Скважинный расширитель раздвижной

Полезная модель относится к области бурения, текущего и капитального ремонта нефтяных и газовых скважин, а именно к породоразрушающему инструменту для расширения скважин.
Известен раздвижной расширитель открытого ствола скважины, содержащий корпус, включающий переводник, патрубок, раздвижные подвижные элементы, шарнирно установленные в продольных пазах корпуса с ограничительными уступами, поршень на подвижном пустотелом штоке с блокирующим кольцевым утолщением на наружной поверхности и струйной насадкой. Причем корпус снабжен нижним направляющим патрубком, в днище которого размещена струйная насадка. В цилиндрической расточке нижнего направляющего патрубка установлен поршень с выполненными по периметру продольными каналами, в которых размещены дополнительные струйные насадки. Шток подпружинен относительно переходника. (Патент № 2299303, МПК E21B 7/28 от 20.05.2007 г.).
Недостатками данного устройства являются:
- нет никакой фиксации лопастей в транспортном положении, т.е. при прохождении участков ствола скважин, наклон которых хотя бы на несколько градусов будет отличаться от вертикали, одна или две лопасти, под действием силы тяжести будут самопроизвольно открываться и  мешать спуску расширителя, цепляясь за неровности профиля ствола скважины при спуске в не обсаженном стволе, а также за уступы во внутренней полости обсадной колонны;
- складывание лопастей в транспортное положение должно происходить только за счет того, что пространство под лопастями освобождается от кольцевого утолщения, поэтому очень высока вероятность невозвращения лопастей в транспортное положение
- конструктивное исполнение, согласно приложенной в патенте схемы, не позволяет добиться большого диапазона раскрытия лопастей, т.к. кольцевое утолщение, выступающее в роли выдвигающего элемента, в транспортном положении полностью находится в нижней части корпуса, а следовательно ограничивается внутренним диаметром корпуса, и выдвижение лопастей происходит по наружной поверхности лопастей;
- направляющий патрубок фиксируется к корпусу только с помощью резьбового соединения, следовательно, высока вероятность его самопроизвольного отворота в процессе работы;
- конструкция не предусматривает возможности продолжения КНБК, то есть невозможно использование расширителя совместно с долотом.
Известен расширитель, 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 взаимодействием с лопастями, 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 (Патент № 2612166, МПК E21B 7/28 от 02.03.2017г.).
Недостатками данного устройства являются:
- нет никакой фиксации лопастей в транспортном положении, т.е. при прохождении участков ствола скважин, наклон которых хотя бы на несколько градусов будет отличаться от вертикали, одна или две лопасти, под действием силы тяжести будут самопроизвольно открываться, и с большей долей вероятности мешать спуску расширителя, цепляясь за неровности профиля ствола скважины при спуске в не обсаженном стволе, а также за уступы во внутренней полости обсадной колонны;
- складывание лопастей в транспортное положение должно происходить только за счет того, что пространство под лопастями освобождается от кольцевого утолщения, поэтому очень высока вероятность невозвращения лопастей в транспортное положения, в следствии таких факторов как "прикипание" лопастей в процессе работы, зашламование пространства вокруг лопастей, образование сальника и т.д.;
- согласно приложенной в патенте схемы, крайнее положение лопасти в рабочем положении фиксируется упором лопасти в кожух, и, учитывая большой угол раскрытия лопастей, в процессе эксплуатации этот кожух будет деформироваться, тем самым увеличивая угол раскрытия лопастей, что может привести к возникновению аварийных ситуаций, связанных с заклиниванием лопастей в рабочем положении.
Известен расширитель скважин, содержащий корпус с наклонными пазами снаружи и размещенным в нем штоком, взаимодействующий со штоком поршень, который выполнен кольцевым и размещен в камере, образованной наружной стенкой штока и внутренней стенкой корпуса, закрепленные в наклонных пазах корпуса и соединенные шарнирно посредством тяг с поршнем лапы с резцами на рабочей поверхности, и нижний переводник с внутренним сужающимся каналом, соединенный снизу с корпусом. Поршень снизу оборудован полой втулкой с боковыми каналами, ниже которых внутри полой втулки выполнено сужение и цилиндрическая наружная поверхность, которая выполнена с возможностью скользящего взаимодействия с сужающимся каналом нижнего переводника и с возможностью выхода из этого сужающегося канала при перемещении поршня вверх относительно корпуса. Лапы с рядами резцов расположены равномерно по периметру корпуса и размещены с расстоянием по периметру между лапами, как минимум в два раза превосходящим ширину лап, обеспечивающим зазор между ними, стенками скважины и корпусом в рабочем положении для создания скорости подъема жидкости, достаточной для выноса шлама из этих зазоров и охлаждения резцов. (Патент № 2496962, МПК E21B 7/28 от 27.10.2013г.).
Недостатками данного устройства являются:
- большое количество шарнирных соединений, участвующих в процессе выдвижения лопастей (по 2 на каждую лопасть) - это значительно увеличивает вероятность невозврата лопастей в транспортное положение вследствие повреждения шарнирного соединения в процессе работы;
- конструктивное исполнение, согласно приложенной в патенте схемы, не позволяет добиться большого диапазона раскрытия лопастей, т.к. лопасти выдвигаются по наклонным пазам, которые не могут быть выполнены под большим углом, т.к. это значительно увеличит необходимое для выдвижения усилие.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является расширитель раздвижной состоящий из корпуса, внутри которого расположен толкатель с навернутым на него поршнем, сжимающим пружину, и твердосплавной втулкой, зафиксированной крышкой, на котором навернуты нижний и верхний центраторы и закреплены лопасти, оснащенные PDC резцами. Корпус дополнительно содержит выступ для фиксации лопастей в открытом положении, а также упор для поршня, снижающий воздействие давления промывочной жидкости на зубчатое зацепление лопастей с толкателем (Патент № 181505, МПК E21B 7/28 от 17.07.2018 г.).
Недостатками данного устройства являются:
- выдвижение лопастей под 90 градусов вносит значительные ограничения в условия эксплуатации – ограничивается допустимая нагрузка, применение возможно только в мягких горных породах, не допускается применение в горизонтальных участках скважины;
- отсутствует возможность установки ниже расширителя дополнительных элементов КНБК и долота;
- низкая скорость расширения за счет расположения лопастей перпендикулярно плоскости резания горной породы.
Технический результат скважинного раздвижного расширителя заключается в увеличении ресурса при улучшении эксплуатационно-технических характеристик.
Задачей предлагаемой полезной модели является создание простой конструкции с высокой скоростью расширения, высокой надежностью механизма выдвижения лопастей  и длительной эксплуатацией, а также возможностью работы в горных породах любой твердости и наклонно-направленных скважинах.
Поставленные задачи решают с помощью скважинного расширителя раздвижного, включающего корпус, внутри которого расположен толкатель с навернутым на него поршнем, сжимающим пружину и твердосплавной втулкой, зафиксированной крышкой, на котором навернут верхний центратор, имеется упор для поршня и закреплены лопасти, оснащенные PDC пластинами, согласно полезной модели, на корпус навернут нижний переводник, снабженный фиксатором, закрепленным стопорами для предотвращения самопроизвольного отворота, лопасти крепятся с помощью пальцев в пазах корпуса и выполнены с выборкой во внутренней части, на толкателе установлены выдвигающие элементы, закрепленные винтами, при этом нижний переводник, толкатель и фиксатор выполнены со сквозными центральными гидравлическими каналами округлой формы диаметром 0,05-0,3 от диаметра корпуса расширителя.
Сущность технического решения поясняется чертежами:
На фиг. 1 изображен общий вид скважинного расширителя раздвижного в сложенном состоянии, на фиг. 2 – общий вид скважинного расширителя раздвижного при выдвижении лопастей в рабочем положении.
Скважинный расширитель раздвижной состоит из корпуса 1, внутри которого расположен толкатель 2. На корпус 1 навернуты нижний переводник 3 и верхний центратор 4. На верхнем центраторе 4 выполнена замковая резьба 5 для крепления скважинного расширителя раздвижного к колонне бурильных труб (на фигурах не показана). Нижний переводник 3 удерживается от самопроизвольного отворота фиксатором 6, который установлен в корпусе 1 и фиксируется стопором 7. На толкатель 2 навернут поршень 8, сжимающий пружину 9, в толкатель 2 вставлена твердосплавная втулка 10, зафиксированная крышкой 11. В пазах корпуса 1 с помощью пальцев 12 закрепляют лопасти 13, армированные PDC пластинами и наплавленные твердосплавным материалом. Корпус лопастей 13 выполнен с выборкой 14 во внутренней части. На толкателе 2 установлены выдвигающие элементы 15, закрепленные винтами 16. Взаимодействие выдвигающих элементов 15 и выборки 14 на лопастях 13 позволяет надежно фиксировать лопасть в транспортном положении и добиваться угла выдвижения лопасти от 0 до 30 градусов в рабочем положении. Корпус 1 выполнен с упором 17 для поршня 8 для исключения воздействия давления промывочной жидкости на лопасти 13 с выдвигающими элементами 15 во время расширения. Толкатель 2, фиксатор 6 и нижний переводник 3 выполнены со сквозными центральными гидравлическими каналами 18, 19 и 20, соответственно, округлой формы диаметром 0,05-0,3 от диаметра корпуса, с целью обеспечения связи с нижеустанавливаемыми элементами, за счет чего появляется возможность совместного использования скважинного расширителя раздвижного и бурового долота.
Работа устройства заключается в следующем.
Скважинный расширитель раздвижной крепят к бурильным трубам посредством замковой резьбы 5 на верхнем центраторе 4, затем транспортируют к месту расширения. Промывочную жидкость подают по бурильным трубам во внутреннюю полость корпуса 1. За счет разницы диаметра центрального отверстия твердосплавной втулки 10 и наружного диаметра поршня 8 создается избыточное давление, которое передается на поршень 8, передающий усилие толкателю 2, за счет чего он двигается вниз, сжимая пружину 9. Выдвигающие элементы 15, передвигаясь по выборке 14 лопастей 13, выдвигают лопасти 13 из корпуса 1 в рабочее положение. Угол выдвижения лопастей выбирают при проектировании в зависимости от наружного диаметра корпуса и требуемого диаметра расширения, он может достигать 30 градусов.
В процессе бурения сопротивление породы резанию и разрушению преодолевается за счет крутящего момента и осевой нагрузки, приложенных к скважинному расширителю раздвижному посредством верхнего привода (на рисунке не показан). При прекращении подачи жидкости происходит разжатие пружины 9, возврат лопастей 13 в транспортное положение и их фиксация выдвигающими элементами 15.
Таким образом, обеспечивается решение поставленных задач, на выполнение которых направлено заявляемое техническое устройство:
- создана конструкция раздвижного расширителя, обладающая высоким коэффициентом расширения, за счет большого угла выдвижения лопастей, которого удалось добиться с помощью разработанных выдвигающего элемента и выборке специального профиля на лопастях;
- повышена надежность и ресурс расширителя, за счет внедрения простого и надежного механизма выдвижения лопастей, а также надежной фиксации лопастей расширителя в корпусе;
- предложенный способ выдвижения лопастей позволяет производить работы практически в любых условиях эксплуатации – значительно увеличена допустимая нагрузка при работе, применение возможно в горных породах любой степени твердости, возможно применение в наклонно-направленных скважинах, вплоть до горизонтальных участков скважины;
- за счет выполнения центрального отверстия в узлах расширителя обеспечивается гидравлический канал связи с нижеустанавливаемыми элементами, за счет чего появляется возможность совместного использования расширителя раздвижного и долота.