ЦЕНТРАТОР Российский патент 1999 года по МПК E21B17/10 

Изобретение относится к области бурения скважин, а именно к устройствам для центрирования нижней части колонны в скважине.

Известен центратор-калибратор 1, содержащий корпус и самовыдвигающиеся от действия центробежных сил плашки. Одним из недостатков его является невозможность использования одного и того же устройства для калибровки ствола на участках и набора, и стабилизации, и управляемого спада зенитного угла скважины без изменения конструкции низа бурильной колонны.

Известен и наиболее близкий к заявляемому устройству центратор бурильного инструмента, содержащий корпус с выдвижными центрирующими элементами и обеспечивающий выдвижение их поршень, расположенный во внутренней полости корпуса 2. Однако и в этом случае отсутствует возможность управления рабочим диаметром центратора, что обеспечивает возможность универсализации использования его. Кроме того, исключается возможность увеличения максимального радиуса центратора до величины, превышающей радиус ствола скважины. Отсутствует и возможность восстановления рабочего диаметра центратора по мере износа центрирующих элементов.

Целью изобретения является повышение универсальности использования центратора путем обеспечения возможности регулирования рабочим диаметром устройства, обеспечения этим же путем компенсации износа центрирующих элементов при калибровке ствола с одновременным обеспечением возможности спуска колонны с центратором в искривленную скважину без дополнительной проработки ствола, за счет меньшей величины наружного диаметра устройства в транспортном положении по сравнении с рабочим, а также повышение эффективности применения путем обеспечения возможности снижения дифференциального давления на забой скважины и путем улучшения промывки забоя скважины гидродинамическим высокочастотным возбуждением потока промывочной жидкости при прохождении через внутреннюю полость устройства.

Указанные цели достигаются тем, что в центраторе, содержащем полый корпус и сменную центрирующую лопасть, последняя выполнена самоубирающейся при спускоподъемных операциях и жестко установлена на поворотной оси, связанной крупноходовой трапецеидальной или упорной резьбой с цилиндром, ввинченным в корпус, а соединительная резьба цилиндра с поворотной осью эксцентрично смещена относительно резьбы сочленения с корпусом, причем радиус наружной центрирующей поверхности лопасти несколько превышает радиус ствола скважины. Вторым концом своим, размещенным в цилиндрическом осевом канале корпуса, поворотная ось сочленена с одноплечим рычагом, свободный конец которого упирается в подпружиненный двухступенчатый дифференциальный поршень, наружная полость которого сообщена с полостью заколонного кольцевого пространства. Центрирующая лопасть свободным концом своим упирается в жестко закрепленный на наружной поверхности корпуса направляющий полусегмент, радиальная поверхность которого расположена в плоскости, продольной оси центратора. Кроме того, наружная полость между ступенями дифференциального поршня сообщена с заколонным кольцевым пространством через гидромониторную насадку, направленную под углом вверх к продольной оси корпуса, а в осевом канале корпуса дополнительно установлен высокочастотный гидрогенератор, выполненный в виде гидромониторной насадки с размещенной над ней по ходу движения жидкости в сужающемся конусообразном канале тороидальной вихревой камерой.

На фиг. 1,2 представлен общий вид центратора, на фиг.3 - его сечение по A-A /фиг.1/.

Центратор состоит из полого корпуса 1 и сменной центрирующей лопасти 2, выполненной самоубирающейся при спускоподъемных операциях и жестко насаженной на головку поворотной оси 3, сочлененной крупноходовой трапецеидальной или упорной резьбой 4 с кольцевым цилиндром 5, ввинченным в корпус 1 и заштифтованным в нем, причем соединительная резьба цилиндра 5 с поворотной осью 3 относительно резьбы сочленения с корпусом 1 выполнена с эксцентричным смещением, а радиус наружной центрирующей /калибрующей/ поверхности лопасти 2 несколько превышает радиус ствола скважины. Противоположным концом своим, размещенным в цилиндрическом осевом канале корпуса, поворотная ось 3 сочленена с одноплечим рычагом 6, свободный конец которого упирается в подпружиненный упругим элементом 7 двухступенчатый дифференциальный поршень 8, наружная полость которого между обеими ступенями сообщена с полостью заколонного кольцевого пространства.

Для разгрузки от реакции стенки скважины на силу прижатия к ней центратора лопасть 2 свободным концом своим упирается в жестко закрепленный на наружной поверхности корпуса направляющий полусегмент /как вариант, сегмент/ 9, радиус которого совпадает с плоскостью, проходящей через продольную ось устройства.

Для повышения эффективности бурения путем снижения дифференциального давления промывочной жидкости на забой скважины наружная полость между ступенями дифференциального поршня 8 при необходимости может быть сообщена с полостью заколонного кольцевого пространства через закрепленную в корпусе 1 гидромониторную насадку 10, направленную под углом вверх к продольной оси корпуса - по направлению от долота. При этом поршень 8 заменяется на идентичный с отверстием /на чертежах не показано/ с достаточно большим гидравлическим сопротивлением, обеспечивающим перепад давления, достаточный для преодоления силы сопротивления пружины 7 и поворота лопасти 2 из транспортного положения в рабочее.

Для повышения эффективности использования центратора путем дополнительного улучшения с его помощью условий промывки забоя скважины в осевом канале корпуса 1 дополнительно установлен высокочастотный гидрогенератор 11, выполненный в виде гидромониторной насадки с размещенной над ней по ходу движения жидкости в сужающемся конусообразном канале тороидальной вихревой камерой.

Для повышения износоустойчивости лопасть 2 армирована твердосплавным слоем /как вариант, твердосплавными зубками/ 12 на основе карбида вольфрама или карбида титана, наносимым методом порошковой металлургии.

Работает центратор следующим образом. При спускоподъемных операциях в скважине давление внутри колонны соответствует гидростатическому давлению столба жидкости в заколонном пространстве и поршень 8 пружиной 7 отжат в крайнее верхнее положение. Лопасть 2 под действием силы тяжести свободного конца или под действием дополнительной пружины растяжения или сжатия /на чертеже не показано/ устанавливается в показанное на фиг. 1,2 крайнее нижнее транспортное положение, при котором максимальный наружный диаметр центратора меньше диаметра скважины и при котором исключается возможность зацепления лопасти 2, например, при установке центратора над долотом, за стенки ствола.

При подаче в бурильную колонну промывочной жидкости за счет возникновения перепада давления на долоте давление жидкости внутри дифференциального поршня 8 становится большим, чем снаружи, и он перемещается вниз, толкая свободный конец одноплечего рычага 6 и поворачивая ось 3, которая одновременно за счет наличия крупноходовой резьбы 4 выдвигается из корпуса 1, а лопасть 2 при этом принимает рабочее положение, совпадающее с поперечным сечением центратора. Наличие крупноходовой резьбы 4 обеспечивает выдвижение лопасти 2 из корпуса 1 на величину, превышающую радиус ствола скважины, что обеспечивает работу центратора в режиме эксцентричного ниппеля, позволяющем осуществлять эффективную борьбу с локальным искривлением скважины на вертикальных и наклонных участках ствола и стабилизировать зенитный угол - на наклонных.

Поскольку кольцевой цилиндр 5 заштифтован, то, проворачивая его в корпусе 1, можно регулировать величину эксцентриситета смещения крупноходовой резьбы 4 относительно плоскости поперечного сечения корпуса, совпадающей с осью наружной резьбы цилиндра 5, и этим с дополнительной установкой регулировочных прокладок под полусегмент 9 можно изменять величину превышения рабочего радиуса центратора над радиусом ствола скважины, т.е. изменять основной параметр работы центратора в режиме эксцентричного ниппеля, а также компенсировать абразивный износ твердосплавного слоя 12 при предыдущей эксплуатации центратора, что позволит увеличить его универсальность, эффективность работы и долговечность.

Таким образом, в отличие от известных конструкций предлагаемая комплексно обеспечивает:
- работу центратора в режиме эксцентричного ниппеля с регулированием величины эксцентриситета смещения компоновки низа бурильной колонны в месте установки устройства относительно оси скважины;
- компенсацию износа центрирующих /калибрующих/ поверхностей и, соответственно, увеличение эксплуатационного ресурса центратора;
- возможность спуска центратора даже при рабочем радиусе, что соответствует режиму работы в качестве эксцентричного ниппеля, в искривленные вертикальные, наклонные и горизонтальные скважины без дополнительной проработки их на участках интенсивного локального искривления ствола.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР N 606994, кл. E 21 B 17/10, 1975.

2. Авторское свидетельство СССР N 1208171, кл. E 21 B 17/10, 1984.

Изобретение относится к области бурения скважин и предназначено для центрирования нижней части колонны. Центратор обеспечивает возможность регулирования рабочего диаметра непосредственно перед спуском в скважину, восстановления диаметра по мере износа центрирующего (калибрующего) элемента, самоубирание центрирующего элемента в корпус при спускоподъемных операциях, а также при необходимости снижения дифференциального давления на забой скважины и высокочастотное гидродинамическое возбуждение потока промывочной жидкости для улучшения условий промывки забоя. Центратор содержит полый корпус и сменную центрирующую лопасть, жестко установленную на поворотной оси, связанной крупноходовой трапецеидальной или упорной резьбой с цилиндром, ввинченным в корпус. Причем соединительная резьба цилиндра с поворотной осью эксцентрично смещена относительно резьбы сочленения с корпусом, а радиус рабочей поверхности лопасти несколько превышает радиус ствола скважины. Вторым концом своим, размещенным в цилиндрическом осевом канале корпуса, поворотная ось сочленена с одноплечим рычагом, свободный конец которого перемещается при подаче жидкости в колонну подпружиненным двухступенчатым дифференциальным поршнем. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Центратор, содержащий полый корпус и сменную центрирующую лопасть, отличающийся тем, что лопасть выполнена самоубирающейся при спускоподъемных операциях, жестко установлена на поворотной оси, связанной крупноходовой трапецеидальной или упорной резьбой с цилиндром, ввинченным в корпус, а соединительная резьба цилиндра с поворотной осью эксцентрично смещена относительно резьбы сочленения с корпусом, причем радиус наружной центрирующей поверхности лопасти превышает рабочий радиус долота. 2. Центратор по п.1, отличающийся тем, что поворотная ось вторым концом своим, размещенным в цилиндрическом осевом канале корпуса, сочленена с одноплечим рычагом, свободный конец которого упирается в подпружиненный двухступенчатый, дифференциальный поршень, наружная полость которого между обеими ступенями сообщена с полостью заколонного кольцевого пространства. 3. Центратор по п.1, отличающийся тем, что центрирующая лопасть свободным концом своим упирается в жестко закрепленный на наружной поверхности корпуса направляющий полусегмент (как вариант - сегмент), радиус которого расположен в плоскости, перпендикулярной поворотной оси корпуса. 4. Центратор по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что наружная полость между ступенями дифференциального поршня сообщена с полостью заколонного кольцевого пространства через гидромониторную насадку, направленную под углом вверх к продольной оси корпуса - по направлению от долота. 5. Центратор по п.1, отличающийся тем, что в осевой полости корпуса дополнительно установлен высокочастотный гидрогенератор, выполненный в виде гидромониторной насадки с размещенной над ней по ходу движения жидкости в сужающемся конусообразном канале тороидальной вихревой камерой.