Гидроимпульсный расширитель

 

Назначение: расширитель предназначен для увеличения диаметра предварительно пробуренной скважины. Сущность изобретения: расширитель имеет корпус с соплами, прерыватель струй жидкости и стабилизирующие лопасти, прикрепленные к корпусу и его переходнику. При вращении буровой колонны прерыватель перекатывается по стенке скважины. Струи жидкости расширяет скважину. Лопасти контактируют со стенкой скважины и разворачивают струи в направлении вращения расширителя , что повышает эффективность расширения скважины. 1 з.п. ф-лы, 3 ил 2 табл.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (Я)5 Е 21 B 7/28

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

7 (21) 4819880/03 (22) 26.04.90 (46) 23.11.92. Бюл. N 43 (71} Всесоюзный научно-исследовательский институт гидрогеологии и инженерной геологии (72) М.Е;Грабовский (56) Г.П.Квашнин и А.И.Деревяннь1х. Водозаборные скважины с гравийными фильтрами. — M.: Недра, 1981, с.185, рис,73.

Там же, с.187, рис.75. (54) ГИДРОИМПУЛЬСН ЫЙ РАСШ ИРИТЕЛЬ,, SU „„177ЫЯ А1 (57) Назначение: расширитель предназначен для увеличения диаметра предваритель но пробуренной скважины. Сущность изобретения: расширитель имеет корпус с соплами, прерыватель струй жидкости и стабилизирующие лопасти, прикрепленные к корпусу и его переходнику. При вращении буровой колонны прерыватель перекатывается по стенке скважины. Струи жидкости расширяет скважину. Лопасти контактируют со стенкой скважины и рааворачивают струи в направлении вращения расширителя, что повышает эффективность расширения скважины. 1 з.п. ф-лы, 3 ил..2 табл.! ц о ф

i !

1776749

Изобретение относится к буровому инструменту, а именно к расширителям расчетного интервала скважин.

Известен гидротурбинный расширитель, представляющий собой гидрореактивную турбину, работающую по принципу сегнерова колеса (1), Такой расширитель имеет малую производительность, что снижает эффективность его использования и ограничивает рациональную область применения .

Другое известное устройство — струйный расширитель, включающий гидротурбину с двумя соплами, которые направлены под углом друг к другу и выполнены с разным выходным сечением (авт.св. М 891881, 1981), Высокая производительность такого расширителя обеспечивается только тогда, когда область пересечения двух струй приходится на поверхность забоя, В других случаях, например, когда струи пересекаются перед забоем, эффективность расширителя резко снин<ается.

Вращение гидротурбины в сторону, противоположную направлению струи, THKже снижает эффективность гидрораэмыва породы, Наиболее близким по технической сущности к заявляемому расширителю является гидроимпульсный расширитель, содержащий замок, в нижней части которого на валу установлен корпус (выполняющий функцию гидротурбины) и подвижный гидропрерыватель струи жидкости, ограниЧенный фиксатором от продольного перемещения (2).

Недостатком известного расширителя является снижение эффективного воздействия струи жидкости на породу при удалении забоя от оси скважины, а также при вращении корпуса в сторону, противоположную направлению исгечения жидкости из сопел.

Цель изобретения — повышение производительностии гидроимпульсного расширителя.

Поставленная цель достигается тем, что гидроимпульсный расширитель снабжен стабилизирующими лопастями, расположенными в одной вертикальной плоскости, проходящей через ось корпуса, одна из которых скреплена с переходником, а другая — с корпусом, при этом переходник скреплен с корпусом, на наружной поверхности прерывателя выполнены фрикционные насечки.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый расширитель отличается тем, что он снабжен стабилизирующими лопастями, переходник скреплен с корпусом, а рабочая поверх5

55 ность прерывателя имеет фрикционные насечки, Таким образом, заявляемый расширитель соответствует критерию изобретения

"новизна".

Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что использование одной лопасти, в качестве рабочего органа, широко известно, Однако, технических решений, использующих лопасть в качестве стабилизатора вращения низа бурильной колонны, выявлено не было, Исследованиями в области динамики бурильной колонны отмечено, что подвешенная над забоем бурильная колонна при вращении перекатывается по стенкам скважины (В,Н,Алексеев "Исследование устойчивости движения бурильной колонны на стенде", "Методика и техника разведки", N

131, ВТИР, 1979, стр.18). При этом, в результате самопроизвольного изменения соотношений между скоростями вращения участков колонны относительно собственной оси и относительно оси скважины, плоские полуволны неустойчивы, и бурильная колонна находится в состоянии хаотического движения, Установленные на гидроимпульсный расширитель стабилизирующие лопасти не дают трубам поворачиваться вокруг собственной оси, что вызывает увеличение скорости вращения расширителя до скорости вращения ротора и устойчивую работу бурильной колонный в пределах нижней четверти волны синусоиды.

Эффективность воздействия расширителя на забой повышается периодическим прерыванием струй при перекатывании рабочей поверхности прерывателя по стенке скважины, а также сближением внешних сечений сопел с забоем, Укаэанное выше позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию "существенные отличия".

На фиг.1 показан расширитель, продольный разрез; на фиг.2 — разрез по А-А на фиг.1.

Гидроимпульсный расширитель (фиг.1) состоит иэ переходника 1. сделанного за одно целое с корпусом 2 и валом 3. В корпусе 2 выполнены сопла 4,5,6. которые сообщаются с полостью 7 посредством кольцевой проточки 8, На валу 3 между корпусом 2 и фиксатором 9, ЯвлЯющимсЯ час- тью корпуса, установлен прерыватель 10, имеющий рабочую поверхность 11. При движении расширителя по стенке скважины (фиг.2) рабочая поверхность 11 контактирует с породой, в результате чего прерыватель

10 вращается вокруг корпуса 2 и периодически перекрывает внешние сечения 12, 13, 14

1776749 сопел 4, 5, 6. На переходнике 1 и фиксаторе

9 радиально закреплены стабилизирующие лопасти 15, 16, торцовые грани 17, 18 которых направлены в одну сторону.

Гидроимпульсный расширитель, соединенный посредством переходника 1 с бурильными трубами (на чертеже не показаны), спускают в расчетный интервал скважины. При вращении ротора расширитель вместе с низом бурильной колонны поворачивается относительно своей оси до положения, в котором торцовые грани 18, 19 лопастей 16, 17 войдут в контакт со стенкой скважины. В результате под действием момента силы инерции относительно торцовых . граней лопастей расширитель прижимается к забою и начинает движение вокруг оси скважины. Вращающийся в результате трения рабочей поверхности 11 о забой прерыватель периодически перекрывает внешние сечения 12, 13, 14 сопел 4, 5, 6, способствуя повышению эффективного воздействия жидкости на породу.

Частота вращения прерывателя определяется выражением и представлена также графически на фиг.3 т =- —, об/мин, п0 где и — частота вращения ротора, об/мин;

D — диаметр скважины, мм;

r — радиус прерывателя, мм, Частота генерируемых импульсов:

v N ,Гц, где N — число пластин прерывателя.

В начальной стадии при установившемся движении расширителя сопла направлены перпендикулярно к месту контакта . рабочей поверхности прерывателя с забоем, что позволяет максимально приблизить внешние сечения сопел к обрабатываемой поверхности.

С разработкой ствола скважины сопла поворачиваются в сторону вращения расширителя, создавая опережающее разрушение нежелательных выступов породы.

Для обеспечения указанных свойств расширителя направление гидромониторных насадок относительно стабилизирующих лопастей определяется углом а (фиг,2) из выражения

r D — г — В г

a = л — агссоз(— В 2r — 0) ) рад где D — начальный диаметр расширения; г — радиус рабочей поверхности прерывателя;

 — расстояние от торцовой грани лопасти до оси расширителя, В процессе проработки скважины расширитель перемещают от кровли расчетного интервала к подошве и обратно. При необходимости получения наибольшего

5 профиля расширения проработку интервала продолжают, пока манометр бурового насоса не покажет устойчивое изменение давления, свидетельствующего о создании такого расширенного контура, при котором

10 отклонение расширителя от оси скважины будет не достаточным, чтобы обеспечить контакт прерывателя с забоем.

Надежная работа заявляемого расширителя определяется условием;

15 S>jp, где S — сила прижатия расширителя к стенке скважины;

jp — реактивная сила струи жидкости, истекающая из сопел.

20 Сила прижатия расширителя к стенке скважины определяется по формуле (Е.Ф:Эпштейн и др. Расчет бурильных труб в геологоразведочном бурении. М,; Недра, 1979, стр.86):

Q 43 q юг Я (S—, кгс

Q где и — угловая скорость вращения ротора, С1; ц — вес 1 м бурильных труб, кгс/м;

R — расстояние от оси скважины до оси корпуса расширителя, м;

1 — длина нижней полуволны бурильной колонны, м, 4

35 1=4 67 «), м, а гг где Ej — жесткость бурильных труб, кгс.м .

g — 9,8 м/с .

Для бурильных труб диаметром 60, 73, 40 89 мм и частоте вращения ротора 120 об/мин значения прижимающей силы S приведены в табл.1, Реактивная сила струи вычисляется по формуле:

jp=< 7 г-, кгс, 107 2 где К вЂ” коэффициент. учитывающий увеличение реактивной силы в результате гидроим50 пульсного прерывания потока жидкости, К=2;

G — расход промывочной жидкости через сопло, л/с;

p — удельная масса жидкости для воды

55 1000 кг/м;

d — диаметр выходного сечения сопла, м.

Для случая, когда приведенный диаметр сопел d=0,015 м, значения Fp приведены в табл.2.

1776749

Таблица1

Таблица2

Сопоставление значения S и Гр, приведенных в табл,1,2, дает право считать, что высокая производительность предлагаемого расширителя обеспечивается при надежной его работе. 5

Использование заявляемого изобретения позволяет существенно повысить производительность гидроимпульсных расширителей с возможностью контроля за состоянием расширения. 10

Формула изобретения

1. Гидроимпульсный расширитель, включающий корпус с соплами, прерыватель струй жидкости, выполненный в виде кожуха с окнами в боковой поверхности, в кото- 15 ром с возможностью вращения установлен корпус, и переходник, отличающийся тем, что, с целью увеличения производительности за счет повышения эффективности воздействия струй жидкости на стенку скважины, он снабжен стабилизирующими лопастями, расположенными в одной вертикальной плоскости, проходящей через ось корпуса, одна из которых скреплена с переходником, а другая — с корпусом, при этом переходник скреплен с корпусом, 2. Расширитель по п.1, о т л и ч а ю щ ий с я тем, что на наружной поверхности прерывателя выполнены фрикционные насечки.

1776749

Составитель М. Грабовский

Техред М.Моргентал.

Редактор

Корректор Н.Гулько

Производственно-издагельский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 4103 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35. Раушская наб., 4/5