Калибратор Российский патент 2020 года по МПК E21B10/26 

Изобретение относится к области бурения скважин, а именно к калибраторам, используемым для калибровки и уменьшения отклонения ствола скважины, в особенности при бурении горизонтальных и наклонно-направленных скважин.

Известен калибратор, включающий полый цилиндрический корпус с лопастями на наружной поверхности, армированными износостойкими вставками (см. справочник Масленников И.К. Буровой инструмент, Москва, Недра, 1989 г, стр. 335-336).

К недостаткам данного калибратора следует отнести низкую эффективность, связанную с некачественной очисткой забоя от шлама и большой контактной поверхностью лопастей со стенками скважины, резко снижающую скорость бурения.

Наиболее близким к предложенному по достигаемому результату и технической сущности является калибратор, включающий полый цилиндрический корпус с лопастями на наружной поверхности, армированными износостойкими вставками (см. справочник Масленников И.К. Матвеев Г.И. Буровой инструмент, Москва, Недра, 1989 г, стр. 298).

Основным недостатком прототипа является малая скорость бурения и проходка на инструмент, особенно при бурении наклонных и горизонтальных скважин.

В связи с изложенным техническим результатом изобретения является повышение эффективности работы калибратора путем оптимизации работы его эжекционной системы.

Указанный технический результат достигается тем, что в калибраторе, включающем полый цилиндрический корпус с лопастями на наружной поверхности, армированными износостойкими вставками, согласно изобретению он снабжен подпорной насадкой, расположенной в нижней части внутреннего канала корпуса калибратора, а верхняя часть корпуса выполнена с эжекционными камерами длинной L_K, каждая из которых образована межлопастным пространством верхней части калибратора (дном межлопастного пространства, боковыми стенками калибрующих лопастей на наружной поверхности корпуса) и стенкой скважины и состоит из двух участков: начального L_KH и конечного L_KK, длина которого связана с общей длинной эжекционной камеры L_K соотношением L_KK=(0,55÷0,85)L_K, при этом должно обеспечиваться равенство при котором (r₁β₁+r₂β₂)=(0,22÷0,65)(r₁α₁+r₂α₂), где: r₁ - внешний радиус калибратора; r₂ – радиус корпуса калибратора, α₁ - угол между крайними внешними точками, расположенными на наружном диаметре калибратора со стороны внутренних поверхностей двух смежных длинных лопастей начального участка эжекционной камеры; α₂ - угол между крайними внутренними точками, расположенными на внешнем диаметре корпуса калибратора со стороны внутренних поверхностей двух смежных длинных лопастей начального участка эжекционной камеры, β₁ - угол между крайними внешними точками, расположенными на наружном диаметре калибратора со стороны внутренних поверхностей двух смежных длинных лопастей конечного участка эжекционной камеры; β₂ - угол между крайними внутренними точками, расположенными на внешнем диаметре корпуса калибратора со стороны внутренних поверхностей двух смежных длинных лопастей конечного участка эжекционной камеры.

Достижению указанного технического результата способствует также и то, что эжекционные насадки размещены таким образом, что в случае размещения их внутри эжекционной камеры торцы их выходных отверстий расположены на расстоянии Δ_B=(0,0÷0,37)L_KH относительно начала эжекционной камеры и на расстоянии Δ_H=(0,0÷0,3)L_KH для случая расположения торцев эжекционных насадок за пределами эжекционной камеры.

Изобретение поясняется чертежами, где: на фиг. 1 - представлен общий вид калибратора в продольном разрезе, на фиг. 2 - общий вид корпуса калибратора, на фиг. 3 - поперечное сечение начала эжекционной камеры и на фиг. 4 - поперечное сечение конца эжекционной камеры.

Предложенный калибратор включает полый корпус 16 с выполненными в нем выходными 8 и входными 10 эжекционными каналами. Для создания герметизации канала 10 используется специальная заглушка 9. На наружной поверхности корпуса 16 выполнены чередующимися через одну длинные и укороченные лопасти 12, армированные породоразрушающими элементами 11. В укороченных лопастях 12 размещены эжекционные каналы 10 и 8. На выходе выходных эжекционных каналов 8 установлены эжекционные насадки 7. Верхняя часть корпуса выполнена с эжекционными камерами длинной L_K, каждая из которых образована межлопастным пространством верхней части калибратора (дном межлопастного пространства, боковыми стенками калибрующих лопастей на наружной поверхности корпуса) и стенкой скважины и состоит из двух участков: начального L_KH и конечного L_KK, длина которого связана с общей длинной эжекционной камеры L_K соотношением L_KK=(0,55÷0,85)L_K. Данное соотношение длин этих участков обеспечивает предварительное поджатие и ускорение струи промывочной жидкости перед входом в затрубное пространство, обеспечивая, тем самым требуемую скорость восходящего потока промывочной жидкости.

Обязательным моментом является обеспечение условия при котором (r₁β₁+r₂β₂)=(0,22÷0,65)(r₁α₁+r₂α₂), где: r₁ - внешний радиус калибратора; r₂ - радиус корпуса калибратора, α₁ - угол между крайними внешними точками, расположенными на наружном диаметре калибратора со стороны внутренних поверхностей двух смежных длинных лопастей начального участка эжекционной камеры; α₂ - угол между крайними внутренними точками, расположенными на внешнем диаметре корпуса калибратора со стороны внутренних поверхностей двух смежных длинных лопастей начального участка эжекционной камеры. β₁ - угол между крайними внешними точками, расположенными на наружном диаметре калибратора со стороны внутренних поверхностей двух смежных длинных лопастей конечного участка эжекционной камеры; β₂ - угол между крайними внутренними точками, расположенными на внешнем диаметре корпуса калибратора со стороны внутренних поверхностей двух смежных длинных лопастей конечного участка эжекционной камеры.

Экспериментально установлено, что при (r₁β₁+r₂β₂)>0,65(r₁α₁+r₂α₂) происходит частичное падением скорости поднимающихся с забоя потоков промывочной жидкости, обогащенных выбуренной породой, а эжекционные потоки, истекающие из эжекционных насадок, не подхватывают, а вновь разгоняют и ускоряют их. При этом не удается создать достаточного разряжения на поверхности забоя, позволяющего существенно улучшить производительность работы бурового инструмента.

В тоже время при (r₁β₁+r₂β₂)<0,22(r₁α₁+r₂α₂) эжекционные насадки калибратора создают избыточное разрежение в зоне забоя, что негативно влияет на движение потоков промывочной жидкости проходящих через гидромониторные насадки долота и дезорганизует работу промывочной системы бурового инструмента в целом.

Достижению указанного технического результата способствует также и то, что эжекционные насадки расположены таким образом, что эжекционные насадки размещены таким образом, что в случае размещения их внутри эжекционной камеры торцы их выходных отверстий расположены на расстоянии Δ_B=(0,0÷0,37)L_KH относительно начала эжекционной камеры и на расстоянии Δ_H=(0,0÷0,3)L_KH для случая расположения торцев эжекционных насадок за пределами эжекционной камеры. Данные соотношения позволяют наиболее эффективно разгонять и эжектировать восходящие с забоя потоки промывочной жидкости обогащенной шламом, направляя их в затрубное пространство со значительно большей скоростью, нежели при использовании обычного калибратора. Расположение эжекционных насадок относительно начала эжекционной камеры в основном зависит от крепости и вязкости разбуриваемых пород.

Принцип работы калибратора сводится следующему. При осуществлении вращения колонны бурильных труб с закрепленным на них буровым долотом 1, его шарошки 4, вращаясь на цапфах 3 лап 2, перемещаются по забою и своим зубчатым вооружением 5 под действием крутящего момента и вертикальной нагрузки на инструмент, разбуривают породу забоя, одновременно осуществляя калибрование стенки скважины. В свою очередь промывочная жидкость, которая прокачивается через внутреннюю пространство колонны бурильных труб и инструмента 15, эвакуирует шлам из зоны работы долота.

Для интенсификации процесса очистки инструмента и всей призабойной зоны в целом непосредственно над долотом устанавливается калибратор. Промывочная жидкость, проходя сквозь внутренне пространство калибратора 13, достигает подпорной насадки 6, которая создает определенное гидравлическое сопротивление и соответственно давление во внутренней зоне калибратора заставляющего промывочную жидкости двигаться во входной 10 и далее выходной 8 эжекционные каналы. Далее промывочная жидкость через эжекционную насадку 7 попадает в эжекционную камеру, образованную стенками скважины, корпусом калибратора и его двух смежных длинных лопастей 12. В этой зоне потоки промывочной жидкости, исходящие из эжекционных насадок 7, смешиваются с более медленными восходящими потоками промывочной жидкости, обогащенной разрушенной породой, поднимающейся с поверхности забоя скважины сквозь межлопастные пространства 14. В результате этого взаимодействия потоков возникает общий эжектированный поток, обладающий значительно большей скоростью и подъемной силой нежели восходящий с забоя. Помимо этого, в призабойной зоне создается относительное разряжение, которое не только способствует улучшению очистки призабойной зоны, но и к вскрытию массива разбуриваемой породы за счет уменьшения дифференциального давления на забой.

Все это позволяет улучшить эффективность очистки забоя от шлама и тем самым повысить скорость бурения и проходку.

Данный калибратор может использоваться при бурении не только совместно с шарошечными долотами, но и любыми другими видами и типами бурового инструмента.

Изобретение относится к области бурения скважин, а именно к калибраторам, используемым для калибровки и уменьшения отклонения ствола скважины, в особенности при бурении горизонтальных и наклонно-направленных скважин. Технический результат – повышение эффективности работы калибратора путем оптимизации работы его эжекционной системы. Калибратор включает полый цилиндрический корпус с лопастями на наружной поверхности, армированными износостойкими вставками, при этом он снабжен подпорной насадкой, расположенной в нижней части корпуса калибратора, при этом верхняя часть корпуса выполнена с эжекционными камерами длинной L_K, каждая из которых образована межлопастным пространством верхней части калибратора, то есть дном межлопастного пространства и боковыми стенками калибрующих лопастей на наружной поверхности корпуса, и стенкой скважины и состоит из двух участков: начального L_KH и конечного L_KK, длина которого связана с общей длинной эжекционной камеры L_K соотношением L_KK=(0,55÷0,85)L_K, при этом должно обеспечиваться условие при котором (r₁β₁+r₂β₂)=(0,22÷0,65)(r₁α₁+r₂α₂), где: r₁ - внешний радиус калибратора; r₂ - радиус корпуса калибратора, α₁ - угол между крайними внешними точками, расположенными на наружном диаметре калибратора со стороны внутренних поверхностей двух смежных длинных лопастей начального участка эжекционной камеры; α₂ - угол между крайними внутренними точками, расположенными на внешнем диаметре корпуса калибратора со стороны внутренних поверхностей двух смежных длинных лопастей начального участка эжекционной камеры; β₁ - угол между крайними внешними точками, расположенными на наружном диаметре калибратора со стороны внутренних поверхностей двух смежных длинных лопастей конечного участка эжекционной камеры; β₂ - угол между крайними внутренними точками, расположенными на внешнем диаметре корпуса калибратора со стороны внутренних поверхностей двух смежных длинных лопастей конечного участка эжекционной камеры. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Калибратор, включающий полый цилиндрический корпус с лопастями на наружной поверхности, армированными износостойкими вставками, отличающийся тем, что он снабжен подпорной насадкой, расположенной в нижней части корпуса калибратора, при этом верхняя часть корпуса выполнена с эжекционными камерами длинной L_K, каждая из которых образована межлопастным пространством верхней части калибратора, то есть дном межлопастного пространства и боковыми стенками калибрующих лопастей на наружной поверхности корпуса, и стенкой скважины и состоит из двух участков: начального L_KH и конечного L_KK, длина которого связана с общей длинной эжекционной камеры L_K соотношением L_KK=(0,55÷0,85)L_K, при этом должно обеспечиваться условие при котором (r₁β₁+r₂β₂)=(0,22÷0,65)(r₁α₁+r₂α₂), где: r₁ - внешний радиус калибратора; r₂ - радиус корпуса калибратора, α₁ - угол между крайними внешними точками, расположенными на наружном диаметре калибратора со стороны внутренних поверхностей двух смежных длинных лопастей начального участка эжекционной камеры; α₂ - угол между крайними внутренними точками, расположенными на внешнем диаметре корпуса калибратора со стороны внутренних поверхностей двух смежных длинных лопастей начального участка эжекционной камеры; β₁ - угол между крайними внешними точками, расположенными на наружном диаметре калибратора со стороны внутренних поверхностей двух смежных длинных лопастей конечного участка эжекционной камеры; β₂ - угол между крайними внутренними точками, расположенными на внешнем диаметре корпуса калибратора со стороны внутренних поверхностей двух смежных длинных лопастей конечного участка эжекционной камеры.

2. Калибратор по п.1, отличающийся тем, что эжекционные насадки размещены таким образом, что в случае размещения их внутри эжекционной камеры торцы их выходных отверстий расположены на расстоянии Δ_B=(0,0÷0,37)L_KH относительно начала эжекционной камеры и на расстоянии Δ_H=(0,0÷0,3)L_KH для случая расположения торцев эжекционных насадок за пределами эжекционной камеры.