Расширитель скважин

Изобретение относится к области буровой техники и может быть применено для увеличения диаметра скважин в заданном интервале. Расширитель включает полый корпус с внутренним выступом и радиальными отверстиями, выдвижные шарошки с хвостовиками, кольцевой поршень с боковым отверстием, перепускными каналами, внутренней гидромониторной насадкой, цилиндр, соединенный с корпусом и образующий с кольцевым поршнем гидравлическую камеру, устройство для стопорения шарошек в нерабочем положении, фиксатор. Кольцевой поршень выполнен подпружиненным вверх от цилиндра. Фиксатор оснащен сверху обтекателем из износостойкого материала и соединен с кольцевым поршнем с возможностью ограниченного поворота. Нижняя часть фиксатора выполнена в виде сужающейся книзу пирамиды. При этом хвостовики шарошек выполнены с возможностью перемещения вдоль соответствующих конусных поверхностей пирамиды. Гидромониторная насадка снизу изнутри выполнена в виде расширяющегося сверху вниз конуса, а обтекатель - в виде ответного конуса конусу гидромониторной насадки. Площадь поперечного сечения проходного канала гидромониторной насадки, площадь проходного канала между конусными поверхностями гидромониторной насадки и обтекателя и площадь перепускных каналов выполнены практически равными. Технический результат заключается в обеспечении равномерной скорости потока бурового раствора и минимизации износа механизма вывода шарошек в рабочее положение. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Предложение относится к области буровой техники, а именно к устройствам для увеличения диаметра скважин в заданном интервале.

Известен расширитель скважины (авт. свид. СССР №2117747, МПК 6 Е21В 7/28, опубл. в Бюл. №23 от 20.08.98 г.), включающий полый корпус с внутренним выступом и радиальными отверстиями, в которых установлены выдвижные шарошки с хвостовиками, размещенный в полости корпуса с фиксацией от проворота кольцевой поршень с боковым отверстием, верхним и нижним упорами на наружной поверхности и средством подсоединения к бурильной колонне, цилиндр, соединенный с корпусом и образующий с кольцевым поршнем гидравлическую камеру, сообщенную его боковым отверстием с полостью корпуса, установленный в кольцевом поршне с возможностью взаимодействия с хвостовиками шарошек и внутренним выступом корпуса фиксатор и устройство для стопорения шарошек в нерабочем положении, содержащее дополнительный кольцевой поршень, расположенный в гидрокамере расширителя, при этом устройство для стопорения шарошек в нерабочем положении выполнено в виде радиально подпружиненных кольцевых сегментов, расположенных в наружных пазах кольцевого поршня, и ответных этим сегментам углублений в цилиндре, причем дополнительный кольцевой поршень размещен в гидрокамере ниже бокового отверстия основного поршня, а между дополнительным поршнем и кольцевыми сегментами устройства стопорения шарошек установлен толкатель для вывода сегментов из зацепления с цилиндром расширителя.

Недостатком данного расширителя является его низкая работоспособность, так как при работе на тяжелых буровых растворах с высоким содержанием твердой фазы происходит повышенный износ поверхностей механизма выдвижения шарошек в рабочее положение, в результате чего возможна его поломка или заклинивание. Кроме того, перепад давления, возникающий внутри кольцевого поршня, может оказаться недостаточным для выхода стопорного элемента из углубления, что может не дать шарошкам выйти в рабочее положение.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является расширитель скважин (патент RU на полезную модель №63839, Е21В 7/28, опубл. в Бюл. №16 от 10.06.2007 г.), включающий полый корпус с внутренним выступом и радиальными отверстиями, в которых установлены выдвижные шарошки с хвостовиками, размещенный в полости корпуса с фиксацией от проворота кольцевой поршень с боковым отверстием, верхним и нижним упорами на наружной поверхности и средством подсоединения к бурильной колонне, цилиндр, соединенный с корпусом и образующий с кольцевым поршнем гидравлическую камеру, сообщенную его боковым отверстием с полостью корпуса, установленный в кольцевом поршне с возможностью взаимодействия с хвостовиками шарошек и внутренним выступом корпуса фиксатор и устройство для стопорения шарошек в нерабочем положении, содержащее дополнительный кольцевой поршень, расположенный в гидрокамере расширителя, причем кольцевой поршень ниже его бокового отверстия, внутри дополнительно снабжен жестко закрепленной гидромониторной насадкой, выполненной в виде полой втулки с верхним обтекаемым торцом, которая изготовлена из износостойкого материала.

Поскольку в этом расширителе та же схема размещения механизма выдвижения шарошек в рабочее положение, как и в устройстве, принятом в качестве аналога, то ему присущи все указанные выше недостатки, касающиеся повышенного износа этого механизма при работе на тяжелых буровых растворах. Жесткое расположение фиксатора вдоль оси расширителя может вызвать его поломку из-за действия изгибающих моментов со стороны хвостовиков шарошек во время работы расширителя.

Технической задачей предлагаемого расширителя скважин является повышение надежности и работоспособности, в том числе и при работе на тяжелых буровых растворах за счет гарантированного возврата шарошек в транспортное положение и создания минимального сопротивления потоку жидкости по всей длине расширителя.

Техническая задача решается расширителем скважин, включающим полый корпус с внутренним выступом и радиальными отверстиями, в которых установлены выдвижные шарошки с хвостовиками, размещенный в полости корпуса с фиксацией от проворота кольцевой поршень с боковым отверстием, перепускными каналами, внутренней гидромониторной насадкой, расположенной ниже бокового отверстия, верхним и нижним упорами на наружной поверхности и средством подсоединения к бурильной колонне, цилиндр, соединенный с корпусом и образующий с кольцевым поршнем гидравлическую камеру, сообщенную боковым отверстием поршня с полостью корпуса, устройство для стопорения шарошек в нерабочем положении, содержащее дополнительный кольцевой поршень, расположенный в гидрокамере расширителя, и установленный в кольцевом поршне с возможностью взаимодействия с хвостовиками шарошек и внутренним выступом корпуса фиксатор.

Новым является то, что кольцевой поршень выполнен подпружиненным вверх от цилиндра, а фиксатор оснащен сверху обтекателем из износостойкого материала и соединен с кольцевым поршнем с возможностью ограниченного поворота, причем нижняя часть фиксатора выполнена в виде сужающейся книзу пирамиды, а хвостовики шарошек выполнены с возможностью перемещения вдоль соответствующих конусных поверхностей пирамиды. Кроме того, гидромониторная насадка снизу изнутри выполнена в виде расширяющегося сверху вниз конуса, а обтекатель - в виде ответного конуса конусу гидромониторной насадки, причем площадь поперечного сечения проходного канала гидромониторной насадки, площадь проходного канала между конусными поверхностями гидромониторной насадки и обтекателя и площадь перепускных каналов выполнены практически равными.

На фиг.1 показан расширитель скважин в транспортном положении, продольный разрез; на фиг.2 - вид А на фиг.1; на фиг.3 - разрез Б-Б на фиг.1; на фиг.4 - разрез В-В на фиг.1.

Расширитель скважин (фиг.1) содержит полый корпус 1 с внутренним кольцевым выступом 2, имеющим проходные каналы 3, и радиальными отверстиями 4 в его стенке, в которых установлены с помощью хвостовиков 5 выдвижные шарошки 6, размещенный в полости 7 корпуса 1 кольцевой поршень 8 с фиксирующими его от проворота в корпусе 1 поверхностями 9 (фиг.3), взаимодействующими с ответными поверхностями 10 корпуса 1, боковым отверстием 11 (фиг.2), перепускными каналами 12 (фиг.1), внутренней гидромониторной насадкой 13, расположенной ниже бокового отверстия 11 (фиг.2), верхним 14 и нижним 15 упорами на наружной поверхности и резьбой 16 (фиг.1) для подсоединения к бурильной колонне 17.

Корпус 1 жестко соединен с цилиндром 18, который имеет верхний 19 и нижний 20 внутренние кольцевые выступы и образует с кольцевым поршнем 8 гидравлическую камеру 21 (фиг.2), сообщенную его боковым отверстием 11 с центральным каналом 22 (фиг.1) кольцевого поршня 8.

На наружной поверхности кольцевого поршня 8 размещено устройство 23 для стопорения шарошек 6 в нерабочем положении, содержащее дополнительный кольцевой поршень 24 (фиг.2), расположенный в гидравлической камере 21 и имеющий возможность взаимодействовать через толкатель 25 на радиально подпружиненные с помощью пружин 26 кольцевые сегменты 27, установленные в наружных пазах 28 кольцевого поршня 8 и ответных им углублениях 29 цилиндра 18.

Кольцевой поршень 8 (фиг.1) содержит фиксатор 30 для вывода шарошек 6 в рабочее положение, установленный в нем с помощью байонетной втулки 31, имеющей перепускные каналы 12 для сообщения центрального канала 22 кольцевого поршня 8 с полостью 7 корпуса 1, и взаимодействующий с хвостовиками 5 шарошек 6.

Для гарантированного возвращения шарошек 6 в нерабочее положение кольцевой поршень 8 подпружинен вверх от цилиндра 18 с помощью пружины 32, которая расположена между выступами 15 и 20 соответственно кольцевого поршня 8 и цилиндра 18.

Фиксатор 30 с целью защиты его от бурового раствора оснащен сверху обтекателем 33 из износостойкого материала, например легированной стали, и имеет возможность ограниченного поворота (отклонения от центральной оси расширителя) благодаря шаровой опоре 34, расположенной в байонетной втулке 31. Нижняя часть фиксатора 30 выполнена в виде сужающейся книзу пирамиды с наклонными пазами 35 (фиг.1 и 4) типа «ласточкин хвост», а хвостовики 5 шарошек 6 выполнены с возможностью перемещения по наклонным пазам 35 пирамиды.

Гидромониторная насадка 13 (фиг.1) снизу изнутри выполнена в виде расширяющегося сверху вниз конуса 36, а обтекатель 33 - в виде ответного конуса 37 конусу 36 гидромониторной насадки 13, причем с целью сохранения постоянной скорости течения бурового раствора площадь поперечного сечения проходного канала 38 гидромониторной насадки 13, площадь проходного канала 39 между конусными поверхностями 36 и 37 гидромониторной насадки 13 и обтекателя 33 и площадь перепускных каналов 12 байонетной втулки 31 выполнены практически равными суммарной площади проходных каналов 3 в поперечном сечении для обеспечения минимального сопротивления потоку жидкости и, как следствие, снижения износа конструктивных элементов.

Расширитель скважин работает следующим образом.

С помощью резьбы 16 расширитель присоединяют к колонне бурильных труб 17 и спускают в скважину (на фиг. не показана). При этом корпус 1 с цилиндром 18 зафиксирован от продольных перемещений относительно кольцевого поршня 8 благодаря верхнему кольцевому упору 14 (фиг.2) и кольцевым сегментам 27 кольцевого поршня 8 (фиг.1), взаимодействующими соответственно с верхним внутренним кольцевым выступом 19 и пазами 28 (фиг.2) в цилиндре 18 (фиг.1).

На заданной глубине скважины колонну бурильных труб 17 начинают вращать с одновременной подачей в нее промывочной жидкости (бурового раствора), которая через центральный канал 22 кольцевого поршня 8, проходной канал 38 гидромониторной насадки 13 и далее через равные по площади проходные каналы 39, 12 и 3 поступает в промывочные отверстия долота (не показано). Вращение корпусу 1 (фиг.3) передается от кольцевого поршня 8 за счет взаимодействия взаимообращенных поверхностей 9 и 10.

Под действием перепада давления, возникающего в гидромониторной насадке 13 (фиг.1) и распространяющегося через боковое отверстие 11 (фиг.2) кольцевого поршня 8 в гидрокамеру 21, дополнительный кольцевой поршень 24 перемещается вниз и, воздействуя на толкатель 25, также перемещает его вниз. При этом толкатель 25, воздействуя по касательной на кольцевые сегменты 27, перемещает их вдоль продольной оси расширителя внутрь углублений 28 кольцевого поршня 8, сжимая пружины 26, до полного выхода кольцевых сегментов 27 из пазов 29 цилиндра 18.

Выйдя из зацепления с кольцевым поршнем 8 (фиг.1), корпус 1 с цилиндром 18 под действием того же перепада давления и преодолевая сопротивление пружины 32, сжимаемой между выступами 15 и 20, перемещаются вверх до упора в полости 7 внутреннего кольцевого выступа 2 цилиндра 18 в нижний торец 40 байонетной втулки 31 кольцевого поршня 8.

Одновременно фиксатор 30 воздействует на хвостовики 5 с шарошками 6, которые, перемещаясь по наклонным пазам 35 по касательной вверх, выводятся через радиальные отверстия 4 корпуса 1 в рабочее положение.

Далее подачей инструмента вниз расширяют скважину в заданном интервале. При этом благодаря шаровой опоре 34 (фиг.1) фиксатор 30 ограниченно отклоняется от центральной оси расширителя, исключая тем самым возможные изгибающие нагрузки, действующие на него со стороны хвостовиков 5 шарошек 6 во время работы расширителя.

После окончания расширения скважины нагнетание промывочной жидкости прекращают и расширитель поднимают из нее. При этом под действием усилия пружины 32 корпус 1 с цилиндром 18 перемещается вниз до упора своим верхним кольцевым выступом 19 в верхний упор 14 (фиг.2) кольцевого поршня 8. Благодаря этому хвостовики 5 (фиг.1) с выдвижными шарошками 6, перемещаясь вместе с корпусом 1 вниз, через радиальные отверстия 4 возвращаются по наклонным пазам 35 фиксатора 30 в исходное положение внутрь корпуса 1.

Преимущество предлагаемого расширителя скважин заключается в том, что благодаря обтекателю фиксатора шарошек, а также равенству площадей перепускных каналов между гидромониторной насадкой и байонетной втулкой обеспечивается равномерная скорость потока бурового раствора и минимизируется износ механизма вывода шарошек в рабочее положение, а благодаря осевой подвижности фиксатора исключаются действия изгибающих моментов, действующих на него со стороны хвостовиков шарошек во время работы расширителя. Кроме того, благодаря возвратной пружине кольцевой поршень гарантированно возвращает в транспортное положение хвостовики с шарошками, исключая тем самым аварийные ситуации в скважине.

1. Расширитель скважин, включающий полый корпус с внутренним выступом и радиальными отверстиями, в которых установлены выдвижные шарошки с хвостовиками, размещенный в полости корпуса с фиксацией от проворота кольцевой поршень с боковым отверстием, перепускными каналами, внутренней гидромониторной насадкой, расположенной ниже боковых отверстий, верхним и нижним упорами на наружной поверхности и средством подсоединения к бурильной колонне, цилиндр, соединенный с корпусом и образующий с кольцевым поршнем гидравлическую камеру, сообщенную боковым отверстием поршня с полостью корпуса, устройство для стопорения шарошек в нерабочем положении, содержащее дополнительный кольцевой поршень, расположенный в гидрокамере расширителя, и установленный в кольцевом поршне с возможностью взаимодействия с хвостовиками шарошек и внутренним выступом корпуса фиксатор, отличающийся тем, что кольцевой поршень выполнен подпружиненным вверх от цилиндра, а фиксатор оснащен сверху обтекателем из износостойкого материала и соединен с кольцевым поршнем с возможностью ограниченного поворота, причем нижняя часть фиксатора выполнена в виде сужающейся книзу пирамиды, а хвостовики шарошек выполнены с возможностью перемещения вдоль соответствующих конусных поверхностей пирамиды.

2. Расширитель по п.1, отличающийся тем, что гидромониторная насадка снизу изнутри выполнена в виде расширяющегося сверху вниз конуса, а обтекатель - в виде ответного конуса конусу гидромониторной насадки, причем площадь поперечного сечения проходного канала гидромониторной насадки, площадь проходного канала между конусными поверхностями гидромониторной насадки и обтекателя и площадь перепускных каналов выполнены практически равными.