Башмак с клапаном

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 и клапан, установленный с возможностью обеспечения открытия канала перетока (патент РФ №170535, Е21В 17/14, оп 27.04.2017 г.).
Недостатком данного технического решения является возможность засорения самого канала перетока вследствие попадания крупной фракции бурового шлама и/или инородных предметов в связи с конструктивным ограничением диаметра данного канала.
Наиболее близким техническим решением является Колонный башмак с гидравлическим приводом, содержащий муфту, турбину, состоящую из статора с боковыми сквозными отверстиями, расположенными в одной плоскости сечения, 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 возможности возобновить циркуляцию промывочной жидкости через башмак при спуске обсадной колонны в случае засорения внутренней полости башмака вследствие попадания крупной фракции бурового шлама и/или инородных предметов.
Технический результат предлагаемого технического решения заключается в повышении надежности работы Башмака за счет устранения потери циркуляции из-за засорения внутренней полости башмака вследствие попадания крупной фракции бурового шлама и/или инородных предметов, обеспечивая возобновление циркуляции рабочей жидкости через башмак.
Поставленный технический результат достигается тем, что Башмак с клапаном содержит муфту, турбину, состоящую из статора со сквозными отверстиями, расположенными в одной плоскости сечения, и ротора с лопастями, наконечник, выполненный со сквозными отверстиями, и подшипники, дополнительно снабжен предохранительным клапаном, состоящим из мембраны и элемента крепления, и полым корпусом, выполненным с возможностью размещения внутри него муфты, турбины и подшипников и с внутренними кольцевыми проточками, при этом внутри полого корпуса закреплен с возможностью вращения ротор с лопастями, полый корпус соединен с наконечником с возможностью совместного вращения, муфта выполнена с возможностью закрепления ее на обсадной колонне и закрепления статора внутри муфты с возможностью взаимодействия с лопастями ротора, статор дополнительно снабжен осевым сквозным отверстием, в котором закреплен предохранительный клапан, подшипники установлены во внутренних кольцевых проточках полого корпуса между муфтой и полым корпусом и между статором и ротором, наконечник выполнен с возможностью гидравлического сообщения с турбиной, элемент крепления представляет собой гайку.
На фиг. 1 изображен Башмак с клапаном в разрезе, на фиг. 2 изображен разрез А-А на фиг. 1.
Башмак с клапаном (далее по тексту - Башмак) содержит муфту 1, турбину, полый корпус 2, наконечник 3, подшипники 4 и 5 и предохранительный клапан 6.
Турбина состоит из ротора 7 с лопастями и статора 9 со сквозными отверстиями 10, расположенными в одной плоскости сечения, и осевым сквозным отверстием 11, в котором закреплен предохранительный клапан 6, обеспечивающий гидравлический канал при засорении статора 9.
Турбина выполнена с возможностью регулирования заданных параметров статора 9 и ротора 7, позволяя увеличивать или уменьшать заданные параметры:
крутящий момент, перепад давления, обороты вращения наконечника 3 и полого корпуса 2.
Регулирование заданных параметров статора 9 и ротора 7 осуществляют посредством изменения, например, площади сечения сквозных отверстий 10, геометрической формы радиальных лопастей.
Например, ротор 7 представляет собой полый цилиндр с радиальными лопастями, расположенными на внутренней боковой поверхности полого цилиндра 7 и ориентированными параллельно оси Башмака, например:
радиальные лопасти расположены по спиральной траектории,
радиальные лопасти расположены прямолинейно,
радиальные лопасти расположены по радиусу с равным осевым шагом,
радиальные лопасти расположены с ассиметричным расположением по окружности.
Например, статор 9 представляет собой стакан, выполненный с осевым сквозным отверстием, расположенным в дне стакана 9 и со сквозными отверстиями 10, расположенными в боковой поверхности и в одной плоскости сечения, при этом центр выхода отверстий 10 расположен, например, на наружной окружности стакана 9 и совпадает с ее радиусом; ось отверстий 10 находится под заданным углом, например 45 градусов, к радиусу в плоскости сечения, перпендикулярной оси стакана 9.
Полый корпус 2 выполнен заданной формы и заданных размеров с внутренними кольцевыми проточками и с возможностью размещения внутри него муфты 1, турбины и подшипников 4 и 5.
Полый корпус 2 выполнен, например, в виде полого цилиндра.
Полый корпус 2 соединен с наконечником 3 с возможностью совместного вращения посредством, например резьбы.
Внутри полого корпуса 2 закреплен с возможностью вращения ротора 7 с лопастями и таким образом, чтобы статор 9, закрепленный внутри муфты 1 с возможностью взаимодействия с лопастями ротора 7, располагался сквозными отверстиями 10 напротив лопастей ротора 7.
Муфта 1 выполнена с возможностью закрепления ее на обсадной колонне и закрепления статора 9 внутри муфты 1 с возможностью взаимодействия с лопастями ротора 7.
Например, муфта 1 представляет собой полый цилиндр с внутренними резьбами, при этом одна внутренняя резьба расположена на внутренней поверхности полого цилиндра с возможностью присоединения муфты 1 к обсадной трубе с одной стороны и другая внутренняя резьба расположена на внутренней поверхности полого цилиндра с возможностью закрепления муфты 1 к статору 9 с противоположной стороны.
В разбуриваемом исполнении Башмака статор 9 выполнен из разбуриваемого материала и входит в состав муфты 1 как единое целое.
Наконечник 3 задает направление движения Башмака и обсадной колонны в открытом стволе скважины и выполнен со сквозными отверстиями, например, расположенными в нижней его части, обеспечивающими выход промывочной жидкости с заданным давлением, и с возможностью гидравлического сообщения с турбиной.
Например, наконечник 3 выполнен в виде полого конуса со сквозными циркуляционными отверстиями, выполняющего режуще-калибрующую обработку открытого ствола скважины, обеспечивая направление обсадной колонны по стволу скважины.
Сквозные циркуляционные отверстия расположены и выполнены с возможностью обеспечения выхода промывочной жидкости из внутренней полости полого конуса, например, сквозные циркуляционные отверстия расположены в осевом и/или радиальном направлении.
Предохранительный клапан 6 состоит из мембраны и элемента крепления, представляя собой настраиваемый узел, например, подбором мембраны определенной толщины, при этом элемент крепления представляет собой, например, прижимную гайку.
Например, предохранительный клапан 6 разрывного типа состоит из разрывной предохранительной мембраны и узла ее крепления в виде зажимающих элементов в сборе с другими элементами, например, прижимной гайки, уплотнениями (на фиг. не показано), при этом предохранительный клапан 6 может быть выполнен монолитно или разборно.
Предохранительный клапан 6 предназначен для обеспечения возобновления циркуляции рабочей жидкости через Башмак при заданном давлении срабатывания в случае засорения, например, в виде попадания крупной фракции бурового шлама или инородных предметов во внутренние полости муфты 1 статора 9.
Давление срабатывания зависит от геометрических размеров, например, разрывной предохранительной мембраны предохранительного клапана 6, которые определяют исходя из заданных режимов работы Башмака.
Подшипники 4 и 5 размещены во внутренних кольцевых проточках полого корпуса 2: между муфтой 1 и полым корпусом 2 и между статором 9 и ротором 7, обеспечивая свободное вращение полого корпуса 2, например,
многорядный подшипник 4 установлен в верхней внутренней кольцевой проточке полого корпуса 2 и радиальный подшипник 5 установлен в нижней внутренней кольцевой проточке полого корпуса 2;
два радиальных подшипника 4 установлены в верхних внутренних кольцевых проточках полого корпуса 2 и радиальный подшипник 5 установлен в нижней внутренней кольцевой проточке полого корпуса 2.
Многорядный подшипник представляет собой подшипник, воспринимающий осевые и радиальные нагрузки, передаваемые от наконечника 3 и полого корпуса 2 на муфту 1.
Радиальный подшипник представляет собой подшипник, воспринимающий радиальные нагрузки, передаваемые от наконечника 3 и полого корпуса 2 на муфту 1.
Башмак представлен в разбуриваемом или не разбуриваемом исполнениях и состоит из деталей и элементов, которые могут быть навинчены друг на друга или могут быть адаптированы для соединения вместе, в виде встроенного узла.
Устройство работает следующим образом.
Осуществляют спуск Башмака, если при спуске обсадной колонны в открытом стволе скважины возникают осложнения, имеется возможность подавать рабочую жидкость во внутреннюю полость обсадных труб, запуская приводной блок устройства, и дистанционно приводить в действие Башмак для устранения препятствий, чтобы обеспечить спуск обсадной колонны до заданной глубины.
В процессе спуска в Башмак подают циркуляцию промывочной жидкости не реже чем каждые 500 метров по стволу, и Башмак устраняет препятствие и в случае засорения внутренней полости башмака вследствие попадания, например, крупной фракции бурового шлама или инородных предметов, обеспечивая возобновление циркуляции рабочей жидкости посредством предохранительного клапана 6, который возобновляет циркуляцию через Башмак в случае засорения турбины и, соответственно, превышения заданного дифференциального давления в предохранительном клапане 6.
Крутящий момент создают турбиной, представляющей собой, например, осевую многоступенчатую турбину или пакет турбин, и передают на наконечник 3. Осевая и радиальная нагрузки от наконечника 3 через подшипники 4 и 5 передают на обсадную колонну, создавая осевую нагрузку на наконечник 3 для проработки осложненных интервалов при спуске обсадной колонны в скважину.
В процессе работы Башмака подают рабочую жидкость, например, промывочную жидкость, через турбину, приводя во вращение наконечник 3. Далее рабочая жидкость выходит через сквозные циркуляционные отверстия наконечника 3, частично проходя через подшипники 4 и 5, смазывая и охлаждая их, имея возможность выходить между вращающимися и не вращающимися элементами Башмака.
Вращающийся наконечник 3 прорабатывает участки ствола скважины, например, нестабильные участки ствола скважины, участки ствола с набухающими и обваливающимися глинами, обеспечивая беспрепятственное доведение обсадной колонны до финального забоя.
В процессе прохождения Башмак сохраняет работоспособность при многократной циклической осевой сжимающей нагрузке и выдерживает в таком режиме более 500 расхаживаний в режиме проработки.
Прорабатывающий Башмак не создает перепад давления при резкой нештатной остановке Башмака.
Если при спуске Башмака в скважину происходят скачки (рост) давления в нагнетательной линии, не связанные с технологическими причинами, это может свидетельствовать об попадание в турбину инородных предметов.
В связи с этим, в случае роста дифференциального давления на Башмаке, связанного с попаданием посторонних предметов и/или бурового раствора, и невозможности поднять обсадную колонну для замены зашламованного Башмака циркуляцию восстанавливают активацией предохранительного клапана 6 заданным давлением активации.
Для чего предохранительный клапан 6 срабатывает при заданном давлении активации, разрушаясь под действием давления. Разрушенный предохранительный клапан 6 открывает осевое сквозное отверстие 11, расположенное в дне стакана 9, которое обеспечивает удаление засорения из полости статора 9.
После чего осуществляют удаление засорения посредством возобновления циркуляции промывочной жидкости через внутреннюю полость статора 9 и открывшееся осевое сквозное отверстие 11.
Башмак беспрепятственно доводит обсадную колонну до финального забоя на заданную глубину.
После спуска обсадной колонны при достижении заданной глубины осуществляют стандартную процедуру цементирования согласно плану работ.
Предлагаемая конструкция Башмака обеспечивает прохождение и попадание в затрубную часть обсадной колонны рабочей жидкости, например бурового раствора, тампонажного раствора, или промывочной жидкости, устраняя засорения внутренней полости Башмака в виде крупной фракции бурового шлама и/или инородных предметов, образовавшихся вследствие их попадания вовнутрь Башмака, и тем самым обеспечивая возобновление циркуляции рабочей жидкости через Башмак.
Пример.
Осуществляют спуск Башмака в разбуриваемом исполнении в скважину до 3500 м глубины, содержащего муфту 1, выполненную с возможностью закрепления ее на обсадной колонне, внутри муфты 1 закреплен статор 9 в виде стакана с осевым сквозным отверстием 11, в котором закреплен предохранительный клапан 6, состоящий из разрывной мембраны и прижимной гайки, и с тремя сквозными отверстиями 10, расположенными в одной плоскости сечения и с центром выхода каждого сквозного отверстия 10, расположенного на наружной окружности стакана 9, совпадая с ее радиусом, полый корпус 2 в виде полого цилиндра, внутри которого размещены муфта 1 и два радиальных подшипника 4 и 5, закреплен ротор 7 в виде полого цилиндра с радиальными лопастями, расположенными на внутренней боковой поверхности полого цилиндра прямолинейно. Полый корпус 2 соединен с наконечником 3 посредством резьбы. Два радиальных подшипника 4 и 5 размещены во внутренних кольцевых проточках полого корпуса 2, один 4 из которых размещен между муфтой 1 и полым корпусом 2, а второй подшипник 5 размещен и между статором 9 и ротором 7.
В процессе спуска в Башмак подают циркуляцию промывочной жидкости через каждые 500 метров по стволу, при этом подачу рабочей жидкости в виде промывочной жидкости осуществляют через муфту 1, турбину 7 и 9, приводя во вращение наконечник 3. Далее промывочная жидкость выходит через сквозные циркуляционные отверстия наконечника 3, частично проходя через два радиальных подшипника 4 и 5, смазывая и охлаждая их, и частично выходя между вращающимися и не вращающимися элементами Башмака. Вращающийся наконечник 3 прорабатывает нестабильные участки ствола скважины.
При засорении турбины, а именно, внутренней полости статора 9 и его сквозных отверстий 10 вследствие попадания крупной фракции бурового шлама, возобновление циркуляции промывочной жидкости осуществляют посредством предохранительного клапана 6:
при превышении дифференциального давления в предохранительном клапане 6 на 80 атм. предохранительный клапан 6 срабатывает посредством давления активации, равным 80 атм., разрывная мембрана разрушается под действием давления, открывая осевое сквозное отверстие 11, через которое буровой шлам вымывается промывочной жидкостью из полости статора 9.
После устранения препятствия в виде крупной фракции бурового шлама возобновляется циркуляция промывочной жидкости через внутреннюю полость статора 9, открывшееся осевое сквозное отверстие 11 и наконечник 3.
Башмак беспрепятственно доводит обсадную колонну до финального забоя на глубину 3500 м.
Предлагаемая конструкция Башмака обеспечивает прохождение через него и попадание в затрубную часть обсадной колонны рабочей жидкости, например бурового, тампонажного раствора, или промывочной жидкости, устраняя засорение внутренней полости башмака в виде крупной фракции бурового шлама или инородных предметов, образовавшихся вследствие их попадания вовнутрь Башмака, и возобновляя циркуляцию рабочей жидкости через Башмак.