Устройство для расширения пробуренного ствола скважины

 

Изобретение относится к горной промышленности и является устройством для расширения пробуренного ствола скважины. Устройство включает корпус с центральным осевым каналом, наружным кольцевым выступом и с осевыми пазами, в которых на шарнирах подвешены рабочие органы в виде гидродинамических лопастей с положительным в направлении вращения углом атаки. В центральном осевом канале установлен полый вал, связанный своим верхним концом с корпусом, а последовательно в направлении сверху вниз снаружи вала с возможностью осевого возвратно-поступательного перемещения и взаимодействия между собой установлены упорная втулка, пружина и гильза. Вокруг полого вала размещены тяги, каждая из которых одним концом с помощью шарнирного соединения связана с соответствующим ей рабочим органом, другие концы тяг с помощью шарниров связаны с гильзой. К нижнему концу вала присоединен опорный элемент, который выполнен с осевым каналом и радиальными окнами. Изобретение обеспечивает увеличение надежности и эффективности работы устройства. 1 с. и 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при строительстве скважин.

Известно устройство для расширения ствола скважины (1), которое состоит из присоединяемого к нижнему концу бурильной колонны корпуса с наружными осевыми пазами. В пазах корпуса шарнирно закреплены полые гильзы с размещенными на их наружной поверхности шарошками. Каждая из шарошек имеет цилиндрическую форму, установлена соосно соответствующей ей гильзе и может вращаться относительно нее. В корпусе также установлен подпружиненный шток с поршнем для принудительного перевода гильз с шарошками из транспортного положения в рабочее.

Известное устройство не отличается надежностью в работе и не позволяет эффективно расширять пробуренный ствол скважины.

Известно устройство для расширения пробуренного ствола скважины (2), которое состоит из корпуса, выполненного с присоединительной резьбой в верхней части, с центральным осевым каналом и с продольными пазами, равномерно размещенными снаружи корпуса. В этих пазах с помощью шарнирных соединений подвешены лопасти с Г-образными плечами. С наружной стороны лопасти армированы износостойким материалом. В центральном осевом канале корпуса с возможностью осевого возвратно-поступательного перемещения размещен подпружиненный ствол. В средней части ствола выполнена наружная кольцевая проточка, которая имеет возможность взаимодействия с Г-образными плечами лопастей. Принудительный перевод лопастей из транспортного положения в рабочее осуществляется за счет осевого перемещения ствола относительно корпуса.

К недостаткам указанного устройства можно отнести его низкую эффективность и недостаточную надежность в процессе расширения ствола скважины.

Известно также устройство для расширения пробуренного ствола скважины (3), которое может быть выбрано в качестве прототипа предлагаемого технического решения. Это устройство включает цилиндрический корпус с центральным ступенчатым осевым каналом, выполненный с присоединительной резьбой в верхней части. В нижней части корпуса выполнен наружный кольцевой выступ. В нем равномерно по окружности проделаны осевые пазы. В осевом канале корпуса соосно установлен вал. К нижнему концу вала жестко присоединен фигурный опорный элемент. С наружной стороны в средней части вала неподвижно закреплено стопорное кольцо. Рабочие органы и тяги образуют пространственный пантографический механизм. Рабочие органы и тяги выполнены в виде режущих ножей, которые концентрично и равномерно размещены снаружи вала. Смежные концы каждого рабочего органа и соответствующей ему тяги соединены между собой с помощью шарнирного соединения. Свободный конец каждого рабочего органа связан с корпусом с помощью шарнирного соединения, установленного в осевом пазу. Свободный конец каждой тяги с помощью шарнирного соединения связан со стопорным кольцом на валу. Для обеспечения равномерной передачи усилий на все элементы пространственного пантографического механизма вал и нижняя часть осевого канала гильзы в поперечном сечении имеют форму многогранника, т.е. образуют между собой подвижное шлицевое соединение.

Однако из-за своих конструктивных особенностей известное устройство недостаточно надежно в работе и не может быть эффективно использовано для расширения ствола скважины даже на незначительной глубине.

Задачей изобретения является увеличение надежности и эффективности работы устройства в скважине.

Это достигается в предлагаемом техническом решении тем, что устройство для расширения пробуренного ствола скважины состоит из корпуса, который выполнен с центральным осевым каналом и с наружным кольцевым выступом, а на верхнем конце имеет резьбу для присоединения к нижнему концу бурильной колонны. По окружности наружного кольцевого выступа корпуса равномерно выполнены осевые пазы. Вал выполнен полым, соосно установлен в центральном осевом канале корпуса и своим верхним концом связан с ним. На наружной стороне вала закреплено стопорное кольцо.

Снаружи вокруг вала размещены тяги и рабочие органы, которые выполнены в виде гидродинамических лопастей с положительным в направлении вращения корпуса углом атаки. Рабочие органы верхними концами с помощью шарниров подвешены в осевых пазах наружного кольцевого выступа корпуса. Рабочие органы могут быть выполнены с герметичными внутренними полостями, которые могут быть заполнены жидкостью или газом. Заполняющие герметичные внутренние полости жидкость или газ могут находиться под избыточным внутренним давлением.

Снаружи вала последовательно в направлении сверху вниз установлены упорная втулка, пружина и гильза, которые имеют возможность взаимодействия между собой и осевого возвратно-поступательного перемещения относительно вала. Каждая тяга с помощью шарнирных соединений одним концом связана с соответствующим ей рабочим органом, а другим концом - с гильзой. К нижнему концу вала присоединен фигурный опорный элемент, выполненный с осевым каналом и радиальными окнами. Опорный элемент может быть выполнен в виде утяжеленной бурильной трубы с размещенными по ее длине центрирующими элементами.

Между валом и опорным элементом может быть установлен хвостовик, который своим нижним концом связан с опорным элементом. Хвостовик может быть выполнен в виде одиночного патрубка или телескопического соединения двух и более патрубков, которые могут взаимно перемещаться в осевом направлении.

Снаружи верхней части корпуса может быть концентрично размещена обойма с резьбой для присоединения к нижнему концу бурильной колонны. В обойме по окружности выполнены осевые каналы, в которых установлены подпружиненные пальцы. На верхнем торце наружного кольцевого выступа корпуса равномерно по его окружности выполнены радиальные пазы. Каждый радиальный паз образован двумя взаимно пересекающимися плоскостями. Каждая из этих плоскостей имеет различный угол наклона к плоскости, перпендикулярной оси вращения корпуса. Нижний конец каждого пальца имеет возможность взаимодействия с радиальными пазами на верхнем торце наружного кольцевого выступа корпуса. Корпус и вал установлены на подшипниках с возможностью вращения вокруг центральной оси. Один из подшипников размещен между обоймой и корпусом, а другой - между нижним концом вала и верхним концом хвостовика.

Конструкция предложенного устройства поясняется чертежами, где на фиг.1 показан общий вид основного (базового) варианта устройства в транспортном положении; на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1, причем в качестве примера одна из лопастей показана выполненной сплошной, а другая - с внутренней герметичной полостью; на фиг.3 - общий вид усовершенствованного варианта устройства в транспортном положении.

Усовершенствованный вариант устройства отличается от основного (базового) варианта наличием дополнительно установленных узлов и деталей, повышающих его эксплуатационную надежность и диапазон технологических возможностей.

Устройство для расширения пробуренного ствола скважины состоит из корпуса 1 с центральным осевым каналом и с наружным кольцевым выступом 2. На верхнем торце наружного кольцевого выступа 2 корпуса 1 выполнены радиальные пазы 3, каждый из которых образован двумя взаимно пересекающимися плоскостями. Каждая из этих смежных плоскостей, образующих радиальный паз, имеет различные (заранее рассчитанные) углы наклона к плоскости, перпендикулярной оси вращения корпуса 1.

В нижней части наружного кольцевого выступа 2, равномерно по его окружности, выполнены осевые пазы. В этих осевых пазах на осях 4 шарнирно подвешены рабочие органы, имеющие сложную пространственную форму.

Для снижения собственного веса рабочие органы могут быть выполнены с герметично закрытыми внутренними полостями. Эти внутренние герметичные полости в рабочих органах могут быть заполнены жидкостью или газом. С целью увеличения жесткости рабочих органов жидкость или газ в этих полостях может находиться под избыточным внутренним давлением.

Рабочие органы могут быть выполнены, например, в виде гидродинамических лопастей 5 с положительным в направлении вращения корпуса 1 углом атаки, т.е. при вращении корпуса 1 на лопастях 5 должна возникать подъемная сила.

Наружная поверхность рабочих органов может быть армирована твердым износостойким материалом 6 или оснащена твердосплавными вставками (например, зубками).

Корпус 1 с помощью подшипника 7 подвижно соединен с обоймой 8, которая, в свою очередь, с помощью резьбового соединения связана с нижним концом бурильной колонны 9 или с валом гидравлического забойного двигателя (ГЗД). Обойма 8 концентрично размещена снаружи верхней части корпуса 1. Подшипник 7 установлен между обоймой 8 и верхней частью корпуса 1. На корпусе 1 подшипник 7 закреплен с помощью прижимной втулки 10. В обойме 8 по окружности выполнены осевые каналы, в которых установлены подпружиненные пальцы 11. Нижние части пальцев 11 размещаются в радиальных пазах 3, выполненных на верхнем торце наружного кольцевого выступа 2 корпуса 1, и постоянно контактируют с ними. Каждый из радиальных пазов 3 образован двумя взаимно пересекающимися плоскостями. Углы наклона каждой из этих плоскостей к плоскости, перпендикулярной оси вращения корпуса 1, различны. Плоскость радиального паза 3 с меньшим углом наклона обеспечивает отжим пальца 11 вверх при минимальной величине расчетного момента вращения, а плоскость радиального паза 3 с большим углом наклона - при максимальной. За счет указанного конструктивного исполнения в процессе совместного вращения корпус 1 и обойма 8 образуют узел, который работает в режиме обгонно-предохранительной муфты.

Нижняя часть корпуса 1 жестко связана с полым валом 12, который соосно размещен в его центральном осевом канале. На наружной поверхности вала 12, в его средней части, закреплено стопорное кольцо 13.

Нижний конец вала 12 с помощью подшипника 14 подвижно соединен с верхним концом хвостовика 15. Хвостовик 15 может быть выполнен как в виде одиночного патрубка, так и телескопического соединения нескольких (двух и более) патрубков, имеющих возможность взаимного осевого перемещения.

На нижнем конце хвостовика 15 соосно закреплен фигурный опорный элемент 16 с осевым каналом и со сквозными радиальными окнами для обеспечения циркуляции промывочной жидкости. В процессе работы опорный элемент 16 может одновременно выполнять функции нижнего центрирующего элемента устройства.

В частном случае роль опорного элемента 16 может выполнять утяжеленная бурильная труба (УБТ) с установленными по ее длине центрирующими элементами.

Подшипник 14 закреплен на хвостовике 15 с помощью накидной гайки 17. Снаружи вала 12, выше кольца 13, последовательно снизу вверх размещены гильза 18, пружина 19 и упорная втулка 20. Все они имеют возможность осевого перемещения относительно вала 12 и взаимодействия между собой. Пружина 19 размещена между упорной втулкой 20 и гильзой 18, причем ее верхний и нижний торцы защищены шайбами. За счет осевого перемещения упорной втулки 20 по валу 12 можно регулировать величину усилия сжатия пружины 19.

Гильза 18 установлена на валу 12 с возможностью осевого возвратно-поступательного перемещения относительно него. С гильзой 18 и с лопастями 5 посредством шарнирных соединений 21 и 22 связаны тяги 23, выполненные в виде жестких стержней.

Для обеспечения равномерной передачи на лопасти 5 усилий, возникающих в процессе расширения ствола скважины, на внутренней поверхности гильзы 18 выполнены осевые шлицы (или установлены шпонки), а на наружной поверхности вала 12 выполнены ответные осевые пазы для размещения в них этих шлицов (шпонок). Таким образом, гильза 18 и вал 12 образуют между собой подвижное в осевом направлении шлицевое соединение (не показано).

Устройство для расширения пробуренного ствола скважины работает следующим образом.

Перед спуском устройства в скважину путем осевого перемещения упорной втулки 20 по валу 12 добиваются момента, при котором общий вес лопастей 5 уравновесит усилие сжатой пружины 19. При этом лопасти 5 должны находиться в вертикальном, т.е. транспортном, положении.

Затем собранное устройство присоединяют к нижнему концу бурильной колонны 9 (или к валу ГЗД) и вместе с ней спускают в ствол скважины на заданную глубину. На нижнем конце бурильной колонны 9, выше места размещения указанного устройства, желательно заранее предусмотреть установку центрирующего элемента.

Если предполагается расширение непосредственно призабойной зоны, то спуск бурильной колонны осуществляют до упора опорного элемента 16 в забой скважины. В случае, когда предполагается произвести расширение интервала ствола выше забоя скважины, устройство размещают против нижней отметки выбранного интервала (вместо опорного элемента 16 при этом используют УБТ с центрирующими элементами). После размещения устройства на требуемой глубине организуют промывку ствола скважины и осуществляют вращение бурильной колонны 9 (или вала ГЗД).

Вращение бурильной колонны 9 (или вала ГЗД) передается через обойму 8 и пальцы 11 на корпус 1. Под действием центробежных сил лопасти 5 стремятся раскрыться в радиальном направлении. Этому (в зависимости от конкретной конструкции устройства) дополнительно способствуют следующие силы:

- усилие предварительно сжатой пружины 19, которое через гильзу 18 и тяги 23 передается на лопасти 5;

- подъемная гидродинамическая сила, возникающая на лопастях 5 при их вращении в промывочной жидкости;

- выталкивающая сила, возникающая при использовании лопастей 5 с герметичными внутренними полостями, заполненными жидкостью или газом с плотностью меньшей, чем плотность промывочной жидкости.

В процессе радиального раскрытия вращающихся лопастей 5 происходит их взаимодействие с горной породой, слагающей стенки ствола скважины. Горная порода при этом разрушается и выносится восходящим потоком промывочной жидкости на поверхность, а ствол скважины увеличивается в диаметре. Максимальная величина раскрытия лопастей 5 в радиальном направлении ограничена упором гильзы 18 в стопорное кольцо 13.

Если крутящий момент от нагрузки на вращающиеся лопасти 5 превысит расчетную (максимально допустимую) величину, то пальцы 11 начнут проскальзывать по плоскостям радиальных пазов 3 с большим углом наклона, т.е. корпус 1 и обойма 8 будут работать в режиме предохранительной муфты, препятствуя разрушению лопастей 5 или других элементов устройства.

Если скорость вращения бурильной колонны 9 (или вала ГЗД) по какой-либо причине начнет уменьшаться, а лопасти 5 за счет инерции будут продолжать вращение с прежней частотой, то пальцы 11 начнут проскальзывать по плоскостям радиальных пазов 3 с меньшим углом наклона, т.е. корпус 1 и обойма 8 будут работать в режиме обгонной муфты.

Путем постепенного перемещения устройства вверх по стволу скважины достигают его расширения до требуемого диаметра по всей длине заданного интервала.

Использование указанных выше конструктивных решений позволяет обеспечить высокую эксплуатационную надежность устройства, а также предохранить его лопасти 5 от преждевременного износа и разрушения.

Источники информации

1. A.с. СССР №1583581, Е 21 В 7/28, опубл. 07.08.90 г. Бюл. №29.

2. Патент США №4589504, Е 21 В 10/26, опубл. 20.05.86 г.

3. Патент РФ №2119036, Е 21 В 7/28, опубл. 20.09.98 г. Бюл. №26.

Формула изобретения

1. Устройство для расширения пробуренного ствола скважины, включающее корпус с центральным осевым каналом, с резьбой для присоединения к нижнему концу бурильной колонны и с наружным кольцевым выступом, в котором равномерно по окружности выполнены осевые пазы, соосно установленный в центральном осевом канале корпуса вал, вокруг которого снаружи размещены тяги и рабочие органы, последние из которых своими верхними концами подвешены с помощью шарниров в осевых пазах наружного кольцевого выступа корпуса, а каждая из тяг одним концом с помощью шарнирного соединения связана с соответствующим ей рабочим органом, закрепленное снаружи вала стопорное кольцо и фигурный опорный элемент, отличающееся тем, что оно снабжено упорной втулкой, гильзой и пружиной, причем рабочие органы выполнены в виде гидродинамических лопастей с положительным в направлении вращения корпуса углом атаки, вал выполнен полым и связан своим верхним концом с корпусом, причем упорная втулка, пружина и гильза последовательно в направлении сверху вниз размещены снаружи вала с возможностью осевого возвратно-поступательного перемещения относительно него и взаимодействия между собой, при этом гильза связана со свободными концами тяг с помощью шарниров, а опорный элемент присоединен к нижнему концу вала и выполнен с осевым каналом и радиальными окнами.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено хвостовиком в виде патрубка, обоймой, подпружиненными пальцами и двумя подшипниками, причем обойма концентрично размещена снаружи верхней части корпуса и выполнена с резьбой для присоединения к нижнему концу бурильной колонны, при этом опорный элемент связан с нижним концом хвостовика, на верхнем торце наружного кольцевого выступа корпуса равномерно по его окружности выполнены радиальные пазы, каждый из которых образован двумя взаимно пересекающимися плоскостями, причем углы наклона каждой из этих плоскостей к плоскости, перпендикулярной оси вращения корпуса, различны между собой, при этом в обойме по окружности выполнены осевые каналы для размещения в них подпружиненных пальцев, нижние концы которых имеют возможность взаимодействия с радиальными пазами на верхнем торце наружного кольцевого выступа корпуса, а корпус и вал установлены на подшипниках с возможностью вращения вокруг центральной оси, причем один из подшипников размещен между корпусом и обоймой, а другой - между нижним концом вала и верхним концом хвостовика.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что хвостовик выполнен в виде телескопического соединения двух или более патрубков, которые установлены с возможностью взаимного осевого перемещения.

4. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что опорный элемент выполнен в виде утяжеленной бурильной трубы с размещенными по ее длине центрирующими элементами.

5. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что рабочие органы выполнены с герметичными внутренними полостями.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что герметичные внутренние полости в рабочих органах заполнены жидкостью или газом.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что жидкость или газ, которыми заполнены герметичные внутренние полости в рабочих органах, находятся под избыточным внутренним давлением.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3