Расширитель для бурения и расширения на обсадной колонне
REAMER FOR DRILLING AND REAMING ON CASING STRING

Изобретение относится к буровой технике нефтегазодобывающей промышленности, в частности к устройствам для увеличения диаметра скважины с одновременным бурением на обсадной колонне в заданном интервале.
Известен расширитель для одновременного бурения и расширения на обсадной колонне (патент RU №2719880, МПК Е21В 7/28, Е21В 7/20, Е21В 10/32, опубл. 23.04.2020 г., бюл. №12), 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, выполненными с выступом и установленными с возможностью его контакта с поверхностью разжимного конуса. 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, позволяющий равномерно распределить нагрузку на резцы, и в верхней внутренней части снабжены хвостовиками, взаимодействующими с верхней торцевой поверхностью разжимного конуса и удерживающими лопасти в транспортном положении.
Недостатками устройства являются:
- невозможность применять расширитель для управляемого бурения на обсадной колонне из-за его большой длины, так как большая вероятность слома вала забойного двигателя с углом перекоса, таким образом большая длина расширителя создает изгибающую циклическую нагрузку на вал забойного двигателя;
- возможность шламования надпоршневой полости и закисание поршня, из-за этого невозможность возврата поршня с конусом в транспортное положение после отключения насоса (как правило, пружина создает усилие до 150 кг), как следствие создание аварийной ситуации из-за невозможности извлечения расширителя и вместе с ним всей компоновки;
- при одновременном бурении и расширении из-за изменения расхода промывочной жидкости насоса не гарантировано раздвижение расширителя в рабочее положение и, как следствие, невозможность осуществлять процесс спуска обсадной колонны при одновременном бурении и расширении.
Расширитель для управляемого бурения и расширения на обсадной колонне (патент RU №2425944, МПК Е21В 7/28, опубл. 10.08.2011 г., бюл. №22), содержащий корпус с центральным проходным каналом и пазами, лопасти, снабженные хвостовиками и породоразрушающими элементами, закрепленные в пазах корпуса с возможностью выдвижения при взаимодействии с втулкой полого вала. Полый вал снабжен поршнем, размещенным в проходном канале корпуса, и вверху снабжен резьбой для соединения со скважинным оборудованием. Полый вал снабжен боковым отверстием и установлен с фиксацией от проворота относительно корпуса. Лопасти расширителя при спуске в скважину зафиксированы в рабочем положении срезными элементами, соединяющими корпус и полый вал с возможностью их разъединения после разрушения срезных элементов при натяжении полого вала относительно лопастей. Торцевая поверхность конической втулки полого вала, взаимодействуя с хвостовиками лопастей, переводит лопасти в транспортное положение. Нижняя часть полого вала в рабочем положении герметично вставлена в ответное отверстие в центральном проходном канале корпуса. Присоединительная резьба полого вала выполнена замковой для соединения с забойным двигателем, при этом ниже замковой резьбы выполнены пазы для свинчивания расширителя с забойным двигателем. Диаметр описанной окружности расширителя в рабочем положении на 40-60% больше диаметра его описанной окружности в транспортном положении, при этом длина расширителя до присоединительной резьбы составляет 2-2,5 диаметра расширителя в рабочем положении.
Недостатками устройства являются:
- ограниченная область применения, так как невозможно применять этот расширитель для одновременнного бурения и расширения на обсадной колонне при бурении бокового ствола, так как зафиксированный в рабочем положении расширитель не проходит в выфрезерованное окно обсадной колонны;
- износ расширителя в рабочем положении, как следствие уменьшение рабочего диаметра из-за контакта лопастей с полым валом по цилиндрической поверхности;
- из-за того, что многогранник полого вала в транспортном положении не взаимодействует с внутренним многогранником корпуса при выдвижении лопастей в рабочее положение полый вал может занять промежуточное положение и не выдвинуть лопасти в рабочее положение;
- из-за того, что нижняя часть полого вала в транспортном положении не герметизирует внутреннюю часть пазов, происходит их зашламовывание;
- из-за того, что лопасти расширителя выводятся в рабочее положение цилиндрической поверхностью втулки полого вала, значительно возрастает нагрузка на лопасти, что приводит к износу внутренней радиусной поверхности лопастей и втулки полого вала;
- большая длина расширителя в компоновке с долотом, что затрудняет управление траекторией при бурении.
Техническими задачами предлагаемого устройства являются создание надежной конструкции расширителя для бурения на обсадной колонне боковых стволов из обсадных колонн в компоновке с забойным двигателем и последующим извлечением бурильной компоновки, а также исключить ситуации, при которых расширитель не занял бы рабочее положение при работе, исключить преждевременный износ рабочих элементов расширителя и зашламовывание внутренней полости расширителя.
Технические задачи решаются расширителем для бурения и расширения на обсадной колонне, содержащим корпус с центральным проходным каналом и пазами, лопасти, снабженные хвостовиками и породоразрушающими элементами, закрепленные в пазах корпуса с возможностью выдвижения при взаимодействии с втулкой полого вала, полый вал снабжен поршнем, размещенным в проходном канале корпуса, и вверху снабжен резьбой для соединения со скважинным оборудованием, боковым отверстием и установлен с фиксацией от проворота относительно корпуса, при этом нижняя часть полого вала в рабочем положении герметично вставлена в ответное отверстие в центральном проходном канале корпуса.
Новым является то, что втулка полого вала выполнена многогранной таким образом, что выводит лопасти в рабочее положение при взаимодействии конической поверхности втулки полого вала с выступом лопастей на внутренней поверхности образованным радиусной вогнутой внутрь поверхностью и внутренней рабочей поверхностью лопастей, поршень полого вала выполнен заодно с валом, полый вал выполнен таким образом, что в транспортном положении его многогранный участок вставлен в многогранное отверстие корпуса, а нижняя часть полого вала в транспортном положении герметично вставлена в отверстие центрального проходного канала корпуса, верхняя часть лопастей снабжена упором, взаимодействующим с верхней поверхностью пазов корпуса в рабочем положении, кроме того, корпус в нижней части снабжен сменной бурильной головкой.
На фиг. 1 показан расширитель для управляемого бурения и расширения на обсадной колонне в рабочем положении.
На фиг. 2 показан расширитель для управляемого бурения и расширения на обсадной колонне в транспортном положении.
На фиг. 3 показан разрез А-А расширителя для управляемого бурения и расширения на обсадной колонне.
На фиг. 4 показан разрез Б-Б расширителя для управляемого бурения и расширения на обсадной колонне.
Расширитель для бурения и расширения на обсадной колонне, содержит корпус 1 (фиг. 1, 3) с центральным проходным каналом 2 и пазами 3, лопасти 4, снабженные хвостовиками 5 и породоразрушающими элементами 6, закрепленные в пазах 3 корпуса 1 с возможностью выдвижения при взаимодействии с втулкой 7 полого вала 8. Полый вал 8 снабжен поршнем 9, размещенным в проходном канале 2 корпуса 1, и вверху снабжен резьбой 10 для соединения с забойным двигателем. Полый вал 8 снабжен боковым отверстием 11 и установлен с фиксацией от проворота относительно корпуса 1 поверхностью 12 полого вала 8 и поверхностью 13 корпуса 1. Нижняя часть 14 полого вала 8 в рабочем положении герметично вставлена в ответное отверстие 15 в центральном проходном канале корпуса 2. Втулка 7 полого вала 8 выполнена многогранной (фиг. 4), таким образом, что выводит лопасти 4 в рабочее положение при взаимодействии конической поверхности 16 втулки 7 полого вала 8 с выступом 17 лопастей 4 на внутренней поверхности образованным радиусной вогнутой внутрь поверхностью 18 и внутренней рабочей поверхностью 19 лопастей 4. Поршень 9 полого вала 8 выполнен заодно с полым валом 8. Полый вал 8 выполнен таким образом, что в транспортном положении его многогранный участок 13 вставлен в многогранное отверстие 12 корпуса 1, а нижняя часть 14 полого вала 8 в транспортном положении герметично вставлена в отверстие 15 центрального проходного канала 2 корпуса 1. Верхняя часть лопастей 4 снабжена упором 20, взаимодействующим с верхней поверхностью 21 пазов 3 корпуса 1 в рабочем положении. Корпус 1 в нижней части снабжен сменной бурильной головкой 22.
Расширитель для бурения и расширения на обсадной колонне работает следующим образом.
Собирают компоновку - расширитель, винтовой забойный двигатель с углом перекоса для управляемого бурения, телесистема, затем соединительный узел 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 (на фиг. не показаны). Благодаря тому, что корпус 1 в нижней части снабжен сменной бурильной головкой удалось значительно сократить длину расширителя. Компоновку спускают в скважину, в частности в боковой ствол. При этом благодаря тому, что расширитель в транспортном положении он проходит через ранее вырезанное окно в колонне. Включают буровой насос и создают перепад давления, при этом через отверстие 11 промывочная жидкость попадает в гидрокамеру 23 (фиг. 2). При этом, корпус 1 перемещается вверх относительно полого вала 8 и выводит лопасти 4 в рабочее положение при взаимодействии конической поверхности 16 втулки 7 полого вала 8 с выступом 17 лопастей 4 на внутренней поверхности образованным радиусной вогнутой внутрь поверхностью 18 и внутренней рабочей поверхностью 19 лопастей 4. Благодаря этому, нагрузка на внутреннюю поверхность плашек значительно снижена, что исключает преждевременный износ втулки полого вала 7 и внутренних поверхностей 18 и 19 лопастей 4. При этом, начинает вращаться винтовой забойный двигатель и начинают процесс одновременного бурения и расширения. Благодаря тому, что втулка 7 полого вала 8 выполнена многогранной в рабочем положении лопасти 4 контактируют плоским выступом 19 с гранями втулки 7 что, значительно увеличивает ресурс расширителя за счет снижения износа в месте контакта, кроме того, за счет того, что верхняя часть лопастей 4 снабжена упором 20, взаимодействующим с верхней поверхностью 21 пазов 3 корпуса 1 в рабочем положении снимается нагрузка на оси 24 лопастей 4. Благодаря тому, что полый вал 8 выполнен таким образом, что в транспортном положении его многогранный участок 13 вставлен в многогранное отверстие 12 корпуса 1 исключаются ситуации, при которых расширитель не занял бы рабочее положение при работе. Благодаря тому, что нижняя часть 14 полого вала 8 в транспортном положении герметично вставлена в отверстие 15 центрального проходного канала 2 корпуса 1 значительно снижена вероятность шламования внутренней полости расширителя.
По достижении проектного забоя производят промывку скважины и буровой насос отключают. Затем на колонне бурильных труб спускают инструмент, фиксирующийся за извлекаемую часть соединительного узла. Подъёмную компоновку извлекают на устье скважины, а обсадную колонну цементируют любым известным способом.
Предлагаемый расширитель является надежной конструкцией для бурения на обсадной колонне боковых стволов из обсадных колонн в компоновке с забойным двигателем и последующим извлечением бурильной компоновки, а также позволяет исключить ситуации, при которых расширитель не занял бы рабочее положение при работе, а также исключить преждевременный износ рабочих элементов расширителя и зашламовывание внутренней полости расширителя.