Устройство для локального расширения участка ствола скважины
DEVICE FOR LOCAL EXPANSION OF THE WELLBORE SECTION

Изобретение относится к буровой технике и предназначено для расширения ствола пробуренной скважины на заданном интервале. Устройство может применяться при сооружении буронабивных свай с уширенной пятой и при разведке россыпных месторождений полезных ископаемых в условиях криолитозоны.
Известен расширитель скважины для устройства буронабивных свай (см. RU №2377366, кл. E02D 5/44, опубл. 27.12.2009), содержащий приводную траверсу с шарнирно закрепленными на ней лопастями и взаимодействующий с ними механизм перемещения лопастей, лопасти содержат радиально установленные ребра, снабженные фигурной направляющей кромкой, режущие элементы на их нижних торцах и элементы наружного кожуха, а механизм перемещения лопастей содержит каретку, с установленными на ней роликами, взаимодействующими с фигурной направляющей кромкой ребер, при этом каретка установлена на стойке с возможностью осевого взаимного перемещения траверсы и каретки и вращения, а в основании стойки установлен грунтосборник.
Недостатком известного способа является сложность конструкции и низкая эффективность лопастей при бурении по горным породам средней категории буримости, так как режущие элементы установлены только на нижних торцах радиально установленных на лопасти ребер.
Уширитель скважины по патенту RU №2655280 (кл. E21B 7/30, опубл. 24.05.2018) содержит два коаксиально расположенных вала с размещенными на них скользящей и фиксированной на внутреннем валу муфтами, к которым шарнирно прикреплен пантографный механизм, снабженный элементами, формирующими уширение скважины, и стабилизаторы осевого положения.
Недостатком известного устройства является то, что расширение в скважине создается за счет уплотнения грунта, что существенно ограничивает область его применения в связи с непригодностью для более плотных грунтов.
Известен универсальный уширитель скважины (см. RU №2119036, кл. E21B 7/28, опубл. 20.09.1998), включающий два коаксиально расположенных вала с размещенными на них скользящей и фиксированной муфтами, к которым шарнирно закреплен пантографный пространственный механизм, вооруженный породоразрушающими элементами, при этом, оба коаксиально расположенных вала выполнены с возможностью взаимной фиксации и независимого соединения с бурильным валом буровой установки, причем, наружный вал выполнен с возможностью его установки на устье скважины с фиксацией от продольного перемещения.
Недостатком данного устройства является отсутствие в конструкции элементов для ограничения угла выпрямления пантографных механизмов, вследствие чего, в процессе спуска устройства в скважину, рычаги пантографного механизма под весом внутреннего вала и бадьи могут принять относительно друг друга угол равный 180 градусам и при дальнейшей подаче осевой нагрузки на внешний вал могут заклинить или выгнуться в обратную сторону, что может привести к отказу бурового инструмента.
Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности процесса локального расширения участка ствола скважины.
Технический эффект, получаемый при решении поставленной задачи, выражается в создании устройства для локального расширения участка ствола скважины, расширении диапазона выполняемого уширения и обеспечении высокой надежности расширителя.
Для решения поставленной задачи устройство для локального расширения участка ствола скважины, выполненное в виде пантографного пространственного механизма, прикрепленного к скользящей и фиксированной муфтам на валу и вооруженного породоразрушающими элементами, содержащее в основании вала грунтосборник, отличается тем, что в качестве породоразрушающих элементов установлены выдвижные ножи, включающие разъемно соединенные шарнирные рычаги и режущие элементы, при этом вал устройства дополнительно снабжен ограничителем предельного выпрямления ножей, выполненное в виде шайбы, приваренной к верхней кромке вала, кроме того, грунтосборник выполнен со съемным корпусом и основанием со сквозным отверстием для установки на валу с возможностью проворота вокруг своей оси.
Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию «новизна».
Совокупность признаков обеспечивает решение заявленной технической задачи, а именно, выполнение локального расширения в участке ствола скважины на заданном интервале и ускорение процесса очистки грунтосборника от бурового шлама.
Заявленное устройство иллюстрируется чертежами, где на фигуре 1 схематически показан общий вид устройства для локального расширения участка ствола скважины на примере с тремя выдвижными ножами; на фигуре 2 – деталировка узлов и конструкции устройства, в том числе А – цилиндрического корпуса, Б – нижней опоры, В – ведущей трубы, Г - грунтосборника, Д – выдвижных ножей, Е – опорного диска; на фигуре 3 – продольный разрез (А) и вид сверху устройства (Б); на фигуре 4 – схема разреза грунта до расширения (А) и после расширения (Б) посредством заявленного устройства.
Устройство расширителя состоит из верхнего полого цилиндрического корпуса 1, снабженного переходником 8 для соединения с бурильными трубами (на чертеже не показаны), при этом, в нижней части корпуса 1 под основанием 10 к стенкам муфты 11 равноудаленно приварены опоры 9 верхнего шарнирного соединения выдвижных ножей 3. Скользящая муфта 11 выполнена полой, в сечении имеет фигурное отверстие и предназначена для соединения с ведущей трубой 4, которая представляет собой вал с соответствующим фигурным сечением и служит для передачи крутящего момента от корпуса 1 на нижнюю опору 2. Форма сечения трубы 4 может быть, например, треугольной или четырехугольной, в зависимости от количества устанавливаемых ножей 3. При этом форма профиля муфты 12 нижней опоры 2 соответствует формам сечения трубы 4 и профиля муфты 11 корпуса 1. Таким образом, ведущая труба 4 выполнена с возможностью свободного входа верхним концом в муфту 11 корпуса 1 и нижним концом соединяется с муфтой 12 нижней опоры 2 штифтовым способом, при этом, корпус 1 может свободно скользить вдоль вертикальной оси ведущей трубы 4 (см. фиг. 1-3).
Ведущая труба 4 в верхней части снабжена ограничителем предельного выпрямления 13 выдвижных ножей 3, который удерживает их во время спуско-подъемных операций в согнутом состоянии в сторону стенок скважины на угол, равный примерно 3-5 градусам относительно оси ведущей трубы 4, что необходимо для предотвращения заклинивания и поломки ножей 3 при подаче осевой нагрузки на расширитель после достижения забоя скважины. Ограничитель 13 выполнен в виде шайбы, приваренной к ведущей трубе 4 (см. фиг. 2В).
К стенкам фиксированной муфты 12 нижней опоры 2 также равноудаленно приварены опоры 14 нижнего шарнирного соединения с выдвижными ножами 3, кроме того, опора 2 снабжена осевой трубой 15 с фланцем 16 для соединения с опорным диском 6 (см. фиг. 2Б). Грунтосборник 5 состоит из основания 18 с центральным сквозным отверстием, к которому приварены фиксаторы 19 для закрепления съемного корпуса 20, например, штифтовым или байонетным способом (см. фиг. 2Г и 3А). Диаметр отверстия в основании 18 соответствует для свободного размещения в нем центрирующего диска 7, располагаемого между фланцами 16, 17 нижней опоры 2 и опорного диска 6. Таким образом, диск 7 обеспечивает грунтосборнику 5 возможность проворачивания вокруг своей оси, в результате чего, в процессе бурения грунтосборник 5 за счет трения о стенки скважины может фиксироваться и не вращаться вместе с расширителем, что способствует энергосбережению при буровых работах (см. фиг. 2Е).
Выдвижные ножи 3 состоят из шарнирно соединенных между собой породоразрушающих инструментов 21, армированных резцами, и рабочих рычагов 22, образующие механизм пантографного типа. Породоразрушающие инструменты 21 имеют разборную конструкцию и включают режущие элементы 23 и шарнирные рычаги 24, которые соединены между собой разъемным способом (например, резьбовым) (см. фиг. 2Д). Количество ножей 3 может быть, по меньшей мере, два. При сборке выдвижные ножи 3 шарнирно соединяют с опорами 9, 14 корпуса 1 и нижней опоры 2. Таким образом, устройство имеет выдвижные ножи 3, установленные равноудаленно вокруг вертикальной оси расширителя. При этом, выдвижные ножи 3 и ведущая труба 4, в зависимости от необходимой величины расширения и категории горных пород по буримости, имеют возможность замены на инструмент другого размера и типа (см. фиг. 1-3).
Заявленное устройство работает следующим образом.
Буровой снаряд, состоящий из расширителя и бурильных труб, спускают с помощью буровой установки в предварительно пробуренную скважину до достижения ее забоя. Во время спуска выдвижные ножи 3 под весом нижней опоры 2, грунтосборника 5 и опорного диска 6 находятся в вытянутом положении и при проведении спуско-подъемных операций не касаются стенок скважины.
По окончании спуска, расширитель опорным диском 6 упирается о забой скважины, при этом движение нижней опоры 2 по вертикальной оси блокируется, а корпус 1 имеет возможность перемещения вдоль оси ведущей трубы 4. Далее, при подаче осевой нагрузки на расширитель корпус 1 опускается по вертикальной оси в сторону нижней опоры 2, одновременно с этим, шарнирно соединенные с корпусом 1 и нижней опорой 2 ножи 3 выдвигаются в сторону стенок скважины и переходят в рабочее (сложенное) положение. После чего, при одновременной подаче вращательного движения и осевой нагрузки на расширитель выдвижные ножи 3 разрушают стенки скважины, локально расширяя ее, при этом разрушенная горная порода попадает в грунтосборник 5. В процессе расширения скважины грунтосборник 5 выполняет также функцию центратора и за счет свободной посадки на диск 7 может не вращаться от трения со стенкой скважины (см. фиг. 4).
Для контроля за ходом расширения участка ствола скважины на мачте буровой установки устанавливают рейку с разметкой, равной величине хода цилиндрического корпуса 1 расширителя.
По окончании процесса расширения скважины расширитель поднимается с помощью буровой установки на дневную поверхность, при этом, под весом нижней опоры 2, заполненной шламом грунтосборника 5, и опорного диска 6 выдвижные ножи 3 обратно переходят в вытянутое положение и позволяют расширителю свободно подниматься вверх по стволу скважины.
На дневной поверхности грунтосборник 5 освобождается от разрушенной породы путем подъема съемного корпуса 20 от основания 18 и механической очистки от бурового шлама.
Таким образом, использование заявленного изобретения будет способствовать быстрому и безопасному выполнению локального расширения в участке ствола скважины на заданном интервале.