Расширитель для одновременного бурения и расширения на обсадной колонне
EXPANDER FOR SIMULTANEOUS DRILLING AND EXPANSION ON CASING STRING

Изобретение относится к буровой технике нефтегазодобывающей промышленности, в частности к устройствам для увеличения диаметра скважины в заданном интервале.
Известен расширитель скважин (патент RU № 64255, МПК Е21В 7/20, опубл. 27.06.2007 г., бюл. № 23), включающий полый корпус с внутренним выступом и радиальными отверстиями, в которых установлены выдвижные режущие элементы с твердосплавными зубками на режущей поверхности и с хвостовиками, размещенный в полости корпуса с фиксацией от проворота кольцевой поршень с фиксатором, взаимодействующим в рабочем положении с хвостовиками, боковым отверстием, верхним и нижним упорами на наружной поверхности и средством подсоединения к бурильной колонне, цилиндр, соединенный с корпусом и образующий с кольцевым поршнем гидравлическую камеру, сообщенную его боковым отверстием с полостью корпуса, и устройство для стопорения режущих элементов в нерабочем положении, содержащее дополнительный кольцевой поршень, расположенный ниже боковых отверстий поршня в гидравлической камере расширителя, радиально подпружиненные кольцевые сегменты, расположенные в наружных пазах кольцевого поршня и ответные этим сегментам углубления - в цилиндре, а между дополнительным поршнем и кольцевыми сегментами устройства стопорения режущих элементов, установлен толкатель для вывода указанных сегментов из зацепления с корпусом расширителя. Причем режущие элементы подпружинены внутрь и соединены с корпусом шарнирно, с возможностью их поворота в плоскости, проходящей через продольные геометрические оси корпуса и режущих элементов, а фиксатор выполнен полым с конусной поверхностью внизу, выполненной с возможностью взаимодействия с хвостовиками, и жестко соединенным с кольцевым поршнем, при этом внутренняя полость кольцевого поршня или фиксатора ниже бокового отверстия выполнена сужающейся.
Недостатками данного расширителя являются:
- невозможность работы с долотом при одновременном бурении и расширении скважины, так как отсутствует подача промывочной жидкости на долото;
- недостаточный выход режущих элементов для расширения под обсадную колонну, обусловленный конструкцией расширителя;
- недолговечность инструмента, связанная с ненадежной и многоэлементной конструкцией узла стопора, которая сложна в изготовлении, сборке и приводит к его зашламовыванию;
- отсутствие направленной промывки на рабочую часть лопастей приводит к перегреву режущих элементов и их катастрофическому износу.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является расширитель (патент RU № 2612166, МПК Е21В 7/28, опубл. 02.03.2017 г., бюл. № 8), состоящий из корпуса со сквозными пазами, в которых на осях размещены лопасти, армированные твердым сплавом, подпружиненного поршня с центральным штоком и разжимным конусом на конце, входящим во взаимодействие с лопастями, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен кожухом с продольными окнами, выполненными симметрично сквозным пазам корпуса, и связан с ним резьбой, конусная поверхность снабжена кольцевым выступом, обращенным к кольцевой проточке в теле корпуса, и продольными пазами на конусной поверхности, выполненными симметрично продольным окнам кожуха, причем положение конусной поверхности зафиксировано стопором, связанным с центральным штоком, а лопасти выполнены с выступом и установлены с возможностью его торцового контакта с конусной поверхностью в продольных пазах и кожухом в крайнем положении лопастей.
Недостатками данной конструкции расширителя являются:
- невозможность осуществления одновременно бурения с расширением, так как кожух не предназначен для передачи крутящего момента при бурении долотом;
- отсутствие фиксатора лопастей в транспортном положении может привести к преждевременному раскрытию и заклиниванию лопастей при спускоподъемных операциях в процессе наращивания, что приведет к заклиниванию устройства и созданию аварийной ситуации;
- отсутствие фиксатора лопастей в рабочем положении может привести к невозможности получения расширенного ствола необходимого диаметра из-за пульсаций насоса, как следствие, возможно колебание лопастей;
- недолговечность породоразрушающих элементов, связанная с их перегревом из-за отсутствия подачи промывочной жидкости непосредственно в зону породоразрушающих элементов при разрушении породы;
- неоптимальная форма рабочей части лопастей, как следствие, высокий крутящий момент при расширении, износ породоразрушающих элементов.
Технической задачей предлагаемого устройства является создание надежной и долговечной конструкции расширителя для одновременного бурения и расширения на обсадной колонне за счет применения конструкции, позволяющей передавать крутящий момент от долота, фиксации лопастей в транспортном и рабочем положениях, а также обеспечения подачи промывочной жидкости непосредственно в зону породоразрушающих элементов при разрушении породы, позволяющей обеспечить ствол скважины строго необходимого диаметра при одновременном бурении и расширении на обсадной колонне.
Техническая задача решается расширителем для одновременного бурения и расширения на обсадной колонне, состоящим из корпуса со сквозными пазами, в которых на осях размещены лопасти, армированные твердым сплавом, подпружиненного поршня с центральным штоком и разжимным конусом на конце, входящим во взаимодействие с лопастями, выполненными с выступом и установленными с возможностью его контакта с поверхностью разжимного конуса.
Новым является то, что корпус выполнен заодно с муфтовой нижней резьбой и снабжен промывочными отверстиями, в которые установлены насадки, направленные на твердосплавные резцы лопастей в рабочем положении, поршень выполнен заодно с разжимным конусом и установлен так, что под действием перепада давления движется вниз относительно корпуса, на наружной поверхности поршня установлено стопорное кольцо, взаимодействующее с внутренней канавкой корпуса в рабочем положении, лопасти имеют режущий профиль, равномерно распределяющий нагрузку на резцы, и в верхней внутренней части снабжены хвостовиками, взаимодействующими с верхней торцевой поверхностью разжимного конуса и удерживающими лопасти в транспортном положении.
На фиг. 1 показан расширитель в транспортном положении, продольный разрез;
на фиг. 2 – в рабочем положении, продольный разрез;
на фиг. 3 – пример применения расширителя.
Расширитель для одновременного бурения и расширения на обсадной колонне, содержит корпус 1 (фиг. 1) со сквозными пазами 2, в которых на осях 3 размещены лопасти 4. Наружные поверхности лопастей 4 армированы твердосплавными резцами 5.  Внутри корпуса 1 расположен подпружиненный пружиной 6 поршень 7 с центральным штоком 8 и разжимным конусом 9, который входит в взаимодействие с выступом 10 (фиг. 2) лопастей 4.
Корпус 1 выполнен заодно с муфтовой нижней резьбой 11 и снабжен промывочными отверстиями 12, в которые установлены насадки 13, направленные на твердосплавные резцы 5 лопастей 4 в рабочем положении. Поршень 7 выполнен заодно с разжимным конусом 9 и установлен так, что под действием перепада давления движется вниз относительно корпуса 1. На наружной поверхности поршня 1 установлено стопорное кольцо 14, взаимодействующее с внутренней канавкой 15 корпуса 1 в рабочем положении. Лопасти 4 имеют режущий профиль 16, позволяющий равномерно распределить нагрузку на резцы 5. Лопасти 4 (фиг. 1) в верхней внутренней части снабжены хвостовиками 17, взаимодействующими с верхней торцевой поверхностью 18 разжимного конуса 9 и удерживающими лопасти 4 в транспортном положении.
Расширитель для одновременного бурения и расширения на обсадной колонне работает следующим образом.
Собирают компоновку – долото 19 (фиг. 3), расширитель, винтовой забойный двигатель 20, затем соединительный узел 21 бурового инструмента (например, пат. RU № 2663856, МПК Е21В 7/20, Е21В 7/28, опубл. 10.08.2018 г., бюл. № 22), который в свою очередь уже соединяется с обсадной колонной 22. В такой последовательности компоновку спускают в скважину для одновременного бурения и расширения.
Благодаря тому, что лопасти 4 в верхней внутренней части снабжены хвостовиками 17, взаимодействующими с верхней торцевой поверхностью 18 разжимного конуса 9 поршня 7, который подпружинен пружиной 6 вверх относительно корпуса 1, лопасти 4 удерживаются в транспортном положении в процессе спуска компоновки. Таким образом лопасти 4 в процессе спуска находятся в утопленном положении в пазах корпуса 1 и не препятствуют спуску компоновки.
Затем включают насос (на фиг. не показан), по обсадной колонне 22 (фиг. 3) прокачивают промывочную жидкость. Компоновка в это время находится на весу. В процессе прокачки промывочной жидкости через насадки долота 23 создается перепад гидравлического давления. В это время начинает вращаться забойный двигатель 20, поршень 7 сжимает пружину 6 и разжимной конус 9 поршня 7, наезжая на выступы 10 лопастей 4 выводит их в рабочее положение. Твердосплавные резцы 5 при этом врезаются в стенки скважины 24. После того как лопасти 4 полностью вышли в рабочее положение, начинают создавать осевую нагрузку на долото 19, при этом начинается процесс бурения скважины (диаметр D), а расширитель увеличивает диаметр скважины (диаметр D1). Промывочная жидкость, проходя через отверстия 12 (фиг. 2) и насадки 13, попадает на рабочую поверхность твердосплавных резцов 5, охлаждая и очищая их. Стопорное кольцо 14, расположенное на поршне 7 в рабочем положении, фиксируется в канавке 15, расположенной на внутренней поверхности корпуса 1 и фиксирует поршень 7 в этом положении, препятствуя перемещению поршня 7 от пульсации насоса (на фиг. не показан). Лопасти 4 при этом жестко зафиксированы в рабочем положении, что позволяет получить оптимальный диаметр скважины после расширения, позволяющий беспрепятственно спускать обсадную колонну 22.
После завершения одновременного бурения и расширения заданного интервала отключают буровой насос, под действием пружины 6 поршень 7 возвращается в исходное транспортное положение, и верхняя торцевая поверхностью разжимного конуса 9 поршня 7 зацепляется за хвостовики 17 лопастей 4 и возвращает лопасти 4 в пазы 2 корпуса 1.
Затем на колонне бурильных труб спускают инструмент, отсоединяют оборудование и извлекают на устье скважины, а обсадную колонну цементируют любым известным способом.
Благодаря тому, что лопасти имеют режущий профиль, который позволяет равномерно распределить нагрузку на резцы, значительно снижаются вибрации в сложных интервалах и сокращаются ударные нагрузки, что увеличивает их стойкость. Кроме того, обеспечивается ствол скважины после расширения без уступов и искривлений.
Предлагаемая конструкция расширителя для одновременного бурения и расширения на обсадной колонне является надежной и долговечной конструкцией за счет применения конструкции, позволяющей передавать крутящий момент на долото, фиксации лопастей в транспортном и рабочем положениях, а также обеспечения подачи промывочной жидкости непосредственно в зону породоразрушающих элементов при разрушении породы, позволяющей обеспечить ствол скважины строго необходимого диаметра при одновременном бурении и расширении на обсадной колонне.