Буровой инструмент для расширения скважин

 

Использование: в горном деле, конкретно в конструкции инструмента для расширения скважин. Сущность изобретения: инструмент включает корпус с осевым каналом и средством для соединения с набором бурильных труб и закрепленные на корпусе перпендикулярно его оси верхний и нижний фланцы. Между фланцами расположены с возможностью поворота вокруг оси лопасти с породоразрушающими резцами и имеются направляющие элементы для лопастей в виде канавок и перемещающихся в них штифтов. Инструмент содержит привод для поворота лопастей в рабочее и транспортное положения в виде подпружиненного поршня, установленного в осевом канале корпуса с возможностью перемещения в осевом направлении и кинематически связанного с лопастями, имеющими промывочные отверстия с соплами для очистки забоя расширения скважины. Лопасти выполнены в виде пластины, изогнутой по винтовой спирали, расположенной вокруг поверхности корпуса, и шарнирно закреплены на нижней фланце с возможностью поворота вокруг оси, параллельной оси вращения инструмента. Канавка направляющего элемента выполнена на верхнем фланце, а штифт направляющего элемента закреплен на верхней части лопасти. Поршень привода лопастей зафиксирован от проворота относительно корпуса. 11 з. п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к горной промышленности, а именно к буровому инструменту для расширения скважин.

Известен буровой инструмент для расширения скважин [1] включающий цилиндрический корпус с осевым каналом и средством для подсоединения к набору бурильных труб, закрепленные на корпусе перпендикулярно его оси верхний и нижний фланцы, между которыми размещены с возможностью поворота на осях оснащенные породоразрушающими резцами лопасти, направляющие элементы для лопастей в виде каналов и установленных в них с возможностью перемещения штифтов, привод поворота лопастей в рабочее и транспортное положения в виде установленного в осевом канале корпуса с возможностью поступательного перемещения и кинематически связанного с лопастями подпружиненного поршня и установленные в промывочных отверстиях сопла для очистки забоя расширения скважины.

Указанный буровой инструмент наиболее близок к предложенному и принимается в качестве прототипа.

К недостаткам прототипа следует отнести невысокую надежность инструмента в работе, обусловленную тем, что при раскрытии лопастей необходимо прилагать большие усилия на поршне, которые затем передаются от поршня к лопасти посредством единственного зуба, а также неправильная форма расширенной части скважины и неточность полученного диаметра. Кроме того инструмент страдает от недостатка боковой устойчивости и недостаточной жесткости лопасти.

Целью изобретения является устранение вышеприведенных недостатков прототипа.

Цель достигается тем, что в буровом инструменте, включающем цилиндрический корпус с осевым каналом и средством для подсоединения к набору бурильных труб, закрепленные на корпусе перпендикулярно его оси верхний и нижний фланцы, между которыми размещены с возможностью поворота на осях оснащенные породоразрушающими резцами лопасти, направляющие элементы для лопастей в виде канавок и установленных в них штифтов с возможностью перемещения вдоль канавки, привод поворота лопастей в рабочее и транспортное положения в виде установленного в осевом канале корпуса с возможностью поступательного перемещения и кинематически связанного с лопастями подпружиненного поршня и установленные в промывочных отверстиях сопла для очистки забоя расширения скважины, лопасти выполнены в виде пластины, изогнутой по винтовой спирали, расположенной вокруг цилиндрической поверхности корпуса и шарнирно закрепленной на нижнем фланце с возможностью поворота вокруг его оси, параллельной оси вращения инструмента, при этом канавка направляющего элемента выполнена на верхнем фланце, штифт направляющего элемента закреплен на верхнем конце лопасти, а поршень привода лопастей зафиксирован от проворота относительно корпуса.

Кроме того канавка на верхнем фланце выполнена по круговой траектории радиусом, центр которого находится на оси поворота лопасти.

Кроме того канавка имеет вписанный угол от 2 до 90^о, предпочтительно от 20 до 60^о.

Кроме того инструмент содержит от двух до шести лопастей, расположенных на pавном угловом и радиальном расстояниях вокруг продольной оси корпуса.

Кроме того каждая лопасть выполнена в форме спирали с переменным шагом, простирающейся по дуге около 200^о вокруг корпуса.

Кроме того инструмент снабжен комплектом веpхних и нижних фланцев, канавки которых отличаются величиной радиуса и величиной угла.

Кроме того кинематическая связь между поршнем и лопастями выполнена в виде косозубой цилиндрической передачи с углом наклона зубьев от 3 до 30^о, выполненных на поршне, на шестерне, установленной в корпусе и имеющей ось, параллельную оси корпуса, и на внутренней поверхности кольца, установленного коаксиально корпусу.

Кроме того кинематическая связь между кольцом и лопастями выполнена в виде зубьев, образованных на наружной поверхности кольца и на лопастях.

Кроме того наружная поверхность каждой лопасти выполнена из нижней части, оснащенной породоразрушающими резцами для расширения скважины, средней части, все точки которой расположены на одинаковом расстоянии от оси корпуса и предназначены для стабилизации инструмента в скважине, при этом резцы этой части расположены вдоль прямых линий или спирали с постоянным шагом, а вертикальный участок снабжен противоизнашивающимся слоем, и верхней части, диаметр которой увеличивается от вершины к основанию.

Кроме того каждая из лопастей включает вертикальную часть.

Кроме того лопасти имеют сопла по крайней мере на одной из своих боковых поверхностей.

На фиг. 1 изображен предложенный инструмент со сложенными лопастями в транспортном положении; на фиг. 2 то же, с раскрытыми лопастями в рабочем положении; на фиг. 3 механизм раскрытия лопастей в транспортном положении инструмента; на фиг. 4 сечение А-А на фиг.3; на фиг.5 механизм раскрытия лопастей в рабочем положении; на фиг.6 поперечное сечение предложенного инструмента с раскрытыми лопастями; на фиг.7 верхний фланец инструмента с направляющими элементами для лопастей; на фиг.8 вид инструмента в перспективе с двумя комплектами лопастей, размещенных друг над другом; Буровой инструмент 1 (фиг. 1) включает цилиндрический корпус 2 и ряд лопастей 3, размещенных между нижним 4 и верхним 5 фланцами, закрепленными на корпусе. Лопасти 3 установлены на равном угловом и радиальном расстояниях от продольной оси корпуса и оснащены породоразрушающими резцами 6. Инструмент может содержать от двух до шести лопастей. Каждая изогнутая лопасть имеет, например, форму винтовой спирали с переменным шагом и простиpается по дуге до 200^о вокруг корпуса. Лопасти выполнены идентичными, имеют один и тот же диаметр спирали, квадратное или прямоугольное поперечное сечение и установлены с возможностью поворота на оси 7, размещенной в нижнем фланце. Каждая из лопастей имеет режущую кромку 8, посредством которой лопасть контактирует со стенкой скважины, образуя забой расширения.

На верхней части лопасти имеется штифт 9, а во фланце 5 установлено кольцо 10.

Механизм 11 раскрытия лопастей содержит кольцо 10 с выполненными на его внутренней поверхности зубьями 12 и зубьями 13, выполненными на наружной поверхности этого кольца. Зубья 13 входят в зацепление с зубьями, выполненными на лопастях (фиг.4).

Зубья 12 входят в зацепление с зубчатой шестерней 14, ось вращения которой параллельна оси вращения инструмента.

В механизм 11 раскрытия лопастей входит также невращающийся (зафиксированный от проворота) поршень 15 с выполненными на нем зубьями 16. Зубья 16 на поршне, зубья шестерни 14 и зубья 12 на внутренней поверхности кольца 10 имеют угол наклона от 3 до 30^о.

Фланец 5 имеет канавки 17 (фиг.7), в которых с возможностью перемещения размещены штифты 9 лопастей, при этом инструмент может быть снабжен комплектом фланцев 4 и 5 различного по величине диаметра, а в каждом фланце 5 комплекта канавка 17 выполнена различным по величине радиусом и различной величиной вписанного угла, так что буровой инструмент может иметь диаметр, изменяющийся в пределах определенного интервала.

В варианте осуществления изобретения наружная поверхность каждой лопасти состоит из трех частей: нижней режущей части 18, имеющей режущую кромку 8 и режущие (породоразрушающие) элементы (резцы 6), размещенные вдоль каждой из режущих кромок 8 согласно такого порядка, при котором набор элементов полностью накрывает основание скважины (забой), а каждый в отдельности элемент перекрывает бороздку от предшествующего элемента; средней части 19, все точки которой расположены на равном расстоянии от оси буровой скважины. Преимущественно это прямая часть или спираль с постоянным шагом, угол наклона которой может достигать до 35^о, а вертикальная часть имеет износостойкое покрытие. Средняя часть полностью вписана по своей высоте в окружность, диаметр которой соответствует расширенной скважине, при этом средняя часть предохраняет или ограничивает любое поперечное движение бурового инструмента относительно оси скважины, являясь своего рода стабилизатором диаметра; верхней части 20, которая имеет диаметр, увеличивающийся от вершины к основанию, и которая может производить бурение в верхнем направлении таким образом, чтобы поднять инструмент, если он заклинит или отклонится.

Длина режущей кромки 8 лопасти определяет величину производительности инструмента и, среди прочих параметров, скорость резания и долговечность инструмента.

Центральный канал 21, выполненный в корпусе 2, сообщен с каналом 22, выполненным во фланце 4, и с каналом 23, выполненным в лопасти 3 и имеющим сопла 24. На стыке каналов 22 и 23 имеются сальники 25. Сопла 24 каждой лопасти размещены на боковой поверхности 26 и направлены к режущим элементам смежных лопастей.

Поршень 15 имеет шток 27, при этом зубья 16 выполнены на всей длине штока для обеспечения необходимого по величине угла поворота шестерни 14, кольца 10 и лопасти 3.

Оси 7 поворота лопастей размещены в отверстиях 28, выполненных в нижнем фланце 4. На корпусе 2 имеются резьбовые замки 29 или другие средства для подсоединения инструмента к набору бурильных труб.

На фиг.8 показан расширитель двойного действия из двух буровых инструментов 1, разделенных воротником 30 бура. Первому инструменту предшествует, например, долото для бурения, имеющее набор резцов 31.

Канавка 17, выполненная во фланце 5 в виде дуги окружности (фиг.7), имеет вписанный угол, находящийся в пределах от 2 до 90^о.

Работает предложенный инструмент для расширения скважин следующим образом.

Закрепленный в колонне бурильных труб посредством резьбовых замков 29 инструмент опускают в скважину, при этом в нерабочем положении лопасти находятся в сложенном виде (фиг. 1) и не выступают за диаметральные габариты фланцев 4 и 5.

При достижении заданного интервала расширения спуск инструмента прекращают и начинают его вращение, направленное в сторону режущих кромок 8 лопастей. Одновременно по каналу колонны бурильных труб подают промывочную жидкость (буровой раствор) под давлением, достаточным для смещения поршня 15 вниз и сжатия подпоршневой пружины (не показана). При перемещении поршня 15 вниз его шток 27 также перемещается вниз без вращения в устойчивое нижнее положение и выполненные под углом к продольной оси штока зубья 16 начинают вращение шестерни 14 (фиг.4) и кольца 10, которое посредством своих наружных зубьев 13 связано с зубьями лопастей.

Лопасти начинают свой поворот на осях 7, при этом штифты 8, закрепленные на верхних концах лопастей, перемещаются по канавкам 17, выполненным во фланце 5. При повороте лопастей диаметр расширителя увеличивается выдвижением лопастей за габариты фланцев (фиг.6). Резцы 6 лопастей, контактируя под осевой нагрузкой со стенками пилот-скважины, разрушают забой расширения.

Промывочная жидкость через каналы 21, 22, 23 поступает в сопло 24, направленное в сторону режущей кромки следом идущей лопасти, омывая резцы 6 и забой скважины (фиг.2).

По окончании процесса расширения давление промывочной жидкости снижают, пружина начинает перемещать шток 27 в исходное положение, поворачивая лопасти через механизм их раскрытия (кольцо 10 и шестерню 14) в обратном направлении, размещая их на цилиндрической поверхности корпуса. Таким образом расширитель автоматически складывается, после чего он может быть извлечен из скважины или перемещен на следующий интервал расширения.

Предложенный инструмент может быть использован также при однофазном бурении скважины, т. е. одновременно с проходкой пилот-скважины долотом любой конструкции, а также место эксцентрикового или отводного инструмента расширения скважины.

Посредством подбора сменных лопастей и фланцев инструмент может работать успешно и в качестве стабилизатора.

В предложенном инструменте степень раскрытия лопастей, т.е. диаметр расширения скважины, взаимосвязана с величиной давления промывочной жидкости. При одной и той же рабочей характеристике пружины поршня величиной давления промывочной жидкости можно произвести измерение диаметра скважины, а также калибровку или градуировку стенок скважины.

Конструкция предложенного расширителя при соответствующих размерах его выполнения позволяет также проходку скважин большого диаметра.

Формула изобретения

1. БУРОВОЙ ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ РАСШИРЕНИЯ СКВАЖИН, включающий цилиндрический корпус с осевым каналом и средством для соединения с набором бурильных труб, закрепленные на корпусе перпендикулярно к его оси верхний и нижний фланцы, между которыми размещены с возможностью поворота на осях оснащенные породоразрушающими резцами лопасти, направляющие элементы для лопастей в виде канавок и установленных в них с возможностью перемещения штифтов, привод поворота лопастей в рабочее и транспортное положение в виде установленного в осевом канале корпуса с возможностью осевого перемещения и кинематически связанного с лопастями подпружиненного поршня и установленные в промывочных отверстиях сопла для очистки забоя расширения скважины, отличающийся тем, что лопасти вокруг цилиндрической поверхности корпуса и шарнирно закрепленной на нижнем фланце с возможностью поворота вокруг его оси, параллельной оси вращения инструмента, при этом канавка направляющего элемента выполнена на верхнем фланце, штифт направляющего элемента закреплен на верхнем конце лопасти, а поршень привода лопастей зафиксированы от поворота относительно корпуса.

2. Инструмент по п.1, отличающийся тем, что канавка на верхнем фланце выполнена по круговой траектории радиусом, центр которого находится на оси поворота лопасти.

3. Инструмент по п.1, отличающийся тем, что канавка имеет вписанный угол 2 90^o, предпочтительно 20 60^o.

4. Инструмент по п.1, отличающийся тем, что он содержит от двух до шести лопастей, расположенных на равном угловом и радиальном расстоянии вокруг продольной оси корпуса.

5. Инструмент по пп.1 4, отличающийся тем, что каждая лопасть выполнена в форме спирали с переменным шагом, простирающейся по дуге около 200^o вокруг корпуса.

6. Инструмент по пп.1 5, отличающийся тем, что лопасти выполнены взаимозаменяемыми.

7. Инструмент по пп. 1 6, отличающийся тем, что он снабжен комплектом верхних и нижних фланцев, канавки которых отличаются величиной радиуса и величиной вписанного угла.

8. Инструмент по п.1, отличающийся тем, что кинематическая связь между поршнем и лопастями выполнена в виде косозубой цилиндрической передачи с углом наклона зубьев 3 30^o, выполненных на поршне, на шестерне, установленной в корпусе и имеющей ось, параллельную оси корпуса, и на внутренней поверхности кольца, установленного коаксиально корпусу.

9. Инструмент по п.8, отличающийся тем, что кинематическая связь между кольцом и лопастями выполнена в виде зубьев, образованных на наружной поверхности кольца и на лопастях.

10. Инструмент по пп.1 9, отличающийся тем, что наружная поверхность каждой лопасти выполнена из нижней части, оснащенной породоразрушающими резцами для расширения скважины, средней части, все точки которой расположены на одинаковом расстоянии от оси корпуса и предназначены для стабилизации инструмента в скважине, при этом резцы этой части расположены вдоль прямых линий или спирали с постоянным шагом, угол наклона которой достигает 35^o, а вертикальный участок снабжен противоизнашивающимися слоем, и верхней части, диаметр которой увеличивается от вершины к основанию.

11. Инструмент по любому из пп.1 10, отличающийся тем, что каждая из лопастей включает в себя вертикальную часть.

12. Инструмент по любому из пп.1 11, отличающийся тем, что лопасти имеют сопла по крайней мере на одной из своих боковых поверхностей.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8