minutes with a friction of 1:1.25.

4. Method according to claim 2 or 3, characterized in that vulcanization is carried out at a temperature of 160 to 180°C for 10 to 40 minutes.