СКВАЖИННЫЙ РАСШИРИТЕЛЬ ШАРНИРНЫЙ ГИДРОУДАРНЫЙ
BOREHOLE EXPANDER JOINTED IMPACT

Изобретение относится к области нефтегазодобывающей промышленности и может быть использовано для расширения скважин в расчетном интервале.
Известен скважинный расширитель, содержащий породоразрушающий орган, с размещенным внутри турбинным приводом и механизмом поворота породоразрушающего органа [1]. Механизм поворота породоразрушающего органа выполнен в виде зубчатой рейки, скрепленной с поршнем гидравлической пары, цилиндр которой связан с колонной бурильных труб, и зубчатого сектора, связанного с валом турбинного привода и взаимодействующего с зубчатой рейкой.
Недостатками этого устройства являются ненадежность конструкции и неэффективность работы. Это обусловлено рядом причин:
- конструкцией расширителя не предусмотрено огибание твердых включений, т.к. промывочная жидкость постоянно воздействует на зубчатую передачу, а обратный ход последней возможен, но с приложением большого усилия, приводящего к поломке расширителя;
- конструкцией расширителя не предусмотрена защита зубчатой передачи от посторонних включений (разбуриваемой породы), что может привести к поломке устройства;
- осуществляется механическое разрушение породы без очистки (промывки) забоя, что приводит к заклиниванию инструмента.
Известен скважинный гидромониторный расширитель, содержащий корпус, породоразрушающую лопасть, прикрепленную к боковой поверхности корпуса, полый приводной вал, размещенный в корпусе и соединенный как с буровой колонной, так и с корпусом с возможностью ограниченного осевого перемещения и подпруживания, а также три гидромониторные насадки, сообщенные посредством промывочных каналов с полостью буровой колонны [2]. При этом вторая насадка расположена на боковой поверхности лопасти, а третья - на боковой поверхности корпуса со смещением по вертикали относительно первой насадки с возможностью гидравлического сообщения полости буровой колонны с насадками корпуса при крайних положениях приводного вала относительно корпуса и с насадкой лопасти - при среднем положении вала.
Недостатками этого устройства являются ненадежность конструкции и неэффективность работы. Это обусловлено следующими причинами:
- наличие открытых пружин в конструкции расширителя может привести к заклиниванию последних разбуриваемой породой и, как следствие, к невозможности осевого перемещения корпуса относительно вала;
- отсутствие в конструкции расширителя поворотного механизма приводит к невозможностью создания каверны запланированного размера, а лишь только на величину прогиба бурильных труб, ограниченных стенкой скважины;
- породоразрушающая лопасть не всегда прижата к стене скважины из-за непостоянства действия отклоняющей силы;
- конструкция расширителя обеспечивает малый гидромониторный эффект, т.к. насадка на лопасти расположена с обратной стороны вращения.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является скважинный гидромониторный расширитель, содержащий полый цилиндрический оребренный рабочий орган (под ребрами подразумеваются породоразрушающие элементы), связанный с бурильной колонной с помощью цилиндрического шарнира, и гидромониторные насадки, одна из которых выполнена под углом относительно оси расширителя в сторону нижней границы оребренного рабочего органа [3]. При этом ось цилиндрического шарнира смещена относительно оси корпуса в сторону наименьшей образующей оребренного рабочего органа, выполненного в виде втулки со скошенным торцом. Втулка установлена на корпусе концентрично.
Недостатками этого устройства являются ненадежность конструкции и неэффективность работы. Это обусловлено следующими причинами:
- конструкцией расширителя не предусмотрено огибание твердых включений, т.к. конструктивные особенности втулки и положение шарнира не способствуют возникновению выпрямляющего усилия, приводящего втулку в первоначальное положение;
- операция расширения связана с подъемом втулки за счет действия центробежной силы, величина которой мала вследствие незначительной частоты вращения бурильной колонны;
- конструкцией обеспечивается малый гидромониторный эффект, т.к. насадки расположены на корпусе, не имеющем возможности углового перемещения относительно оси скважины.
Целью изобретения является повышение надежности скважинного расширителя и эффективности проведения технологической операции расширения скважины.
Сущность изобретения заключается в том, что в полом цилиндрическом корпусе располагается ударник, обеспечивающий возвратно-поступательное движение коронки, закрепленной на нижнем торце корпуса, осуществляя удары зубьев коронки о стенку скважины, что способствует лучшему разрушению породы продуктивного пласта. Внутри корпуса располагается также вал с лопастями, обеспечивающий, при попадании на лопатки промывочной жидкости под давлением, вращение этого вала, а вместе с ним и вращение коронки через полую втулку, т.е. коронка вращается и одновременно совершает возвратно-поступательное движение в направлении оси корпуса, ударяясь о стенку скважины. Коронка жестко соединена с полой втулкой, в которой радиально выполнены отверстия, например четыре, через которые промывочная жидкость под давлением вытекает в радиальном направлении в пространство между корпусом и втулкой. В корпусе, в его нижней части, в боковой стенке, выполнено отверстие, а диаметрально противоположно, в самом низу - конусное отверстие, расположенное под углом к продольной оси корпуса. Промывочная жидкость будет вытекать через радиальное отверстие за пределы расширителя, что будет создавать реактивную силу, под действием которой, при наличии шарнира, расширитель будет отклоняться от вертикального положения и прижиматься коронкой к стенке скважины. Наличие диаметрально противоположного конусного отверстия, наклоненного вниз, обеспечивает выливание промывочной жидкости под давлением на породу стенки скважины и ее размывание. Конусность отверстия (сужающий канал) обеспечивает увеличение скорости вытекающей жидкости, а следовательно, большую эффективность размыва породы. Последняя уносится наверх промывочной жидкостью. Радиальное отверстие по площади поперечного сечения, а следовательно, и по расходу жидкости больше, чем конусное, что создает реактивную силу со стороны радиального отверстия больше по величине, чем со стороны конусного отверстия. А это обеспечивает поджатие коронки к стенке скважины.
Оси радиального отверстия, корпуса расширителя и конусного отверстия располагаются в одной плоскости, а эта плоскость перпендикулярна оси шарнира, расположенного в верхней части корпуса расширителя, что позволяет осуществлять поворот корпуса расширителя вокруг оси этого шарнира с минимальными усилиями, что требует меньшего расхода жидкости и меньшего ее давления.
К верхней части корпуса подсоединен одноплоскостной (горизонтальный) шарнир, позволяющий корпусу, вместе с коронкой, поворачиваться вокруг этого шарнира, обеспечивая постоянный контакт коронки с породой по мере ее выработки. Для вращения коронки не требуется вращать колонну труб, к которой подсоединен предлагаемый скважинный расширитель.
Между коронкой и стенкой скважины возникает сила трения, за счет которой коронка, измельчая породу, одновременно перемещается (перекатывается) по боковой поверхности полости скважины, увеличивающейся в объеме за счет выработки породы, чему позволяет узел вращения, через который осуществляется соединение расширителя с колонной труб через переводник. Таким образом, расширитель движется по периметру стенки скважины, касаясь последней коронкой, осуществляющей механическое разрушение породы и перемещение расширителя по стенке скважины при одновременном размывании породы струей промывочной жидкости и ее уносе этой жидкостью. Вращения колонны труб для расширения скважины предлагаемым расширителем не требуется.
Сопоставительный анализ позволяет сделать вывод, что предложенное устройство отличается от прототипа тем, что в нем имеется устройство для вращения рабочего инструмента (коронки), чем устраняется необходимость вращать всю колонну труб. Также внутри расширителя располагается ударник, обеспечивающий возвратно-поступательное движение рабочего инструмента, что позволяет воздействовать на породу ударными нагрузками со стороны коронки (кроме механического разрушения при вращении), что приводит к увеличению производительности процесса расширения скважины. Кроме того, имеется шарнир в верхней части корпуса расширителя, с помощью которого расширитель имеет возможность отклоняться от вертикального (исходного) положения, чем обеспечивается постоянный контакт рабочего инструмента со стенкой скважины и, тем самым, увеличивается размер расширения скважины. Таким образом, предложенное техническое решение соответствует критерию «новизна».
Анализ известных технических решений (аналогов) в исследуемой области позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков, сходных с существенными отличительными признаками в заявляемом устройстве, и признать его соответствующим критерию «существенные отличия».
Применение всех новых признаков позволяет существенно увеличить производительность процесса расширения скважины и размер расширения за счет совмещения процессов разрушения породы коронкой при ее вращении вокруг своей оси и ударного воздействия при возвратно-поступательном движении вдоль своей оси, а также размывании породы промывочной жидкостью. Наличие шарнира и соответствующая длина корпуса расширителя обеспечивают размер расширения скважины (чем больше длина корпуса, тем больше размер расширения скважины).
На чертеже представлен разрез корпуса предлагаемого расширителя по продольной оси.
Скважинный расширитель шарнирный гидроударный состоит из полого корпуса 1, имеющего в верхней части резьбу для соединения с ниппелем 2, который соединен с муфтой 3. В нижней части корпуса 1 имеется уплотнительный элемент под втулку 9. Также в нижней части корпуса 1 выполнено радиальное отверстие 16 в боковой стенке.
Диаметрально противоположно этому отверстию имеется в корпусе конусное отверстие 19, наклоненное вниз на угол, чтобы струя из отверстия не попадала на коронку, а проходила выше. В корпусе 1 расположен ударник 4, внутри которого между верхним и нижним дисками 5 с циркуляционными отверстиями 6 размещен вал с лопатками 7 и кулачком 8. В нижней части ударника 4 имеется резьба, в которую ввернута втулка 9 с отверстиями 17, а в верхней части - резьба для соединения со штоком 10, подпружиненным пружиной 11 относительно корпуса 1. В верхнюю часть муфты 3 ввернут одноплоскостной шарнир 12, который соединен с полым узлом вращения 13, в верхнюю часть которого ввернут трубчатый переводник 14 для соединения устройства с колонной труб 18 (в том числе и гибких). В нижнюю часть втулки 9 ввернута коронка 15.
Скважинный расширитель шарнирный гидроударный (СРШГ) работает следующим образом, см. чертеж.
Принцип его работы основан на использовании действия гидроудара и отклоняющей силы струи промывочной жидкости, истекающей из отверстий 16. СРШГ спускается в скважину на гибких трубах или насосно-компрессорных трубах малого диаметра на нужную глубину. В исходном положении расширитель занимает вертикальное положение под действием силы тяжести. Для включения его в работу подается под давлением промывочная жидкость по колонне труб, с которой связан расширитель. Промывочная жидкость прокачивается под давлением через внутреннюю полость расширителя и отверстия 6 в верхнем диске 5, падает на лопасти вала 7, заставляя вращаться вал с кулачком 8. При вращении кулачка отверстия 6 в нижнем диске 5 периодически перекрываются, в результате чего возникают скачкообразные перепады давления и происходят гидроудары, под действием которых подпружиненный ударник 4, втулка 9 и коронка 15 производят возвратно-поступательное движение. При этом сила удара зубьев коронки о стенку скважины, в зависимости от величины давления промывочной жидкости, может достигать 2000-4000 Н (200-400 кгс). Частота ударов коронки 15 о стенку скважины повторяет частоту вращения вала 7. Одновременно промывочная жидкость, через отверстия 6 в нижнем диске 5, попадает во втулку 9 и далее - в отверстия 17.
Через отверстия 17 втулки промывочная жидкость под давлением попадает в пространство между втулкой 9 и корпусом расширителя 1, откуда вытекает в окружающее пространство через радиальное отверстие 16 и конусное отверстие 19, в котором скорость истечения жидкости увеличивается за счет уменьшения поперечного сечения канала.
Истекая из радиального отверстия 16, жидкость создает реактивную силу, действующую по нормали к продольной оси корпуса расширителя. А так как на верхней части расширителя располагается шарнир 12, ось которого перпендикулярна действию реактивной силы, то корпус расширителя поворачивается, под действием этой силы, вокруг шарнира 12, обеспечивая постоянный контакт коронки 15 с поверхностью стенки скважины, а тем самым - механическое разрушение породы скважины коронкой и перемещение последней по поверхности стенки скважины (по окружности), что обеспечивается наличием узла вращения 13. Одновременно промывочная жидкость, через коническое отверстие 19, ускоряясь в сужающемся канале, выливается из полости между коронкой 9 и корпусом 1 и падает на поверхность стенки скважины, размывая ее и унося породу на поверхность.
Таким образом, в предложенном скважинном расширителе разрушение породы осуществляется несколькими (совмещенными) способами:
- механическим разрушением вращающейся коронки;
- ударным действием коронки на породу;
- размывом породы струей промывочной жидкости.
Такая комбинация значительно увеличивает производительность процесса расширения скважины.
Наличие шарнира 12, обеспечивающего поворот расширителя на угол не менее 90°, и конструктивное выполнение требуемой длины корпуса расширителя обеспечивают необходимый объем расширения скважины. А так как все элементы расширителя находятся внутри корпуса (кроме рабочего органа), не соприкасаясь с породой, то надежность работы расширителя резко возрастает.
Использование заявляемого изобретения позволяет заметно увеличить производительность процесса расширения скважины, повысить надежность работы оборудования и уменьшить затраты на выполнение этого процесса.
Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР №206469 от 16.04.1963 г. по кл. Е21В 9/28 (5а, 14/20).
2. Авторское свидетельство СССР №1666678 от 19.05.1989 г. по кл. Е21В 7/28.
3. Авторское свидетельское СССР №1002500 от 25.01.1982 г. по кл. Е21В 7/28.