УДОСКОНАЛЕННЯ ТА ДОСЛІДЖЕННЯ УЩІЛЬНЕННЯ СВЕРДЛОВИННОГО ПАКЕРА

Анотація

У статті розглянуто проблему підвищення герметизуючої здатності ущільнювачів свердловинних пакерів, які є ключовими елементами у складі експлуатаційного та технологічного обладнання нафтогазових свердловин. Пакери забезпечують ізоляцію окремих інтервалів стовбура свердловини, що необхідно для виконання технологічних операцій, таких як гідророзрив пласта, нагнітання води чи газу з метою підтримання пластового тиску, проведення термічних і кислотних обробок, а також випробувань обсадних колон і гирлового обладнання. Від герметичності пакера залежить ефективність цих процесів, безпека персоналу і запобігання аваріям у свердловині. У роботі детально проаналізовано конструкцію ущільнювальних вузлів пакерів та фактори, що впливають на їхню роботу. Показано, що основною проблемою при використанні традиційних гладких гумових манжет є нерівномірний розподіл контактних напружень уздовж поверхні ущільнення. Це призводить до передчасного зносу гуми, зниження герметизуючої здатності та збільшення ризику прориву робочого середовища. Встановлено, що матеріали ущільнювачів мають відповідати вимогам до стійкості проти дії агресивних середовищ, високих температур і тисків, а також до деформацій. Для дослідження роботи ущільнювального вузла виконано імітаційне моделювання методом скінченних елементів із використанням моделі Муні-Рівліна, яка адекватно описує нелінійну поведінку гумових матеріалів. Модель дозволила визначити розподіл контактних тисків між манжетою та обсадною колоною, а також оцінити вплив геометрії ущільнювача, коефіцієнта тертя та монтажних зусиль на герметичність системи. На основі результатів моделювання розроблено вдосконалену конструкцію ущільнювального елемента із кільцевими виступами на зовнішній поверхні, що забезпечує більш рівномірний розподіл напружень і підвищення контактних тисків у зонах контакту. Дослідження показали, що застосування манжети із кільцевими виступами дозволяє досягти підвищення герметизуючої здатності на 15–20% при тих самих або менших монтажних зусиллях у порівнянні зі стандартним гладким ущільнювачем. Також установлено, що зі збільшенням коефіцієнта тертя між гумою і металевою поверхнею відбувається часткове розвантаження верхнього ущільнювача, що може призводити до втрати герметичності. З метою зменшення цього ефекту рекомендовано застосування спеціальних мастильних матеріалів і поверхневих покриттів, які забезпечують стабільне тертя й покращують прилягання манжет до обсадної колони. Отримані результати дослідження мають важливе практичне значення для вдосконалення конструкцій свердловинних пакерів нового покоління.