ЦЕНТРАТОР БУРИЛЬНОГО ИНСТРУМЕНТА
DRILL TOOL CENTRALISER

Изобретение относится к бурению скважин, в частности к опорно-центрирующим элементам бурильной колонны (центраторам).
Известен центратор бурильного инструмента [АС №1458551, кл. Е21В 17/10, опубл. 1989 г.], содержащий корпус с осевым и радиальными каналами, концентрически установленную на нем с возможностью вращения центрирующую втулку с продольными ребрами, демпфирующую обойму, подпятники. Недостатками данного изобретения являются низкие эффективность и долговечность работы, связанные с тем, что при работе возможен перекос оси корпуса центратора к оси скважины из-за прогиба компоновки бурильного инструмента, либо при проходке центратором криволинейного участка ствола скважины, вызывающий бочкообразный износ продольных ребер центрирующей втулки. Кроме этого центратор работает как гидравлический амортизатор одностороннего действия, т.е. центрирующая втулка постоянно находится в нижнем положении по отношению к осевым опорам.
Наиболее близким техническим решением является центратор бурильного инструмента [АС №1263800, кл. Е21В 17/10, опубл. 1986 г.], включающий корпус с осевым и радиальными калиброванными отверстиями, установленную на нем с возможностью вращения центрирующую втулку, с выполненными на ее внешней цилиндрической поверхности продольными ребрами и снабженную демпфирующей обоймой. Фиксация центрирующей втулки в осевом направлении осуществляется с помощью осевых опор, включающих упругие подпятники.
Недостатком описанного выше изобретения является низкая эффективность его работы, связанная с тем, что независимо от снабжения корпуса вставными гидравлически-подпружиненными поршнями и соплом в осевом канале, устройство работает как амортизатор одностороннего действия вследствие возникновения продольной силы, прижимающей центрирующую втулку к подпятнику нижней опоры. Причем, геометрия демпфирующей обоймы позволяет создавать, только постоянную по длине, величину ее податливости, что в свою очередь не дает эффективной возможности обеспечить полное прилегание продольных ребер к стенке скважины, в случае возникновения перекоса осей корпуса и втулки, и, как следствие, приводит к бочкообразному износу.
Технической задачей изобретения является увеличение эффективности работы предлагаемого центратора за счет расширения спектра амплитудно-частотных характеристик демпфируемых колебаний, передающихся от долота, устранение перекоса центрирующей обоймы центратора, и, как следствие, бочкообразного износа, увеличение долговечности предлагаемого устройства.
Поставленная задача решается тем, что в известном центраторе бурового инструмента, включающем корпус с осевым каналом и радиальными отверстиями, концентрически установленную на нем с возможностью вращения центрирующую втулку, снабженную продольными ребрами на наружной и демпфирующей обоймой на внутренней поверхностях и осевыми опорами в виде пяты и подпятника, согласно предлагаемому изобретению демпфирующая обойма снабжена радиальными шлюзами, размещенными на уровне радиальных отверстий корпуса, и круговым массивом продольных сквозных каналов, внутренние полости которых через шлюзы и радиальные отверстия корпуса гидравлически связаны с осевым каналом корпуса и выполнены в форме кольцевых сегментов, разнонаправленно-расширяющихся к торцам центрирующей втулки, а подпятники установлены в осевых каналах демпфирующей обоймы с запасом осевого хода и выполнены в виде упругих полых, открытых в сторону кольцевых сегментов вставок, боковые поверхности которых выполнены с углами, большими угла заклинивания каждый, герметизирующими продольные сквозные каналы на концевых участках.
На фиг.1 изображен центратор бурильного инструмента; на фиг.2 и 3 - поперечные разрезы А-А и Б-Б на фиг.1 соответственно.
Центратор бурильного инструмента (фиг.1) включает корпус 1, центрирующую втулку 2 с продольными износостойкими ребрами 3. В корпусе 1 выполнен сквозной осевой канал 4 и радиальные отверстия 5. Вдоль внутренней цилиндрической поверхности втулки 2 размещена демпфирующая обойма 6, вращающаяся совместно с втулкой относительно вкладыша 7, неподвижно связанного с наружной посадочной поверхностью корпуса 1. Цилиндрический вкладыш 7 снабжен радиальными отверстиями, сообщающимися с отверстиями 5 корпуса 1.
Демпфирующая обойма 6 снабжена круговым массивом продольных сквозных каналов 8 профильной формы. Причем, каналы 8 сообщаются с осевым каналом 4 корпуса 1 посредством радиальных шлюзов 9. Для ограничения аксиального перемещения центрирующей втулки 2, с обеих ее торцевых поверхностей установлены пяты 10, зафиксированные в корпусе 1. Продольные каналы 8 обоймы 6 имеют форму кольцевого сегмента 11 в поперечном сечении (фиг.3) и комбинированную форму в осевом сечении, расширяющуюся от центра к торцам центрирующей втулки 2 (фиг.1). В расширяющиеся части 12 каналов 8 установлены упругие вставки 13, выполняющие функции подпятников.
Вставки 13 выполнены ответной расширяющимся частям 12 каналов 8 формой, при этом снабжены хвостовиками, имеющими аналогичную форму каналам 8. Во вставках 13 дополнительно выполнены профильные отверстия 14. Вставки 13 имеют возможность осевого перемещения, которое ограничивается с одной стороны - пятами 10, а с другой стороны ограничение носит геометрический характер, а именно - сужение участка 12 продольных каналов 8. Причем для предотвращения «заклинивания» вставок 13 в зоне участка 12 их боковые поверхности имеют угол наклона больше величины угла заклинивания.
Центратор бурильного инструмента работает следующим образом.
Устройство включается в состав компоновки нижней части бурильной колонны (КНБК), над долотом, при бурении забойными двигателями, либо между бурильными трубами, при роторном бурении.
Промывочная жидкость, подаваемая буровым насосом, попадает в осевой канал 4 центратора. Часть жидкости поступает через радиальные отверстия 5 и 9 в продольные каналы 8 демпфирующей втулки 6.
Поскольку в расширяющихся частях 12 каналов 8 установлены вставки 13, это приводит к созданию давления внутри каналов, равного давлению в осевом канале 4 центратора. Причем, наличие хвостовиков вставок, полностью повторяющих форму каналов 11, и профильных отверстий 14 обеспечивают полную герметизацию каждого сквозного канала 8 демпфирующей втулки 6.
Возникающее в каналах 8 избыточное давление создает осевое усилие на торцевые поверхности вставок 13, заставляя их перемещаться по направлению к пятам 10, обеспечивая этим стабильное, среднее положение центрирующей обоймы 2.
В процессе работы центратора в составе КНБК продольные ребра 3 центрирующей обоймы 2 поочередно (вследствие возможности вращения обоймы) прижимаются к стенкам ствола скважины. Результатом контакта ребер обоймы со стволом скважины является поочередная циклическая изменяющаяся поперечная деформация продольных каналов 8 демпфирующей втулки, приводящая к возникновению дополнительных к гидравлическим осевых (выталкивающих) усилий, действующих на вставки 13, прижимающие последние к пятам 10 верхней и нижней осевых опор, обеспечивая тем самым работу каналов 8 всей конструкции в целом в режиме упруго-жидкостных радиально-аксиальных амортизаторов двухстороннего действия, как следствие позволяя более эффективно демпфировать колебания, передающиеся от долота на корпус центратора, жестко связанного с другими элементами КНБК.
Кроме этого в случае возникновения перекоса оси центрирующей обоймы 2 относительно оси корпуса 1 центратора, возникающая добавочная поперечная деформация участков 12 каналов 8, находящихся в плоскости перекоса осей, способствует созданию добавочного «реактивного» момента пары сил, действующего на упирающиеся в пяты 10 вставок 13. Возникающий «реактивный» момент пары сил устраняет перекос центрирующей обоймы (способствует «самоустановке») и, как следствие, бочкообразный износ, увеличивая долговечность работы предлагаемого устройства.