Башмак с фильтром

Полезная модель относится к области строительства нефтяных и газовых скважин и предназначена для проработки не обсаженного ствола скважины при спуске обсадной колонны.
Известен башмак с силовым приводом, содержащий муфту, корпус, внутри которого расположены статор с ротором и подшипники и который соединен с муфтой, наконечник со сквозными отверстиями, (патент РФ №170535, Е21В 17/14, оп. 27.04.2017 г.).
Недостатком данного технического решения является отсутствие защиты силовой секции башмака от попадания крупной фракции шлама, и инородных предметов, находящихся в буровом растворе.
Наиболее близким техническим решением является Колонный башмак с гидравлическим приводом, содержащий муфту, турбину, состоящую из статора с боковыми сквозными отверстиями и ротора с лопастями, наконечник, выполненный со сквозными отверстиями, и подшипники (патент РФ №201233, Е21В 17/14, оп. 04.12.2020 г., прототип).
Недостатком данного технического решения является отсутствие защиты турбинной секции башмака от попадания крупной фракции шлама, и инородных предметов, находящихся в буровом растворе.
Технический результат заключается в повышении ресурса работы (времени работы) башмака за счет предотвращения засорения внутренней полости башмака, а именно, полости статора турбины, от инородных предметов, находящихся в буровом растворе, а также от крупной фракции шлама, и, соответственно, в повышении надежности работы башмака с фильтром.
Поставленный технический результат достигается тем, что башмак с фильтром содержит муфту, турбину, состоящую из статора с боковыми сквозными отверстиями и ротора с лопастями, наконечник, выполненный со сквозными отверстиями, и подшипники, он дополнительно снабжен фильтром и полым корпусом, муфта выполнена с возможностью закрепления ее на обсадной колонне, статор закреплен внутри муфты с возможностью взаимодействия с лопастями ротора, наконечник выполнен с возможностью гидравлического сообщения с турбиной, фильтр представляет собой цилиндрический фильтрующий элемент, снабженный дном и выполненный со сквозными отверстиями и кольцевым утолщением, расположенным с возможностью фиксации фильтра внутри статора и образования в зоне фильтрации кольцевого зазора между внутренней поверхностью статора и внешней боковой поверхностью фильтра, полый корпус выполнен с возможностью размещения внутри него муфты, статора с боковыми сквозными отверстиями, ротора с лопастями и подшипников и с внутренними кольцевыми проточками, при этом ротор с лопастями закреплен внутри полого корпуса с возможностью вращения, подшипники установлены во внутренних кольцевых проточках полого корпуса между муфтой и полым корпусом и между статором и ротором, полый корпус соединен с наконечником с возможностью совместного вращения, при этом сквозные боковые отверстия выполнены в боковой поверхности статора и расположены рядами с равным пространственным шагом, дополнительно на внешней поверхности полого корпуса расположены ребра, выполненные с возможностью калибровки открытого ствола скважины в процессе прохождения башмака, наконечник дополнительно снабжен твердосплавным вооружением, наконечник дополнительно снабжен кольцевым корпусом и режущими элементами, расположенными по окружности вокруг кольцевого корпуса, с одной стороны закрепленного на наконечнике.
На фигуре изображен башмак с фильтром в разрезе.
Башмак с фильтром выполнен с возможностью прохождение внутри него рабочей жидкости, например, бурового или тампонажного раствора, попадая в затрубную часть обсадной колонны.
Башмак с фильтром (далее по тексту - «Башмак») содержит турбину, муфту 1, фильтр 2, корпус 3, наконечник 4 и подшипники 5 и 6.
Турбина - это устройство, создающее крутящий момент и представляющее собой многорядную турбину, состоящую из ротора 7 и статора 8.
Статор 8 выполнен в виде стакана с боковыми сквозными отверстиями 9, дополнительно снабженными форсунками. Статор 8 закреплен в муфте 1 и расположен в полом корпусе 3.
Сквозные боковые отверстия 9 выполнены в боковой поверхности стакана 8 и расположены рядами с равным пространственным шагом между собой, а именно, симметрично относительно друг друга в одной плоскости. Многорядная система сквозных боковых отверстий 9 обеспечивает касательное направление поступающему потоку рабочей жидкости на ротор 7 и равномерно распределяет его, создавая максимальную площадь полезного контакта, увеличивая КПД турбины и снижая непроизводительные потери энергии потока рабочей жидкости; а также обеспечивает уравновешивание подаваемого на ротор 9 усилия потока рабочей жидкости, минимизируя, возникающие в процессе работы башмака, вибрации.
Ротор 7 размещен в полом корпусе 3 соосно статора 8 и напротив него. Ротор 7 выполнен в виде полого цилиндра, на внутренней поверхности которого расположены лопасти 10.
Например, лопасти 10, выполненные радиальными, расположены с равным осевым шагом по радиусу и ориентированы параллельно оси башмака;
лопасти 10 расположены спирально.
Муфта 1 выполнена с возможностью ее расположения внутри полого корпуса 3, с возможностью закрепления внутри нее с одного конца статора 8, с возможностью закрепления ее на обсадной трубе с противоположного конца и с возможностью размещения подшипника 5 между муфтой и полым корпусом.
Муфта 1 выполнена, например, в виде полого цилиндра.
Муфта 1 соединена с обсадной трубой и со статором 8 посредством резьбового соединения.
Статор 8 и муфта 1 могут быть выполнены монолитно или разборно.
В разбуриваемом исполнении башмака, статор 8 выполнен из разбуриваемого материала.
Полый корпус 3 выполнен в виде патрубка, на внутренней поверхности которого выполнены кольцевые проточки с возможностью расположения в них подшипников 5 и 6.
Кольцевые проточки размещены с возможностью установления между ними ротора 7.
Дополнительно на внешней поверхности полого корпуса 3 расположены ребра 11, выполненные с возможностью калибровки открытого ствола скважины в процессе прохождения башмака. Ребра 11 выполняют функцию стабилизатора и могут быть расположены в осевом направлении или наклонными, например, частично спиральными. Ребра 11 могут быть выполнены монолитно с полым корпусом 3 или разборно.
Дополнительно рабочие поверхности ребер 11 могут быть армированы твердосплавными зубками и/или износостойким защитно-режущим покрытием с твердосплавной крошкой, обеспечивая минимизацию износа башмака при контакте со стенками скважины.
Фильтр 2 представляет собой цилиндрический фильтрующий элемент, снабженный дном и выполненный заданных размеров, со сквозными отверстиями и кольцевым утолщением, расположенным с возможностью фиксации фильтра 2 внутри статора 8 и образования в зоне фильтрации кольцевого зазора между внутренней поверхностью статора 8 и внешней боковой поверхностью фильтра 2 для прохождения отфильтрованной рабочей жидкости.
Например, фильтр 2 выполнен в виде трубного элемента с дном, при этом дно представляет собой заглушку с отверстиями, с противоположного конца трубного элемента выполнено кольцевое утолщение, а боковая поверхность трубного элемента выполнена с отверстиями; фильтр 2 выполнен в виде стакана с кольцевым утолщением, расположенным в верхней его части, и с отверстиями, расположенными на дне и в боковой поверхности; фильтр 2 выполнен в виде стакана с кольцевым утолщением, расположенным в нижней его части, и с отверстиями, расположенными на дне и в боковой поверхности.
Фильтр 2 размещен и зафиксирован внутри статора 8, расположенного внутри и соосно с муфтой 1, образуя в зоне фильтрации кольцевой зазор между внутренней поверхностью статора 8 и внешней боковой поверхностью фильтра 2 за счет кольцевого утолщения фильтра 2.
Фильтр 2 обеспечивает предотвращение засорения полости статора 8 на период времени спуска Башмака в виде попадания крупной фракции шлама и/или инородных предметов.
Заданные размеры фильтра 2 определяют исходя из условия обеспечения наполнения его крупной фракцией шлама и/или инородными предметами до окончания спуска Башмака в скважину до заданной глубины.
Наконечник 4 выполнен полым, с возможностью соединения с полым корпусом 3 с одной стороны и фигурной формы со сквозными отверстиями с другой стороны, например, фигурной формы в виде эксцентрического скругления, когда передний конец фигурной формы наконечника 4 смещен относительно оси обсадной колонны,
фигурной формы в виде концентрического скругления.
Наконечник 4 соединен с полым корпусом 3 с возможностью совместного вращения посредством резьбового соединения.
Сквозные отверстия наконечника 4 выполнены для обеспечения циркуляционного выхода рабочей жидкости из внутренней полости корпуса 3 и расположены в заданном направлении, например,
в осевом направлении,
в радиальном направлении,
в осевом и радиальном направлениях.
Наконечник 4 обеспечивает режуще-калибрующую обработку открытого ствола скважины и направление ОК по стволу скважины. Наконечник 4 дополнительно снабжен:
твердосплавным вооружением 12 в виде резцов PDC, твердосплавных зубьев или защитно-режущего покрытия с твердосплавной крошкой, например, карбид вольфрама или карбид ванадия, или их комбинациями, закрепленными на наружной поверхности наконечника 4;
кольцевым корпусом и режущими элементами, расположенными по окружности вокруг кольцевого корпуса, при этом кольцевой корпус с одной стороны закреплен на наконечнике 4, например, концентрического или эксцентрического элемента, выполненный из разбуриваемых или не разбуриваемых материалов, и с другой стороны соединен с полым корпусом 3.
Режущие элементы, расположенные на наконечнике 4, выполняют дополнительную функцию, а именно функцию проработки открытого ствола скважины при спуске обсадной колонны.
Наконечник 4 обеспечивает заданное направление движения башмака и обсадной колонны в открытом стволе скважины.
Например, направление колонны труб на осложненных участках скважины может отклоняться от оси ствола, особенно там, где открытый ствол проходит через более мягкие податливые породы. В этом случае используют наконечник 4 со скругленным концом концентрического исполнения, так как при эксцентрическом исполнении скругленного конца эта проблема может усугубляться использованием Башмака с эксцентричным наконечником, в котором передний конец смещен относительно оси колонны.
Подшипник 5 и 6 установлены во внутренних кольцевых проточках полого корпуса 3 между муфтой 1 и полым корпусом 3 и между статором 8 и ротором 7, воспринимают осевую и радиальную нагрузки, передаваемые от наконечника 4 и полого корпуса 3 на муфту 1, представляет собой, например, многорядный подшипниковый узел; внутреннюю опору, расположенную на внешней стенке муфты 1 и наружными опорами, расположенными на внутренней стенке полого корпуса 3.
Радиальный подшипниковый узел, воспринимающий радиальные нагрузки, передаваемые от наконечника 4 и полого корпуса 3 на муфту 1, представляет собой, например,
внутреннюю опору, расположенную на внешней стенке муфты 1 и наружной опорой.
Устройство работает следующим образом.
Осуществляют спуск башмака в скважину до заданной глубины.
В процессе его спуска в башмак подают циркуляцию рабочую жидкость не реже, чем каждые, например, 500 м., по стволу.
В процессе спуска башмака рабочая жидкость через турбину, попадает в наконечник 4 со сквозными отверстиями, приводя его во вращение. Далее рабочая жидкость выходит через сквозные отверстия наконечника 4, частично проходя через подшипники 6 и 5, смазывая и охлаждая их, при этом рабочая жидкость имеет возможность выходить между вращающимися и не вращающимися элементами башмака.
Вращающийся наконечник 4 со сквозными отверстиями прорабатывает участки ствола скважины, например, нестабильные участки ствола скважины, участки ствола с набухающими и обваливающимися глинами, обеспечивая беспрепятственное доведение обсадной колонны до заданной глубины - до финального забоя.
В процессе прохождения рабочая жидкость попадает в турбину через фильтр 2, в котором задерживаются инородные предметы и крупные фракции шлама, тем самым осуществляя предотвращение попадания шлама и/или инородных предметов во внутреннюю полость статора 8 с боковыми сквозными отверстиями 9 и засорения турбины.
Таким образом, фильтр 2 надежно перекрывает доступ шлама /или инородных предметов во внутреннюю полость турбины и, соответственно, башмака.
После спуска обсадной колонны при достижении заданной глубины осуществляют стандартную процедуру цементирования согласно плану работ.
Заявляемая конструкция башмака позволяет
обеспечить прохождение и попадание в затрубную часть обсадной колонны рабочей жидкости, например, бурового раствора, тампонажного раствора, или промывочной жидкости, не засоряя конструкцию,
повысить ресурс работы башмака, предотвращая засорение внутренней полости башмака инородными предметами и/или крупной фракции шлама, повышая надежность работы башмака.
Пример.
Осуществляют спуск башмака в не разбуриваемом исполнении в скважину до глубины 3000 м по стволу скважины, содержащего муфту 1, выполненную с возможностью закрепления ее на обсадной колонне, и внутри муфты 1 закреплен статор 8 в виде стакана, в боковой поверхности которого выполнены боковые сквозные отверстия 9 в два ряда; полый корпус 3 в виде полого цилиндра, на внешней поверхности которого расположены четыре ребра 11, выполненные с возможностью калибровки открытого ствола скважины в процессе прохождения башмака.
Внутри полого цилиндра 3 размещены муфта 1 и три радиальных подшипника 5 и 6 и закреплен ротор 7 в виде полого цилиндра с радиальными лопастями 10. Полый корпус 3 соединен с наконечником 4 посредством резьбы. Два радиальных подшипника 5 размещены во внутренних кольцевых проточках полого корпуса 3 между муфтой 1 и полым корпусом 3 до ротора 7. Один радиальный подшипник 6 размещен во внутренней кольцевой проточке полого корпуса 3 между полым корпусом 3 и статором 8 с боковыми сквозными отверстиями 9 под ротором 7.
Внутри статора 8 установлен фильтр 2 в виде стакана с кольцевым утолщением в верхней его части, которое обеспечивает перекрытие доступа инородных предметов и/или крупной фракции шлама вовнутрь статора 8, и с отверстиями, расположенными на дне и в боковой поверхности, обеспечивая прохождение отфильтрованной рабочей жидкости в кольцевой зазор между внутренней поверхностью статора 8 и внешней боковой поверхностью фильтра 2 и предотвращая засорение внутренней полости башмака.
Наконечник 4 выполнен полым и с возможностью соединения с полым корпусом 3 с одной стороны и фигурной формы со сквозными отверстиями и со скругленным концом с другой стороны, при этом скругленный конец имеет концентрическое исполнение.
Наконечник 4 снабжен твердосплавным вооружением 12 в виде резцов PDC, закрепленных на наружной поверхности наконечника 4.
Рабочая жидкость представляет собой промывочную жидкость.
В процессе спуска в башмак подают циркуляцию промывочной жидкости через каждые 500 метров по стволу, при этом подачу промывочной жидкости осуществляют через муфту 1, статор 8 и ротор 7, полый корпус 3, приводя во вращение наконечник 4. Промывочная жидкость частично проходит через два радиальных подшипника 6 и 5, смазывая и охлаждая их, и частично выходит между вращающимися и не вращающимися элементами башмака. Далее промывочная жидкость выходит через сквозные циркуляционные отверстия наконечника 4.
Вращающийся наконечник 4 со сквозными отверстиями прорабатывает нестабильные участки ствола скважины.
Башмак беспрепятственно доводит обсадную колонну до финального забоя на глубину 3000 м. Фильтр 2 обеспечивает задержку внутри себя инородных предметов и крупной фракцией шлама.
Предлагаемая конструкция башмака повышает ресурса работы в виде увеличения времени работы башмака, предотвращая засорения внутренней полости башмака, а именно, турбины и наконечника, инородными предметами и/или крупной фракцией шлама и, соответственно, повышает надежность работы башмака за счет предотвращения разрушения элементов конструкции внутренней полости башмака, входящие в контакт с рабочей жидкостью.