Способ уплотнения подвижных цилиндрических элементов

 

Изобретение может быть использовано, в частности, при бурении нефтяных и газовых скважин для уплотнения бурильной колонны . Сущность изобретения: перед началом эксплуатации определяют величину перемещения расчетных точек при прогибе внутренней поверхности уплотнителя от воздействия радиального давления, величина которого позволяет перекрыть уплотняемый зазор всеми расчетными точками в зависимости от материала уплотнителя , геометрических размеров уплотнительной втулки и условий работы. 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4855966/03 (22) 31,07.90 (46) 23.11.92. Бюл. hh 43 (71) Волгоградский инженерно-строительный институт (72) Н.Б. Ананичев и В.И. Атопов (56) Авторское свидетельство СССР

М 929804, кл. Е 2 1. В 7/12, 1982.

Авторское свидетельство СССР

М 825855, кл. Е 21 В 33/06, 1981. (54) СПОСОБ УПЛОТНЕНИЯ ПОДВИЖНЫХ

ЦИЛИНДРИЧ Е СКИХ ЗЛ Е МЕНТОВ

Изобретение относится к способам уплотнения подвижных цилиндрических элементов и может быть использовано, в частности, при бурении нефтяных и газовых скважин для уплотнений бурильной колоннй.

Известны способы уплотнения подвижной колонны уплотнителей путем воздействия на него радиальным давлением.

Недостатком указанных способов является повышенный износ участков уплотни-. теля, расположенных около его концов ввиду неравномерного распределения контактных давлений по его трущейся поверхности с большим возрастанием от центра к его торцам. Снижение же радиального давления с целью уменьшения износа концевых участков приводит к потере герметичности уплотнения.

Целью изобретения является обеспечение возможности более равномерного износа материала уплотнительной втулки по длине.

„„533 177б7бО А1 (я)э Е 21 В ЗЗ/06,(57) Изобретение может быть использовано, в частности, при бурении нефтяных и газовых скважин для уплотнения бурильной колонны. Сущность изобретения: перед началом эксплуатации определяют величину перемещения расчетных точек при про-. гибе внутренней поверхности уплотнителя от воздействия радиального давления, величина которого позволяет перекрыть уплотняемый зазор всеми расчетными точками в зависимости от материала уплотнителя, геометрических размеров уплотнительной втулки и условий работы. 3 ил.

Поставленная цель достигается тем, что . перед началом эксплуатации воздействуют радиальным давлением на уплотнительную втулку для полного перекрытия радиального зазора при отсутствии скважинного давления, определяют оптимальную длину линии контакта цилиндрических элементов по величине давления в ее граничных точках не превышающего давления в центральной плоскости уплотнительной втулки, затем определяют оптимальное радиальное давление, необходимое для перекрытия радйального зазора по длине оптимальной линии контакта, а величину эксплуатационного радиального давления — в виде суммы оптимального радиального давления и рабочего давления скважины.

На фиг. 1 представлен уплотнительный узел; на фиг. 2-эпюра контактных давлений внутренней поверхности уплотнителя, контактирующего с подвижной трубой; на фиг.

3 — расчетная схема уплотнителя.

1776760

Уплотнительный узел (фиг, 1) состоит из уплотнителя 1, подвижной колонны 2, корпус 3, крышки 4, крышки 5, штуцера 6, Способ уплотнения осуществляется следующим образом.

Перед началом эксплуатации воздействуем радиальным давлением на уплотнительную втулку для полного перекрытия радиального зазора при отсутствии скважинного давления. Определяем величину перемещений расчетных точек при прогибе внутренней поверхности уплотнителя в зависимости от материала, геометрических параметров и условий работы.

Определяем контактные давления в расчетных точках (при рабочем давлении скважины равным нулю). Ilo полученным результатам строим эпюру (фиг. 2).

По эпюре графическим построением апределяем оптимальную длину линии контакта цилиндрических элементов с контактным давлением в ее граничных точках не превышающего давления в центральной плоско.сти уплотнительной втулки.

По величине перемещений расчетных точек, расположенных по концам оптимальной линии контакта, определяется оптимальное радиальное давление да начала эксплуатации, т. е, при рабочем давлении равном нулю.

Эксплуатационное радиальное давление определяется как сумма оптимального радиального давления и рабочего давления скважины.

Пример. Предложенный способ был реализован в узле телескопического компенсатора, изготовленного Волгоградским заводом буровой техники, который поставляет комплектующие узлы для морской буровой установки ППБУ вЂ” 6000/200. Узел телескопического компенсатора прошел испытания в ПО "Прикаспийбурнефть". Расчеты проводили для моделей уплотнителя телескопического компенсатора морской буровой установки, выполненных в масштабе 1:4 по отношению к натурным узлам. уплотнители изготовлены из резины ПЭ-39.

При реализации способа были приняты следующие исходные данные:

- характеристики материала резины:, модуль упругости Е = 100 кг/см коэффициент Пуассона м = 0,49

- геометрические параметры узла: конструктивный зазор Л= 5 мм, геометрические размеры уплотнителя: наружный диаметр уплотнителя 0-165 мм, 25

У1(4) =chb 4- созЬ (;

У2(Ф)= — shb 4 sinb 4

2

Уз(4) — -(сЬЬ g з@Ь g - shb .ф созЬ ф ); х ° 3йо 2

40 о 2.: »x= — 2(е"-е "): пи+ 2 . 1

45 зпх = — (е" — е );

1 х

А—

50 л л л

8 - ctg3 - cthb - A(ctgb - cthb);

4 е" +е

b=b R;cthx= о е" — е

P — радиальное давление;

R1 — радиус поверхности уплотнителя;

R2 — радиус внутренней поверхности уплотнителя; внутренний диаметр уплотнителя d

155 мм, длина уплотнителя 1- 175 мм, толщина стенки уплотнителя s = 15 мм

5 - условия работы: величина рабочего давления Pp>s. - 0; величина радиального давления Рр д =

1 МПа; температура окружающей среды Тохр.

1020 С; вязкость жидкости y= 100 Па.с; скорость течения жидкости v - 0,5 м/с.

Перед началом эксплуатации воздействуем радиальным давлением (Ряад. = 1 MIla)

15 науплотнительную втулкудля полного перекрытия радиального зазора при отсутствии скважинного давления.

Определяем величину перемещений расчетных точек при прогибе внутренней

20 поверхности уплотнителя s зависимости от материала, геометрических параметров и условий работы по следующей зависимости:

2 со= f1 — У (Ц+

+2 АУ (Ц)+28У(()), (Ó гдЕ Ут, У2, УЗ вЂ” функции А.Н. Крылава

1776760

E — модуль упругости;

s — толщина стенки уплотнителя;

v — коэффициент Пуассона.

Определяем контактные давления в расчетных точках (при рабочем давлении 5 скважины равным нулю). По полученным результатам строим эпюру (фиг 2).

По эпюре (фиг. 2) графическим построением определяем оптимальную линию контакта 1к, исходя из того, что величина 10 давления в граничных точках линии контакта не превышает давления в центральной плоскости уплотнительной втулки. Для этого из точки А, лежащей в центре уплотнителя, проводим прямую, перпендикулярную 15 основанию. Отрезок АБ является максимальным значением контактных давлений в центре уплотнителя. Из точки Б влево и вправо проводим прямую, параллельную основанию. Пересечение этой прямой с 20 эпюрой контактных давлений слева и справа определяют граничные значения (точки В и Г) длины линии контакта уплотнителя с контактным давлением равным его значению в центре уплотнителя. Из точек В и Г 25 опустим перпендикуляры на основание.

Получим отрезок ДЕ, который равен длине линии контакта уплотнителя с контактным давлением, равным его значению в центре уплотнителя,и является оптимальной дли- 30 ной линии контакта для данного уплотнителя (для нашего случая оптимальная длина линии контакта 4>=- 110 мм.

По величине перемещения wo расчетных точек 0 и Е, расположенных по концам 35 оптимальной линии контакта, определяем оптимальное радиальное давление до начала эксплуатации, в нашем случае Ропт.рад.

= 0,17 МПа.

Эксплуатационное радиальное давление определяется как сумма оптимального радиального давления и рабочего давления скважины, в нашем случае Рэксп.рад. = 0,17

МПа + Ррзо.

Технико-экономические преимущества.

В сравнении с прототипом срок службы уплотнителя за счет исключения интенсивного износа на конечных.участках увеличится в

1,5-2 раза. Кроме того, снижается трудоемкость по замене вышедших из строя уплотнителей в условиях открытого моря и снижаются затраты за счет увеличения межремонтного периода.

Формула изобретения

Способ уплотнения подвижных цилиндрических элементов путем воздействия на уплотнительную втулку радиальным давлением, о т л и ч а:ю шийся тем, что, с целью обеспечения возможности более равномерного износа материала уплотнительной втулки по длине. воздействуют на втулку радиальным давлением до полного перекрытия радиального зазора при отсутствии скважинного давления, определяют оптимальнук длину линии контакта цилиндрических элементов по величине давления в ее. граничных точках, не превышающей величину давления в центральной плоскости уплотнительной втулки, затем определяют величину радиального давления, необходимую для перекрытия радиального зазора по линии контакта оптимальной длины, а величину эксплуатационного радиального давления — в виде суммы найденного оптимального радиального давления и рабочего давления скважины.

17767

И х cpf

QQ3, 8

Редактор

Заказ 4104 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР.

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101

P», Ng

f,0

Составитель Н,Ананичев

Техред М.Моргентал Корректор М.Гунько