РАСШИРИТЕЛЬ РАЗДВИЖНОЙ
EXTENDING REAMER

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 этого 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 ее работы. Это обусловлено следующими причинами:
- 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 подпружинивания, 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 ее 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 невозможности создания каверны запланированного размера, а лишь только делает это на величину прогиба бурильных труб, ограниченного стенкой скважины;
- породоразрушающая лопасть не всегда прижата к стенке 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 гидравлический расширитель [3], включающий корпус, поршень, пружину, тягу и шарнирно закрепленный рабочий орган, который выполнен в виде асимметричной лопасти, закрепленной на горизонтальной оси, причем режущая кромка длинной ее части расположена выше режущей кромки короткой части.
Недостатком этого расширителя является то, что из-за асимметричной лопасти и ее расположения в рабочем положении, когда режущие кромки на длинной и короткой частях располагаются на разных высотах по длине корпуса, происходит смещение от оси вращения места, где изгибающий момент, действующий на лопасть, равен нулю, что требует усиливать вал оси вращения и саму лопасть в месте отверстия под этот вал. Кроме того, появляется крутящий момент относительно продольной оси лопасти, что является дополнительной нагрузкой и также требует усиливать лопасть. Эти дополнительные нагрузки увеличивают массу устройства. Также следует отметить плохую ремонтопригодность данного расширителя: т.к. вал оси вращения вставлен в глухое отверстие, то при необходимости замены лопасти при ее износе вынуть вал из его гнезда и освободить лопасть будет достаточно трудно.
Целью изобретения является повышение надежности работы скважинного расширителя, уменьшение его массы, расширение его возможностей по увеличению диаметра расширения скважины, обеспечение ремонтопригодности.
Сущность изобретения заключается в том, что породоразрушающий инструмент сделан в виде симметричной, во всех направлениях, лопасти, более широкой - в центральной части, и постепенно сужающейся - к концам, выполненной с возможностью вращения в вертикальной плоскости на горизонтальном пальце, пронизывающем корпус и лопасть в их середине, причем корпус имеет два диаметрально расположенных окна в виде боковой продольной проточки, по ширине равной толщине лопасти, и одно окно расположено выше другого так, что позволяет одной половине лопасти быть утопленной внутрь корпуса через нижнее окно, а второй части лопасти - через верхнее окно в транспортном положении и при полном выдвижении лопасти в рабочее положение через окна, она расположена перпендикулярно продольной оси корпуса, при этом нижняя поверхность верхней части лопасти уложена на нижнюю поверхность верхнего окна, а верхняя поверхность нижней части лопасти уперта в верхнюю поверхность нижнего окна, чем лопасть зафиксирована в рабочем положении; кроме того, верхняя часть корпуса имеет резьбу для соединения с колонной труб, а ниже этой резьбы, внутри корпуса, выполнен цилиндрический ступенчатый канал, смещенный относительно продольной оси корпуса, в широкой части которого размещен поршень, закрываемый сверху поршневой крышкой с отверстием и изготовленный заодно с толкателем, проходящим через узкую часть канала и имеющим на свободном торце, соприкасающемся с верхней поверхностью лопасти, углубление, поверхность дна которого выполнена в виде дуги, а рядом со ступенчатым отверстием расположено цилиндрическое отверстие, смещенное относительно продольной оси корпуса, предназначенное для подачи промывочной жидкости в зону обработки; между лопастью, ниже ее оси вращения, и корпусом закреплена пружина для возвращения лопасти в транспортное положение.
Лопасть расширителя может находиться как в крайних - убранном и выпущенном положениях, так и в промежуточном - между этими положении. Установка лопасти в требуемое положение определяется давлением промывочной жидкости, от которого зависит величина выдвижения толкателя. При вращении колонны труб начинает вращаться корпус расширителя и вместе с ним лопасть, обеспечивая снятие грунта с боковой поверхности скважины, расширяя ее поперечный размер: чем на большую величину выдвинута лопасть, тем большее расширение скважины будет осуществляться.
Сопоставительный анализ позволяет сделать вывод, что предложенное устройство отличается от прототипа конструкцией породоразрушающего инструмента, выполненного в виде лопасти, симметричной во всех направлениях, а не асимметричной, что позволяет нагрузкам с обеих частей лопасти уравновешивать друг друга, чего нет в прототипе, и увеличить его продольные размеры и тем самым увеличить размер расширения скважины и уменьшить массу расширителя. Кроме того, выдвижение инструмента в рабочее положение осуществляется прямым контактом толкателя и лопасти и их взаимным скольжением, что уменьшает износ трущихся поверхностей и позволяет увеличить срок эксплуатации выдвижного узла. Наличие отверстия небольшого диаметра в поршневой крышке дает возможность плавно, без резкого нагружения, осуществлять движение лопасти. Ремонтопригодность предлагаемого расширителя также выше из-за сквозного (а не глухого) отверстия для пальца вращения, что позволяет легко выбить последний из гнезда при замене изношенной лопасти, чего нельзя сказать про прототип. В предлагаемом расширителе предусмотрено его центрирование при работе, а у прототипа этого нет. 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 уменьшить нагрузки на элементы расширителя, в частности на палец вращения лопасти и на лопасть, в сечении расположения отверстия под палец и тем самым увеличить производительность процесса расширения скважины и диаметр ее расширения за счет увеличения размера породоразрушающего инструмента: чем длиннее лопасть, тем больше расширенный диаметр скважины. А удлинять лопасть позволяет способ ее крепления на корпусе, снижающий величину действующих на нее нагрузок.
На фиг.1 представлен продольный разрез предлагаемого расширителя, на фиг.2 - крепление лопасти в предлагаемом расширителе, разрез «А-А» на фиг.1, на фиг.3 и 4 представлены эпюры нагрузок на рабочий инструмент соответственно в прототипе и в предлагаемом расширителе.
Расширитель раздвижной состоит из корпуса 1 цилиндрической формы, внутри которого с помощью пальца 15 закрепляется инструмент- лопасть 13, имеющая в поперечном сечении разную площадь: в центральной части большая площадь, а к концам лопасти площадь плавно уменьшается. На концах лопасти жестко закреплены породоразрушающие и армирующие элементы 11, в качестве которых могут быть вставки из поликристаллических алмазов или твердого сплава. Палец 15 пронизывает корпус 1 по его диаметрально противоположным стенкам, не давая лопасти 13 перемещаться вертикально. В корпусе расширителя диаметрально противоположно выполнены продольные окна 14 и 20, через которые инструмент-лопасть может выдвигаться из корпуса в рабочее положение. Ширина окон равна толщине «Т» лопасти (фиг.2, вид «А-А»). В верхней части корпуса, по торцу внутри, выполнена резьба 2, с помощью которой расширитель подсоединяется к колонне труб, осуществляющих вращательное движение и обеспечивающих по внутренней полости подачу к расширителю промывочной жидкости. В верхней части корпус расширителя выполнен цельным, но имеющим два несимметричных (смещенных относительно продольной оси корпуса) отверстия: одно, ступенчатое, цилиндрическое, служит для расположения в нем (в широкой полости) поршня 8 с уплотнениями 7, который изготовлен заодно с толкателем 9 цилиндрической формы, имеющим возможность перемещаться по узкой полости с уплотнениями 10. Торцевой частью 12 толкатель касается верхней поверхности верхней части лопасти, которая выполнена с углублением в виде скобы, ширина которой равна толщине лопасти. А поверхность дна углубления представляет собой дугу для лучшего скольжения по поверхности лопасти при ее выдвижении и уборке. Сверху ступенчатое отверстие закрывается крышкой 5 на резьбе, в центре которой выполнено отверстие малого диаметра 6. В крышке имеются гнезда 4 для ключа. Поршень 8 имеет снизу коническую форму, чтобы не появилось противодавление на поршень снизу в случае появления жидкости под давлением под поршнем. Параллельно ступенчатому отверстию в верхней части корпуса имеется отверстие 21 для подачи промывочной жидкости в зону обработки через полость расположения лопасти. Это отверстие также смещено относительно продольной оси корпуса. Для уборки лопасти внутрь корпуса расширителя служит пружина 16, которая одним концом закреплена на внутренней поверхности корпуса расширителя, а вторым концом - на нижней поверхности нижней части лопасти ниже ее оси вращения. С нижнего торца корпус расширителя закрывается крышкой 18 на резьбе. Крышка снизу имеет конусную часть 19 для облегчения перемещения расширителя в вертикальном направлении. Сверху и снизу корпуса расположены центраторы 3 и 17.
макс.
макс.
макс.
Расширитель раздвижной работает следующим образом, см.чертежи. Расширитель, закрепленный с помощью резьбы 2 на торце колонны труб, опускается вместе с ними на заданную глубину, где требуется расширить размеры скважины. Лопасть 13 пружиной 16 убрана внутрь корпуса, как показано на  фиг.1. Поршень 8 с толкателем 9 находятся в верхнем положении, куда их переместило усилие пружины 16 через верхнюю часть лопасти и торец толкателя. Промывочная жидкость не подается. После опускания колонны на заданную глубину начинается вращение колонны, что заставляет вместе с ней вращаться и расширитель вокруг своей продольной оси. Одновременно начинает подаваться промывочная жидкость по внутренней полости труб колонны, но при малом давлении. При этом давлении промывочная жидкость поступает по отверстию 21 в полость расположения лопасти 13 и далее через окна 14 и 20 в зону обработки стенки скважины. Параллельно через отверстие 6 жидкость поступает в надпоршневую полость и своим давлением воздействует на его верхний торец, создавая определенное усилие. Этого усилия достаточно для преодоления усилия пружины и перемещения толкателя 9 вниз. При этом толкатель, воздействуя поверхностью 12 на лопасть 13, заставляет последнюю поворачиваться на пальце 15 вокруг своей оси. При этом повороте концы лопасти начинают выдвигаться из корпуса на какую-то небольшую величину и обрабатывают боковую поверхность скважины. Давление жидкости на поверхности, после нагнетательных насосов, увеличивают на небольшую величину, что заставит выдвинуться еще лопасти и еще врезаться в породу на определенную величину. И так, постепенно увеличивая давление промывочной жидкости от минимального до максимального, обеспечивается постепенная величина выдвижения лопасти от нулевого значения до максимального, когда продольная ось лопасти займет перпендикулярное продольной оси расширителя положение. Тогда расширение скважины будет максимальным и составлять величину Д, см. фиг.1. Также постепенно лопасть врежется на глубину Д в стенку скважины, т.к. расширитель в этот период вращался. После этого к колонне, а от нее и к корпусу расширителя, прикладывается осевое усилие, под действием которого расширитель начинает перемещаться вниз (или вверх) по скважине, срезая породу на стенке скважины породоразрушающими элементами 11 до диаметра скважины Д Центраторы 3 и 17 помогают удерживать расширитель симметрично продольной оси скважины. Когда будет расширена скважина на заданном интервале по ее высоте, тогда прекращается подача промывочной жидкости к расширителю. Над поршнем 8 давление начнет падать, а со стороны пружины 16 усилие будет действовать на лопасть 13 на поворот лопасти вокруг ее оси и втягивание лопасти внутрь корпуса. Это усилие через поверхность 12 толкателя передастся последнему и далее поршню на перемещение их в верхнее крайнее положение. Т.к. отверстие 6 имеет малый размер, то жидкость через него вытечет постепенно, что обеспечит плавное перемещение лопасти внутрь корпуса расширителя. Когда лопасть переместится в исходное положение, то можно после этого осуществлять подъем расширителя, вместе с колонной труб, на дневную поверхность или на новый интервал, где требуется расширение скважины.
1
2
1
2
1
2
изг.
изг.макс.
При работе предлагаемого расширителя на лопасть 13 будут действовать следующие силы, см. фиг.4: силы P и Р действуют на концы лопасти, где расположены породоразрушающие элементы 11. Так как лопасть опирается своими боковыми поверхностями на стенки окон 14 и 20, то со стороны последних появятся реакции R и R. Расстояния «а» являются плечами для действующих сил P и Р. Эти плечи равны между собой, т.к. лопасть изготовлена и закреплена в корпусе симметрично своей оси вращения. Угловая скорость вращения расширителя равна ω. От действующих сил и их реакций, при полностью выдвинутой лопасти (самый тяжелый режим работы) будет действовать изгибающий момент М и поперечная сила Q. Из эпюр, фиг.4, видно, что максимальный изгибающий момент М будет действовать в месте опоры лопасти на стенки корпуса. В этих же местах будет действовать и максимальная (в данном случае - одинаковая по всей выпущенной длине лопасти) поперечная сила. Но т.к. внутри корпуса, в месте расположения лопасти, толщину стенки можно изготовить достаточно большой, то действующие нагрузки с необходимым запасом будут уравновешиваться реакциями стенки и соответствующим моментом от них, без разрушения и деформации расширителя.
изг
изг
кр
В прототипе, см. фиг.3, на лопасть будут действовать те же силы. Но распределены они будут по-другому. Однако величины плеч «а» и «в» здесь оказываются разными: плечо «а» больше плеча «в». Вследствие этого эпюра изгибающего момента М. будет иной: максимальная величина этого момента оказывается в месте опоры длинного плеча лопасти на стенку корпуса. Нулевой же изгибающий момент М. будет действовать не в месте оси вращения лопасти (где он будет равным величине «к»), а сместится на величину «с» от нее в сторону малого плеча лопасти, что потребует усиления вала вращения. Кроме того, т.к. приложение силы Р1 (точка «А» на фиг.3) располагается выше точки приложения силы Р2 (точка «В»), то появляется крутящий момент М. относительно продольной оси лопасти. А это  дополнительная нагрузка на лопасть, которая потребует ее усиления. Использование заявляемого изобретения позволяет заметно увеличить производительность процесса расширения скважины, повысить надежность работы оборудования, обеспечить его ремонтопригодность, увеличить размер расширения скважины и уменьшить затраты на выполнение расширения.
Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР №206469 от 16.04.1963 г. по кл. Е21В 9/28.
2. Авторское свидетельство СССР №1666678 от 19.05.1989 г. по кл. Е21В 7/28.
3. Авторское свидетельство СССР №324374 от 23.12.1971 г. по кл. Е21В 9/22.