Расширитель
EXPANDER

Изобретение относится к буровой технике и предназначено для расширения ствола скважины под башмаком обсадной колонны.
Известно устройство для расширения скважин (см. авторское свидетельство №1514898, М.кл. Ε21B 7/28, опубликовано 15.10.1989 г. Бюллетень №38).
Устройство состоит из корпуса с двумя расширителями (лопастями), размещенными напротив друг от друга и связанными с корпусом пальцами, с возможностью выдвижения в радиальном направлении при взаимодействии с ними подпружиненного бойка, служащего для передачи энергии удара на лопасти расширителя. Каждый расширитель состоит из гильзы, внутри которой находится стержень, установленный с возможностью аксиального движения внутри гильзы. В зазоре между стержнем и гильзой размещена пружина сжатия. Стержни на конце содержат породоразрушающий инструмент в виде шарошки.
Устройство опускают в предварительно пробуренную скважину на расчетную глубину, с передачей вращения корпусу.
К недостаткам конструкции можно отнести:
- неизвестно, из конструкции и описания, каким образом происходит расширение в радиальном направлении породоразрушающего инструмента, с сохранением этого положения при внедрении в горную породу;
- нет условий для подачи промывочного агента к породоразрушающему инструменту, чтобы обеспечить вынос выбуренной породы;
- возврат лопастей в исходное положение может происходить только за счет взаимодействия их с породой, при натяжении устройства.
Известен механический скважинный расширитель, защищенный патентом №2152503, М.кл. Ε21B 7/28, опубликованным 10.07.2000 г.
Конструкция устройства состоит из корпуса, с шарнирно закрепленными в нем рабочими органами, подвижного клина-штока на конце штока, имеющего параллельные грани, установленного с возможностью осевого перемещения вверх и снабженного опорой на нижнем конце.
Опора связана с корпусом клина-штока присоединительным устройством в форме незамкнутой скобы с накидной втулкой, с возможностью свободного вращения клина-штока вместе с корпусом вокруг предельной оси, а рабочие органы выполнены в виде подпружиненных и снабжены направляющими роликами.
Работа устройства.
На бурильной колонне труб устройство вводится в скважину, с опорой на забой пятой опорного устройства.
Осуществляют вращение бурильной колонны, с созданием осевой нагрузки, под действием которой корпус с лопастями опускается вдоль клина-штока. При этом ролики накатываются на клиновую часть клина-штока, с выводом лопастей в рабочее положение. Дальше ролики выкатываются по граням клина-штока, с фиксацией лопастей в рабочем положении. Это положение сохраняется в течение всего времени расширения.
При дальнейшем движении корпуса вдоль клина-штока с вращением лопастей разбуривают полость заданного диаметра и длины, которая определяется длиной клина-штока. Опорное устройство при этом не вращается.
После расширения устройства натяжением бурильной колонны труб поднимают корпус, пока ролики, перекатываясь по параллельным граням клина-штока, не попадут на его клиновую часть, что приводит к возврату лопастей в исходное положение, в том числе и усилием возвратной пружины. Клин-шток остается в нижнем положении до момента, пока корпус не достигнет пальца, с подъемом всего устройства.
Известна конструкция скважинного расширителя (см. авторское свидетельство №1808957, М.кл. E21B 7/28. "Скважинный расширитель", опубликовано 15.04.1993 г. Бюллетень №14).
Конструкция расширителя включает полый корпус, с боковыми пазами для установки лопастей полого штока со шлицевым соединением для связи с корпусом.
Корпус имеет два промывочных канала, выходящих в зону работы породоразрушающих лопастей. В корпусе расширителя выполнена резьба под переходник. В корпусе размещен подпружиненный полый поршень, связанный с полым штоком, который снабжен зубчатыми рейками, кинематически связанными с зубьями на породоразрушающих лопастях. На нижнем конце полого штока размещено долото, и оно снабжено ограничительным кольцом.
Работа расширителя.
Расширитель на бурильной колонне труб вводится в скважины, с выходом за пределы башмака обсадной колонны, с опорой на забой долотом. Затем включается промывка, с подачей рабочей жидкости в надпоршневое пространство.
Бурильной колонне сообщают крутящий момент и через взаимодействие зубцов породоразрушающего элемента с зубьями реек разводят последние в радиальном направлении с внедрением в горную породу стенки скважины.
При полном раскрытии лопастей открываются приемные части промывочных отверстий, с перераспределением потока рабочей жидкости. В связи с этим происходит снижение давления на устье скважины, что служит сигналом о проведении лопастей в раскрытое положение.
После окончания расширения ствола скважины прекращают подачу под давлением рабочей жидкости.
Под действием пружины полый шток с полым поршнем и механизмом привода рабочих лопастей возвращаются в исходное положение. Расширитель ставят на забой, с опорой корпусом на упорное кольцо.
Недостатки:
- необходимость опоры устройства на забой скважины;
- нет условий для подачи промывочной жидкости к лопастям, чтобы обеспечить удаление шлама, поскольку существует вероятность забивания им устройства, с прихватом клина-штока;
- отсутствует контроль над крутящим моментом и радиальной силой со стороны горной породы, воспринимаемой осью;
- недостаточно большой радиус расширения горной выработки, за счет конструктивных особенностей и ограничений, накладываемых диаметральными размерами скважины.
Известна конструкция лопастного расширителя (см. авторское свидетельство №781312, М.кл. E21B 10/00, опубликовано 23.11.1980 г., принятое за прототип).
Расширитель состоит из полого корпуса, в сквозных пазах которого размещены лопасти, армированные твердым сплавом. Лопасти закреплены на штоке шарнирными осями, размещенными в продольных пазах, выполненными в выступах штока. В теле лопастей размещены пружины, которые через толкатель отжимают лопасти в крайнее положение от штока. К корпусу снизу присоединен переводник. В верхней части штока расположен поршень. Лопасти выполнены со скосами, а в корпусе выполнены уступы. Шток и корпус снабжены конусными поверхностями.
Работа расширителя.
При подаче под давлением рабочей жидкости шток с поршнем движется вверх, взаимодействуя с лопастями, которые, скользя гранями по уступам корпуса с выходом в радиальном направлении, расклиниваются по конусным поверхностям на штоке и на корпусе. По мере износа опорных конусных поверхностей и под действием осевого усилия, со стороны поршня, происходит восстановление зазора, что обеспечивает жесткое закрепление лопастей в рабочем положении, что обеспечивает стойкость лопастей и сопряженных деталей. Тем самым увеличивается межремонтный период работы устройства.
К недостаткам конструкции следует отнести:
- малый радиус расширения ствола скважины;
- сложность конструкции и монтажа лопастей в пазах корпуса;
- сложность соизмерения размеров всех лопастей, с размерами сопрягаемых поверхностей корпуса и штока.
Технический результат, который может быть получен при реализации предлагаемого изобретения, заключается в следующем:
- возможность расширения ствола скважины в открытом продуктивном пласте;
- возможность фиксации лопастей расширителя в окнах корпуса при максимальном раскрытии в продольных пазах конусной поверхности.
Технический результат достигается тем, что расширитель состоит из корпуса, переводника, поршня с полым штоком в осевом канале. Корпус снабжен сквозными пазами, в которых на осях размещены лопасти, армированные твердым сплавом, установленные с возможностью взаимодействия с конусной поверхностью на нижнем конце центрального штока.
Устройство дополнительно снабжено кожухом с продольными окнами, выполненными симметрично сквозным пазом корпуса, и связанным с ним резьбой, конусная поверхность снабжена конусным выступом, обращенным к кольцевой проточке в теле корпуса.
Конусная поверхность снабжена продольными пазами, выполненными симметрично продольным окнам кожуха. Положение конусной поверхности относительно сквозных пазов корпуса зафиксировано стопором, связанным с центральным штоком, а лопасти установлены в сквозных пазах корпуса с возможностью скользящего торцового контакта с конусной поверхностью в ее продольных пазах.
Конструкция расширителя поясняется чертежами, где:
- на фиг. 1 - расширитель в разрезе в исходном, транспортном положении деталей;
- фиг. 2 - конструкция расширителя, в разрезе, при максимальном вылете лопастей;
- на фиг. 3 - конструкция в разрезе разжимного элемента с конусной поверхностью.
Расширитель состоит из корпуса 1, связанного с переводником 2 верхним концом. Переводник 2 через ниппель 3 связан с бурильной колонной труб.
В осевом канале переводника 2 размещен поршень 4, связанный с полым штоком 5, пропущенным в осевой канал ниппеля 3. Между полым штоком 5 и переводником 2 выполнена кольцевая камера 6, в которой установлен поршень 4, полость над которым связана через радиальное отверстие 7 с полостью скважины.
Внутри кольцевой камеры 6 размещена пружина 8, поджимающая поршень 4 к торцу корпуса 1.
Поршень 4 нижним концом связан с центральным штоком 9, пропущенным в осевой канал корпуса 1, в теле которого выполнены сквозные пазы 10, в которых на осях 11 размещаются лопасти 12, с охватом центрального штока 9, на нижнем конце которого установлен разжимной элемент 13, с конусной поверхностью 14, обращенной в сторону лопастей 12, входящих в продольные пазы 15 на конусной поверхности 14. На верхнем конце разжимного элемента 13 выполнен кольцевой выступ 16, соизмеримый по размерам с кольцевой проточкой 17 в теле корпуса 1. На нижнем конце центрального штока 9 установлен стопор 18 для разжимного элемента 13.
На внешней стороне корпуса 1 установлен кожух 19 с продольными окнами 20, расположенными симметрично сквозным пазам 10 корпуса 1. На нижнем конце кожуха 19 размещена полумуфта 21.
В теле центрального штока 9 выполнено циркуляционное отверстие 22, для связи его осевого канала 23 с полостью кольцевой камеры 6 под поршнем 4. В стопоре 18 выполнен дроссельный канал 24. Форма лопасти 12 выполнена переменного сечения, с возможностью постоянного скользящего элемента 13 по продольному пазу 15 выступом 25. При максимальном раскрытии лопастей 12 точка контакта выступа 25, с разжимным элементом 13 смещена в радиальном направлении к кожуху 19.
Работа устройства.
На бурильной колонне труб, к нижнему концу которой через ниппель 3 подсоединяется устройство, и происходит спуск в скважину, с размещением в интервале продуктивного пласта.
Осуществляют подачу под давлением рабочей жидкости в бурильную колонну труб и далее внутрь устройства.
Через циркуляционное отверстие 22 рабочая жидкость подается в кольцевую камеру 6 под поршнем 4, что приводит к его перемещению вверх, совместно с центральным штоком 9 и разжимным элементом 13. Лопасти 12 своими свободными концами перемещаются в продольных пазах 15 на конусной поверхности 14, с взаимодействием с ней выступом 25 поворотом на осях 11 и выходом из сквозных пазов 10 корпуса 1, до контакта с поверхностью горной породы в стволе скважины. Бурильной колонне сообщают вращение до момента полного вылета лопастей 12, с контактом внешней поверхностью с телом кожуха 19.
При полном вылете лопастей 12, не прекращая вращать бурильную колонну, осуществляют осевое нагружение расчетной нагрузкой. Наружная поверхность лопастей 12, входящая в контакт с горной породой, армирована твердым или алмазоподобным сплавом, что обеспечивает эффективное разрушение и расширение ствола скважины.
Расширение ствола скважины ведут по высоте расположения продуктивного пласта.
При раскрытии лопастей 12 происходит их контактное взаимодействие с конусной поверхностью 14 разжимного элемента 13 по продольным пазам 15 выступами 25. Полное раскрытие лопастей 12 синхронизировано с моментом входа кольцевого выступа 16 в кольцевую проточку 17 в теле корпуса 1, позволяет обеспечить устойчивое положение лопастей 12 в сквозных пазах 10, что приводит к снижению нагрузок на оси 11. Тем самым повышается надежность работы устройства.