2 Есептеу бөлімі

2.1 Жобаланған пакердің негізгі параметрін есептеу

Расчет пакеров.

Пакеры служат для разобщения частей ствола скважины по вертикали и герметизации нарушенных участков обсадной колонны, для разобщения зон затрубного пространства, расположенных выше и ниже пакеров. Применяют в обсадной (эксплуатационной) колонне нефтяных, газовых и нагнетательных скважинах при их эксплуатации, ремонте.

Перепады давления, воспринимаемые пакерами, находятся в интервале от 7 до 70 МПа. Температура окружающей среды при эксплуатации скважин может изменяться от 40 до 100 °С, а при тепловом воздействии на пласт достигает в некоторых случаях 300…400 °С.

По восприятию перепада давления пакеры подразделяются:

ПВ – усилие направлено от перепада давления вверх;

ПН – усилие направлено от перепада давления вниз;

ПД – двустороннего действия (усилие от перепада давления направлено как вверх, так и вниз).

По способности фиксироваться на месте установки пакеры подразделяют:

Я – фиксирующиеся якорем;

без обозначения – самостоятельно фиксирующиеся.

По способу посадки пакеры подразделяют:

Г – гидравлические;

М – механические;

ГМ – гидромеханические;

без обозначения – не требующие посадки.

По способу съёма пакеры подразделяют:

В – вращением;

Р – разбуриванием;

И – специальным инструментом;

без обозначения – натягом.

По исполнению:

Без обозначения – нормальное;

Коррозионностойкое:

К1 – углекислотостойкое (СО₂ не более 10% об.),

К2 – сероводородостойкое (Н₂S и СО₂ не более 10% об. каждого компонента),

К3 - сероводородостойкое (Н₂S и СО₂ свыше 10%, но не более 25% об. каждого компонента),

Т – термостойкое (для рабочих сред с температурой более 150^оС).

В скважину с определенным диаметром обсадной колонны Dобс спускается и устанавливается механический пакер, рассчитанный на перепад давления P и имеющий определенные конструктивные размеры.

1. Определить наименьшую величину осевой силы Q , обеспечивающей герметичное разобщение ствола скважины.

2. Определить наибольшую высоту уплотнительного элемента пакера.

3. Определить оптимальную длину хода штока пакера.

4. Проверить влияние плашечного захвата на прочность обсадной колонны. В конструкциях пакеров, где плашки перекрывают кольцевой зазор полностью ( или больше 70%), нагрузка на обсадную колонну распределена равномерно по всему периметру.

5. Проверить если Q_пред<Q , то в конструкцию пакера внести необходимые изменения ( угла геометрических размеров уплотнений и плашек) и произвести расчет модернизированного пакера.

6. Представить конструкции пакеров различных типов и объяснить принципы их действия.

7. Исходные данные к домашнему заданию приведены в табл. № 3.

Дано: номера по журналу

Таблица № 3

№	Наименование параметра	1-5	6-10	11-15	16-20	21-25
1	№ скв- индивидуальный	-	-	-	-	-
2	Глубина скважины Нскв, м, индивидуально	-	-	-	-	-
3	Диаметробсадной колонны, D, мм	146х8	146х9	168х8	168х9	168х10
4	Группа прочности обсадной колонны	Д	К	К	Е	Д
6	Диаметр хвостовика, d ,мм	60	60	73	73	73
7	Модуль сдвига резины, G, МПа	6	10	8	9	7
8	Перепад давления на пакере, P , МПа	25	45	35	55	40
9	Угол конуса плашки,, о	11	15	21	13	18
10	Число плашек по радиусу, n, шт	4	3	5	3	4
11	Внутренний радиус резины, rш , мм	30	30	36,5	36,5	36,5
12	Наружный радиус резины после деформации (равен внутреннему радиусу обсад. колонны), Rс, мм	65	63,5	76	75	74
13	Высота плашек (длина по вертикали), lпл, мм	150	140	150	140	145
14	Длина хорды плашки, Lпл, мм	30	35	35	40	30
15	Стрела дуги поверхности плашки, fпл, мм	6	7	7	8	6

2. Расчет пакера:

Определение наименьшей величины осевой силы Q действующей на

пакер, обеспечивающей герметичное разобщение ствола скважины проводится по формуле:

Q > 0,111 ΔP F + G F [ (Rс2 – rш2)3 - (Rп2 – rш2)3 ] / [(Rс2 – rш2)2 + (Rп2 – rш2) ]

где: F – площадь поперечного сечения уплотнительного элемента в

деформированном состоянии, м2

Rп – наружный радиус резины до деформации = Rс / k_оп

k_оп =1,13 для пакеров под обсадные колонны 146, 168 мм, Kоп =1,09...1,07

для пакеров под обсадные колонн 178 и 299 мм.

Определение наибольшей высоты уплотнительного элемента пакера.

hmax = (Rп2 – rш2) Rс3 / [ 0,45 f (Rс2 – rш2)(3Rc2 + 2Rс rш - rш2 ) ]

f = коэффициент трения (принимаем 0,2)

Определение оптимальной длины хода штока пакера.

S = h ( Kоп2 – 1 ) Rп2 / (Kоп2 Rп2 - rш2),

где: h= 0,9 h_max – высота свободного, не нагруженного уплотняющего

элемента.

Определение предельной осевой нагрузки на плашечный захват пакера, при котором не происходит разрушения обсадной колонны

Q_пред ≤ [ σт n tgα (D2 – Dвн2) lпл (Lпл2 + 16/3 fпл2) 1/2 ] / (D2 – Dвн2),

где: D_вн – внутренний диаметр обсадной колонны, м,

lпл - осевая длина плашки, м,

Lпл -длина хорды плашки в диаметральном сечении, м,

fпл -стрела профиля плашки, м

При ограниченной площади контакта плашек по периметру обсадной колонны участки труб между плашками работают на изгиб и Q_пред определяют

Q_пред ≤ 2 σт n tgα (D – D_вн) lпл / 2 Dвн

Основные параметры	Значения
1	2
1. Наибольший диаметр пакера, мм.	122
2. Максимальное осевое усилие, кН: - при посадке пакера - при освобождении пакера	150 80
3. Перепад давления, воспринимаемый пакером, МПа, не более	50
4. Диаметр проходного отверстия, мм, не менее	48
5. Внутренний диаметр обсадной колонны, мм.	130
6. Длина, мм, не более	870
7. Масса, кг, не более	27
8. Установленная безотказная наработка, ч, не менее	12000
9. Полный средний срок службы, год, не менее	3,5
10. Полный установленный срок службы, год, не менее	2,1
11. Объемная доля содержания механических примесей, %, не более	0,5
12. Содержание сероводорода в свободном газе по объему, %, не более.	0,1

3. Расчет пакера с механическим управлением

Произведем расчет устойчивости и уплотнения межтрубного пространства механическим пакером при ГРП и дадим заключение о необходимости применения якоря для следующих условий: глубина скважины L = 1450 м; давление на устье при ГРП Р_у = 48МПа. Наружный диаметр обсадной колонны d_ок =0,13м; с_ст = 7850кг/м³; Е_ст = 2,1·10¹¹Па. Плотность жидкости разрыва с_ж= 1000 кг/м³. Наружный диметр манжеты 0,117м; в= 0,7⁰, б= 15⁰; коэффициент трения 0,82. Коэффициент Пуассона резиновой манжеты м= 0,485, модуль упругости резины Е_у = 188·10⁵Па Коэффициент устойчивости пакеровки к = 1,25. Количество плашек пакера n = 6; диаметр плашек d_пл = 0,030м. Диаметр НКТ d_НКТ =48мм. Для начала рассчитаем необходимую величину подъема колоны НКТ для посадки пакера.

а) Расчет необходимой нагрузки Q₁ [3]:

Q₁ Н, (1)

где D = 0,116 - внутренний диаметр обсадной колонны, м.

б) Расчет нагрузки от массы всей колонны НКТ Q₂ [3]:

Q₂ = q·L·g = 4,4·1450·9,8 = 62524Н, (2)

где g = 4,4 - масса 1м колонны НКТ, кг.

Так как условие устойчивости пакера не соблюдается, требуется установка якоря [3]:

Q₁·к < Q₂; (3)

2199742·1,25< 62524Н.

в) Определение давления внутри якоря Р₁ [3]:

Р₁ = Р + с_ж· g·L = 48·10⁶ + 1000·9,8·1450 = 7642·10⁴Па; (4)

г) Радиальное усилие на шлицы якоря от внутреннего давления жидкости R_я [3]:

R_я = 0,785 ·dпл² ·Р₁· n= 3,14·0,03²·7642·10⁴·6 = 1295777Н; (5)

д) Осевое усилие создаваемое якорем Т_я [3]:

Т_я = R_я·0,82 = 1295777·0,82 = 1062537Н; (6)

е) Осевое усилие создаваемое пакером Т_п [3]:

Т_п = Q₂ t = 14411Н; (7)

ж) Осевое усилие создаваемое пакером и якорем Т [3]:

Т = Т_п + Т_я = 14411 + 1062537 = 1076948Н; (8)

з) Осевое усилие возникающее под пакером Р₂ [3]:

Р₂ = = = 507022Н; (9)

Следовательно Т = 1076948Н > 633777 = Р₂·к - условие устойчивости выполняется.

и) Высота подъема колонны д [3]:

дм; (10)

к) Расчет уплотнения межтрубного пространства [3]:

м; (11)

где d = 0,114 - наружный диаметр уплотнительной манжеты, м.

л) Условие уплотнения межтрубного пространства запишется [3]:

> D - d_НКТ; (12)

0,01 > 0,002 = 0,116 - 0,114.

Пакерді есептеген кезде герметизациялауға қажетті контактті қысымды, осы қысымды жасайтын остік күшті, тығыздаушы элементтің оптимальды биіктігін, пакер штогінің жүру ұзындығын, тығыздаушы элемент кордының көрсеткіштерін анықтайды.

Шегендеуші құбырлар тізбегі және тығыздаушы элементтер арасындағы контактті қысым мынаған тең

(1)

бұл жерде - контактті қысымдар.

Пакерлерде қолданатын резеңке Пуассон коэффициентіне ие.

контактті қысымын және ұңғы оқпанының герметикалық айырылуын қамтамасыз ететін Q остік күшін аңықтау үшін келесі теңдеу қолданылады:

(2)

(3)

бұл жерде F – тығыздаушы элементтің деформацияланған күйіндегі көлденең қимасының ауданы; G=5,1 – 1 МПа – резеңке жылжыуының модулі; R_п=69см және R_с=77см – резеңкенің деформацияға дейінгі және деформациядан кейінгі сыртқы радиусы; r_ш=28мм резеңкенің ішкі радиусы; р=50МПа - пакердегі қысымның өзгеруі.

Бос күйіндегі пакер элементінің биіктігі оның ауданың деформацияға дейін және деформациядан кейін тең болуы жағдайынан аңықталуы мүмкін. Кейбір авторлардың айтуы бойынша бұл жағдай резеңкенің пакермен шегендеуші құбырлар тізбегінің арасындағы қуысқа ағып кетуінен сақтайды.

Бұл жағдайды ескерсек біздің есептеуіміз тығыздаушы элементтің ең аз биіктігін береді

(4)

Бұл жерде – элементтің сығылған жағдайдағы биіктігі.

Пакерлерде осындай тығыздауыштардың бірнеше болуы жақсы.

Тығыздаушы элементтің ең үлкен биіктігі пакердің остік қысымының жүктемесі кезінде өзін-өзі орнықтыру шартынан табуға болады.

(5)

бұл жерде f – үйкеліс коэффициенті.

Пакердің құрылысында шток жүрісінің ұзындығы алдын-ала жобалану керек, ол тығыздаушы элементтің сығылуын және тығыздауыштың герметикалығын қамтамасыз етеді.

Шток жүрісінің үлкеюі тығыздауыш элементтердің зақымдауына әкелу мүмкін.

Шток жүрісінің оптимальды ұзындығын келесі формула бойынша аңықтауға болады:

(6)

Бұл жерде h – жүктелмеген, бос тығыздаушы элементтің биіктігі;

(7)

Диаметрлері 146 және 168 мм шегендеуші құбырлар тізбегі үшін арналған пакерлерге k_оп=1,13, 178 және 299 мм k_оп=1,09-1,07.

Пакерді есептеген кезде плашкалы ұстаудың шегендеуші құбырлар тізбегінің беріктігіне әсерін тексеру керек.

Плашкалар сақиналы қуысты толығымен жабатын пакерлерде шегендеуші құбырларға түсетін жүктеме бүкіл периметр бойынша бірқалыпты үлестірілген. Осы кезде плашкалы ұстағышқа максимальды остік жүктеме мынаған тең:

Q (8)

Шегендеуші құбырлар тізбегінің периметрі бойынша плашкалардың шектелген контакті кезінде олардың арасындағы құбырлар аумақтары бұралуға жұмыс істейді. Онда

Q (9)

Бұл жерде _а– шегендеуші құбырлар тізбектер құбырлар материалының ағу шегі; n - плашка саны;  - плашка конусының бұрышы; D, d, h – шегендеуші тізбек құбырының сыртқы және ішкі диаметрі және қабырға қалыңдығы; l_пл- плашка биіктігі; L_пл - плашка хордасының ұзындығы; f_пл - плашка қабатының дөңес аталуы (стрела дуги).

(4.12) теңдеу есептеулері бойынша 114-219 мм диаметрлі шегендеуші құбырлар үшін беріктік қоры 1,15 ал диаметрі 219 мм-ден жоғары құбырлар үшін 1,52-ге тең деп алынады. Жанама күш салудың шегі деп алсақ (4.13) теңдеуі бойынша есептегенде беріктік қорын екі есе үлкен деп алады.

Пакер конструкциясын жобалау кезінде шекті жүктемені тығыздаушыны жасау (4.3) үшін керекті жүктемемен салыстырылады. Егер Q_шек<Q болса, онда пакер конструкциясына керекті өзгертулер енгізіледі.

Пакердің тепе-тең кездегі максималды қысымды есептеу

(10)