Расчет подбора пакера. Задача Расчет пакера механического принципа действия

• Название: Задача Расчет пакера механического принципа действия
• Анкор: Расчет подбора пакера
• Дата: 01.03.2021
• Размер: 36.23 Kb.
• Имя файла: 4_Zad_Rasch_pakera.docx
• Тип: Задача; #180827

Задача

Расчет пакера механического принципа действия

Провести расчет устойчивости и уплотнения межтрубного пространства механическим пакером при ГРП и дать заключение о необходимости применения якоря для следующих условий: глубина скважины L = 850 м; давление на устье при ГРП Р_у = 42 МПа. Наружный диаметр обсадной колонны D = 0,14 м;

ρ_ст = 7850 кг/м³ ; Е_ст = 2,1·10¹¹ Па. Плотность жидкости разрыва ρ_ж = 1000 кг/м³. Наружный диаметр манжеты D_м = 0,117 м; β = 0,7⁰ ; α = 15⁰ ; коэффициент трения f = 0,82. Коэффициент Пуассона резиновой манжеты μ = 0,485, модуль упругости резины Е_у = 188·10⁵ Па. Коэффициент устойчивости пакеровки к =1,25. Количество плашек якоря (пакера) п =12; диаметр плашек d_п = 0,033 м. Диаметр НКТ d_НКТ = 73 мм . Рассчитать необходимую величину подъема колонны НКТ для посадки пакера.
Решение

Расчет пакера:
Условие пакеровки (устойчивости пакера):

Р_з · к ≤ R,

где к - коэффициент устойчивости пакера.
1 Усилие на пакер от сжатой части колонны НКТ (на пакер действует сверху вниз):

R = G₁ · tg (α + β) ·f,

где R – усилие на пакер от сжатой части колонны,

G₁ - вес сжатой части колонны НКТ длиной l₁ ,

α - угол конусности,

β - угол трения,

f - коэффициент сцепления шлипсов с обсадной колонной.
R = G₁ · tg (α + β) ·f = 25545· tg (0,7+15) ·0,82 = 5886,2 Н;
G = 9,2 ·850 · 9,81 = 76635 Н, где L= 850 м

G₁ = 9,2 ·850/3 · 9,81 = 25545 Н, где l₁ =(1/3-1/2) L – сжатая часть колонны НКТ,

9,2 – масса 1 м колонны НКТ для d_НКТ = 73 мм, кг.

tg (0,7+15) = 0,281.
2 Давление на забое скважины р_з (усилие действует на пакер снизу вверх):

р_з = р_у + ρ_ж · g · L , (если приемистость пласта отсутствует Q = 0)

где р_з – давление на забое скважины,

р_у - давление на устье скважины,

ρ_ж – плотность закачиваемой жидкости, кг/м³

g = 9,81 м/с² – ускорение свободного падения

L - глубина скважины, м
р_з = р_у + ρ_ж · g · L = 42 ·10⁶ + 1000 · 9,81 · 850 = 50,3 МПа

где Р_у = 42 МПа, ρ_ж = 1000 кг/м³, g = 9,81 м/с² , L = 850 м.
Усилие, действующее на пакер снизу вверх Р_з (Н = Па· F):

Р_з = р_з · F = р_з · /4 ·(D _вн² - d _{вн нкт} ² ) = 50,3 ·10⁶ ·0,785 · (0,119² – 0,062² ) =

= 0,4· 10⁶ Н

Площадь кольца F=0,785·(0,119² – 0,062² ) = 0,008 м² .

(для обсадной колонны внутр. диаметр D _вн = 0,14-0,021 = 0,119 м

толщина стенки 10,5 мм*2= 21 мм

для НКТ внутр. диаметр d_{вн нкт} = 73-11 = 62 мм

толщина стенки 5,5 мм*2= 11 мм)

Р_з =0,4· 10⁶ Н

Р_з · к ≤ R;

407371 · 1,25 ≤ 5886,2

509214 ≤ 5886,2
Таким образом, условие пакеровки не соблюдается. Требуется установка якоря.

Расчет якоря
3 Определение давления внутри якоря (полость якоря сообщается с полостью пакера и НКТ):

р_я =р_з = р_у + ρ_ж · g · L = 42 ·10⁶ + 1000 · 9,81 · 850 = 50,3 МПа

Радиальное усилие на шлицы якоря от внутреннего давления р_я :



Осевое усилие создаваемое якорем:

Р_я = Р ^*_я ·0,82 = 521209·0,82 = 427391 Н

Осевое усилие создаваемое пакером и якорем (направлено сверху вниз):

Р_п+я = 5886+ 427391 = 433277 Н
Осевое усилие, возникающее под пакером Р_3(п+я) (направлено снизу вверх):

Р_3(п+я) = р_у ·F= р_у · /4 ·(D _вн² - d _{вн нкт} ² ) = 42 ·10⁶ ·0,785 · (0,119² – 0,062² ) =

= 42·10⁶ ·0,008= 340151 Н

Р_3(п+я) · к ≤ Р_п+я ;

340151 · 1,25 ≤ 433277

425189 ≤ 433277

После установки якоря условие пакеровки соблюдается.
4 Высота подъема колонны δ для посадки пакера:



5 Расчет уплотнения межтрубного пространства:

где D_м = 0,117 м – наружный диаметр уплотнительной манжеты

d_нкт = 0,073 м - наружный диаметр НКТ

Условие уплотнения межтрубного пространства запишется:

Δd > D – D_м

где D = 0,119 м – внутренний диаметр обсадной колонны,

D_м = 0,117 м – наружный диаметр уплотнительной манжеты.

0,017> 0,119-0,117

0,017> 0,002

Условие уплотнения межтрубного пространства соблюдается!
Вывод:

После установки якоря условие пакеровки соблюдается.

Высота подъема колонны δ для посадки пакера – 0,26 м.

Условие уплотнения межтрубного пространства также соблюдается.


Введение

Пакеры широко применяются при проведении таких техно­логических операций, как гидроразрыв, кислотная и термиче­ская обработка пласта, изоляционные работы, гидропескоструй­ная перфорация и т. д.

Пакеры спускают в скважину на колонне подъемных труб. Они должны иметь проход, позволяющий беспрепятственно спускать инструменты и оборудование для проведения необхо­димых технологических операций при освоении и эксплуатации.

К пакерам предъявляются следующие ос­новные требования:

- пакер должен выдерживать максимальный перепад давле­ний, действующий на него в экстремальных условиях и назы­ваемый «рабочим давлением»;

- пакер должен иметь наружный диаметр, обеспечивающий оптимальный зазор между ним и стенкой эксплуатационной ко­лонны труб, с которой он должен создать после посадки герме­тичное соединение.

В зависимости от направления действующих усилий различают пакеры следующих типов:

- ПВ – пакер, воспринимающий усилие от перепада давле­ний, направленного вверх;

- ПН – пакер, воспринимающий усилие от перепада давле­ний, направленного вниз;

- ПД – пакер, воспринимающий усилие от перепада давле­ний, направленного как вниз, так и вверх.

По способу создания сил, деформирующих уплотнительный элемент, пакеры делятся на:

- механические - уплотнение происходит под действием веса колонны труб;

- гидравлические - уплотнение происходит за счет перепада давления сверху и снизу пакера.

По способу установки в скважине пакеры подразделяются на пакеры с опорой на забой и без опоры. К низу пакеров с опорой на забой присоединяют трубы (хвостовик), от длины которого зависит глубина установки пакера. Пакеры без опоры на забой можно устанавливать на любой глубине скважины.

Механические пакеры более простые по конструкции, однако, веса трубы не всегда хватает для уплотнения. Гидравлические пакеры способны воспринимать большие перепады давления (до 50 мПа), но сложны по конструкции.

Шифр пакеров означает: буквенная часть – тип пакера (ПВ, ПН, ПД), способ посадки и освобождения (Г – гидравлический, М – механический, ГМ – гидромеханический) и наличие якорного устройства (буква – Я); цифра перед буквами – номер модели; первое число после букв – наружный диаметр, мм; второе число – максимальное рабочее давление; последняя буква и цифра – сероводородостойкое исполнение (К2).

Для восприятия усилия от перепада давлений, действующего, на пакер в одном или двух направлениях, пакер должен иметь соответствующее заякоривающее устройство (якорь), наличие которого в шифре пакера обозначается буквой Я, гидравлические Г, механические М, гидромеханические ГМ.

Якори- это устройства, предназначенные для заякоривания колонны подъемных труб за стенку эксплуатационной колонны труб с целью предотвращения перемещения скважинного обору­дования под воздействием нагрузки.

Якори в эксплуатации применяются преимущественно с пакерами типа ПВ и ПН.

Пакеры с механическим принципом действия уплотняют межтрубное пространство упругими элементами посредством передачи нагрузки на них от массы сжатой части колонны НКТ. Оптимальной нагрузкой является минимальная нагрузка на пакер, которая достаточна для уплотнения межтрубного зазора. Эта нагрузка должна также предотвращать срыв пакера от перепада давления жидкости.

Спуск пакера в скважину до требуемой глубины производится на колонне насосно-компрессорных или бурильных труб.

Посадка пакера производится при достижении нужной глубины небольшим подъемом колонны вверх (0,3 -0,5 м) и поворотом труб на 1-1,5 оборота вправо.