ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ЦЕНТРАТОР Российский патент 1995 года по МПК E21B17/10 

Изобретение относится к горной промышленности, в частности к строительству скважин, а именно к опорно-центрирующим устройствам бурильной колонны.

Известен гидравлический центратор, включающий корпус с присоединительными резьбами, осевой и радиальные каналы корпуса, выдвижные вращающиеся ролики, оси которых лежат в плоскостях, перпендикулярных осевой линии корпуса, толкатели, выполненные длиной, обеспечивающей контакт роликов со стенкой скважины [1] Недостатком этого центратора является то, что ролики расположены на одном уровне, что ограничивает их количество, а поскольку усилие противодействия реактивному моменту прямо пропорционально усилию прижатия к стенкам скважины и площади поверхности роликов, реактивный момент из-за малого количества роликов может превысить силу трения между роликами и стенкой скважины, в результате произойдет резкий срыв и проворот устройства, возможно изгиб и поломка тяг. Если при этом произойдет и порыв упругой манжеты, соединенной с тягами посредством толкателей, придется прекратить бурение и провести дополнительные спуско-подъемные операции (СПО) по замене устройства. Поскольку все элементы конструкции расположены снаружи корпуса, не исключается их деформация и поломка также и в процессе СПО, в том числе и потому, что устройство не предусматривает систему защиты кольцевой полости между упругой манжетой и корпусом накопления осадка бурового раствора, в результате чего манжета останется расширенной и тяги не примут транспортного положения перед подъемом колонны, поэтому будут упираться о уступы кавернозных участков ствола скважины. Кроме того, повышенные удельные нагрузки немногочисленных роликов на стенки скважины приведут к выдавливанию мягких и средней прочности горных пород с образованием глубоких бороздок, что повысит ухабистость стенок скважины.

Известен также гидравлический центратор, включающий корпус с присоединительными резьбами, осевым каналом и расположенные на нескольких уровнях радиальные цилиндрические каналы, установленные в них выдвижные рабочие элементы с толкателями имеющими длину, обеспечивающую контакт рабочих элементов со стенками скважины и имеющими поршень, расположенные в осевом канале корпуса втулку и поршень, образующие полость с рабочим агентом [2] Недостатком этого центратора является невысокая надежность работы в абразивных средах. Устройство позволяет гасить реактивный момент забойного двигателя, но при углублении скважины в процессе бурения выдвижные рабочие элементы, контактируя со стенками скважины, будут также вызывать сопротивления осевому перемещению вниз, в результате чего долото будет недогружено и показатели бурения снизятся. Кроме того, выдвижные рабочие элементы центратора при осевом смещении вниз в процессе бурения будут сдирать не только, успевшую образоваться, глинистую корку, но и частично горную породу с кольматационным экраном, что повлечет за собой возобновление повышенной фильтрации бурового раствора в пласты, а значит разупрочнение околоскважинной зоны и увеличение негативного воздействия на продуктивные пласты. Таким образом, функциональные возможности известного устройства ограничены.

Цель изобретения повышение надежности работы и расширение функциональных возможностей.

Достигается это тем, что в гидравлическом центраторе поршни толкателей выполнены с двумя диаметрально расположенными скобами, рабочие элементы выполнены в виде закрепленных на скобах роликов, оси которых расположены в плоскостях, перпендикулярных осевой линии корпуса, а радиальные каналы корпуса в месте расположения скоб с роликами выполнены в поперечном сечении крестообразной формы и имеют длину, ограничивающую ход поршня толкателя на величину, меньшую радиуса ролика, причем кольцевой поршень подпружинен относительно корпуса и установлен в нижней части полости и в качестве рабочего агента последней используют масло. Кроме того, радиальные каналы корпуса расположены по винтовой линии.

На фиг. 1 показан полуразрез гидравлического центратора в исходном положении; на фиг. 2 разрез по А-А на фиг.1; на фиг.3 положение элементов устройства в рабочем положении.

Гидравлический центратор состоит из цилиндрического корпуса 1 с осевым каналом 2 и присоединительными резьбами 3. В стенках корпуса 1 выполнены радиальные каналы 4. Последние состоят из двух участков цилиндрического 5 и крестообразного 6, в которых расположены толкатели 7 соответственно в виде поршня 8 и двух диаметрально расположенных скоб 9. В скобах 9 установлены оси 10, на которых вращаются ролики 11, причем оси 10 расположены в плоскостях, перпендикулярных оси корпуса 1. При этом ролики 11 контактируют с крестообразными участками 6 радиальных каналов 4 боковыми поверхностями 12, а скобы 9 с нижней и верхней направляющими 13. Соотношения длин 8 и 9, а также поперечных размеров толкателей 7, с участками 5 и 6 радиальных каналов 4, а также наружного диаметра корпуса 1 подобраны таким образом, чтобы крестообразная 6 форма радиального канала 4 ограничивала ход поршня 8 на величину, меньшую радиусу ролика 11, и при этом обеспечивался контакт последних со стенками скважины. Кроме того, составные радиальные каналы 4 выполнены на нескольких уровнях, причем более одного в каждом уровне (для создания равновесия сил и предупреждения перекосов корпуса 1), и с угловым смещением относительно друг друга по винтовой линии корпуса 1. В осевом канале 2 корпуса 1 установлена втулка 14 с верхним торцовым упором 15. Втулка 14 образует с корпусом 1 кольцевую полсть 16, гидравлически связанную с цилиндрическими участками 5 радиальных каналов 4. Внизу между втулкой 14 и корпусом 1 помещены кольцевой поршень 17 и пружина 18, при этом полость 16 заполнена рабочим агентом маслом 19 через отверстие 20, которое после этого перекрывают пробкой 21. Втулка 14 и кольцевой поршень 17 зафиксированы ввертышами соответственно 22 и 23. Поршни 8 толкателей, торцевой упор 15, кольцевой поршень 17 и пробка 20 снабжены уплотнительными кольцами 24.

Один или несколько гидравлических центраторов устанавливают в нижней компоновке бурильной колонны (между турбобуром и утяжеленными бурильными трубами, между последними, между утяжеленными бурильными трубами и бурильными трубами, между бурильными трубами).

Гидравлический центратор работает следующим образом.

В процессе спуска бурильной колонны в скважину положение элементов гидравлического центратора таково, как показано на фиг.1 и 2. По окончании спуска колонны восстанавливают циркуляцию бурового раствора. С повышением давления в колонном пространстве кольцевой поршень 17, сжимая пружину 18, приподнимается, что влечет за собой выдвижение толкателей 7 с роликами 11 из радиальных каналов 4 до соприкосновения со стенками скважины (фиг.3). Ролики 11 центрируют колонну в стволе скважины. При углублении скважины в процессе бурения каждый ролик 11 по своей дорожке перекатывается по стенке скважины, удаляя перед собой рыхлые слои глинистой корки, вдавливают в каверны и поры пластов и упрочняют наиболее прочные и малопроницаемые слои глинистой корки, тем самым без существенного разрушения имеющегося кольматационного экрана производится дополнительная управляемая кольматация и уплотнение стенок скважины. Чем больше будет количество роликов 11, тем меньше останется неохваченных роликами участков по окружности ствола скважины, то есть более полная степень кольматации, а также меньше удельные нагрузки роликов 11 на стенку скважины от веса низа бурильной колонны в наклонных участках ствола скважины, что снижает разрушающее воздействие вдавливанием в мягкие и средние породы. Помимо того, реактивный момент забойного двигателя, передающийся на корпус 1 и через поверхности крестообразных участков 6 на боковые поверхности 12 роликов 11, в результате трения и зацепления последних о стенку скважины, гасится. В данном случае также чем больше поверхность трения, то есть количество роликов 11, тем больше вероятность сдерживания и передачи реактивного момента на вышележащие участки бурильной колонны. Поскольку ролики 11, имеющие большее сечение, чем скобы 9, воспринимают изгибающие усилия от реактивного момента забойного двигателя, конструкцией и предусмотрено, чтобы ролики 11 не выступали за пределы корпуса 1 не более, чем на половину своего диаметра. Это все вместе позволяет существенно повысить прочность и надежность работы, а также защищенность конструкции от ударных нагрузок.

По окончании бурения циркуляцию бурового раствора останавливают, давление сбрасывают, при этом пружина 18 возвращает кольцевой поршень 17 в исходное крайнее нижнее положение. При снижении давления в кольцевой полости 16 поршни 8 толкателей 7 втягиваются внутрь цилиндрических участков 5 радиальных каналов 4. Заходу толкателей 7 с роликами 11 в радиальные каналы 4 способствует и разность давления столба бурового раствора в заколонном пространстве скважины, с находящимся в нем выбуренным шламом, и в колонном пространстве.

Эффективность предлагаемого гидравлического центратора заключается в повышенной работоспособности, герметичности и долговечности, ввиду защищенности элементов конструкции, как в процессе бурения, так и СПО; значительном повышении надежности работы в абразивных средах (буровом растворе) путем заполнения кольцевой полости маслом; в повышении надежности сдерживания реактивного момента забойного двигателя и гашении крутильных колебаний бурильной колонны, что позволит избежать правку ствола скважины; в повышении качества механической управляемой кольматации околоскважинной зоны и нормализации ствола скважины, что предупредит осложнения при бурении и освоении скважин.

Использование: в горной промышленности при строительстве скважин, а именно к опорно-центрирующим устройствам бурильной колонны. Сущность изобретения: гидравлический центратор включает полый корпус 1, выполненные в стенках корпуса радиальные каналы, расположенные в них толкатели П-образной формы, на горизонтальных осях 10 которых расположены ролики 11. В исходном положении ролики 11 заглублены в корпусе 1, а при контакте со стенками скважины в рабочем положении выступают за пределы корпуса 1 на величину, не превышающую половины диаметра роликов 11. Радиальные каналы выполнены на разных уровнях корпуса 1 и с угловым смещением относительно друг друга по винтовой линии корпуса. В полости корпуса 1 размещена втулка 14. Между последней и корпусом 1 установлен подпружиненный кольцевой поршень 17, при этом полость 16 между втулкой 14 и корпусом 1 заполнена маслом 19. При повышении давления в осевом канале 2 корпуса 1 кольцевой поршень 17, сжимая пружину 18, приподнимается и повышает давление в полости 16, в результате толкатели прижимают ролики 11 к стенкам скважины, тем самым осуществляется жесткое центрирование низа бурильной колонны в поперечном сечении. При углублении скважины ролики 11 перекатываются по стенкам скважины, нормализуют ствол и производят гашение реактивного момента забойного двигателя. При сбросе давления в колонном пространстве пружина 18 смещает кольцевой поршень 17 вниз, давление в полости 16 также снижается и толкатели с роликами 11 заглубляются в радиальных каналах. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ЦЕНТРАТОР, включающий корпус с присоединительными резьбами, осевым каналом и расположенными на нескольких уровнях радиальными цилиндрическими каналами, установленные в них выдвижные рабочие элементы с толкателями, имеющими длину, обеспечивающую контакт рабочих элементов со стенками скважины, и поршень, расположенные в осевом канале корпуса втулку и кольцевой поршень, образующие полость с рабочим агентом, отличающийся тем, что поршни толкателей выполнены с двумя диаметрально расположенными скобами, рабочие элементы выполнены в виде закрепленных на скобах роликов, оси которых расположены в плоскостях, перпендикулярных осевой линии корпуса, радиальные каналы корпуса в месте расположения скоб с роликами выполнены в поперечном сечении крестообразной формы и имеют длину, ограничивающую ход поршня толкателя на величину, меньшую радиуса ролика, причем кольцевой поршень подпружинен относительно корпуса и установлен в нижней части полости, а в качестве рабочего агента в последней используют масло. 2. Центратор по п.1, отличающийся тем, что радиальные каналы корпуса расположены по винтовой линии.