Расширитель гидравлический скважинный
HYDRAULIC BOREHOLE EXPANDER

Изобретение относится к области строительства нефтяных и газовых скважин, а именно, к устройствам, обеспечивающим расширение ствола скважины.
Известен скважинный расширитель раздвижной (патент RU203929, МПК Е21В 7/28, опубл. 28.04.2020 г.), включающий корпус, внутри которого расположен толкатель с навернутым на него поршнем, сжимающим пружину, и твердосплавной втулкой, зафиксированной крышкой, на котором навернут верхний центратор. Имеется упор для поршня, закреплены лопасти, оснащенные PDC пластинами, при этом на корпус навернут нижний переводник, снабженный фиксатором, закрепленным стопорами для предотвращения самопроизвольного отворота, а лопасти крепятся с помощью пальцев в пазах корпуса и выполнены с выборкой во внутренней части, на толкателе установлены выдвигающие элементы, закрепленные винтами. Нижний переводник, толкатель и фиксатор выполнены со сквозными центральными гидравлическими каналами округлой формы диаметром 0,05-0,3 от диаметра корпуса расширителя.
Недостатком является отсутствие радиальных промывочных каналов, направленных на лопасти устройства, а также отсутствие механизма, обеспечивающего возврат лопастей в исходное положение.
Известен раздвижной расширитель открытого ствола скважины (патент RU2299303, МПК Е21В7/28, опубл. 20.05.2007 г.), включающий переводник, патрубок, раздвижные подвижные элементы, шарнирно установленные в продольных пазах корпуса с ограничительными уступами, поршень на подвижном пустотелом штоке с блокирующим кольцевым утолщением на наружной поверхности и струйный насадок. Причем корпус снабжен нижним направляющим патрубком, в днище которого размещен струйный насадок. В цилиндрической расточке нижнего направляющего патрубка установлен поршень с выполненными по периметру продольными каналами, в которых размещены дополнительные струйные насадки. Шток подпружинен относительно переходника. Блокирующее кольцевое утолщение на штоке выполнено в виде конуса, соответствующего ответной внутренней поверхности раздвижных подвижных элементов.
Недостатком является то, что возвратное перемещение лопастей устройства в начальное положение осуществляется без взаимодействия лопастей с поршнем, т.е. лопасти имеют зацепление только с одной, верхней стороны (свободно подвешены), и, в случае наличия в стволе скважины каверн или локальных расширений, они могут остаться в открытом, выдвинутом положении, что недопустимо из-за возможного попадания шлама в полость устройства с последующей его заклинкой и невозможностью извлечения расширителя из скважины.
Наиболее близким к заявляемому является расширитель для одновременного бурения и расширения на обсадной колонне (патент RU2719880, МПК Е21В 7/28, опубл. 23.04.2020 г.), состоящий из корпуса со сквозными пазами, в которых на осях размещены лопасти, армированные твердым сплавом, подпружиненного поршня с центральным штоком и разжимным конусом на конце, входящим во взаимодействие с лопастями, выполненными с выступом и установленными с возможностью его контакта с поверхностью разжимного конуса. Корпус выполнен заодно с муфтовой нижней резьбой и снабжен промывочными отверстиями, в которые установлены насадки, направленные на твердосплавные резцы лопастей в рабочем положении. Поршень выполнен заодно с разжимным конусом и установлен так, что под действием перепада давления движется вниз относительно корпуса. На наружной поверхности поршня установлено стопорное кольцо, взаимодействующее с внутренней канавкой корпуса в рабочем положении. Лопасти имеют режущий профиль, позволяющий равномерно распределить нагрузку на резцы, и в верхней внутренней части снабжены хвостовиками, взаимодействующими с верхней торцевой поверхностью разжимного конуса и удерживающими лопасти в транспортном положении.
Недостатком прототипа является отсутствие механизма возврата лопастей в начальное положение. Кулачковое зацепление хвостовика лопасти и разжимного конуса обеспечивает блокировку лопастей от возможного их перемещения в начальном (транспортном положении), но нет постоянного взаимодействия лопастей устройства с поршнем, обеспечивающим их совместное перемещение при возврате их в начальное положение. Механизм возврата лопастей из рабочего положения, когда лопасти максимально выдвинуты, в начальное, когда лопасти задвинуты в пазы, осуществляется пассивно, без принудительного воздействия на них. В случае попадания шлама в полость устройства это может привести к невозможности возврата лопастей в начальное положение и заклинке бурового инструмента в башмаке колонны.
Технической проблемой, решаемой изобретением, является повышение надежности работы расширителя за счет снижения рисков невозврата (заклинки) лопастей вследствие попадания шлама в полости устройства.
Технический результат - обеспечение принудительного возврата лопастей устройства из рабочего положения в транспортное.
В отличие от прототипа
Проблема решается, а технический результат достигается расширителем гидравлическим скважинным, содержащим корпус с продольно выполненными сквозными пазами, в которых шарнирно на осях установлены выдвижные лопасти, армированные снаружи твердым сплавом, подпружиненный полый шток с закрепленным на нем поршнем, имеющим промывочные отверстия, кольцевое конусное утолщение, выполненное на наружной поверхности полого штока с возможностью взаимодействия с лопастями. устройство содержит радиально направленные к лопастям проушины, а в каждой лопасти выполнены внутренние пазы - продольный под соответствующую проушину и фигурный поперечный паз для направляющего пальца, установленного в сквозном отверстии верхней части проушины, причем основание каждой проушины закреплено в конусном утолщении полого штока, а верхняя часть входит в шарнирное зацепление с соответствующей лопастью устройства посредством направляющего пальца с одной стороны и внутренних пазов лопасти с другой стороны, при этом фигурный поперечный паз лопасти имеет дугообразную форму с обеспечением постоянного сопряжения рабочей поверхности проушины с внутренней поверхностью паза лопасти при ее выдвижении и возврате в исходное положение.
Технический результат достигается тем, что устройство содержит принудительный механизм возврата лопастей в начальное (транспортное) положение, обеспечивающий постоянное взаимодействие полого штока устройства с выдвижными лопастями при активации устройства, когда лопасти выдвигаются в рабочее положение, и деактивации (приведение лопастей в начальное положение). Это обеспечивается посредством сопряжения рабочей поверхности проушин, установленных в кольцевом конусном утолщении полого штока, с лопастями, имеющими внутренние пазы с ответной поверхностью. А также посредством направляющих пальцев, установленных в отверстиях проушин, имеющих шарнирное зацепление с фигурным поперечным пазом лопастей устройства. Форма фигурного поперечного паза лопастей выполнена из условия обеспечения постоянного сопряжения (контакта) их внутренней поверхности с направляющими пальцами проушин, что позволяет достичь полного взаимодействия лопастей устройства с подпружиненным поршнем при их совместном прямом и возвратном перемещении и обеспечить возврат лопастей в начальное положение, когда лопасти задвинуты в пазы корпуса устройства. Таким образом, осуществляется полное (непрерывное) взаимодействие лопастей устройства с поршнем при их совместном перемещении, и реализуется механизм возврата лопастей в пазы корпуса.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где показано:
Фиг. 1 а), б) - устройство в транспортном положении;
а) продольный разрез устройства в начальном (транспортном) положении;
б) поперечный разрез устройства (сечение А-А).
Фиг. 2 а), б) - устройство в рабочем положении;
а) - продольный разрез устройства в рабочем положении (лопасти выдвинуты);
б) - поперечный разрез устройства (сечение Б-Б).
Фиг. 3 - узел крепления проушины с кольцевым конусным утолщением (фрагмент);
а) - профиль узла; б) - вид сбоку.
На фигурах показано:
1 - корпус устройства;
2 - сквозной паз корпуса;
3 - ось лопасти;
4 - лопасть;
5 - твердосплавный резец;
6 - полый шток;
7 - возвратная пружина;
8 - поршень;
9 - промывочные отверстия поршня;
10 - кольцевое конусное утолщение;
11 - проушина;
12 - отверстие проушины;
13 - направляющий палец;
14 - продольный паз лопасти;
15 - фигурный поперечный паз лопасти;
16 - упорное кольцо;
17 - фиксирующий винт;
18 - подвижная втулка;
19 - фиксирующий винт;
20 - фиксирующий винт;
21 - стенка скважины.
Расширитель гидравлический скважинный содержит корпус 1 (фиг. 1) с продольно выполненными сквозными пазами 2, в которых шарнирно на осях 3 установлены лопасти 4, армированные твердым сплавом (резцами 5), полый шток 6, подпружиненный пружиной 7, с закрепленными на нем поршнем 8, имеющим промывочные отверстия 9, и кольцевым конусным утолщением 10 с проушинами 11 (фиг. 2,3), имеющими сквозные отверстия 12 под направляющие пальцы 13 для взаимодействия с лопастями 4. Для этого в корпусе каждой лопасти 4 выполнен продольный внутренний паз 14 (фиг. 2, 3) под проушину 11 и фигурный поперечный паз 15 для направляющего пальца 13 проушины 11. Движение возвратной пружины 7 сверху ограничено упорным кольцом 16, зафиксированным относительно корпуса винтами 17, снизу - подвижной втулкой 18, зафиксированной винтом 19 относительно полого штока 6. Кольцевое конусное утолщение 10 закреплено на полом штоке 6 фиксирующими винтами 20. Сверху и снизу устройство имеет замковую резьбу для соединения с бурильной колонной сверху и с долотом снизу (на фиг. не показано).
Устройство работает следующим образом.
Производят сборку роторной компоновки низа бурильной колонны (КНБК), содержащей: долото, заявляемый расширитель, утяжеленная бурильная труба, бурильная колонна, и спускают в скважину ниже башмака обсадной колонны в открытый ствол. При этом расширитель находится в транспортном положении (лопасти 4 задвинуты в пазы 2 корпуса), что обеспечивает беспрепятственное его прохождение в скважине (фиг. 1). При достижении заданного интервала расширения ствола включают роторный привод буровой установки, обеспечивающий вращение бурильной колонны вместе с расширителем. Далее включают буровой насос и подают промывочную жидкость внутрь бурильных труб с производительностью, достаточной для создания избыточного внутритрубного давления (равного величине превышения внутритрубного давления над затрубным). Под действием избыточного давления поршень 8 совместно с полым штоком 6 и закрепленным на нем кольцевым конусным утолщением 10, имеющим проушины 11 (элемент соединения с отверстием для вставки направляющего пальца, обеспечивающий поворот вокруг пальца), начинает перемещаться вверх, при этом оказывая динамическое давление конусной частью утолщения 10 на внутреннюю поверхность лопастей 4. За счет расклинивающего воздействия лопасти 4 раздвигаются в радиальном направлении до упора твердосплавными резцами 5 в стенку скважины 21 и начинают ее разрушать и расширять ствол (фиг. 2). В процессе продольного перемещения полого штока 6 вверх под действием избыточного давления подвижная втулка 18, закрепленная на его корпусе, передает динамическое давление на возвратную пружину 7 и сжимает ее. Величина динамического давления на пружину определяется разностью площадей поперечной поверхности поршня 8 на входе и выходе промывочной жидкости и величиной избыточного внутритрубного давления. В зависимости от ожидаемого расчетного динамического давления производится выбор возвратной пружины сжатия с соответствующими техническими характеристиками.
При достижении конечной глубины расширения ствола останавливают вращение бурильной колонны и прекращают подачу промывочной жидкости (выключают буровой насос). Вследствие снижения величины избыточного давления пружина 7 разжимается и возвращает полый шток 6 совместно с закрепленными на нем подвижной втулкой 18 и кольцевым конусным утолщением 10 с проушинами 11 в начальное положение. Направляющие пальцы 13 проушин 11 при этом совершают возвратное продольно поступательное перемещение вдоль фигурного сквозного паза (скользят по внутренней поверхности фигурного паза) и оказывают динамическое давление на лопасти 4. Лопасти 4 расширителя за счет имеющейся взаимосвязи с полым штоком 6, реализуемой посредством шарнирного зацепления направляющих пальцев 13 проушин 11 с фигурными поперечными пазами 15 лопастей 4, совершают возвратное перемещение в пазы корпуса 1 расширителя. Это происходит принудительно, под воздействием динамического давления со стороны сжатой возвратной пружины 7 (за счет кинетической энергии сжатой пружины).
В процессе расширения ствола промывочная жидкость, подаваемая буровым насосом, проходит через колонну бурильных труб по центральному каналу гидравлического сообщения и истекает через долото (на фиг. не показано), а часть ее истекает через отверстия 9 поршня 8 к твердосплавным резцам 5 лопастей 4 через технологический зазор между корпусом 1 расширителя и его лопастями 4 (на фиг. не обозначено). Данный канал гидравлического сообщения открывается только, когда лопасти 4 расширителя выдвинуты и коснулись стенки скважины 21, а кольцевое конусное утолщение 10, имеющее сопряженные поверхности с корпусом 1 расширителя, вышло из зацепления с корпусом 1 расширителя и открыло проход промывочной жидкости к лопастям расширителя (фиг.1, 2). Расход промывочной жидкости, направляемой к долоту и поршню, определяется расчетным путем по известным методикам из условия обеспечения качественной очистки ствола от выбуренного шлама.
Таким образом, заявляемый расширитель обеспечивает принудительный возврат лопастей устройства из рабочего положения в транспортное. Повышается надежность работы расширителя за счет снижения рисков невозврата (заклинки) лопастей вследствие попадания шлама в полости устройства.