СКВАЖИННЫЙ ИНСТРУМЕНТ, ИМЕЮЩИЙ РАДИАЛЬНО ВЫДВИЖНЫЕ ДЕТАЛИ Российский патент 2008 года по МПК E21B10/32 E21B7/28 E21B29/00 

Область изобретения

Настоящее изобретение относится к скважинному инструменту и, в частности к скважинному инструменту, имеющему выдвижные детали, такому как раздвижной расширитель, труборезка для обсадных труб или регулируемый стабилизатор.

Предшествующий уровень техники изобретения

В разведочных работах и в промышленной добыче нефти и газа имеются многочисленные скважинные инструменты, которые характеризуются радиально выдвижными деталями. В случае раздвижных расширителей эти детали имеют форму лезвий или резцов, которые выдвигаются, когда раздвижной расширитель проходит за конец существующей обсадной трубы, облицовывающей скважину, для обеспечения бурения скважины за обсадной трубой на больший диаметр, чем внутренний диаметр обсадной трубы. Когда работа по расширению скважины будет завершена, лезвия втягиваются для вытаскивания раздвижного расширителя и остальной части колонны бурильных труб из скважины. Пример раздвижного расширителя описан в публикации международной заявки от имени заявителя №WO 00\31371, описание которой включено сюда посредством ссылки.

Лезвия раздвижного расширителя должны удерживаться во втянутом состоянии до тех пор, пока раздвижной расширитель не пройдет за обсадную трубу для предотвращения повреждения обсадной трубы. Лезвия затем могут быть высвобождены и выдвинуты. Средства для удержания лезвий во втянутом состоянии должны быть надежными и безопасными, поскольку преждевременное выдвижение лезвий, по-видимому, вызовет значительное повреждение, которое будет трудно и дорого ремонтировать. Однако это может быть сбалансировано возможностью для оператора высвободить лезвия, когда это требуется.

Кроме того, невозможность по любой причине втянуть лезвия раздвижного расширителя после завершения работы по расширению ствола скважины сделает трудным, если не невозможным, удаление раздвижного расширителя из скважины, поскольку раздвижной расширитель не будет иметь возможности пройти в существующую обсадную трубу и через нее. Решение такой проблемы, если оно возможно, включает значительное время и расходы.

Одна из целей вариантов осуществления настоящего изобретения состоит в создании раздвижного расширителя, облегчающего втягивание лезвий раздвижного расширителя в случае трудности в эксплуатации.

Одна из целей вариантов осуществления настоящего изобретения состоит в создании раздвижного расширителя, обеспечивающего надежное и безопасное удержание лезвий раздвижного расширителя во втянутом состоянии и надежное приведение лезвий в выдвинутое состояние.

Другие варианты осуществления настоящего изобретения относятся к другим формам скважинного инструмента, характеризующегося радиально выдвижными деталями.

Краткая сущность изобретения

В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения предусмотрен скважинный инструмент, содержащий корпус, по меньшей мере, одну радиально выдвижную деталь, смонтированную в корпусе и движущуюся между втянутым и выдвинутым положениями, кулачковую деталь, оперативно соединенную с выдвижной деталью и движущуюся относительно корпуса для выдвигания выдвижной детали, и опорную деталь, обеспечивающую возможность втягивания выдвижной детали из выдвинутого положения.

Этот аспект настоящего изобретения обеспечивает то преимущество, что опорная деталь дает возможность втягивания выдвижной детали независимо или, по меньшей мере, существенно независимо от кулачковой детали. Это может быть полезным в обстоятельствах, в которых кулачковая деталь не может быть подвинута или иначе задействована, чтобы дать возможность втягивания раздвижной детали, например, там, где кулачковая деталь заедает или заклинивает. При работе в скважине, например, когда инструмент имеет форму раздвижного расширителя, выдвижная деталь или детали в форме режущих лезвий, вероятно, описывает больший диаметр, чем минимальный внутренний диаметр скважины выше инструмента. Таким образом, если лезвия не могут быть втянуты, инструмент не может быть удален из скважины, что создает значительные проблемы для оператора и требует затратных по времени и дорогих действий по ремонту для преодоления возникающих в результате проблем.

Предпочтительно, опорная деталь способна обеспечить движение выдвижной детали относительно, по меньшей мере, кулачковой детали или корпуса для втягивания выдвижной детали.

Кулачковая деталь может иметь любую подходящую форму, но предпочтительно является движущейся в осевом направлении относительно корпуса, чтобы выдвигать и втягивать выдвижную деталь. Таким образом, опорная деталь может обеспечивать возможность движения в осевом направлении выдвижной детали относительно кулачковой детали.

В вариантах осуществления настоящего изобретения, как в многочисленных существующих, приводимых в действие кулачком скважинных инструментах, кулачок может быть включен в часть колонны, в то время как корпус включен в другую часть колонны, так что кулачок может двигаться относительно корпуса и выдвижной детали, выдвинутой или втянутой посредством приложения расширения или веса, к колонне. Это осуществляют операторы с определенной степенью комфорта, в то время как вероятность заедания или заклинивания кулачковой детали о корпус является незначительной. Значительные силы могут быть приложены к кулачковой детали посредством приложения веса от поверхности и посредством приложения веса узла забоя скважины. Однако в настоящем изобретении кулачковая деталь может быть движущейся независимо от колонны. Как отмечено выше, даже если такая кулачковая деталь будет заедать или заклинивать о выдвижную деталь, полностью выдвинутую, выдвижная деталь может все еще быть втянута. Таким образом, операторы могут уверенно использовать инструменты, включающие такие независимо движущиеся кулачковые детали, со знанием того, что втягивание выдвижной детали не зависит от успешного втягивания кулачковой детали.

Кулачковая деталь может быть обычно вытолкнута по направлению к положению, в котором выдвижная деталь втягивается, или инструмент может быть иначе приспособлен так, чтобы выдвижная деталь нормально втягивалась. В предпочтительном варианте осуществления кулачковая деталь выталкивается, чтобы втягивать выдвижную деталь посредством пружины.

Кулачковая деталь может приводиться в действие любым подходящим способом, но предпочтительно приводится в действие посредством давления текучей среды и наиболее предпочтительно приводится в действие посредством разности давлений, то есть посредством использования разности между давлением текучей среды внутри инструмента и снаружи инструмента. В предпочтительном варианте осуществления кулачковая деталь приводится в действие поршнем и может включать кольцевое дифференциальное поршневое устройство, посредством чего текучая среда внутри инструмента, причем текучая среда может проходить через инструмент и поршень, создает разность давлений по обе стороны поршня. Другие варианты осуществления могут приводиться в действие потоком, причем кулачковые детали оперативно соединены с соплами или другими ограничениями потока.

Опорная деталь может быть приспособлена так, чтобы удерживаться в опорной компоновке, в такой компоновке выдвижная деталь выдвигается и втягивается исключительно или преимущественно посредством движения кулачковой детали относительно корпуса. Опорная деталь может удерживаться в опорной компоновке посредством любого подходящего средства, включая разъемные соединения, такие как срезные штифты, или посредством пружины. В предпочтительном варианте осуществления опорная деталь приспособлена удерживаться в опорной компоновке, по меньшей мере, частично, посредством давления текучей среды. В одном варианте осуществления опорная деталь оперативно соединена с поршневым приспособлением, которое при наличии соответствующего давления текучей среды выталкивает опорную деталь по направлению к опорной компоновке. Поршневое приспособление может приводиться в действие посредством разности между давлением внутри инструмента и снаружи инструмента или посредством текучей среды, проходящей через инструмент. Таким образом, когда давление приводящей в действие текучей среды понижается, опорная деталь может быть отодвинута от опорной компоновки, чтобы дать возможность движения выдвижной детали относительно кулачковой детали для втягивания выдвижной детали.

Предпочтительно, выдвижная деталь является радиально линейно перемещаемой относительно корпуса, хотя в других вариантах осуществления выдвижная деталь может быть вращающейся относительно корпуса, хотя это имеет тенденцию к ограничению открывающей силы, которая может быть приложена к детали, что может представлять трудности там, где инструмент представляет собой инструмент для резания, и выдвижная деталь требуется, чтобы осуществлять резание, когда она выдвинута.

Инструмент в соответствии с изобретением может быть использован в широком диапазоне применений, требующих выдвижных деталей или лезвий, включая труборезки для обсадных труб и оправки для исправления смятых труб. Однако предпочтительное применение для инструмента по настоящему изобретению представляет собой раздвижной расширитель, причем в этом случае выдвижные детали, предпочтительно, имеют форму лезвий или резцов. Наиболее предпочтительно, расширяющие лезвия имеют оборудование, чтобы производить резание в обоих направлениях по оси, то есть, чтобы производить расширение в одном главном направлении и производить обратное расширение в противоположном направлении.

Выдвижная деталь может быть смонтирована любым подходящим образом в корпусе, но предпочтительно размещена в окне или отверстии в корпусе, причем стороны окна обеспечивают боковую или осевую опору для детали, в зависимости от назначения использования инструмента. В предпочтительном варианте осуществления, в котором инструмент представляет собой раздвижной расширитель, используемый главным образом для расширения по направлению вперед, стороны окна в корпусе обеспечивают боковую опору для детали, и замыкающий торец окна обеспечивает опору по оси для детали. Опорная деталь может выдвигаться в окно и обеспечивать опору, по меньшей мере, для одной стороны или торца выдвижной детали. В предпочтительном варианте осуществления опорная деталь создает опору для направляющей поверхности или торца выдвижной детали. Таким образом, если выдвижная деталь должна быть втянута, инструмент может быть выдвинут из скважины до тех пор, пока выдвижная деталь не столкнется с ограничением скважины. Это производит силу по оси, действующую на выдвижную деталь, причем эта сила передается на опорную деталь. В зависимости от компоновки опорной детали выдвижная деталь удерживается в выдвинутом положении или получает возможность втягивания.

Предпочтительно, кулачковая деталь образует поверхность кулачка, наклоненную относительно оси инструмента, и наиболее предпочтительно поверхность кулачка находится под небольшим углом, типично в диапазоне десять градусов. Это обеспечивает большую механическую выгоду и, таким образом, высокую открывающую или выдвигающую силу, действующую на выдвижную деталь, и является также эффективным в сопротивлении радиально действующим закрывающим силам. Обеспечение опорной деталью по первому аспекту изобретения становится более важным при таком устройстве кулачка.

Предпочтительно, кулачковая деталь находится в жестком зацеплении с выдвижной деталью. В одном варианте осуществления кулачковая деталь и выдвижная деталь образуют соответствующие профили в виде ласточкина хвоста. Такие профили используют для того, чтобы выдвижная деталь могла быть жестко выдвинута посредством кулачковой детали, и формы, такие как ласточкины хвосты, могут обеспечить большую несущую поверхность, чем плоские поверхности. В других вариантах осуществления кулачковая деталь не должна обязательно быть в жестком зацеплении с выдвижной деталью для достижения втягивания выдвижной детали посредством применения внешней силы или посредством обеспечения возвратной пружиной или тому подобным.

Предпочтительно, инструмент скомпонован так, чтобы, по меньшей мере, первоначально ограничивать или удерживать выдвижную деталь во втянутом положении. Этот признак полезен для предотвращения преждевременного или случайного выдвижения выдвижной детали; если инструмент представляет собой раздвижной расширитель и включен в колонну труб над буровой коронкой, в то время как буровая коронка используется для того, чтобы выбуривать башмак обсадной колонны, является важным, чтобы раздвижной расширитель не приводился в действие, если это может вызвать выдвижение резцов в существующую обсадную трубу. Одна или обе из кулачковой детали и выдвижной детали могут быть запираемыми, например, посредством разъемного соединения, такого как срезной штифт или кольцо. В других вариантах осуществления кулачковая деталь может быть смонтирована в корпусе посредством непрерывной J-образной прорези или устройства барабанного кулачка, или тому подобного, что выборочно ограничивает движение кулачковой детали и требует, чтобы кулачковая деталь делала обороты заранее установленное число раз перед тем, как кулачковая деталь будет свободна для того, чтобы двигаться в положение, в которое выдвижная деталь может быть выдвинута. Другие варианты осуществления изобретения могут включать устройство храпового механизма, включая устройство гидравлического храпового механизма, как описано в нашей ранее поданной заявке WO 02/075104, описание которой включено сюда посредством ссылки. Альтернативно, когда кулачковая деталь приводится в действие текучей средой, может быть предусмотрено средство для изоляции кулачковой детали от давления текучей среды или потока, или для исключения уплотнений для текучей среды, необходимых для приведения в действие кулачковой детали, как будет описано ниже со ссылкой на третий аспект изобретения.

Когда выдвижная деталь выдвинута, инструмент скомпонован так, чтобы избежать создания изолированных полостей, но эти полости могут быть созданы, когда выдвижная деталь движется по направлению к втянутой компоновке. Это дает возможность избежать трудностей, которые могут возникнуть в инструментах, характеризующихся полостями, когда детали являются выдвинутыми; полости могут заполняться твердым материалом, известным как "набивка", и в таком случае предотвращается втягивание выдвижной детали. Определенные варианты осуществления изобретения могут характеризоваться полостями, но такие полости не являются изолированными и могут, например, образовать пути потока, так что здесь имеется поток текучей среды через полости, таким образом, предотвращается накопление твердых частиц в полостях. Вариант осуществления настоящего изобретения характеризуется, по меньшей мере, одной внешней полостью, однако инструмент приспособлен так, чтобы направлять поток или струю текучей среды в полость и таким образом обеспечить, чтобы полость оставалась свободной. В предпочтительном варианте осуществления изобретения корпус инструмента имеет такую форму, чтобы образовать, по меньшей мере, один проходящий в осевом направлении канал для облегчения прохода текучей среды между наружной стороной инструмента и окружающей стенкой скважины. Наиболее предпочтительно, по меньшей мере, один проходящий в осевом направлении канал образуется, по меньшей мере, частично посредством наружной полости, предусмотренной, чтобы приспособиться к перемещению, по меньшей мере, выдвижной детали или опорной детали относительно корпуса инструмента. Полость может образовать часть углубления в корпусе. Канал может проходить по спирали, хотя наиболее вероятно, что часть канала, образованного полостью, будет проходить только в осевом направлении. Образование канала, таким образом, дает возможность стабилизации или центровки поверхностей корпуса, чтобы подобным образом повторять спиральную траекторию и, таким образом, создать поверхности, которые обеспечивают большую протяженность по периферии и, таким образом, обеспечивают более эффективную стабилизацию и центровку, чем поверхности, проходящие только в осевом направлении.

Предпочтительно, инструмент характеризуется средствами, показывающими, что выдвижная деталь выдвинута, причем эти средства могут принять любую подходящую форму. В одном варианте осуществления может быть предусмотрено отверстие для текучей среды, и это отверстие открывается, когда деталь выдвинута, причем это определяется на поверхности, как падение обратного давления.

В соответствии со вторым аспектом настоящего изобретения создан скважинный инструмент, предназначенный для включения в колонну, содержащий корпус, приспособленный для образования части колонны, по меньшей мере, одну радиально линейно выдвижную деталь, смонтированную в корпусе и движущуюся между втянутым и выдвинутым положениями, кулачковую деталь, оперативно соединенную с выдвижной деталью и движущуюся относительно корпуса и независимо от колонны для выдвигания выдвижной детали, и опорную деталь, обеспечивающую возможность движения выдвижной детали относительно, по меньшей мере, кулачковой детали или корпуса для втягивания выдвижной детали.

В соответствии с третьим аспектом изобретения создан скважинный инструмент, содержащий корпус, по меньшей мере, одну радиально выдвижную деталь, смонтированную в корпусе и движущуюся между втянутым и выдвинутым положениями, приводную деталь, оперативно соединенную с выдвижной деталью и приспособленную передвигать выдвижную деталь по направлению к выдвинутому положению в ответ на разность давлений текучей среды, уплотнительную деталь, имеющую первую компоновку, в которой приводная деталь изолирована от разности давлений, и вторую компоновку, в которой приводная деталь подвергается воздействию разности давлений.

Этот аспект изобретения предусматривает инструмент, который приводится в действие посредством разности давлений, в котором изменения в разности давлений будут иметь небольшое влияние на привод инструмента или не иметь его, пока уплотнительная деталь скомпонована надлежащим образом. Это создает преимущество по сравнению с традиционными способами ограничения инструментов, приводимых в действие посредством разности давлений, такими, как срезные штифты. Разность давлений изменяется в зависимости от ряда факторов, включающих глубину инструмента и присутствие или отсутствие ограничений потока ниже по потоку, чем инструмент.Таким образом, очень трудно предсказать разность давлений, которую инструмент будет иметь при нормальной работе, и, таким образом, становится трудно выбрать подходящий срезной штифт.

Приводная деталь может быть предусмотрена в сочетании с кулачковой деталью, оперативно соединенной с выдвижной деталью и движущейся относительно корпуса для выдвигания выдвижной детали.

Предпочтительно, уплотнительная деталь приспособлена для движения под влиянием силы давления текучей среды относительно потока. Уплотнительная деталь может быть оперативно соединена с ограничением потока, так что разность давлений может быть установлена по обеим сторонам ограничения. Ограничение потока может иметь форму сопла. Уплотнительная деталь может быть образована так, чтобы разность давлений действовала на относительно большую поверхность, наиболее предпочтительно на поверхность сквозного отверстия инструмента.

Специалистам в этой области техники будет очевидно, что различные характеристики, описанные выше, могут быть предусмотрены в сочетании с одним или несколькими различными аспектами изобретения, и в действительности признаки могут сами образовать дополнительные отдельные аспекты настоящего изобретения.

Краткое описание чертежей

Эти и другие аспекты изобретения будут теперь описаны посредством примера со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых изображено следующее:

фиг.1 представляет перспективный вид скважинного инструмента в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения в форме раздвижного расширителя с втянутыми режущими лезвиями;

фиг.2 представляет перспективный вид раздвижного расширителя по фиг.1 с выдвинутыми режущими лезвиями;

фиг.3 представляет перспективный вид раздвижного расширителя по фиг.1 с режущими лезвиями в альтернативно втянутом положении;

фиг.4, 5 и 6 представляют виды в разрезе раздвижного расширителя по фиг.1, 2 и 3;

фиг.7 представляет увеличенный перспективный вид режущего лезвия и приводного кулачка раздвижного расширителя по фиг.2;

фиг.8а, 9а, 10а, 11а и 12а представляют виды в разрезе скважинного инструмента в соответствии с дополнительным вариантом осуществления настоящего изобретения, на которых показан инструмент в различных компоновках;

фиг.8b, 9b и 10b представляют увеличенные виды в разрезе уплотнительной детали инструмента и соответствуют фиг.8а, 9а и 10а соответственно;

фиг.13 представляет перспективный вид инструмента по фиг.12а;

фиг.14а и 15а представляют виды в разрезе скважинного инструмента в соответствии с еще одним вариантом осуществления настоящего изобретения, на котором показан инструмент в различных компоновках;

фиг.14b представляет увеличенный вид в разрезе уплотнительной детали инструмента по фиг.14а.

Подробное описание чертежей

Фиг.1 представляет собой перспективный вид скважинного инструмента в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения в форме раздвижного расширителя 10. Как будет описано, раздвижной расширитель 10 предназначен для включения в колонну 12 бурильных труб и обычно размещен в колонне 12 выше буровой коронки (не показана). В качестве такового раздвижной расширитель 10 может быть использован для увеличения диаметра "направляющей" скважины, созданной буровой коронкой.

Раздвижной расширитель 10 содержит в основном цилиндрический корпус 14, образованный из соответствующего числа секций, как требуется, чтобы облегчить изготовление и сборку. Поскольку корпус 14 предназначен для включения в колонну бурильных труб, концы корпуса снабжаются традиционными соединениями типа ниппель и муфта. Внутри корпуса 14 смонтированы три радиально выдвижные детали в форме лезвий или резцов 16. Когда раздвижной расширитель 10 опускается в скважину или поднимается из нее, резцы 16 устанавливаются во втянутое положение, как показано на фиг.1. Для работ по резанию резцы могут быть передвинуты в выдвинутое положение, как показано на фиг.2, на которой резцы 16 выдвигаются за наружный диаметр корпуса, чтобы производить резание стенки скважины. В этом варианте осуществления каждый резец 16 содержит два разделенных промежутком по окружности ряда режущих вставок 18, причем режущие вставки 18 описывают меньший диаметр по направлению к направляющему концу раздвижного расширителя 10. Желобок или канал 20 проходит между каждым рядом режущих вставок 18 для прохождения бурового раствора после замыкающего ряда вставок и поддержания резцов 16 чистыми при резании. Проход бурового раствора и резание после раздвижного расширителя 10 также облегчается посредством трех каналов или желобков 22 между перевернутыми частями корпуса 24, в которых размещены резцы 16.

Как можно увидеть из фиг.1, 2, 3, каждый резец 16 размещен в соответствующем окне 26 в корпусе 14. В нормальных условиях каждый резец 16 размещен по направлению к верхнему или замыкающему торцу соответствующего окна 26 и опирается на верхний торец и стороны окна 26, и находится с ними в тесном зацеплении. Действительно, периферическое уплотнительное приспособление для чистки, размещенное в щели 28 (фиг.7), может быть предусмотрено вокруг каждого резца 16 для предотвращения или сведения к минимуму доступа материала и прохода вокруг резца 16.

Нижний или направляющий торец каждого резца 16 входит в зацепление с соответствующей опорной деталью 30, которая, как показано на фиг.3, может двигаться в осевом направлении относительно корпуса 14 для втягивания резца 16, как будет описано.

Фиг.4, 5 и 6 представляют собой виды в разрезе раздвижного расширителя 10, соответствующие фиг.1, 2, 3 соответственно. На фиг.7 показан резец 16, смонтированный на приводящем в действие кулачке 32, причем на фиг.7 показаны относительные положения резца 16 и кулачка 32, соответствующие фиг.2 и 5.

Кулачок 32 образует три поверхности 34 кулачка, каждая из которых предназначена для взаимодействия с соответствующим резцом 16. Каждая поверхность 34 кулачка образует профиль 36 в виде ласточкина хвоста, который взаимодействует с соответствующей щелью 38 в виде ласточкина хвоста в основании резца 16. Кулачок 32, таким образом, входит в жесткое зацепление с каждым резцом 16 и в качестве такового может быть использован как для выдвижения, так и для жесткого втягивания резцов 16. Кроме того, использование профиля в виде ласточкина хвоста также служит для поддержания надлежащего расположения в одну линию резцов 16 относительно кулачка 32.

Кулачок 32 является трубчатым и размещен на плотной скользящей посадке внутри корпуса 14. Кроме того, кулачок 32 смонтирован на удлиненной трубчатой втулке 40, которая проходит через корпус к торцевой части 42, которая входит в зацепление с верхним концом пружины 44 сжатия. Устройство является таким, что пружина 44 выталкивает втулку 40 и кулачок 32 вверх, по направлению к положению, в котором резцы 16 полностью втянуты (фиг.4).

При использовании буровой раствор нагнетается через корпус 14 и, таким образом, через кулачок 32 и втулку 40. Эта текучая среда используется для создания осевой, приводящей в действие силы на кулачок 32 посредством уплотнений 46, 47 различного диаметра. Верхнее уплотнение 46 большего диаметра входит в зацепление с внутренней поверхностью корпуса 14, в то время как нижнее уплотнение 47 меньшего диаметра предусмотрено между частью узла 48 опорной детали и наружной поверхностью втулки 40.

Как отмечено выше, при нормальных условиях работы каждый резец 16 размещен внутри отверстия, образованного окном 26 в корпусе и верхним торцом опорной детали 30, и опирается на него. Когда опорная деталь 30 находится в опорной компоновке, движение в осевом направлении кулачка 32 в корпусе 14 производит линейное радиальное движение резцов 16. В то время как верхний торец и стороны окон 26 в корпусе являются фиксированными, каждая опорная деталь 30 является высвобождаемой из первоначальной опорной компоновки и может скользить по направлению вниз относительно корпуса 14 и кулачка 32, чтобы дать возможность резцам 16 двигаться в осевом направлении относительно корпуса 14 и кулачка 32 и, таким образом, втягиваться (фиг.6).

Узел 48 опорной детали включает три опорные детали 30, которые проходят радиально наружу в окна 26 корпуса. Опорные детали 30 образованы на верхнем конце узла 50 втулки, который смонтирован вокруг втулки 40 кулачка и который включает нижний кольцевой поршень 52, который проходит между внутренним диаметром корпуса и втулкой 40 кулачка. Поршень 52 узла опорной детали первоначально фиксирован относительно корпуса 14 посредством срезного штифта 54. Кроме того, когда используется раздвижной расширитель 10 и буровой раствор под давлением проходит через раздвижной расширитель, здесь имеется разность давлений между буровым раствором внутри раздвижного расширителя 10 и буровым раствором в кольцевом пространстве, окружающем раздвижной расширитель, так что сила разности давлений бурового раствора действует на поршень 52, который служит для опоры узла 48 в положении опоры резца.

Необходимо отметить, что по фиг.4, 5, 6 поршень 52 включает сопла 56, которые устроены так, чтобы направлять струи бурового раствора в окна 26 под опорными деталями 30, таким образом, поддерживая полости 53 свободными от твердых материалов и также облегчая очистку резцов 16.

При использовании, как отмечено выше, раздвижной расширитель 10 включается в колонну бурильных труб выше буровой коронки и также типично выше других бурильных инструментов, таких как вращающиеся управляемые инструменты и инструменты для измерения забойных параметров в процессе бурения. Колонна бурильных труб может быть опущена в предварительно обсаженную скважину для расширения скважины, и в этом случае буровая коронка будет использована первоначально для бурения через башмак на нижнем конце существующей обсадной трубы и также для бурения через любой цемент, который собирается в нижнем конце скважины. В этом отношении раздвижной расширитель 10 будет все еще размещен внутри существующей обсадной трубы, и конечно является нежелательным выдвигать резцы 16 в это время. Соответственно, будет предусмотрено средство для ограничения кулачка 32 или резцов 16, например размещенный подходящим образом срезной штифт.

Когда буровая коронка продвинута и раздвижной расширитель 10 свободен от нижнего конца существующей обсадной трубы, скорость потока и давление бурового раствора могут быть увеличены, чтобы заставить кулачок 32 двигаться в осевом направлении вниз, через корпус 14, таким образом, выталкивая резцы 16 радиально наружу, чтобы войти в зацепление и произвести резание стенки скважины, когда колонна вращается (фиг.5). Кулачок 32 имеет поверхности 34, расположенные под относительно небольшим углом, примерно десять градусов. Это требует большего градуса наклона передвижения кулачка, чтобы выдвигать резцы 16, однако относительно небольшой угол кулачка производит относительно большую радиальную силу, действующую на резцы 16, таким образом, облегчая резание стенки скважины, когда резцы 16 движутся радиально наружу. Кроме того, когда резцы 16 полностью выдвинуты и раздвижной расширитель продвинут через скважину, резец 16 будет иметь тенденцию подвергаться воздействию осевых сил, что имеет тенденцию создавать значительные направленные внутрь силы, действующие на резцы 16, причем этим силам оказывается частичное сопротивление посредством небольшого угла кулачка и относительно большой площади опоры, создаваемой кулачком.

Срезной штифт 54 и давление текучей среды, действующее на опорный поршень 52, имеют тенденцию поддерживать опорные детали 30 в их первоначальных опорных положениях. Кроме того, в продолжение обычной работы по расширению резцы 16 будут подвергаться воздействию сил, которые главным образом направлены по оси вверх и радиально внутрь, так что силы, создаваемые опорными деталями 30, будут относительно небольшими.

Вслед за завершением работы по расширению, если расход и давление бурового раствора понижается, пружина 44 будет расширяться и двигать кулачок 32 вверх в корпусе 14, таким образом, втягивая резцы 16 и давая возможность вытаскивать раздвижной расширитель 10 из скважины.

Надежное втягивание резцов 16 облегчается посредством отсутствия внутренних полостей внутри раздвижного расширителя 10, когда резцы 16 выдвинуты. Таким образом, компоновка резца исключает ситуацию, которая может возникнуть, когда внутренние полости станут заполненными или набитыми твердым материалом, который в таком случае препятствует втягиванию резцов. Как может быть отмечено из фиг.4 и 6, полости 60, 61 присутствуют или создаются, когда резцы 16 втягиваются, однако здесь нет значительных полостей, присутствующих, когда резцы 16 выдвигаются.

В случае, когда встречается проблема с кулачком 32, например кулачок 32 заклинивается в выдвинутом положении, как показано на фиг.5, втягивание резцов 16 может быть достигнуто посредством уменьшения расхода и давления текучей среды, проходящей через инструмент, и затем захвата инструмента и подъема инструмента до тех пор, пока выдвинутые резцы 16 не встретятся с ограничением. Это создаст направленные вниз и внутрь силы, которым будет главным образом оказываться сопротивление посредством опорных деталей 30. При отсутствии разности давлений по обе стороны поршня 52 силы будут иметь тенденцию срезать штифт 54 так, чтобы узел 48 опорной детали имел свободу движения в осевом направлении вниз относительно корпуса 14 и кулачка 32, так чтобы резцы 16 могли двигать вниз соответствующие поверхности 34 кулачка и втягиваться в положении, как показано на фиг.6. Раздвижной расширитель 10 может в таком случае быть удален из скважины.

Специалистам в данной области техники понятно, что вышеописанная конструкция инструмента обеспечивает эффективное и надежное средство, которое дает возможность втягивать выдвижные резцы, даже когда используется приводящий в действие резцы кулачок 32, который не зависит от колонны.

На фиг.8а, 9а, 10а, 11а, 12а представлены виды в разрезе скважинного инструмента в форме раздвижного расширителя 110 в соответствии с дополнительным вариантом осуществления настоящего изобретения, показывающие инструмент в различных компоновках. На фиг.8b, 9b и 10b представлены увеличенные виды в разрезе уплотнительной детали 160 и расширителя 110, которые соответствуют фиг.8а, 9а, 10а, соответственно. Расширитель 110 имеет многие общие признаки с расширителем 10, описанным выше, которые не будут описаны вновь.

В этом варианте осуществления кулачок 132 для выдвижения и втягивания резцов 116 смонтирован на удлиненной втулке 140, которая проходит через корпус 114 инструмента. Верхний конец втулки 140 проходит через и соединен с верхним концом пружины 144 сжатия, которая обычно выталкивает втулку 140 и кулачок 132 по направлению к положению, в котором резцы 116 полностью втянуты (фиг.8а). Нижний конец втулки 140 в начале находится в уплотнительном зацеплении с уплотнительной деталью 160, которая в первоначальной компоновке служит для изолирования поршня и исключения его воздействия, создаваемого различным диаметром уплотнений 146, 147. Давление, действующее на поверхность, образованную уплотнением 146 большего диаметра, по существу, сбалансировано давлением, действующим на аналогичную поверхность, образованную уплотнением 162 уплотнительной детали 160.

Уплотнительная деталь 160, показанная более подробно на фиг.8b, состоит из двух главных, в основном цилиндрических частей 164, 166, причем верхняя часть 164 содержит уплотнение 162 и имеет внутреннюю трубчатую часть 168, в которую герметично входит конец втулки 140. Части 164, 166 уплотнительной детали соединены вместе, чтобы обеспечить возможность относительного движения в осевом направлении, ограниченного зацеплением выступа 170 со втулкой 172, проходящей от верхнего конца части 166 с кольцом 174 в верхнюю часть 164 (фиг.8с). Части 164, 166 уплотнительной детали вначале удерживаются вместе посредством разности давлений, действующей на поверхность меньших, разделенных промежутком по периферии поршней 176, соединенных с нижней частью 166, которые проходят в соответствующие цилиндры 178, образованные в верхней части 164.

Нижняя часть 166 образует сквозное отверстие, снабженное ограничением 180 потока, так что поток текучей среды через ограничение 180 создает силу разности давлений текучей среды по обе стороны поверхности части 166, образованной посредством уплотнения 182.

Уплотнительная деталь 160 удерживается в ее первоначальном положении посредством срезного штифта 184, проходящего между корпусом 114 и нижней частью 166. Приведение в действие расширителя 110 начинается посредством срезания штифта 184, как описано ниже.

В первоначальной компоновке расширителя 110, как показано на фиг.8а и 8b, изменения в разности между давлением внутри корпуса 114 и снаружи корпуса не имеют влияния на расширитель 110, уплотнительная деталь 160 исключает влияние разности давлений по обе стороны поршня, создаваемой уплотнениями 146, 147. Однако, если расход потока текучей среды, принимая во внимание плотность бурового раствора, нагнетаемого через расширитель 110, увеличивается, чтобы создать силу давления по обе стороны ограничения, достаточную для срезания штифта 184, уплотнительная деталь 160 может быть перекомпонована, чтобы дать возможность приведения в действие расширителя 110 и выдвижения резцов 116. Это дает возможность более надежно начать приведение в действие расширителя 110, поскольку только два переменных для данного ограничения 180 представляют собой вес бурового раствора или плотность и расход потока.

Когда штифт 184 срезан, сила разности давлений по отношению к потоку, действующая на нижнюю часть 166 уплотнительной детали 160, будет иметь тенденцию оттягивать часть 166 вниз и наружу из верхней части 164, как показано на фиг.9а и 9b. Как отмечено выше, верхняя часть 164 вначале удерживается в верхнем положении посредством разности между давлением внутри инструмента и снаружи инструмента, верхняя поверхность части 164 подвергается наружному давлению через сопла 156. Начальное движение части 166 гасится поршнями 176, вытягиваемыми из части 164 до тех пор, пока они не будут ограничены посредством выступов 186 поршня, входящих в зацепление с кольцами 188, последующее движение гасится посредством поршней 176, вытягиваемых из цилиндров 178, как показано на фиг.10а и 10b.

Вслед за вытягиванием поршней 176 из цилиндров 178 уплотнительная деталь 160 будет просто вытолкнута по направлению вниз, чтобы опуститься на выступ на нижнем конце расширителя 110, как показано на фиг.11а. Кроме того, когда поршни 176 будут вытянуты из цилиндров 178, поршень с относительно большей площадью поверхности, создаваемый уплотнениями 146, 147 различного диаметра, вступает в работу, в результате чего значительная сила, направленная по оси, прикладывается к кулачку 132, который в таком случае движется по направлению вниз через корпус 114 и выдвигает резцы 116, как показано на фиг.12а.

В то время как расширитель 110 находится в работе, буровой раствор нагнетается от поверхности вниз через инструмент, выходит из сопел 156 в расширителе 110 и струйных сопел в буровой коронке ниже расширителя 110 и затем проходит обратно на поверхность через кольцевое пространство между колонной и стенкой скважины. Для облегчения прохода текучей среды после расширителя 110 проходящие по спирали каналы 122 образованы в корпусе, как показано на фиг.13. Каналы 122 содержат направляющие и замыкающие наклонные поверхностные щели 122а, 122b и промежуточные направленные по оси щели 122с для лезвий, образованные посредством углублений или окон 126, вырезанных в корпусе 114, чтобы приспособиться к движению в осевом направлении резцов 116 и опор 130 резцов. Поверхность корпуса 110 между каналами 122 также является в основном спиральной, что обеспечивает более эффективную стабилизацию и центровку, чем поверхности, направленные по оси. Замыкающие щели 122b образованы впереди резцов 116, и толщина корпуса, таким образом, больше позади резцов 116, что облегчает опору резцов 116.

В других аспектах его работы расширитель 110, по существу, подобен расширителю 10, описанному выше.

Фиг.14а и 15а представляют виды в разрезе раздвижного расширителя 210, фиг.14b представляет увеличенный вид в разрезе уплотнительной детали 260 расширителя 210. Раздвижной расширитель 210 работает, по существу, аналогичным образом, что и расширитель 110, описанный выше. Однако расширитель 210 имеет уплотнительную деталь 260 несколько более простой конструкции и требует, чтобы шарик 290 падал в уплотнительную деталь 260 для приведения в действие расширителя 210. Уплотнительная деталь 260 содержит две главные части 264 и 266, которые скреплены вместе, причем наружная часть 264 содержит уплотнение 262 для зацепления с отверстием корпуса и нижний участок большего диаметра части 264, соединенный с корпусом 214 посредством срезного штифта 284, в то время как внутренняя часть 266 обеспечивает уплотнение с нижним концом втулки 240 и также образует ограничение 280, улавливающее шарик.

При использовании падение шарика 290 в расширитель 210 с поверхности и приложение давления текучей среды с поверхности создает силу разности давлений текучей среды между шариком 290 и ограничением 280, достаточную для срезания штифта 284. Сила в таком случае будет двигать уплотнительную деталь 260 вниз против разности между давлением внутри и снаружи инструмента до тех пор, пока уплотнение 262 не передвинется в участок с большим диаметром отверстия в корпусе, и уплотнительная деталь будет в этом случае двигаться наружу и освобождать конец втулки 240, как показано на фиг.15а. Дифференциальный поршень, образованный уплотнениями 246, 247, в таком случае работает, и резцы 216 выдвигаются.

Когда уплотнительная деталь 260 освобождает конец втулки 240, текучая среда может обойти шарик 290 посредством прохода через отверстия 292 в части 266 над ограничением 280 и в кольцевой канал 294 между частями 264, 266.

Специалистам в этой области техники будет очевидно, что вышеописанные варианты осуществления являются только примерами настоящего изобретения, и что различные модификации и усовершенствования могут быть выполнены в нем, не выходя за пределы объема изобретения.

Предложенная группа изобретений относится к скважинным инструментам. Скважинный инструмент может быть выполнен в виде расширителя, труборезки или регулируемого стабилизатора. Техническим результатом является обеспечение надежности и простоты в управлении при работе скважинного инструмента. Скважинный инструмент содержит корпус, по меньшей мере, одну радиально выдвижную деталь, смонтированную в корпусе и движущуюся между втянутым и выдвинутым положениями, кулачковую деталь, оперативно соединенную с выдвижной деталью и перемещающуюся относительно корпуса для выдвигания выдвижной детали, и опорную деталь, обеспечивающую возможность втягивания выдвижной детали из выдвинутого положения. При этом опорная деталь может быть выполнена с возможность обеспечения движения выдвижной детали относительно кулачковой детали или корпуса для втягивания выдвижной детали. Скважинный инструмент также может содержать приводную деталь, оперативно соединенную с выдвижной деталью и приспособленную передвигать выдвижную деталь по направлению к выдвинутому положению в ответ на разность давлений текучей среды, и уплотнительную деталь, имеющую первое состояние, в котором приводная деталь изолирована от разности давлений, и второе состояние, в котором приводная деталь подвергается воздействию разности давлений. 3 н. и 47 з.п. ф-лы, 19 ил.

1. Скважинный инструмент, содержащий корпус, по меньшей мере, одну радиально выдвижную деталь, смонтированную в корпусе и движущуюся между втянутым и выдвинутым положениями, кулачковую деталь, оперативно соединенную с выдвижной деталью и перемещающуюся относительно корпуса для выдвигания выдвижной детали, и опорную деталь, обеспечивающую возможность втягивания выдвижной детали из выдвинутого положения.2. Инструмент по п.1, который имеет форму раздвижного расширителя, и, по меньшей мере, одна выдвижная деталь имеет форму режущего лезвия.3. Инструмент по п.1, в котором опорная деталь способна обеспечивать перемещение выдвижной детали относительно, по меньшей мере, кулачковой детали или корпуса для втягивания выдвижной детали.4. Инструмент по п.1, в котором кулачковая деталь является движущейся в осевом направлении относительно корпуса для выдвигания и втягивания выдвижной детали.5. Инструмент по п.4, в котором опорная деталь способна обеспечить движение в осевом направлении выдвижной детали относительно кулачковой детали.6. Инструмент по п.1, в котором корпус способен образовать часть колонны подъемных труб, и кулачковая деталь способна перемещаться независимо от колонны.7. Инструмент по п.1, в котором кулачковая деталь обычно выталкивается по направлению к положению, в котором выдвижная деталь втягивается.8. Инструмент по п.7, в котором кулачковая деталь выталкивается для втягивания выдвижной детали посредством пружины.9. Инструмент по п.1, в котором кулачковая деталь приспособлена приводиться в действие посредством давления текучей среды.10. Инструмент по п.9, в котором кулачковая деталь приспособлена приводиться в действие посредством разности давлений.11. Инструмент по п.10, в котором кулачковая деталь содержит кольцевое дифференциальное поршневое приспособление, посредством чего текучая среда внутри инструмента создает разность давлений по обе стороны поршня относительно текучей среды снаружи инструмента.12. Инструмент по п.1, в котором опорная деталь приспособлена удерживаться в опорной компоновке, в которой, по меньшей мере, одна выдвижная деталь выдвигается и втягивается посредством движения кулачковой детали относительно корпуса.13. Инструмент по п.12, в котором опорная деталь удерживается в опорной компоновке посредством разъемного соединения.14. Инструмент по п.13, в котором разъемное соединение представляет собой срезной штифт.15. Инструмент по п.12, в котором опорная деталь приспособлена удерживаться в опорной компоновке, по меньшей мере, частично, посредством давления текучей среды.16. Инструмент по п.15, в котором опорная деталь оперативно соединена с поршневым приспособлением, которое при наличии соответствующего давления текучей среды выталкивает опорную деталь по направлению к опорной компоновке.17. Инструмент по п.16, в котором поршневое приспособление приспособлено приводиться в действие посредством разности между давлением внутри инструмента и снаружи инструмента.18. Инструмент по п.1, в котором выдвижная деталь является радиально линейно перемещаемой относительно корпуса.19. Инструмент по п.1, в котором, по меньшей мере, одна выдвижная деталь представляет собой расширяющее лезвие, приспособленное производить резание в обоих направлениях по оси.20. Инструмент по п.1, в котором выдвижная деталь размещена в окне корпуса.21. Инструмент по п.20, в котором стороны окна приспособлены обеспечить, по меньшей мере, боковую или осевую опору для детали.22. Инструмент по п.20, в котором опорная деталь выдвигается в окно и обеспечивает опору, по меньшей мере, для одной боковой части выдвижной детали.23. Инструмент по п.22, в котором опорная деталь создает опору для направляющей поверхности выдвижной детали.24. Инструмент по п.1, в котором кулачковая деталь образует поверхность кулачка, наклоненную относительно основной оси инструмента.25. Инструмент по п.24, в котором поверхность кулачка находится под небольшим углом к оси инструмента.26. Инструмент по п.25, в котором кулачковая деталь находится в жестком зацеплении с выдвижной деталью.27. Инструмент по п.26, в котором кулачковая деталь и выдвижная деталь образуют соответствующие профили в виде ласточкина хвоста.28. Инструмент по п.1, в котором инструмент способен, по меньшей мере, первоначально ограничивать, по меньшей мере, одну выдвижную деталь во втянутом положении.29. Инструмент по п.28, в котором, по меньшей мере, кулачковая деталь или выдвижная деталь является запираемой.30. Инструмент по п.29, в котором, по меньшей мере, кулачковая деталь или выдвижная деталь является запираемой посредством разъемного соединения.31. Инструмент по п.1, в котором приводная деталь оперативно соединена с, по меньшей мере, одной выдвижной деталью и приспособлена передвигать выдвижную деталь по направлению к выдвинутому положению в ответ на разность давлений текучей среды, и дополнительно содержащий уплотнительную деталь, имеющую первое состояние, в котором приводная деталь изолирована от разности давлений, и второе состояние, в котором приводная деталь подвергается воздействию разности давлений.32. Инструмент по п.31, в котором приводная деталь предусмотрена в сочетании с кулачковой деталью.33. Инструмент по п.31, в котором уплотнительная деталь приспособлена двигаться под влиянием силы давления текучей среды относительно потока.34. Инструмент по п.31, в котором уплотнительная деталь оперативно соединена с ограничением потока, так что разность давлений устанавливается по обе стороны ограничения.35. Инструмент по п.34, в котором ограничение потока имеет форму сопла.36. Инструмент по п.34, в котором уплотнительная деталь расположена так, что разность давлений действует на относительно большую поверхность уплотнительной детали.37. Инструмент по п.1, в котором, по меньшей мере, одна внешняя полость выполнена в корпусе для приспособления к перемещению, по меньшей мере, выдвижной детали или опорной детали относительно корпуса инструмента.38. Инструмент по п.37, который приспособлен направлять поток текучей среды в полость.39. Инструмент по п.1, в котором корпус инструмента образует, по меньшей мере, один проходящий в осевом направлении канал для облегчения прохода текучей среды между наружной частью инструмента и окружающей стенкой скважины.40. Инструмент по п.39, в котором, по меньшей мере, один проходящий в осевом направлении канал образован, по меньшей мере, частично, посредством наружной полости, приспособленной к перемещению, по меньшей мере, выдвижной детали или опорной детали относительно корпуса инструмента.41. Инструмент по п.40, в котором канал проходит по спирали.42. Инструмент по п.41, в котором канал содержит направляющие и замыкающие наклонные поверхностные щели.43. Инструмент по п.42, в котором замыкающая щель образована впереди выдвижной детали, и толщина корпуса больше позади выдвижной детали.44. Инструмент по п.40, в котором предусмотрено множество каналов, и поверхность корпуса между каналами является в основном спиральной.45. Скважинный инструмент, предназначенный для включения в колонну и содержащий корпус, приспособленный для образования части колонны, по меньшей мере, одну радиально линейно выдвижную деталь, смонтированную в корпусе и движущуюся между втянутым и выдвинутым положениями, кулачковую деталь, оперативно соединенную с выдвижной деталью и движущуюся относительно корпуса и независимо от колонны для выдвижения выдвижной детали, и опорную деталь, обеспечивающую возможность движения выдвижной детали относительно, по меньшей мере, кулачковой детали или корпуса для втягивания выдвижной детали.46. Скважинный инструмент, содержащий корпус, по меньшей мере, одну радиально выдвижную деталь, смонтированную в корпусе и движущуюся между втянутым и выдвинутым положениями, приводную деталь, оперативно соединенную с выдвижной деталью и приспособленную передвигать выдвижную деталь по направлению к выдвинутому положению в ответ на разность давлений текучей среды, и уплотнительную деталь, имеющую первое состояние, в котором приводная деталь изолирована от разности давлений, и второе состояние, в котором приводная деталь подвергается воздействию разности давлений.47. Инструмент по п.46, в котором приводная деталь предусмотрена в сочетании с кулачковой деталью, оперативно соединенной с выдвижной деталью и движущейся относительно корпуса для выдвигания выдвижной детали.48. Инструмент по п.46, в котором уплотнительная деталь приспособлена к движению под влиянием силы давления текучей среды относительно потока.49. Инструмент по п.46, в котором уплотнительная деталь оперативно соединена с ограничением потока, так что разность давлений устанавливается по обе стороны ограничения.50. Инструмент по п.49, в котором ограничение потока имеет форму сопла.

Приоритет по пунктам: