Комбинированный расширитель

Полезная модель относится к горной и строительной промышленности, в частности для бестраншейной прокладки трубопроводов в абразивных породах повышенной крепости, и может быть использована в расширителях при проходке горизонтально-направленных скважин методом обратного расширения с протягиванием трубопровода.
Известен кольцеобразный расширитель, включающий трубчатый цилиндрический корпус, на переднем торце которого закреплены породоразрушающие вставки с прерывистым армированием, который жестко связан с полым валом посредством радиально расположенных опорных спиц, установленных с образованием между ними шламоотводящих окон, промывочные сопла (Patent US №6789635, МПК Е21В 7/08, 14.09.2014).
Недостаток данного технического решения заключается в низкой эффективности расширения абразивных пород повышенной крепости из-за того, что его породоразрушающие вставки выполнены из твердосплавных элементов, рациональная область применения которых при бурении резанием ограничивается породами средней крепости, поэтому бурение пород повышенной крепости будет осложнено вследствие преждевременного износа породоразрушающих вставок, снижения скорости бурения и производительности. Кроме того, опорные спицы данного расширителя снабжены большим количеством породоразрушающих вставок, разрушающих породу по всей площади забоя, что предопределяет потребность в существенном увеличении усилия подачи и крутящего момента, а следовательно, и энергоемкости процесса расширения скважины. При этом отсутствие выступа породоразрушающих вставок за боковую наружную поверхность трубчатого цилиндрического корпуса предопределяет наличие значительной площади контакта всей боковой наружной поверхности трубчатого цилиндрического корпуса расширителя со стенками скважины, что приводит к увеличению площади трения и, как следствие, к значительным потребным усилиям подачи. Кроме того, после данного кольцевого расширителя в целях зачистки скважины и создания «подушки» для трубопровода требуется дополнительное протягивание бурильной колонны с уплотняющим расширителем.
Также широко известен расширитель уплотняющий типа «бочка», содержащий центральный полый вал с передним и задним элементами крепления и пустотелый цилиндрический корпус, оснащенный породоразрушающими вставками на передней части, промывочные сопла (REAMERS-BARREL-Page1.www/borestore.com/barrel).
Недостаток данного технического решения заключается в непригодности использования последнего на абразивных породах повышенной крепости, поскольку данные расширители изготавливаются пустотелыми из листовой стали, подверженной быстрому истиранию, деформациям и имеют плоскую режущую часть не для резания массива, а для измельчения комковатых грунтов перед уплотнением. При этом до применения расширителей данного типа также требуется предварительное протягивание бурильной колонны для расширения ствола скважины режущими расширителями большего диаметра.
Наиболее близким техническим решением является комбинированный расширитель, содержащий полый вал с соединительными элементами на концах, на котором закреплен передний режущий узел, в виде кольцеобразного расширителя, включающего трубчатый цилиндрический корпус, на переднем торце которого закреплены породоразрушающие вставки с прерывистым армированием, выступающие за боковые наружную и внутреннюю поверхности цилиндрического корпуса, который жестко связан с полым валом посредством радиально расположенных опорных спиц, установленных с образованием между ними шламоотводящих окон, задний уплотняющий узел с диаметром менее диаметра режущего узла, промывочные сопла (Комбинированный расширитель для ГНБ. ТехСервисГНБ.www.tsgnb.ru). Данное техническое решение позволяет производить расширение скважины, уплотнение ее стенок и протягивание трубопровода за один проход бурильной колонны, что существенно снижает сроки и себестоимость бестраншейной прокладки трубопровода.
Недостаток данного технического решения заключается в низкой эффективности расширения скважин в абразивных породах повышенной крепости из-за того, что все его породоразрушающие вставки выполнены из твердосплавных элементов, рациональная область применения которых при бурении резанием ограничивается породами средней крепости, поэтому бурение абразивных пород повышенной крепости будет осложнено вследствие преждевременного износа породоразрушающих вставок, снижения скорости бурения и производительности. При этом наличие сплошного трубчатого цилиндрического корпуса предопределяет значительные площади контакта всей боковой наружной поверхности трубчатого цилиндрического корпуса расширителя со стенками скважины при его вращении, что приводит к увеличению площади трения и, как следствие, к росту потребного крутящего момента. Кроме того, опорные спицы данного расширителя также снабжены большим количеством породоразрушающих вставок, разрушающих породу по всей площади забоя, что предопределяет потребность в существенном увеличении усилия подачи и крутящего момента, а следовательно, и энергоемкости процесса расширения скважины в крепких породах. Помимо этого, отсутствие промывочных сопел на боковой наружной поверхности трубчатого цилиндрического корпуса (особенно в задней его части, не имеющей породоразрушающих вставок) ухудшает условия размыва стенок скважины и смазки этой части трубчатого цилиндрического корпуса промывочной жидкостью.
Полезная модель направлена на повышение эффективности горизонтально-направленного бурения абразивных пород повышенной крепости при проходке горизонтально-направленных скважин методом обратного расширения с протягиванием трубопровода, которая достигается за счет того, что в комбинированном расширителе, содержащем полый вал с соединительными элементами на концах, на котором закреплен передний режущий узел, в виде кольцеобразного расширителя, включающего трубчатый цилиндрический корпус, на переднем торце которого закреплены породоразрушающие вставки с прерывистым армированием, выступающие за боковые наружную и внутреннюю поверхности цилиндрического корпуса, который жестко связан с полым валом посредством радиально расположенных опорных спиц, установленных с образованием между ними шламоотводящих окон, задний уплотняющий узел с диаметром менее диаметра режущего узла, промывочные сопла, трубчатый цилиндрический корпус разделен на секторы прямолинейными, наклонными в сторону вращения, сквозными вырезами с шириной, обеспечивающей постоянный линейный контакт секторов со стенками скважины в любом продольном сечении трубчатого цилиндрического корпуса, при этом на каждом из секторов последовательно и парами закреплены породоразрушающие вставки, выполненные соответственно из твердосплавных и алмазно-твердосплавных круглых пластин равного диаметра и выступающих соответственно попарно за наружную и внутреннюю боковые поверхности трубчатого цилиндрического корпуса, причем алмазно-твердосплавные пластины размещены с опережением твердосплавных пластин к торцевой поверхности забоя, а тело опорных спиц выполнено в виде прямого параллепипеда, у которого противоположные грани размещены параллельно сторонам сквозных вырезов трубчатого цилиндрического корпуса, при этом опорные спицы смещены к заднему торцу трубчатого цилиндрического корпуса с образованием керновой полости между торцевой поверхностью забоя и плоскостью передней поверхности опорных спиц, а на внутренней боковой поверхности секторов трубчатого цилиндрического корпуса перед плоскостью передней поверхности опорных спиц перпендикулярно продольной оси полого вала, закреплены твердосплавные штыри. При этом задний уплотняющий узел выполнен в виде режуще-уплотняющего расширителя. Причем закрепленные на переднем торце цилиндрического корпуса породоразрушающие вставки имеют отрицательные передние углы к торцевой поверхности забоя, при этом закрепленные на каждом из секторов пары породоразрушающих вставок, выступающие за боковую наружную поверхность трубчатого цилиндрического корпуса, имеют отрицательные передние углы в плане к внешней боковой поверхности резания, а последовательно размещенные за ними пары породоразрушающих вставок, выступающие за боковую внутреннюю поверхность трубчатого цилиндрического корпуса, имеют отрицательные передние углы в плане к внутренней боковой поверхности резания. Кроме того, на периферии наружной боковой поверхности секторов трубчатого цилиндрического корпуса параллельно сторонам его сквозных вырезов образованы с выходом к заднему торцу трубчатого цилиндрического корпуса открытые пазы со скругленными торцами, в дне которых выполнены промывочные сопла, связанные с полым валом комбинированного расширителя посредством радиальных отверстий, выполненных в теле опорных спиц. Кроме того, на полом валу комбинированного расширителя радиально размещены промывочные сопла, ориентированные на породоразрушающие вставки, закрепленные на переднем торце трубчатого цилиндрического корпуса. Кроме того, полый вал комбинированного расширителя выполнен разъемным и содержит между кольцеобразным и режуще-уплотняющим расширителями замковое соединение.
Указанный комбинированный расширитель позволяет повысить эффективность горизонтально-направленного бурения абразивных пород повышенной крепости при проходке горизонтально-направленных скважин методом обратного расширения с протягиванием трубопровода.
Разделение сквозными вырезами на секторы трубчатого цилиндрического корпуса позволяет уменьшить площадь контакта и соответственно площадь трения его боковой наружной поверхности со стенками скважины при его вращении и снизить потребный крутящий момент.
Выполнение сквозных вырезов прямолинейными, наклонными в сторону вращения с шириной, обеспечивающей постоянный линейный контакт секторов со стенками скважины в любом продольном сечении трубчатого цилиндрического корпуса, дополнительно открывает шламоотводящие окна в сторону стенок скважины для пропуска бурового шлама, способствует стабилизации расширителя вокруг оси вращения (предотвращает его рывки и зарезание в стенки скважины не защищенных сторон вырезов) и обеспечивает более плавное «ввинчивание» расширителя в скважину.
Выполнение породоразрушающих вставок из твердосплавных в комбинации с алмазно-твердосплавными пластинами позволяет существенно повысить износостойкость кольцеобразного расширителя, за счет наличия алмазно-твердосплавных пластин, и скорость бурения при проходке абразивных пород повышенной крепости.
Закрепление породоразрушающих вставок из твердосплавных и алмазно-твердосплавных круглых пластин равного диаметра последовательно и парами, а также их выступ, соответственно попарно, за наружную и внутреннюю боковые поверхности трубчатого цилиндрического корпуса позволяет обеспечить вписываемость твердосплавной пластины в прорезаемую канавку от алмазно-твердосплавной пластины и предохранить твердосплавную пластину от преждевременного износа.
Размещение алмазно-твердосплавных пластин с опережением твердосплавных пластин к торцевой поверхности забоя позволяет обеспечить эффективное вырезание опережающего забоя именно режущими алмазно-твердосплавными пластинами и исключить из процесса активного разрушения абразивной породы повышенной крепости менее износостойкие твердосплавные пластины. Такое опережение твердосплавных породоразрушающих вставок придает им функции зачистки забоя и стабилизации кольцеобразного расширителя на забое, защиты (ограничения) от проваливания в трещины алмазно-твердосплавных пластин.
Выполнение тела опорных спиц в виде прямого параллепипеда, как стандартной фигуры, обеспечивает технологичность опорных спиц при изготовлении и позволяет обеспечить их прочность, т.к. их тело размещается перпендикулярно (а не наклонно) полому валу расширителя. При этом наличие наклонных параллельных противоположных граней параллепипеда позволяет использовать последние в виде транспортирующих лопастей.
Размещение противоположных граней тела опорных спиц параллельно сторонам сквозных (наклонных) вырезов трубчатого цилиндрического корпуса придает конструкции технологичность при сборке расширителя и также способствует улучшению условий транспортирования бурового шлама через шламоотводящие окна.
Смещение опорных спиц к заднему торцу трубчатого цилиндрического корпуса с образованием керновой полости между торцевой поверхностью забоя и плоскостью передней поверхности опорных спиц позволяет производить бурение абразивных пород повышенной крепости не сплошным забоем, а кольцевым, что способствует повышению скорости проходки, снижает потребные усилия подачи и, в целом, энергоемкость разрушения забоя.
Закрепление на внутренней боковой поверхности секторов трубчатого цилиндрического корпуса перед плоскостью передней поверхности опорных спиц перпендикулярно продольной оси полого вала твердосплавных штырей придает им функции керноскалывателя, что также способствует разрушению абразивных пород повышенной крепости известным менее энергоемким способом.
Выполнение заднего уплотняющего узла комбинированного расширителя в виде именно режуще-уплотняющего расширителя, который для пород повышенной крепости изготавливается монолитным или наборным из толстостенных пластин, позволяет производить не только надежное измельчение крупных фракций породы, поступающей от режущего узла, но и уплотнять стенки скважины.
Закрепление на переднем торце цилиндрического корпуса породоразрушающих вставок под отрицательными передними углами к торцевой поверхности забоя, а также закрепление на каждом из секторов попарно породоразрушающих вставок, выступающих за боковую наружную поверхность трубчатого цилиндрического корпуса под отрицательным передним углом в плане к внешней боковой поверхности резания, а последовательно размещенных за ними пары породоразрушающих вставок, выступающих за боковую внутреннюю поверхность трубчатого цилиндрического корпуса под отрицательным передним углом в плане к внутренней боковой поверхности резания, позволяет существенно повысить износостойкость породоразрушающих вставок при проходке абразивных пород повышенной крепости.
Выполнение промывочных сопел на периферии наружной боковой поверхности секторов трубчатого цилиндрического корпуса способствует размыву стенок скважины именно в задней, активно взаимодействующей со стенками скважины, части наружной боковой поверхности секторов, обеспечивает ее смазку и приводит к снижению потребных усилий подачи и крутящего момента.
Выполнение промывочных сопел именно в дне (а не на просто боковой наружной поверхности секторов) открытых пазов со скругленными торцами позволяет отвести промывочные сопла от прямого контакта со стенками скважины, предотвратить прямое забивание промывочных сопел буровым шламом.
Выполнение открытых пазов параллельно сторонам сквозных вырезов трубчатого цилиндрического корпуса с выходом к его заднему торцу позволяет обеспечить технологичность при изготовлении последнего и в случае плотного контакта боковой наружной поверхности секторов со стенками скважины или износа (затирания) скругленных торцов открытого паза способствует выходу промывочной жидкости в зону транспортирования бурового шлама.
Выполнение радиальных отверстий, связывающих промывочные сопла с полым валом расширителя именно в теле (а не через отдельно смонтированные трубки) опорных спиц, обеспечивает надежность доставки промывочной жидкости к промывочным соплам и технологичность при изготовлении.
Размещение на полом вале комбинированного расширителя радиальных промывочных сопел, ориентированных на породоразрушающие вставки, закрепленные на переднем торце трубчатого цилиндрического корпуса, позволяет производить охлаждение и смазку породоразрушающих вставок, что повышает их износостойкость и способствует размыву породы.
Выполнение полого вала комбинированного расширителя разъемным и содержащим между кольцеобразным и режуще-уплотняющим расширителями замковое соединение обеспечивает ремонтопригодность при замене или ремонте одного из узлов и придает конструкции комбинированного расширителя универсальность при возможном поэтапном расширении горизонтально-направленных скважин.
На фиг. 1 показан общий вид комбинированного расширителя; на фиг. 2 показан вариант исполнения комбинированного расширителя; на фиг. 3 показан разрез по А-А на фиг. 1; на фиг. 4 показан разрез по Б-Б на фиг. 1; на фиг. 5 показан разрез по В-В на фиг. 3; на фиг. 6 показан вид Г на фиг. 3; на фиг. 7 показана схема установки породоразрушающих вставок к внешней и внутренней боковым поверхностям резания; на фиг. 8 показана схема установки породоразрушающих вставок к торцевой поверхности забоя; на фиг. 9 показана схема формирования стенок скважины при использовании комбинированного расширителя.
Комбинированный расширитель содержит полый вал 1 с соединительными элементами 2 на концах, на котором закреплен передний режущий узел 3, в виде кольцеобразного расширителя 4, включающего трубчатый цилиндрический корпус 5, на переднем торце 6 которого закреплены породоразрушающие вставки 7 с прерывистым армированием, выступающие за боковые наружную 8 и внутреннюю 9 поверхности цилиндрического корпуса 5, который жестко связан с полым валом 1 посредством радиально расположенных опорных спиц 10, установленных с образованием между ними шламоотводящих окон 11, задний уплотняющий узел 12 с диаметром менее диаметра режущего узла 3, промывочные сопла 13. Трубчатый цилиндрический корпус 5 разделен на секторы 14 прямолинейными, наклонными в сторону вращения, сквозными вырезами 15 с шириной, обеспечивающей постоянный линейный контакт секторов 14 со стенками скважины в любом продольном сечении трубчатого цилиндрического корпуса 5, открывающими дополнительно шламоотводящие окна 11 в сторону боковых стенок забоя. На каждом из секторов 5 последовательно и парами закреплены породоразрушающие вставки 7, выполненные соответственно из твердосплавных 16 и алмазно-твердосплавных 17 круглых пластин равного диаметра и выступающих соответственно попарно за наружную 8 и внутреннюю 9 боковые поверхности трубчатого цилиндрического корпуса 5, причем алмазно-твердосплавные пластины 17 размещены с опережением (Δ) твердосплавных пластин 16 к торцевой поверхности забоя. При бурении абразивных крепких пород в режиме известного алмазного «микрорезания» это опережение (Δ) может быть 1,5-2 мм, а при бурении пород невысокой крепости при работе породоразрушающих вставок 7 в режиме «чистого» резания это опережение Δ может быть больше. Тело 18 опорных спиц 10 выполнено в виде прямого параллепипеда, у которого боковые противоположные грани 19, 20 размещены параллельно сторонам 21 сквозных вырезов 15 трубчатого цилиндрического корпуса 5, при этом опорные спицы 10 смещены к заднему торцу 22 трубчатого цилиндрического корпуса 5 с образованием керновой полости между торцевой поверхностью забоя и плоскостью передней поверхности 23 опорных спиц 10. На внутренней боковой поверхности 9 секторов 14 трубчатого цилиндрического корпуса 5 перед плоскостью передней поверхности 23 опорных спиц 10 перпендикулярно продольной оси полого вала 1 закреплены твердосплавные штыри 24. Задний уплотняющий узел 12 выполнен в виде режуще-уплотняющего расширителя 25. Закрепленные на переднем торце 6 цилиндрического корпуса 5 породоразрушающие вставки 7 имеют отрицательные передние углы (β) к торцевой поверхности забоя, при этом закрепленные на каждом из секторов 14 пары породоразрушающих вставок 16, 17, выступающие за боковую наружную поверхность 8 трубчатого цилиндрического корпуса 5, имеют отрицательные передние углы в плане (β1) к внешней боковой поверхности резания, а последовательно размещенные за ними пары породоразрушающих вставок 16, 17, выступающие за боковую внутреннюю поверхность 9 трубчатого цилиндрического корпуса 5 имеют отрицательные передние углы в плане (β2) к внутренней боковой поверхности резания. На периферии наружной боковой поверхности 8 секторов 14 трубчатого цилиндрического корпуса 5 параллельно сторонам 21 его сквозных вырезов 15 образованы с выходом к заднему торцу 22 трубчатого цилиндрического корпуса 5 открытые пазы 26 со скругленными торцами 27, в дне 28 которых выполнены промывочные сопла 29, связанные с полым валом 1 комбинированного расширителя посредством радиальных отверстий 30, выполненных в теле 18 опорных спиц 10. А на самом полом вале 1 комбинированного расширителя радиально размещены промывочные сопла 13, ориентированные на породоразрушающие вставки 7, закрепленные на переднем торце 6 трубчатого цилиндрического корпуса 5. При этом полый вал 1 комбинированного расширителя может быть выполнен разъемным и содержать между кольцеобразным 4 и режуще-уплотняющим 25 расширителями замковое соединение 31.
Предлагаемый комбинированный расширитель работает следующим образом. После прохождения пилотной скважины передний соединительный элемент 2 полого вала 1 комбинированного расширителя присоединяется к аналогичному соединительному элементу 2 стабилизатора бурильной колонны, находящейся в скважине. К заднему соединительному элементу 2 комбинированного расширителя через специальное отдельное устройство-вертлюг (не показан) либо к этому же соединительному элементу 2, которое может уже принадлежать вертлюгу, устроенному в заднюю часть режуще-уплотняющего расширителя 25, присоединяется трубопровод. После этого комбинированному расширителю передаются рабочие нагрузки (крутящий момент и усилие подачи/протягивания) и по мере заглубления в скважину по бурильным трубам через полый вал 1 к соплам 13 и 29 переднего режущего узла 3, выполненного в виде кольцеобразного расширителя 4, и к соплам 13 заднего уплотняющего узла 12, выполненного в виде режуще-уплотняющего расширителя 25, подается промывочная жидкость с бентонитом для предварительного разрушения грунта, выноса бурового шлама, смазывания и последующего закрепления стенок скважины. При этом промывочная жидкость из полого вала 1 по радиальным отверстиям 30, выполненным в теле 18 опорных спиц 10, поступает к промывочным соплам 29, размещенным на периферии наружной боковой поверхности 8 секторов 14 трубчатого цилиндрического корпуса 5, и не только снижает силы трения, но и обеспечивает отвод бурового шлама к уплотняющему узлу 12. Размещение промывочных сопел 29 в дне 28 скругленного торца 27 открытого паза 26, выходящего к заднему торцу 22 трубчатого цилиндрического корпуса 5 и выполненного параллельно сторонам 21 его сквозных вырезов 15, позволяет предотвратить забивание промывочных сопел 29 буровым шламом, предохраняет их от преждевременного износа и способствует при необходимости проходу промывочной жидкости по открытому пазу 26 к заднему торцу 22 трубчатого цилиндрического корпуса 5 и далее к режуще-уплотняющему расширителю 25.
При бурении абразивных пород повышенной крепости породоразрушающие вставки кольцеобразного расширителя 4, выполненные из режущих алмазно-твердосплавных пластин 17, имеющие отрицательные передние углы (β) к торцевой поверхности забоя и соответственно к внешней (β1) и внутренней (β2) боковым поверхностям резания, обладая высокой износостойкостью и прочностью, а также за счет наличия опережения (Δ) твердосплавных породоразрушающих вставок 7 к торцевой поверхности забоя, эффективно вырезают кольцевой опережающий забой, предохраняя твердосплавные породоразрушающие вставки 16 от преждевременного износа. При этом твердосплавные породоразрушающие вставки 16 за счет обеспечения их вписываемости в прорезаемые канавки от алмазно-твердосплавных вставок 17 не только осуществляют зачистку забоя скважины, но и способствуют стабилизации комбинированного расширителя на забое, предотвращая проваливание в трещины алмазно-твердосплавных вставок 17. За счет смещения опорных спиц 10 к заднему торцу 22 трубчатого цилиндрического корпуса 5 с образованием керновой полости между торцевой поверхностью забоя и плоскостью передней поверхности 23 опорных спиц 10 бурение абразивных пород повышенной крепости производится не сплошным забоем, а кольцевым, что способствует повышению скорости проходки, снижает потребные усилия подачи и, в целом, энергоемкость разрушения забоя. По мере достижения образующимся керном породы в керновой полости твердосплавных штырей 24, расположенных на внутренней боковой поверхности секторов 14 трубчатого цилиндрического корпуса 5, перед плоскостью передней поверхности 23 опорных спиц 10 перпендикулярно продольной оси полого вала 1 происходит раскалывание керна породы на более крупные куски, которые легко транспортируются через шламовые окна 11, увеличенные за счет наличия прямолинейных, наклонных в сторону вращения сквозных вырезов 15 и за счет наличия аналогично наклонных боковых противоположных граней 19, 20 тела 18 опорных спиц 10, выполненных в виде параллепипеда. Далее буровой шлам поступает к уплотняющему узлу 12, выполненному в виде режуще-уплотняющего расширителя 25, который не только измельчает крупные куски породы до условного диаметра, соизмеримого с разницей в диаметрах режущего 3 и уплотняющего 12 узлов комбинированного расширителя, но и уплотняет стенки скважины, облегчая тем самым процесс протягивания трубопровода.
Вышеуказанный комбинированный расширитель позволяет повысить эффективность горизонтально-направленного бурения абразивных пород повышенной крепости при проходке горизонтально-направленных скважин методом обратного расширения с протягиванием трубопровода.