RU2179618C2

RU2179618C2 - Hole reamer

Info

Publication number: RU2179618C2
Application number: RU2000110501/03A
Authority: RU
Inventors: П.Н. Апостольский; М.П. Голиченко; Б.А. Кротов; А.Г. Ларин; Г.В. Нетисов; И.С. Польшаков; П.Т. Рудометкин; Л.А. Степанов; А.М. Сосновцев
Original assignee: Открытое акционерное общество "Саратовнефтегаз"
Priority date: 2000-04-24
Filing date: 2000-04-24
Publication date: 2002-02-20

Abstract

FIELD: gas and oil industry. SUBSTANCE: proposed hole reamer is employed to widen shafts of holes in process of rotary drilling. Hole reamer includes case with central washing conduit and throttle installed in it and carries rock- breaking blade manufactured in the form of boss on side surface fitted with wear-resistant inserts. Hole reamer is equipped with aids for centering in hole coming in the form of limiting step made on case and located under rock-breaking blade protruding beyond side surface of case to one half of height of rock-breaking blade and of bearing blade with spherical surface located on side diametrically opposite to limiting step. EFFECT: effective, reliable and stable operation while forming diameter exceeding nominal diameter of hole. 3 dwg

Description

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту, предназначенному для расширения стволов скважин в процессе вращательного бурения, а именно к расширителям, рабочие поверхности которых армированы износостойкими элементами. The invention relates to a rock cutting tool designed to expand wellbores during rotary drilling, namely to expanders, the working surfaces of which are reinforced with wear-resistant elements.

Известен алмазный расширитель, включающий корпус, алмазосодержащие штабики, выступающие над поверхностью корпуса и разделенные промывочными каналами, обеспечивающими вынос шлама при постоянной скорости течения промывочной жидкости [1]. Known diamond expander, comprising a housing, diamond-containing racks protruding above the surface of the housing and separated by washing channels, providing the removal of sludge at a constant flow rate of the washing liquid [1].

Недостатком указанного расширителя является низкая эффективность работы при расширении ствола скважины больше номинального диаметра. The disadvantage of this extender is the low efficiency when expanding the wellbore more than the nominal diameter.

Известен также гидравлический расширитель, содержащий полый корпус с двумя радиальными отверстиями, размещенные в отверстиях направляющие гильзы с породоразрушающими органами, установленными в гильзах с возможностью осевого их перемещения до упора рабочей поверхностью в стенку скважины, причем рабочая поверхность выполнена криволинейной формы и армирована твердосплавными вставками [2]. Also known is a hydraulic expander containing a hollow body with two radial holes, guide sleeves located in the holes with rock cutting bodies installed in the sleeves with the possibility of axial movement of the sleeves against the stop by the working surface into the well wall, the working surface being curved and reinforced with carbide inserts [2 ].

Такой гидравлический расширитель может образовывать локальные расширенные участки в стволе номинального диаметра и не боится заклинивания в процессе работы. Such a hydraulic expander can form local extended sections in the barrel of a nominal diameter and is not afraid of jamming during operation.

Недостатком указанного расширителя является низкая производительность работы из-за ограниченного числа твердосплавных вставок, одновременно взаимодействующих с кольцевым забоем скважины, т.к. при криволинейной поверхности породоразрушающего органа с кольцевым забоем скважины соприкасается лишь одна линия, на которой размещается небольшое число твердосплавных вставок, которые взаимодействуют с забоем недостаточно эффективно. The disadvantage of this extender is the low productivity due to the limited number of carbide inserts that simultaneously interact with the annular bottom hole, because with the curved surface of the rock cutting body with the annular bottom of the well, only one line touches a small number of carbide inserts that interact with the bottom insufficiently.

Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому результату является одношарошечный расширитель, включающий корпус с пустотелой наклонной цапфой, на которой смонтированы шарошка и направляющая головка, а на лапе в наклонных пазах смонтирована породоразрушающая лопасть с возможностью перемещения шарошки и лопасти от гидравлического механизма на диаметр, больше номинального диаметра скважины. Это обеспечивает разбуривание скважины диаметром большим, чем диаметр расширителя в транспортном положении [3]. The closest to the claimed technical essence and the achieved result is a single-cone extender, comprising a body with a hollow inclined pin, on which the cone and the guide head are mounted, and a rock-cutting blade is mounted on the paw in the inclined grooves with the possibility of shifting the cone and the blade from the hydraulic mechanism by diameter, more than the nominal diameter of the well. This ensures the drilling of a well with a diameter larger than the diameter of the expander in the transport position [3].

Недостатками этого расширителя являются низкая эффективность работы из-за ограниченного числа твердосплавных вставок на породоразрушающей лопасти; большая вероятность заклинок расширителя из-за жесткой фиксации породоразрушающих органов на максимальном диаметре, низкая надежность работы из-за сложности конструкции и невозможности перевода рабочих органов из транспортного положения в рабочее в стволе номинального диаметра, а также нарушение стабильности его работы из-за нарушения концентричности оси корпуса расширителя относительно оси скважины при его переводе из транспортного положения в рабочее. The disadvantages of this expander are low work efficiency due to the limited number of carbide inserts on the rock cutting blades; high probability of extender spells due to the rigid fixation of rock cutting bodies at the maximum diameter, low reliability due to the complexity of the design and the impossibility of moving the working bodies from the transport position to the working position in the barrel of the nominal diameter, as well as the violation of the stability of its operation due to the violation of axis concentricity the case of the expander relative to the axis of the well when it is transferred from the transport position to the working one.

Изобретение решает задачу создания расширителя для скважин, который при более простой конструкции обеспечивал бы более эффективную, надежную и стабильную работу при образовании диаметра больше номинального диаметра скважины. The invention solves the problem of creating a reamer for wells, which, with a simpler design, would provide more efficient, reliable and stable operation when forming a diameter larger than the nominal diameter of the well.

Поставленная задача решается тем, что в расширителе для скважин, содержащем корпус с центральным промывочным каналом и установленным в нем дросселем и снабженную износостойкими элементами породоразрушающую лопасть, породоразрушающая лопасть выполнена в виде выступа на боковой поверхности корпуса расширителя, при этом расширитель снабжен средствами центрирования его в скважине в виде выполненной на корпусе под породоразрушающей лопастью ограничительной ступени, выступающей над боковой поверхностью корпуса на 1/2 высоты породоразрушающей лопасти, и опорной лопасти со сферической поверхностью для взаимодействия со стенкой скважины, расположенной со стороны, диаметрально противоположной ограничительной ступени, и соединенной с поршнем, размещенным в выполненном в стенке корпуса радиальном канале, соединенном с центральным промывочным каналом. The problem is solved in that in the expander for wells, comprising a body with a central flushing channel and a throttle installed in it and equipped with wear-resistant elements, a rock cutting blade, the rock cutting blade is made in the form of a protrusion on the side surface of the casing of the expander, while the expander is equipped with means for centering it in the well in the form of a restriction stage made on the body under the rock-cutting blade, protruding 1/2 the rock-cutting height above the side surface of the body the main blade and the supporting blade with a spherical surface for interaction with the well wall located on the side diametrically opposite the restrictive stage and connected to the piston located in the radial channel made in the housing wall connected to the central flushing channel.

Выполнение породоразрушающей лопасти в виде выступа на боковой поверхности корпуса позволяет увеличить полезную площадь и разместить на ней значительно большее количество твердосплавных (алмазных) вставок, что повышает энерговооруженность расширителя и позволяет увеличить эффективность его работы. Ограничительная же ступень, выполненная под породоразрушающей лопастью, позволяет совместить ось корпуса расширителя с осью скважины, что стабилизирует его работу. Соединение опорной лопасти с поршнем, размещенным в радиальном канале корпуса, позволяет получить радиальное усилие на стенку скважины и соответствующее реактивное усилие на корпусе расширителя и далее на породоразрушающей лопасти, равное произведению гидродинамического давления жидкости на площадь поршня. Величину потребного радиального усилия определяют исходя из физико-механических свойств горных пород и режимов бурения (расширения). Радиальная ось опорной лопасти располагается ниже режущей поверхности породоразрушающей лопасти и совпадает с радиальной осью ограничительной ступени в стволе номинального диаметра. The implementation of the rock cutting blade in the form of a protrusion on the side surface of the housing allows you to increase the usable area and place on it a significantly larger number of carbide (diamond) inserts, which increases the power ratio of the expander and allows you to increase its efficiency. The restrictive stage, made under the rock cutting blade, allows you to combine the axis of the casing of the expander with the axis of the well, which stabilizes its operation. The connection of the support blade with a piston located in the radial channel of the housing allows you to get a radial force on the borehole wall and the corresponding reactive force on the casing of the expander and then on the rock cutting blade, equal to the product of the hydrodynamic pressure of the fluid by the area of the piston. The magnitude of the required radial force is determined based on the physicomechanical properties of the rocks and drilling (expansion) modes. The radial axis of the support blade is located below the cutting surface of the rock cutting blade and coincides with the radial axis of the restrictive stage in the barrel of nominal diameter.

Принудительное перемещение опорной лопасти внутрь корпуса в процессе подъема расширителя происходит от действия горизонтальной составляющей осевого усилия при взаимодействии сферической поверхности опорной лопасти с нерасширенным интервалом скважины, когда циркуляция промывочной жидкости прекращена и давление внутри корпуса отсутствует. Гидравлический привод опорной лопасти предотвращает возможность заклинивания расширителя в процессе работы, т.к. при возникновении усилий выше расчетных лопасть перемещается внутрь корпуса, освобождая корпус. The forced movement of the support blade into the body during the lifting of the expander occurs from the horizontal component of the axial force when the spherical surface of the support blade interacts with the unexpanded interval of the well when the circulation of the flushing fluid is stopped and there is no pressure inside the body. The hydraulic drive of the support blade prevents the expander from sticking during operation, as when forces occur above the design, the blade moves inside the housing, freeing the housing.

На фиг.1 схематически изображен предлагаемый расширитель в транспортном положении; на фиг.2 - то же, в рабочем положении; на фиг.3 - вид расширителя снизу в рабочем положении. Figure 1 schematically shows the proposed expander in the transport position; figure 2 is the same in the working position; figure 3 is a bottom view of the expander in the working position.

Расширитель включает корпус 1, имеющий по концам замковые резьбы для присоединения к элементам компоновки бурильной колонны. На наружной боковой поверхности корпуса размещаются эксцентрично породоразрушающая лопасть 2, выполненная в виде выступа на корпусе, и ограничительная ступень 3, расположенная под породоразрушающей лопастью 2 и выступающая над боковой поверхностью корпуса на 1/2 высоты породоразрушающей лопасти. Породоразрушающая лопасть 2 армирована по нижней торцевой поверхности и по периметру твердосплавными вставками 4. Внутри корпуса выполнены центральный промывочный канал 5, в нижней части которого размещен дроссель 6, и соединенный с ним радиальный канал 7 с размещенным в нем поршнем 8 с опорной лопастью 9 сферической формы. Опорная лопасть 9 располагается с диаметрально противоположной стороны от ограничительной ступени 3. Ограничительная ступень 3 и выдвинутая в рабочее положение поршнем 8 опорная лопасть 9 создают центрирование расширителя в скважине. The expander includes a housing 1 having lock threads at the ends for attachment to drill string assembly elements. An eccentrically rock-cutting blade 2, made in the form of a protrusion on the body, and a limiting step 3, located under the rock-cutting blade 2 and protruding 1/2 the height of the rock-cutting blade above the side surface of the body, are placed on the outer side surface of the body. The rock-destroying blade 2 is reinforced along the lower end surface and along the perimeter by carbide inserts 4. A central flushing channel 5 is made inside the housing, a throttle 6 is placed in its lower part, and a radial channel 7 connected to it with a piston 8 placed therein with a supporting blade 9 of spherical shape . The support blade 9 is located on the diametrically opposite side of the restriction stage 3. The restriction stage 3 and the support blade 9 extended to the working position by the piston 8 create centering of the expander in the well.

Расширитель работает следующим образом. The expander works as follows.

Компоновку низа бурильной колонны, включающую расширитель с опорной лопастью 9, вдвинутой внутрь корпуса 1 (транспортное положение фиг.1), спускают на заданную глубину в скважину номинального диаметра, включают циркуляцию промывочной жидкости и начинают вращать бурильный инструмент. The layout of the bottom of the drill string, including an expander with a support blade 9, is retracted into the housing 1 (transport position of FIG. 1), is lowered to a predetermined depth in a bore of a nominal diameter, the flushing fluid is circulated, and the drilling tool starts to rotate.

В корпусе расширителя возникает перепад давления из-за дополнительного гидравлического сопротивления потоку жидкости на дросселе 6. Возникшее по оси поршня 8 опорной лопасти 9 радиальное усилие выдвигает опорную лопасть из корпуса 1 до упора в стенку скважины. При этом возникшее на корпусе реактивное усилие, направленное по радиусу к центру скважины, заставляет породоразрушающую лопасть 2 внедриться в стенку скважины с усилием, равным перепаду давления, умноженному на площадь поршня 8. In the case of the expander, a pressure drop occurs due to additional hydraulic resistance to the fluid flow on the throttle 6. The radial force arising along the axis of the piston 8 of the support blade 9 pushes the support blade out of the housing 1 against the borehole wall. In this case, the reactive force arising on the housing directed along the radius to the center of the well causes the rock cutting blade 2 to penetrate into the well wall with a force equal to the pressure drop multiplied by the area of the piston 8.

При вращении расширителя на одном месте произойдет выработка кольцевой канавки 10 в стенке скважины в результате взаимодействия твердосплавных элементов 4 породоразрушающей лопасти 2 с породой на стенке скважины до момента контакта со стенкой скважины ограничительной ступени 3, которая будет препятствовать дальнейшему радиальному углублению породоразрушающей лопасти 2 в стенку скважины, при этом ось корпуса 1 расширителя займет положение, концентричное оси скважины (рабочее положение, фиг.2). Дальнейшая операция по расширению скважины не отличается от бурения алмазными породоразрушающими инструментами. При вращении инструмента и подаче его вниз образуется цилиндрическая выработка скважины, диаметр которой будет больше номинального диаметра скважины на величину эксцентриситета породоразрушающей лопасти расширителя. Опорная лопасть 9 в процессе работы располагается ниже зоны породоразрушения и вместе с ограничительной ступенью 3, взаимодействующей со стенкой скважины, обеспечивает постоянство диаметра расширяемого участка скважины. Для принудительного перевода опорной лопасти 9 в транспортное положение перед подъемом инструмента из скважины достаточно прекратить циркуляцию жидкости и приподнять расширитель в нерасширенный участок ствола скважины. Возникшая при этом горизонтальная составляющая на криволинейной поверхности опорной лопасти 9 от действия вертикальной нагрузки (фиг.2) заставит переместиться поршень 8 и опорную лопасть 9 внутрь корпуса 1 в транспортное положение. Этому же будет способствовать и породоразрушающая лопасть 2, которая сместится от центра и займет эксцентричное (транспортное) положение (фиг.1). When the expander rotates in one place, an annular groove 10 will be generated in the borehole wall as a result of the interaction of the carbide elements 4 of the rock cutting blade 2 with the rock on the borehole wall until the boundary wall 3 contacts the borehole wall, which will prevent further radial deepening of the rock cutting blade 2 into the borehole wall while the axis of the casing 1 of the expander will occupy a position concentric with the axis of the well (operating position, figure 2). Further operation to expand the well does not differ from drilling with diamond rock cutting tools. When the tool rotates and feeds it down, a cylindrical well production is formed, the diameter of which will be greater than the nominal diameter of the well by the amount of eccentricity of the rock cutting blade of the expander. The supporting blade 9 in the process is located below the zone of rock destruction and together with the restrictive stage 3, interacting with the wall of the well, provides a constant diameter of the expandable section of the well. For forced transfer of the support blade 9 to the transport position before lifting the tool from the well, it is enough to stop the circulation of fluid and raise the expander to an unexpanded section of the wellbore. The resulting horizontal component on the curved surface of the support blade 9 from the action of the vertical load (figure 2) will cause the piston 8 and the support blade 9 to move inside the housing 1 into the transport position. This will also contribute to the rock-cutting blade 2, which will shift from the center and take an eccentric (transport) position (figure 1).

Предложенный расширитель обладает следующими преимуществами перед известными аналогами. The proposed extender has the following advantages over known analogues.

1. Существенно повышается производительность (механическая скорость и проходка за рейс) благодаря увеличению энерговооруженности на единицу площади кольцевого забоя. 1. Significantly increased productivity (mechanical speed and penetration per flight) due to an increase in energy per unit of annular face area.

2. Обеспечивается стабилизация работы расширителя благодаря достигаемому совмещению продольной оси расширителя с осью скважины в процессе его вращения. 2. Stabilization of the expander is ensured due to the achieved alignment of the longitudinal axis of the expander with the axis of the well during its rotation.

3. Обеспечивается возможность образования расчетного диаметра скважины на требуемой глубине больше диаметра расширителя без предварительной подготовки ствола. 3. It is possible to form the estimated diameter of the well at the required depth greater than the diameter of the expander without preliminary preparation of the wellbore.

4. Предотвращается заклинивание расширителя благодаря "мягкой" работе его опорной лопасти. 4. Preventing jamming of the expander due to the "soft" operation of its support blade.

5. Простота конструкции, что упрощает изготовление и эксплуатацию расширителя. 5. Simplicity of design, which simplifies the manufacture and operation of the expander.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР 901457, кл. Е 21 В 10/26, опубл. 30.01.82.Sources of information
1. Copyright certificate of the USSR 901457, cl. E 21 B 10/26, publ. 01/30/82.

2. Авторское свидетельство СССР 1665016, кл. Е 21 В 10/32, опубл. 23.07.91. 2. Copyright certificate of the USSR 1665016, cl. E 21 B 10/32, publ. 07/23/91.

3. Авторское свидетельство СССР 481690, кл. Е 21 В 10/28, опубл. 25.08.75 (прототип). 3. Copyright certificate of the USSR 481690, cl. E 21 B 10/28, publ. 08.25.75 (prototype).

Claims

An extender for wells, comprising a body with a central flushing channel and a throttle installed in it and provided with wear-resistant inserts, a rock cutting blade, characterized in that the rock cutting blade is made in the form of a protrusion on the side surface of the casing of the expander, while the expander is equipped with means for centering it in the well in the form of on the body under the rock cutting blade of the restrictive stage, protruding above the side surface of the body at 1/2 the height of the rock cutting blade, and op molecular blade with a spherical surface for engagement with the borehole wall, located on the side diametrically opposite to the preamble stage and connected to a piston housed in the housing formed in the wall of the radial channels connected to the central flushing channel.