инструмент для расширения ствола скважины

Формула изобретения

1. Инструмент для расширения ствола скважины, включающий фрезу, корпус которой посредством резьбы закреплен на нижнем конце вала гидравлического забойного двигателя, связанного с поршневым механизмом, корпус которого, в свою очередь, верхним концом закреплен на нижней трубе колонны бурильных труб, отличающийся тем, что фреза выполнена в виде шарошки, установленной с возможностью вращения относительно корпуса фрезы, а корпус гидравлического забойного двигателя присоединен к нижнему концу штока поршневого механизма, который выполнен плавно изогнутым в осевом направлении.

2. Инструмент по п.1, отличающийся тем, что наружная поверхность шарошки имеет эллипсоидную форму.

3. Инструмент по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что ось симметрии наружной поверхности шарошки имеет параллельное смещение относительно оси присоединительной резьбы корпуса фрезы, с помощью которой последняя закрепляется на нижнем конце вала гидравлического забойного двигателя.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к горной промышленности, а именно к техническим средствам, используемым в составе компоновки низа бурильной колонны (КНБК), с помощью которых осуществляется расширение стволов пробуренных нефтяных и газовых скважин.

Известны конструкции лопастных и шарошечных расширителей, которые включаются в состав КНБК и с помощью которых вырезаются отдельные интервалы эксплуатационных и технических колонн, а также расширяются стволы скважин [1] . Указанные в данном источнике информации расширители успешно работают, но они могут лишь незначительно увеличивать диаметр ствола скважины. Так, при диаметре корпуса расширителя труборезки 209,6 мм максимальный диаметр, до которого может быть расширен ранее пробуренный ствол, составляет соответственно 464 мм при использовании лопастного варианта исполнения расширителя и 381 мм - при использовании шарошечного варианта.

В качестве ближайшего аналога (прототипа) изобретения может быть принято устройство для расширения скважины [2]. Известное устройство включает фрезу, корпус которой с помощью резьбы закреплен на нижнем конце вала гидравлического забойного двигателя (ГЗД). Последний связан с поршневым механизмом, корпус которого своим верхним концом закреплен на нижней трубе колонны бурильных труб.

Однако известное устройство из-за своих конструктивных особенностей не позволяет значительно увеличить диаметр ранее пробуренного ствола скважины.

Между тем конкретные задачи повышения эффективности нефтегазоотдачи продуктивных пластов требуют увеличения диаметров стволов пробуренных скважин до значений 2-2,5 м, что не может быть выполнено с помощью известных технических средств.

Задачей данного изобретения является повышение эффективности работы инструмента для расширения пробуренного ствола скважины.

Сущность предложенного технического решения заключается в использовании фрезы, корпус которой с помощью резьбы закреплен на нижнем конце вала ГЗД, корпус которого присоединен к нижнему концу штока поршневого механизма. Корпус последнего верхним концом закреплен на нижней трубе колонны бурильных труб. Шток поршневого механизма выполнен плавно изогнутым в осевом направлении. Фреза выполнена в виде шарошки, установленной с возможностью вращения относительно корпуса фрезы. Наружная поверхность шарошки имеет эллипсоидную форму. Ось симметрии наружной поверхности шарошки имеет параллельное смещение относительно оси присоединительной резьбы корпуса фрезы, с помощью которой последняя закрепляется на нижнем конце вала ГЗД.

Изобретение поясняется чертежами, где:

- на фиг. 1 изображена общая компоновка инструмента для расширения ствола скважины (поршень со штоком в крайнем нижнем положении);

- на фиг. 2 изображен поршневой механизм с плавно изогнутым в осевом направлении штоком;

- на фиг. 3 приведен поперечный разрез поршневого механизма по четырехгранной части штока и стопора на фиг.2;

- на фиг. 4 изображен общий вид фрезы, с помощью которой разрушается боковая стенка скважины.

Фреза 1 с эллипсоидной породоразрушающей наружной поверхностью крепится с помощью резьбы к нижнему концу вала ГЗД, корпус 2 которого своей верхней частью с помощью резьбы крепится к нижнему концу штока 3 поршневого механизма, корпус 4 которого в свою очередь своей верхней частью с помощью резьбы (через соединительный переводник) крепится к нижней трубе 5 бурильной колонны. Верхняя часть штока 3 (для простоты изготовления) имеет четырех- или шестигранное сечение, а его нижняя часть выполнена цилиндрической. Шток 3 в своей нижней цилиндрической части плавно изогнут в осевом направлении. При этом диаметр и длина цилиндрической части штока 3, толщина его стенки и радиус кривизны подбираются таким образом, чтобы при осевой габаритной длине ГЗД, соединенного посредством резьбы с фрезой 1, отход центра ее тяжести от вертикальной оси (при полностью выдвинутом из корпуса 4 штоке 3) достигал бы заранее заданного (расчетного) значения.

На штоке 3 поршневого механизма в самой верхней его части установлен поршень 6. Внутренняя поверхность корпуса 4 служит скользящим направлением для поршня 6. В средней части корпуса 4 закреплен четырех- или шестигранный стопор 7, воспринимающий на себя реактивный момент от корпуса 2 ГЗД. Шток 3 в своей верхней части имеет сечение, соответствующее (с легкоходовым допуском) сечению стопора 7. Корпус 4 в нижней (лобовой) части имеет соосное своему наружному диаметру отверстие, которое центрирует по оси корпуса 4 нижнюю цилиндрическую (плавно изогнутую в осевом направлении) часть штока 3 в положении, когда поршень 6 упирается во внутренний торец верхней части корпуса 4. Шток 3 имеет сквозной осевой канал 8, который связывает пространство над поршнем 6 (внутри корпуса 4 поршневого механизма) с внутренней полостью бурильных труб 5 и с пространством внутри корпуса 2 ГЗД. Пространство, располагающееся под поршнем 6, через монтажные отверстия в стопоре 7, посадочные зазоры между стопором 7 и четырех - или шестигранной наружной поверхностью верхней части штока 3, а также между нижней (лобовой) частью корпуса 4 и цилиндрической частью штока 3 гидравлически связано с пространством, располагающимся вне корпуса 4 поршневого механизма. На корпусе 4 поршневого механизма имеется один или несколько винтов 9, с помощью которых шток 3 фиксируется в корпусе 4 в положении, когда поршень 6 уперт во внутренний торец верхней части корпуса 4.

Одношарошечная фреза 1 состоит из корпуса 10 и вращающейся относительно него шарошки 11. Корпус 10 фрезы 1 с помощью своей резьбовой муфты закрепляется на нижнем конце вала ГЗД. Шарошка 11 на своей эллипсоидной наружной поверхности имеет износостойкие вставки (штыри или алмазно-твердосплавные пластины), назначение которых заключается в обеспечении разрушения боковой стенки скважины. Внутренняя полость 12 фрезы 1 гидравлически через осевой канал в валу ГЗД и канал 8 в штоке 3 связана с внутренней полостью бурильных труб 5. На эллипсоидной рабочей поверхности шарошки 11 имеются промывочные канавки 13 с каналами-штуцерами 14, гидравлически сообщающими внутреннюю полость 12 с пространством за эллипсоидной рабочей поверхностью. Шарошка 11 фрезы 1 с помощью роликовых 15 и замкового шарикового 16 подшипников фиксируется на корпусе 10.

Ось симметрии эллипсоидной наружной поверхности фрезы 1 параллельно смещена относительно оси резьбы, с помощью которой она крепится к валу ГЗД, на величину до 50 мм.

На нижней трубе 5 размещен лопастной стабилизатор 17, центрирующий бурильную колонну в эксплуатационной колонне.

Инструмент для расширения ствола скважины работает следующим образом.

Перед началом спуска инструмента в ствол скважины шток 3 необходимо зафиксировать в корпусе 4 поршневого механизма с помощью винтов 9 в нерабочем положении, когда поршень 6 уперт во внутренний торец 10 корпуса 4, т.е. поршень 6 находится в крайнем верхнем положении.

Инструмент в составе КНБК на бурильной колонне спускают в эксплуатационную колонну. Спуск инструмента прекращается, когда нижняя точка фрезы 1 достигнет нижней отметки того интервала, с которого надо начинать расширение ствола скважины.

После того, как инструмент спущен на расчетную глубину, на бурильную колонну наворачивают ведущую трубу, которую фиксируют в клиньях роторного стола буровой установки. Затем включают буровые насосы. Так как на ГЗД и фрезе 1 срабатывается достаточно большой перепад давлений (50-80 кгс/см²), на верхнюю торцевую поверхность поршня 6 начинает действовать значительное осевое усилие (в зависимости от диаметра поршневого механизма от 5 до 25 т). Под действием этого усилия концы фиксирующих винтов 9 срезаются и поршень 6 вместе со штоком 3 перемещается в крайнее нижнее положение, при котором поршень 6 упирается в стопор 7.

Если бы внутренняя поверхность эксплуатационной колонны не сохраняла прямолинейность осей всех компонентов собранного инструмента, то центр тяжести фрезы 1, благодаря изгибу штока 3 поршневого механизма, отошел бы от оси ствола скважины на расстояние 0,8-1,5 м. Так как эксплуатационная колонна держит ось инструмента прямолинейной, на эллипсоидной наружной поверхности фрезы 1 (на ее штырях) появляется значительное боковое усилие. Поступающий по бурильным трубам буровой раствор через внутреннюю полость канала 8 в штоке 3 направляется в ГЗД, затем по осевому каналу его вала - во внутреннюю полость 12 фрезы 1, далее через каналы-штуцеры 14 и промывочные канавки 13 фрезы 1 попадает во внутреннюю полость эксплуатационной колонны и поднимается на поверхность по затрубному пространству.

Проходя через ГЗД, буровой раствор вращает его вал и закрепленную на нем фрезу 1. Бурильщик включает привод роторного стола буровой установки, который начинает вращать бурильную колонну вместе с корпусом 4 поршневого механизма, полностью выдвинутым из него штоком 3 и корпусом 2 ГЗД. При этом износостойкие вставки фрезы 1 последовательно разрушают стальное тело обсадной колонны, цементный камень, а затем горную породу, слагающую стенку скважины. Бурильщик медленно и плавно поднимает инструмент со скоростью 0,3 - 1,0 м/ч (в зависимости от прочности пород, слагающих продуктивную толщу геологического разреза).

При сработке вооружения фрезы 1 буровые насосы останавливают, инструмент извлекают из ствола скважины и фрезу 1 заменяют на новую.

Операцию по расширению ствола скважины повторяют в упомянутой последовательности до получения требуемого диаметра ствола в интервале залегания продуктивного пласта.

Источники информации

1. Американская техника и промышленность. Выпуск III. Chilton. International Company, 1977, с. 333-336.

2. Патент РФ N 2096580 C1, E 21 В 7/28, опубл. 20.11.97 (Бюл. N 32).