РАЗДВИЖНОЙ РАСШИРИТЕЛЬ ДЛЯ РАСШИРЕНИЯ СКВАЖИН И СПОСОБ РАСШИРЕНИЯ СКВАЖИНЫ Российский патент 2012 года по МПК E21B7/28 E21B10/32 

Настоящее изобретение относится в общем к бурению скважин. Более конкретно настоящее изобретение относится к раздвижным расширителям и к способам применения таких инструментов для расширения скважин. Раздвижной расширитель может содержать трубчатый корпус с выдвижными лопастями, которые могут быть установлены в первое (убранное) положение и могут быть перемещены радиально наружу и вверх во второе (выдвинутое) положение.

При бурении нефтяных, газовых и геотермальных скважин обычно устанавливают обсадную колонну для защиты от обрушения стенок скважины. Обсадная колонна также обеспечивает изоляцию от различных пластов, предотвращает переток пластовых флюидов и обеспечивает управление флюидами и давлением в пластах в процессе бурения скважины. При углублении существующих скважин внутри имеющейся обсадной колонны устанавливают новую колонну. Установка в скважине дополнительной обсадной колонны позволяет достичь больших глубин, однако недостатком такого способа является сужение скважины. Такое сужение ограничивает диаметр последующих секций скважины, поскольку буровое долото и обсадная колонна нижних секций должны проходить через ранее установленную обсадную колонну. В связи с тем, что уменьшение диаметра скважины нежелательно, поскольку это снижает дебит нефтяной или газовой скважины, часто возникает необходимость в расширении скважины для увеличения ее диаметра с целью установки дополнительной обсадной колонны ниже уже установленной колонны или для повышения добычи углеводородов из скважины.

Для увеличения диаметра скважины используются различные способы. Один из традиционных способов заключается в использовании эксцентричных буровых долот и долот со смещенным центром. Например, эксцентричное долото с вытянутой или увеличенной режущей частью вращается вокруг своей оси, осуществляя расширение скважины. Пример эксцентричного долота раскрыт в патенте US 4635738, права на который переданы правопреемнику настоящей заявки. В узле долота со смещенным центром используются две части долота, накладывающиеся в продольном направлении, с осями, смещенными в поперечном направлении, которые при вращении обеспечивают расширение скважины. Пример долота со смещенным центром раскрыт в патенте US 5957223, права на который переданы правопреемнику по настоящей заявке.

Другой традиционный подход, используемый для расширения скважины, заключается в использовании удлиненной нижней части бурильной колонны с пилотным буровым долотом на ее конце и расширителем, расположенным вверху на некотором расстоянии от долота. Такое устройство позволяет использовать любое стандартное долото роторного бурения, например долото для твердых пород или долото для мягких пород, и увеличенная длина обеспечивает повышенную гибкость при прохождении через интервалы сужения ствола скважины, а также возможность эффективной стабилизации пилотного бурового долота, так что пилот-ствол и следующий далее расширитель будут проходить в направлении, предназначенном для скважины. Этот момент, связанный с удлиненной нижней частью бурильной колонны, является особенно значимым для наклонно-направленного бурения. Правопреемник по настоящей заявке сконструировал с этой целью расширительное устройство, так называемые "расширительные крылья", которое содержит трубчатый корпус, в верхней части которого имеется ловильная шейка с соединительной резьбой, а в нижней части - поверхность под плашку трубного ключа, также с соединительной резьбой. В патентах US 5497842 и 5495899, переданных правопреемнику по настоящей заявке, раскрываются расширяющие конструкции, содержащие расширительные крылья. Вверху средней части такого инструмента с расширительными крыльями имеется одна или несколько продольно вытянутых лопастей, отходящих от трубчатого корпуса в целом радиально наружу, причем внешние края лопастей снабжены режущими элементами с коронками, армированными поликристаллическими синтетическими алмазами.

Обычно используемые раздвижные расширители содержат лопасти, которые прикреплены к корпусу с возможностью поворота на шарнирах и приводятся в рабочее положение с помощью поршня, имеющегося в корпусе, как это описано в патенте US 5402856, выданном Warren. Кроме того, в патенте US 6360831, выданном Akesson и др., раскрывается обычный буровой расширитель, содержащий корпус, снабженный по меньшей мере двумя расширительными лопастями с режущими элементами, которые могут быть перемещены из транспортного положения в рабочее положение под действием давления промывочной жидкости, протекающей в корпусе. Лопасти в таких расширителях первоначально убраны, чтобы инструмент можно было продвигать в скважине на бурильной колонне, и как только инструмент проходит за край обсадной колонны, лопасти выдвигаются, так чтобы можно было расширять скважину ниже обсадной колонны.

Лопасти обычных раздвижных расширителей имеют такие размеры, чтобы зазоры между ними и трубчатым корпусом были минимизированы для предотвращения попадания в зазоры бурового раствора и фрагментов породы, что может приводить к заеданию лопасти относительно корпуса.

Несмотря на различные имеющиеся технические решения, обеспечивающие бурение и/или расширение скважины ниже ее участка с малым диаметром, существует потребность в улучшениях конструкций существующих инструментов и способов их применения. Например, конструкции со смещенным центром и с расширительными крыльями ограничены тем, что диаметр сквозного прохода у них не регулируется и ограничен диаметром расширения скважины. Кроме того, обычно используемые долота со смещенным центром и эксцентричные долота могут быть неустойчивыми, в результате чего происходят отклонения от расчетной трассы ствола скважины. Хотя традиционные конструкции раздвижных расширителей более устойчивы по сравнению с долотами со смещенным центром и эксцентричными долотами, однако они могут повреждаться при прохождении через скважину меньшего диаметра или через секцию обсадной колонны, могут срабатывать преждевременно, а также могут возникать проблемы по их извлечению из скважины после проведения работ по расширению скважины.

В основу настоящего изобретения была положена задача преодоления вышеупомянутых недостатков существующих технических решений с помощью раздвижного расширителя, содержащего наружный корпус, сквозь который проходит капал для текучей среды, и

по меньшей мере одну лопасть, выполненную с возможностью перемещения относительно корпуса между убранным положением и выдвинутым положением в направлении под острым углом к продольной оси корпуса,

отличающегося тем, что он дополнительно содержит внутренний подвижный трубчатый элемент, выполненный с возможностью перемещения из первого положения во второе положение, когда разность гидравлических давлений между разными частями канала для текучей среды достигает предварительно заданного значения, с предотвращением тем самым действия гидравлического давления в канале для текучей среды на упомянутую лопасть при нахождении внутреннего подвижного трубчатого элемента в первом положении, и обеспечения действия гидравлического давления в канале для текучей среды на упомянутую лопасть, при нахождении внутреннего подвижного трубчатого элемента во втором положении,

причем упомянутая лопасть имеет такие размеры и форму, чтобы между корпусом и каждой боковой поверхностью упомянутой лопасти, прилегающей к корпусу, обеспечивался зазор, величина которого превышает примерно 0,254 мм (0,010 дюйма), и

упомянутая лопасть включает основную часть, имеющую наклонную поверхность, расположенную под первым углом относительно продольной оси корпуса, которая может быть заклинена относительно наклонной поверхности корпуса, расположенной под вторым углом, отличающимся от первого угла, относительно продольной оси корпуса, для центрирования лопасти в пластине лопасти, когда лопасть находится в выдвинутом положении.

В частных вариантах лопасти могут иметь поверхность, взаимодействующую с породой пласта, которая содержит переднюю (в продольном направлении) зону, содержащую по меньшей мере один передний режущий элемент, и заднюю (в продольном направлении) зону, содержащую по меньшей мере один задний режущий элемент. Передние режущие элементы могут выступать из поверхности на длину, превышающую длину, на которую выступают задние режущие элементы.

В других вариантах лопасти могут иметь поверхность, взаимодействующую с породой пласта, которая содержит зону, определяющую диаметр раздвижного расширителя. Крайняя сзади (в продольном направлении) точка зоны, определяющей диаметр раздвижного расширителя, может быть расположена на некотором расстоянии от средней линии указанной поверхности, которое не превышает 25% от размера указанной поверхности в продольном направлении.

В других вариантах лопасти могут иметь поверхность, взаимодействующую с породой пласта, которая содержит зону, определяющую диаметр раздвижного расширителя, и углубление в радиальном направлении, проходящее вперед в продольном направлении от заднего края указанной поверхности. Зона углубления в радиальном направлении может иметь размер в продольном направлении, который превышает 5% от размера указанной поверхности в продольном направлении.

В других вариантах раздвижной расширитель может содержать уплотнение между корпусом или между отдельным элементом, прикрепленным к корпусу, и каждой боковой поверхностью лопастей, прилегающей к корпусу. Уплотнение может прилегать к каждой поверхности корпуса, соприкасающейся с уплотнением, под прямым углом.

В настоящем изобретении также предлагается способ расширения скважины с использованием описанного выше раздвижного расширителя. Промывочную жидкость пропускают через канал для текучей среды, проходящий сквозь корпус раздвижного расширителя, в результате чего гидравлическое давление, действующее внутри канала для текучей среды, действует непосредственно на поверхности лопастей раздвижного расширителя, заставляя лопасти скользить относительно корпуса в направлении, составляющем острый угол (меньше 90°) с продольной осью корпуса, из убранного положения в выдвинутое положение. Причем обеспечивают по меньшей мере одну наклонную поверхность основной части упомянутой лопасти для заклинивания этой наклонной поверхности относительно наклонной поверхности корпуса, когда упомянутая лопасть перемещается со скольжением относительно корпуса из убранного положения в выдвинутое положение, причем по меньшей мере одна наклонная поверхность основной части упомянутой лопасти расположена под первым, острым, углом, обеспечивают заклинивание по меньшей мере одной наклонной поверхности основной части упомянутой лопасти относительно наклонной поверхности корпуса, когда упомянутая лопасть перемещается со скольжением относительно корпуса из убранного положения в выдвинутое положение, причем упомянутая наклонная поверхность основной части упомянутой лопасти расположена под первым, острым, углом в диапазоне от примерно 15° и примерно 75° относительно направления продольной оси корпуса, а наклонная поверхность корпуса расположена под вторым углом, который отличается от первого угла, относительно продольной оси корпуса. Далее осуществляют вращение раздвижного расширителя в скважине. Причем при обеспечении действия гидравлического давления внутри канала для текучей среды непосредственно на поверхность упомянутой лопасти раздвижного расширителя: устанавливают внутренний трубчатый элемент в первое положение внутри канала для текучей среды и предотвращают воздействие гидравлического давления непосредственно на поверхность упомянутой лопасти, используя внутренний трубчатый элемент; и перемещают внутренний трубчатый элемент из первого положения во второе положение и обеспечивают воздействие гидравлического давления непосредственно на поверхность упомянутой лопасти.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения способ включает извлечение раздвижного расширителя из скважины. Такой способ включает: вытягивание раздвижного расширителя из скважины и приведение зоны лопасти раздвижного расширителя, находящейся сзади на некотором расстоянии от центральной линии поверхности лопасти, взаимодействующей с породой пласта, величина которого не превышает 43% от размера указанной поверхности в продольном направлении, во взаимодействие со структурой, формирующей суженную часть скважины, для обеспечения скольжения лопасти в направлении, составляющем острый угол (меньше 90°) с продольной осью корпуса раздвижного расширителя, из выдвинутого положения в убранное положение.

В то время как в формуле изобретения конкретно заявляется объем изобретения, различные признаки, особенности и достоинства настоящего изобретения можно будет легче понять из нижеприведенного описания, в котором раскрываются частные варианты осуществления изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых показано:

на фиг.1 - вид сбоку одного из вариантов конструкции предлагаемого в настоящем изобретении раздвижного расширителя;

на фиг.2 - вид поперечного сечения раздвижного расширителя, представленного на фиг.1, по линии 2-2;

на фиг.3 - вид продольного сечения раздвижного расширителя, представленного на фиг.1 и 2, по линии 3-3 фиг.2;

на фиг.4 - вид продольного сечения раздвижного расширителя, представленного на фиг.1-3, по линии 4-4 фиг.2;

на фиг.5 - увеличенный вид лопасти раздвижного расширителя, представленного на фиг.1-4, в первом положении, в котором лопасти убраны или отведены радиально внутрь;

на фиг.6 - увеличенный вид лопасти раздвижного расширителя, представленного на фиг.1-4, во втором положении, в котором лопасти выдвинуты или перемещены радиально наружу;

на фиг.7 - вид сверху лопасти раздвижного расширителя, представленного на фиг.1-4;

на фиг.8 - вид сбоку лопасти, показанной на фиг.7;

на фиг.9 - вид с торца лопасти, показанной на фиг.7;

на фиг.10 - вид сбоку лопасти, практически идентичный виду на фиг.8, который иллюстрирует дополнительные особенности нескольких вариантов осуществления настоящего изобретения;

на фиг.11 - вид сбоку уплотнения в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения;

на фиг.12 - вид сверху сечения уплотнения, показанного на фиг.11, по линии 12-12 фиг.11;

на фиг.13 - вид сечения уплотнения, представленного на фиг.11-12, по линии 13-13 фиг.12;

на фиг.14 - вид сечения уплотнения, представленного на фиг.11-12, по линии 14-14 фиг.12;

на фиг.15 - увеличенный вид сечения части уплотнения, показанного на фиг.11-14, которое установлено между лопастью и окружающими поверхностями корпуса раздвижного расширителя, показанного на фиг.2.

Иллюстрации, приведенные в настоящем описании, в некоторых случаях не являются действительными видами конкретной конструкции расширителя, режущего элемента или другой его части, а представляют обобщенные виды, которые используются исключительно в целях описания настоящего изобретения. Общие для нескольких фигур элементы могут иметь одинаковые ссылочные номера.

Вид раздвижного расширителя 10 в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения приведен на фиг.1. Раздвижной расширитель 10 может содержать корпус 16, имеющий в целом цилиндрическую форму, с продольной осью L16. Корпус 16 раздвижного расширителя 10 может иметь первый (нижний) конец 12 и второй (верхний) конец 14. Термины "нижний" и "верхний", используемые в отношении концов 12, 14, относятся к типичным положениям концов 12, 14 относительно друг друга, когда раздвижной расширитель 10 установлен в скважине. Нижний конец 12 корпуса 16 раздвижного расширителя 10 может содержать нитки резьбы, например может представлять собой трубный конец с наружной резьбой, для присоединения нижнего конца 12 к другой секции бурильной колонны или к другому элементу нижней части бурильной колонны, такому как, например, пилотное бурильное долото для бурения скважины. Аналогично, верхний конец 14 корпуса 16 раздвижного расширителя 10 может содержать нитки резьбы, например может представлять собой охватывающий элемент с внутренней резьбой, для присоединения верхнего конца 14 к другой секции бурильной колонны или к другому элементу нижней части бурильной колонны.

Вдоль поверхности раздвижного расширителя 10 между нижним концом 12 и верхним концом 14 могут быть установлены лопасти 40. Лопасти 40 могут быть изготовлены из стали, карбида вольфрама, композиционного материала с частицами в матрице, например с прочными частицами, распределенными в металлической матрице, или из других подходящих материалов, известных в технике. Лопасти 40 могут быть частями, которые могут перемещаться радиально наружу из первого (убранного) положения, показанного на фиг.1, 3 и 5, во второе (выдвинутое) положение, показанное на фиг.6, и обратно. Раздвижной расширитель 10 может быть устроен таким образом, чтобы лопасти 40 взаимодействовали со стенками подземного пласта в скважине для удаления породы пласта, когда они находятся в выдвинутом положении, и чтобы лопасти 40 не взаимодействовали со стенками пласта в скважине, когда они находятся в убранном положении.

На фиг.2 приведен вид поперечного сечения раздвижного расширителя 10, представленного на фиг.1, по линии 2-2 фиг.1. Как показано на фиг.2, корпус 16 охватывает канал 17 для текучей среды, который проходит продольно сквозь корпус 16. Как показано на фиг.2, раздвижной расширитель 10 содержит три лопасти 40, хотя может использоваться любое количество лопастей (одна и более). Для того чтобы можно было лучше разобраться в деталях настоящего изобретения, на фиг.2 лопасти 40 (b) и 40 (с) показаны в первом положении (убраны радиально внутрь), а лопасть 40 (а) показана во втором положении (выдвинута радиально наружу). Раздвижной расширитель 10 может быть устроен таким образом, чтобы наиболее выступающая в радиальном направлении часть каждой лопасти 40 была спрятана в углублении корпуса 16, когда лопасть 40 находится в первом, или убранном, положении, и не выходила за пределы наружного диаметра корпуса 16. Такое устройство обеспечивает защиту лопастей 40, когда раздвижной расширитель 10 находится в скважине внутри обсадной колонны уменьшенного диаметра, и позволяет продвигать раздвижной расширитель 10 в такой обсадной колонне. В других вариантах осуществления изобретения наиболее выступающая часть каждой лопасти 40 может совпадать или немного выходить за пределы внешнего диаметра корпуса 16. Как можно видеть на примере лопасти 40 (а), лопасти могут быть выдвинуты радиально наружу за пределы внешнего диаметра корпуса 16 во второе положение, и, таким образом, они могут взаимодействовать со стенками скважины, когда расширитель 10 установлен в скважине.

В некоторых вариантах осуществления изобретения лопасти 40 могут быть разнесены примерно равномерно по окружности корпуса 16 раздвижного расширителя 10. В других вариантах раздвижной расширитель 10 может содержать одну, две, четыре или любое другое число лопастей 40. Кроме того, в некоторых вариантах лопасти 40 могут быть разнесены неравномерно по окружности корпуса 16 раздвижного расширителя 10.

На фиг.3 приведен вид продольного сечения раздвижного расширителя 10, представленного на фиг.1 и 2, по линии 3-3 фиг.2. Корпус 16 раздвижного расширителя 10 может состоять из различных элементов или частей, которые могут быть прикреплены друг к другу для формирования корпуса 16. Корпус 16 может, например, содержать нижний перепускной элемент 18 для текучей среды, пластину 26 лопасти и один или несколько элементов 24 стабилизации расширителя 10.

В различных вариантах осуществления изобретения раздвижной расширитель 10 может содержать опорные накладки 34, расположенные возле одного или обоих концов лопастей 40. В некоторых вариантах, как показано на фиг.3, опорные накладки 34 могут быть расположены в продольном направлении впереди и позади лопастей 40 на элементах 24 стабилизации расширителя 10. Таким образом, опорные накладки 34 могут находиться продольно впереди или позади лопастей 40 в направлении бурения/расширения скважины. Опорные накладки 34 могут содержать твердосплавный материал, алмазные или другие суперабразивные материалы, карбид вольфрама или другие абразивные и/или материалы, стойкие к истиранию. Опорные накладки 34 могут иметь размеры, соответствующие внешнему диаметру пилотного бурового долота (не показано), прикрепленного на уровне или ниже первого конца 12 (см. фиг.1) раздвижного расширителя 10. Просвет между диаметром внешних поверхностей опорных накладок 34 и диаметром скважины или внешним диаметром пилотного бурового долота, используемого для бурения скважины, может составлять, например, 3,175 мм (1/8 дюйма) или меньше. Такое устройство может способствовать стабилизации раздвижного расширителя 10 в процессе его работы.

Различные элементы и части корпуса 16 могут быть прикреплены друг к другу с использованием, например, сопряженных резьб, сварных соединений и/или механически соединяющихся фиксирующих устройств. В других вариантах корпус 16 раздвижного расширителя 10 может содержать меньшее количество элементов. Таким образом, нижний перепускной элемент 18 для текучей среды, трубчатый фиксирующий элемент 20, пластины 26 лопастей и элементы 24 стабилизации расширителя могут быть соединены вместе для формирования жесткой конструкции.

На фиг.4 приведен вид продольного сечения раздвижного расширителя, представленного на фиг.1-3, по линии 4-4 фиг.2. Как показано на фиг.4, в некоторых вариантах осуществления изобретения пластины 26 лопастей и элементы 24 стабилизации расширителя могут быть прикреплены к корпусу 16 с использованием съемных фиксирующих стержней 33. Съемные фиксирующие стержни 33 могут проходить в отверстия 25 (см. фиг.1), сформированные в трубчатом фиксирующем элементе 20.

Точнее, съемные фиксирующие стержни 33 могут быть введены в отверстия 25, сформированные в трубчатом фиксирующем элементе 20, и при этом они будут проходить между пластинами 26 лопастей, элементами 24 стабилизации расширителя и корпусом 16, обеспечивая фиксацию пластин 26 и элементов 24 стабилизации расширителя в корпусе 16. После завершения сборки съемные фиксирующие стержни 33 могут проходить по существу в продольном направлении по всей длине элементов 24 стабилизации расширителя и пластин 26 лопастей и при этом могут проходить дальше, в зависимости от способа крепления стержней 33 к корпусу 16. Съемные фиксирующие стержни 33 могут быть прикреплены к корпусу 16 с использованием резьбовых, штифтовых, сварных или иных соединений. В некоторых вариантах осуществления изобретения съемные фиксирующие стержни 33 могут быть отсоединены от корпуса 16 для обеспечения возможности снятия пластин 26 лопастей, лопастей 40, элементов 24 стабилизации расширителя и опорных накладок 34. Соответственно, настоящее изобретение охватывает вариант, в котором пластины 26 лопастей, элементы 24 стабилизации расширителя, опорные накладки 34 и/или лопасти 40 могут быть демонтированы, для замены или ремонта, путем извлечения съемных фиксирующих стержней 33 из отверстий 25 в корпусе 16 раздвижного расширителя 10. Безусловно, возможно использование для фиксации лопастей 10 и других съемных фиксирующих элементов, в том числе с использованием штифтового или резьбового соединения, соединения типа "ласточкин хвост" или других соединений, известных в технике.

Как можно видеть на фиг.4, раздвижной расширитель 10 может также содержать по меньшей мере одну промывочную насадку 35. Промывочная насадка 35 может быть устроена таким образом, чтобы она обеспечивала подачу промывочной жидкости (бурового раствора) к режущим элементам 54 (описаны ниже), прикрепленным к лопастям 40. Промывочная жидкость может способствовать удалению обломков выбуренной породы от режущих элементов 54, а также обеспечивает охлаждение этих элементов. В некоторых вариантах осуществления изобретения промывочные насадки могут быть расположены возле лопастей 40, как показано на фиг.4. В других вариантах промывочные насадки 36 могут быть частью лопастей 40 или могут быть сформированы в них и двигаются вместе с ними.

Как показано на фиг.3, раздвижной расширитель 10 может содержать внутренний неподвижный трубчатый элемент 28, который может быть расположен внутри продольного канала 17 для текучей среды и жестко прикреплен к корпусу 16. Например, внутренний неподвижный трубчатый элемент 28 может быть жестко прикреплен к перепускному элементу 18 для текучей среды и/или к трубчатому фиксирующему элементу 20.

Раздвижной расширитель 10 может также содержать внутренний подвижный трубчатый элемент 30, расположенный внутри продольного канала 17 для текучей среды. По меньшей мере часть подвижного внутреннего трубчатого элемента 30 может быть устроена таким образом, чтобы она скользила внутри или относительно внутреннего неподвижного трубчатого элемента 28. Сначала внутренний подвижный трубчатый элемент 30 может быть жестко прикреплен к корпусу 16 в первом положении, показанном на фиг.3. Например, внутренний подвижный трубчатый элемент 30 может быть жестко прикреплен к фиксирующему элементу 36 со срезными штифтами, в котором используется один или несколько срезных штифтов 38. В других вариантах вместо срезных штифтов 38 могут использоваться срезные винты, разрывные диски или другие устройства. Фиксирующий элемент 36 со срезными штифтами может быть установлен внутри верхней части трубчатого фиксирующего элемента 20 корпуса 16, где он удерживается трубчатым фиксирующим элементом 20 от скольжения внутри продольного канала 17 для текучей среды в направлении нижнего конца 12 раздвижного расширителя 10. В этом первом положении, показанном на фиг.3, внутренний подвижный трубчатый элемент 30 удерживается от скольжения в продольном направлении внутри продольного канала 17 для текучей среды одним или несколькими срезными штифтами 38.

Внутренний неподвижный трубчатый элемент 28 и внутренний подвижный трубчатый элемент 30 могут быть по существу открыты на противолежащих концах для протекания потока промывочной жидкости (не показана) по продольному каналу 17 для текучей среды между верхним концом 14 и нижним концом 12 раздвижного расширителя 10. Внутренний неподвижный трубчатый элемент 28 также может содержать одну или более щелей 29 или отверстий в своей стенке, устроенных для формирования цанговых фиксирующих устройств, предназначенных для фиксации внутреннего подвижного трубчатого элемента 30 в нужном положении после его срабатывания.

Внутренний подвижный трубчатый элемент 30 может также иметь в своих стенках одно или несколько перепускных отверстий 31 для текучей среды. В первом положении раздвижного расширителя 10, показанном на фиг.3, эти перепускные отверстия 31 для текучей среды могут быть совмещены с внутренним неподвижным трубчатым элементом 28, в результате чего промывочная жидкость не может вытекать через них из внутреннего подвижного трубчатого элемента 30. Внутренний подвижный трубчатый элемент 30 также может содержать сферическую поверхность 32 седла клапана с сужением внутреннего прохода внутреннего подвижного трубчатого элемента 30. Сферическая поверхность седла клапана может использоваться для посадки шара или другого ограничительного элемента для приведения в действие раздвижного расширителя 10 с поверхности земли, как это будет описано ниже.

Внутренняя поверхность внутреннего подвижного трубчатого элемента 30 может быть, например, в целом цилиндрической. Первая часть внутренней поверхности внутреннего подвижного трубчатого элемента 30 на стороне сферической поверхности 32 седла клапана в направлении верхнего конца 14 раздвижного расширителя 10 может иметь внутренний диаметр, который немного превышает примерно 5 см (примерно 2 дюйма). Вторая относительно меньшая часть внутренней поверхности внутреннего подвижного трубчатого элемента 30 на стороне сферической поверхности 32 седла клапана в направлении нижнего конца 12 раздвижного расширителя 10 может иметь внутренний диаметр, который немного меньше чем примерно 5 см (примерно 2 дюйма). Сферическая поверхность 32 седла клапана может содержать, например, часть второй относительно меньшей части внутренней поверхности внутреннего подвижного трубчатого элемента 30. Иными словами, гидравлическое давление внутри внутреннего подвижного трубчатого элемента 30 позади ограничительного элемента или шара может прижимать или заклинивать ограничительный элемент или шар по меньшей мере частично внутри второй относительно меньшей части внутренней поверхности внутреннего подвижного трубчатого элемента 30. В результате прижатия или заклинивания ограничительного элемента или шара по меньшей мере частично внутри второй относительно меньшей части внутренней поверхности внутреннего подвижного трубчатого элемента 30, диаметр которой несколько меньше диаметра ограничительного элемента или шара, он может быть зафиксирован в нужном положении после срабатывания внутреннего подвижного трубчатого элемента 30. В других вариантах осуществления изобретения сферическая поверхность 32 седла клапана может содержать или может быть сформирована переходной поверхностью, имеющей в целом форму усеченного конуса и проходящей между первой и второй частями внутренней поверхности внутреннего подвижного трубчатого элемента 30.

Как можно видеть на фиг.2, 3, внутренний подвижный трубчатый элемент 30 может предотвращать действие давления любой промывочной жидкости, находящейся под давлением внутри продольного канала 17 для текучей среды, на любую из лопастей 40, когда внутренний подвижный трубчатый элемент 30 и раздвижной расширитель 10 находятся в первом положении, показанном на фиг.3. Лопасти 40 могут быть смещены радиально внутрь в направлении первого (убранного) положения, показанного на фиг.3. Для радиального смещения каждой из лопастей 40 внутрь в направлении первого (убранного) положения, показанного на фиг.3, можно использовать, например, один или несколько механических пружинных элементов 50, в качестве которых могут быть использованы, например, цилиндрические пружины, как это показано на фиг.3.

Как показано на фиг.5 и фиг.6, представляющих собой увеличенные виды лопасти 40 раздвижного расширителя 10 и окружающих ее частей конструкции раздвижного расширителя 10, показанного на фиг.3, лопасти 40 и корпус 16 раздвижного расширителя 10 могут быть устроены таким образом, чтобы лопасти 40 скользили в целом продольно вверх и радиально наружу (в направлении стрелки 62) относительно раздвижного расширителя 10, когда лопасти 40 перемещаются из первого (убранного) положения, показанного на фиг.5, во второе (выдвинутое) положение, показанное на фиг.6. Направление 62 может составлять, например, острый угол 64 (меньше 90°) с продольной осью L16 корпуса 16. Более предпочтительно величина угла между направлением 62 и продольной осью L16 корпуса 16 может быть в диапазоне от примерно 15° до примерно 75°. В некоторых вариантах, не ограничивающих объем изобретения, направление 62 может быть, например, под острым углом примерно 60° или же направление 62 может быть, например, под острым углом примерно 30° относительно продольной оси L16 корпуса 16. Лопасти 40 могут быть устроены таким образом, чтобы они скользили между первым (убранным) положением и вторым (выдвинутым) положением внутри вырезов 51 (см. фиг.1), сформированных внутри пластин 26 лопастей корпуса 16.

Как показано на фиг.5, корпус 42 лопасти может содержать основную часть 46. Основная часть 46 может содержать по меньшей мере одну наклонную поверхность 47 (также показана на фиг.8). По меньшей мере одна наклонная поверхность 47 может иметь такую конфигурацию, которая обеспечивает ее взаимодействие по меньшей мере с одной сопряженной наклонной поверхностью 60 корпуса 16 и более конкретно пластины 26 лопасти, когда лопасть 40 находится во втором (выдвинутом) положении, как показано на фиг.6. Когда лопасть 40 находится во втором (выдвинутом) положении, то по меньшей мере одна наклонная поверхность 47 основной части 46 корпуса 42 лопасти и по меньшей мере одна сопряженная наклонная поверхность 60 пластины 26 лопасти могут формировать уплотнение металл-металл. В других вариантах осуществления изобретения наклонная поверхность 60 может проходить под углом, отличающимся от угла наклона поверхности 47, и уплотнение будет обеспечиваться по линии вместо уплотнения по площади контакта поверхностей 47 и 60, как это происходит в предыдущем варианте. Взаимодействие корпуса 42 лопасти и корпуса 16 предотвращает возникновение вибраций лопастей и центрирует лопасти 40 в пластинах 26 корпуса 16. В некоторых вариантах осуществления изобретения, как показано на фиг.8, по меньшей мере одна наклонная поверхность 47 может быть наклонена под острым углом 49, величина которого находится в диапазоне от примерно 15° до примерно 75° относительно направления 62 скольжения лопастей 40 в корпусе 16. В одном из вариантов, не ограничивающем объем изобретения, по меньшей мере одна наклонная поверхность 47 может быть наклонена под острым углом, величина которого составляет примерно 30° относительно направления 62 скольжения лопастей 40.

Как показано на фиг.7, представляющей вид сверху на лопасть 40 раздвижного расширителя 10, показанного на фиг.1-4, корпус 42 лопасти может быть снабжен поверхностью 44, выступающей наружу в радиальном направлении и предназначенной для взаимодействия в скважине с породой пласта, когда лопасть 40 находится во втором (выдвинутом) положении, как показано на фиг.6. Поверхность 44, которая взаимодействует с породой пласта и примыкает к передней (по ходу вращения лопасти) боковой поверхности 45 лопасти 40, может быть снабжена режущими элементами 54. В качестве режущих элементов 54 могут использоваться, например, режущие элементы, содержащие поликристаллические синтетические алмазы. Поверхность 44, взаимодействующая с породой пласта, лопасти 40 может быть снабжена износостойкими элементами 56, которые в основном располагаются позади (по ходу вращения лопасти 40) режущих элементов 54. В качестве износостойких элементов 56 могут использоваться, например, износостойкие бляшки, головки, износостойкие вставки, дополнительные режущие элементы и любые другие элементы, которые более стойки к истиранию по сравнению с материалом корпуса 42 лопасти. Кроме того, на любую внешнюю поверхность лопасти 40, которая может вступать во взаимодействие с породой пласта, когда лопасть 40 находится во втором (выдвинутом) положении, может быть нанесен упрочненный материал, стойкий к истиранию.

Лопасти 40 также могут содержать один или несколько элементов 58, которые устроены таким образом, чтобы на них опирались и в них фиксировались концы пружин 50 (см. фиг.3), смещающих лопасти 40 в убранное положение. В некоторых вариантах осуществления изобретения элементы 58 могут быть отдельными частями, которые прикрепляются к корпусу 42 лопасти. В других вариантах элементы 58 могут составлять единое целое с корпусом 42 лопасти, которые формируют с использованием машинной обработки или иных подходящих способов изготовления.

Как показано на фиг.7, каждая лопасть 40 может быть снабжена одним или несколькими ориентирующими пазами в одной или в обеих боковых поверхностях корпуса 42 лопасти. Как показано на фиг.7, ориентирующие пазы 43 могут иметь в целом прямоугольное сечение. Однако в других вариантах ориентирующие пазы 43 могут иметь в целом круговое или квадратное сечение. Ориентирующие пазы могут проходить в лопасти 40 на глубину Y, которая может составлять примерно 10% от ширины W лопасти в ее наиболее широком месте. В других вариантах ориентирующие пазы могут проходить в лопасти 40 на глубину Y, величина которой может находиться в диапазоне от примерно 10% до примерно 30% от ширины W лопасти в ее наиболее широком месте. Боковые стенки пластин 26 корпуса 16 раздвижного расширителя 10 внутри вырезов 51 (см. фиг.1), в которых могут скользить лопасти 40, могут быть снабжены сопряженными проходящими внутрь направляющими элементами или выступами 48 (см. фиг.1). Когда лопасть 40 скользит в вырезе 51, выполненном в стенке пластины 26 лопасти корпуса 16, направляющие элементы или выступы 48 могут взаимодействовать с соответствующими ориентирующими пазами 43, выполненными в боковых поверхностях лопасти 40. Сопряженные выступы 48 и ориентирующие пазы 43 обеспечивают скольжение лопастей 40 в целом продольно вверх и радиально наружу в направлении 62 относительно раздвижного расширителя 10, когда лопасти перемещаются из первого (убранного) положения во второе (выдвинутое) положение.

Кроме того, как показано на фиг.7, поперечное сечение ориентирующих пазов 43 может содержать криволинейные кромки, проходящие в целом параллельно направлению 62, в котором должны скользить лопасти 40. Величина радиуса каждой криволинейной кромки может находиться в диапазоне от примерно 5% до примерно 40% от ширины W лопасти 40 в ее наиболее широком месте. В некоторых вариантах осуществления изобретения величина радиуса каждой криволинейной кромки может находиться в диапазоне от примерно 5% до примерно 20% от ширины W лопасти 40 в ее наиболее широком месте. Направляющие элементы или выступы 48 могут содержать криволинейные кромки, сопрягающиеся с криволинейными кромками ориентирующих пазов 43. Сопрягающиеся криволинейные кромки ориентирующих пазов 43 и направляющих элементов или выступов 48 могут облегчать взаимодействие ориентирующих пазов 43 с направляющими элементами или выступами 48 для обеспечения скольжения. Кроме того, сопрягающиеся криволинейные кромки ориентирующих пазов 43 и направляющих элементов или выступов 48 могут снижать вероятность залипания лопасти 40 в вырезе 51 при ее перемещении из первого (убранного) положения во второе (выдвинутое) положение.

Как показано на фиг.7, лопасти 40 могут иметь в целом прямоугольное или коробчатое сечение. Относительно более острые углы 66 лопасти могут иметь радиус, величина которого находится в диапазоне от примерно 0 см (0 дюймов) или примерно 2,54 см (1 дюйм). Коробчатая форма лопасти 40 может предотвращать залипание лопасти 40 в вырезе 51 пластины 26 лопасти при ее перемещении из первого (убранного) положения во второе (выдвинутое) положение. Относительно острые углы 66 лопасти 40 также предотвращают биения лопасти 40 (перемещения вперед и назад) и поворот относительно корпуса 16 в процессе расширения/бурения.

На фиг.8 приведен вид сбоку лопасти 40, показанной на фиг.7. Режущие элементы 54 на фиг.8 не показаны для иллюстрации гнезд 55 для них, которые могут быть сформированы в лопасти 40. Режущие элементы 54 могут быть зафиксированы в гнездах 55 с использованием, например, твердого припоя или клеящего материала.

Кроме того, на фиг.8 показано, что поверхность 44 лопасти 40, взаимодействующая с породой пласта, может иметь в целом дугообразную форму в ее передней 41А и задней 41В частях (в продольном направлении). Режущие элементы 54 (см. фиг.7) могут быть установлены как на передней 41А, так и на задней 41В частях лопасти 40. При таком устройстве раздвижной расширитель 10 может использоваться для расширения скважины как при продвижении колонны вниз, так и продвижении вверх, как было указано выше.

На фиг.9 приведен вид с торца лопасти 40, показанной на фиг.7, 8. Как показано на фиг.9, в некоторых вариантах осуществления изобретения передняя, по направлению вращения, боковая поверхность 45 лопасти 40 может составлять острый угол 68, величина которого может находиться в диапазоне от примерно 0° до примерно 45° относительно плоскости 70, разрезающей корпус 16 раздвижного расширителя 10 и содержащей продольную ось L16.

Раздвижной расширитель 10 может относительно свободно перемещаться в скважине, когда он находится в нерабочем, транспортном, положении, и лопасти 40 находятся в первом (убранном) положении. В таком положении раздвижной расширитель 10 может быть установлен в выбранной части скважины, в которой необходимо ее расширить, то есть увеличить диаметр скважины. После установки раздвижного расширителя 10 в нужном месте скважины он может быть приведен в рабочее положение путем перемещения лопастей 40 наружу в радиальном направлении и вверх в продольном направлении. Для того чтобы привести раздвижной расширитель 10 в рабочее положение, ограничительный элемент, имеющий в некоторых вариантах осуществления изобретения форму шара (не показан), бросают в бурильную колонну, к которой прикреплен раздвижной расширитель 10. Шар может иметь такой диаметр, чтобы шар мог пройти через внутренний подвижный трубчатый элемент 30 к сферической поверхности 32 седла клапана и в то же время чтобы шар не мог проскочить дальше за седло клапана. При таком устройстве поток промывочной жидкости, проходящий по продольному каналу 17, может прижимать шар к сферической поверхности 32 седла клапана, в результате чего может быть временно прекращен поток жидкости через внутренний подвижный трубчатый элемент 30.

Поскольку поток промывочной жидкости временно прерван шаром, прижатым к сферической поверхности 32 седла клапана, то разность давлений в продольном канале 17 для промывочной жидкости выше и ниже шара может создавать силу, действующую на внутренний подвижный трубчатый элемент 30 вперед в продольном направлении, то есть в направлении нижнего конца 12 раздвижного расширителя 10. Срезные штифты 38 могут быть устроены таким образом, чтобы они срезались, когда величина давления промывочной жидкости внутри внутреннего подвижного трубчатого элемента 30 достигает порогового значения и, соответственно, сила, действующая на внутренний подвижный трубчатый элемент 30 вперед в продольном направлении, достигает порогового уровня. Иными словами, срезные штифты 38 могут быть устроены таким образом, чтобы они срезались, когда разность давлений выше и ниже шара в продольном канале 17 раздвижного расширителя 10 достигает порогового значения. После того как срезные штифты 38 будут срезаны, давление внутри внутреннего подвижного трубчатого элемента 30 выше шара может заставлять внутренний подвижный трубчатый элемент 30 скользить внутри внутреннего неподвижного трубчатого элемента 28 вперед в продольном направлении, пока внешняя кромка или выступ 74 на внешней поверхности внутреннего подвижного трубчатого элемента 30 не упрется в конец 76 или другой элемент внутреннего неподвижного трубчатого элемента 28. После того как внешняя кромка или выступ 74 на внешней поверхности внутреннего подвижного трубчатого элемента 30 упрется в конец 76 или другой элемент внутреннего неподвижного трубчатого элемента 28, дальнейшее продольное перемещение внутреннего подвижного трубчатого элемента 30 внутри раздвижного расширителя 10 может быть прекращено. Кроме того, взаимодействие внешней кромки или выступа 74 на внешней поверхности внутреннего подвижного трубчатого элемента 30 с концом 76 или другим элементом внутреннего неподвижного трубчатого элемента 28 может быть смягчено амортизирующим элементом, содержащим резину или другой упругий материал.

Внутренний неподвижный трубчатый элемент 28 может быть снабжен цанговой защелкой или другим запирающим механизмом, устроенным таким образом, чтобы он запирал внутренний подвижный трубчатый элемент 30 в переднем продольном направлении (или в положении срабатывания) для предотвращения дальнейшего перемещения внутреннего подвижного трубчатого элемента 30 внутри раздвижного расширителя 10. Аналогично, передняя часть (в продольном направлении) внутреннего подвижного трубчатого элемента 30 может быть снабжена высаженной трубкой или другим устройством или механизмом для прижатия шара к сферической поверхности 32 седла клапана для предотвращения дальнейшего перемещения шара внутри раздвижного расширителя 10.

После того как срезные штифты 38 срезаны, в результате чего внутренний подвижный трубчатый элемент 30 перемещается со скольжением в переднее положение (в продольном направлении), перепускные отверстия 31 для текучей среды могут быть установлены в той части перепускного элемента 18 для текучей среды, которая имеет увеличенный внутренний диаметр. Таким образом, промывочная жидкость может вытекать из внутреннего подвижного трубчатого элемента 30 через перепускные отверстия 31 в кольцевое пространство между внешней поверхностью внутреннего подвижного трубчатого элемента 30 и внутренней поверхностью 19 перепускного элемента 18, вокруг передней части внутреннего подвижного трубчатого элемента 30 (конец, закрытый шаром) и далее через нижний конец 12 раздвижного расширителя 10.

Кроме того, после того как срезные штифты 38 срезаны, в результате чего внутренний подвижный трубчатый элемент 30 перемещается со скольжением в переднее положение (в продольном направлении), давление промывочной жидкости внутри продольного канала 17 может воздействовать непосредственно на лопасти 40, в результате чего они могут перемещаться из первого (убранного) положения во второе (выдвинутое) положение и вступать в скважине во взаимодействие с породой пласта. Промывочная жидкость внутри продольного канала 17 может находиться в непосредственном контакте по меньшей мере с частью каждой лопасти 40. При таком устройстве единственной существенной силой, действующей на лопасти 40 для перемещения их из первого положения во второе положение, является сила, создаваемая гидравлическим давлением внутри продольного канала 17 для текучей среды.

После того как лопасти перемещаются во второе (выдвинутое) положение, показанное на фиг.6, раздвижной расширитель 10 может быть приведен во вращение, чтобы режущие элементы 54 (описаны далее) начали соскребать и срезать породу пласта со стенки скважины и увеличивать ее диаметр.

Для расширения нижней части скважины вращающийся раздвижной расширитель 10 может продвигаться или проталкиваться вперед в направлении его нижнего конца 12. Для расширения верхней части скважины вращающийся раздвижной расширитель 10 может отводиться или вытягиваться назад в направлении его верхнего конца 14. После того как требуемое расширении скважины выполнено, гидравлическое давление внутри продольного канала 17 для текучей среды может быть уменьшено до величины, которая будет ниже порогового уровня, при котором пружинные элементы 50 обеспечивают возвращение лопастей 40 в первое (убранное) положение. После этого раздвижной расширитель 10 может быть возвращен из скважины на поверхность.

В некоторых случаях обломки породы или другие отходы могут вызывать залипание или заклинивание одной или нескольких лопастей 40 в выдвинутом положении. Поскольку лопасти 40 и корпус 16 раздвижного расширителя 10 устроены таким образом, что, как было описано выше со ссылками на фиг.5, 6, лопасти 40 могут скользить продольно вверх и радиально наружу в направлении 62 относительно раздвижного расширителя 10, то любая сила, действующая на такие заклинившиеся или залипшие лопасти 40 со стороны подземного пласта или со стороны башмака обсадной колонны, при отведении или вытягивании раздвижного расширителя 10 из скважины, может толкать, возможно, заклинившиеся или залипшие лопасти 40 в первое (убранное) положение. Иными словами, вытягивание раздвижного расширителя 10 из скважины может обеспечивать возвращение, возможно, заклинившихся или залипших лопастей 40 назад в первое (убранное) положение. В результате может облегчаться извлечение раздвижного расширителя 10 из скважины.

Как можно видеть на фиг.7, режущие элементы 54, расположенные в продольном направлении на задних частях лопастей 40 (частях, которые расположены ближе к верхнему концу 14 раздвижного расширителя 10 (см. фиг.3)), могут быть более заглублены в лопастях 40 по сравнению с другими режущими элементами 54. Режущие элементы 54, расположенные в продольном направлении на задних частях лопастей 40, могут выступать над поверхностью 44, взаимодействующей с породой пласта, например, на 0,3175 см (1/8 дюйма) или на меньшую высоту. В некоторых вариантах осуществления изобретения режущие элементы 54, расположенные в продольном направлении на задних частях лопастей 40, могут не выступать над поверхностью 44, взаимодействующей с породой пласта, а быть с ней примерно вровень (заподлицо) или даже быть несколько ниже уровня поверхности 44. Такое заглубление режущих элементов 54, расположенных в продольном направлении на задних частях лопастей 40, предотвращает зацепление режущих элементов 54 за обсадную колонну или другие конструкции в скважине, когда раздвижной расширитель 10 поднимают из скважины. В результате может дополнительно облегчаться извлечение раздвижного расширителя 10 из скважины.

На фиг.10 приведен вид сбоку лопасти 40, практически идентичный виду на фиг.8, который иллюстрирует дополнительные особенности нескольких вариантов осуществления настоящего изобретения. Как показано на фиг.10, в некоторых вариантах осуществления изобретения самая крайняя сзади (в продольном направлении) точка 80 зоны 82, определяющей диаметр раздвижного расширителя 10 (то есть зоны лопасти 40, наиболее выступающей в радиальном направлении), может быть расположена на расстоянии D от центральной линии 86 поверхности 44 лопасти 40, взаимодействующей с породой пласта, которое не превышает 25% от размера L в продольном направлении поверхности 44 лопасти 40, взаимодействующей с породой пласта. Более предпочтительно самая крайняя сзади (в продольном направлении) точка 80 зоны 82, определяющей диаметр раздвижного расширителя 10, может быть расположена на расстоянии D от центральной линии 86 лопасти 40, которое не превышает 20% от размера L в продольном направлении поверхности 44 лопасти 40, взаимодействующей с породой пласта.

В некоторых ситуациях самая крайняя сзади (в продольном направлении) точка 80 зоны 82, определяющей диаметр раздвижного расширителя 10, может быть первой точкой контакта между лопастью 40 и обсадной колонной или другими элементами в скважине, если лопасть 40 может заклинивать или залипать во втором (выдвинутом) положении, когда осуществляют подъем раздвижного расширителя 10 из скважины. Если самая крайняя сзади (в продольном направлении) точка 80 зоны 82, определяющей диаметр раздвижного расширителя 10, будет находиться рядом с центральной линией 86 поверхности 44 лопасти 40, взаимодействующей с породой пласта, то вероятность зажима лопасти 40 в корпусе 16 (в пластине 26 лопасти) раздвижного расширителя 10 будет меньше, когда потенциально заклиненная или залипшая лопасть 40 будет взаимодействовать с обсадной колонной или другим элементом внутри скважины при вытягивании раздвижного расширителя 10 на поверхность. Иными словами, любая сила, действующая на самую крайнюю сзади (в продольном направлении) точку 80 зоны 82, определяющей диаметр раздвижного расширителя 10, вызванная взаимодействием с обсадной колонной или другим элементом внутри скважины, может заставлять лопасть 40 скользить из второго (выдвинутого) положения в первое (убранное) положение. В результате может еще больше облегчаться извлечение раздвижного расширителя 10 из скважины.

Кроме того, как показано на фиг.10, в некоторых вариантах осуществления изобретения, одна или несколько лопастей 40 могут содержать на поверхности 44, взаимодействующей с породой пласта, углубление 90.

Углубление 90 на поверхности 44, взаимодействующей с породой пласта, может примыкать или быть расположенным недалеко от самой крайней сзади части или конца лопасти 40, то есть конца лопасти, расположенного ближе к верхнему концу 14 раздвижного расширителя 10. В некоторых вариантах осуществления изобретения углубление 90 практически не содержит режущих элементов 54 (см. фиг.7). В других вариантах углубление 90 может быть в целом плоским. Как показано на фиг.6, в некоторых вариантах углубление 90 может быть немного утоплено в пластину 26 лопасти, когда лопасть 40 находится в выдвинутом положении. В других вариантах углубление 90 может быть заподлицо с внешней поверхностью 27 пластины 26 лопасти, когда лопасть 40 находится в выдвинутом положении. Углубление 90 может проходить вперед в продольном направлении, то есть в направлении нижнего конца 12 раздвижного расширителя 10, например, на расстояние Х от заднего края 92 поверхности 44, взаимодействующей с породой пласта, до участка 94, на котором поверхность 44 начинает закругляться радиально наружу. В некоторых вариантах осуществления изобретения углубление 90 может проходить от заднего края 92 поверхности 44, взаимодействующей с породой пласта, до участка, находящегося рядом с самым крайним сзади режущим элементом 54 на поверхности 44 или в ней. Величина расстояния Х может находиться в диапазоне от примерно 5% до примерно 40% от продольного размера L поверхности 44, взаимодействующей с породой пласта. Более предпочтительно величина расстояния Х может находиться в диапазоне от примерно 7% до примерно 15% от продольного размера L поверхности 44, взаимодействующей с породой пласта.

В некоторых ситуациях участок 94, на котором поверхность 44, взаимодействующая с породой пласта, начинает закругляться радиально наружу, может определять первую точку контакта между лопастью 40 и обсадной колонной или другими элементами в скважине, если лопасть 40 может заклинивать или залипать во втором (выдвинутом) положении, когда осуществляют подъем раздвижного расширителя 10 из скважины. Если участок 94, на котором поверхность 44, взаимодействующая с породой пласта, начинает закругляться радиально наружу, будет находиться рядом с центральной линией 86 поверхности 44 лопасти 40, то скорее всего лопасть 40 будет иметь меньшую тенденцию к зажиму в корпусе 16 (в пластине 26 лопасти) раздвижного расширителя 10, когда потенциально заклиненная или залипшая лопасть 40 будет взаимодействовать с обсадной колонной или другим элементом внутри скважины при вытягивании раздвижного расширителя 10 на поверхность. Иными словами, действующая на лопасть 40 толкающая сила, создаваемая обсадной колонной или другим элементом внутри скважины, может заставлять лопасть 40 убираться или перемещаться в направлении 62 под острым углом 64 относительно продольной оси L16, показанной на фиг.5, 6, из второго (выдвинутого) положения в первое (убранное) положение. В результате может дополнительно облегчаться извлечение раздвижного расширителя 10 из скважины.

Также в изобретении предлагается особенная конструкция уплотнения, показанная на фиг.11-15, которая может быть применена в некоторых из вариантов осуществления изобретения. Как показано на фиг.11, в некоторых вариантах осуществления изобретения может использоваться Т-образное уплотнение 100, содержащее сравнительно мягкий материал, такой как полимер или смесь полимеров. В некоторых вариантах Т-образное уплотнение 100 может быть сформировано из гидрированного бутадиен-нитрильного каучука (HNBR) VITON™ или нитрильного каучука. Как показано на виде сверху сечения Т-образного уплотнения (фиг.12), его форма соответствует форме лопастей 40. В частности, форма Т-образного уплотнения 100 может быть такой, чтобы оно садилось в канавку 52 (см. фиг.8), проходящую по периметру каждой лопасти 40. Как показано на фиг.11 и более подробно на фиг.13 и фиг.14, представляющих виды сечения Т-образного уплотнения 100 по линиям 13-13 и 14-14 фиг.12 соответственно, это уплотнение может иметь такую форму, чтобы оно прилегало к пластине 26 корпуса 16, и в частности к поверхностям выреза 51 (см. фиг.1) пластины 26 перпендикулярно каждой поверхности выреза 51.

На фиг.15 приведен увеличенный вид части, обозначенной ссылочным номером 15 на фиг.2, на котором иллюстрируется Т-образное уплотнение, установленное между корпусом 42 лопасти и пластиной 26 корпуса 16. Как показано на фиг.15, Т-образное уплотнение 100 может взаимодействовать с поверхностями 53 выреза 51 пластины 26 корпуса 16, составляя с ними прямой угол. Кроме того, при взаимодействии с поверхностями 53 выреза 51 Т-образное уплотнение 100 может сжиматься на 10% и более. Иначе говоря, толщина Т-образного уплотнения 100, измеренная в его свободном (несжатом) состоянии, может уменьшиться на величину порядка 10% или более, когда оно установлено между лопастью 40 и пластиной 26 корпуса 16, как показано на фиг.15. В некоторых вариантах осуществления изобретения сжатие Т-образного уплотнения 100 может составлять 20% или более.

Как можно видеть на фиг.15, Т-образное уплотнение 100 может содержать одно или несколько вспомогательных колец 102. Эти кольца 102 могут быть сформированы из материала, который имеет большую жесткость по сравнению с материалом Т-образного уплотнения 100, например из такого материала, как полиэфирэфиркетон (PEEK™), политетрафторэтилен (TEFLON™), политетрафторэтилен, импрегнированный бронзой или другими подходящими материалами.

Т-образное уплотнение 100 может быть сравнительно эластичным и может растягиваться, когда оно установлено вокруг лопасти 40 в канавке 52. Поскольку вспомогательные кольца 102 могут быть относительно жесткими, они могут быть снабжены прорезью, обеспечивающей возможность их растягивания для посадки вокруг корпуса лопасти 40, то есть чтобы их можно было установить в канавке 52 поверх Т-образного уплотнения 100. Вспомогательные кольца 102 могут способствовать удерживанию Т-образного уплотнения 100 в канавке 52 (см. фиг.8) лопасти 40. Кроме того, вспомогательные кольца 102 могут уменьшать возможность контакта Т-образного уплотнения 100 с загрязнениями.

В частности, как показано на фиг.15, после сжатия Т-образного уплотнения 100 прилегающей поверхностью 53 пластины 26 корпуса 16 внутри выреза 51, вспомогательные кольца 102 также могут взаимодействовать с прилегающей поверхностью пластины 26. Таким образом, когда Т-образное уплотнение 100 и поверхности 53 пластины 26 перемещаются относительно друг друга, вспомогательные кольца 102 находятся в контакте с поверхностями 53 пластины 26 перед Т-образным уплотнением 100 в каждом направлении перемещения. Поэтому вспомогательные кольца 102 могут содействовать удалению частиц породы с поверхностей 53, препятствуя таким образом попаданию загрязняющих компонентов на Т-образное уплотнение 100. В некоторых вариантах вспомогательные кольца 102 могут содержать гребешки или другие выступающие элементы, которые улучшают удаление загрязняющих компонентов.

Как показано на фиг.15, между каждой лопастью 40 и окружающими поверхностями пластины 26 корпуса 16 раздвижного расширителя 10 может быть зазор Т, величина которого достаточна для того, чтобы лопасть 40 свободно скользила в пластине 26, и в то же время этот зазор достаточно мал, чтобы минимизировать или предотвращать попадание частиц породы или другого мусора между лопастями 40 и корпусом и направлять лопасти 40 при их движении внутри или относительно пластины 26 корпуса 16. Величина зазора Т между каждой поверхностью лопасти 40 и окружающими поверхностями пластины 26 корпуса 16 может превышать, например, 0,0254 см (примерно 0,01 дюйма). Использование зазора Т, величина которого превышает 0,0254 см (примерно 0,01 дюйма), может снижать возможность заклинивания лопасти 40 в вырезе 51 пластины 26 корпуса 16.

В некоторых вариантах осуществления изобретения зазор Т между боковыми поверхностями лопастей 40 и окружающими поверхностями корпуса 16 (например, пластины 26) может составлять примерно 0,0381 см (примерно 0,015 дюйма), примерно 0,0635 см (0,025 дюйма) или примерно 0,1143 см (примерно 0,045 дюйма).

Хотя изобретение рассмотрено в настоящем описании на примере некоторых предпочтительных вариантов его осуществления, однако среднему специалисту в данной области техники будет ясно, что изобретение не ограничивается этими вариантами. В предпочтительные варианты могут быть внесены изменения и дополнения, или же некоторые элементы могут быть исключены, без выхода за пределы объема изобретения, заявленного в прилагаемой формуле. Кроме того, признаки одного варианта осуществления изобретения могут использоваться совместно с признаками другого варианта, опять же без выхода за пределы объема изобретения, заявленного авторами. Изобретение может применяться с различными профилями лопастей, а также с различными типами и конфигурациями режущих элементов.

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту, в частности к раздвижным расширителям. Техническим результатом является повышение надежности работы устройства в процессе бурения, а также исключение повреждений при спускоподъемных операциях. Раздвижной расширитель содержит наружный корпус (16) с проходным каналом (17) для текучей среды и, по меньшей мере, одну лопасть (40). Лопасть выполнена с возможностью перемещения относительно корпуса между убранным положением и выдвинутым положением в направлении под острым углом к продольной оси корпуса. При этом расширитель дополнительно содержит внутренний подвижный трубчатый элемент (30), выполненный с возможностью перемещения между первым и вторым положениями, когда разность гидравлических давлений между разными частями канала для текучей среды достигает предварительно заданного значения. Причем упомянутая лопасть имеет такие размеры и форму, чтобы между корпусом и каждой боковой поверхностью упомянутой лопасти, прилегающей к корпусу, обеспечивался зазор, величина которого превышает примерно 0,254 мм. При этом лопасть включает основную часть (46), имеющую наклонную поверхность (47), расположенную под первым углом к оси корпуса, которая может быть заклинена относительно наклонной поверхности корпуса (60), расположенной под вторым углом, отличающимся от первого угла, относительно продольной оси корпуса. 2 н. и 16 з.п. ф-лы, 15 ил.

1. Раздвижной расширитель, содержащий: наружный корпус, сквозь который проходит канал для текучей среды, и, по меньшей мере, одну лопасть, выполненную с возможностью перемещения относительно корпуса между убранным положением и выдвинутым положением в направлении под острым углом к продольной оси корпуса, отличающийся тем, что он дополнительно содержит внутренний подвижный трубчатый элемент, выполненный с возможностью перемещения из первого положения во второе положение, когда разность гидравлических давлений между разными частями канала для текучей среды достигает предварительно заданного значения, с предотвращением тем самым действия гидравлического давления в канале для текучей среды на упомянутую лопасть при нахождении внутреннего подвижного трубчатого элемента в первом положении, и обеспечения действия гидравлического давления в канале для текучей среды на упомянутую лопасть, при нахождении внутреннего подвижного трубчатого элемента во втором положении, причем упомянутая лопасть имеет такие размеры и форму, чтобы между корпусом и каждой боковой поверхностью упомянутой лопасти, прилегающей к корпусу, обеспечивался зазор, величина которого превышает примерно 0,254 мм, упомянутая лопасть включает основную часть, имеющую наклонную поверхность, расположенную под первым углом относительно продольной оси корпуса, которая может быть заклинена относительно наклонной поверхности корпуса, расположенной под вторым углом, отличающимся от первого угла, относительно продольной оси корпуса, для центрирования лопасти в пластине лопасти, когда лопасть находится в выдвинутом положении.

2. Раздвижной расширитель по п.1, в котором упомянутый острый угол относительно продольной оси корпуса составляет примерно 60°.

3. Раздвижной расширитель по п.1 или 2, в котором корпус содержит пластину лопасти, причем лопасть, по меньшей мере, частично размещается внутри выреза в этой пластине.

4. Раздвижной расширитель по п.1 или 2, в котором упомянутая лопасть имеет в целом прямоугольную форму с углами, величина радиуса закругления которых находится от примерно 0 до примерно 2,54 см.

5. Раздвижной расширитель по п.1 или 2, дополнительно содержащий уплотнение между корпусом и каждой боковой поверхностью упомянутой лопасти, прилегающей к корпусу, причем уплотнение выполнено и установлено с возможностью предотвращения вытекания текучей среды из канала для текучей среды между корпусом и лопастью и упирается в корпус, по существу, под прямым углом к каждой поверхности корпуса, находящейся в контакте с уплотнением.

6. Раздвижной расширитель по п.1, в котором величина угла между наклонной поверхностью основной части лопасти и направлением, в котором лопасть должна перемещаться относительно корпуса, находится в диапазоне от примерно 15 до примерно 75°.

7. Раздвижной расширитель по п.6, в котором величина угла между наклонной поверхностью основной части лопасти и направлением, в котором лопасть должна перемещаться относительно корпуса, составляет примерно 30°.

8. Раздвижной расширитель по п.1 или 2, в котором упомянутая лопасть имеет взаимодействующую с породой поверхность, которая содержит переднюю в продольном направлении часть, содержащую, по меньшей мере, один передний режущий элемент, и заднюю в продольном направлении часть, содержащую, по меньшей мере, один задний режущий элемент, причем передние режущие элементы выступают больше, чем задние режущие элементы.

9. Раздвижной расширитель по п.8, в котором задние режущие элементы выступают примерно на 3,175 мм или меньше из взаимодействующей с породой поверхности лопасти.

10. Раздвижной расширитель по п.8, в котором задние режущие элементы расположены примерно вровень с взаимодействующей с породой поверхностью лопасти.

11. Раздвижной расширитель по п.1 или 2, в котором упомянутая лопасть имеет взаимодействующую с породой поверхность, которая включает зону, определяющую диаметр раздвижного расширителя, причем самая крайняя сзади в продольном направлении точка указанной зоны расположена на некотором расстоянии от центральной линии, взаимодействующей с породой поверхности, которое не превышает 25% от размера этой поверхности в продольном направлении.

12. Раздвижной расширитель по п.11, в котором упомянутая лопасть дополнительно содержит, по меньшей мере, один ориентирующий паз, сформированный, по меньшей мере, на одной боковой поверхности лопасти и имеющий глубину в лопасти, составляющую более примерно 10% от ширины лопасти в ее наиболее широком месте.

13. Раздвижной расширитель по п.11 или 12, в котором самая крайняя сзади в продольном направлении точка зоны, определяющей диаметр раздвижного расширителя, расположена на некотором расстоянии от центральной линии, взаимодействующей с породой поверхности, которое не превышает 20% от размера этой поверхности в продольном направлении.

14. Раздвижной расширитель по п.1 или 2, в котором упомянутая лопасть имеет взаимодействующую с породой поверхность, которая содержит зону, определяющую диаметр раздвижного расширителя, и зону углубления в радиальном направлении, проходящую от заднего края взаимодействующей с породой поверхности вперед в продольном направлении на расстояние, превышающее 5% от размера этой поверхности в продольном направлении.

15. Раздвижной расширитель по п.14, в котором зона углубления в радиальном направлении проходит от заднего края взаимодействующей с породой поверхности на расстояние, величина которого не превышает примерно 40% от размера этой поверхности в радиальном направлении.

16. Раздвижной расширитель по п.15, в котором зона углубления в радиальном направлении проходит от заднего края взаимодействующей с породой поверхности на расстояние, величина которого находится в диапазоне от 7 до примерно 15% от размера этой поверхности в радиальном направлении.

17. Способ расширения скважины, в котором: пропускают промывочную жидкость через канал для текучей среды, проходящий сквозь наружный корпус раздвижного расширителя; обеспечивают воздействие гидравлического давления внутри канала для текучей среды непосредственно на поверхность, по меньшей мере, одной лопасти раздвижного расширителя для ее перемещения со скольжением относительно корпуса из убранного положения в выдвинутое положение в направлении под острым углом к продольной оси корпуса; обеспечивают, по меньшей мере, одну наклонную поверхность основной части упомянутой лопасти для заклинивания этой наклонной поверхности относительно наклонной поверхности корпуса, когда упомянутая лопасть перемещается со скольжением относительно корпуса из убранного положения в выдвинутое положение, причем, по меньшей мере, одна наклонная поверхность основной части упомянутой лопасти расположена под первым острым углом в диапазоне между примерно 15 и примерно 75° относительно направления продольной оси корпуса, а наклонная поверхность корпуса расположена под вторым углом, который отличается от первого угла, относительно продольной оси корпуса; и осуществляют вращение раздвижного расширителя внутри скважины, отличающийся тем, что при обеспечении действия гидравлического давления внутри канала для текучей среды непосредственно на поверхность упомянутой лопасти раздвижного расширителя: устанавливают внутренний трубчатый элемент в первое положение внутри канала для текучей среды и предотвращают воздействие гидравлического давления непосредственно на поверхность упомянутой лопасти, используя внутренний трубчатый элемент; и перемещают внутренний трубчатый элемент из первого положения во второе положение и обеспечивают воздействие гидравлического давления непосредственно на поверхность упомянутой лопасти.

18. Способ по п.17, в котором вытягивают раздвижной расширитель из скважины и обеспечивают воздействие зоны упомянутой, по меньшей мере, одной лопасти раздвижного расширителя, находящейся сзади от центральной линии поверхности, взаимодействующей с породой, на расстоянии, величина которого не превышает 43% от размера указанной поверхности в продольном направлении, с конструкцией, включающей суженную часть скважины, посредством чего обеспечивают скольжение лопастей из выдвинутого положения в убранное положение в направлении под острым углом с продольной осью корпуса раздвижного расширителя.