буровой расширитель с радиально выдвижными функциональными звеньями

Формула изобретения

1. Внутрискважинная установка, которая содержит корпус, образующий сквозное проходное отверстие и имеющий концы, выполненные с возможностью соединения с несущей колонной; радиально выдвижные функциональные звенья, смонтированные на корпусе и выполненные с возможностью перемещения между убранным положением и выдвинутым положением; поршень фиксирования функциональных звеньев, установленный внутри проходного отверстия корпуса, причем поршень имеет исходное неактивное положение, позволяющее перемещение функциональных звеньев в выдвинутое положение, и выполнен с возможностью изменения положения для фиксирования выдвижных функциональных звеньев в убранном положении во время протекания текучей среды через установку.

2. Установка по п.1, в которой выдвижные функциональные звенья являются резцами расширителя.

3. Установка по п.1, дополнительно содержащая поршень выдвижения функциональных звеньев для выдвижения функциональных звеньев.

4. Установка по п.3, в которой поршень выдвижения функциональных звеньев исходно закреплен в положении с убранными функциональными звеньями.

5. Установка по п.3, в которой поршень выдвижения функциональных звеньев исходно изолирован от рабочего давления.

6. Установка по п.1, в которой поршень фиксирования функциональных звеньев выполнен таким образом, что рабочее давление текучей среды стремится заставить поршень удерживать выдвижные функциональные звенья в убранном положении.

7. Установка по п.3, в которой поршень выдвижения функциональных звеньев и поршень фиксирования функциональных звеньев выполнены с возможностью их работы в противоположных направлениях под воздействием приводящего в действие давления текучей среды.

8. Установка по п.7, в которой упомянутые поршни выполнены таким образом, чтобы сила, производимая поршнем фиксирования функциональных звеньев, превышала силу, производимую поршнем выдвижения функциональных звеньев под воздействием одной и той же величины приводящего в действие давления текучей среды.

9. Установка по п.1, в которой поршень фиксирования функциональных звеньев выполнен с возможностью обеспечения прохождения через него текучей среды.

10. Установка по п.9, в которой поршень фиксирования функциональных звеньев выполнен с возможностью взаимодействия с уплотняющей деталью, которая, по меньшей мере, дросселирует поток через поршень и приводит поршень в действие.

11. Установка по п.10, в которой выдвижные функциональные звенья выполнены с возможностью приведения в действие текучей средой и установлены по потоку ниже поршня фиксирования функциональных звеньев, а соединение уплотняющей детали с поршнем фиксирования функциональных звеньев изолирует выдвижные функциональные звенья от приводящего в действие давления.

12. Установка по п.10, в которой комбинация поршня и уплотняющей детали выполнена с возможностью изменения конфигурации, чтобы восстанавливать проход текучей среды через указанную комбинацию.

13. Установка по п.12, в которой поршень содержит множество элементов, которые выполнены с возможностью перемещения, чтобы открывать проход текучей среде после поступательного перемещения поршня.

14. Установка по п.1, в которой поршень фиксирования функциональных звеньев содержит стопорную деталь, выполненную с возможностью застопоривания поршня относительно корпуса.

15. Установка по п.14, в которой поршень фиксирования функциональных звеньев содержит два участка втулки, а стопорная деталь выполнена с возможностью перемещения в положение застопоривания посредством относительного осевого перемещения участков втулки.

16. Установка по п.1, которая включает в себя пружинное устройство, воздействующее на функциональные звенья для их убирания.

17. Установка по п.1, в которой поршень фиксирования функциональных звеньев выполнен с возможностью циклического перехода между нерабочим положением и положением фиксирования функциональных звеньев.

18. Установка по п.1, в которой поршень фиксирования функциональных звеньев выполнен с возможностью приведения в действие с помощью открывания пути притока текучей среды со стороны поршня с низким давлением в зону более низкого давления, чтобы обеспечить смещение поршня под действием приложенного внутри приводящего в действие давления.

19. Внутрискважинная установка, которая содержит корпус; радиально выдвижные функциональные звенья, смонтированные на корпусе и выполненные с возможностью перемещения между убранным положением и выдвинутым положением, и стопорное устройство фиксирования функциональных звеньев, выполненное с возможностью фиксирования выдвижных функциональных звеньев в убранном положении вслед за перемещением выдвижных функциональных звеньев из выдвинутого положения, причем стопорное устройство содержит стопорную деталь, выполненную с возможностью фиксирования стопорного устройства в положении фиксирования функциональных звеньев.

20. Установка по п.19, в которой стопорное устройство фиксирования функциональных звеньев содержит поршень.

21. Установка по п.19, в которой стопорное устройство фиксирования функциональных звеньев содержит поршень с множеством элементов, а относительное перемещение элементов поршня выдвигает стопорную деталь для зацепления с корпусом.

22. Внутрискважинная установка, которая содержит корпус, образующий сквозное проходное отверстие и имеющий концы, выполненные с возможностью соединения с несущей колонной; радиально выдвижные функциональные звенья, смонтированные на корпусе и выполненные с возможностью перемещения между убранным положением и выдвинутым положением; стопор фиксирования функциональных звеньев, включающий поршень, установленный внутри проходного отверстия корпуса, причем поршень имеет первое положение, позволяющее перемещение функциональных звеньев в выдвинутое положение, и второе положение, в котором поршень пригоден для фиксирования выдвижных функциональных звеньев в убранном положении, причем поршень выполнен с возможностью циклического перехода между первым и вторым положениями независимо от перемещения выдвижных функциональных звеньев.

23. Установка по п.22, в которой стопор фиксирования функциональных звеньев содержит устройство J-образного паза.

24. Способ управления внутрискважинной расширительной установкой, содержащий этапы, на которых создают внутрискважинную расширительную установку, имеющую функциональные звенья, выполненные с возможностью радиального перемещения между убранным положением и выдвинутым положением; монтируют установку над буровым долотом; выдвигают функциональные звенья; и затем избирательно фиксируют функциональные звенья в убранном положении во время протекания текучей среды через установку.

25. Способ управления внутрискважинной установкой, содержащий этапы, на которых создают внутрискважинную установку, имеющую корпус, образующий сквозное проходное отверстие, и функциональное звено, выполненное с возможностью радиального перемещения между первым и вторым положениями; используют первое устройство приведения в действие давления текучей среды для перемещения функционального звена в первое положение; и используют второе устройство приведения в действие давления текучей среды, работающее в направлении, противоположном направлению первого устройства приведения в действие давления текучей среды, для фиксирования функционального звена во втором положении во время протекания текучей среды через установку.

Описание изобретения к патенту

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Это изобретение относится к внутрискважинным установкам, а конкретно к внутрискважинной установке с выдвижными функциональными звеньями.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Существуют различные инструменты, используемые в отрасли разведки и добычи нефти и газа, имеющие выдвижные резцы, в том числе буровые расширители. Резцы могут приводиться в действие приложением веса или давлением текучей среды. Примеры таких инструментов описаны в международных патентных заявках заявителя № № WO 00/31371 и WO 2004/097163, описания которых этот документ включает в себя в виде ссылки.

Буровой расширитель обычно входит в состав бурильной колонны над буровым долотом, а режущие лезвия бурового расширителя или устройство выдвижения лезвий должны быть исходно зафиксированы в убранном положении, что обычно делают с помощью срезных штифтов и им подобного. Это предоставляет возможность оператору использовать буровое долото для разбуривания цементной пробки и башмака у нижнего конца последней секции обсадной колонны, когда буровой расширитель находится внутри обсадной колонны. Только когда ствол пробурен до такой глубины, когда буровой расширитель располагается за концом обсадной колонны, буровой расширитель включается в работу, резцы выдвигаются, чтобы расширять ствол скважины, пробуренный буровым долотом до диаметра, большего существующей обсадной трубы.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Согласно настоящему изобретению создается внутрискважинная установка, содержащая:

корпус;

выдвижные функциональные звенья, смонтированные на корпусе и выполненные с возможностью перемещения между убранным или выдвинутым состояниями;

приводимое в действие оператором фиксирующее средство для удержания выдвижных функциональных звеньев в убранном состоянии.

Согласно дополнительному аспекту настоящего изобретения создается внутрискважинная установка, содержащая:

корпус;

выдвижные функциональные звенья, смонтированные на корпусе, выполненные с возможностью перемещения между убранным или выдвинутым состояниями;

фиксирующее средство, выполненное с возможностью дистанционного управления, для удержания выдвижных функциональных звеньев в убранном состоянии.

Выдвижными функциональными звеньями могут быть резцы, так что установка может быть режущей установкой, такой как буровой расширитель. При таком практическом применении настоящее изобретение демонстрирует преимущество перед существующими буровыми расширителями, состоящее в том, что оператор может управлять установкам, чтобы фиксировать режущие детали в конфигурации, при которой они убраны, или не допускать выдвижения режущих деталей. Это является особенно полезным, когда оператор намеревается выполнить операции, следующие за операцией расширения ствола скважины, но хочет быть уверенным в том, что режущие детали будут удерживаться в убранном состоянии. Фиксирующее средство может иметь возможность застопоривания, чтобы фиксировать выдвижные функциональные звенья в убранном состоянии без возможности повторного выдвижения, или может иметь возможность установки положения для фиксирования выдвижных функциональных звеньев в убранном состоянии с возможностью последующего выдвижения функциональных звеньев. Первая компоновка обеспечивает оператору уверенность в том, что выдвижные функциональные звенья не могут выдвинуться, в то время как вторая компоновка обеспечивает оператору дополнительную степень гибкости в связи с тем, что выдвижные функциональные звенья могут быть вторично развернуты, если необходимо или целесообразно.

Изобретение особенно эффективно в отношении выдвижных функциональных звеньев, приводимых в действие текучей средой, обычно представляющих собой функциональные звенья, выдвигающиеся под действием перепада давления, или приложенного между внутренним объемом корпуса и окружающим кольцевым пространством, или при дросселировании притока внутри корпуса. В таком устройстве изобретение предоставляет возможность оператору прокачивать текучую среду через установку со сравнительно высокой эффективностью, что в другом случае привело бы к выдвижению функциональных звеньев, в то время как выдвижные функциональные звенья удерживаются фиксирующим средством в убранном состоянии.

В одном варианте осуществления изобретения установка включает в себя средство для выдвижения выдвижных функциональных звеньев. Это средство может приводиться в действие механически, например приложением веса или натяжением, но в предпочтительном варианте выполнения приводится в действие текучей средой, в наиболее предпочтительном варианте выполнения текучей средой, которая закачивается с поверхности через установку или в установку. В одном варианте осуществления изобретения выдвижные функциональные звенья приводятся в действие поршнем, причем перемещение поршня в первом направлении заставляет функциональные звенья выдвигаться, а перемещение поршня во втором направлении заставляет функциональные звенья убираться, или, в более предпочтительном варианте выполнения, принудительно убирает функциональные звенья. Поршень может исходно быть зафиксирован в положении с убранными функциональными звеньями и может быть исходно изолирован от рабочего давления. Средство для выдвижения может приводиться в действие любым приемлемым способом, например сбрасыванием шара или тому подобным. Аналогично, в других вариантах осуществления изобретения, использующих различные средства для выдвижения выдвижных функциональных звеньев, эти средства могут быть исходно не включенными или неработающими.

Фиксирующее средство может приводиться в действие любым подходящим способом, например весом, натяжением или электрическим приводом. Однако предпочтительно, чтобы фиксирующее средство приводилось в действие текучей средой и могло включать в состав поршень фиксирования функциональных звеньев, причем давление приводящей в действие текучей среды стремилось бы заставить поршень удерживать выдвижные функциональные звенья в убранном состоянии. В качестве альтернативы или дополнения давление приводящей в действие текучей среды должно стремиться вызвать перемещение поршня фиксирования функциональных звеньев, чтобы убрать функциональные звенья.

Когда установка включает в себя как поршень фиксирования функциональных звеньев, так и поршень выдвижения функциональных звеньев поршням может быть придана конфигурация для работы в противоположных направлениях под воздействием приводящего в действие давления текучей среды и поршням может быть придана такая конфигурация, чтобы сила, производимая поршнем фиксирования функциональных звеньев, превышала силу, производимую поршнем выдвижения функциональных звеньев под воздействием одной и той же величины приводящего в действие давления текучей среды.

Один или оба поршня могут быть кольцевыми, чтобы допускать проход текучей среды через них. Однако в предпочтительном варианте выполнения поршень фиксирования функциональных звеньев выполняется с возможностью принимать уплотняющую деталь или взаимодействовать с деталью, которая дросселирует или не допускает притока через поршень, приводя поршень в действие и создавая поршень сравнительно большой площади, так что при этом на поршне может создаваться очень значительная сила давления. Там где функциональные звенья с возможностью выдвижения приводятся в действие текучей средой и располагаются вниз по потоку от поршня, соединение уплотняющей детали с поршнем фиксирования функциональных звеньев может также служить для изолирования выдвижных функциональных звеньев от рабочего давления, способствуя убиранию функциональных звеньев. В качестве альтернативы или дополнения соединение уплотняющей детали с поршнем фиксирования функциональных звеньев может воспрепятствовать циркуляции текучей среды через установку и может остановить циркуляцию текучей среды в стволе скважины. В этих условиях перепад давления между внутренним объемом устройства под поршнем и окружающим кольцевым пространством будет стремиться уравняться, способствуя убиранию выдвижных функциональных звеньев, приводимых в действие перепадом давления. Давление под поршнем и в окружающем кольцевом пространстве будет также стремиться упасть до уровня гидростатического давления, тем самым повышая эффективность поршня фиксирования функциональных звеньев, особенно если поршень управляется перепадом давления между внутренним объемом устройства и окружающим кольцевым пространством.

Комбинация поршня фиксирования функциональных звеньев и уплотняющей детали может быть выполнена с возможностью изменения конфигурации для прохода через нее текучей среды. Следовательно, когда функциональное звено убрано, приток через установку может восстанавливаться. Это может быть достигнуто использованием любого подходящего механизма, включая создание поршня, содержащего множество элементов, которые исходно застопориваются друг относительно друга, но имеют возможность перемещения для открывания прохода текучей среды после поступательного перемещения поршня.

Поршень фиксирования функциональных звеньев, или, по меньшей мере, его часть, может иметь возможность застопориваться в положении фиксирования функциональных звеньев.

В предпочтительном варианте выполнения поршень фиксирования функциональных звеньев функционально соединяется с выдвижными функциональными звеньями так, чтобы перемещение поршня могло использоваться для принудительного убирания функциональных звеньев.

В предпочтительном варианте выполнения выдвижные функциональные звенья в нормальном положении являются убранными, то есть при отсутствии силы, приводящей их в действие, функциональные звенья стремятся к убранному состоянию. Это может быть достигнуто обеспечением пружинного устройства фиксирования функциональных звеньев. Пружинное устройство может действовать непосредственно на функциональные звенья или может действовать через другой элемент устройства, такой как поршень или кулачок, приводящий в действие функциональные звенья.

В предпочтительном варианте выполнения корпус является трубчатым, имеющим концы, адаптированные для соединения с несущей колонной, обычно бурильной колонной. В качестве альтернативы корпус может адаптироваться для монтажа к концу несущей колонны. Выдвижные функциональные звенья могут выдвигаться через окна в корпусе. В предпочтительном варианте выполнения выдвижные функциональные звенья выполнены с возможностью линейного радиального перемещения относительно корпуса, но могут вращаться относительно корпуса.

Фиксирующее средство может быть в исходном положении неактивным или каким-либо другим образом бездействующим. Следовательно, исходно установка может управляться для выдвижения и убирания выдвижных функциональных звеньев без участия фиксирующего средства. Фиксирующее средство может затем избирательно приводиться в действие, например сбрасыванием шара, втулкой или чем-то подобным, приложением веса или натяжения, работой переключателя или убиранием, или выдвижением зацепов или шплинтов. Как отмечалось выше, там где фиксирующее средство содержит кольцевой поршень, может сбрасываться шар для закрывания прохода через поршень и, тем самым, приведения поршня в действие.

В качестве альтернативы фиксирующее средство может циклично переключаться между активной и неактивной конфигурацией. Этого можно достичь приложением веса и освобождением от воздействия веса или циклическим приложением давления текучей среды. Например, фиксирующее средство может включать в себя механизм с кулачком и кулачкового следящим элементом, например, с непрерывным J-образным пазом, который управляет перемещением поршня фиксирования функциональных звеньев относительно корпуса.

В одном варианте осуществления изобретения фиксирующее средство включает в себя, по меньшей мере, один поршень фиксирования функциональных звеньев, который в исходном положении является неактивным. Поршень может приводиться в действие открытием пути притока текучей среды со стороны поршня с низким давлением на внешнюю сторону корпуса или в некоторую зону низкого давления, позволяя поршню смещаться под воздействием приложенного изнутри рабочего давления. Путь притока текучей среды может открываться любым приемлемым средством и в предпочтительном варианте осуществления изобретения создается клапан для управления притоком на пути притока. Клапан может открываться любым приемлемым средством, но в предпочтительном варианте выполнения открывается сбрасыванием устройства приведения в действие в клапан, причем указанное устройство способствует созданию на клапане перепада давления, который может использоваться для перемещения клапана относительно корпуса и открывания пути притока. В качестве альтернативы поршень фиксирования функциональных звеньев может приводиться в действие сбрасыванием или закачиванием шара, стержня или тому подобного в отверстие в поршне, чтобы закрыть проход текучей среды через поршень.

Согласно другому аспекту настоящего изобретения создается способ управления внутрискважинной установкой, содержащий:

создание внутрискважинной установки, имеющей функциональные звенья, выполненные с возможностью перемещения между убранным или выдвинутым состояниями;

использование давления текучей среды для выдвижения функциональных звеньев; и затем

изменение конфигурации установки и использование давления текучей среды для фиксирования функциональных звеньев в убранном состоянии.

Согласно дополнительному аспекту настоящего изобретения создается способ управления внутрискважинной установки, содержащий:

создание внутрискважинной установки, имеющей функциональные звенья, выполненные с возможностью перемещения между убранным или выдвинутым состояниями;

выдвижение функциональных звеньев; и

избирательное фиксирование функциональных звеньев в убранном состоянии.

Согласно еще одному дополнительному аспекту настоящего изобретения создается способ управления внутрискважинной установкой, содержащий:

создание внутрискважинной установки, имеющей функциональные звенья, выполненные с возможностью перемещения между первым и вторым состояниями;

использование первого устройства приведения в действие давлением текучей среды для перемещения функциональных звеньев в первое состояние; и

использование второго устройства приведения в действие давлением текучей среды, действующего противоположно первому устройству приведения в действие давлением текучей среды, чтобы фиксировать функциональные звенья во втором состоянии.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Эти и другие аспекты изобретения будут далее подробно описаны в виде примеров со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг.1, 2, 3 и 4 являются видами в разрезе бурового расширителя согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения;

Фиг.5 является изометрическим изображением поршня выдвижения резцов бурового расширителя по Фиг.1 в увеличенном масштабе;

Фиг.6 является изометрическим изображением, показывающим поршень по Фиг.5 и соединенный с ним резец в увеличенном масштабе;

Фиг.7 и 8 являются видами в разрезе частей поршня фиксирования резцов бурового расширителя на Фиг.1 в увеличенном масштабе;

Фиг.7а является изометрическим изображением части поршня по Фиг.7;

Фиг.9, 10, 11 и 12 являются видами в разрезе бурового расширителя согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения;

Фиг.13, 14 и 15 являются видами в разрезе поршня фиксирования резцов бурового расширителя по Фиг.9 в увеличенном масштабе;

Фиг.16 является видом в разрезе альтернативной компоновки поршня фиксирования резцов;

Фиг.17 является видом бурового расширителя согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения; и

Фиг.18, 19, 20, 21 и 22 являются видами в разрезе бурового расширителя по Фиг.17 в различных конфигурациях.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Фиг.1-4 показывают виды в разрезе бурового расширителя 10 согласно варианту осуществления настоящего изобретения. Как будет описано, буровой расширитель 10 выполнен так, чтобы резцы 12 расширителя могли выдвигаться, как показано на Фиг.2, для обработки резанием, и дополнительно резцы 12 расширителя могут принудительно фиксироваться в убранном состоянии, как показано на Фиг.3 и 4, во время проведения других скважинных операций. Буровой расширитель 10 содержит по существу трубчатый корпус 14, содержащий четыре секции 14а, 14b, 14c, 14d, которые соединены друг с другом на резьбе. На концах корпуса 14 предусматриваются обычные муфтовые и ниппельные трубные замки 16, 17, которые позволяют включить буровой расширитель 10 в состав бурильной колонны над буровым долотом.

Буровой расширитель 10 имеет три резца 12, расположенных в соответствующих окнах 18 в секции 14b корпуса. Каждый резец взаимодействует со скошенной поверхностью 20 поршня 22, приводящего резцы в действие. Как показано на Фиг.5 и 6, на скошенной поверхности 20 и резцах 12 задаются взаимодействующие профили 24, 25 соединения типа ласточкин хвост, так что поршни 22 являются непосредственно сцепленными со скошенными поверхностями 20. Следовательно, в то время как перемещение вверх поршня 22 относительно корпуса 14 заставляет резцы 12 радиально выдвигаться из корпуса 14, перемещение поршня 22 в противоположном направлении принудительно убирает резцы 12.

В поршне 22 выдвижения резцов образовано сквозное проходное отверстие 26, которое формирует часть проходного отверстия, проходящего через буровой расширитель 10. Уплотняющая втулка 28 стыкуется с проходным отверстием 26 и проходит от верхнего конца поршня 22, в то время как от верхнего конца уплотняющей втулки 28 проходит втулка 30, несущая пружину. Уплотняющая втулка 28 проходит от поршня 22 через опорную муфту 32, удерживаемую между концами секций 14b, 14c корпуса. Муфта 32 снабжена уплотнениями 34, 35 соединения корпуса с втулкой, которые служат для предотвращения сообщения текучей среды между внутренним пространством секций 14b, 14c и внешним пространством вокруг корпуса 14 через окна 18 резаков. Поршень 22 выдвижения резцов, естественно, также оснащен надлежащим уплотнением 36 для изолирования сквозного проходного отверстия под поршнем 22 от окон 18 резцов. Учитывая разницу площади между уплотнением 36 поршня и уплотнением 35 опорной муфты и пониженное давление в кольцевом пространстве, окружающем инструмент, повышающееся давление текучей среды внутри корпуса 14 создает направленную вверх силу давления на поршень 22, которая стремится выдвинуть резцы 12. Однако нажимная пружина 38 возврата резцов установлена в камере 40 между секцией 14c и втулкой 30, несущей пружину, нижний конец пружины 38 опирается на уступ 42 втулки, в то время как верхний конец пружины 38 опирается на нижний конец муфты 44, которая крепится к корпусу 14, причем муфта 44 имеет уступ 48, заключенный между верхними и нижними концами секций 14c, 14d корпуса. Пружина 38 действует, поджимая втулку 30 вниз, и также действует, толкая поршень 22 вниз, стремясь зафиксировать резцы 12 в убранном состоянии при отсутствии повышенного давления текучей среды, выдвигающего резцы, как показано на Фиг.1.

Верхний конец корпуса 14 бурового расширителя содержит стопорное устройство 50, который служит для избирательного фиксирования резцов 12 в убранном состоянии, как описывается ниже. Стопорное устройство 50 включает в себя поршень 52 фиксирования резцов, выполненный с возможностью перемещения внутри секции 14d корпуса, показанный более подробно на Фиг.7 и 8. При этом осевое перемещение поршня 52 управляется кулачковым механизмом 53, содержащим непрерывный криволинейный паз 54 (Фиг.7а) в наружной поверхности поршня 52, который входит в зацепление со штифтами 55, смонтированными на корпусе. Криволинейный паз 54 образован в муфте 56 поршня, смонтированной на втулке 58 поршня, которая проходит от уступа 60 над втулкой 56, через муфту 56 и в муфту 44 сцепления с пружиной. Пружина 62 малого сжатия установлена между уступом 48 муфты и нижним торцом муфты 56 поршня и стремится поджать поршень 52 вверх, к положению, показанному на Фиг.1.

В секции 14d корпуса над поршнем 52 установлен индикатор 64 положения поршня, который удерживается относительно корпуса 14 срезным штифтом 66. Индикатор 64, показанный более подробно на Фиг.7 и 8, имеет выступающий в осевом направлении наконечник 68, который, при расположении поршня 52 в верхнем положении, проходит в верхний конец втулки 58 поршня, дросселируя приток текучей среды через втулку 58. Это дросселирование притока создает обратное давление с возможностью регистрации оператором на поверхности, тем самым позволяя оператору определять положение поршня 52 в корпусе 14.

Уступ 60 втулки поршня имеет по периметру уплотнение 70, которое вместе с уплотнением 72 на уступе 48 муфты, взаимодействующим с нижним концом втулки 58 поршня, служит для изолирования камеры 74 под поршнем 52, в которой располагается пружина 62. Камера 74 сообщается текучей средой с внешним пространством вокруг корпуса 14 через радиальное отверстие 76, так что поднимающееся давление текучей среды внутри корпуса 14 бурового расширителя стремится поджать поршень 52 вниз. При этом, как описано ниже, перемещение поршня 52 контролируется кулачковым механизмом 53.

Когда давление внутри корпуса 14 бурового расширителя отсутствует или является незначительно малым, буровой расширитель 10 принимает положение, показанное на Фиг.1. То есть более сильная пружина 38 поджимает поршень 22 выдвижения резцов вниз, для убирания резцов 12, в то время как менее сильная пружина 62 поддерживает поршень 52 в поднятом положении, так что нижний конец втулки 58 поршня разнесен с втулкой 30, несущей пружину.

Если давление текучей среды внутри бурового расширителя 10 повышается, то увеличившийся перепад давления, действующего на поршень 22 выдвижения резцов, будет перемещать поршень 22 вверх, против действия пружины 38, и выталкивать резцы 12 радиально наружу, как показано на Фиг.2. При этом кулачковый механизм 53 допускает очень ограниченное перемещение вниз поршня 52, когда ось 55 кулачкового вала перемещается на один шаг по пазу 54, так что втулка 30, несущая пружину, становится свободной для перемещения вверх через корпус 14 бурового расширителя.

Когда затем давление понижается, пружина 38 заставит поршень 22 переместиться вниз и убрать резцы 12. Штифт 55 также продвинется по криволинейному пазу 54.

Когда затем внутреннее давление в буровом расширителе вновь повышается, кулачковый механизм 53 принимает положение, в котором ось 55 кулачкового вала может свободно перемещаться вверх относительно поршня 52. Соответственно, учитывая сравнительно большую область, заданную между уплотнениями 70, 72 и слабой пружиной 62, поршень 52 будет перемещаться вниз, чтобы занять положение, показанное на Фиг.3. Поскольку это перемещение отделит поршень 52 от индикатора 64, результирующее падение противодавления будет можно зарегистрировать на поверхности, информируя оператора, что поршень 52 переместился.

Когда поршень 52 перемещается вниз через корпус 14, нижний конец втулки 58 поршня перемещается вниз через втулку 44, чтобы соединиться с верхним концом втулки 30, несущей пружину. Дополнительные повышения внутреннего давления текучей среды в корпусе 14 бурового расширителя будут стремиться поджать поршень 22 выдвижения резцов вверх, при этом, учитывая большую рабочую площадь поршня 52 фиксирования резцов и действие пружины 38, возникнет большая сила, действующая в противоположном направлении, тем самым фиксируя резцы 12 в убранном состоянии, как показано на Фиг.3.

Если затем желательно выдвинуть резцы 12, давление внутри корпуса 14 бурового расширителя может циклически изменяться, чтобы фиксировать поршень 52 в верхнем положении, как показано на Фиг.1 и 2, на которых поршень 22 выдвижения резцов находится в положении, свободном для перемещения и для выталкивания резцов 12 радиально наружу.

Если по какой-либо причине резцы 22 не убираются при работе бурового расширителя, не допуская извлечения колонны, содержащей буровой расширитель 10, из ствола скважины, в бурильную колонну может сбрасываться шар 80, который опустится внутрь индикатора 64 положения верхнего поршня, как показано на Фиг.4 и 8. Как ясно из Фиг.7 и 8, в индикаторе 64 задается проход для текучей среды, содержащий центральное входное отверстие 82, которое затем разветвляется на четыре выходных отверстия 84. Во входном отверстии 82 задают гнездо 86, в которое опускается шар 80. Закрывая входное отверстие 82 и проход текучей среды через индикатор 64, шар 80 превращает индикатор 64 в поршень с большой площадью и с помощью увеличения давления на насосе на поверхности становится возможным создать весьма значительное давление на индикатор 64. Первоначальный подъем давления заставит штифт 66 срезаться, так что индикатор 64, боковые стенки которого находятся в уплотняющем контакте с участком 14d корпуса, затем толкается вниз на верхний торец поршня 52. Это усилие, которое очевидно имеет большую величину, чем любое механическое усилие, которое может быть передано по бурильной колонне, будет действовать, толкая поршень 22 вниз, тем самым убирая резцы 12.

Буровой расширитель 10, описанный выше, является полезным для операторов, которые хотят бурить и расширять ствол скважины, а затем очистить скважину, чтобы удалить буровой шлам и тому подобное. Для этого используется циркуляция текучей среды через вращающуюся колонну с большой интенсивностью, что при использовании обычного бурового расширителя, приводимого в действие текучей средой, вызвало бы выдвижение резцов с повреждением обсадной колонны, в которой находится буровой расширитель. Используя буровой расширитель 10, описанный выше, оператор может циклично повторять работу насосов буровой текучей среды, чтобы установить поршень 52 в положение фиксирования резцов, и затем может безопасно осуществлять прокачку и вращение, зная, что резцы 12 останутся в убранном состоянии.

Фиг.9-15 иллюстрируют буровой расширитель 90 согласно дополнительному варианту осуществления настоящего изобретения. Буровой расширитель 90 обеспечивает те же преимущества, что и буровой расширитель 10, описанный выше, при этом буровой расширитель 90 включает в себя устройство фиксирования резцов, который исходно является бездействующим или не включенным, так что давление циркулирующей текучей среды внутри бурового расширителя 90 не воздействует на устройство фиксирования резцов, пока устройство не будет приведено в действие, как будет описано. Вдобавок, поршень 92 выдвижения резцов также выполнен таким образом, чтобы в исходном положении быть выключенным или временно не используемым, с помощью стопора 94, который изолирует поршень 92 от воздействия давления текучей среды внутри бурового расширителя, как показано на Фиг.9. Однако, если шар 96 сбрасывается или прокачивается в стопор 94, создавая поршень из комбинации стопора 94 и шара 96, результирующая сила перепада давления текучей среды, действующая на стопор 94, срезает фиксирующий штифт 98 и перемещает стопор 94 вниз по оси из соединения с нижним концом поршня 92, чтобы открыть поршень 92 воздействию давления внутри бурового расширителя.

Следует отметить, что стопор 94 включает в себя центральное сквозное проходное отверстие 100, имеющее гнездо 102, на которое опускается шар 96. После того как стопор 94 перемещен вниз, чтобы открыть поршень 92 воздействию давления внутренней текучей среды, открывается дополнительный проход 104 притока в стопоре 94, допуская вновь проток текучей среды через замок.

Освобождение стопора 94 также допускает проход текучей среды между внутренним объемом бурового расширителя 90 и сигнальным портом 106, через который текучая среда может протекать изнутри бурового расширителя в окружающее кольцевое пространство и к резцам 108. Порты 106 полезны для очистки резцов 108, и результирующее падение противодавления, видимое, когда порты 106 открываются, также обеспечивает на поверхности индикацию, что поршень 92 включен в работу.

Последующее освобождение стопора 94, увеличивающее давление текучей среды внутри бурового расширителя посредством повышения мощности буровых насосов текучей среды, заставляет поршень 92 перемещаться вверх внутри корпуса 110 бурового расширителя, чтобы выдвинуть резцы 108, как показано на Фиг.10.

Поршень 112 фиксирования резцов расположен в верхней части корпуса 110 бурового расширителя и, как и буровой расширитель 10, описанный выше, имеет уступ 114 поршня и втулку 116. Когда поршень приводится в действие, как описано ниже, нижний конец втулки 116 имеет возможность перемещения в контакт с верхним концом втулки 118, несущей пружину, которая соединена с поршнем 92 выдвижения резцов.

Поршень 112 фиксирования резцов расположен внутри цилиндра 120, участок цилиндра 120 под поршнем 112 исходно заполнен маслом. Как более ясно показано на Фиг.13, 14 и 15, порты 122 у нижнего конца цилиндра 120 сообщаются с каналами 124, которые проходят вверх между корпусом 110 бурового расширителя и цилиндром 120. По меньшей мере, в исходном положении верхние концы каналов 124 закрыты, по существу, цилиндрическим клапаном 126, расположенным в сквозном проходном отверстии бурового расширителя. В своем первоначальном положении клапан 126 изолирует каналы 124 от портов 128, создавая сообщение между внутренним пространством корпуса 110 бурового расширителя и внешним пространством вокруг корпуса.

Если необходимо привести в действие поршень 112 фиксирования резцов, оператор сбрасывает второй шар 130 большего размера в колонну, этот шар 130 проходит через колонну и опускается внутрь клапана 126 (Фиг.14), на внутренние концы подпружиненных удерживающих штифтов 132. Результирующая сила давления на поршень 126 срезает удерживающий штифт 134, который фиксирует клапан 126 относительно корпуса 110, позволяя клапану 126 перемещаться вниз через корпус 110, пока головки штифтов 132 не пройдут круговую канавку 136, прорезанную в стенке цилиндра 120, которая позволяет штифтам 132 переместиться наружу, застопоривая клапан 126 относительно корпуса 110 и высвобождая шар 130. Как показано на Фиг.15, перемещение вниз по оси клапана 126 открывает сообщение текучей среды между каналами 124 и портами 128, позволяя вытеснять масло из цилиндра 120. Как и для первого описанного варианта осуществления изобретения, рабочая площадь поршня 112 фиксирования, заданная между уплотнениями 138, 139, является большей, чем рабочая площадь поршня 92 выдвижения, заданная между уплотнениями 140, 141. Соответственно, любое давление рабочей жидкости будет создавать большую силу на поршне 112, чем на поршне 92, так что давление текучей среды будет стремиться фиксировать резцы 108 в убранном состоянии, как показано на Фиг.11. Конечно, возвратная пружина 142 резцов будет также стремиться переместить поршень 92 для убирания резцов 108.

Как и для первого описанного варианта осуществления изобретения, в ситуации, когда резцы 108 заклиниваются в выдвинутом состоянии, возможно сбрасывание дополнительного шара 146 (Фиг.12) в колонну в гнездо 148 на нижнем конце втулки 116 поршня. Когда шар 146 успешно закрывает сквозное проходное отверстие, кольцевой поршень 112 становится круговым поршнем большой площади, обеспечивая приложение значительной силы давления на поршень 92, чтобы убрать резцы 108.

Таким образом, должно быть очевидным, что буровой расширитель 90 позволяет оператору избирательно приводить в действие буровой расширитель, выдвигая резцы 108, а затем оператор может дополнительно выбирать принудительное фиксирование резцов 108 в убранном состоянии, при вращении и прокачивании текучей среды через буровой расширитель 90 с увеличенной интенсивностью, предоставляя возможность безопасного выполнения очистки и других операций, зная, что резцы 108 бурового расширителя будут оставаться убранными.

В других вариантах осуществления изобретение может включать в себя два поршня фиксирования резцов, работающих в тандеме, как показано на Фиг.16. В этом варианте осуществления изобретения предусмотрены два поршня 212а и 212b, схема работы которых аналогична схеме работы поршня 112, описанной выше для бурового расширителя 90. Однако при открытии сообщения между каналами 224 и внешним пространством вокруг корпуса бурового расширителя сила, направленная вниз, создаваемая поршнями 212а, 212b и используемая для убирания соответствующих резцов или фиксирования резцов в убранном положении, будет в два раза большей по сравнению с силой, достижимой при одном соответствующем поршне.

На Фиг.17-22 показан буровой расширитель 310 согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения. Буровой расширитель 310 имеет многие функциональные признаки буровых расширителей 10, 90, описанных выше, при этом стопорное устройство 350 фиксирования резцов несколько отлично, как будет описано ниже.

Стопорное устройство 350 фиксирования резцов содержит три основных элемента, поршень 352 из двух частей и патрубок 353 управления притоком. Поршень 352 содержит наружную втулку 352а и внутреннюю втулку 352b. Наружная втулка 352а в исходном положении крепится относительно корпуса 314 срезным штифтом 355. Внутренняя втулка 352b расположена внутри наружной втулки 352а и первоначально крепится относительно наружной втулки 352а фиксирующими шариками 352с, которые расположены в канавке 352d по периметру окружности во внутренней втулке 352b и выступают в окна 352е в наружной втулке 352а. При этом, как будет описано, поршень 352 поступательно перемещается через корпус 314 так, что шары 352с могут перемещаться наружу в канавку 314е во внутренней поверхности корпуса 314, внутренняя втулка 352b может перемещаться вперед относительно наружной втулки 352а и застопоривать поршень 352 в положении застопоривания резцов, как показано на Фиг.22.

Патрубок 353 управления притоком крепится относительно корпуса 314 и первоначально выступает в поршень 352. Патрубок образует гнездо 353а шара и поперечные проходы 353b притока над гнездом, которые предусматривают сообщение текучей среды между внутренним объемом патрубка 353 и кольцевым объемом над поршнем 352.

При использовании инструмент 310 входит в состав бурильной колонны над буровым долотом и опускается в ствол скважины при конфигурации инструмента 310, показанной на Фиг.17 и 18. Буровое долото должно исходно использоваться для разбуривания цементной пробки и башмака обсадной колонны у нижнего конца самой нижней обсадной колонны. Должна осуществляться циркуляция буровой текучей среды через бурильную колонну и, следовательно, через буровой расширитель 310, причем это не оказывает воздействия на неработающий инструмент. Когда буровое долото проходит в ствол скважины достаточно, чтобы резцы 312 расположились за пределами конца обсадной колонны, шар 396 (Фиг.19) сбрасывается или прокачивается через колонну с поверхности и опускается в гнездо 402 в стопорном устройстве 394, который исходно изолирует поршень 392 выдвижения резцов от перепада давления, аналогично способу для бурового расширителя 90, описанного выше. Шар 396 не допускает прохода текучей среды через стопорное устройство 394, а результирующая сила перепада давления на стопорное устройство 394 срезает фиксирующий штифт 398 (Фиг.18) и перемещает стопорное устройство по оси вниз из соединения с муфтой 395 стопорного устройства, которая затем открывает поршень 392 воздействию внутреннего давления в инструменте, как показано на Фиг.19.

Стопорное устройство 394 включает в себя центральное сквозное проходное отверстие 400, содержащее гнездо 402, на которое опускается шар 396. Когда стопорное устройство 394 смещено вниз, открывая муфту 395 и подвергая поршень 392 воздействию давления внутренней текучей среды, поперечные проходы 404 притока в стопорном устройстве 394 под гнездом 402 допускают повторное протекание текучей среды через стопорное устройство 394.

Повышение давления текучей среды внутри бурового расширителя теперь заставляет поршень 392 перемещаться вверх внутри корпуса 314 бурового расширителя для выдвижения резцов 312, как показано на Фиг.20. Когда инструмент имеет такую конфигурацию, оператор может выполнять бурение и расширение ствола скважины за пределами существующей обсадной колонны.

Понижение внутреннего давления текучей среды позволяет пружине 338 возврата резцов переместить поршень 392 вниз, чтобы убрать резцы 312. Если при выполнении следующих операций бурения и расширения оператор просто желает извлечь бурильную колонну из ствола скважины, не требуется никаких дополнительных действий. Однако если оператор желает извлечь бурильную колонну, например, выполняя при этом операцию очистки, включающую в себя прокачку текучей среды через колонну с относительно высокой интенсивностью, необходимо застопорить резцы 312 в убранном состоянии, как описывается ниже.

Для того чтобы застопорить резцы 312 в убранном состоянии, оператор приводит в действие стопор 350 посредством сбрасывания или прокачки шара 380 (Фиг.21) в колонну, причем шар имеет размер, который позволяет ему опускаться в шаровое гнездо патрубка 353а. Это не допускает прохода текучей среды через патрубок 353 и поршень 352, так что поршень 352 испытывает значительную силу перепада давления текучей среды. Вдобавок, отсутствие притока вызывает уменьшение давления под поршнем 352, способствуя убиранию резцов 312, если резцы 312 по какой-то причине сопротивляются убиранию.

Эта сила срезает наружный штифт 355, фиксирующий втулку, и втулки 352а, b поршней выжимаются вниз через корпус 314, как показано на Фиг.21. Если резцы были выдвинуты, когда сбрасывался шар 380, то ведущий конец втулки 352а будет толкать конец втулки 358, соединенной с поршнем 392 выдвижения резцов, принудительно убирая лезвия 312.

Поршень 352 перемещается вниз через корпус 314, пока фиксирующие шары 352с не переместятся радиально наружу в канавку в корпусе. Внутренняя втулка 352b продолжает перемещаться относительно внешней втулки 352а, заключая шары 352с в окнах 352е между внешней поверхностью внутренней втулки и канавкой 314е в корпусе и застопоривая поршень 352 в состоянии убирания резцов.

Конечное относительное перемещение втулок 352а, b перемещает верхний конец внутренней втулки 352b за нижний конец патрубка 353, как показано на Фиг.22, восстанавливая путь притока через инструмент, через проходы притока 353b и обходя шар 380.

Оператор может теперь прокачивать текучую среду через колонну и инструмент 310 с повышенной интенсивностью, зная, что это безопасно, поскольку резцы 312 будут оставаться застопоренными в убранном состоянии.

Также специалистам в области техники должно быть ясно, что вышеописанные примеры осуществления являются просто примерами настоящего изобретения и что в нем могут выполняться различные видоизменения и усовершенствования без отхода от объема изобретения, заданного в прилагаемой формуле изобретения.