ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ РАСШИРИТЕЛЬ-СТАБИЛИЗАТОР Российский патент 1998 года по МПК E21B10/26 

Изобретение относится к расширителям при алмазном бурении, предназначенным для калибрования скважины по диаметру, предотвращения преждевременного износа алмазных коронок по диаметру в процессе бурения и стабилизации работы нижней части бурильной колонны с целью снижения вибрации и уменьшения искривления ствола скважины.

Известны кольцевые расширители типа РСА, РСА-1, РАСК, Р-03 и РЦК (Буровой инструмент для геологоразведочных скважин: Справочник.-М.: Недра, 1990. -с. 67-70). Расширитель представляет собой стальной корпус с резьбой на обоих концах для присоединения к коронке и колонковой трубе. В корпус расширителя впаивают штабики с алмазами. В настоящее время промышленностью выпускаются расширители "полосчатого" типа, у которых алмазы расположены параллельно образующей цилиндра корпуса.

Известны также алмазные калибраторы (см. там же), которые состоят из цельнометаллического корпуса, на котором надеты три съемных стальных цилиндрических кольца, на наружной поверхности которых имеются пазы с впаянными алмазосодержащими металлокерамическими штабиками (секторами), подобно стандартным алмазным расширителям.

Недостатком таких расширителей и калибраторов является их низкий рабочий ресурс вследствие быстрого износа породоразрушающих вставок, особенно в абразивных породах, из-за неравномерного контактирования со стенками скважины по длине рабочей части и ее поверхности, а также разнородности выполняемых ими функций.

Наиболее близкими по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому расширителю являются алмазные коронки по а. с. N 1795072 (прототип) с породоразрушающими элементами, расположенными конгруэнтно образующим поверхностям наклонных промывочных пазов, направленных навстречу вращению. Начальный угол наклона пазов < 90^o. Каждая осевая линия размещения породоразрушающих элементов удалена от последующей на расстояние не менее 2d (d - поперечный размер породоразрушающего элемента, мм), породоразрушающие элементы на примыкающих линиях их размещения расположены с возможностью перекрытия на величину не менее 1/6d.

Недостатком прототипа является то, что контактная поверхность породоразрушающих элементов со стенками скважины по длине рабочей части расширителя располагается неоднородно, что приводит к неравномерному износу породоразрушающих элементов, а следовательно, к снижению общего ресурса расширителя.

Кроме того, гидродинамическая характеристика промывочных пазов алмазной коронки прототипа не удовлетворяет условию стабилизации низа колонкового снаряда за счет гидродинамических эффектов напорных потоков промывочной жидкости, прокачиваемой через промывочные пазы расширителя.

Из теории затопленных струй (Козодой А. К., Зубарев А. В., Федоров В. С. Промывка скважин при бурении. - М.: Гостоптехиздат, 1963) известно, что струя жидкости, истекающая из канала, сохраняет постоянство гидродинамического давления на расстоянии (6-7)d₀, где d₀ - диаметр промывочного канала, мм. Промывочные пазы расширителя имеют прямоугольную форму, число их определяется числом рабочих секторов, т.е. суммарная площадь их сечения вычисляется из выражения: S = n•a•b, где n - число пазов; a- ширина паза, мм, b- высота паза, мм. При условии принятия их в виде круглого сечения можно выразить через эквивалентный диаметр суммарной площади сечения последних S = 0,785d_э.

Отсюда условие сохранения постоянства гидродинамического давления для расширителя с прямоугольными промывочными пазами будет выглядеть следующим образом:
(6 - 7)d_э,
где

Для лучшего прохождения расширителя по стволу скважины во время спуска рабочая часть расширителя со стороны алмазной коронки должна быть выполнена в виде конуса.

Изобретение направлено на повышение ресурса расширителя и стабилизацию низа колонкового снаряда относительно оси скважины за счет рационального размещения породоразрушающих элементов в секторах и улучшения гидродинамической характеристики промывочных пазов.

Поставленная задача достигается тем, что в известном техническом решении, включающем цилиндрический корпус с присоединительной резьбой, снабженный секторами, разделенными промывочными пазами с начальным углом наклона α < 90^o, направленными навстречу вращению, и породоразрушающие вставки на секторах, размещенные на линиях, конгруэнтных образующим поверхностям промывочных пазов, со смещением одна относительно другой не менее 1/6 их диаметра, породоразрушающие вставки установлены заподлицо с наружными поверхностями секторов со взаимным перекрытием одна на другую в каждом продольном и поперечном сечении относительно стенок скважины, причем рабочая часть расширителя со стороны забоя скважины на одну треть высоты выполнена под конус, а высота h рабочей части и угол конусности β определяются из соотношений:

где
d_э - эквивалентный диаметр суммарной площади сечения промывочных пазов, мм;
n - минимальное число породоразрушающих вставок в ряду армирования по длине секторов;
α - начальный угол наклона промывочных пазов и секторов, град;
D - диаметр калибрующей части расширителя по породоразрушающим вставкам, мм;
d - диаметр корпуса расширителя, мм.

Установление породоразрушающих вставок заподлицо с наружными поверхностями секторов и выполнение рабочей части расширителя со стороны забоя скважины на одну треть высоты под конус обеспечивают лучшую проходимость расширителя по стволу скважины как во время его спуска в скважину, так и в процессе бурения. Взаимное перекрытие вставок одна на другую в каждом продольном и поперечном сечении относительно стенок скважины обеспечивает наибольшую площадь контакта с породой, что увеличивает их ресурс. Соотношение определяет рациональную высоту рабочей части расширителя. Соотношение устанавливает рациональный угол конусности нижней рабочей части расширителя, позволяющий нормальное прохождение расширителя по стволу скважины.

Все это в совокупности повышает ресурс расширителя и стабилизацию низа колонкового снаряда относительно оси скважины.

На фиг. 1 показан общий вид расширителя, на фиг.2 - сечение расширителя по линии А-А, на фиг.3 - развертка наружной поверхности рабочей части расширителя, на фиг. 4, 5, 6 - проекции рабочей части расширителя, соответствующие сечениям I-I, II-II, III-III.

Расширитель состоит из цилиндрического корпуса 1 с присоединительными резьбами 2, 3, секторов 4, разделенных промывочными пазами 5, с начальным углом наклона, меньшим 90^o, и породоразрушающих вставок 6, размещенных на линиях, конгруэнтных образующим поверхностям промывочных пазов 5, со смещением одной относительно другой не менее 1/6 их диаметра. Породообразующие вставки 6 установлены заподлицо с наружными поверхностями секторов 4 со взаимным перекрытием одна на другую в каждом продольном и поперечном сечениях относительно стенок скважины. Рабочая часть расширителя со стороны забоя скважины на одну треть выполнена под конус. Высота h рабочей части расширителя и угол конусности β определяются из соотношения:

где
d_э - эквивалентный диаметр суммарной площади сечения промывочных пазов, мм;
n - минимальное число породоразрушающих вставок в ряду армирования по длине секторов;
α - начальный угол наклона промывочных пазов и секторов;
D - диаметр рабочей части расширителя, мм;
d - диаметр корпуса расширителя, мм.

Расширитель-стабилизатор работает следующим образом. Расширитель, соединенный с буровым снарядом через резьбу 2, получает вращение, при этом буровая коронка, соединенная с расширителем через резьбу 3, разрушает забой, а вставки 6 срезают породу по стенкам скважины с равномерной контактной площадью вставок 6 с породой как в вертикальных, так и горизонтальных сечениях корпуса 1 расширителя, чем и достигается равномерность износа расширителя и, следовательно, повышение его общего ресурса. Промывочная жидкость, проходя через пазы 5, охлаждает породоразрушающие вставки 6, выносит разрушенную породу в кольцевое пространство над расширителем. Гидродинамическое давление, возникающее в промывочных пазах 5, создает удерживающий крутящий момент, пропорциональный скорости течения жидкости в пазах 5, которая зависит от расхода промывочной жидкости и от пути пробега жидкости в пазах 5. Этот удерживающий момент позволяет центрировать низ бурильной колонны относительно оси скважины по мере ее углубки.

Перепад давления, возникающий в промывочных пазах, снижает гидродинамическое давление на забой скважины, что благоприятно сказывается на разрушении горной породы на забое алмазной коронкой, увеличивая ее производительность и общий ресурс.

Расширитель-стабилизатор в различных модификациях был изготовлен и испытан в промышленных условиях.

Диаметр рабочей части D=76 мм, диаметр корпуса d=70 мм, высота h рабочей части изменялась в зависимости от числа вставок n (при диаметре вставок 5,1 мм n изменялось от 2 до 4) и определялась по формуле:

При этом угол α составлял 45^o, размер промывочного паза имел следующие параметры: a= 5 мм; b = 1,5 мм, число рабочих секторов 6 и 8; высота конусности рабочей части составляла 1/3h, все вставки устанавливали заподлицо с поверхностью секторов, а угол β определялся из выражения:

В результате испытаний было получено увеличение ресурса в 2,5 раза, снижение расхода истирающих (алмазы) на 70%, увеличение механической скорости бурения на 10%, снижение интенсивности азимутального и зенитного искривления скважины на 10%.

Гидродинамический расширитель-стабилизатор включает цилиндрический корпус с присоединительной резьбой, снабженный секторами, разделенными промывочными пазами с начальным углом наклона α < 90^o, направленными навстречу вращению, и породоразрушающие вставки на секторах, размещенные на линиях, конгруэнтных образующим поверхностям промывочных пазов, со смещением одна относительно другой не менее 1/6 их диаметра. Породоразрушающие вставки установлены заподлицо с наружными поверхностями секторов со взаимным перекрытием одна на другую в каждом продольном и поперечном сечении относительно стенок скважины. Причем рабочая часть расширителя со стороны забоя скважины на одну треть высоты выполнена под конус, а высота h рабочей части и угол конусности β определяются из соотношений: где d_э - эквивалентный диаметр суммарной площади сечения промывочных пазов, мм; n - минимальное число породоразрушающих вставок в ряду армирования по длине секторов; α - начальный угол наклона промывочных пазов и секторов, град; D - диаметр рабочей части расширителя, мм; d - диаметр корпуса расширителя, мм. Изобретение позволяет увеличить ресурс расширителя, снизить расход истирающих, увеличить скорость бурения и снизить интенсивность искривления скважины. 6 ил.

Гидродинамический расширитель-стабилизатор, включающий цилиндрический корпус с присоединительной резьбой, снабженный секторами, разделенными промывочными пазами с начальным углом наклона α ≤ 90^°, направленными навстречу вращению, и породоразрушающие вставки на секторах, размещенные на линиях, конгруэнтных образующим поверхностям промывочных пазов, со смещением одна относительно другой не менее 1/6 их диаметра, отличающийся тем, что породоразрушающие вставки установлены заподлицо с наружными поверхностями секторов со взаимным перекрытием одна другую в каждом продольном и поперечном сечении относительно стенок скважины, причем рабочая часть расширителя со стороны забоя скважины на 1/3 высоты выполнена под конус, а высота h рабочей части и угол конусности β определяются из соотношений

где d_э - эквивалентный диаметр суммарной площади сечения промывочных пазов, мм;
n - минимальное число породоразрушающих вставок в ряду армирования по длине секторов;
α - начальный угол наклона промывочных пазов и секторов, град;
D - диаметр рабочей части расширителя, мм;
d - диаметр корпуса расширителя, мм.