ШАРОШЕЧНЫЙ РАСШИРИТЕЛЬ Российский патент 1998 года по МПК E21B10/28 

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту, а именно к расширителям шарошечного типа.

Известен шарошечный расширитель, включающий полый корпус с резьбовыми концами и продольными пазами, в которых на съемных осях закреплены многовенцовые шарошки (см. авт. св. СССР N 827746, кл. E 21 B 10/28, 1979).

Недостатком данного долота является низкая эффективность, связанная с образованием "рейки" на боковых стенках скважины, что ухудшает ее качество и повышает затраты времени на спуско-подъемные операции.

Наиболее близким к предложенному по технической сущности и достигаемому результату является шарошечный расширитель, содержащий полый корпус с присоединительными резьбами на концах и продольными пазами на наружной поверхности, в которых на съемных осях, закрепленных параллельно продольной оси корпуса, установлены сменные шарошки с породоразрушающими и калибрующими венцами (см. патент США N 2093603, кл. 175-347, опублик. 1937).

В данном расширителе зубья на венцах расположены под углом к продольной оси шарошки, причем на соседних венцах каждой шарошки наклон зубьев имеет разное направление. Это обеспечивает бурение скважин с получением более гладких стенок, т.е. более эффективное разрушение "рейки".

Однако и данный расширитель имеет ряд недостатков, к которым, в первую очередь, следует отнести невысокие показатели по проходке и механической скорости бурения. Это связано с тем, что примененная схема поражения забоя скважины, калибровки ее стенок и очистки от шлама является неоптимальной. Ее недостатки особо проявляются при разбуривании мягких и средней твердости пород, по которым, в основном, и осуществляется расширение стволов скважин.

Техническим результатом изобретения является повышение эффективности работы расширителя за счет обеспечения оптимальных условий для разрушения породы и ее удаления на поверхность.

Поставленный технический результат достигается тем, что в шарошечном расширителе, содержащем полый корпус с присоединительными резьбами на концах и продольными пазами на наружной поверхности, в которых на съемных осях, закрепленных параллельно продольной оси корпуса, установлены сменные шарошки с породоразрушающими и калибрующими венцами, согласно изобретению породоразрушающий венец каждой из шарошек выполнен с большим количеством зубьев по сравнению со смежным калибрующим венцом, при этом продольная плоскость симметрии каждого из зубьев калибрующего венца совмещена с осью вращения шарошки, а продольная плоскость симметрии каждого из зубьев породоразрушающего венца смещена относительно оси вращения шарошки в направлении вращения корпуса расширителя.

Достижению указанного результата способствует также и то, что:
- количество зубьев на породоразрушающем и смежном калибрующем венцах шарошки соотносятся между собой как простые числа;
- расширитель снабжен жестко закрепленными в продольных пазах корпуса вкладышами с отверстиями под оси шарошек, причем поверхности вкладышей, обращенные к стенке скважины, армированы износостойкими вставками;
- корпус расширителя выполнен с наклонными промывочными каналами, направленными между шарошками в сторону разрушаемого при бурении кольцевого уступа скважины и оснащенными сменными гидромониторными узлами.

На фиг. 1 изображается общий вид расширителя в продольном разрезе; на фиг. 2, 3 и 4 соответственно сечения А-А, Б-Б и В-В на фиг. 1.

Шарошечный расширитель включает корпус 1 шарошки 2 с осями 3 и вкладыши 4.

Корпус 1 выполнен с осевым каналом 5, присоединительными резьбами 6 на верхнем и нижнем концах, продольными пазами 7 на наружной поверхности для размещения шарошек 2 и расположенными между ними наклонными промывочными каналами 8, направленными в сторону образуемого расширителем кольцевого уступа и оснащенными сменными гидромониторными узлами, размещенными в патрубках 9, приваренных к корпусу 1 расширителя.

Шарошки 2 крепятся на осях 3 посредством пальцев 10, устанавливаемых в радиальных каналах 11 шарошек и совмещенных с ними кольцевых проточках 12 осей 3. Шарошки 2 совместно с осями 3 разъемно соединены с вкладышами 4 посредством гаек 13 с контрящими шайбами 14, а сами вкладыши 4 соединены с корпусом 1 жестко. Это позволяет осуществлять передачу осевой нагрузки от шарошек непосредственно на корпус 1 расширителя.

Каждая шарошка 2 на своей боковой цилиндрической поверхности имеет один породоразрушающий венец 15, расположенный со стороны забоя и осуществляющий непосредственно разрушение кольцевого уступа, т.е. расширение скважины, а также по крайней мере один калибрующий венец 16, участвующий только в калибровке стенок скважины. Породоразрушающий венец 15 шарошки 2 выполнен с большим количеством зубьев, чем венец 16, причем количество зубьев на венцах 15 и 16 соотносится между собой как простые числа. Так, например, при количестве зубьев на венце 16, равном 13, на венце 15 должно быть 17 или 19 зубьев. Это обеспечивает эффективное разрушение венцом 16 "рейки", которая формируется породоразрушающими венцами 15, имеющими на всех шарошках одинаковое количество зубьев. Причем с целью повышения эффективности разрушения породы, продольная плоскость симметрии 17 зубьев породоразрушающего венца 15 расположена с параллельным смещением относительно продольной оси 18 шарошки в сторону вращения корпуса 1, а у калибрующего венца 16 продольная плоскость 19 симметрии зубьев совмещена с продольной осью шарошки. Такое выполнение венцов 15 и 16, с одной стороны, позволяет снизить энергоемкость процесса разрушения породы, а с другой стороны, упростить по сравнению с прототипом конструкцию и технологию изготовления шарошек, а следовательно, и всего расширителя.

Вкладыш 4 выполнен с двумя жестко соединенными с ним боковыми пластинами 20, посредством которых он крепится в пазах 7 корпуса 1, например, сваркой. Сам вкладыш 4 со стороны стенок скважины армирован износостойкими вставками 21, обеспечивающими дополнительную калибровку стенок скважины.

Ось 3 шарошки 2 в средней части выполнена с буртом 22, а в верхней части - с резьбой под гайку 13. Бурт 22 служит для восприятия нагрузки, передаваемой от шарошки 2, и защиты ее опоры от шлама, а гайка 13 с контрящей шайбой 14 - для фиксации оси 3 относительно корпуса 1.

Сменный гидромониторный узел включает насадку 23, уплотнительное кольцо 24 и стопор 25 для фиксации насадки 23. Выходная часть промывочного узла располагается выше нижнего торца шарошек 2. При этом каналы 8 выполнены под углом, обеспечивающим направление промывочной жидкости в сторону периферийной части забоя на кольцевой уступ, образованный стенкой скважины и поверхностью забоя.

Данный расширитель может быть использован как совместно с пилот-долотом 26, так и самостоятельно непосредственно для расширения уже пробуренной скважины. В последнем случае к нижнему концу расширителя присоединяется пилотный направляющий наконечник (не показан). Монтаж расширителя осуществляется в следующей последовательности. Вначале отдельно на осях 3 устанавливаются шарошки 2 посредством пальцев 10. После этого оси 3 с шарошками 2 с помощью гаек 13 фиксируются во вкладышах 4. После сборки гидромониторных узлов в патрубке 9 и присоединения к корпусу 1 пилотного наконечника или долота 26 расширитель готов к работе.

Принцип работы расширителя заключается в следующем. При вращении бурильной колонны, на которой спускается в скважину расширитель, шарошки 2 под действием осевой нагрузки и крутящего момента производят расширение скважины. При этом нижняя часть "рейки", образуемая породоразрушающими венцами 15, обеспечивает заданную кинематику вращения шарошек, а верхняя часть "рейки" ликвидируется калибрующими венцами шарошек и твердосплавным вооружением вкладышей 4, обеспечивая тем самым качественный ствол скважины. Породоразрушающий венец 15 каждой шарошки 2 благодаря выполнению его зубьев с плоскостями симметрии 17, расположенными с параллельным смещением относительно продольной оси 18 шарошки 2, осуществляет эффективное разрушение кольцевого уступа с обеспечением складывающего воздействия на породу вследствие их проскальзывания по обрабатываемой поверхности. Одновременно с этим калибрующий венец 16 входит в контакт со стенкой расширенной части ствола скважины и калибрует ее, разрушая "рейку", которая образуется на стенке скважины вследствие одинакового количества зубьев на всех породоразрушающих венцах 16. Эффективность разрушения "рейки" достигается также благодаря разному количеству зубьев на венцах 15 и 16 и выбору соотношения между ними как между простыми числами. Окончательную калибровку стенок скважины осуществляют износостойкие элементы 21 вкладышей 4, разрушающие породу фрезерованием. Разрушенная порода выносится на поверхность промывочной жидкостью, подаваемой через промывочные каналы 8 и одновременно служащей для охлаждения зубьев шарошек 2.

Такое выполнение расширителя позволяет увеличить эффективность его работы, а именно проходку и механическую скорость, благодаря снижению энергоемкости процесса разрушения породы.

В случае необходимости шарошки расширителя и промывочные узлы могут быть заменены непосредственно на буровой, что также позволяет повысить эффективность их использования и снизить стоимость буровых работ.

Использование: для расширения скважин, преимущественно по породам средней твердости и мягким. Расширитель содержит корпус с продольными пазами, в которых посредством осей и вкладышей закреплены шарошки с венцами. Нижний породоразрушающий венец имеет большее количество зубьев, чем смежный калибрующий венец, причем плоскость симметрии зубьев нижнего венца совмещена с продольной осью шарошки, а у смежного венца плоскость симметрии зубьев смещена параллельно оси шарошки. Ось крепится с шарошкой посредством пальцев и фиксируется от осевого перемещения относительно вкладыша гайкой. Вкладыш жестко крепится к корпусу через пластины и оснащен со стороны стенок скважины твердосплавными вставками. Очистка забоя от шлама осуществляется промывочной жидкостью, подаваемой через гидромониторные узлы, расположенные в патрубках между шарошками. Расширитель может использоваться как самостоятельно, так и совместно с пилот-долотом. Повышается .эффективность работы расширителя. 3 з. п. ф-лы, 4 ил.

1. Шарошечный расширитель, содержащий полый корпус с присоединительными резьбами на концах и продольными пазами на наружной поверхности, в которых на съемных осях, закрепленных параллельно продольной оси корпуса, установлены сменные шарошки с породоразрушающими и калибрующими венцами зубьев, отличающийся тем, что породоразрушающий венец каждой из шарошек выполнен с большим количеством зубьев по сравнению со смежным калибрующим венцом, при этом продольная плоскость симметрии каждого из зубьев калибрующего венца совмещена с осью вращения шарошки, а продольная плоскость симметрии каждого из зубьев породоразрушающего венца смещена относительно оси вращения шарошки в направлении вращения корпуса расширителя. 2. Расширитель по п. 1, отличающийся тем, что количество зубьев на породоразрушающем и смежном калибрующем венцах шарошки соотносятся между собой как простые числа. 3. Расширитель по п. 1, отличающийся тем, что он снабжен жестко закрепленными в продольных пазах корпуса вкладышами с отверстиями под оси шарошек, причем поверхности вкладышей, обращенные к стенке скважины, армированы износостойкими вставками. 4. Расширитель по п. 1, отличающийся тем, что корпус выполнен с наклонными промывочными каналами, направленными между шарошками в сторону разрушаемого при бурении кольцевого уступа скважины и оснащенными сменными гидромониторными узлами.