СКВАЖИННЫЙ РАЗДВИЖНОЙ РАСШИРИТЕЛЬ
BOREHOLE EXPANDING REAMER

Истребование приоритета
По настоящей заявке испрашивается приоритет предварительной патентной заявки US 60/872744, поданной 04.12.2006, "Скважинный раздвижной расширитель со скользящими лопастями", полное содержание которой включено в настоящую заявку в качестве ссылки.
Область техники
Настоящее изобретение относится в общем к устройству раздвижного расширителя, предназначенному для разбуривания ствола скважины ниже обсадной трубы или колонны-хвостовика.
Предшествующий уровень техники
Раздвижные расширители обычно используют для увеличения диаметра ствола подземной скважины. Традиционно при бурении нефтяных, газовых и геотермальных скважин устанавливают и цементируют обсадную трубу для предотвращения образования пустот в стволе скважины, тем самым укрепляя ее для проведения последующего бурения и достижения большей глубины. Обсадную трубу устанавливают также для разобщения различных пластов с целью предотвращения перетока пластовых флюидов и для обеспечения возможности исследования пластовых флюидов и давления в процессе бурения скважины. Для увеличения глубины уже пробуренной скважины новую обсадную трубу вводят в установленную обсадную колонну и выдвигают ниже нее. Хотя добавление дополнительных обсадных труб дает возможность достигнуть большей глубины, такое действие вызывает нежелательное сужение ствола скважины. Сужение ствола скважины накладывает ограничения на диаметр последующих секций, так как буровое долото и дополнительные обсадные трубы должны проходить через существующую обсадную колонну. Так как уменьшение диаметра скважины нежелательно из-за ограничения дебета продуктивной нефтяной и газовой скважины, часто требуется расширить подземную скважину и получить больший диаметр ствола, чтобы устанавливать дополнительные обсадные трубы за уже смонтированными, а также достичь увеличения выхода углеводородов из скважины.
Для увеличения диаметра ствола скважины использовали множество способов. В одном из обычных способов увеличения скважины используются эксцентрические и бицентрические долота. Например, эксцентрическое долото с выступающими в боковом направлении или увеличенными режущими частями вращается вокруг своей оси и увеличивает диаметр ствола скважины. Пример использования эксцентрического долота раскрыт в патенте US 4635738, права на который переданы правопреемнику настоящего изобретения. В узле бицентрического долота используют две в продольном направлении наложенные друг на друга секции с поперечным смещением осей, которые при вращении увеличивают диаметр ствола скважины. Пример использования бицентрического долота раскрыт в патенте US 5957223, права на который также переданы правопреемнику настоящего изобретения.
Другой известный способ расширения подземной скважины включает использование удлиненной забойной компоновки с пилотным буровым долотом на ее удаленном конце и устройства расширителя на некотором расстоянии выше забойной компоновки. Такое расположение дает возможность использовать любое стандартное долото роторного бурения - будь это буровое долото для скальных пород или долото для бурения по мягким породам - в качестве пилотного долота, а удлиненная конструкция забойной компоновки дает большую подвижность при прохождении мест сужения ствола скважины, а также возможность эффективной стабилизации пилотного долота, так чтобы направляющий ствол и последующий расширитель задавали необходимое направление ствола скважины. Эта идея удлиненной забойной компоновки особенно продуктивна при наклонно-направленном бурении. С этой целью правопреемник настоящего изобретения разработал конструкции расширителей с так называемыми лопастями (лезвиями) расширителей, которые в общем содержат трубчатый корпус, снабженный ловителем с резьбовым соединением в верхней концевой части и поверхность плашки ключа в нижней своей части, также имеющей резьбовое соединение. Права на оба патента US 5497842 и 5495899, в которых раскрыты конструкции таких расширителей, в том числе лопастей расширителей, переданы правопреемнику настоящего изобретения. Средняя часть устройства лопастного расширителя снабжена одной или более протяженных в продольном направлении лопастями, выступающими в общем по радиусу наружу из трубчатого корпуса, причем на наружных краях лопастей имеются режущие элементы из поликристаллических синтетических алмазов.
Как упомянуто выше, обычные раздвижные расширители могут быть использованы для увеличения диаметра подземной скважины и могут содержать лопасти, выполненные с возможностью поворота или шарнирно скрепленные с трубчатым корпусом и приводимые в действие с помощью поршня, расположенного в корпусе, как раскрыто в патенте US 5402856 (Warren). Кроме того в патенте US 6360831 (Akesson и др.) раскрыт обычный буровой расширитель, содержащий корпус, снабженный по меньшей мере двумя бурильными лопастями с режущим средством, которые могут выдвигаться из положения хранения в корпусе в активное положение под действием давления бурового раствора, проходящего через корпус. Лопасти этих расширителей в исходном положении втянуты, что позволяет опускать устройство в скважину на бурильной колонне, и после продвижения устройства за край обсадной трубы лопасти выдвигаются, так что ниже обсадной трубы диаметр ствола может быть увеличен.
Лопастям обычных раздвижных расширителей придан такой размер, чтобы минимизировать зазор между ними и трубчатым корпусом, предотвращая осаждение буровой грязи и фрагментов породы в зазорах и заедание лопастей в трубчатом корпусе. Для приведения в действие лопастей этих обычных расширителей используется давление, прикладываемое извне устройства, и создаваемое им усилие направлено по радиусу наружу на поршень, перемещающий лопасти, несущие режущие элементы, в поперечном направлении наружу. Можно понять, что само решение, заложенное в обычные расширители, может приводить к появлению произвольно направленных сил, вызывающих колебание и заедание поршней и лопастей, препятствуя возвращению их пружиной в поперечном направлении вовнутрь. Кроме того конструкция этих обычных расширителей не может способствовать предотвращению поломки лопастей при контакте с обсадной колонной при их заедании и последующем вытягивании вверх вдоль ствола скважины. Более того в некоторых расширителях, приводимых в действие гидравлически, используются дорогостоящие уплотнения, устанавливаемые на поверхностях очень сложной формы, и дорогостоящие поршни или лопасти, несущие режущие элементы. Для предотвращения перекоса, чтобы избежать возможного заклинивания, в некоторых конструкциях обычных расширителей поршень имеет причудливую форму, требующую сложной конфигурации сопряженного с ним уплотнения. Можно опасаться, что эти уплотнения подвержены протечкам после продолжительного использования.
В других известных расширителях требуются очень строгие допуски вблизи поршней или лопастей (такие как одна или две десятых миллиметра на некоторых участках). Испытания показывают, что основной проблемой может быть неспособность втянуть лопасти обратно в устройство из-за заедания, вызванного частицами, содержащимися в буровом растворе.
Несмотря на различные известные в предшествующем уровне техники подходы к бурению и (или) расширению ствола скважины ниже участка ствола с меньшим диаметром, существует потребность в усовершенствованных устройствах и способах выполнения этих операций. Например, бицентрические устройства и устройства лопастных расширителей ограничены в смысле того, что регулировка таких устройств для прохождения через ограниченный диаметр отсутствует, и все определяется диаметром расширителя. Более того, обычные бицентрические и эксцентрические долота могут иметь тенденцию к биению и отклонению от траектории, намеченной для скважины. Обычные устройства раздвижных расширителей, хотя иногда и более стабильные, чем бицентричные и эксцентричные, могут быть подвержены поломкам при прохождении через суженные участки скважины или обсадной трубы, могут быть преждевременно приведены в действие и при извлечении их из скважины после использования могут возникать трудности.
Соответственно имеется необходимость улучшения или доработки устройств раздвижного расширителя, так чтобы избавиться от зависимости от вида поземной формации, в которой производится бурение. Есть также потребность в устройстве раздвижного расширителя, в котором обеспечено безотказное втягивание лопастей, надежно спроектированное с применением уплотнений или втулок обычной конфигурации, и в котором не требуется выдерживать строгие допуски между подвижными деталями.
Раскрытие изобретения
Для предотвращения или по меньшей мере снижения заедания лопастей, несущих режущие элементы, предназначенные для расширения ствола скважины, предложено устройство, содержащее по меньшей мере в одном из вариантов выполнения изобретения лопасти, приспособленные для скольжения вверх по направляющей, выполненной в корпусе устройства, что дает возможность приложения большего усилия к лопастям устройства при развертывании лопастей в полностью выдвинутое положение без повреждения или заедания при одновременном обеспечении возможности втягивания лопастей непосредственно по той же направляющей.
В других вариантах выполнения изобретения предложено устройство раздвижного расширителя, предназначенное для бурения подземной формации и содержащее трубчатый корпус, одну или более лопасти, позиционно связанные с направляющей, выполненной в трубчатом корпусе, толкающую гильзу и проходящий через трубчатый корпус проход (траектория) для бурового раствора (промывочной жидкости), по которому пропускается буровой раствор. Трубчатый корпус имеет продольную ось, внутренний канал, наружную поверхность и по меньшей мере одну направляющую, проходящую через трубчатый корпус между внутренним каналом и наружной поверхностью и содержащую наклонную плоскость, ориентированную под острым углом к продольной оси. Каждая из одной или более лопастей содержит режущий элемент, приспособленный и ориентированный для удаления материала со стенки ствола скважины, пробуренной в подземной формации, который предназначен для увеличения диаметра ствола скважины при вращении устройства. Толкающая гильза позиционно связана с внутренним каналом трубчатого корпуса и связана с по меньшей мере одной лопастью таким образом, чтобы по выбору предоставлять возможность буровому раствору, проходящему через трубчатый корпус, вызывать осевое перемещение толкающей гильзы под воздействием усилия или давления бурового раствора, так чтобы линейно перемещать по меньшей мере одну лопасть по направляющей из втянутого положения в выдвинутое положения для расширения ствола скважины.
В других вариантах выполнения изобретения предложено устройство раздвижного расширителя, предназначенное для бурения подземной формации и содержащее трубчатый корпус, содержащий смещающий элемент и толкающую гильзу, расположенную во внутреннем канале трубчатого корпуса, причем смещающий элемент контактирует с толкающей гильзой и ориентирован таким образом, чтобы смещать толкающую гильзу в направлении по оси вниз для обратного перемещения по меньшей мере одной лопасти вдоль по меньшей мере одной направляющей, выполненной в трубчатом корпусе, во втянутое положение, когда на толкающую гильзу не действует усилие или давление бурового раствора.
В дополнительных вариантах выполнения изобретения предложен направляющих узел, предназначенный для позиционного закрепления и ориентирования по меньшей мере одной лопасти в по меньшей мере одной направляющей устройства раздвижного расширителя.
В других вариантах выполнения изобретения предложено устройство раздвижного расширителя, предназначенное для бурения подземной формации и содержащее ограничивающий перемещение элемент, помещенный между трубчатым корпусом и толкающей гильзой для установления предела осевого выдвижения толкающей гильзы.
В других вариантах выполнения изобретения предложено устройство раздвижного расширителя, предназначенное для бурения подземной формации и содержащее подвижную гильзу, помещенную во внутреннем канале трубчатого корпуса и выполненную с возможностью по выбору изоляции толкающей гильзы и лопастей от воздействия или давления бурового раствора.
В вариантах выполнения изобретения подвижная гильза в исходном положении зафиксирована по оси во внутреннем канале трубчатого корпуса устройства раздвижного расширителя срезным узлом, предназначенным для крепления подвижной гильзы.
В других вариантах выполнения изобретения толкающая гильза закреплена по оси в исходном положении узлом нижней фиксации, связанным с трубчатым корпусом устройства раздвижного расширителя и включающим нижний край подвижной гильзы таким образом, чтобы обеспечить возможность осевого линейного перемещения толкающей гильзы между втянутым положением и выдвинутым положением после того как подвижная гильза линейно перемещена в достаточной степени, чтобы высвободить толкающую гильзу из узла нижней фиксации.
В еще других вариантах выполнения изобретения предложен верхний трубчатый фиксатор, предназначенный для закрепления подвижной гильзы с целью предотвращения перемещения ее в трубчатом корпусе устройства раздвижного расширителя, достаточного для того, чтобы толкающая гильза подверглась воздействию или давлению бурового раствора, проходящего по своей траектории потока.
В вариантах выполнения изобретения также предложено измерительное устройство, предназначенное для определения диаметра расширенного ствола скважины.
Другие варианты выполнения изобретения включают по меньшей мере один заменяемый блок стабилизатора, установленный в продольном направлении у конца по меньшей мере одной направляющей для ограничения выдвижения наружу одной или более лопастей устройства раздвижного расширителя.
Предложены и возможны и другие варианты выполнения устройства раздвижного расширителя.
Краткое описание чертежей
Ниже изобретение более подробно рассмотрено со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:
на фиг.1 - вид сбоку варианта выполнения устройства раздвижного расширителя по настоящему изобретению;
на фиг.2 - поперечное сечение устройства раздвижного расширителя по линии 2-2 с фиг.1;
на фиг.3 - продольное сечение устройства раздвижного расширителя с фиг.1;
на фиг.4 - увеличенное продольное сечение части устройства раздвижного расширителя с фиг.1;
на фиг.5 - увеличенное сечение другой части устройства раздвижного расширителя с фиг.3;
на фиг.6 - увеличенное сечение еще одной части устройства раздвижного расширителя с фиг.3;
на фиг.7 - увеличенное сечение следующей часть устройства раздвижного расширителя;
на фиг.8 - сечение срезного узла по одному из вариантов выполнения устройства раздвижного расширителя;
на фиг.9 - сечение узла сопла по одному из вариантов выполнения устройства раздвижного расширителя;
на фиг.10 - вид сверху лопасти по одному из вариантов выполнения изобретения;
на фиг.11 - продольное сечение лопасти, взятое по линии 11-11 с фиг.10;
на фиг.12 - продольный вид с края лопасти с фиг.10;
на фиг.13 - сечение лопасти, взятое по линии 13-13 с фиг.11;
на фиг.14 - сечение лопасти, взятое по линии 14-14 с фиг.11;
на фиг.15 - сечение верхнего трубчатого фиксатора по одному из вариантов выполнения устройства раздвижного расширителя;
на фиг.16 - вид в перспективе хомута по одному из вариантов выполнения устройства раздвижного расширителя;
на фиг.17 - частичное изображение в продольном сечении по одному из вариантов выполнения устройства раздвижного расширителя, находящегося в закрытом или втянутом положении;
на фиг.18 - частичное изображение в продольном сечении устройства раздвижного расширителя с фиг.17, находящегося в исходном положении, в котором в проход флюида вводят шар;
на фиг.19 - частичное изображение в продольном сечении устройства раздвижного расширителя с фиг.17, находящегося в исходном положении, в котором шар переместился до седла ловителя и захвачен в нем;
на фиг.20 - частичное изображение в продольном сечении устройства раздвижного расширителя с фиг.17, в котором при возрастании давления срабатывает срезной узел и подвижная гильза начинает перемещаться в устройстве вниз из исходного положения устройства;
на фиг.21 - частичное изображение в продольном сечении устройства раздвижного расширителя с фиг.17, в котором подвижная гильза перемещается к нижнему, фиксированному положению, в то время как лопасть, проталкиваемая толкающей гильзой, принудительно перемещается к выдвинутому положению под действием давления флюида;
на фиг.22 - частичное изображение в продольном сечении устройства раздвижного расширителя с фиг.17, в котором лопасти (показана одна) удерживаются в полностью выдвинутом положении толкающей гильзой под действием давления флюида, а подвижная гильза перемещена в фиксированное положение;
на фиг.23 - частичное изображение в продольном сечении устройства раздвижного расширителя с фиг.17, в котором лопасти (показана одна) перемещены во втянутое положение смещающей пружиной при сбросе давления флюида;
на фиг.24 - частичное изображение в продольном сечении устройства раздвижного расширителя с фиг.17, включающего скважинное устройство измерения линейных размеров по другому варианту выполнения изобретения;
на фиг.25 - продольное сечение по варианту выполнения устройства раздвижного расширителя, включающему элемент ограничения перемещения; и
на фиг.26 - продольное сечение по варианту выполнения устройства раздвижного расширителя, включающему другой элемент ограничения перемещения.
Варианты осуществления изобретения
Представленные в данной заявке иллюстрации в некоторых случаях не являются действительными изображениями конкретного расширителя, режущего элемента или другой детали расширителя, а служит просто схематическим представлением, используемым для описания настоящего изобретения. Кроме того элементы, встречающиеся на различных фигурах, могут сохранять одинаковые цифровые обозначения.
8
На фиг.1 представлено устройство 100 раздвижного расширителя, выполненное в соответствии с одним из вариантов реализации настоящего изобретения. Устройство 100 раздвижного расширителя в общем может содержать цилиндрический трубчатый корпус 108, имеющий продольную ось L. Трубчатый корпус 108 устройства 100 раздвижного расширителя может иметь нижнюю концевую часть 190 и верхнюю концевую часть 191. Используемые в отношении концевых частей 190, 191 термины "нижняя" и "верхняя" соответствуют обычному положению концевых частей 190, 191 друг относительно друга при нахождении устройства 100 раздвижного расширителя в скважине. Нижняя концевая часть 190 трубчатого корпуса 108 устройства 100 раздвижного расширителя может включать несколько резьбовых элементов (например, резьбовой охватываемый элемент), предназначенных для соединения нижней концевой части 190 с другими секциями бурильной колонны или другими элементами компоновки низа бурильной колонны, такими как, например, удлинитель или переходник, несущий пилотное буровое долото для бурения скважины. Аналогично верхняя концевая часть 191 трубчатого корпуса 108 устройства 100 раздвижного расширителя может включать несколько резьбовых элементов (например, резьбовой охватывающий элемент), предназначенных для соединения верхней концевой части 191 с другими секциями бурильной колонны или другими элементами компоновки низа бурильной колонны.
8
Три скользящие режущие головки или лопасти 101, 102, 103 (смотри фиг.2) удерживаются в положениях, разнесенных друг от друга по окружности в трубчатом корпусе 108, как будет описано ниже, и могут быть установлены в положении вдоль устройства 100 раздвижного расширителя, промежуточном между первой нижней концевой частью 190 и второй верхней концевой частью 191. Лопасти 101, 102, 103 могут содержать материал, представляющий собой сталь, карбид вольфрама, композит с внедренными частицами (например, твердыми частицами, распределенными в материале матрицы) или другие подходящие материалы, известные в предшествующем уровне техники. Лопасти 101, 102, 103 удерживаются в исходном, втянутом положении в трубчатом корпусе 108 устройства 100 раздвижного расширителя, как показано на фиг.17, но при необходимости под воздействием гидравлического давления могут быть перемещены в выдвинутое положение, показанное на фиг.22, или перемещены во втянутое положение, показанное на фиг.23, как будет описано далее. Устройство 100 раздвижного расширителя может быть выполнено таким образом, чтобы лопасти 101, 102, 103 приходили во взаимодействие со стенками подземной формации (породы), окружающей ствол скважины, в котором размещено устройство 100, удаляя материал формации при нахождении лопастей 101, 102, 103 в выдвинутом положении, но не могли взаимодействовать со стенками подземной формации в стволе скважины при нахождении лопастей 101, 102, 103 во втянутом положении. Хотя устройство 100 раздвижного расширителя содержит три лопасти 101, 102, 103, подразумевается, что могут с успехом использоваться одна, две или более трех лопастей. Более того, хотя лопасти 101, 102, 103 расположены симметрично по окружности относительно проходящей вдоль трубчатого корпуса 108 оси, эти лопасти могут быть также расположены асимметрично по окружности, а также асимметрично вдоль оси Lв направлении обеих концевых частей 190 и 191.
8
На фиг.2 представлено сечение устройства 100 раздвижного расширителя с фиг.1, взятое по линии 2-2, изображенной на фиг.1. Как видно на фиг.2, трубчатый корпус 108 охватывает канал 192 прохождения флюида (бурового раствора), идущий в продольном направлении через трубчатый корпус 108. По каналу 192 прохождения флюида он в общем направляется через внутренний канал 151 в подвижной гильзе 128, минуя лопасти 101, 102, 103, что защищает их от воздействия бурового раствора особенно в направлении поперечном или нормальном к продольной оси L. С точки зрения работы устройства 100 раздвижного расширителя предпочтительно защитить лопасти 101, 102, 103, чтобы насыщенный твердыми частицами флюид как можно меньше на них воздействовал. Однако понятно, что эффективная защита лопастей 101, 102, 103 не нужна для работы устройства 100 раздвижного расширителя, в котором, как будет подробно объяснено ниже, работа, то есть выдвижение из исходного положения, нахождение в выдвинутом положении и во втянутом положении, происходит под воздействием направленного по оси усилия, то есть суммарного воздействия давления флюида и силы смещающей пружины. В этом варианте выполнения на лопасти 101, 102, 103 непосредственно воздействует направленное по оси усилие, развиваемое воздействующими в осевом направлении приводными элементами, такими как, например, толкающая гильза 115, показанная на фиг.3, что не является ограничительным свойством, как лучше описано ниже.
На фиг.2 для лучшего описания свойств изобретения лопасти 102 и 103 показаны в исходном или втянутом положении, в то время как лопасть 101 показана в наружном или выдвинутом положении. Устройство 100 раздвижного расширителя может быть выполнено так, чтобы наиболее отстоящие по радиусу или в боковом направлении части каждой лопасти 101, 102, 103 не выходили за очертания трубчатого корпуса 108 при нахождении лопастей в исходном или втянутом положении, то есть чтобы они не выступали за наружный диаметр трубчатого корпуса 108. Такое расположение может защитить лопасти 101, 102, 103 при нахождении устройства 100 раздвижного расширителя в обсадной трубе ствола скважины и дает возможность устройству 100 раздвижного расширителя проходить через такую обсадную трубу в скважину. В других вариантах выполнения наиболее выступающие по радиусу части лопастей 101, 102, 103 могут слегка выходить за наружный диаметр трубчатого корпуса 108 или совпадать с ним. Как видно на примере лопасти 101, лопасти могут выступать за наружный диаметр трубчатого корпуса 108 при нахождении в выдвинутом положении, взаимодействуя со стенками ствола скважины при выполнении операции разбуривания.
На фиг.3 представлено другое сечение устройства 100 раздвижного расширителя с фигур 1 и 2, взятое по линии 3-3, изображенной на фиг.2. Можно также обратиться к фигурам 4-7, на которых показаны увеличенные продольные сечения различных частей устройства 100 раздвижного расширителя с фиг.3. При необходимости можно возвратиться также обратно к фигурам 1 и 2. В трубчатом корпусе 108 три скользящие режущие головки или лопасти 101, 102, 103 позиционно закреплены в трех направляющих 148 лопастей. Каждая из лопастей 101, 102, 103 несет на себе группу режущих элементов 104, взаимодействующих с материалом подземной формации, формируя стенку необсаженной скважины при выдвинутом положении лопастей 101, 102, 103, показанном на фиг.22. Режущими элементами могут быть выполненные по порошковой технологии режущие элементы с внедренными поликристаллическими алмазами или другие режущие элементы, известные специалисту в данной области техники и в общем описанные в патенте US 7036611 "Раздвижной расширитель ствола скважины при бурении и способ его применения".
Устройство 100 раздвижного расширителя содержит срезной узел 150, предназначенный для удержания устройства 100 раздвижного расширителя в исходном положении путем скрепления подвижной гильзы 128 с верхней концевой частью 191 устройства. На фиг.8 можно видеть частичный вид срезного узла 150. Срезной узел 150 содержит верхний трубчатый фиксатор 124, некоторое количество срезных винтов 127 и подвижную гильзу 128. Верхний трубчатый фиксатор 124 закреплен во внутреннем канале 151 трубчатого корпуса 108 между уступом 152 и крепежным кольцом 132, показанным на фиг.7, и включает кольцевое уплотнение 135 круглого сечения, предназначенное для предотвращения перетекания флюида между наружным каналом 153 верхнего трубчатого фиксатора 124 и внутренним каналом 151 трубчатого корпуса 108. Верхний трубчатый фиксатор 124 снабжен пазами 154 для размещения каждого из срезных винтов 127, причем в данном варианте выполнения изобретения каждый срезной винт 127 ввинчен в нарезное отверстие 155 подвижной гильзы 128. Срезные винты 127 удерживают подвижную гильзу 128 во внутреннем канале 156 верхнего трубчатого фиксатора 124 для предотвращения перемещения подвижной гильзы 128 в осевом направлении 157 вниз вдоль ствола скважины, то есть в направлении к нижней концевой части 190 устройства 100 раздвижного расширителя. Верхний трубчатый фиксатор 124 снабжен уступом 158, направленным вовнутрь и служащим для предотвращения перемещения подвижной гильзы 128 в направлении 159 вверх вдоль ствола скважины, то есть в направлении к верхней концевой части 191 устройства 100 раздвижного расширителя. Кольцевое уплотнение 134 круглого сечения создает герметизацию между подвижной втулкой 128 и внутренним каналом 156 верхнего трубчатого фиксатора 124. При разрушении срезных винтов 127 подвижная гильза 128 получает возможность перемещения в осевом направлении в трубчатом корпусе 108 в направлении 157 вниз вдоль ствола скважины. Предпочтительно, чтобы части срезных винтов 127 после разрушения оставались в верхнем трубчатом фиксаторе 124 и подвижной гильзе 128 для предотвращения потери этих частей или заклинивания их в других компонентах при бурении скважины. Хотя показаны срезные винты 127, могут быть с успехом применены другие срезные элементы, например, но не в порядке ограничения, срезной пруток, срезная проволока и срезной штифт. Дополнительно другие срезные элементы могут иметь приспособления для надежного удержания их в составных частях устройства после разрушения аналогично срезным винтам 127 в данном варианте выполнения изобретения.
Как видно на фиг.6, верхний трубчатый фиксатор 124 содержит также зажим 160, удерживающий в осевом направлении уплотнительную втулку 126, находящуюся между внутренним каналом 151 трубчатого корпуса 108 и наружным каналом 162 подвижной гильзы 128. Верхний трубчатый фиксатор 124 имеет одну или более консоли 163 и одну или более прорези 161, вытянутые в осевом направлении. Если подвижная гильза 128 находится на достаточном расстоянии по оси в направлении 157 вниз вдоль ствола скважины, одна или более консоли 163 пружиняще выдаются вовнутрь, блокируя перемещение подвижной гильзы 128 между проушинами 163 верхнего трубчатого фиксатора 124 и между амортизирующим элементом 125, закрепленным под верхним краем уплотнительной втулки 126. Кроме того, если подвижная гильза 128 находится на достаточном расстоянии по оси в направлении 157 вниз вдоль ствола скважины, одна или более прорези 161 верхнего трубчатого фиксатора 124 открыты для флюида, давая ему возможность поступать в сопловидное входное отверстие (насадки) 164 из канала 192 прохождения флюида. Амортизирующий элемент 125 уплотнительной втулки 126 обеспечивает упругое закрепление подвижной гильзы 128 проушинами верхнего трубчатого фиксатора 124, а также смягчает удар со стороны подвижной гильзы 128 при прекращении ее движения уплотнительной втулкой 126.
Амортизирующий элемент 125 может содержать упругий или податливый материал, такой как, например, эластомер или другой полимер. В одном из вариантов амортизирующий элемент может содержать нитрилакрильный каучук, Использование амортизирующего элемента 125 между подвижной втулкой 128 и уплотнительной втулкой 126 может уменьшить или предотвратить деформацию по меньшей мере одного элемента из подвижной гильзы 128 и уплотнительной втулки 126, которая могла бы произойти в противном случае.
Следует отметить, что любые раскрытые здесь уплотнительные элементы или амортизирующие элементы, входящие в устройство 100 раздвижного расширителя, могут включать известные в предшествующем уровне техники подходящие материалы, такие как, например, полимер или эластомер. Дополнительно материал, составляющий уплотнительный элемент, может быть выбран со свойствами, пригодными для использования при относительно высокой температуре (например, при температуре около 400°F (205°C) или выше). Например, в уплотнения могут входить тефлон™, полиэфиркетон (PEEK™), полимер, или эластомер, или они могут включать уплотнение металл по металлу, пригодное для использования в предполагаемых скважинных условиях. В частности, любой раскрытый здесь уплотнительный элемент или амортизирующий элемент, такой как амортизирующий элемент 125 или уплотнительные элементы 134 и 135, рассмотренные выше, или уплотнительные элементы, такие как уплотнение 136, рассмотренное ниже, или другие уплотнительные элементы, входящие в устройство раздвижного расширителя по настоящему изобретению, могут содержать материал, пригодный для работы при относительно высокой температуре, а также в условиях, способствующих интенсивной коррозии.
Уплотнительная втулка 126 снабжена кольцевым уплотнением 136 круглого сечения, герметизирующим внутренний канал 151 трубчатого корпуса 108, и Т-образным уплотнением 137, герметизирующим наружный канал 162 подвижной гильзы 128, что завершает уплотнение флюида между подвижной втулкой 128 и сопловидным входным отверстием 164. Более того, уплотнительная втулка 126 в осевом направлении устанавливает, направляет и удерживает подвижную гильзу 128 в трубчатом корпусе 108. Кроме того уплотнения 136 и 137 уплотнительной втулки могут предотвращать утечку жидкости, находящейся внутри устройства 100 раздвижного расширителя, наружу из устройства 100 раздвижного расширителя через сопловидное входное отверстие 164 до того как подвижная гильза 128 освобождена из своего исходного положения.
Нижняя концевая часть 165 подвижной гильзы 128 (смотри также фиг.5), включающая стопорную втулку 130, ориентирована или направлена по оси и закреплена кольцевым поршнем или нижним трубчатым фиксатором (узлом нижней фиксации) 117. Нижний трубчатый фиксатор 117 в осевом направлении сопряжен с толкающей гильзой 115, которая по окружности удерживается между подвижной втулкой 128 и внутренним каналом 151 трубчатого корпуса 108. Когда при бурении подвижная гильза 128 находится в положении "готовности" или в исходном положении, гидравлическое давление между наружным каналом 162 подвижной гильзы 128 и внутренним каналом 151 трубчатого корпуса 108 может воздействовать на толкающую гильзу 115, концентрическую оси устройства, и на нижний трубчатый фиксатор 117. При наличии гидравлического давления или без него, когда устройство 100 раздвижного расширителя находится в исходном положении, движение толкающей гильзы 115 в направлении 159 вверх вдоль ствола скважины предотвращает узел нижней фиксации, то есть один или более упоры 166 нижнего трубчатого фиксатора 117. Позиционно упоры 166 зажаты между кольцевой проточкой 167 во внутреннем канале 151 трубчатого корпуса 108 и стопорной втулкой 130. Каждый упор 166 нижнего трубчатого фиксатора 117 представляет собой зажим или замковую защелку, имеющую выступающий фиксатор 168, который может взаимодействовать с пазом 167 трубчатого корпуса 108 при надавливании на него стопорной втулки 130.
Упоры 166 удерживают на месте нижний трубчатый фиксатор 117 и предотвращают перемещение толкающей гильзы 115 в направлении 159 вверх вдоль ствола скважины до тех пор, пока "конечная" или стопорная втулка 130 со своим большим наружным диаметром 169 не переместится за нижний трубчатый фиксатор 117, давая возможность упорам 166 втянуться вовнутрь в направлении оси до меньшего наружного диаметра 170 подвижной гильзы 128, При втянутых вовнутрь в направлении оси упорах 166 они могут выйти из проточки 167 трубчатого корпуса 108, давая возможность гидравлическому давлению воздействовать на толкающую гильзу 115 в основном в направлении оси, то есть в направлении 159 вверх вдоль ствола скважины.
Для срабатывания срезного узла 150 требуется выполнение побуждающего действия, такого как введение шара или другого постороннего предмета в устройство 100 раздвижного расширителя, чтобы вызвать увеличение давление жидкости перед разрушением срезных винтов 127.
Нижняя концевая часть 165 подвижной гильзы 128 содержит в своем внутреннем канале ловитель 129 шара (шариковый фиксатор), включающий пробку 131. Кольцевое уплотнение 139 круглого сечения может также обеспечить герметизацию между ловителем 129 шара и пробкой 131. Посторонний элемент в виде шара 147 может быть введен в устройство 100 раздвижного расширителя для запуска в работу устройства 100 раздвижного расширителя путем инициализации или "срабатывания" срезного механизма 150. После введения шара 147 флюид доставит его в ловитель 129 шара, давая возможность шару 147 быть захваченным и герметизированным на опорной поверхности пробки 131 и ловителя 129 шара. Когда захваченный в ловителе 129 шар 147 перекроет поток флюида, давление флюида или гидравлическое давление внутри устройств 100 раздвижного расширителя будет возрастать до тех пор, пока не произойдет разрушение срезных винтов 127. После разрушения срезных винтов 127 подвижная гильза 128 вместе с коаксиально закрепленной стопорной втулкой 130 будет перемещаться вдоль оси под действием гидравлического давления в направлении 157 вниз вдоль ствола скважины до тех пор, пока подвижная гильза 128 снова не будет задержана верхним трубчатым фиксатором 124, как описано выше, или не переместится в нижнее положение. После этого поток флюида может восстановиться через отверстия 173 прохождения флюида, выполненные в подвижной гильзе 128 выше шара 147.
Дополнительно шар 147, используемый для активации устройства 100 раздвижного расширителя, может взаимодействовать с деформируемыми ловителем 129 и пробкой 131, так что шар может в них обжиматься для предотвращения проворота шара 147 и возможного возникновения проблем или повреждения устройства 100 раздвижного расширителя.
Кроме того, для закрепления подвижной гильзы 128 и смягчения вибраций после остановки ее осевого перемещения стопорная втулка 130 и нижняя концевая часть 165 подвижной гильзы 128 зажимаются в муфте-стабилизаторе 122. Здесь можно также сослаться на фигуры 5 и 22. Муфта-стабилизатор 122 сопряжена с внутренним каналом 151 трубчатого корпуса 108 и зафиксирована между крепежным кольцом 133 и защитной втулкой 121, удерживаемой кольцевым уступом 171 во внутреннем канале 151 трубчатого корпуса 108. Крепежное кольцо 133 удерживается в кольцевом пазе 172, выполненном в стенке внутреннего канала 151 трубчатого корпуса 108. Защитная втулка 121 обеспечивает предотвращение эрозионного воздействия жидкого флюида на трубчатый корпус, давая возможность флюиду проходить через отверстия 173 подвижной гильзы 128, попадая на защитную втулку 121 и проходя через муфту-стабилизатор 122 при зажатой в ней подвижной гильзе 128.
После того как подвижная гильза 128 пройдет достаточное расстояние, чтобы дать возможность упорам 166 нижнего трубчатого фиксатора 117 выйти из проточки 167 трубчатого корпуса 108, упоры 166 нижнего трубчатого фиксатора 117, связанные с толкающей гильзой 115, могут вместе с ней перемещаться в направлении 159 вверх вдоль ствола скважины. Здесь можно также сослаться на фигуры 5, 6 и 21. Для того чтобы проталкивать толкающую гильзу 115 в направлении 159 вверх вдоль ствола скважины, разность давлений между внутренним каналом 151 и наружной стороной 183 трубчатого корпуса 108, создаваемая потоком флюида, должна быть достаточной для преодоления возвращающего усилия или смещения пружины 116. Работающая на сжатие пружина 116, препятствующая перемещению толкающей гильзы 115 в направлении 159 вверх вдоль ствола скважины, установлена на наружной поверхности 175 толкающей гильзы 115 между кольцом 113, закрепленным в пазе 174 трубчатого корпуса 108 и нижним трубчатым фиксатором 117. Толкающая гильза 115 может перемещаться в осевом направлении 159 вверх вдоль ствола скважины под воздействием гидравлической жидкости, но ограничена в движении вверх верхним выступом кольца 113 и в движении в направлении 157 вниз вдоль ствола скважины защитной втулкой 184. Толкающая гильза 115 может иметь Т-образное уплотнение 138, прилегающее к трубчатому корпусу 108, и Т-образное уплотнение 137, прилегающее к подвижной гильзе 128, а также грязесъемную манжету 141 между подвижной втулкой 1128 и толкающей гильзой 115.
Толкающая гильза 115 включает в своей верхней части 176 хомут 114, соединенный с ней, как показано на фиг.6. Хомут 114 (также показанный на фиг.16) имеет три консоли 177, причем каждая консоль 177 связана с одной из лопастей 101, 102, 103 шарнирным соединением. Консоли 177 могут иметь поверхность специальной формы, пригодной для вытеснения мусора при переводе лопастей 101, 102, 103 во втянутое положение. Профилированная форма консолей 177 в сочетании с формой прилегающей стенки полости в корпусе 108 может иметь прилегающие углы, приблизительно равные 20 градусам, что предпочтительно для перемещения и удаления гранулированных глинистых включений, и причем поверхности могут быть из материала с низким коэффициентом трения для предотвращения налипания обломков выбуренной породы и другого мусора. Шарнирное соединение 178 включает рычаг 118, соединяющий лопасть с консолью 177, причем рычаг 118 соединен с лопастью штифтом 119 лопасти, зафиксированным крепежным кольцом 142, а также с консолью 177 штифтом 120 хомута, зафиксированным разводной чекой 144. Связанный штифтами рычаг 178 позволяет лопастям 101, 102, 103 поворачиваться относительно консолей 177 хомута 114 по мере того как приводное средство линейно перемещает лопасти 101, 102, 103 между выдвинутым и втянутым положениями. Предпочтительно, чтобы приводное средство, то есть толкающая гильза 115, хомут 114 и (или) рычаг 178 перемещались прямолинейно при выдвижении лопастей 101, 102, 103, причем здравый смысл подсказывает использование одной детали для приложения гидравлического давления, вынуждающего лопасти выдвигаться в поперечном направлении, и другой детали, такой как пружина, вынуждающей лопасти убираться вовнутрь.
8
8
Для того чтобы лопасти 101, 102, 103 могли менять положение между выдвинутым и втянутым, каждая из них связана со своей направляющей 148 лопасти, выполненной в трубчатом корпусе 108, что, в частности, показано на фигурах 3 и 6. Лопасть 101 показана также на фигурах 10-14. Направляющая 148 лопасти содержит паз 179, имеющий форму ласточкина хвоста и проходящий в осевом направлении вдоль трубчатого корпуса 108 по скосу 180, образующему острый угол по отношению к продольной оси L. Каждая из лопастей 101, 102, 103 содержит планку 181, имеющую форму ласточкина хвоста, которая в общем совмещается с пазом 179 направляющей лопасти, также имеющим форму ласточкина хвоста для скользящего скрепления лопастей 101, 102, 103 с трубчатым корпусом 108. При воздействии гидравлического давления на толкающую гильзу 115 лопасти 101, 102, 103 будут перемещены вверх и наружу через прорезь 182 для лопасти в выдвинутое положение готовности к разрезанию формации. Лопасти 101, 102, 103 проталкиваются вдоль направляющих 148 лопастей до тех пор, пока их перемещение не будет остановлено трубчатым корпусом 108 или верхним блоком 105 стабилизатора, связанным с трубчатым корпусом 108. В положении вверх-наружу или в полностью выдвинутом положении лопасти 101, 102, 103 располагаются так, чтобы режущие элементы 104 увеличивали канал скважины, пробуренной в пласте на заданную величину. При сбросе гидравлического давления, создаваемого буровым раствором, проходящим по устройству 100 раздвижного расширителя, пружина 116 через толкающую гильзу 115 и шарнирное соединение 178 вынудит лопасти 101, 102, 103 переместиться во втянутое положение. В случае если устройство не перейдет во втянутое положение под действием усилия пружины, когда его вытягивают вверх по скважине к башмаку обсадной колонны, башмак может прийти в контакт с лопастями и вынудить или вдавить их вниз по направляющим 148, давая возможность извлечь устройство 100 раздвижного расширителя из скважины. Можно сказать, что устройство 100 раздвижного расширителя содержит средство обеспечения гарантированного втягивания лопастей, предназначенное для дополнительного содействия в извлечении устройства из скважины. Наклон 180 направляющих 148 лопастей в данном варианте выполнения изобретения составляет десять градусов по отношению к продольной оси L устройства 100 раздвижного расширителя. Хотя наклон 180 направляющих 148 лопастей в данном случае составляет десять градусов, он может изменяться от величины большей, чем показана, до величины меньшей, чем показана. Однако наклон 180 должен быть меньше 35 градусов по причинам, рассмотренным ниже, чтобы достичь всех преимуществ данного свойства изобретения. Лопасти 101, 102, 103 при введении их в направляющие 148 лопастей имеющими форму ласточкина хвоста рельсами 181 в процессе продвижения в осевом направлении в выдвинутое положение допускают более свободные зазоры по сравнению с известными гидравлическими расширителями, в которых требуются меньшие зазоры между поршнями лопастей и трубчатым корпусом при радиальном перемещении лопастей в их выдвинутое положение. Соответственно лопасти 101, 102, 103 более прочные и, как представляется, менее подвержены заеданию или поломке из-за воздействия флюида. В данном варианте выполнения изобретения лопасти 101, 102, 103 имеют достаточный зазор в пазах 179 направляющих 148 лопастей, например зазор в один или полмиллиметра между имеющим форму ласточкина хвоста рельсом 181 и имеющим форму ласточкина хвоста пазом 179. Нужно признать, что термин "форма ласточкина хвоста" в приложении к пазу 179 или рельсу 181 не является ограничительным свойством, но в широком смысле относится к конструкциям, в которых каждая лопасть 101, 102, 103 скреплена с корпусом 108 устройства 100 раздвижного расширителя, хотя при этом допускается также, что лопасти 101, 102, 103 перемещаются между двумя или более положениями вдоль направляющих 148 лопастей без связи или механического сцепления с ними.
Преимуществом изобретения является то, что естественные реактивные силы, действующие на режущие элементы 104 на лопастях 101, 102, 103 при вращении устройства 100 раздвижного расширителя с взаимодействием с породой формации при расширении ствола скважины, могут способствовать дальнейшему проталкиванию лопастей 101, 102, 103 в выдвинутое наружу положение, удерживая их этим воздействием в наружном или выдвинутом положении. Поэтому возникающие при бурении силы, воздействующие на режущие элементы 104, вместе с давлением внутри устройства 100 раздвижного расширителя, создающего разность давлений по отношению к давлению в скважине вне устройства, способствуют дополнительному удержанию лопастей 101, 102, 103 в выдвинутом или наружном положении. Кроме того при бурении устройством 100 раздвижного расширителя давление флюида может быть снижено, если наклон 180 направляющих 148 лопастей достаточно пологий, что дает возможность реактивным силам воздействовать на режущие элементы 104 таким образом, чтобы компенсировать смещающее воздействие пружины 116. При этом приложение при бурении давления гидравлической жидкости может быть существенно минимизировано, так как достоинства такого механического выполнения дают возможность реактивным силам воздействовать на режущие элементы 104 в случае существенно пологого наклона 180 направляющих 148 так, чтобы обеспечивать воздействие реактивных сил, необходимое для удержания лопастей 101, 102, 103 в выдвинутом положении. В обычных расширителях, в которых лопасти выдвигаются в основном в боковом направлении наружу под углом, составляющим 35 градусов или более (относительно продольной оси), требуется постоянное приложение полной величины гидравлического давления, чтобы удерживать лопасти в выдвинутом положении. Соответственно в отличие от обычных выдвижных расширителей лопасти 101, 102, 103 устройства 100 раздвижного расширителя стремятся при расширении ствола скважины занять выдвинутое положение. Направление результирующей режущей силы и, следовательно, реактивной силы может быть подобрано изменением угла наклона назад, величины выступа и угла наклона вбок режущих элементов 104 для более успешного достижения результирующей силы, стремящейся переместить лопасти 101, 102, 103 в их полностью выдвинутое наружу положение.
Другое преимущество так называемой пологой направляющей, то есть существенно малого наклона 180, составляющего острый угол, заключается в большей эффективности действия втягивающей силы пружины. Увеличенная эффективность втягивания дает возможность улучшить или подобрать характеристики пружины 116, определяющие ее смещающее усилие, таким образом, чтобы его могло преодолеть гидравлическое давление для начала перемещения или полного выдвижения лопастей 101, 102, 103. Кроме того при улучшенной эффективности втягивания обеспечивается большая гарантия того, что лопасти будут втянуты при сбросе гидравлического давления в устройстве 100 раздвижного расширителя. По выбору пружина может быть предварительно нагружена при нахождении устройства 100 раздвижного расширителя в исходном или втянутом положении, что дает возможность минимизировать величину постоянно прилагаемого втягивающего усилия.
Другое преимущество, обеспечиваемое наличием направляющих 148, заключается в индивидуальности конструкции каждого имеющего форму ласточкина хвоста паза 179, то есть будет иметься только один паз 179, в который может войти только один сопряженный, имеющий форму ласточкина хвоста рельс 181 направляющего узла 187 на каждой из сторон лопастей 101, 102, 103. В обычных раздвижных расширителях каждая сторона подвижной лопасти снабжена группой ребер или каналов для сопряжения с противолежащими каналами или ребрами корпуса расширителя, и соответственно такое устройство подвержено заеданию при воздействии на лопасти рабочих сил и давления. В добавление к простоте выдвижения и втягивания лопастей без заедания в направляющей 148 конструкция с одним рельсом и соответствующим пазом дает свободное от заедания крепление лопасти при работе, в частности при взаимодействии ее с формацией при расширении скважины.
Кроме верхнего блока 105 стабилизатора устройство 100 раздвижного расширителя включает также средний блок 106 стабилизатора и нижний блок 107 стабилизатора. Дополнительно средний блок 106 стабилизатора и нижний блок 107 стабилизатора могут быть объединены в единый блок стабилизатора. Блоки 105, 106, 107 облегчают центровку устройства 100 раздвижного расширителя в пробуренной скважине при опускании в заданное положение в обсадной колонне или колонне-хвостовике, а также при бурении и расширении ствола скважины. Как было упомянуто выше, верхний блок 105 стабилизатора может быть использован для остановки или ограничения движения вперед лопастей 101, 102, 103, определяя тем самым максимальное расстояние, на котором лопасти 101, 102, 103 могут взаимодействовать со стволом скважины при бурении. Верхний блок 105 стабилизатора кроме выполнения роли упора, ограничивающего боковое выдвижение лопастей, может служить для придания дополнительной стабильности при втянутых лопастях 101, 102, 103 и нахождении устройства 100 раздвижного расширителя, установленного на бурильной колонне, на участке ствола скважины, где не требуется расширения ствола, хотя бурильная колонна вращается.
Преимуществом изобретения является то, что верхний блок 105 стабилизатора может быть установлен, удален и (или) замещен специалистом, в частности, в полевых условиях с возможностью увеличения или уменьшения интервала, на котором лопасти 101, 102, 103 взаимодействуют со стволом скважины, по сравнению с интервалом, изображенным на чертежах. Дополнительно нужно отметить, что расположенный на той же стороне блока 105, что и направляющая, упор может быть отрегулирован таким образом, чтобы ограничивать интервал, на который могут выдвигаться в боковом направлении лопасти 101, 102, 103 при своем крайнем положении на направляющих 148 лопастей. Блоки 105, 106, 107 стабилизатора могут иметь на поверхности твердую, воспринимающую нагрузку прокладку (не показана), создающую контактную поверхность со стенкой ствола скважины при стабилизации положения устройства в скважине в процессе бурения.
Кроме того, устройство 100 раздвижного расширителя может включать сопла (насадки) 110 из карбида вольфрама, показанные на фиг.9. Через сопла 110 обеспечивается при бурении охлаждение и очистка режущих элементов 104 и очистка мусора с лопастей 101, 102, 103. Сопла 110 могут включать кольцевое уплотнение 140 круглого сечения между соплом 110 и трубчатым корпусом 108, обеспечивающее герметизацию между этими двумя компонентами. Как показано, сопла 110 выполнены так, чтобы направлять буровой раствор к лопастям 101, 102, 103 в направлении 157 вниз вдоль ствола скважины, но могут быть также выполнены так, чтобы направлять флюид вбок или в направлении 159 вверх вдоль ствола скважины.
Устройство раздвижного расширителя или расширитель 100 далее будет описано в привязке к рабочему процессу. Можно обратиться к фигурам 17-23 и, в частности, дополнительно к фигурам 1-16 при необходимости. Устройство 100 раздвижного расширителя может быть установлено в забойную компоновку над пилотным долотом и в порядке исключения над или под системой скважинных измерений в процессе бурения (MWD) и введено в поворотную регулируемую систему (RSS) и, например, в поворотную кольцевую систему (RCLS). Перед "запуском" устройства 100 раздвижного расширителя его устанавливают в исходное, втянутое положение, показанное на фиг.17. Например, подвижная гильза 128 в устройстве 100 раздвижного расширителя перекрывает канал потока флюида и предотвращает случайное выдвижение лопастей 101, 102, 103, как было описано выше. При этом подвижная гильза 128 зафиксирована срезным узлом 150 со срезными винтами 127, ввинченными в верхний трубчатый фиксатор 124, скрепленный с трубчатым корпусом 108. Хотя подвижная гильза 128 закреплена в исходном положении, приводное средство лопастей заблокировано от непосредственного приведения в действие лопастей 101 102, 103 или смещающим усилием или гидравлическим давлением. Подвижная гильза 128 имеет на своем нижнем краю концевую деталь увеличенного размера, то есть стопорную втулку 130. Эта имеющая больший диаметр стопорная втулка 130 удерживает упоры 166 нижнего трубчатого фиксатора 117 в закрепленном положении, предотвращая перемещение толкающей гильзы 115 вверх под действием разности давления и приведение в действие лопастей 101, 102, 103. Упоры 166 с защелкой сохраняют положение защелки или выступающего фиксатора 167 в пазе, выполненном во внутреннем канале 151 трубчатого корпуса 108. При возникновении необходимости в запуске устройства 100 раздвижного расширителя немедленно перекрывают поток бурового раствора, если требуется, и бросают шар 147 или другой препятствующий потоку элемент в буровую колонну и возобновляют накачку бурового раствора. Шар 147 под действием силы тяжести и (или) увлекаемый потоком бурового раствора движется в направлении 157 вдоль ствола скважины, как показано на фиг.18. Через короткое время шар 147 достигает седла ловителя 129 шара, как показано на фиг.19. Шар 147 перекрывает поток бурового раствора и вызывает рост давления над собой в бурильной колонне. По мере возрастания давления шар может дальше вдавливаться или упираться в пробку 131, которая может быть выполнена из вязкого материла, такого как перфторэтилен, или покрыта им.
Согласно фиг.20 при заданном уровне давления, определяемом суммой значений и значениями пределов прочности на сдвиг отдельных срезных винтов 127, выполненных из латуни или другого подходящего материала и предварительно установленных в устройстве 100 раздвижного расширителя, срезные винты 127, входящие в срезной узел 150, разрушаются и дают возможность подвижной гильзе 128 высвободиться и перемещаться вниз вдоль ствола скважины. При движении вниз подвижной гильзы 128 и стопорной втулки 130 с расширенным концом, упоры 166 с защелкой нижнего трубчатого фиксатора 117 высвобождаются, так чтобы перемещаться вовнутрь до меньшего диаметра подвижной гильзы 128 и выходят из корпуса 108.
После этого, как показано на фиг.21, нижний трубчатый фиксатор 117 взаимодействует с приводимой в действие давлением толкающей гильзой 115, которая под воздействием давления перемещается теперь вверх, так как флюид имеет возможность проходить через отверстия 173, открывающиеся при перемещении подвижной гильзы 128 вниз вдоль ствола скважины. По мере возрастания давления преодолевается сила смещения пружины, что дает возможность толкающей гильзе 115 двигаться в направлении 159 вверх вдоль ствола скважины. Толкающая гильза 115 соединена с хомутом 114, который в свою очередь связан через узел 178 штифтов и рычагов с тремя лопастями 101, 102, 103, которые теперь выдвигаются вверх толкающей гильзой 115. При перемещении вверх каждая из лопастей 101, 102, 103 следует по наклонной плоскости или направляющей 148, с которой они связаны в пазе 170, имеющем, например, прямоугольную форму видоизмененного ласточкина хвоста (смотри фиг.2).
В соответствии с фиг.22 перемещение лопастей 101, 102, 103 прекращается в полностью выдвинутом положении при встрече с жесткими прокладками, например, на блоке 105 стабилизатора. Дополнительно, как уже упоминалось выше, выполненный по заданию потребителя блок стабилизатора может быть собран с устройством 100 до бурения, чтобы отрегулировать и ограничить расстояние, до которого могут выдвигаться лопасти 101, 102, 103. При выдвинутых лопастях 101, 102, 103 можно начинать расширение ствола скважины.
В процессе разбуривания ствола с помощью устройства 100 раздвижного расширителя нижняя и верхняя прокладки 106, 107 с жесткой поверхностью способствуют стабилизации положения корпуса 108 по мере того как режущие элементы 104 лопастей 101, 102, 103 расширяют ствол, а верхняя прокладка 105 с жесткой поверхностью способствует также стабилизации верхней части устройства 100 раздвижного расширителя, когда лопасти 101, 102, 103 находятся во втянутом положении.
После перемещения подвижной гильзы 128 с шаром 147 вниз она останавливается, когда отверстия 173 прохождения потока или обходные отверстиях в подвижной гильзе 128 находятся выше шара 147 и обращены на внутреннюю стенку 184 имеющей упрочненную поверхность защитной втулки 121, способствующей минимизации или предотвращающей эрозионное повреждение, вызванное попадающим на стенку буровым раствором. Буровой раствор может затем проходить дальше вниз к забойной компоновке, а верхний край подвижной гильзы 128 оказывается "захваченным", то есть фиксированным между консолями 163 верхнего трубчатого фиксатора 124 и амортизирующим элементом 125 уплотнительной втулки 126, при этом нижний край подвижной гильзы 128 в боковом направлении удерживается в муфте-стабилизаторе 122.
При сбросе давления бурового раствора пружина 116 будет способствовать перемещению нижнего трубчатого фиксатора 117 и толкающей гильзы 115 вместе со связанными с ней лопастями 101, 102, 103 обратно вниз и вовнутрь в основном в их первоначальное или исходное положение, то есть во втянутое положение, показанное на фиг.23. Однако так как подвижная гильза 128 была перемещена в нижнее фиксированное положение, имеющая увеличенный диаметр стопорная втулка 130 не будет больше удерживать упоры 166 выдвинутыми и находящимися в пазе 167, и, следовательно, защелка или нижний трубчатый фиксатор останется свободной и подверженной воздействию разницы давления для последующей работы или активации.
Всякий раз при восстановлении потока бурового раствора в бурильной колонне и через устройство 100 раздвижного расширителя толкающая гильза 115 с хомутом 114 и лопастями 101, 102, 103 может перемещаться вверх при перемещении при этом лопастей 101, 102, 103 по наклонным плоскостям или направляющим 148, чтобы разбуривать (расширять) ствол скважины до заданного большего диаметра. Всякий раз при прекращении потока бурового раствора, то есть при падении разности давления ниже восстанавливающего усилия пружины 116 лопасти 101, 102, 103 втягиваются, как описано выше, за счет пружины 116.
В соответствии с идеями, заложенными в изобретение, в устройстве 100 раздвижного расширителя преодолены недостатки, присущие обычным расширителям. Например, в одном из обычных гидравлических расширителей используется давление, действующее изнутри устройства для приложения усилия к поршням режущих элементов, которые движутся наружу в радиальном направлении. Можно понять, что само решение, заложенное в обычный расширитель, может приводить к появлению произвольно направленных сил, вызывающих колебание и заедание поршней, препятствуя возвращению их пружиной. При использовании устройства 100 раздвижного расширителя, в котором каждая из лопастей скользит вверх по плоскости с относительно небольшим наклоном, могут быть использованы большие усилия для выдвижения и перемещения лопастей в их крайнее положение в случае передачи усилий на верхний упор с имеющей упрочненную поверхность прокладкой и поэтому без повреждения его, что впоследствии дает возможность пружине втягивать лопасти без заеданий или перекоса.
Устройство 100 раздвижного расширителя содержит лопасти, которые если не будут втянуты пружиной, будут продвинуты вниз по наклонной плоскости за счет контакта со стенкой ствола скважины и обсадной тубой, что дает возможность протягивать устройство 100 раздвижного расширителя через обсадную трубу в некоторого рода отказоустойчивом режиме.
Устройство 100 раздвижного расширителя не имеет уплотнений вокруг лопастей, которые и не требуются, тогда как в обычных раздвижных расширителях используются дорогие или сделанные на заказ уплотнения.
Устройство 100 раздвижного расширителя выполнено с лежащими в диапазоне от двух десятых до восьми десятых миллиметра зазорами между деталями, снабженными между собой подвижными уплотнениями. Подвижные уплотнения представляют собой обычные кольцевые уплотнения. Более того, скользящий механизм или приводное средство, в которое входят лопасти на направляющих, выполнен с зазорами, лежащими в диапазоне от одного до трех миллиметров, в частности в частях, выполненных в виде ласточкина хвоста. Зазоры в деталях раздвижного расширителя, лопастях и направляющих могут меняться на величины несколько большие или на величины несколько меньшие, чем показанные. Имеющие большее значение зазоры и допуски на детали устройства 100 раздвижного расширителя обеспечивают облегченный режим работы, в частности снижение вероятности заедания, вызванного частицами, приносимыми буровым раствором, и обломками породы, срезанной со стенки ствола скважины.
Далее рассмотрены дополнительные идеи, заложенные в устройство 100 раздвижного расширителя.
Лопасть 101 может удерживаться неподвижно на направляющей 148 (смотри фиг.2) направляющими поверхностями 187. Лопасть 101 содержит сопряженные направляющие поверхности 187, как показано на фигурах 10-14. Каждая направляющая поверхность 187 принадлежит отдельному рельсу 181, находящемуся на противоположных сторонах блока 101, и наклонена так, что поверхности составляют угол раскрытия θ, величину которого выбирают так, чтобы предотвратить сцепление с сопряженными направляющими поверхностями направляющей 148. В данном варианте выполнения угол раскрытия θ рельсов 181 лопасти 101 равен 30 градусов, так что лопасть 101 имеет тенденцию при воздействии гидравлического давления выдвинуться из направляющей 148 в корпусе 108 или образовать с ней зазор.
Как было описано, лопасти 101, 102, 103 связаны с хомутом 114 рычажным узлом, дающим возможность лопастям 101, 102, 103 перемещаться вверх и радиально наружу по наклону, составляющему в данном варианте выполнения изобретения 10 градусов, в то время как приводное средство, то есть хомут 114 и толкающая гильза 115 перемещаются в осевом направлении вверх вдоль ствола скважины. Шарнир рычажного узла скреплен штифтами как с лопастью, так и с хомутом аналогичным образом. Рычажный узел, кроме того что дает возможность приводному средству непосредственно выдвигать и втягивать лопасти 101, 102, 103 в основном в продольном или осевом направлении, обеспечивает также возможность выдвижения лопастей 101, 102, 103 вверх и наружу по радиусу с поворотом на угол, составляющий в данном варианте выполнения изобретения приблизительно 48 градусов, при непосредственном взаимодействии приводного средства и лопастей 101, 102, 103.
В случае, если лопасти 101, 102, 103 под действием смещающего усилия со стороны втягивающей пружины 116 с некоторым затруднением перемещаются обратно вниз по наклонной плоскости направляющих 148 лопастей, в то время как устройство 100 раздвижного расширителя вытягивают из ствола скважины, контакт со стенкой ствола скважины приведет к удару, проталкивающему лопасти 101, 102, 103 вниз по наклону 180 направляющих 148. При необходимости лопасти 101, 102, 103 устройства 100 раздвижного расширителя можно протащить вверх в контакте с обсадной трубой, которая может в достаточной степени протолкнуть их обратно во втянутое положение, давая тем самым возможность доступа к устройству 100 раздвижного расширителя и извлечения его по обсадной трубе.
В других вариантах выполнения изобретения подвижная втулка может быть уплотнена, чтобы предотвратить выход потока флюида из устройства через прорези 182 для выдвижения лопастей, а после срабатывания уплотнение может быть сохранено.
Как упоминалось выше, сопла 110 могут быть ориентированы в направлении потока, проходящего через устройство 100 раздвижного расширителя, из трубчатого корпуса 108 вниз вдоль ствола скважины и наружу по радиусу в кольцевое пространство между трубчатым корпусом 108 и стволом скважины. Ориентация сопел 110 в таком направлении, то есть вниз, приводит к образованию противопотока, так как поток из сопел смешивается с движущимся вверх по кольцевому пространству в противоположном направлении потоком, что может улучшить очистку лопастей и способствует удалению с них бурового шлама. Сопла 110 направлены на режущие элементы лопастей 101, 102, 103 с целью их максимальной очистки, и их оптимальная ориентация может быть установлена с использованием методов вычислительной гидродинамики.
Устройство 100 раздвижного расширителя может содержать нижний переводник 109 с перенарезаемой резьбой, показанный на фиг.4, который связан с соединителем нижнего отсека корпуса 108 расширителя. Сохраняя целостность конструкции корпуса 108, переводник 109 с перенарезаемой резьбой делает соединение со следующим компонентом более устойчивым (имеющим больший момент свинчивания), чем для обычного, состоящего из двух частей устройства с верхним и нижним соединениями. Переводник 109 с перенарезаемой резьбой хотя и не является обязательным, обеспечивает более эффективное соединение с другим скважинным оборудованием или инструментом.
Далее рассмотрены другие идеи, заложенные в устройство 100 раздвижного расширителя.
Срезные винты 127 срезного узла 150, крепящего подвижную гильзу 128 к верхнему трубчатому фиксатору 124 в исходном положении, используются для обеспечения или инициализации срабатывания, то есть высвобождения втулки при возрастании давления до заданного уровня. Заданное значение, при котором разрушаются срезные винты под воздействием давления бурового раствора в устройстве 100 раздвижного расширителя, может, например, составлять 70 кг/см или даже 140 кг/см. Нужно понимать, что давление может изменяться до больших или меньших величин, чем рекомендованные здесь для срабатывания устройства 100 раздвижного расширителя. Кроме того нужно понимать, что большее значение давления, при котором происходит разрушение срезных винтов 127, может быть установлено, чтобы дать возможность соответствующим образом выполнить пружинный элемент 116 и установить его с большим смещением, чтобы дополнительно обеспечить требуемую надежность втягивания лопастей при сбросе воздействия гидравлической жидкости.
Дополнительно одна или более лопасти 101, 102, 103 могут быть заменены на блоки стабилизатора, имеющие направляющие поверхности и рельсы для вхождения в пазы 179 направляющей 148, выполненной в устройстве 100 раздвижного расширителя, и эти блоки могут быть использованы как выдвижные концентрические стабилизаторы, а не как расширители, и далее могут быть использованы в буровой колонне совместно с другими концентрическими или эксцентрическими расширителями.
Дополнительно каждая лопасть 101, 102, 103 может содержать один ряд, или три ряда, или больше рядов режущих элементов 104, а не два ряда режущих элементов 104, как показано на фиг.2. Преимуществом является то, что использование двух или более рядов режущих элементов способствует продлению срока службы лопастей 101, 102, 103 в особенности при бурении в твердых породах.
8
На фиг.24 представлено поперечное сечение варианта выполнения устройства 10 раздвижного расширителя, в которое входит измерительное устройство 20 по другому варианту выполнения изобретения. Измерительное устройство 20 обеспечивает измерение расстояния между устройством 10 раздвижного расширителя и стенкой ствола скважины в процессе бурения, давая возможность определения расстояния, на котором устройство 10 раздвижного расширителя производит разбуривание ствола скважины. Как показано, измерительное устройство закреплено в трубчатом корпусе 108 и ориентировано в общем в направлении, перпендикулярном продольной оси L устройства 10 раздвижного расширителя. Измерительное устройство 20 соединено с линией 30 связи, проходящей в трубчатом корпусе 108 устройства 10 раздвижного расширителя и имеющей разъем 40 у верхней концевой части 191 устройства 10 раздвижного расширителя. Разъем 40 может быть приспособлен для согласованной связи с конкретным или специализированным оборудованием, таким как подсистема передачи данных измерений во время бурения. Линия 30 связи может быть также использована для подачи питания к измерительному устройству 20. Измерительное устройство 20 может быть выполнено с возможностью регистрации, анализа и (или) определения величины ствола скважины, или оно может быть использовано только для измерений, при которых величина ствола скважины может быть проанализирована или определена другим устройством, что понятно специалисту в области измерений в процессе бурения, дающим существенно более точное определение величины ствола скважины. Измерительное устройство 20 начинает выполнять роль средства измерения, когда устройство 10 раздвижного расширителя не производит бурения на назначенном диаметре, давая возможность получить корректирующие данные, а не выполнять бурение на большом протяжении или на сотнях метров с целью расширения ствола скважины, который затем снова нужно будет увеличивать.
Измерительное устройство 20 может составлять часть измерительной системы с использованием ядерных излучений, такой как раскрыта в патенте US 5175429 (Hall и др.), права на который переданы правопреемнику описанного здесь изобретения. В измерительное устройство 20 могут также входить акустические каверномеры, каротажные датчики или другие датчики, пригодные для определения расстояния между стенкой ствола скважины и устройством 10 раздвижного расширителя. Дополнительно измерительное устройство 20 может быть приспособлено, установлено и использовано для определения положения подвижных лопастей и (или) несущих прокладок устройства 20 раздвижного расширителя, причем по результатам таких измерений может быть сделано заключение о минимальном разбуренном диаметре ствола скважины. Аналогично измерительное устройство может быть помещено в подвижную лопасть, так чтобы находиться в контакте с формацией или вблизи нее в стволе скважины, когда подвижная лопасть выдвинута на максимально возможное расстояние.
На фиг.25 представлено поперечное сечение ограничивающего перемещение элемента 210, предназначенного для использования в устройстве 200 раздвижного расширителя для установления предела, до которого лопасти могут быть выдвинуты наружу. Как было рассмотрено выше в отношении блоков 105 стабилизатора, содержащих упор для ограничения расстояния, на которое могут быть вверх и наружу выдвинуты лопасти по направляющим лопастей, ограничивающий перемещение элемент 210 может быть использован для установления предела, до которого приводное средство, то есть толкающая гильза 115 может продвинуться в осевом направлении 159 вверх вдоль ствола скважины. Ограничивающий перемещение элемент 210 может иметь корпус 212 в виде цилиндрической втулки, установленной между наружной поверхностью толкающей гильзы 115 и поверхностью внутреннего канала 151 трубчатого корпуса 108. Как можно видеть, пружина 116 помещена между ограничивающим перемещение элементом 210 и трубчатым корпусом 108, в то время как опорный край 211 ограничивающего перемещение элемента 210 надежно зафиксирован между пружиной 116 и упорным кольцом 113. При вынужденном перемещении толкающей гильзы 115, например под действием давления гидравлической жидкости, как было описано ранее, пружина 116 сможет сжиматься в направлении 159 вверх вдоль ствола скважины до тех пор, пока ее движение не прервет ограничивающий перемещение элемент 210, который прекращает дальнейшее движение пружины 116 и толкающей гильзы 115 в направлении 159 вверх вдоль ствола скважины. В связи с этим лопасти устройства 200 раздвижного расширителя оказываются ограниченными в перемещении за предельное положение, определяемое ограничивающим перемещение элементом 210.
Как можно видеть на фиг.26, другому ограничивающему перемещение элементу 220, предназначенному для использования в устройстве 200 раздвижного расширителя, придана форма корпуса пружинной гильзы 222, имеющей открытую цилиндрическую часть 223 и основание 221. Несколько витков пружины 116 введены в открытую цилиндрическую часть 223 корпуса пружинной гильзы 222, а основание 221 зажато между пружиной 116 и верхним краем нижнего трубчатого фиксатора 117. Перемещение пружины 116 и толкающей гильзы 115 прекращается, когда корпус 222 пружинной гильзы выдвинется до столкновения с упорным кольцом 113 или с упорным выступом 188 во внутреннем канале 151 трубчатого корпуса 108.
Хотя ограничивающие перемещение элементы 210 и 220, изображенные на фигурах 25 и 26, представлены в общем как цилиндрические, они могут без ограничений иметь другие формы и конфигурации, такие как, например, упорные столбики, выступы или продолговатые сегменты. В самом широком смысле ограничивающий перемещение элемент дает возможность прекращения перемещения в осевом направлении в изменяющейся степени для использования в различных применениях, в частности, когда имеется необходимость в разбуривании разных стволов скважины общим устройством раздвижного расширителя с минимальным его изменением.
В других вариантах выполнения ограничивающие перемещение элементы 210 и 220 могут иметь простую конструкцию, выполняющую функции ограничения расстояния, на которое может перемещаться приводное средство до достижения предела перемещения лопастей. Например, ограничивающий перемещение элемент может быть цилиндром, свободно смещаемым в промежутке между наружной поверхностью толкающей гильзы 115 и поверхностью внутреннего канала трубчатого корпуса 108, или между пружиной 116 и толкающей гильзой 115, или между пружиной 116 и трубчатым корпусом 108.
Устройство 100 раздвижного расширителя, описанное со ссылкой на фигуры 1-23, обеспечивает надежное приведение в действие лопастей 101, 102, 103 при их перемещении без заедания по одним и тем же траекториям (в обеих направлениях), что вносит существенное улучшение по сравнению с обычными расширителями, имеющими поршень, выполненный воедино с лопастью расширителя и предназначенный для приложения гидравлического давления с целью выдвижения лопастей наружу, при этом требуется наличие иначе расположенного принуждающего механизма, такого как пружина, для втягивания лопастей обратно вовнутрь. В связи с этим устройство раздвижного расширителя включает приводное средство, то есть рычажный узел, хомут, толкающую гильзу, являющиеся теми же самыми компонентами как для выдвижения, так и для втягивания лопастей, и дающие возможность приводным усилиям перемещать лопасти по одной и той же траектории, но в противоположных направлениях. В обычных расширителях приводные усилия на перемещение лопастей не обращены гарантированно точно в противоположных направлениях и по меньшей мере вдоль одной и той же траектории, что увеличивает вероятность заедания. В описанном устройстве раздвижного расширителя преодолеваются недостатки, присущие обычным расширителям.
В соответствии с другой идеей изобретения в устройстве 100 раздвижного расширителя приводное средство, то есть толкающая гильза движется в осевом направлении при принудительном перемещении лопастей в выдвинутое положение (лопасти непосредственно связаны с толкающей гильзой хомутом и рычажным узлом), а при движении в противоположном направлении толкающая гильза непосредственно втягивает лопасти, перемещая их с помощью хомута и рычажного узла. Таким образом, приводное средство обеспечивает непосредственное выдвижение и втягивание лопастей вне зависимости от того, что на него действует - смещающая пружина или гидравлическая жидкость.
Хотя были представлены и описаны конкретные варианты выполнения изобретения, специалист в данной области техники может представить себе многочисленные изменения и другие варианты выполнения. Соответственно объем изобретения следует определять исходя из приложенной формулы и ее эквивалентов.