Колонный башмак с гидравлическим приводом
Изобретение относится к области строительства нефтяных и газовых скважин и предназначено для проработки необсаженного ствола скважины при спуске обсадной колонны. Технический результат - снижение непроизводительных потерь энергии потока жидкости и, как следствие, повышение КПД гидравлического привода. Колонный башмак с гидравлическим приводом содержит корпус и соосно закрепленный на его нижнем торце с возможностью вращения хвостовик. При этом корпус представляет собой цилиндрический стакан, в боковой стенке которого на сопряжении с внутренней поверхностью дна с равным шагом по окружности выполнены спиральные каналы, угол входа которых относительно вертикальной оси не превышает угла выхода, при этом выходные отверстия каналов ориентированы по касательной к боковой поверхности корпуса. Хвостовик содержит внутреннюю кольцевую полость, сопряженную с поверхностью корпуса в месте расположения выходных отверстий спиральных каналов, в которой установлена вертикальная турбина ковшового типа. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.
Техническое решение относится к области строительства нефтяных и газовых скважин, и предназначено для проработки необсаженного ствола скважины при спуске обсадной колонны.
Известны колонные башмаки различных конструкций (см., например, патенты RU №№: 131060, МПК E21B17/14, опубликован 10.08.2013 г.; 2574237, МПК E21B17/14, опубликован 10.02.2016 г.; 170535, МПК E21B17/14, опубликован 27.04.2017 г.), объединенные общим признаком -возможностью вращательного движения хвостовика силовым приводом.
Недостатком известных колонных башмаков является низкий КПД.
Известен принятый в качестве ближайшего аналога гидравлический силовой привод колонного башмака (см. патент RU № 2200815, МПК E21B4/02, опубликован 20.03.2003 г.), содержащий корпус, имеющий элемент для соединения с бурильной колонной и полость для подачи промывочной жидкости, установленный с возможностью вращения в полости для подачи промывочной жидкости вал с закрепленным на нем по крайней мере одним турбинным колесом, имеющим спиральные лопасти, выполненные в виде спиральных пазов на участке боковой внешней поверхности турбинного колеса протяженностью менее ее длины по образующей, и закрепленный на корпусе в полости для подачи промывочной жидкости по крайней мере один статорный элемент с направляющими поток жидкости каналами, выполненными в виде продольных пазов, расположенных двумя группами на внутренней поверхности статорного элемента с образованием по периметру внутренней поверхности разделительного участка между группами, и с внутренней поверхностью, охватывающей боковую внешнюю поверхность турбинного колеса.
Промывочная жидкость из бурильной колонны подается в полость корпуса гидравлического привода и далее поток промывочной жидкости входит в пространство группы продольных пазов статорного элемента, откуда на сопряжении наклонных концевых участков с разделительным участком статорного элемента попадает в пространство спиральных пазов турбинного колеса, где, динамически воздействуя на наклонные поверхности спиральных пазов, создает момент силы на турбинном колесе. На сопряжении наклонных концевых участков спиральных пазов с пространством группы продольных пазов поток промывочной жидкости смещается в пространство каналов статорного элемента. Далее через продольные пазы последующего статорного элемента поток осуществляет воздействие на соответствующее турбинное колесо и, упомянутым образом, на все последующие турбинные колеса, заставляя вращаться вал с обеспечением суммарного по количеству турбинных колес момента силы.
Известный гидравлический привод позволяет обеспечить использование как кинетической энергии струи потока, так и потенциальной энергии давления промывочной жидкости для вращения хвостовика колонного башмака, однако также обладает низким КПД, ввиду потерь энергии потока на сопряжении спиральных пазов ротора и продольных пазов статора (трение, тепловые потери, возможные турбулентные и/или кавитационные явления).
Задачей заявляемого технического решения является создание колонного башмака с гидравлическим приводом, обеспечивающим высокий момент силы.
Технический результат, обеспечиваемый заявляемым решением, заключается в снижении непроизводительных потерь энергии потока жидкости и, как следствие, повышении КПД гидравлического привода.
Технический результат достигается за счет того, что в колонном башмаке с гидравлическим приводом, содержащем корпус и соосно закрепленный на его нижнем торце с возможностью вращения хвостовик, корпус представляет собой цилиндрический стакан в боковой стенке которого на сопряжении с внутренней поверхностью дна с равным шагом по окружности выполнены спиральные каналы, угол входа которых относительно вертикальной оси не превышает угла выхода, при этом выходные отверстия каналов ориентированы по касательной к боковой поверхности корпуса, хвостовик содержит внутреннюю кольцевую полость, сопряженную с поверхностью корпуса в месте расположения выходных отверстий спиральных каналов, в которой установлена вертикальная турбина ковшового типа.
Кроме того, в центральной части на внутренней поверхности дна корпуса колонного башмака может быть выполнен рассекатель потока, образующая поверхность которого выполнена наклонной относительно вертикальной оси с расширением вниз к основанию.
Заявляемое техническое решение поясняется чертежами, где на фиг. 1 схематично представлено осевое вертикальное сечение колонного башмака, на фиг. 2 – сечение А-А фиг. 1.
Колонный башмак с гидравлическим приводом содержит корпус 1 с боковой стенкой 2, в которой выполнены спиральные каналы 3, дном 4, на внутренней поверхности которого выполнен рассекатель 5 потока, хвостовик 6 с полостью 7, в которой установлена турбина 8, узел 9 соединения корпуса и хвостовика.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
Верхнюю часть корпуса 1 башмака присоединяют к нижнему концу колонны обсадных труб, после чего начинают спуск колонны в скважину. В процессе спуска обсадной колонны с колонным башмаком в скважину, в случае возникновения препятствий, через внутреннее пространство колонны внутрь корпуса 1 колонного башмака подается поток промывочной жидкости, направление которого изначально строго вертикально-осевое. Попадая на расположенный на внутренней поверхности дна 4 рассекатель 5 потока жидкость отклоняется от вертикали. Далее жидкость попадает в расположенные в боковой стенке 2 корпуса 1 входные отверстия спиральных каналов 3, и, перемещаясь внутри них, приобретает вращательный момент.
На выходе из спиральных каналов 3 потоки жидкости имеют существенный момент вращения, а направление их движения изменено от вертикально-осевого (на входе в колонный башмак) до близкого к горизонтальному ориентированному по касательной к поверхности боковой стенки 2.
Из выходных отверстий спиральных каналов 3 потоки жидкости попадают на лопатки ковшовой турбины 8 (турбины Пелтона), установленной в полости 7 хвостовика 6, обеспечивая его вращение в узле 9 относительно корпуса 1.
Вращаясь, хвостовик 6 прорабатывает ствол скважины, устраняя возникшее препятствие режущими органами, расположенными на своей внешней поверхности.
В хвостовике 6 выполнено одно или несколько сквозных отверстий, через которые помывочная жидкость поступает в ствол скважины дополнительно смачивая его.
Следует иметь ввиду, что наличие рассекателя 5 потока, является дополнительным преимуществом в случаях, когда движение промывочной жидкости в колонне обсадных труб происходит самотеком под действием силы тяжести (без избыточного давления). Конструкционные особенности вариантов его исполнения в этих случаях, могут быть различными и рассчитываются для конкретных условий эксплуатации устройства. Например, рассекатель потока может иметь форму кругового конуса, усеченного кругового конуса, сферического сегмента (вплоть до полусферы), фигуры вращения параболического сегмента и т.п.
В случаях, когда промывочная жидкость подается в колонну обсадных труб с избыточным давлением (отсутствует составляющая кинетической энергии потока, а энергия жидкости на выходе из спиральных каналов 3 зависит только от значения избыточного давления, высоты столба жидкости в колонне и потерь на трение в самих каналах 3), наличие рассекателя 5 потока для повышения КПД становится несущественным.
Узел 9 соединения корпуса 1 и хвостовика 6, в общем случае представляет собой подшипниковый узел, который может содержать один или несколько подшипников, фиксирующих взаимное осевое расположение корпуса 1 и хвостовика 6.
Спиральные каналы 3, выполненные в боковой стенке 2 корпуса 1 могут иметь различное количество витков, однако предпочтительно, чтобы оно составляло от 0,2 до 0,5 витков (виток – один полный оборот вокруг оси). Данный диапазон значений обеспечивает минимизацию совокупных потерь энергии потока (при изменении направления движения и на трение).
Заявляемое техническое решение обеспечивает максимальный КПД совокупной энергии потока промывочной жидкости, направленной на совершение работы по вращению хвостовика колонного башмака, за счет оптимизации конечного направления потока с минимальными потерями на трение и снижении возможности возникновения турбулентных и кавитационных явлений в процессе его перемещения из обсадной колонны на турбину хвостовика.
1. Колонный башмак с гидравлическим приводом, содержащий корпус и соосно закрепленный на его нижнем торце с возможностью вращения хвостовик, отличающийся тем, что корпус представляет собой цилиндрический стакан, в боковой стенке которого на сопряжении с внутренней поверхностью дна с равным шагом по окружности выполнены спиральные каналы, угол входа которых относительно вертикальной оси не превышает угла выхода, при этом выходные отверстия каналов ориентированы по касательной к боковой поверхности корпуса, хвостовик содержит внутреннюю кольцевую полость, сопряженную с поверхностью корпуса в месте расположения выходных отверстий спиральных каналов, в которой установлена вертикальная турбина ковшового типа.
2. Колонный башмак с гидравлическим приводом по п. 1, отличающийся тем, что в центральной части на внутренней поверхности дна корпуса колонного башмака выполнен рассекатель потока, образующая поверхность которого выполнена наклонной относительно вертикальной оси с расширением вниз к основанию.
