РАСШИРИТЕЛЬ
EXPANDER

Изобретение относится к буровой технике и предназначено для расширения ствола скважин ниже башмака обсадной колонны диаметром большим, чем ее внутренний диаметр.
Известно устройство для расширения скважин (см. а.с. №1514898, Мкл. Е21В 7/28, опубл. 15.10.89 г., бюл. №38).
Устройство состоит из корпуса с двумя расширителями (лопастями), присоединенными к последнему, с возможностью выдвижения от центра к периферии. В корпусе расположен пневмоударный механизм с бойком для передачи энергии удара на расширители. Каждый расширитель состоит из гильзы, внутри которой расположен подпружиненный стержень с возможностью аксиального движения внутри гильзы.
Стержни на конце содержат породоразрушающий инструмент и торцом взаимодействуют с бойком.
Каждый расширитель присоединен к корпусу осями, соединяющими шарнирно гильзы с корпусом.
Устройство на буровой штанге опускают в предварительно пробуренную скважину и приводят во вращение с запуском пневмоударного механизма.
Боек ударяет по торцам стержней. Расширители поворачиваются на осях, стержни перемещаются относительно гильз с сжатием пружины и воздействием породоразрушающим инструментом на породу пласта.
При движении бойка вверх стержень усилием пружины также движется вверх с частотой, равной частоте ударов пневмоударного механизма.
К недостаткам конструкции следует отнести:
- сложная кинематика передачи осевого усилия на породоразрушающие инструменты;
- не ясен механизм раскрытия в радиальном направлении расширителей и сохранении этого положения в течение всего времени работы;
- отсутствует в механизме подача промывочной жидкости для транспортировки разрушенной породы на поверхность;
- отсутствует механизм принудительного возврата расширителей в транспортное положение.
Известна конструкция механического скважинного расширителя (см. пат. РФ №2125503, Мкл. Е21В 7/28, опубл. 10.07.2000 г.).
Устройство состоит из корпуса с шарнирно закрепленными в нем рабочими органами, подвижного клина, выполненного в форме плоского клина-штока с параллельными гранями, установленного с возможностью осевого перемещения вверх и снабженного опорой на нижнем конце, которая связана с клином-штоком присоединительным устройством в форме незамкнутой скобы с накидной втулкой. Накидная втулка свободно вращается вокруг клина-штока вместе с корпусом вокруг продольной оси. Рабочие органы выполнены в виде подпружиненных лопастей и снабжены направляющими роликами.
Работа расширителя
На бурильный колонне труб устройство опускают в скважину с опорой пятой на забой.
Сообщают вращение бурильной колонне и создают осевую нагрузку на корпусе, который вместе с лопастями опускается вдоль клина-штока с накатыванием роликов на клиновую часть клина-штока, с выводом лопастей в рабочее положение и, далее, на параллельные грани клина-штока с фиксацией этого положения.
Вращением корпуса и осевым перемещением вниз разбуривают полость заданного диаметра и длины.
Подъем расширителя происходит с передачей осевого усилителя на корпус, с перемещением роликов по параллельным граням клина-штока, с переходом на клиновую часть, что способствует возврату лопастей в исходное транспортное положение.
Клин-шток остается в крайнем нижнем положении до момента, пока корпус не войдет во взаимодействие с пальцем на клине-штоке.
К недостаткам конструкции следует отнести:
- необходимость опоры на забой скважины, что ограничивает область применения устройства, поскольку невозможно сделать расширения ствола в любом месте по глубине;
- отсутствие в конструкции узлов, направленных на подачу промывочной жидкости к месту работы устройства для удаления на поверхность выбуренного шлама, что может привести к прихвату клина-штока и возможности возникновения аварийной ситуации;
- отсутствует контроль за предельным крутящим моментом и радиальной силой реакции породы, воспринимаемой породоразрушающим инструментом и сообщаемой на оси.
Известна конструкция расширителя для скважин (см. пат. РФ №2179618, Мкл. Е21В 7/28; Е21В 10/26, опубл. 20.02.2002 г.). Расширитель состоит из корпуса с центральным промывочным каналом с дросселем. Породоразрушающий инструмент выполнен в виде выступа на боковой поверхности. Средство центрирования в скважине выполнено в виде ограничительной ступени, выступающей над боковой поверхностью корпуса, и опорной лопасти со сферической поверхностью со стороны, диаметрально противоположной ограничительной ступени.
Работа устройства
Расширитель спускается в скважину номинального диаметра с организацией циркуляции промывочной жидкости и передачей крутящего момента. При перепаде давления внутри устройства поршень с опорной лопастью выдвигается в радиальном направлении из корпуса до упора в стенку скважины. Тем самым, возникшее на корпусе реактивное усиление, направленное по радиусу к центру скважины, способствует внедрению породоразрушающей лопасти в породу.
Диаметр цилиндрической выработки будет больше номинального диаметра скважины на величину эксцентриситета породоразрушающей лопасти расширителя.
После сброса давления приподнимают расширитель в нерасширенный участок ствола скважины, опорная лопасть взаимодействует с породой, поршень вводится в расточку корпуса. В таком положении устройство извлекается из скважины.
К недостаткам конструкции следует отнести:
- при контакте опорной лопасти со стенкой скважины, которая имеет сложную и неровную поверхность, происходит колебание устройства в поперечном направлении, что приводит к неравномерному осевому взаимодействию породоразрушающей лопасти с горной породой;
- диаметр расширенного участка ствола скважины имеет ограничение в связи с длиной выхода поршня из расточки в корпусе, что недостаточно для установки, например, гравийного фильтра;
- осевое усиление поджима породоразрушающей лопасти к горной породе зависит от перепада давления рабочей жидкости и площади поршня, который имеет ограниченный диаметральный размер, зависимый от диаметра обсадной колонны. В связи с этим эффективность разрушения горной породы устройством будет низкой.
Известна конструкция лопастного расширителя (см. а.с. №781312, Мкл. Е21В 10/00, опубл. 64, №43, 80 г.), принятая за прототип.
Расширитель состоит из полого корпуса, в сквозных позах которого размещены лопасти, закрепленные на центральном штоке шарнирными осями, которые размещены в продольных пазах, выполненных в выступах штока. В теле лопастей установлены пружины, которые через толкатель отжимают лопасти в крайнее положение. Корпус снабжен переводником с пилотным долотом. В верхней части штока размещен поршень. Лопасти имеют скосы, а в корпусе выполнены уступы. Шток и корпус имеют конусные поверхности.
Работа расширителя
При подаче давления шток с поршнем перемещаются вверх.
Лопасти скосами взаимодействуют с уступами корпуса с раскрытием в радиальном направлении до контакта с горной породой. По мере износа лопастей под действием поршня происходит компенсация зазоров с жестким креплением лопастей в рабочем положении.
Недостатки конструкции:
- малая глубина (диаметр) каверны, полученной при раскрытии лопастей и работе устройства;
- сложность конструкции;
- сложно соизмерить размеры всех лопастей и размеры сопрягаемых поверхностей корпуса и штока, что усложняет ведение сборки и пусконаладочные работы.
Технический результат, который может быть получен при реализации предлагаемого изобретения, заключается в следующем:
- возможность расширения ствола скважины ниже башмака обсадной колонны в любой точке по глубине;
- возможность контроля радиальной нагрузки на породоразрушающем инструменте;
- возможность обеспечения промывки ствола скважины от выбуренного шлама;
- возможность возврата породораразрушающего инструмента в транспортное положение после сброса давления в осевом канале бурильной колонны труб.
Технический результат достигается тем, что устройство содержит корпус с поршнем и штоком в осевом канале, шарнирно установленными лопастями, армированными твердым сплавом, толкатели, переводник со шпонками и сферой, установленной в ответной сферической расточке, выполненной в верхней опоре, снабженной гайкой и продольными пазами на торце, обращенной к шпонкам переводника, установленными с возможностью взаимодействия с верхней опорой по продольным пазам, корпус снабжен гайкой с продольными пазами под лопастями, установленными шарнирно на осях, нижний конец полого штока снабжен нижней опорной поверхностью с продольными пазами, в которых на осях размещены толкатели, связанные с лопастями через шарнирные оси.
Полость корпуса под кольцевым поршнем постоянно гидравлически связана отверстием в теле полого штока с его осевым каналом, а полость под ним связана перепускным отверстием с полостью скважины.
Конструкция расширителя поясняется чертежами, где:
- на фиг.1 приведена конструкция устройства в разрезе, в транспортном положении;
- на фиг.2 - конструкция устройства в разрезе, в раскрытом положении породоразрушающего инструмента.
Расширитель состоит из корпуса 1, связанного через переводник 2 со сферой 3. В осевом канале корпуса 1 размещен кольцевой поршень 4, связанный с полым штоком 5, образующим верхним концом подвижное соединение с переводником 2.
Нижний конец корпуса 1 снабжен гайкой 6, в которой выполнены продольные пазы 7, в которых размещаются верхние концы лопастей 8, связанные с гайкой 6 осями 9. Полый шток 5 своим нижним концом проходит через осевой канал гайки 6 и снабжен нижней опорой 10, в которой также выполнены продольные пазы 11 с размещенными в них нижним концом толкателей 12, связанных с нижней опорой 10 осями 13. Верхние концы толкателей 12 связаны шарнирными осями 14 с лопастями 8. Продольные пазы 11 на нижней опоре 10 выполнены с ограничительным упором 15. Переводник 2 ниже места расположения сферы 3 снабжен шпонками 16, входящими в ответные продольные пазы 17, выполненные внутри верхней опорной поверхности 18, в которой выполнена сферическая расточка и которой она охватывает сферу 3. Поджим верхней опорной поверхности 18 к сфере 3 осуществляется гайкой 19, которая также имеет внутреннюю сферическую расточку.
Над местом расположения гайки 19 верхняя опорная поверхность 18 снабжена присоединительной резьбой 20 для связи с колонной бурильных труб. Полость внутри корпуса 1 под кольцевым поршнем 4 постоянно связана радиальным отверстием 21 с осевым каналом 22 полого штока 5.
Полость 23 корпуса 1 над кольцевым поршнем 4 постоянно связана перепускным отверстием 24 с полостью скважины. Для поддержания необходимого давления в осевом канале 22 полого штока 5 в нижней опоре 10 установлен дроссель 25. Кольцевой зазор между удлинителем 2 и полым штоком 5 изолирован уплотнителем 26.
Кольцевой поршень 4 снабжен уплотнителем 27. Кольцевой зазор между гайкой 6 и полым штоком 5 изолирован уплотнительным кольцом 28.
Зазор между внутренней сферической расточкой верхней опорной поверхности 18 и сферой 3 изолирован уплотнительными кольцами 29. Внешние поверхности лопастей 8 армированы твердым сплавом 30.
Устройство внутренней присоединительной резьбой 20 подсоединяется к бурильной колонне труб (не показана) и вводится в скважину, с расположением устройства на заданной глубине. Устройству передают вращение через верхнюю опорную поверхность 18, которая через шпоночное соединение шпонки 16 и продольные пазы 17 передает крутящий момент на переводник 2 и корпус 1. Затем осуществляют подачу под давлением рабочей жидкости внутрь устройства в осевой канал 22 полого штока 5 и, далее, через радиальное отверстие 21 в полость корпуса 1, под кольцевым поршнем 4. Под действием давления рабочей жидкости кольцевой поршень 4 вместе с полым штоком 5 перемещаются вверх, что приводит также к подъему нижней опоры 10 относительно корпуса 1.
При этом толкатели 12 проворачиваются на осях 13 и через шарнирные оси 14 передают усилие на лопасти 8, которые проворачиваются на осях 9, которыми они связаны с гайкой 6 с перемещением нижних концов, армированных твердым сплавом 30, в радиальном направлении с воздействием на породу, слагающую продуктивный пласт.
Перемещением бурильной колонны труб вверх производят образование каверны определенной длины.
В случае увеличения нагрузки на одной из лопастей 8 возможно смещение последней в радиальном направлении, с проворотом сферы 3 внутри верхней опорной поверхности 18, с перераспределением радиальной нагрузки между лопастями 8. При расширении для охлаждения лопастей 8 осуществляется подача под давлением рабочей жидкости, которая через дроссель 25 подается в скважину.
После сброса давления в осевом канале бурильной колонны труб под действием веса полый шток 5 с кольцевым поршнем 4 и нижней опорой 10 перемещаются вниз относительно корпуса 1 с возвратом толкателей 12 и лопастей 8 в исходное положение с проворотом на осях 9, 13 и 14.
Прекращают передавать вращение на бурильную колонну труб и корпус 1 устройства и переносят устройство на новый уровень с повторением процесса.