Расширитель раздвижной однолопастной

Расширитель раздвижной однолопастной

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области нефтегазодобывающей промышленности и может быть использовано для расширения скважин в расчетном интервале.

Известен скважинный расширитель, содержащий породоразрушающий орган, с размещенным внутри турбинным приводом и механизмом поворота этого органа [1]. Механизм поворота породоразрушающего органа выполнен в виде зубчатой рейки, скрепленной с поршнем гидравлической пары, цилиндр которой связан с колонной бурильных труб, и зубчатого сектора, связанного с валом турбинного привода и взаимодействующего с зубчатой рейкой.

Недостатками этого устройства являются ненадежность конструкции и неэффективность ее работы. Это обусловлено следующими причинами:

- конструкцией расширителя не предусмотрено огибание твердых включений, т.к. промывочная жидкость постоянно воздействует на зубчатую передачу, а обратный ход последней возможен, но с приложением большого усилия, приводящего к поломке расширителя;

- конструкцией расширителя не предусмотрена защита зубчатой передачи от посторонних включений (разбуриваемой породы), что может привести к поломке устройства;

- осуществляется механическое разрушение породы без очистки (промывки) забоя, что приводит к заклиниванию инструмента.

Известен скважинный гидромониторный расширитель, содержащий корпус, породоразрушающую лопасть, прикрепленную к боковой поверхности корпуса, полый приводной вал, размещенный в корпусе и соединенный как с буровой колонной, так и с корпусом, с возможностью ограниченного осевого перемещения и подпружинивания, а также три гидромониторные насадки, сообщенные посредством промывочных каналов, с полостью буровой колонны [2]. При этом вторая насадка расположена на боковой поверхности лопасти, а третья - на боковой поверхности корпуса со смещением по вертикали относительно первой насадки с возможностью гидравлического сообщения полости буровой колонны с насадками корпуса при крайних положениях приводного вала относительно корпуса и с насадкой лопасти - при среднем положении вала.

Недостатками этого устройства являются ненадежность конструкции и неэффективность ее работы. Это обусловлено следующими причинами:

- наличие открытых пружин в конструкции расширителя может привести к заклиниванию последних разбуриваемой породой и, как следствие, к невозможности осевого перемещения корпуса относительно вала;

- отсутствие в конструкции расширителя поворотного механизма приводит к невозможности создания каверны запланированного размера, а лишь только делает это на величину прогиба бурильных труб, ограниченного стенкой скважины;

- породоразрушающая лопасть не всегда прижата к стенке скважины из-за непостоянства действия отклоняющей силы;

- конструкция расширителя обеспечивает малый гидромониторный эффект, т.к. насадка на лопасти расположена с обратной стороны вращения.

Известен расширитель раздвижной РР-138-280-1 «БУРИНТЕХ» [3], состоящий из корпуса цилиндрической формы, трех лопастей с породоразрушающими элементами на внешнем конце и зубчатого хвостовика - на другом конце, закрепленных в корпусе, на равном расстоянии друг от друга по окружности, с помощью цилиндрических пальцев; толкателя цилиндрической формы с зубчатым наконечником и продольным отверстием по центру, пружины, поршня, крышки, штока, двух центраторов, переводника. При подаче промывочной жидкости под давлением поршень перемещается вместе с толкателем, который, за счет наличия зубчатых наконечника и хвостовиков у лопастей, выдвигает последние из корпуса в рабочее положение, сжимая пружину. При вращении бурильной колонны начинают вращаться и лопасти, расширяя диаметр скважины.

Недостатком этого расширителя является то, что изгибающий момент, действующий на лопасти при их работе, компенсируется моментом от реакций опор, имеющем малое плечо, что вызывает смятие материала опоры при больших осевых нагрузках. Учитывая это, величина расширения диаметра скважины оказывается небольшой.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является гидравлический расширитель [4], включающий корпус, поршень, пружину, тягу и шарнирно закрепленный рабочий орган, который выполнен в виде асимметричной лопасти, закрепленной на горизонтальной оси, причем режущая кромка длинной ее части расположена выше режущей кромки короткой части.

Недостатком этого расширителя является то, что из-за асимметричной лопасти и ее расположения в рабочем положении, когда режущие кромки на длинной и короткой частях располагаются на разных высотах по длине корпуса, происходит смещение от оси вращения места, где изгибающий момент, действующий на лопасть, равен нулю, что требует усиливать вал оси вращения и саму лопасть в месте отверстия под этот вал. Кроме того, появляется крутящий момент относительно продольной оси лопасти, что является дополнительной нагрузкой и также требует усиливать лопасть. Эти дополнительные нагрузки увеличивают массу устройства. Также следует отметить плохую ремонтопригодность данного расширителя, а именно, т.к. вал оси вращения вставлен в глухое отверстие, то при необходимости замены лопасти при ее износе, вынуть вал из его гнезда и освободить лопасть будет достаточно трудно.

Целью изобретения является повышение надежности работы скважинного расширителя, уменьшение его массы, расширение его возможностей по увеличению диаметра расширения скважины, обеспечение ремонтопригодности.

Сущность изобретения заключается в том, что породоразрушающий инструмент сделан в виде симметричной, во всех направлениях, лопасти, более широкой - в центральной части, и постепенно сужающейся - к концам, причем концевые части лопасти отделены от основной, средней, части пружинящими вставками, например пластинами, расположенными в плоскости, перпендикулярной оси вращения лопасти, при этом концевые части лопасти изготовлены в виде половины эллипсоида вращения, имеющими вкрапления режущих элементов, в частности алмазных зерен, по всей его поверхности, и лопасть выполнена с возможностью вращения в вертикальной плоскости на горизонтальном пальце, пронизывающем корпус и лопасть в их середине, причем корпус имеет два диаметрально расположенных окна в виде боковой продольной проточки шириной, равной наибольшей толщине лопасти в выдвигаемой части, и одно окно расположено выше другого так, что позволяет одной половине лопасти быть утопленной внутрь корпуса через нижнее окно, а второй части лопасти - через верхнее окно в транспортном положении, и при полном выдвижении лопасти в рабочее положение через окна она расположена перпендикулярно продольной оси корпуса, при этом нижняя поверхность средней верхней части лопасти уложена на нижнюю поверхность верхнего окна, а верхняя поверхность средней нижней части лопасти уперта в верхнюю поверхность нижнего окна, чем лопасть фиксируется в рабочем положении; кроме того, верхняя часть корпуса имеет выемку, на конической боковой поверхности которой выполнена резьба, для соединения с колонной труб, а ниже этой резьбы, через дно выемки внутри корпуса, выполнен цилиндрический ступенчатый канал параллельно продольной оси корпуса расширителя и смещенный относительно этой оси, в широкой верхней части которого размещен поршень, закрываемый сверху поршневой крышкой с двумя отверстиями: малым сквозным и большим, соединенным с обратным клапаном наверху крышки, причем поршень изготовлен заодно с толкателем, проходящим через узкую нижнюю часть канала и имеющим на свободном торце, соприкасающемся с верхней поверхностью лопасти, углубление, поверхность дна которого выполнена в виде дуги, а рядом со ступенчатым отверстием, параллельно ему, расположено цилиндрическое отверстие, также смещенное относительно продольной оси корпуса и предназначенное для подачи промывочной жидкости в зону обработки; между лопастью, ниже ее оси вращения, и корпусом закреплена пружина, для возвращения лопасти в транспортное положение.

Лопасть расширителя может находиться как в крайних - убранном и выпущенном, положениях, так и в промежуточном - между этими, положении. Установка лопасти в требуемое положение определяется давлением промывочной жидкости, от которого зависит величина выдвижения толкателя. При вращении колонны труб начинает вращаться корпус расширителя и, вместе с ним, лопасть, обеспечивая снятие грунта с боковой поверхности скважины, расширяя ее поперечный размер: чем на большую величину выдвинута лопасть, тем большее расширение скважины будет осуществляться.

Сопоставительный анализ позволяет сделать вывод, что предложенное устройство отличается от прототипа конструкцией породоразрушающего инструмента, выполненного в виде лопасти, симметричной во всех направлениях, а не асимметричной, что позволяет нагрузкам с обеих частей лопасти уравновешивать друг друга, чего нет в прототипе, и увеличить его продольные размеры, и тем самым увеличить размер расширения скважины и уменьшить массу расширителя. Также концевые части лопасти выполнены в виде половинки эллипсоида вращения, а режущие элементы, например алмазные зерна, вкраплены по всей его поверхности. Эти же части лопасти отделены от основной, средней, части пружинящими вставками, в частности пластинами. Кроме того, выдвижение инструмента в рабочее положение осуществляется прямым контактом толкателя и лопасти и их взаимным скольжением, что уменьшает износ трущихся поверхностей и позволяет увеличить срок эксплуатации выдвижного узла. Наличие отверстия небольшого диаметра в поршневой крышке дает возможность плавно, без резкого нагружения, осуществлять движение лопасти. Ремонтопригодность предлагаемого расширителя также выше из-за сквозного (а не глухого) отверстия для пальца вращения, что позволяет легко выбить последний из гнезда при замене изношенной лопасти, чего нельзя сказать про прототип. В предлагаемом расширителе предусмотрено его центрирование при работе, а у прототипа этого нет. Таким образом, предложенное техническое решение соответствует критерию «новизна».

Анализ известных технических решений (аналогов) в исследуемой области позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков, сходных с существенными отличительными признаками в заявляемом устройстве, и признать его соответствующим критерию «существенные отличия».

Применение всех новых признаков позволяет существенно уменьшить нагрузки на элементы расширителя, в частности на палец вращения лопасти и на лопасть, в сечении расположения отверстия под палец, и тем самым увеличить производительность процесса расширения скважины и диаметр ее расширения, за счет увеличения размера породоразрушающего инструмента: чем длиннее лопасть, тем больше расширенный диаметр скважины. А удлинять лопасть позволяет способ ее крепления на корпусе, снижающий величину действующих на нее нагрузок. Конструкция лопасти, когда концевые части выполнены в виде половинки эллипсоида вращения, на всей (а не на части) поверхности которых вкраплены режущие элементы, позволяет нагружать эти поверхности равномерно распределенной нагрузкой от разрушаемого грунта, что исключает сосредоточенные нагрузки и их величину. А наличие пружинящих вставок между средней частью лопасти и ее концевыми частями позволяет этим породоразрушающим частям отклоняться от траектории движения, при встрече с твердыми включениями, и не ломаться.

На фиг.1 представлен продольный разрез предлагаемого расширителя, на фиг.2 - крепление лопасти в нем, разрез «А-А» на фиг.1, фиг.3 - разрез лопасти по плоскости А-А на фиг.1, на фиг.4 и 5 представлены эпюры нагрузок на рабочий инструмент соответственно в прототипе и в предлагаемом расширителе.

Расширитель раздвижной состоит из корпуса 1 цилиндрической формы, внутри которого, с помощью пальца 19, закрепляется инструмент-лопасть 17, имеющая в поперечном сечении разную площадь: в центральной части большая площадь, а к концам лопасти площадь плавно уменьшается. Концевые части лопасти 27 выполнены в форме половинок эллипсоидов вращения, и вся их поверхность покрыта породоразрушающими вкраплениями 15, например алмазными зернами. Сами же концевые части соединены с основной, средней, частью с помощью вставок 29, в частности пружинящих пластинок, которые образуют зазор 25 между концевыми частями и центральной частью лопасти, равный «с», фиг.3. Пластинки к лопасти крепятся жестко, например с помощью заклепок 26. Палец 19 пронизывает корпус 1 по его диаметрально противоположным стенкам, не давая лопасти 17 перемещаться вертикально. В корпусе расширителя, диаметрально противоположно, выполнены продольные окна 24 и 18, через которые инструмент-лопасть может выдвигаться из корпуса в рабочее положение. Ширина окон равна толщине «Т» лопасти (фиг.2, вид «А-А»). В верхней части корпуса, по боковой конической стенке выемки, выполнена резьба 2, с помощью которой расширитель подсоединяется к колонне труб, осуществляющих вращательное движение и обеспечивающих, по внутренней полости, подачу к расширителю промывочной жидкости. В верхней части корпус расширителя выполнен цельным, но имеющим два несимметричных (смещенных относительно продольной оси корпуса) отверстия: одно, ступенчатое, цилиндрическое, выполнено параллельно продольной оси корпуса расширителя и служит для расположения в нем (в широкой его части) поршня 12 с уплотнениями 11, который изготовлен заодно с толкателем 13 цилиндрической формы, имеющим возможность перемещаться по узкой полости с уплотнениями 14. Торцевой частью 12 толкатель касается верхней поверхности верхней части лопасти, которая выполнена углублением 16 в виде скобы, ширина которой равна толщине лопасти «Т», фиг.2. А поверхность дна углубления представляет собой дугу, для лучшего скольжения по поверхности лопасти при ее выдвижении и уборке. Сверху ступенчатое отверстие закрывается поршневой крышкой 9 на резьбе, в которой выполнены два отверстия: отверстие малого диаметра 4 и отверстие большего диаметра 10, соединенное с обратным клапаном 5. Этот обратный клапан имеет полый регулировочный винт 6, ввернутый в отверстие 10, и пружину 7, обеспечивающую открытие клапана при определенном давлении в надпоршневой полости. В крышке имеются гнезда 8 для ключа. Поршень 12 имеет снизу коническую форму, чтобы не появилось противодавление на поршень снизу, в случае появления жидкости под давлением под поршнем. Другое отверстие 28 выполнено параллельно ступенчатому отверстию в верхней части корпуса и предназначено для подачи промывочной жидкости в зону обработки через полость расположения лопасти. Это отверстие также смещено относительно продольной оси корпуса. Для уборки лопасти внутрь корпуса расширителя служит пружина 20, которая одним концом закреплена на внутренней поверхности корпуса расширителя, а вторым концом - на нижней поверхности нижней части лопасти, ниже ее оси вращения. С нижнего торца корпус расширителя закрывается крышкой 22 на резьбе. Крышка снизу имеет конусную часть 23 для облегчения перемещения расширителя в вертикальном направлении. Сверху и снизу корпуса расположены центраторы 3 и 21.

Расширитель раздвижной однолопастной работает следующим образом. Расширитель, закрепленный, с помощью резьбы 2, на торце колонны труб, опускается вместе с ними на заданную глубину, где требуется расширить размеры скважины. Лопасть 17 пружиной 20 убрана внутрь корпуса, как показано на фиг.1. Поршень 12 с толкателем 13 находятся в верхнем положении, куда их переместило усилие пружины 20, через верхнюю часть лопасти и торец толкателя 16. Промывочная жидкость не подается. После опускания колонны на заданную глубину начинается вращение колонны, что заставляет вместе с ней вращаться и расширитель вокруг своей продольной оси. Одновременно начинает подаваться промывочная жидкость по внутренней полости труб колонны, но при малом давлении. При этом давлении промывочная жидкость поступает по отверстию 28 в полость расположения лопасти 17 и далее, через окна 24 и 18, в зону обработки стенки скважины. Параллельно, через отверстие 4 жидкость поступает в надпоршневую полость и своим давлением воздействует на его верхний торец, создавая определенное усилие. Этого усилия достаточно для преодоления усилия пружины и перемещения толкателя 13 вниз. При этом толкатель, воздействуя поверхностью углубления 16 на лопасть 17, заставляет последнюю поворачиваться на пальце 19 вокруг своей оси. При этом повороте концы лопасти начинают выдвигаться из корпуса на какую-то небольшую величину и обрабатывают боковую поверхность скважины. Давление жидкости на поверхности, после нагнетательных насосов, увеличивают на небольшую величину, что заставит выдвинуться еще лопасти и еще врезаться в породу на определенную величину. И так, постепенно увеличивая давление промывочной жидкости от минимального до максимального, обеспечивается постепенная величина выдвижения лопасти от нулевого значения до максимального, когда продольная ось лопасти займет перпендикулярное продольной оси расширителя положение. Тогда расширение скважины будет максимальным и составлять величину Д_макс., см. фиг.1. Также постепенно лопасть врежется на глубину Д_макс. в стенку скважины, т.к. расширитель в этот период вращался. В случае появления твердых включений при расширении скважины, лопасть своими концевыми частями касается их, усилие со стороны этих включений увеличивается, и пружинящие вставки 29 прогибаются, давая возможность концам лопасти проскользнуть по поверхности этих включений, не сломавшись. Упругость вставок 29 возвращает концевые части лопасти 27 в исходное положение. И так будет продолжаться до тех пор, пока твердое включение не будет разбурено со всех сторон и не унесено промывочной жидкостью. Так будет работать лопасть, когда усилие от твердого включения будет действовать, в основном, в плоскости, перпендикулярной плоскости лопасти. Если же усилия от твердого включения будут преобладать в направлении плоскости лопасти 17, тогда будет расти усилие от лопасти на толкатель 13 в месте контакта 16, а от толкателя оно передастся поршню 12, что вызовет увеличение давления над поршнем. Т.к. это возрастание давления будет происходить быстро, то жидкость из надпоршневой полости не успеет перетечь через узкое отверстие 4. Но это возросшее давление, через отверстие 10, поступит под обратный клапан, и, преодолевая усилие пружины 7, откроет этот клапан. Тогда жидкость из надпоршневого пространства перетечет в верхнюю выемку корпуса расширителя и даст возможность лопасти, под действием пружины 20, повернуться на пальце 19 в сторону своего утапливания. А это позволит лопасти проскользнуть мимо твердого включения. Затем обратный клапан закроется, и лопасть выдвинется на свою максимальную величину. И так до тех пор, пока твердое включение не вымоется из породы. После углубления лопасти на максимальную величину к колонне труб, а от нее и к корпусу расширителя, прикладывается осевое усилие, под действием которого расширитель начинает перемещаться вниз (или вверх) по скважине, срезая породу на стенке скважины породоразрушающими элементами 15 до диаметра скважины Д_макс. Центраторы 3 и 21 помогают удерживать расширитель симметрично продольной оси скважины. Когда будет расширена скважина на заданном интервале по ее высоте, тогда прекращается подача промывочной жидкости к расширителю. Над поршнем 12 давление начнет падать, а со стороны пружины 20 усилие будет действовать на лопасть 17, на поворот лопасти вокруг ее оси и втягивание лопасти внутрь корпуса. Это усилие, через поверхность 16 толкателя, передастся последнему и далее поршню на перемещение их в верхнее крайнее положение. Т.к. отверстие 4 имеет малый размер, то жидкость через него вытечет постепенно, что обеспечит плавное перемещение лопасти внутрь корпуса расширителя. Когда лопасть переместится в исходное положение, то можно после этого осуществлять подъем расширителя, вместе с колонной труб, на дневную поверхность или на новый интервал, где требуется расширение скважины. При работе предлагаемого расширителя на лопасть 17 будут действовать следующие силы, см. фиг.5: силы P₁ и P₂ действуют на концы лопасти, где расположены породоразрушающие элементы 15. Так как лопасть опирается своими боковыми поверхностями на стенки окон 24 и 18, то со стороны последних появятся реакции R₁ и R₂. Расстояния «а» являются плечами для действующих сил P₁ и Р₂. Эти плечи равны между собой, т.к. лопасть изготовлена и закреплена в корпусе симметрично своей оси вращения. Угловая скорость вращения расширителя равна ω. От действующих сил и их реакций, при полностью выдвинутой лопасти (самый тяжелый режим работы), будет действовать изгибающий момент М_изг. и поперечная сила Q. Из эпюр, фиг.5, видно, что максимальный изгибающий момент М_{изг.макс.} будет действовать в месте опоры лопасти на стенки корпуса. В этих же местах будет действовать и максимальная (в данном случае - одинаковая по всей выпущенной длине лопасти) поперечная сила Q. Но т.к. внутри корпуса, в месте расположения лопасти, толщину стенки можно изготовить достаточно большой, то действующие нагрузки, с необходимым запасом, будут уравновешиваться реакциями стенки и соответствующим моментом от них, без разрушения и деформации расширителя.

В прототипе, см. фиг.4, на лопасть будут действовать те же силы. Но распределены они будут по-другому. Величины плеч «а» и «в» здесь оказываются разными: плечо «а» больше плеча «в». Вследствие этого эпюра изгибающего момента Мизг. будет иной: максимальная величина этого момента оказывается в месте опоры длинного плеча лопасти на стенку корпуса. Нулевой же изгибающий момент Мизг. будет действовать не в месте оси вращения лопасти (где он будет равным величине «к»), а сместится на величину «с» от нее в сторону малого плеча лопасти, что потребует усиления пальца вращения 19. Кроме того, т.к. приложение силы Р1 (точка «А» на фиг.4) располагается выше точки приложения силы Р2 (точка «В»), то появляется крутящий момент Мкр. относительно продольной оси лопасти. А это дополнительная нагрузка на лопасть, которая потребует ее усиления. Использование заявляемого изобретения позволяет заметно увеличить производительность процесса расширения скважины, повысить надежность работы оборудования, обеспечить его ремонтопригодность, увеличить размер расширения скважины и уменьшить затраты на выполнение расширения.

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР, №206469 от 16.04.1963 г. по кл. Е21В 9/28.

2. Авторское свидетельство СССР, №1666678 от 19.05.1989 г. по кл. Е21В 7/28.

3. Расширитель раздвижной. Руководство по эксплуатации 50783875.РР-138-280-1.000РЭ. ТУ3668-006-50783-875-2004. - Уфа, АЯ04.: Научно-производственное предприятие «Буринтех». - 9 с.

4. Авторское свидетельство СССР №324374 от 23.12.1971 г. по кл. Е21b 9/22.

Расширитель раздвижной однолопастной, включающий корпус, поршень, пружину, толкатель и шарнирно закрепленный рабочий орган, отличающийся тем, что породоразрушающий инструмент сделан в виде симметричной, во всех направлениях, лопасти, более широкой - в центральной части, и постепенно сужающейся - к концам, причем концевые части лопасти отделены от основной, средней, части пружинящими вставками, например пластинами, расположенными в плоскости, перпендикулярной оси вращения лопасти, при этом концевые части лопасти изготовлены в виде половины эллипсоида вращения, имеющими вкрапления режущих элементов, в частности алмазных зерен, по всей его поверхности, и лопасть выполнена с возможностью вращения в вертикальной плоскости на горизонтальном пальце, пронизывающем корпус и лопасть в их середине, причем корпус имеет два диаметрально расположенных окна в виде боковой продольной проточки шириной, равной наибольшей толщине лопасти в выдвигаемой части, и одно окно расположено выше другого так, что позволяет одной половине лопасти быть утопленной внутрь корпуса через нижнее окно, а второй части лопасти - через верхнее окно в транспортном положении, и при полном выдвижении лопасти в рабочее положение через окна она расположена перпендикулярно продольной оси корпуса, при этом нижняя поверхность средней верхней части лопасти уложена на нижнюю поверхность верхнего окна, а верхняя поверхность средней нижней части лопасти уперта в верхнюю поверхность нижнего окна, чем лопасть фиксируется в рабочем положении; кроме того, верхняя часть корпуса имеет выемку, на конической боковой поверхности которой выполнена резьба, для соединения с колонной труб, а ниже этой резьбы, через дно выемки внутри корпуса, выполнен цилиндрический ступенчатый канал параллельно продольной оси корпуса расширителя и смещенный относительно этой оси, в широкой верхней части которого размещен поршень, закрываемый сверху поршневой крышкой с двумя отверстиями: малым сквозным и большим, соединенным с обратным клапаном наверху крышки, причем поршень изготовлен заодно с толкателем, проходящим через узкую нижнюю часть канала и имеющим на свободном торце, соприкасающемся с верхней поверхностью лопасти, углубление, поверхность дна которого выполнена в виде дуги, а рядом со ступенчатым отверстием, параллельно ему, расположено цилиндрическое отверстие, также смещенное относительно продольной оси корпуса и предназначенное для подачи промывочной жидкости в зону обработки; между лопастью, ниже ее оси вращения, и корпусом закреплена пружина, для возвращения лопасти в транспортное положение.