Гидравлический раздвижной расширитель буровых скважин

 

Предназначен для увеличения диаметра ствола скважины больше внутреннего диаметра предыдущей обсадной колонны. Расширитель можно использовать как в процессе бурения, так и при проведении отдельных операций по расширению интервалов ствола скважины. Сущность изобретения: в гидравлическом раздвижном расширителе буровых скважин, содержащем цилиндрический корпус, во внутреннем продольном канале которого размещен эластичный рукав, а в боковых стенках корпуса выполнены продольные окна, в которых размещены с возможностью радиального перемещения выдвижные лопасти с породоразрушающими элементами на их внешней поверхности, согласно изобретению канал внутри корпуса выполнен сквозным с диаметром не менее внутреннего диаметра эластичного рукава. С наружной стороны на верхних и нижних концах выдвижных лопастей от их торцов выполнены выемки, последние перекрыты ограничительными втулками, установленными снаружи корпуса. Наружные поверхности выдвижных лопастей выполнены с уклоном к их нижнему и верхнему концам. Лопасти размещены в продольных окнах корпуса так, что их внутренние поверхности по всей высоте лопасти непосредственно контактируют с наружной поверхностью эластичного рукава, под которым в канале корпуса установлен дроссель. В транспортном положении выдвижные лопасти утоплены и закреплены в корпусе срезными штифтами. Ширина каждой выдвижной лопасти выполнена не менее 0,3 внутреннего диаметра эластичного рукава, а ее длина - не менее двух таких диаметров. Расширитель введен в состав бурильной колонны. Обеспечивается упрощение конструкции и эксплуатации при высокой надежности в работе. 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области горной промышленности, в частности к буровой технике, а конкретно к расширителям буровых скважин, предназначенным для увеличения внутреннего диаметра ствола скважины под “башмаком” или за “окном” обсадной колонны с целью подготовки ствола скважины к более качественному креплению. Изобретение можно использовать также и при других видах буровых работ, связанных с увеличением диаметра ствола скважины больше внутреннего диаметра предыдущей обсадной колонны. Изобретение возможно использовать как непосредственно в процессе бурения, так и при проведении отдельных операций по расширению интервалов ствола скважины.

В качестве аналога принимаем известное изобретение по авт. свид. СССР №761694 по М.Кл.³ Е 21 В 10/00 (заявлено 23.12.77, опубликовано 07.09.80 БИ №33) под названием “Инструмент для бурения в угольных пластах”. Устройство по аналогу включает в себя корпус, во внутреннем цилиндрическом канале которого размещен эластичный рукав и на его выходе - дроссель. Оба конца рукава закреплены. С наружной поверхности рукав охватывает металлическая гильза с продольными прорезями. В боковых стенках корпуса выполнены сквозные радиальные отверстия, в которых размещены резцы с возможностью радиального перемещения. Своей хвостовой частью резцы опираются в наружную поверхность металлической гильзы. На головном конце корпуса закреплена коническая коронка для разрушения горной породы на забое скважины, противоположным концом корпус соединен с бурильными трубами. При увеличении расхода промывочной жидкости при наличии дросселя достигается повышение давления внутри эластичного рукава, которое передается на металлическую гильзу и через нее на резцы, выдвигая их радиально за наружную поверхность корпуса, в результате чего достигается увеличение диаметра разбуриваемого ствола.

Недостатком устройства по аналогу является низкая эффективность работы при расширении ствола скважины больше номинального диаметра.

Из числа известных технических средств того же назначения с совокупностью наибольшего количества признаков, сходных с признаками заявляемого изобретения, наиболее близким (прототипом) является гидравлический раздвижной расширитель буровых скважин по авт. свид. СССР №941529, М.Кл.³ Е 21 В 7/28 (заявлено 01.08.80, опубликовано 07.07.82 БИ №25) под названием “Расширитель”.

Известный по прототипу гидравлический раздвижной расширитель буровых скважин включает в себя связанный с бурильной колонной нижним и верхним концами цилиндрический корпус и эластичный рукав, размещенный во внутреннем сквозном продольном канале корпуса. Сквозной продольный канал корпуса имеет диаметр не менее внутреннего диаметра эластичного рукава. В боковых стенках корпуса по его окружности выполнено не менее трех продольных окон, в каждом из которых размещены с возможностью радиального перемещения имеющие породоразрушающие элементы на их внешней поверхности выдвижные лопасти. Последние установлены в продольных окнах боковых стенок корпуса так, что их внутренние поверхности по всей высоте выполнены с возможностью полного непосредственного соприкосновения с наружной поверхностью эластичного рукава, под которым во внутреннем сквозном продольном канале корпуса установлен полый поршень с клапаном, выполняющие функцию дросселя при прокачивании промывочной жидкости.

Недостатками известного по прототипу расширителя являются сложность конструкции, недостаточная надежность в работе и осложненное использование.

Целью предлагаемого изобретения является упрощение конструкции, повышение надежности и упрощение эксплуатации.

Указанные цели предлагаемого изобретения достигаются тем, что в известный по прототипу гидравлический раздвижной расширитель буровых скважин, включающий связанный с бурильной колонной нижним и верхним концами цилиндрический корпус, эластичный рукав, размещенный во внутреннем сквозном продольном канале корпуса, который имеет диаметр не менее внутреннего диаметра эластичного рукава, выполненные в боковых стенках корпуса по его окружности не менее трех продольных окон, в каждом из которых размещены с возможностью радиального перемещения имеющие породоразрушающие элементы на их внешней поверхности выдвижные лопасти, установленные в продольных окнах боковых стенок корпуса так, что их внутренние поверхности по всей высоте выполнены с возможностью полного непосредственного соприкосновения с наружной поверхностью эластичного рукава, под которым во внутреннем сквозном продольном канале корпуса установлен дроссель, согласно предлагаемому изобретению нами предложено новое конструктивное выполнение некоторых известных элементов устройства и введены новые элементы, а именно: на верхнем и нижнем концах от торцов каждой выдвижной лопасти с наружной стороны выполнены выемки, которые перекрыты по их высоте установленными снаружи корпуса и закрепленными на нем ограничительными втулками, одна из которых установлена со стороны верхних концов выдвижных лопастей, а другая - со стороны их нижних концов. А также тем, что:

- эластичный рукав выполнен из прорезиненной ткани;

- эластичный рукав выполнен резиновым;

- эластичный рукав выполнен из эластомера;

- ширина каждой выдвижной лопасти выполнена размером не менее 0,3 внутреннего диаметра эластичного рукава, а ее длина - не менее двух размеров указанного диаметра;

- наружная поверхность каждой выдвижной лопасти в нижней и верхней частях выполнена с уклоном к ее нижнему и верхнему концам;

- внутренняя поверхность каждой выдвижной лопасти по ширине в поперечном сечении имеет выпукло-вогнутый профиль, при этом средняя часть по ширине лопасти выполнена выпуклой, а к ее бокам - вогнутой;

- внутренняя поверхность каждой выдвижной лопасти по ширине в поперечном сечении имеет выпуклый профиль;

- в транспортном положении выдвижные лопасти закреплены в корпусе срезными штифтами.

Указанные выше новые существенные конструктивные признаки предлагаемого гидравлического раздвижного расширителя буровых скважин являются отличительными признаками заявляемого изобретения по отношению к известному по прототипу устройству.

Из общедоступных источников патентной и научно-технической информации нам не известны гидравлические раздвижные расширители буровых скважин, которые вместе с известными существенными признаками включали бы в себя указанные выше новые отличительные существенные признаки, предложенные нами в заявляемом расширителе.

В совокупности известные и новые отличительные существенные признаки обеспечивают заявляемому изобретению достижение нового технического результата, изложенного в цели изобретения.

Так, выполнение на верхнем и нижнем концах от торцов каждой выдвижной лопасти с наружной стороны выемок, которые перекрыты по их высоте установленными снаружи корпуса и закрепленными на нем ограничительными втулками, одна из которых установлена со стороны верхних концов выдвижных лопастей, а другая - со стороны их нижних концов, обеспечивает им надежную фиксацию в положении максимального радиального перемещения, что повышает надежность работы заявляемого расширителя при конструктивной простоте элементов фиксации.

Выполнение эластичного рукава из прорезиненной ткани, резины, эластомера или аналогичного материала дает возможность использовать любой имеющийся материал без усложнения конструкции заявляемого устройства.

Выполнение ширины каждой выдвижной лопасти размером не менее 0,3 внутреннего диаметра эластичного рукава, а выполнение ее длины размером не менее двух указанных диаметров обеспечивают надежное радиальное выдвижение лопастей за пределы наружного диаметра корпуса и устойчивое их удерживание во время работы при увеличении диаметра ствола скважины, что повышает надежность работы.

Выполнение наружной поверхности каждой выдвижной лопасти в нижней части с уклоном к ее нижнему концу при продвижении колонны бурильных труб с расширителем вниз ствола скважины облегчает зарезку в стволе увеличенного диаметра и обеспечивает устойчивый процесс расширения ствола скважины. Выполнение такого уклона к верхним концам лопастей обеспечивает беспрепятственный подъем расширителя из скважины. Это упрощает эксплуатацию заявляемого расширителя.

Благодаря выполнению внутренней поверхности каждой выдвижной лопасти по ширине в поперечном сечении выпукло-вогнутого или выпуклого профиля обеспечивается оптимальный изгиб (гофрирование) эластичного рукава по высоте выдвижных лопастей при их транспортном положении, что уменьшает износ рукава, чем повышается надежность работы заявляемого расширителя.

Закрепление в утопленном положении выдвижных лопастей в корпусе срезными штифтами позволяет обеспечить беспрепятственный спуск бурильной колонны с расширителем на любую глубину предыдущего ствола для проведения работ по его расширению, что упрощает эксплуатацию заявляемого расширителя.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где представлен один из возможных вариантов его выполнения. На фиг.1 показан разрез заявляемого расширителя по Б-Б фиг.2, на фиг.2 дан его поперечный разрез по А-А фиг.1, на фиг.3 дан поперечный разрез расширителя в транспортном положении его выдвижных лопастей.

Гидравлический раздвижной расширитель буровых скважин включает в себя цилиндрический корпус 1, внутри которого выполнен продольный сквозной канал 2 на всю длину корпуса. В канале 2 размещен эластичный рукав 3, который уплотнен с корпусом 1, например, элементами 4. Под эластичным рукавом 3 в канале 2 установлен дроссель 5. Диаметр D внутреннего продольного сквозного канала 2 выполнен по всей длине корпуса не менее внутреннего диаметра d эластичного рукава 3. В боковых стенках корпуса 1 равномерно по окружности выполнено не менее трех продольных окон 6, в которых размещены с возможностью радиального перемещения выдвижные лопасти 7 с породоразрушающими элементами на их внешней поверхности. На верхнем и нижнем концах от торцов каждой выдвижной лопасти 7 с наружной стороны выполнены выемки 8 и 9. Выемка 8 по всей ее высоте перекрыта верхней ограничительной втулкой 10, а выемка 9 перекрыта нижней ограничительной втулкой 11. Втулки 10 и 11 установлены снаружи корпуса 1 и закреплены на нем, например, с помощью стопорных винтов (на чертеже условно не показаны). Наружная поверхность каждой выдвижной лопасти 7 в нижней и верхней частях 12 выполнена с уклоном к ее нижнему и верхнему концам лопасти. Внутренние поверхности 13 выдвижных лопастей 7 по всей их высоте размещены с возможностью полного непосредственного соприкосновения с наружной поверхностью эластичного рукава 3. Внутренняя поверхность 13 каждой выдвижной лопасти 7 по ширине в поперечном сечении выполнена выпукло-вогнутого профиля, при этом средняя часть по ширине лопасти выполнена выпуклой, а к ее бокам - вогнутой. Внутренняя поверхность 13 каждой выдвижной лопасти 7 по ширине в поперечном сечении может быть выполнена также, например, выпуклого профиля. Ширина Н каждой выдвижной лопасти 7 выполнена размером не менее 0,3 внутреннего диаметра d эластичного рукава 3, а их длина L выполнена не менее двух размеров внутреннего диаметра d эластичного рукава 3. В транспортном положении, когда выдвижные лопасти 7 утоплены, т.е. когда их внешняя поверхность с породоразрушающими элементами не выходит за внешнюю поверхность цилиндрического корпуса 1, выдвижные лопасти 7 закреплены в корпусе 1 срезными штифтами 14. При этом эластичный рукав 3 в поперечном сечении принимает оптимальное сгофрированное состояние (см. фиг.3). Верхний конец 15 и нижний конец 16 корпуса 1 имеют внутреннюю резьбу для соединения с бурильной колонной.

Работает предлагаемый расширитель следующим образом. С помощью резьбовых концов 15 и 16 предлагаемый расширитель вводят в состав бурильной колонны, которую готовят для бурения обычного ствола скважины с последующим расширением его диаметра на отдельных участках. Или в состав бурильной колонны предлагаемый расширитель вводят также и в том случае, если предполагается провести работы по расширению интервалов ранее пробуренного ствола скважины. В обоих случаях первоначально выдвижные лопасти 7 устанавливают в транспортное положение, т.е. их с помощью срезных штифтов 14 закрепляют в корпусе 1 так, чтобы у выдвижных лопастей 7 внешние поверхности с породоразрушающими элементами не выходили бы за внешнюю поверхность цилиндрического корпуса 1, как показано на фиг. 3. При необходимости вести работы по расширению ствола скважины производят подачу промывочной жидкости соответствующего давления, в результате создаваемого перепада давления на дросселе 5 эластичный рукав 3 восстанавливает свою первоначальную трубчатую форму в поперечном сечении по всей длине рукава. От давления внутри рукава 3 штифты 14 срезаются, и выдвижные лопасти 7 выдвигаются из продольных окон 6 до упора вертикальных кромок выемок 8 и 9 в стенки ограничительных втулок 10 и 11. При таком максимальном радиальном выдвижении лопасти 7 будут находиться до тех пор, пока внутри эластичного рукава 3 будет поддерживаться соответствующая величина давления промывочной жидкости.

Перевод расширителя в транспортное положение происходит автоматически при снятии давления подаваемой промывочной жидкости.

Изготовлены и испытаны при бурении скважин опытные образцы заявляемого расширителя, которые подтвердили работоспособность устройства и полное достижение поставленных целей. Наружный диаметр корпуса расширителя составлял 122 мм, диаметр по раскрытым лопастям - 142 мм, общая длина расширителя - 840 мм, максимальная радиальная нагрузка на выдвижных лопастях составляла 5000 кг, перепад давления на дросселе - 30 кг/см, проходной диаметр дросселя составлял от 8 до 12 мм.

Формула изобретения

1. Гидравлический раздвижной расширитель буровых скважин, включающий связанный с бурильной колонной нижним и верхним концами цилиндрический корпус, эластичный рукав, размещенный во внутреннем сквозном продольном канале корпуса, который имеет диаметр не менее внутреннего диаметра эластичного рукава, выполненные в боковых стенках корпуса по его окружности не менее трех продольных окон, в каждом из которых размещены с возможностью радиального перемещения имеющие породоразрушающие элементы на их внешней поверхности выдвижные лопасти, установленные в продольных окнах боковых стенок корпуса так, что их внутренние поверхности по всей высоте выполнены с возможностью полного непосредственного соприкосновения с наружной поверхностью эластичного рукава, под которым во внутреннем сквозном продольном канале корпуса установлен дроссель, отличающийся тем, что на верхнем и нижнем концах от торцов каждой выдвижной лопасти с наружной стороны выполнены выемки, которые перекрыты по их высоте установленными снаружи корпуса и закрепленными на нем ограничительными втулками, одна из которых установлена со стороны верхних концов выдвижных лопастей, а вторая - со стороны их нижних концов.

2. Расширитель по п.1, отличающийся тем, что эластичный рукав выполнен из прорезиненной ткани.

3. Расширитель по п.1, отличающийся тем, что эластичный рукав выполнен резиновым.

4. Расширитель по п.1, отличающийся тем, что эластичный рукав выполнен из эластомера.

5. Расширитель по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что ширина каждой выдвижной лопасти выполнена размером не менее 0,3 внутреннего диаметра эластичного рукава, а ее длина - не менее двух размеров указанного диаметра.

6. Расширитель по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что наружная поверхность каждой выдвижной лопасти в нижней и верхней частях выполнена с уклоном к ее нижнему и верхнему концам.

7. Расширитель по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что внутренняя поверхность каждой выдвижной лопасти по ширине в поперечном сечении имеет выпукло-вогнутый профиль, при этом средняя часть по ширине лопасти выполнена выпуклой, а к ее бокам - вогнутой.

8. Расширитель по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что внутренняя поверхность каждой выдвижной лопасти по ширине в поперечном сечении имеет выпуклый профиль.

9. Расширитель по любому из пп.1-8, отличающийся тем, что в транспортном положении выдвижные лопасти закреплены в корпусе срезными штифтами.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3