расширитель для скважин

Формула изобретения

Расширитель для скважин, содержащий корпус с центральным промывочным каналом и установленным в нем дросселем и снабженную износостойкими вставками породоразрушающую лопасть, отличающийся тем, что породоразрушающая лопасть выполнена в виде выступа на боковой поверхности корпуса расширителя, при этом расширитель снабжен средствами центрирования его в скважине в виде выполненной на корпусе под породоразрушающей лопастью ограничительной ступени, выступающей над боковой поверхностью корпуса на 1/2 высоты породоразрушающей лопасти, и опорной лопасти со сферической поверхностью для взаимодействия со стенкой скважины, расположенной со стороны, диаметрально противоположной ограничительной ступени, и соединенной с поршнем, размещенным в выполненном в стенке корпуса радиальном канале, соединенном с центральным промывочным каналом.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту, предназначенному для расширения стволов скважин в процессе вращательного бурения, а именно к расширителям, рабочие поверхности которых армированы износостойкими элементами.

Известен алмазный расширитель, включающий корпус, алмазосодержащие штабики, выступающие над поверхностью корпуса и разделенные промывочными каналами, обеспечивающими вынос шлама при постоянной скорости течения промывочной жидкости [1] .

Недостатком указанного расширителя является низкая эффективность работы при расширении ствола скважины больше номинального диаметра.

Известен также гидравлический расширитель, содержащий полый корпус с двумя радиальными отверстиями, размещенные в отверстиях направляющие гильзы с породоразрушающими органами, установленными в гильзах с возможностью осевого их перемещения до упора рабочей поверхностью в стенку скважины, причем рабочая поверхность выполнена криволинейной формы и армирована твердосплавными вставками [2] .

Такой гидравлический расширитель может образовывать локальные расширенные участки в стволе номинального диаметра и не боится заклинивания в процессе работы.

Недостатком указанного расширителя является низкая производительность работы из-за ограниченного числа твердосплавных вставок, одновременно взаимодействующих с кольцевым забоем скважины, т. к. при криволинейной поверхности породоразрушающего органа с кольцевым забоем скважины соприкасается лишь одна линия, на которой размещается небольшое число твердосплавных вставок, которые взаимодействуют с забоем недостаточно эффективно.

Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому результату является одношарошечный расширитель, включающий корпус с пустотелой наклонной цапфой, на которой смонтированы шарошка и направляющая головка, а на лапе в наклонных пазах смонтирована породоразрушающая лопасть с возможностью перемещения шарошки и лопасти от гидравлического механизма на диаметр, больше номинального диаметра скважины. Это обеспечивает разбуривание скважины диаметром большим, чем диаметр расширителя в транспортном положении [3] .

Недостатками этого расширителя являются низкая эффективность работы из-за ограниченного числа твердосплавных вставок на породоразрушающей лопасти; большая вероятность заклинок расширителя из-за жесткой фиксации породоразрушающих органов на максимальном диаметре, низкая надежность работы из-за сложности конструкции и невозможности перевода рабочих органов из транспортного положения в рабочее в стволе номинального диаметра, а также нарушение стабильности его работы из-за нарушения концентричности оси корпуса расширителя относительно оси скважины при его переводе из транспортного положения в рабочее.

Изобретение решает задачу создания расширителя для скважин, который при более простой конструкции обеспечивал бы более эффективную, надежную и стабильную работу при образовании диаметра больше номинального диаметра скважины.

Поставленная задача решается тем, что в расширителе для скважин, содержащем корпус с центральным промывочным каналом и установленным в нем дросселем и снабженную износостойкими элементами породоразрушающую лопасть, породоразрушающая лопасть выполнена в виде выступа на боковой поверхности корпуса расширителя, при этом расширитель снабжен средствами центрирования его в скважине в виде выполненной на корпусе под породоразрушающей лопастью ограничительной ступени, выступающей над боковой поверхностью корпуса на 1/2 высоты породоразрушающей лопасти, и опорной лопасти со сферической поверхностью для взаимодействия со стенкой скважины, расположенной со стороны, диаметрально противоположной ограничительной ступени, и соединенной с поршнем, размещенным в выполненном в стенке корпуса радиальном канале, соединенном с центральным промывочным каналом.

Выполнение породоразрушающей лопасти в виде выступа на боковой поверхности корпуса позволяет увеличить полезную площадь и разместить на ней значительно большее количество твердосплавных (алмазных) вставок, что повышает энерговооруженность расширителя и позволяет увеличить эффективность его работы. Ограничительная же ступень, выполненная под породоразрушающей лопастью, позволяет совместить ось корпуса расширителя с осью скважины, что стабилизирует его работу. Соединение опорной лопасти с поршнем, размещенным в радиальном канале корпуса, позволяет получить радиальное усилие на стенку скважины и соответствующее реактивное усилие на корпусе расширителя и далее на породоразрушающей лопасти, равное произведению гидродинамического давления жидкости на площадь поршня. Величину потребного радиального усилия определяют исходя из физико-механических свойств горных пород и режимов бурения (расширения). Радиальная ось опорной лопасти располагается ниже режущей поверхности породоразрушающей лопасти и совпадает с радиальной осью ограничительной ступени в стволе номинального диаметра.

Принудительное перемещение опорной лопасти внутрь корпуса в процессе подъема расширителя происходит от действия горизонтальной составляющей осевого усилия при взаимодействии сферической поверхности опорной лопасти с нерасширенным интервалом скважины, когда циркуляция промывочной жидкости прекращена и давление внутри корпуса отсутствует. Гидравлический привод опорной лопасти предотвращает возможность заклинивания расширителя в процессе работы, т. к. при возникновении усилий выше расчетных лопасть перемещается внутрь корпуса, освобождая корпус.

На фиг. 1 схематически изображен предлагаемый расширитель в транспортном положении; на фиг. 2 - то же, в рабочем положении; на фиг. 3 - вид расширителя снизу в рабочем положении.

Расширитель включает корпус 1, имеющий по концам замковые резьбы для присоединения к элементам компоновки бурильной колонны. На наружной боковой поверхности корпуса размещаются эксцентрично породоразрушающая лопасть 2, выполненная в виде выступа на корпусе, и ограничительная ступень 3, расположенная под породоразрушающей лопастью 2 и выступающая над боковой поверхностью корпуса на 1/2 высоты породоразрушающей лопасти. Породоразрушающая лопасть 2 армирована по нижней торцевой поверхности и по периметру твердосплавными вставками 4. Внутри корпуса выполнены центральный промывочный канал 5, в нижней части которого размещен дроссель 6, и соединенный с ним радиальный канал 7 с размещенным в нем поршнем 8 с опорной лопастью 9 сферической формы. Опорная лопасть 9 располагается с диаметрально противоположной стороны от ограничительной ступени 3. Ограничительная ступень 3 и выдвинутая в рабочее положение поршнем 8 опорная лопасть 9 создают центрирование расширителя в скважине.

Расширитель работает следующим образом.

Компоновку низа бурильной колонны, включающую расширитель с опорной лопастью 9, вдвинутой внутрь корпуса 1 (транспортное положение фиг. 1), спускают на заданную глубину в скважину номинального диаметра, включают циркуляцию промывочной жидкости и начинают вращать бурильный инструмент.

В корпусе расширителя возникает перепад давления из-за дополнительного гидравлического сопротивления потоку жидкости на дросселе 6. Возникшее по оси поршня 8 опорной лопасти 9 радиальное усилие выдвигает опорную лопасть из корпуса 1 до упора в стенку скважины. При этом возникшее на корпусе реактивное усилие, направленное по радиусу к центру скважины, заставляет породоразрушающую лопасть 2 внедриться в стенку скважины с усилием, равным перепаду давления, умноженному на площадь поршня 8.

При вращении расширителя на одном месте произойдет выработка кольцевой канавки 10 в стенке скважины в результате взаимодействия твердосплавных элементов 4 породоразрушающей лопасти 2 с породой на стенке скважины до момента контакта со стенкой скважины ограничительной ступени 3, которая будет препятствовать дальнейшему радиальному углублению породоразрушающей лопасти 2 в стенку скважины, при этом ось корпуса 1 расширителя займет положение, концентричное оси скважины (рабочее положение, фиг. 2). Дальнейшая операция по расширению скважины не отличается от бурения алмазными породоразрушающими инструментами. При вращении инструмента и подаче его вниз образуется цилиндрическая выработка скважины, диаметр которой будет больше номинального диаметра скважины на величину эксцентриситета породоразрушающей лопасти расширителя. Опорная лопасть 9 в процессе работы располагается ниже зоны породоразрушения и вместе с ограничительной ступенью 3, взаимодействующей со стенкой скважины, обеспечивает постоянство диаметра расширяемого участка скважины. Для принудительного перевода опорной лопасти 9 в транспортное положение перед подъемом инструмента из скважины достаточно прекратить циркуляцию жидкости и приподнять расширитель в нерасширенный участок ствола скважины. Возникшая при этом горизонтальная составляющая на криволинейной поверхности опорной лопасти 9 от действия вертикальной нагрузки (фиг. 2) заставит переместиться поршень 8 и опорную лопасть 9 внутрь корпуса 1 в транспортное положение. Этому же будет способствовать и породоразрушающая лопасть 2, которая сместится от центра и займет эксцентричное (транспортное) положение (фиг. 1).

Предложенный расширитель обладает следующими преимуществами перед известными аналогами.

1. Существенно повышается производительность (механическая скорость и проходка за рейс) благодаря увеличению энерговооруженности на единицу площади кольцевого забоя.

2. Обеспечивается стабилизация работы расширителя благодаря достигаемому совмещению продольной оси расширителя с осью скважины в процессе его вращения.

3. Обеспечивается возможность образования расчетного диаметра скважины на требуемой глубине больше диаметра расширителя без предварительной подготовки ствола.

4. Предотвращается заклинивание расширителя благодаря "мягкой" работе его опорной лопасти.

5. Простота конструкции, что упрощает изготовление и эксплуатацию расширителя.

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР 901457, кл. Е 21 В 10/26, опубл. 30.01.82.

2. Авторское свидетельство СССР 1665016, кл. Е 21 В 10/32, опубл. 23.07.91.

3. Авторское свидетельство СССР 481690, кл. Е 21 В 10/28, опубл. 25.08.75 (прототип).