RU2485274C1

RU2485274C1 - Well reamer

Info

Publication number: RU2485274C1
Application number: RU2011154377/03A
Authority: RU
Inventors: Фарит Фоатович Ахмадишин; Константин Викторович Мелинг; Азат Леонардович Насыров; Рустэм Ядкарович Хабибуллин; Денис Владимирович Максимов; Виталий Константинович Мелинг
Original assignee: Открытое акционерное общество "Татнефть" имени В.Д. Шашина
Priority date: 2011-12-29
Filing date: 2011-12-29
Publication date: 2013-06-20

Abstract

FIELD: oil and gas industry.SUBSTANCE: well reamer includes a hollow housing with an internal projection and radial holes, in which there installed are movable rolling cutters with shanks, an annular piston with a side hole arranged in the housing cavity and fixed against being rotated, with upper and lower props on outer surface and a connection device to a drill column, a cylinder connected to the housing and forming together with the annular piston a hydraulic chamber interconnected with its side hole to the housing cavity, a fastener installed in the annular piston with possibility of interaction with shanks of rolling cutters and the inner projection of the housing and device for locking of rolling cutters in a non-working position, which contains additional annular piston located in the reamer hydraulic chamber below the side hole of the main piston; at that, the device for locking of rolling cutters in the non-working position is made in the form of radially spring-loaded segments located in external slots of the piston, and counter cavities of those segments in the cylinder, and between additional piston and annular segments of the device for locking of rolling cutters there installed is a pusher for disengagement of segments from the reamer cylinder. From above the annular projection of the housing there arranged on inner side are elements that are elastic in axial direction, which have the possibility of interacting with lower end of the annular piston at its downward movement relative to the housing.EFFECT: improving durability and serviceability of the reamer, reducing vibrations of a drilling tool during reaming process of the well, and increasing service life of rolling cutters of the reamer.4 dwg

Description

Изобретение относится к буровой технике, а именно к устройствам для увеличения диаметра скважин в заданном интервале.The invention relates to drilling equipment, and in particular to devices for increasing the diameter of wells in a given interval.

Известен расширитель скважины (а.с. СССР №1391182, МПК4 E21B 7/28, опубл. Бюл. №32 от 20.11.96 г.), включающий полый корпус с кольцевым седлом, выдвижные шарошки с хвостовиками, установленными в боковых отверстиях корпуса, переходник и механизм выдвижения шарошек с поршнем, имеющим центральный канал и размещенным в корпусе, с фиксирующим стержнем, установленным с зазором в корпусе с возможностью ограниченного осевого перемещения и имеющим кольцевой выступ, при этом поршень скреплен с переходником и установлен в корпусе посредством шлицевого соединения, в переходнике выполнен радиальный канал для сообщения внутренней полости переходника с надпоршневым пространством корпуса, верхняя часть фиксирующего стержня размещена с зазором в центральном канале поршня и имеет дополнительный кольцевой выступ, в центральном канале поршня выполнено седло, расположенное с возможностью взаимодействия с дополнительным кольцевым выступом, а на дополнительном кольцевом выступе фиксирующего стержня и на внутренней поверхности корпуса, в месте взаимодействия с фиксирующим стержнем, выполнены продольные каналы для сообщения центрального канала поршня с полостью нижней части корпуса.Known well extender (AS USSR No. 1391182, IPC4 E21B 7/28, publ. Bull. No. 32 of 11/20/96), including a hollow body with an annular seat, retractable cones with shanks installed in the side openings of the body, an adapter and a mechanism for extending the cones with a piston having a central channel and placed in the housing, with a fixing rod installed with a gap in the housing with the possibility of limited axial movement and having an annular protrusion, while the piston is fastened to the adapter and installed in the housing by means of a splined connection , a radial channel is made in the adapter for communicating the internal cavity of the adapter with the over-piston body space, the upper part of the fixing rod is placed with a gap in the central channel of the piston and has an additional annular protrusion, a saddle is arranged in the central channel of the piston that can interact with an additional annular protrusion, and on an additional annular protrusion of the fixing rod and on the inner surface of the housing, in the place of interaction with the fixing rod, the longitudinal s channels for communication with the central channel of the piston cavity bottom.

Недостатком данного расширителя является его низкая работоспособность, из-за преждевременного самопроизвольного вывода шарошек в рабочее положение при спуске его в наклонные, искривленные и кавернозные скважины из-за отсутствия в его конструкции узла, фиксирующего шарошки в транспортном положении, что затрудняет спуск расширителя в скважину.The disadvantage of this expander is its low efficiency, due to the premature spontaneous withdrawal of the cone into working position when it is lowered into deviated, curved and cavernous wells due to the lack of a node in its construction that fixes the cones in the transport position, which makes it difficult to lower the expander into the well.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является расширитель скважин (а.с. №2117747, МПК6 E21B 7/28, опубл. Бюл. №23 от 20.08.98 г.), включающий полый корпус с внутренним выступом и радиальными отверстиями, в которых установлены выдвижные шарошки с хвостовиками, размещенный в полости корпуса с фиксацией от проворота кольцевой поршень с боковым отверстием, верхним и нижним упорами на наружной поверхности и средством подсоединения к бурильной колонне, цилиндр, соединенный с корпусом и образующий с кольцевым поршнем гидравлическую камеру, сообщенную его боковым отверстием с полостью корпуса, установленный в кольцевом поршне с возможностью взаимодействия с хвостовиками шарошек и внутренним выступом корпуса фиксатор и устройство для стопорения шарошек в нерабочем положении, содержащее дополнительный кольцевой поршень, расположенный в гидрокамере расширителя, при этом устройство для стопорения шарошек в нерабочем положении выполнено в виде радиально подпружиненных кольцевых сегментов, расположенных в наружных пазах кольцевого поршня, и ответных этим сегментам углублений в цилиндре, причем дополнительный кольцевой поршень размещен в гидрокамере ниже бокового отверстия основного поршня, а между дополнительным поршнем и кольцевыми сегментами устройства стопорения шарошек установлен толкатель для вывода сегментов из зацепления с цилиндром расширителя.The closest in technical essence and the achieved result is a well expander (AS No. 2117747, MPK6 E21B 7/28, publ. Bull. No. 23 of 08.20.98), including a hollow body with an internal protrusion and radial holes, of which retractable cones with shanks are installed, an annular piston with a lateral hole, upper and lower stops on the outer surface and means for connecting to the drill string is fixed in the cavity of the housing with rotation locking, a cylinder connected to the housing and forming hydraulically with the annular piston a chamber, communicated by its side opening with a body cavity, mounted in the annular piston with the possibility of interaction with the shanks of the cones and the inner protrusion of the case, a latch and a device for locking the cones in the idle position, containing an additional annular piston located in the expansion chamber, while the locking device the cone in the idle position is made in the form of radially spring-loaded annular segments located in the outer grooves of the annular piston, and responding to this segment there are recesses in the cylinder, and the additional annular piston is placed in the hydraulic chamber below the side hole of the main piston, and a pusher is installed between the additional piston and the annular segments of the cone locking device to disengage the segments from the expander cylinder.

Недостатком этого расширителя является его низкая долговечность из-за ударных нагрузок на шарошки, возникающих в результате вибраций бурового инструмента в процессе расширения скважины, что приводит к уменьшению срока службы шарошек расширителя.The disadvantage of this expander is its low durability due to shock loads on the cones resulting from vibrations of the drilling tool during the expansion of the well, which reduces the life of the cones of the expander.

Техническими задачами предлагаемого расширителя скважин являются повышение долговечности и работоспособности, снижение вибраций бурового инструмента в процессе расширения скважины и увеличение срока службы шарошек расширителя.The technical objectives of the proposed well expander are to increase the durability and performance, reduce the vibration of the drilling tool during the expansion of the well and increase the service life of the reamer cones.

Техническая задача решается расширителем скважин, включающим полый корпус с внутренним выступом и радиальными отверстиями, в которых установлены выдвижные шарошки с хвостовиками, размещенный в полости корпуса с фиксацией от проворота кольцевой поршень с боковым отверстием, верхним и нижним упорами на наружной поверхности и средством присоединения к бурильной колонне, цилиндр, соединенный с корпусом и образующий с кольцевым поршнем гидравлическую камеру, сообщенную его боковым отверстием с полостью корпуса, установленный в кольцевом поршне с возможностью взаимодействия с хвостовиками шарошек и внутренним выступом корпуса фиксатор и устройство стопорения шарошек в нерабочем положении, содержащее дополнительный кольцевой поршень, расположенный в гидрокамере расширителя ниже бокового отверстия основного поршня, причем устройство для стопорения шарошек в нерабочем положении выполнено в виде радиально подпружиненных сегментов, расположенных в наружных пазах поршня, и ответных этим сегментам углублений в цилиндре, а между дополнительным поршнем и кольцевыми сегментами устройства стопорения шарошек установлен толкатель для вывода сегментов из зацепления с цилиндром расширителя.The technical problem is solved by a well expander, including a hollow body with an internal protrusion and radial holes, in which retractable cones with shanks are installed, placed in the body cavity with an annular piston fixed from rotation with a side hole, upper and lower stops on the outer surface and means for connecting to the drill a column, a cylinder connected to the housing and forming a hydraulic chamber with an annular piston, communicated by its side opening with a housing cavity, mounted in the annular the piston with the possibility of interaction with the shanks of the cones and the inner protrusion of the housing, the latch and the device for locking the cones in the idle position, containing an additional annular piston located in the expansion chamber below the side opening of the main piston, the device for locking the cones in the idle position is made in the form of radially spring-loaded segments, located in the outer grooves of the piston, and corresponding to these segments of the recesses in the cylinder, and between the additional piston and the annular segments With these cone locking devices, a pusher is installed to withdraw segments from engagement with the expander cylinder.

Новым является то, что сверху кольцевого выступа корпуса внутри размещены упругие в осевом направлении элементы, выполненные с возможностью взаимодействия с нижним торцом кольцевого поршня при его перемещении вниз относительно корпуса.What is new is that on top of the annular protrusion of the housing, axially elastic elements are arranged inside which are arranged to interact with the lower end of the annular piston when moving downward relative to the housing.

На фиг.1 показан расширитель скважин в транспортном положении, продольный разрез; на фиг.2 - сечение А-А; на фиг.3 - сечение Б-Б; на фиг.4 - фрагмент расширителя в рабочем положении, где укрупненно показано взаимодействие нижнего торца кольцевого поршня с упругими элементами.Figure 1 shows a well expander in a transport position, a longitudinal section; figure 2 is a section aa; figure 3 is a section bB; figure 4 is a fragment of the expander in the working position, where the interaction of the lower end of the annular piston with the elastic elements is shown enlarged.

Расширитель скважин (фиг.1) содержит полый корпус 1 с внутренним кольцевым выступом 2, имеющим внутренние проходные каналы 3 и радиальные отверстия 4 в его стенке, в которых установлены с помощью хвостовиков 5 выдвижные шарошки 6. В полости 7 корпуса 1 размещен кольцевой поршень 8 с фиксирующими его от проворота в корпусе 1 поверхностями 9 (фиг.2), взаимодействующими с ответными поверхностями 10 корпуса 1, боковым отверстием 11 (фиг.1), верхним 12 и нижним 13 кольцевыми упорами на наружной поверхности и резьбой 14 для подсоединения к бурильной колонне 15, цилиндр 16, имеющий верхний 17 и нижний 18 внутренние кольцевые выступы, жестко соединенный с корпусом 1 и образующий с кольцевым поршнем 8 гидравлическую камеру 19, сообщенную его боковым отверстием 11 с центральным каналом 20 кольцевого поршня 8.The well expander (Fig. 1) comprises a hollow body 1 with an internal annular protrusion 2 having internal passageways 3 and radial holes 4 in its wall, in which retractable cones 6 are installed using shanks 5. An annular piston 8 is placed in the cavity 7 of the housing 1 with surfaces 9 fixing it against rotation in the housing 1 (Fig. 2), interacting with the mating surfaces 10 of the housing 1, a side opening 11 (Fig. 1), an upper 12 and a lower 13 ring stops on the outer surface, and a thread 14 for connecting to the drill column 15, c the cylinders 16, 17 having upper and lower internal annular projections 18 rigidly connected with the housing 1 and forming the annular piston 8, the hydraulic chamber 19 reported by its lateral opening 11 with a central channel 20 of the annular piston 8.

Кольцевой поршень 8 содержит фиксатор 21 для вывода шарошек 6 в рабочее положение, установленный в нем, например, с помощью гайки 22 (или втулки, упора и др. технологических элементов - на фиг.1 не показано) и имеющий верхний 23 и нижний 24 кольцевые выступы, взаимодействующий с хвостовиками 5 шарошек 6. В верхнем кольцевом выступе 23 выполнены наружные продольные каналы 25 для сообщения центрального канала 20 кольцевого поршня 8 с полостью 7 корпуса 1. На наружной поверхности кольцевого поршня 8 размещено устройство для стопорения шарошек 6 в нерабочем положении, содержащее дополнительный кольцевой поршень в виде самоуплотняющейся манжеты 26 из эластичного материала (например, резины, полиуретана и т.п.) с опорной шайбой 27, расположенный в гидравлической камере 19 расширителя ниже бокового отверстия 11 кольцевого поршня 8, а также радиально подпружиненные с помощью пружин 28 кольцевые сегменты 29, установленные в наружных пазах 30 кольцевого поршня 8, и ответные им углубления 31 в цилиндре 16. Между опорной шайбой 27 дополнительного кольцевого поршня и кольцевыми сегментами 29 размещен толкатель 32, выполненный в виде кольца. В полом корпусе 1 на кольцевом выступе 2 размещены упругие элементы 33 (например, тарельчатые пружины, пружины сжатия-растяжения, втулки из полиуретана и т.п.).The annular piston 8 contains a latch 21 for bringing the roller cones 6 to a working position, installed in it, for example, using a nut 22 (or a sleeve, a stop, and other technological elements — not shown in FIG. 1) and having an upper 23 and lower 24 ring protrusions interacting with the shanks 5 of the cone 6. In the upper annular protrusion 23 there are external longitudinal channels 25 for communicating the central channel 20 of the annular piston 8 with the cavity 7 of the housing 1. On the outer surface of the annular piston 8 there is a device for locking the cones 6 inoperative a provision containing an additional annular piston in the form of a self-sealing collar 26 of elastic material (for example, rubber, polyurethane, etc.) with a support washer 27 located in the hydraulic chamber of the expander below the side hole 11 of the annular piston 8, as well as radially spring loaded with by means of springs 28, annular segments 29 installed in the outer grooves 30 of the annular piston 8, and their recesses 31 in the cylinder 16. Between the support washer 27 of the additional annular piston and the annular segments 29, a plunger 32 made in the form of a ring. In the hollow body 1, on the annular protrusion 2, elastic elements 33 are placed (for example, Belleville springs, compression-tension springs, polyurethane bushings, etc.).

Расширитель скважин работает следующим образом.The well expander operates as follows.

С помощью резьбы 14 расширитель присоединяют к колонне бурильных труб 15 и спускают в скважину. При этом корпус 1 с цилиндром 16 зафиксирован от продольных перемещений относительно кольцевого поршня 8 благодаря верхнему кольцевому упору 12 и кольцевым сегментам 29 кольцевого поршня 8, взаимодействующими соответственно с верхним внутренним кольцевым выступом 17 и углублениями 31 в цилиндре 16.Using thread 14, the expander is attached to the string of drill pipes 15 and lowered into the well. In this case, the housing 1 with the cylinder 16 is fixed from longitudinal displacements relative to the annular piston 8 due to the upper annular stop 12 and the annular segments 29 of the annular piston 8, interacting with the upper inner annular protrusion 17 and the recesses 31 in the cylinder 16, respectively.

На заданной глубине скважины колонну бурильных труб начинают вращать с одновременной подачей в нее промывочной жидкости, которая через центральный канал 20 кольцевого поршня 8, продольные каналы 25 в выступе 23 фиксатора 21, кольцевой зазор между гайкой 22 и фиксатором 21, полость 7 корпуса 1 и проходные каналы 3 корпуса 1 поступает в промывочные отверстия долота (не показано). Благодаря элементам зацепления корпуса 1 и кольцевого поршня 8, выполненных в виде сопрягаемых поверхностей 9 и 10 (фиг.2) некруглого сечения (например, четырехгранников, шестигранников и т.п.), происходит их совместное вращение.At a given depth of the well, the drill string begins to rotate while flushing fluid is supplied into it, which through the central channel 20 of the annular piston 8, longitudinal channels 25 in the protrusion 23 of the retainer 21, the annular gap between the nut 22 and the retainer 21, the cavity 7 of the housing 1 and the passage channels 3 of the housing 1 enters the washing holes of the bit (not shown). Thanks to the engagement elements of the housing 1 and the annular piston 8, made in the form of mating surfaces 9 and 10 (figure 2) of non-circular cross-section (for example, tetrahedrons, hexagons, etc.), they rotate together.

Под действием перепада давления, возникающего в центральном канале 20 (фиг.1) и распространяющегося через боковое отверстие 11 кольцевого поршня 8 в гидрокамеру 19, дополнительный кольцевой поршень 26 перемещается вниз и, воздействуя своей опорной шайбой 27 на толкатель 32, также перемещает его вниз. При этом толкатель 32, воздействуя по касательной на кольцевые сегменты 29, перемещает их вдоль продольной оси расширителя внутрь наружных пазов 30 кольцевого поршня 8, сжимая пружины 28, до полного выхода кольцевых сегментов 29 из углублений 31 цилиндра 16.Under the action of the pressure differential that arises in the central channel 20 (Fig. 1) and propagates through the lateral hole 11 of the annular piston 8 into the hydraulic chamber 19, the additional annular piston 26 moves downward and, acting on its support washer 27 on the plunger 32, also moves it downward. In this case, the pusher 32, acting tangentially on the annular segments 29, moves them along the longitudinal axis of the expander into the outer grooves 30 of the annular piston 8, compressing the springs 28, until the annular segments 29 exit completely from the recesses 31 of the cylinder 16.

Выйдя из зацепления с кольцевым поршнем 8, корпус 1 с цилиндром 16 под действием того же перепада давления перемещается вверх до соприкосновения упругих элементов 33 (фиг.3, 4),взаимодействующих с выступом 2 (фиг.1) корпуса 1, с нижним торцом гайки 22 кольцевого поршня 8. Одновременно фиксатор 21, воздействуя на хвостовики 5, выводит выдвижные шарошки 6 из радиальных отверстий 4 в рабочее положение.Having disengaged from the annular piston 8, the housing 1 with the cylinder 16 under the influence of the same pressure drop moves up to the contact of the elastic elements 33 (Fig.3, 4), interacting with the protrusion 2 (Fig.1) of the housing 1, with the lower end of the nut 22 of the annular piston 8. At the same time, the latch 21, acting on the shanks 5, displays the retractable cones 6 from the radial holes 4 in the working position.

К моменту полного выдвижения шарошек 6 из радиальных отверстий 4 корпуса 1 нижний кольцевой выступ 24 фиксатора 21 упирается во внутренний кольцевой выступ 2 корпуса 1 и поднимает фиксатор так, что его верхний кольцевой выступ 23 оказывается выше гайки 22, образуя зазор между нижним торцом выступа 23 и гайкой 22. Вследствие этого давление нагнетания жидкости уменьшается, что свидетельствует о полном выдвижении шарошек 6 в рабочее положение. При подаче колонны бурильных труб вниз, кольцевой поршень 8 перемещается вниз относительно корпуса 1, взаимодействуя своим нижним торцом с упругими в осевом направлении элементами 33, размещенными на кольцевом выступе 2 внутри корпуса 1, при этом, в случае полного сжатия упругих элементов 33, наружный кольцевой упор 13 кольцевого поршня 8 перемещается до упора с внутренним выступом 18 цилиндра 16. Далее подачей инструмента вниз расширяют скважину в заданном интервале.By the time the cones 6 are fully extended from the radial holes 4 of the housing 1, the lower annular protrusion 24 of the latch 21 abuts against the inner annular protrusion 2 of the housing 1 and raises the latch so that its upper annular protrusion 23 is above the nut 22, forming a gap between the lower end of the protrusion 23 and nut 22. As a result, the pressure of the fluid is reduced, which indicates the full extension of the cone 6 in the working position. When the drill pipe string is fed down, the annular piston 8 moves downward relative to the housing 1, interacting with its lower end with axially elastic elements 33 located on the annular protrusion 2 inside the housing 1, while in the case of full compression of the elastic elements 33, the outer annular emphasis 13 of the annular piston 8 is moved to the stop with the inner protrusion 18 of the cylinder 16. Then, by feeding the tool downward, the well is expanded in a predetermined interval.

После окончания расширения скважины нагнетание промывочной жидкости прекращают и расширитель поднимают из нее. При этом шарошки, достигнув нерасширенной части скважины (не показано), остановят движение вверх корпуса 1 с цилиндром 16, тогда как кольцевой поршень 8 с фиксатором 21 продолжает перемещаться вверх относительно них. Благодаря этому хвостовик 5 с выдвижными шарошками 6, освободившись от воздействия на них фиксатора 21, под действием сил реакции стенок нерасширенной части скважины, возвратится в исходное положение внутрь корпуса 1.After completion of the expansion of the well, the injection of flushing fluid is stopped and the expander is lifted from it. In this case, the cones, having reached the unexpanded part of the well (not shown), will stop the upward movement of the housing 1 with the cylinder 16, while the annular piston 8 with the retainer 21 continues to move upward relative to them. Due to this, the shank 5 with retractable cones 6, freed from the action of the retainer 21, under the reaction forces of the walls of the unexpanded part of the well, will return to its original position inside the body 1.

Преимущество предлагаемого расширителя скважин заключается в том, что благодаря упругим в осевом направлении элементам, размещенным внутри корпуса сверху кольцевого выступа и выполненными с возможностью взаимодействия с нижним торцом кольцевого поршня при его перемещении вниз, повышается долговечность и работоспособность, за счет снижения ударных нагрузок на шарошки, возникающих в результате вибраций бурового инструмента в процессе расширения скважины, что способствует увеличению срока службы шарошек расширителя.The advantage of the proposed well expander is that due to the axially elastic elements located inside the housing on top of the annular protrusion and made with the possibility of interaction with the lower end of the annular piston when moving downward, the durability and performance are improved, due to the reduction of shock loads on cones, arising as a result of vibrations of the drilling tool during the expansion of the well, which contributes to an increase in the life of the cone of the expander.

Claims

A well extender, comprising a hollow body with an internal protrusion and radial holes, in which retractable cones with shanks are installed, an annular piston with a side hole, upper and lower stops on the outer surface and means for connecting to the drill string connected to the housing and forming a hydraulic chamber with the annular piston, communicated by its side hole with the housing cavity, mounted in the annular piston with the possibility of interaction working with the shanks of the cones and the inner protrusion of the housing, the retainer and the device for locking the cones in the idle position, containing an additional annular piston located in the expansion chamber below the side hole of the main piston, the device for locking the cones in the idle position is made in the form of radially spring-loaded segments located in the outer grooves of the piston, and the recesses in the cylinder corresponding to these segments, and between the additional piston and the annular segments of the locking device a pusher is installed for withdrawing segments from engagement with the expander’s cylinder, characterized in that axially elastic elements are arranged inside the top of the annular protrusion of the housing, which are adapted to interact with the lower end of the annular piston when moving downward relative to the housing.