Устройство для расширения ствола скважины

 

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для расширения пробуренного ствола скважины. Задача изобретения заключается в повышении надежности и эффективности работы устройства в процессе расширения пробуренного ствола скважины. Устройство состоит из корпуса, в котором выполнены центральный осевой и радиальные каналы. Снаружи корпуса равномерно выполнены продольные пазы, в которых с помощью шарнирных соединений подвешены лопасти. Продольные пазы могут быть выполнены на внешней поверхности корпуса в несколько ярусов по высоте. В радиальных каналах установлены струйные сопла. Они размещены напротив нижних частей лопастей. Последние могут быть выполнены, например, в виде стержней круглого или иного сечения, а также цапф с вращающимися шарошками. Наружная поверхность лопастей армирована износостойким материалом. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для расширения пробуренного ствола скважины.

Известна конструкция устройства для расширения ствола скважины [1], которое включает присоединенный к нижнему концу бурильной колонны цилиндрический корпус. На корпусе шарнирно закреплены полые гильзы. Снаружи гильз соосно размещены шарошки. Каждая из последних имеет цилиндрическую форму и может вращаться вокруг оси соответствующей гильзы. В корпусе установлен также подпружиненный шток с поршнем для перевода гильз с шарошками из транспортного в рабочее положение.

Известное устройство не отличается надежностью в работе и не позволяет значительно увеличить диаметр пробуренного ранее ствола скважины.

Известен инструмент для расширения пробуренного в массиве каменной соли ствола скважины [2]. Этот инструмент включает в себя гидравлический забойный двигатель (ГЗД), корпус которого жестко связан с бурильной колонной. К нижнему концу полого вала ГЗД присоединен кронштейн с центральным осевым каналом, соосным c продольной осью ГЗД. К кронштейну посредством шарнира присоединены лопасти. Их центры тяжести смещены относительно продольной оси ГЗД. Периферийные поверхности лопастей армированы износостойким материалом.

Однако известное техническое решение в силу своих конструктивных особенностей недостаточно эффективно и надежно при увеличении диаметра пробуренного ранее ствола скважины.

Известен также буровой расширитель ствола скважины [3], который может быть выбран в качестве прототипа. Указанный расширитель состоит из корпуса с присоединительными резьбами на концах и с центральным осевым каналом, внутри которого размещен подпружиненный патрубок с кольцевой проточкой на наружной поверхности. К нижнему концу патрубка присоединен узел дросселирования потока промывочной жидкости. Патрубок установлен в корпусе с возможностью осевого возвратно-поступательного перемещения относительно последнего. В сквозных продольных пазах, равномерно размещенных на одном уровне по окружности корпуса, установлены с помощью шарнирных соединений лопасти. Они выполнены с Г-образным рычагом в верхней части и армированы с наружной стороны износостойким материалом. Каждая лопасть своим Г-образным рычагом может взаимодействовать с кольцевой проточкой на патрубке, перемещаясь при этом в радиальном направлении. В теле патрубка, на нескольких уровнях по его высоте, выполнены радиальные каналы, в которых установлены струйные сопла. Каждое из них размещено против нижней части соответствующей лопасти.

Конструктивные особенности известного технического решения (прототипа) не позволяют ему эффективно и надежно осуществлять процесс расширения пробуренного ствола скважины.

Задачей изобретения является повышение надежности и эффективности работы устройства в процессе расширения пробуренного ствола скважины.

Это достигается в предлагаемом техническом решении тем, что корпус устройства для расширения ствола скважины выполнен с присоединительной резьбой в верхней части, а также с центральным осевым и с радиальными каналами. В радиальных каналах корпуса установлены струйные сопла. Снаружи корпуса, на одном или нескольких уровнях по его высоте, выполнены продольные пазы, которые равномерно размещены по окружности корпуса. Продольные пазы, выполненные в корпусе на одном уровне, образуют ярус. В продольных пазах с помощью шарнирных соединений подвешены лопасти, армированные с наружной стороны износостойким материалом. Лопасти каждого яруса имеют различную длину: самые короткие установлены в верхнем ярусе, а наиболее длинные - в нижнем. Продольные пазы каждого яруса могут быть повернуты относительно продольных пазов смежного по высоте корпуса яруса на одинаковый угол в плоскости, перпендикулярной центральной продольной оси корпуса. Каждый из радиальных каналов выполнен в корпусе напротив нижней части соответствующей ему лопасти. Наружная поверхность лопасти, находящаяся против радиального канала, выполнена вогнутой. Лопасти могут быть выполнены, например, в виде стержней круглого или иного сечения. Наружная поверхность стержней сегментарно армирована по высоте износостойким материалом. Сегмент армирования повернут в направлении вращения корпуса на угол ϕ. Лопасти могут быть также выполнены, например, в виде цапф. Снаружи цапф концентрично установлены шарошки с цилиндрической, конической или эллипсоидной наружной поверхностью, армированной износостойким материалом. Каждая шарошка имеет возможность вращения относительно соответствующей цапфы.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 показан общий вид устройства с размещенными на корпусе в один ярус лопастями, выполненными в виде стержней круглого сечения; на фиг.2 - сечение А-А по фиг.1; на фиг.3 - сечение Б-Б по фиг.1; на фиг.4 показан общий вид устройства с размещенными на корпусе в два яруса лопастями, выполненными в виде стержней круглого сечения.

Устройство для расширения ствола скважины представляет собой корпус 1 с присоединительной резьбой 2 в верхней части, а также с центральным осевым 3 и с радиальными 4 каналами. Центральный осевой канал 3 в нижней части корпуса 1 заглушен.

Снаружи на корпусе 1 выполнены продольные пазы 5, которые равномерно размещены по его окружности. Продольные пазы 5 могут быть выполнены на нескольких уровнях по высоте корпуса 1. Продольные пазы 5, размещенные на одном уровне по высоте корпуса 1, составляют ярус. В продольных пазах 5 с помощью шарнирных соединений 6 подвешены лопасти 7. Центры тяжести лопастей 7 смещены в радиальном направлении относительно центральной продольной оси корпуса 1.

Лопасти 7 каждого из ярусов имеют различную длину: наиболее короткие из них размещены в верхнем ярусе, а наиболее длинные - в нижнем.

Продольные пазы 5 каждого яруса могут быть повернуты на одинаковый угол в плоскости, перпендикулярной центральной продольной оси корпуса 1, относительно продольных пазов 5 смежного яруса. Величина угла между продольными пазами 5 ярусов, смежных по высоте корпуса 1, может изменяться в пределах от 0^o до 360^o/2N, где N - число лопастей 7 в ярусе.

Лопасти 7 имеют различную пространственную форму, например, могут быть выполнены в виде стержней круглого или иного сечения и т.д. Наружная поверхность каждой лопасти 7, взаимодействующая со стенками ствола скважины, армирована износостойким материалом, например твердосплавными вставками 8.

В случае, если лопасти 7 выполнены в виде стержней, их наружная поверхность сегментарно армирована по высоте износостойким материалом. Для повышения эффективности разрушения стенок ствола скважины и продолжительности срока службы лопасти 7 сегмент армирования ее наружной поверхности может быть повернут на угол ϕ в направлении вращения корпуса 1, т.е. набегания лопасти 7 на стенки ствола скважины. Величина угла ϕ может изменяться в пределах от 0^o до 45^o.

Лопасти 7 могут быть также выполнены в виде цапф (не показаны). Снаружи каждой цапфы концентрично установлена с помощью подшипников шарошка, наружная поверхность которой может иметь цилиндрическую, коническую или эллипсоидную форму. Наружная поверхность шарошки армирована износостойким материалом. Шарошка установлена на цапфе с возможностью вращения вокруг ее оси.

Радиальные каналы 4 в корпусе 1 выполнены на уровне нижних частей лопастей 7. В радиальных каналах 4 размещены струйные сопла (не показаны). Струйные сопла выполнены из устойчивого к эрозионному износу материала.

Находящаяся против радиального канала 4 наружная поверхность лопасти 7 для повышения эффективности гидравлического воздействия на нее струи промывочной жидкости выполнена вогнутой.

Устройство для расширения ствола скважины работает следующим образом.

Корпус 1 с помощью присоединительной резьбы 2 прикрепляют к нижнему концу бурильного инструмента (к колонне бурильных труб или к выходному валу забойного двигателя), после чего спускают в ствол скважины. Когда устройство окажется против нижней отметки подлежащего расширению интервала ствола, осуществляют его вращение (с помощью ротора или забойного двигателя) с одновременной промывкой скважины. Промывочная жидкость нагнетается буровыми насосами в бурильную колонну и последовательно проходит через центральный осевой канал 3 корпуса 1, струйные сопла в радиальных каналах 4, а затем направляется в затрубное пространство скважины. При вращении корпуса 1 лопасти 7 под действием центробежных сил, возникающих из-за их смещенных центров тяжести, стремятся развернуться в радиальном направлении. За счет этого вращающиеся лопасти 7 прижимаются к стенкам ствола скважины и своим вооружением (твердосплавными вставками 8 или др.) начинают разрушать слагающие их горные породы.

Промывочная жидкость, протекая через установленные в радиальных каналах 4 струйные сопла, воздействует на лопасти 7. Попадая на вогнутую наружную поверхность лопасти 7, струя промывочной жидкости за счет своей гидравлической энергии стремится переместить лопасть 7 в радиальном направлении, т. е. прижать ее к стенкам ствола скважины. Это дополнительное усилие особенно полезно в начальный период процесса расширения ствола скважины. По мере увеличения диаметра ствола скважины струи промывочной жидкости, вытекающие через струйные сопла, перестают воздействовать на лопасти 7 и начинают разрушать горные породы, слагающие стенки ствола скважины. Это способствует более эффективному расширению ствола скважины.

Процесс расширения ствола скважины осуществляют при работающих буровых насосах за счет плавного перемещения устройства вместе с бурильной колонной снизу вверх со скоростью 0,3 - 1,5 м/ч (в зависимости от прочности горных пород, слагающих стенки ствола скважины).

По мере раскрытия вращающихся лопастей 7 увеличивается окружная скорость, с которой их вооружение взаимодействует со стенками ствола скважины. При этом эффективность расширения ствола скважины существенно возрастает.

При достижении устройством верхней отметки расширяемого интервала ствола скважины его вращение прекращают. Осуществляют повторный спуск устройства до нижней отметки расширяемого интервала, после чего указанный процесс повторяют. Указанные операции последовательно осуществляют до тех пор, пока ствол скважины в интервале расширения не достигнет заданного диаметра.

Источники информации, принятые во внимание 1. Авторское свидетельство СССР 1583581, Е 21 В 7/28, опубл. 07.08.90г. (бюл. 29).

2. Патент РФ 2084610, Е 21 В 10/32, опубл. 20.07.97г. (бюл. 20).

3. Патент США 4589504, Е 21 В 10/26, опубл. 20.05.86г.

Формула изобретения

1. Устройство для расширения ствола скважины, включающее корпус, выполненный с присоединительной резьбой в верхней части, с центральным осевым каналом и с продольными пазами, равномерно размещенными снаружи корпуса, в которых с помощью шарнирных соединений подвешены армированные с наружной стороны износостойким материалом лопасти, выполненные в корпусе на уровне нижних частей лопастей, сообщенные с центральным осевым каналом радиальные каналы для размещения в них струйных сопел, отличающееся тем, что продольные пазы для размещения в них лопастей выполнены снаружи корпуса на одном или нескольких уровнях по его высоте с образованием ярусов, при этом находящаяся напротив соответствующего радиального канала наружная поверхность каждой лопасти выполнена вогнутой.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что лопасти каждого из ярусов имеют различную длину, при этом наиболее короткие лопасти установлены в верхнем ярусе, а наиболее длинные - в нижнем.

3. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что лопасти выполнены, например, в виде стержней круглого или иного сечения, наружная поверхность которых сегментарно армирована по высоте износостойким материалом, причем сегмент армирования повернут на угол ϕ в направлении вращения корпуса, при этом величина угла ϕ может изменяться в пределах от 0 до 45^o.

4. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что лопасти выполнены, например, в виде цапф, снаружи которых концентрично и с возможностью вращения относительно последних установлены шарошки с цилиндрической, конической или эллипсоидной наружной поверхностью, армированной износостойким материалом.

5. Устройство по п.2, отличающееся тем, что продольные пазы каждого яруса повернуты относительно продольных пазов другого, смежного по высоте корпуса, яруса на угол ω в плоскости, перпендикулярной центральной продольной оси корпуса, причем величина угла ω может изменяться в пределах от 0 до 360^o/2N, где N - число лопастей в ярусе.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4