РАСШИРИТЕЛЬ СКВАЖИНЫ Российский патент 1996 года по МПК E21B7/28 

Настоящее изобретение относится к области горнодобывающей промышленности, а более конкретно касается расширителя скважин, используемого при бурении устья нефтяных или газовых скважин для увеличения диаметра существующей передовой скважины.

Некоторые расширители скважин, имеющиеся в настоящее время, содержат трубчатую штангу, на которой смонтированы долота и шарошечные буровые долота, соединенную с буровой колонной. В качестве соединительных средств для соединения каждого конца со смежными элементами буровой колонны известные расширители имеют резьбовое соединение, расположенное на нижнем конце при осуществлении вертикального бурения, для соединения с долотом и т.п. и второе резьбовое соединение, расположенное на верхнем конце, для соединения с вышележащими элементами буровой колонны, например, воротникам.

При разработке передовой скважины в галечных или бутовых породах известные расширители работают неудовлетворительно, и очень трудно достичь желаемого увеличения диаметра скважины.

При бурении галечных и бутовых пород сборка долото-расширитель осуществлена впритык, чтобы выскальзывать наружу в вертикальном положении, что создает трудности при вертикальном бурении скважины. Так как галечные и бутовые породы обычно очень трудные, бурение (проходку) можно осуществлять только с очень низкой скоростью бурения (0,5-1 м/час). Галечные и бутовые породы, в противовес рыхлым породам, очень трудны для бурения (насквозь, через них). Вследствие огромного износа известных расширителей, разрыва и потерь отдельных элементов, например, конусов, стоимость их ремонта очень высока. Особенно велик износ расширителей под направляющими перьями (лезвиями, крыльями) стабилизатора, на направляющих перьях (лезвиях, крыльях), на конусах, резцах, следах буров, на стабилизирующих крыльях (лезвиях, перьях), на боковых роллерах, а также на переходных участках между стабилизирующими крыльями и верхней частью расширителя скважины.

Типичные технические проблемы расширителя скважины при бурении в галечных и бутовых породах следующие.

Почти невозможно начать разработку скважины порядка 91,44 см за один проход. Поэтому сначала пробуривают передовую скважину порядка 44,45 см, прежде чем вскрывают скважину по всему размеру. Это рискованно, т.к. галечник и щебни могут обвалиться в пробуриваемой скважине и заклинить буровую колонну. В таких ситуациях необходимо, если это возможно, увеличить скорость бурения, чтобы отбросить гальку или щебень, попавшую на бур из скважины центробежными силами. Требуется очень высокая производительность насоса, чтобы хорошо очистить скважину или достичь наибольшего потока жидкости через управляющую систему (носок забойника, бур), т. к. жидкость проходит через расширитель независимо. В этом случае нужно сильно утяжелить расширитель бур, что трудно сделать, но если возможно, то используют большие воротники (манжеты), например, с диаметром 28,575 см и более.

В патентах США NN 1.896.231 и 3.303.898 описаны системы смазки для долот. Каждая из этих известных систем смазки включает подпружиненный поршень, поперечный канал, в котором размещен ниппель для смазки, через который смазка может прокачиваться в места, подверженные износу и разрыванию. Для долот такие смазочные устройства могут оказаться удовлетворительными. Что же касается расширителей и буров-расширителей, то также известные устройства для смазки недостаточны.

Патент США N 2.124.521 описывает соединение на шпонке, в котором сквозной поперечный канал в указанном вале образует угол, равный 90^o, с осью указанного вала, т.е. обычное соединение на шпонке.

Патент США N 3.237.705 описывает заменяемое изнашивающееся кольцо.

Из патента США N 1.747.908 известен расширитель скважины, содержащий корпус с осевым каналом и средством для подсоединения к бурильной колонне, консольно закрепленные на корпусе цапфы, на свободном конце которых на подшипниках установлены шарошки, представляющие собой режущие средства. На верхнем конце корпуса размещено стабилизирующее средство, а на его нижнем конце изнашивающееся кольцо.

Однако в этом расширителе отсутствует удовлетворительная система смазки, что не дает возможности обеспечить удовлетворительную работу расширителя при разработке передовой скважины в галечных или буровых породах.

Целью настоящего изобретения является уменьшение износа расширителя, обеспечение возможности легкой и быстрой замены изношенных частей и легкого управления расширителем для создания возможности использования его при бурении передовой скважины в галечных или бутовых породах.

Эта цель достигается тем, что в расширителе скважины, включающем корпус с осевым каналом и средством для подсоединения к бурильной колонне, консольно закрепленные на корпусе цапфы, на свободном конце которых на подшипниках установлены шарошки, стабилизатор и изнашивающееся кольцо, согласно изобретению установлено в каждой цапфе устройство для смазки подшипника шарошки, выполненное в виде образованного полостью в теле цапфы и заполненного смазкой резервуара и размещенного в полости цапфы подпружиненного поршня, при этом полость резервуара сообщена радиальным каналом с имеющей ниппель для подачи смазки смазочной полостью подшипника шарошки и осевым каналом с полостью образованной торцевой поверхностью цапфы и внутренней торцевой поверхностью шарошки, а в теле цапфы выполнен дополнительный радиальный канал, полость которого сообщена со смазочной полостью подшипника в точке, диаметрально противоположной первому каналу, и посредством дополнительного осевого канала с установленным в нем обратным клапаном с полостью, образованной торцевой поверхностью цапфы и внутренней торцевой поверхностью шарошки.

Расширитель, созданный в соответствии с настоящим изобретением обладает следующими преимуществами: приспособлен для бурения галечных и бутовых пород; он хорошо защищен от износа; обеспечена возможность быстрой и удобной замены изношенных частей; обеспечена возможность легкого управления с пульта на палубе платформы; хорошая стабилизация, конструкция расширителя является жесткой и надежной.

Ниже приводится описание предпочтительного варианта выполнения изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг. 1 изображает продольный разрез расширителя скважины, согласно изобретению;
фиг. 2 в увеличенном масштабе частичный разрез расширителя скважины по стрелке II на фиг.1;
фиг. 3 в увеличенном масштабе частичный разрез расширителя скважины по стрелке III на фиг.1;
фиг.4 вид продольного частичного аксиального сечения шарошки, закрепленной с возможностью замены на цапфе (плоскость сечения повернута на 90^o относительно плоскости сечения фиг.2, где шарошка не показана, а показан только свободный конец части цапфы).

Расширитель скважины, показанный на фигуре 1, содержит корпус 1 с каналом 2, расположенным вдоль продольной оси 3 корпуса 1, и средством для подсоединения с между секциями А и В бурильной колонны, выполненным в виде резьбового соединения 4, консольно закрепленные на корпусе 1 цапфы 5а-5с, на свободном конце которых в подшипниках установлены шарошки 6а-6с, стабилизатор 7 и изнашивающее кольцо 8, имеющее направляющие ребра 9.

К корпусу 1 приварено упорное кольцо 10, служащее стопорящим элементом для заменяемого изнашивающегося кольца 8.

Стабилизатор 7 имеет стабилизирующие ребра 11, на радиально удаленном конце каждого из которых смонтирован изнашивающийся элемент 12 с возможностью отсоединения от соответствующего ребра 11.

Как видно из фиг.3, изнашивающийся элемент 12 имеет коническую анкерную часть 13, размещенную в комплементарной выемке 14 на свободном конце соответствующего стабилизирующего ребра 11, соединенные посредством головки винта 15 и резьбы, выполненной на конце вала 15 и внутренней поверхности отверстия в стабилизирующем ребре 11, и головки 17, извлекаемой из гнезда в изнашивающемся элементе 12.

Корпус 1 имеет фиксирующие средства 18а, 18b и 18с для трех наборов поворачивающихся шарошек 6а, 6b, 6c.

Далее будет объяснено как цапфы 5а-5с закреплены в фиксирующих средствах 18а-18с (фиг.2) и как каждая шарошка 6а-6с закреплена с возможностью вращения на соответствующих цапфах 5а-5с (фиг.4).

Обычные расширители содержат только один набор шарошек, например 6а. В соответствии с настоящим изобретением, такой набор шарошек 6а, в котором отдельные шарошки расположены диаметрально друг против друга и размещены в общей поперечной плоскости относительно оси 3 корпуса 1, требует по крайней мере, еще один набор шарошек 6 и/или 6с.

В каждом из наборов шарошек 6b и 6с отдельные шарошки расположены диаметрально противоположно друг другу, но они расположены в общей поперечной плоскости относительно оси в корпусе 1. Плоскость расположения шарошек 6а имеет осевое смещение относительно плоскости расположения шарошек 6с. Более того, каждая шарошка соответствующего набора шарошек 6b имеет большее осевое смещение относительно оси 3 корпуса 1, чем шарошка из набора шарошки 6а, а шарошки 6с расположены с большим радиальным смещением от оси 3 корпуса, чем обе шарошки 6а и 6b.

Шарошки 6а-6с трех наборов отличаются друг от друга также и тем, что набор шарошек 6 повернут на 60^o относительно оси 3 корпуса 1 относительно положения, изображенного на фиг.1. Аналогичным образом набор шарошек 6с повернут на 120^o относительно показанного положения.

На фиг. 1 показано, что фиксирующие средства 18а-18с для шарошек 6а-6с выполнены заодно целое с корпусом 1. Практически более приемлемо крепление фиксирующих средств 18а-18с на корпусе 1 сваркой.

Цапфы 5а-5с привариваются внутри этих средств 18а-18с.

На фиг.2 иллюстрируются только смежные свободные концевые части цапфы 5а и фиксирующего средства 18а.

Фиксатор 18а имеет центральное отверстие 19, которое может быть сквозным и которое внешней частью проходит наружу или внутрь конической выемки 20. Буртик 21 может образовать стопорную поверхность между отверстием 19 и конической выемкой 20.

Посадочная поверхность цапфы 5а и фиксатора 18с выполнена конусной. При этом цапфа 5а имеет конусность дополнительную и соответствующую конической выемке 20.

Узел крепления цапфы 5а к корпусу 1 выполнен в виде клина 22, установленного в виде клина 22, установленного в сквозных поперечных соосных отверстиях 23, 24, выполненных соответственно в цапфе 5а и фиксаторе 18а.

Отверстие 23 в цапфе 5а имеет овальное поперечное сечение, как показано на фиг. 4, и выполняет со скошенной поверхностью, взаимодействующей со скошенной поверхностью клина 22, угол между которой и осью 25 цапфы 5а отличается от угла, равного 90^o. Назначение скошенной поверхности отверстия 23 состоит в следующем: при вбивании клина 22 с одной стороны скошенная поверхность клина 22 упирается в скошенную поверхность отверстия 23 цапфы 5а и фиксирует цапфу 5а внутри выемки 20. После введения клина 22 отверстия 24 закрываются пробками 26, имеющими обратные пробки 27 для предотвращения выбивания клина 22. При демонтаже пробки 26, 27 удаляются и клин 21 выбирается в направлении, противоположном направлению ввода, после чего цапфа 5а с шарошкой (не показано) 6а может быть легко и удобно извлечена из конической выемки 19 фиксатора 18а.

Как отмечено, стабилизатор 7 имеет форму изнашивающейся трубы, имеющей стабилизирующие лезвия или ребра 11. Изнашивающаяся труба со стабилизирующими лезвиями может быть сформирована согласно винтовой линии и эта форма винтовой линии может быть продлена вдоль корпуса 1, от самого верхнего фиксатора 18с с шарошкой 6с вниз до самой нижней шарошки 6а. Изнашивающееся кольцо 8 и стабилизатор 7, как известно, являются заменяемыми. Из уровня техники известно, что для монтажа сменных или демонтируемых элементов используются резьбовые соединения. Для элементов, вращающихся в процессе работы и служащих для передачи момента наиболее пригодна винтовая резьба, т.к. такие элементы не могут сами вывинтиться, но сами прочно ввинчиваются в корпус 1. По этой причине изнашивающееся кольцо 8 и/или стабилизатор 7 все время будут так крепко ввинчиваться в корпус 1, что соединение между корпусом 1 с одной стороны и изнашивающимся кольцом 8 или стабилизатором 7 с другой стороны не будет ослабевать, или может ослабеть только после основного захвата.

В соответствии с изобретением, изнашивающееся кольцо 8 и стабилизатор 7 могут быть установлены на корпусе 1 посредством кулачковой муфты и т.п. для обеспечения быстрого и удобного исключения блокирования, что очень удобно при демонтаже таких элементов. (Такие соединения и муфты не показаны на чертеже).

Цапфы 5а-5с изготовлены из высокосортной инструментальной стали, подвергнутой специальной тепловой обработке. Тепловая обработка может включать закалку, волочение (закалку с последующим отпуском) и азотирование. После того шлифуют и полируют (натиранием) опорные поверхности. Шарошки 6а-6с изготовлены из специальной стали, подвергнутой тепловой обработке. После тепловой обработки проводят внутреннее хонингование (глянцевание) и фрезеруют промежуточные наружные грани поверхности наружного зуба (не показано). Конструкция зуба может повторять форму обычного зуба шарошки 6а-6с пока эксперимент не приведет к необходимости большей или меньшей модификации. Шарошки 6а-6с выполнены, предпочтительно, такими, которые можно выбросить после одноразового использования. Цапфы 5а-5с не подвержены такому износу, как шарошки 6а-6с, и могут быть использованы несколько раз.

При всех обстоятельствах шарошки 6а-6с должны крепиться в цапфах 5а-5с с возможностью вращения, например, как в данном случае, в подшипниках. Таким образом, при сборке цапфы 6а-6с и шарошки 6а-6с, во-первых, создается относительно гибкое соединение, при котором шарошка 6а-6с может поворачиваться относительно цапфы 5а-5с и во-вторых, создается соединение, которое легко демонтируется и шарошка 6а-6с может быть легко заменена.

На фигуре 4 показан в сборке режущий узел (шарошка с цапфой). Чтобы показать направление осей 25, 28 режущего узла ось 29 бурильной колонны показана штрих-пунктирной линией. Из фигуры 4 видно, что цапфа 5а за конической частью, взаимодействующей с конической выемкой 20 фиксатора 18а на фиг.2, имеет коаксиальную цилиндрическую часть 30, как ее продолжение. Между этими двумя частями цапфы 5а имеется буртик 31. Шарошка 6а выполнена с периферическими зубьями 32, которые могут быть изготовлены в полном соответствии с известным уровнем техники и которые выполнены как часть тела шарошки 6а, выполненного в форме чашеобразно полого (пустотелого) элемента с концентрической полостью 33, открытой по направлению к цапфе 5а, и которая образована дополнительно к цилиндрической части 30 цапфы 5а. Полость 33 для размещения цапфы 5а в несущем теле шарошки 6а выполнена с диаметром немного большим, чем диаметр цилиндрической части 30 цапфы 5а. Чашеобразный полый элемент, является составной частью тела шарошки 6а для размещения бабитовой втулки 34 между внутренней стенкой полости 33 и частью цапфы 5а.

Чашеобразный полый элемент, образующий несущее тело шарошки 6а выполнен с расположенной вблизи от его открытого конца внутренней кольцевой канавкой 35, сообщающейся с радиально направленным, открытым наружу каналом 36. Радиально напротив внутренней кольцевой канавки 35 на цилиндрической части 30 цапфы 5а выполнена внешняя кольцевая канавка 37 с полукруглым поперечным сечением. Внешняя кольцевая канавка 37 служит для частичного размещения подпирающих шариков 38, которые подобным же образом частично помещаются во внутренней кольцевой канавке 35 шарошки 6а. До сборки режущего узла (режущей шарошки) шарики 38 не устанавливаются. То же относится к двум пробкам 39, 40 и промежуточному смазочному ниппелю 41, который расположен в радиально направленном, открытом наружу канале 36, сообщенном с двумя кольцевыми канавками 35 и 37 на шарошке 6а и цапфе 5а соответственно. Внутренняя пробка 39 поддерживает смазочный ниппель 41, внешняя пробка 40 служит штифтом или стопором.

При сборке сначала заполняют смазкой (насколько это возможно) все внутренние полости, прежде чем насаживают шарошку 6а на цапфу 5а, после чего шарики 38 помещают в закрытый (кроме канала 36) кольцевой зазор примерно круглого сечения, образованный двумя смежными кольцевыми канавками 35, 37 с полукруглым сечением, выполненными на шарошке 6а и цапфе 5а соответственно. Когда все шарики 38 размещены на внутри кольцевых канавок 35, 37 надеваются пробки со смазочным ниппелем 41, после чего внутрь радиального канала 36 помещается пробка 40. Посредством этого шарошка 6а гибко (с возможностью поворота) соединена c цапфой 5а, после того, как шарики 38 примут на себя осевую нагрузку, которая может возникнуть. Наполнение смазкой осуществляется так, что смазка накачивается через смазочный ниппель 41. Из ниппеля 41 смазка продавливается через канавку 37 и внутренний наклонно поперечный канал 42 в цапфе 5а направляется в смазочный резервуар 43, образованный полостью в теле цапфы 5а. Внутри смазочного резервуара 43 установлен подпружиненный поршень 44. При наполнении резервуара 43 смазкой поршень 44 будет отодвигаться назад до тех пор, пока возвратная пружина 45 полностью сожмется. Затем поршень 44 открывает проход в поперечный канал 46, выходящий из резервуара 43 и направляющий смазку на наружную поверхность цапфы 5а и сальник (уплотняющее кольцо) 47. При дальнейшем прокачивании смазки через ниппель 41, смазка будет двигаться через этот канал 46. Излишек смазки выжимается при определенном значении, так что наполнение смазкой может быть ограничено. Когда это достигается, поршень 44 и пружина 45 фиксировать дальнейшее поступление смазки через осевой канал 48 внутри цапфы 5а, открытый со стороны торца. Отсюда смазка поступает в зазор 49 между этим торцом и торцом, расположенным радиально оппозитно и определяющим осевой размер полости 33 шарошки. Вышеупомянутый зазор 49 сообщен по жидкости с аксиально направленной, в данном варианте, эксцентриковой полостью 50 для размещения невозвратного клапана 51, содержащего седло 52, шарик 53 и пружину 54. После поступления в зазор 34, смазка проходит через клапан 51 и поступает в радиально направленный канал 55, выполненный в теле цапфы 5а. Таким образом, когда объем внутренней полости режущего узла (шарошка с цапфой) наполняется, смазка через постоянно качающий смазку ниппель 41, начинает двигаться за сальником (уплотнительным кольцом) 47, который частично заделан в уплотняющую капсулу или кожух 56, расположенный на уступе 31 цапфы 5а, который образует кольцевую стопорную поверхность (грань) для уплотняющего кожуха 56. Внутри цилиндрической, аксиально направленной, открытой наружу со стороны торца цапфы 5а полости 57 установлен поршень 58 высокого давления, соединенный с листовой рессорой 59. Свободный конец поршня 58 контактирует с кольцевой канавкой 60, выполненной на противолежащей поверхности днища чашеобразного несущего тела шарошки 6а. На донной поверхности кольцевой канавки 60 выполнен один или более выступ 61, расположенные по окружности и служащие следующей цели. В процессе работы расширителя скважины все устройство приводится во вращение, шарошки 6а-6с вращаются вдоль стенки скважины, поворачиваясь на соответствующих цапфах 5а-5с. Затем поршень 58 скользит вдоль кольцевой канавки 60. Выступы 61 будут после прохода поршня 58 возвращать его в полость 57. Посредством этого смазка продавливается через поперечный канал 55 наружу на бабитовую втулку 34 и распределяется туда, где смазка более всего нужна. Когда поршень 58 проходит выступ 60, пружина 59 будет снова возвращать назад поршень 58, в результате уменьшения давления в канале 55, смазка будет выдавливаться из резервуара 43 в направлении канала 48 зазора 49, полости 50 и через невозвратный клапан 51 в канал 55, где полость, следующая за поршнем 58, наполняется смазкой. ЫЫЫ2

Использование: в горной и строительной промышленности при бурении скважин. Сущность изобретения: расширитель включает корпус с осевым каналом и средством для подсоединения к бурильной колонне, консольно закрепленные на корпусе цапфы, на свободном конце которых на подшипниках установлены шарошки, стабилизатор и изнашивающееся кольцо. Расширитель снабжен установленным в каждой цапфе устройством для смазки подшипника шарошки, выполненным в виде образованного полостью в теле цапфы и заполненного смазкой резервуара и размещенным в полости цапфы подпружиненным поршнем. Полость резервуара сообщена радиальным каналом с имеющей ниппель для подачи смазки смазочной полостью подшипника шарошки и осевым каналом с полостью, образованной торцевой поверхностью цапфы и внутренней торцевой поверхностью шарошки. В теле цапфы выполнен дополнительный радиальный канал, полость которого сообщена со смазочной полостью подшипника в точке, диаметрально противоположной первому каналу, и посредством дополнительного осевого канала с установленным в нем обратным клапаном - с полостью, образованной торцевой поверхностью цапфы и внутренней торцевой поверхностью шарошки. 3 з-х п. ф-лы. 4 ил.

1. Расширитель скважины, включающий корпус с осевым каналом и средством для подсоединения к бурильной колонне, консольно закрепленные на корпусе цапфы, на свободном конце которых на подшипниках установлены шарошки, стабилизатор и изнашивающееся кольцо, отличающийся тем, что он снабжен установленным в каждой цапфе устройством для смазки подшипника шарошки, выполненным в виде образованного полостью в теле цапфы и заполненного смазкой резервуара и размещенного в полости цапфы подпружиненного поршня, при этом полость резервуара сообщена радиальным каналом с имеющей ниппель для подачи смазки смазочной полостью подшипника шарошки и осевым каналом с полостью, образованной торцевой поверхностью цапфы и внутренней торцевой поверхностью шарошки, а в теле цапфы выполнен дополнительный радиальный канал, полость которого сообщена со смазочной полостью подшипника в точке, диаметрально противоположной первому каналу, и посредством дополнительного осевого канала с установленным в нем обратным клапаном с полостью, образованной торцевой поверхностью цапфы и внутренней торцевой поверхностью шарошки. 2. Расширитель по п. 1, отличающийся тем, что он снабжен дополнительным подпружиненным поршнем, установленным в выполненной открытой со стороны торца цапфы полости с возможностью взаимодействия с одним по крайней мере скошенным кулачком, выполненным на внутренней торцевой поверхности шарошки, причем полость с установленным в ней дополнительным подпружиненным поршнем сообщена каналом с полостью дополнительного радиального канала. 3. Расширитель по п. 1, отличающийся тем, что узел крепления цапфы к корпусу выполнен в виде установленного в сквозных поперечных соосных отверстиях в корпусе и цапфе клина, при этом посадочная поверхность цапфы и корпуса выполнена конусной, а отверстие в цапфе выполнено со скошенной поверхностью, взаимодействующей со скошенной поверхностью клина, угол между которой и осью цапфы отличается от угла, равного 90°. 4. Расширитель по п. 1, отличающийся тем, что стабилизатор и изнашивающееся кольцо установлены на корпусе посредством кулачковой муфты.