РАСШИРИТЕЛЬ СКВАЖИН Российский патент 1998 года по МПК E21B7/28 

Изобретение относится к буровой технике, в частности, к устройствам для увеличения диаметра скважин в заданном интервале.

Известен расширитель скважин, включающий полый корпус с внутренним выступом и радиальными отверстиями, в которых размещены выдвижные шарошки с хвостовиками, размещенный в плоскости корпуса с фиксацией от проворота кольцевой поршень с боковым отверстием, упорами на наружной поверхности и средством для подсоединения к бурильной колонне, цилиндр, соединенный с корпусом и образующий с кольцевым поршнем гидравлическую камеру, сообщенную его боковым отверстием с полостью корпуса, установленный в кольцевом поршне с возможностью взаимодействия с хвостовиками шарошек и внутренним выступом корпуса фиксатор и устройство для стопорения шарошек в нерабочем положении, выполненное в виде установленного в цилиндре подпружиненного стопорного элемента и ответного стопорному элементу углубления, выполненного на наружной поверхности кольцевого поршня и сообщенного радиальным каналом этого поршня с полостью корпуса [1].

Недостатком известного расширителя является его низкая работоспособность из-за заклинивания его стопорного элемента в углублении кольцевого поршня, так как вследствие большой разности площадей верхнего кольцевого упора на кольцевом поршне и торце стопорного элемента последний не успевает выйти из углубления кольцевого поршня и заклинивает движение цилиндра вверх, в результате чего шарошки не могут быть выведены в рабочее положение. А увеличить торцевую площадь стопорного элемента конструктивно невозможно из-за малой толщины стенки цилиндра, что обусловлено диаметром скважины.

Наиболее близким к предлагаемому по большинству совпадающих существенных признаков является расширитель, содержащий ту же совокупность существенных признаков, что и описанный аналог, но стопорное устройство шарошек в котором выполнено в виде закрепленных на верхнем торце цилиндра и размещенных в диаметральной плоскости расширителя двуплечих рычагов, верхние плечи которых подпружинены в направлении продольной оси расширителя, упора, жестко закрепленного на кольцевом поршне, и дополнительного кольцевого поршня, размещенного в гидрокамере, образуемой стенками цилиндра и кольцевого поршня и сообщенной радиальным отверстием этого поршня с полостью корпуса, причем верхние плечи рычагов установлены с возможностью взаимодействия с упором, а нижние - с дополнительным поршнем [2].

Недостатком этого расширителя также является низкая работоспособность из-за зашламления узла стопорения в процессе работы расширителя разрушаемой породой, осаждаемой из промывочной жидкости и забиваемой в зазоры в местах крепления рычагов и дополнительного поршня, следствием чего является преждевременный износ стенок основного поршня и цилиндра, образующих гидрокамеру, а также заклинивание дополнительного поршня в гидрокамере.

Цель изобретения - повышение работоспособности расширителя.

Достигается это тем, что в расширителе скважин, включающем полый корпус с внутренним выступом и радиальными отверстиями, в которых установлены выдвижные шарошки с хвостовиками, размещенный в полости корпуса с фиксацией от проворота кольцевой поршень с боковым отверстием, верхним и нижним упорами на наружной поверхности и средством подсоединения к бурильной колонне, цилиндр, соединенный с корпусом и образующий с кольцевым поршнем гидравлическую камеру, сообщенную его боковым отверстием с полостью корпуса, установленный в кольцевом поршне с возможностью взаимодействия с хвостовиками шарошек и внутренним выступом фиксатор и устройство для стопорения шарошек в нерабочем положении, содержащее дополнительный кольцевой поршень, расположенный в гидрокамере расширителя, согласно изобретению устройство для стопорения шарошек в нерабочем положении выполнено в виде радиально подпружиненных кольцевых сегментов, расположенных в наружных пазах кольцевого поршня и ответных этим сегментам углублений - в цилиндре, причем дополнительный кольцевой поршень размещен в гидрокамере ниже бокового отверстия основного поршня, а между дополнительным поршнем и кольцевыми сегментами устройства стопорения шарошек установлен толкатель для вывода указанных сегментов из зацепления с цилиндром расширителя.

Другим отличием предлагаемого расширителя является то, что дополнительный кольцевой поршень его устройства стопорения шарошек выполнен в виде самоуплотняющейся манжеты из эластичного материала, имеющей опорную шайбу в виде кольцевых сегментов, прикрепленных к ее торцевой поверхности и взаимодействующих с толкателем устройства стопорения шарошек.

Это позволяет производить сборку расширителя, в частности, надевание дополнительного поршня на основной через верхний упор, без дополнительных технологических разъемов на основном поршне, что упрощает конструкцию расширителя.

Кроме того, совмещение самоуплотняющейся манжеты с опорной шайбой придает ей новые свойства: манжета, кроме своей основной функции - уплотнения, выполняет новую, дополнительную функцию поршня.

Еще одним отличием предлагаемого расширителя является то, что толкатель устройства стопорения шарошек в нерабочем положении выполнен в виде кольца и установлен в гидрокамере с возможностью взаимодействия его верхнего торца с дополнительным кольцевым поршнем, а нижнего - с кольцевыми сегментами устройства стопорения шарошек, причем контактирующие поверхности толкателя и кольцевых сегментов выполнены коническими.

Это позволяет повысить эффективность вывода кольцевых сегментов устройства стопорения шарошек из зацепления с цилиндром расширителя, так как в таком исполнении толкатель воздействует на сегменты по максимальной площади, и, кроме того, в данном случае используется эффект клина.

На фиг. 1 показан расширитель в транспортном положении, продольный разрез; на фиг. 2 - то же, при расширении скважины; на фиг. 3 - сечение по А-А на фиг. 2; на фиг. 4 - фрагмент расширителя, где укрупненно показано устройство стопорения шарошек в нерабочем положении, продольный разрез; на фиг. 5 - сечение по В-В на фиг. 4; на фиг. 6 - вид снизу на торцевую поверхность дополнительного кольцевого поршня.

Расширитель скважины (фиг. 1) содержит полый корпус 1 с внутренним кольцевым выступом 2, имеющим проходные каналы 3, и радиальными отверстиями 4 в его стенке, в которых установлены с помощью хвостовиков 5 выдвижные шарошки 6. В полости 7 корпуса размещен механизм (не показан) выдвижения шарошек из радиальных отверстий 4 корпуса, содержащий кольцевой поршень 8 с боковым отверстием 9 и установленный в нем с помощью гайки 10 фиксатор 11, служащий для фиксирования шарошек 6 в выдвинутом положении, имеющий верхний 12 и нижний 13 кольцевые выступы. В верхнем выступе 12 выполнены продольные каналы 14. На наружной поверхности поршня 8 выполнены верхний 15 и нижний 16 кольцевые упоры, а на корпусе 1 с помощью резьбы 17 установлен цилиндр 18, имеющий верхний 19 и нижний 20 внутренние кольцевые выступы, взаимодействующие соответственно с верхним 15 и нижним 16 упорами поршня 8. Причем цилиндр 18 с поршнем 8 образует гидравлическую камеру 21, сообщенную отверстием 9 поршня 8 с его центральным каналом 22, в которой размещено устройство (не показано) для стопорения шарошек в нерабочем положении. Это устройство состоит (фиг. 1, 4, 5) из установленных в кольцевых пазах 23 поршня 8 радиально подпружиненных пружинами 24 кольцевых сегментов 25, входящих своими выступающими из пазов 23 кромками 26 (фиг. 4, 5) в ответные им углубления 27, выполненные в цилиндре 18, и расположенного ниже бокового отверстия 9 поршня 8 дополнительного кольцевого поршня 28 в виде самоуплотняющейся манжеты, изготовленной из эластичного материала (например, резины), к нижнему торцу которой прикреплена опорная шайба 29, выполненная в виде кольцевых сегментов 30 (фиг. 6).

Между дополнительным поршнем 28 и сегментами 25 размещен толкатель 31 (фиг.1, 4), выполненный в виде кольца. Причем контактирующие поверхности толкателя 31 и сегментов 25 выполнены коническими - 32, 33 соответственно (фиг. 4).

Корпус 1 и поршень 8 имеют элементы зацепления для совместного вращения, выполненные в виде сопрягаемых поверхностей 34 и 35 (фиг. 3) некруглого сечения, например, шестигранников, а также резьбы 36 и 37 (фиг. 1) для соединения расширителя с колонной бурильных труб и скважинным оборудованием соответственно.

Расширитель скважины работает следующим образом.

С помощью резьбы 36 расширитель присоединяют к колонне бурильных труб (не показана) и спускают в скважину. При этом корпус 1 с цилиндром 18 зафиксирован от продольных перемещений относительно кольцевого поршня 8: вниз - его кольцевым упором 15, в который упирается внутренний кольцевой выступ 19 цилиндра 18, вверх - кольцевыми сегментами 25, кромки 26 (фиг. 4, 5) которых находятся в углублениях 27 цилиндра 18. Благодаря этому при возникновении условий, препятствующих свободному спуску расширителя в скважину (искривление ствола, каверны и т.д.), приложение усилий для проталкивания инструмента не повлечет преждевременное выдвижение шарошек 6 из радиальных отверстий 4 корпуса, так как стопорное устройство срабатывает только от создания внутреннего гидравлического давления.

На заданной глубине скважины колонну бурильных труб начинают вращать с одновременной подачей в нее промывочной жидкости, которая через центральный канал 22 поршня 8, продольные каналы 14 в выступе 12 фиксатора 11, кольцевой зазор между гайкой 10 и фиксатором 11, полость 7 корпуса 1 и далее через продольные каналы 3 в корпусе 1 поступает в промывочные отверстия долота (не показано). При этом верхний кольцевой выступ 12 фиксатора 11 упирается в гайку 10. Под действием перепада давления, возникающего в центральном канале 22 поршня 8 и распространяющегося через его боковое отверстие 9 в гидрокамеру 21, дополнительный кольцевой поршень 28 перемещается вниз и, воздействуя своей опорной шайбой 29 на толкатель 31, также перемещает его вниз. При этом толкатель 31, скользя своей конической поверхностью 32 (фиг. 4) по конической поверхности 33 сегментов 25, перемещает их в сторону продольной оси расширителя, сжимая пружины 24, до полного выхода кромок 26 сегментов 25 из углублений 27 цилиндра 18 (фиг. 2, 4). Выйдя таким образом из зацепления с кольцевым поршнем 8, корпус 1 с цилиндром 18 под действием того же перепада давления перемещается вверх до упора внутреннего выступа 20 цилиндра 18 в наружный упор 16 поршня 8. Одновременно фиксатор 11, воздействуя на хвостовики 5, выводит шарошки 6 из отверстий 4 в рабочее положение.

К моменту полного выдвижения шарошек 6 из радиальных отверстий 4 корпуса 1 нижний кольцевой выступ 13 фиксатора 11 упирается во внутренний кольцевой выступ 2 корпуса 1 и поднимает фиксатор так, что его верхний кольцевой выступ 12 оказывается выше гайки 10, образуя зазор между нижним торцом выступа 12 и гайкой 10. Вследствие этого давление нагнетания жидкости уменьшается, что свидетельствует о полном выдвижении шарошек 6 в рабочее положение. Далее подачей инструмента вниз расширяют скважину в заданном интервале.

После окончания расширения скважины нагнетание жидкости прекращают и расширитель поднимают из нее. При этом шарошки 6, достигнув нерасширенной части 38 ствола скважины, остановят движение вверх корпуса 1 с цилиндром 18, тогда как поршень 8 с фиксатором 11 продолжает перемещаться вверх относительно них. Благодаря этому хвостовик 5 с шарошками 6, освободившись от воздействия на них фиксатора 11, под действием сил реакции стенок нерасширенной части 38 скважины возвратятся в исходное положение внутрь корпуса 1.

Расширитель скважин предназначен для увеличения диаметра скважин в заданном интервале. В полом корпусе установлены выдвижные шарошки с хвостовиками. С корпусом соединен цилиндр, в котором размещен кольцевой поршень, образующий с цилиндром гидравлическую камеру. В кольцевом поршне с возможностью взаимодействия с хвостовиками шарошек установлен фиксатор и устройство для стопорения шарошек в нерабочем положении. Указанное устройство для стопорения шарошек выполнено в виде радиально подпружиненных кольцевых сегментов и дополнительного кольцевого поршня. Между дополнительным кольцевым поршнем и кольцевыми сегментами установлен толкатель для вывода сегментов из зацепления с цилиндром расширителя. Дополнительный кольцевой поршень может быть выполнен в виде самоуплотняющейся манжеты. Технический результат от использования изобретения - повышение работоспособности расширителя. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Расширитель скважины, включающий полый корпус с внутренним выступом и радиальными отверстиями, в которых установлены выдвижные шарошки с хвостовиками, размещенный в полости корпуса с фиксацией от проворота кольцевой поршень с боковым отверстием, верхним и нижним упорами на наружной поверхности и средством подсоединения к бурильной колонне, цилиндр, соединенный с корпусом и образующий с кольцевым поршнем гидравлическую камеру, сообщенную его боковым отверстием с полостью корпуса, установленный в кольцевом поршне с возможностью взаимодействия с хвостовиками шарошек и внутренним выступом корпуса фиксатор и устройство для стопорения шарошек в нерабочем положении, содержащее дополнительный кольцевой поршень, расположенный в гидрокамере расширителя, отличающийся тем, что устройство для стопорения шарошек в нерабочем положении выполнено в виде радиально подпружиненных кольцевых сегментов, расположенных в наружных пазах кольцевого поршня, и ответных этим сегментам углублений в цилиндре, причем дополнительный кольцевой поршень размещен в гидрокамере ниже бокового отверстия основного поршня, а между дополнительным поршнем и кольцевыми сегментами устройства стопорения шарошек установлен толкатель для вывода сегментов из зацепления с цилиндром расширителя. 2. Расширитель по п.1, отличающийся тем, что дополнительный кольцевой поршень выполнен в виде самоуплотняющейся манжеты из эластичного материала, имеющей опорную шайбу в виде кольцевых сегментов, прикрепленных к ее торцевой поверхности. 3. Расширитель по пп.1 или 2, отличающийся тем, что толкатель устройства стопорения шарошек в нерабочем положении выполнен в виде кольца и установлен в гидрокамере с возможностью взаимодействия его верхнего торца с дополнительным кольцевым поршнем, а нижнего - с кольцевыми сегментами устройства стопорения шарошек, причем контактирующие поверхности толкателя и кольцевых сегментов выполнены коническими.