полицентричный расширитель

Формула изобретения

1. ПОЛИЦЕНТРИЧНЫЙ РАСШИРИТЕЛЬ преимущественно для местных расширений в скважине, в том числе под обсадной колонной, включающий корпус с присоединительной резьбой к ведущей части бурового инструмента и с продольным каналом и диаметрально противоположно размещенные на корпусе упорный узел и узел расширения, выполненный, по меньшей мере из одной установленной на опорном валу шарошки, отличающийся тем, что корпус выполнен из нескольких сопряженных основаниями несоосных цилиндров, причем в плоскости, перпендикулярной оси резьбы и проходящей через точку шарошки, наиболее удаленную от этой оси, расстояние от оси резьбы до наиболее удаленной точки окружности, описанной вокруг корпуса, превышает расстояние от оси резьбы до наиболее удаленной от нее точки шарошки, а окружность, описанная вокруг корпуса из центра вне оси резьбы, пересекает окружность расширителя, описанную вокруг шарошки из центра на оси резьбы, при этом часть окружности, описывающей корпус, лежит вне окружности расширителя.

2. Расширитель по п. 1, отличающийся тем, что по меньшей мере часть цилиндров, образующих корпус, выполнена относительно общей оси.

3. Расширитель по п. 1, отличающийся тем, что по меньшей мере части цилиндров, образующих корпус, параллельны.

4. Расширитель по п. 1, отличающийся тем, что часть цилиндров ограничена поверхностями, параллельными осям цилиндров.

5. Расширитель по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что ось продольного канала смещена относительно всех осей цилиндров корпуса.

6. Расширитель по п. 1, отличающийся тем, что упорный узел размещен на цилиндре диаметром, меньшим диаметра узла расширения.

7. Расширитель по п. 1, отличающийся тем, что ось опорного вала расположена в плоскости, перпендикулярной оси резьбы, под углом к этой плоскости или перпендикулярна.

8. Расширитель по пп. 1 и 7, отличающийся тем, что ось опорного вала расположена тангенциально окружности расширителя.

9. Расширитель по п. 1, отличающийся тем, что он содержит жестко связанные между собой шарошки, расположенные на одной оси.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к горному делу, конкретно к полицентричным расширителям для образования местного расширения в стволе скважины, под обсадной колонной.

Известен полицентричный расширитель, содержащий корпус с продольным каналом и асимметрично размещенные на корпусе узел расширения и упорный узел, причем корпус состоит из ряда цилиндров, сопряженных по образующим, продольный канал корпуса соосен с одним из цилиндров, а диаметр упорного узла меньше диаметра узла расширения [1] .

Недостаток такого расширителя - невозможность его применения в твердых и абразивных породах, т. к. породоразрушающие элементы работают с большим скольжением, в результате чего быстро изнашиваются.

Известен моноцентричный шарошечный расширитель, содержащий корпус и симметрично размещенные на корпусе узлы расширения, каждый из которых выполнен в виде по меньшей мере одной шарошки, смонтированной на опорном валу, закрепленном в корпусе расширителя так, что оси опорного вала и расширителя лежат в одной плоскости, причем корпус выполнен в виде ряда сопряженных основаниями соосных цилиндров и снабжен соосным с ними продольным каналом [2] .

Такой расширитель будучи снабжен вращающимися шарошками, режущие элементы которых работают в режиме дробления, скалывания, применим в твердых и абразивных породах. Однако недостаток такого расширителя - невозможность с его помощью образовать местное расширение в стволе скважины, которое часто необходимо иметь под спущенной обсадной колонной. Существенным недостатком также является нарушение обсадной колонны, внутрь которой спускают расширитель, шарошками, а также износ самих шарошек при спуске.

Известен также полицентричный расширитель, содержащий корпус с верхней присоединительной резьбой и с продольным каналом, выполненный из нескольких сопряженных основаниями несоосных цилиндров, и асимметрично размещенные на корпусе упорный узел и узел расширения, включающий шарошку, смонтированную на опорном валу, ось которого наклонена к оси корпуса и пересекается с ней, причем диаметр упорного узла равен диаметру узла расширения.

Недостатком такого расширителя является большой объем, занимаемый шарошкой, и вследствие этого затрудненность, а то и невозможность его спуска в скважину, особенно осложненную. Такой расширитель приводит при спуске к еще большему нарушению обсадной колонны зубьями шарошки, а также сколу и износу зубьев при спуске.

Целью изобретения является повышение эффективности образования местного расширения в стволе скважины, в т. ч. и непосредственно под обсадной колонной благодаря облегчению спуска расширителя в скважину и предотвращению в процессе спуска износа породоразрушающих элементов расширителя и нарушения этими элементами обсадной колонны, внутрь которой спускают расширитель.

Достигается это тем, что в полицентричном расширителе, содержащем корпус с верхней присоединительной резьбой и с продольным каналом, выполненным из нескольких сопряженных основаниями несоосных цилиндров, и асимметрично размещенные на корпусе упорный узел и узел расширения, включающий по меньшей мере одну смонтированную на опорном валу шарошку, в отличие от прототипа, в плоскости, перпендикулярной оси резьбы и проходящей через точку шарошки, наиболее удаленную от этой оси, расстояние от оси резьбы до наиболее удаленной точки окружности, описанной вокруг корпуса, превышает расстояние от оси резьбы до наиболее удаленной от этой оси точки шарошки, а окружность, описанная вокруг корпуса из центра вне оси резьбы, пересекает окружность расширителя, описанную вокруг шарошки из центра на оси резьбы, при этом часть окружности, описывающей корпус, лежит вне окружности расширителя.

А также тем, что, по меньшей мере, часть цилиндров, образующих корпус расширителя, выполнена относительно общей оси.

А также тем, что оси, по меньшей мере, части цилиндров, образующих корпус, параллельны.

А также тем, что часть цилиндров ограничена поверхностями, параллельными осям цилиндров.

А также тем, что ось продольного канала смещена относительно всех осей цилиндров корпуса.

А также тем, что упорный узел размещен на цилиндре с диаметром, меньшим диаметра узла расширения.

А также тем, что ось опорного вала расположена вне плоскости оси резьбы, в плоскости, параллельной оси резьбы, параллельно или под углом к плоскости, перпендикулярной оси резьбы.

А также тем, что ось опорного вала расположена тангенциально окружности расширителя.

Отличительные признаки заявленного технического решения, заключающиеся в том, что в плоскости, перпендикулярной оси резьбы и проходящей через точку шарошки, наиболее удаленную от этой оси, расстояние от оси резьбы до наиболее удаленной точки окружности, описанной вокруг корпуса, превышает расстояние от оси резьбы до наиболее удаленной точки шарошки, и окружность, описанная вокруг корпуса из центра вне оси резьбы, пересекает окружность расширителя, описанную вокруг шарошки из центра на оси резьбы, причем часть окружности, описывающей корпус, лежит вне окружности расширителя, позволяет получить конструкцию эксцентричного расширителя, породоразрушающие и износостойкие элементы которого не изнашиваются при спуске и не нарушают внутреннюю поверхность обсадной колонны, поскольку не касаются ее, будучи утоплены внутрь корпуса, поверхность которого имеет кривизну, большую, чем кривизна ствола расширенной скважины, образуемой породоразрушающими элементами узла расширения; при этом уменьшается усилие на вращение расширителя.

Отличительные признаки патентуемого технического решения, заключающиеся в том, что по меньшей мере, часть цилиндров, образующих корпус расширителя, выполнена относительно общей оси, оси, по меньшей мере части цилиндров, образующих корпус, параллельны, часть цилиндров ограничена поверхностями, параллельными осям цилиндров, описывают рациональное конструктивное решение корпуса расширителя.

Отличительный признак заявленного технического решения, заключающийся в том, что ось продольного канала смещена относительно всех осей цилиндров, корпуса дает решение, позволяющее вписать промывочный канал при различных соотношениях диаметров цилиндра корпуса.

Отличительный признак заявленного технического решения, заключающийся в том, что упорный узел размещен на цилиндре с диаметром, меньшем диаметра узла расширения, предопределяет снижение усилия на вращение расширителя, ибо упорный узел размещен на малом диаметре.

Отличительный признак заявленного технического решения, заключающийся в том, что ось опорного вала расположена в плоскости оси резьбы или в плоскости, параллельной оси резьбы параллельно или под углом к плоскости, перпендикулярной оси резьбы, позволяет выполнять расширитель, не изнашивающий колонну при спуске, выполненный по любой конструктивной схеме - с коническими или цилиндрическими шарошками и с любым положением оси опорного вала.

Отличительный признак заявленного технического решения, заключающийся в том, что ось опорного вала расположена тангенциально окружности расширителя, и расширитель содержит связанные между собой шарошки, имеющие общую ось, описывает одно из рациональных конструктивных решений, обеспечивающих получение повышенных механических скоростей проходки.

На фиг. 1 приведен расширитель, фронтальный разрез; на фиг. 2- разрез по А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - расширитель, аналогичный приведенным на фиг. 1 и 2, но с наклонным положением тангенциальной оси опорного вала шарошек; на фиг. 4 - расширитель, ось вала которого размещена в вертикальной плоскости.

Корпус 1 полицентричного расширителя снабжен верхней резьбой 2 для присоединения к бурильному инструменту и нижней резьбой 3 для присоединения породоразрушающего наконечника. Резьбы 2 и 3 выполнены относительно общей для них оси 4. Корпус 1 образован пятью цилиндрами, выполненными относительно трех осей. Верхний цилиндр 5 выполнен относительно оси 4 (оси резьбы) и соосен с резьбами 2 и 3. Под ним со смещением размещен выполненный относительно оси 6 цилиндр 7, имеющий из всех цилиндров, образующих корпус 1, наибольший диаметр, близкий диаметру обсадных труб, в которые будет спущен расширитель. Цилиндр 7 ограничен поверхностями 8, параллельными осям. Расположенный ниже участок корпуса образован двумя цилиндрами, один из которых - цилиндр 9, расположенный с противоположной стороны корпуса 1 относительно выступающей части цилиндра 7, имеет диаметр, равный диаметру присоединяемого породоразрушающего наконечника, и выполнен относительно оси 4 резьб 2 и 3.

Второй расположенный параллельно цилиндру 9 на том же участке корпуса 1 цилиндр 10 имеет диаметр меньший, чем цилиндр 9, и выполнен относительно оси 11. Цилиндры 9 и 10 связаны и ограничены поверхностями 12, предпочтительно как и поверхности 8 - параллельными плоскостями. И наконец нижний, имеющий наименьший диаметр, цилиндр 13 соосен с верхним цилиндром 5. Внутри корпуса 1 проходит продольный канал 14. Ось 15 продольного канала 14 предпочтительно не совпадает с осями цилиндров, но параллельна им. При разработке и изготовлении описываемого полицентричного расширителя в различных габаритах может быть совпадение осей отдельных цилиндров и наклонное положение продольного канала. Также следует заметить, что цилиндры 5 и 13 могут быть несоосны друг с другом и резьбам 2 и 3. Главное, чтобы были соосны резьбы 2 и 3. Выполненный в выступающей части цилиндра 7 проем 16 образует вместе с поверхностями 8 две щеки 17 корпуса 1, в которых выполнено сквозное отверстие 18. Последнее расположено тангенциально цилиндрам корпуса 1 в плоскости, перпендикулярной продольной оси 4 (фиг. 1) или под углом к этой плоскости (фиг. 3 и 4). В проеме 16 на опорном валу 19 с помощью втулок 20 и шайб 21 смонтированы одна или предпочтительно несколько имеющих общую ось шарошек 22, оснащенных породоразрушающими элементами 23. Вал 19 фиксируется в корпусе 1 замком 24. Ось вала 19 может быть расположена в плоскости оси резьбы или в плоскости, перпендикулярной оси резьбы и тангенциально окружности расширителя. Цилиндр 9 оснащен износостойкими элементами 25.

Наибольший диаметр D_p полицентричного расширителя (т. е. диаметр скважины, образуемой при его вращении относительно оси 4) равен удвоенному расстоянию от оси 4 до наиболее удаленной от нее точки резца 23 шарошки 22. Окружность 26 диаметром D_k, описанная вокруг корпуса 1 из центра вне оси 4, пересекает окружность 27 скважины диаметром D, образуемой расширителем, и часть окружности 26 лежит вне окружности 27. Это является следствием того, что в плоскости, перпендикулярной оси 4 присоединительной резьбы 2 корпуса 1 и проходящей через точку шарошки 22 (на ее резце 23), наиболее удаленную от оси 4, расстояние от оси 4 до наиболее удаленной точки окружности 26, описанной вокруг корпуса из центра вне оси 4, превышает расстояние от оси 4 до наиболее удаленной точки резца 23 шарошки 22.

Работа при использовании патентуемого полицентричного расширителя проходит следующим образом. К нижней резьбе 3 собранного расширителя присоединяют породоразрушающий наконечник и расширитель с наконечником, присоединив их резьбой 2 к бурильному инструменту, спускают в скважину. Наконечник берут такой, чтобы его диаметр был равен диаметру упорного узла, т. е. диаметру по вершинам элементов 25 на цилиндре 9, или удвоенному расстоянию от оси 4 до наружной поверхности элементов 25 на цилиндре 9, или D_н. Целесообразно между расширителем и наконечником установить бурильную трубу, которая будет играть роль гибкого элемента, смягчая неточности. Собранный инструмент спускают в скважину, обсаженную колонной с внутренним диаметром, по меньшей мере, равным D_k.

После спуска расширителя ниже башмака обсадной колонны приступают к вращению инструмента. Инструмент вращается относительно оси 4. В результате резцы 23 шарошки 22 образуют местное расширение, диаметр D_р которого равен удвоенному расстоянию от оси 4 до вершины максимально удаленного от этой оси породоразрушающего элемента 23 шарошки 22. По мере подачи инструмента и углубления забоя получают ствол диаметром D_р, превосходящим внутренний диаметр D_k расположенной выше обсадной колонны. Особенности конструкции полицентричного расширителя обеспечивают получение максимальной механической скорости проходки расширяемого участка скважины.

В настоящее время разработан рабочий проект полицентричного расширителя для расширения до диаметра 346 мм пилотного ствола скважины диаметром 215,9 мм из-под обсадной колонны диаметром 321 мм.