Трехшарошечный расширитель

 

Использование: в горном деле при расширении скважин. Сущность изобретения: расширитель включает корпус с осевым каналом и присоединительными резьбами, закрепленную на корпусе втулку с установленными на ней равномерно по окружности лапами с шарошками и выполненные в корпусе на уровне шарошек три промывочных сопла. Расширитель снабжен закрепленной в корпусе над лапами шарошек твердосплавной насадкой, выполненной в виде втулки, ось которой размещена в плоскости, проходящей через ось корпуса и ось одной из шарошек, и установлена с наклоном в направлении этой шарошки. Полость втулки с двух сторон сообщена с затрубным пространством и посредством выполненных в средней части втулки двух щелевидных тангенциальных каналов, ось кождого из которых наклонена под углом к оси втулки по направлению к ее выходному отверстию, - с полостью осевого канала корпуса. Ось одного из промывочных сопел размещена под углом к оси шарошки, совмещенной в одной плоскости с осью насадки. Второе и третье сопло размещены соответственно соосно с второй и третьей шарошками и выполнены каждое в виде установленного в корпусе стакана с диффузором на выходе. Полость стакана сообщена с затрубным пространством посредством диффузора, а с полостью осевого канала корпуса - посредством тангенциальных отверстий, выполненных в стенке одного из стаканов в направлении, противоположном направлению тангенциальных отверстий в другом стакане. 7 ил.

Изобретение относится к горной промышленности, в частности к устройствам для строительства скважин, а именно к породоразрушающим инструментам.

Известен трехшарошечный расширитель, включающий полый корпус, к которому присоединена втулка с тремя лапами и установленные на лапах шарошки [1] Недостатком известного устройства является то, что оно не предусматривает виброкольматацию стенок вновь образованного ствола скважины, поэтому в результате повышенной фильтрации в пласты происходит разупрочнение стенок скважины. Очистка шарошек расширителя и кольцевого забоя происходит только восходящим от долота потоком промывочной жидкости, так как не предусмотрена струйная система очистки шарошек, что необходимо для повышения скоростей бурения при разбуривании, например, глиносодержащих и карбонатных пород.

Известен также трехшарошечный расширитель, включающий корпус с осевым каналом для подачи промывочной жидкости и с присоединительными резьбами, закрепленную на корпусе втулку с установленными на ней равномерно по окружности лапами с шарошками и выполненные в корпусе на уровне шарошек три промывочных сопла [2] В этом устройстве струйная кольматация стенок скважины и очистка кольцевого забоя производится как минимум тремя соплами и все же недостаточно эффективно. Так, при струйной кольматации мягких и средних пород вначале (когда расстояние между соплами и стенкой скважины мало) происходит не только образование кольматационного экрана, но и размыв породы. Процесс создания и разрушения кольматационного экрана повторяется несколько раз, в результате чего происходит интенсивная фильтрация в пласт. Увеличение диаметра ствола скважины приводит к увеличению расстояния между соплами и стенками скважины, при этом энергии струй может быть уже недостаточно для получения надежного непроницаемого кольматационного экрана. Сопла направлены в свободные проемы, а не на шарошки, так как последнее недопустимо при применении обычного сопла, поскольку произойдет интенсивный размыв шарошки. Так как шарошки расширителя находятся на удалении друг от друга и не самоочищаются как, например, в долоте, то при разбуривании мягких и средних пород шарошки будут также при такой системе очистки постоянно замазаны горной породой.

Сущность изобретения заключается в том, что трехшарошечный расширитель снабжен закрепленной в корпусе над лапами шарошек твердосплавной насадкой, выполненной в виде втулки, ось которой размещена в плоскости, проходящей через ось корпуса и ось одной из шарошек, и установлена с наклоном в направлении этой шарошки, причем полость трубки с двух сторон сообщена с затрубным пространством и посредством выполненных в средней части трубки двух щелевидных тангенциальных каналов, ось каждого из которых наклонена под углом к оси трубки по направлению к ее выходному отверстию, с полостью осевого канала корпуса, ось одного из промывочных сопел размещена под углом к оси шарошки, совмещенной в одной плоскости с осью насадки, а второе и третье сопло размещены соответственно соосно с второй и третьей шарошками и выполнены каждый в виде установленного в корпусе стакана с диффузором на выходе, при этом полость стакана сообщена с затрубным пространством посредством диффузора, а с полостью осевого канала корпуса посредством тангенциальных отверстий, выполненных в стенке одного из стаканов в направлении, противоположном направлению тангенциальных отверстий в другом стакане.

Технический результат выражается в повышении устойчивости и снижении проницаемости стенок скважины, а также улучшении очистки кольцевого забоя и шарошек от шлама.

На фиг. 1 изображен продольный разрез трехшарошечного расширителя; на фиг.2 показано сечение по А-А на фиг.1; на фиг.3 сечение по Б-Б на фиг.1; на фиг. 4 сечение по В-В на фиг.2 (увеличенный разрез твердосплавной насадки на фиг.1); на фиг.5 взаимное расположение вихревого сопла и шарошки, вид сбоку; на фиг. 6 сечение по Г-Г на фиг.5; на фиг.7 взаимное расположение элементов трехшарошечного расширителя, вид сверху.

Трехшарошечный расширитель состоит из корпуса 1 с осевым каналом 2 и присоединительными резьбами 3 на концах. На наружной поверхности корпуса 1 в нижней ее части нарезана левая резьба 4, посредством которой закреплена втулка 5. На втулке 5 в свою очередь установлены равномерно по окружности три лапы 6 под углом 120^о друг от друга, а к каждой лапе 6 посредством замкового соединения 7 закреплена шарошка 8. Выше втулки 5 в стенках корпуса 1 наклонно выполнены сквозные отверстия 9, оси которых совпадают с осью корпуса, и нарезаны резьбы 10, куда вставлена твердосплавная насадка 11. Насадка 11 выполнена в виде втулки (трубки) 12 с двумя щелевидными тангенциальными каналами 13 и 14 в средней части с перегородкой 15 между ними. Оси тангенциальных щелевидных каналов 13 и 14 не перпендикулярны оси втулки 12, а направлены наклонно под углом γ к выходам трубки 12. Отверстия 13 и 14 ориентированы вверх, то есть навстречу потоку жидкости в осевом канале 2. Твердосплавная насадка 11 с двух сторон крепится в стенках корпуса 1 кольцевыми ввертышами 16 и поэтому полость трубки 12 с обеих сторон сообщена с затрубным пространством. При этом твердосплавная насадка 11 установлена с наклоном в направлении шарошки 8, а направление вверх совпадает с промывочным проемом 17 между лапами 5 других шарошек 8. После этого втулка 5, например, сварным швом фиксируется относительно корпуса 1. На уровне шарошки 8 выполнено горизонтальное отверстие 18 и нарезана резьба 19 под промывочное (струйное) сопло 20. Оси шарошки 8 и сопла 20 смещены в одной плоскости на определенный угол α, примерно на 30^о, по часовой стрелке. Кроме того, на уровне шарошек 8 в корпусе 1 выполнены еще два наклонных отверстия 21 и нарезаны резьбы 22 под вихревые сопла 23. Сопла 23 выполнены в виде стакана с тангенциальными входными отверстиями 24 со стороны заглушки 25, сообщающимися с полостью осевого канала 2, и диффузорами 26 на выходе, связанными с затрубным пространством. Сопла 23 установлены таким образом, что их оси совмещены с осями шарошек 8. Направление же тангенциальных отверстий 24 в стенках одного из стаканов вихревого сопла 23, пpотивоположное направлению тангенциальных отверстий 24 в другом стакане, причем исходят из того, чтобы вращение волновых импульсов в прилежащем промывочном проеме 17, над которым наклонная насадка 11 направлена вверх, было также направлено вверх, то есть совпадало с восходящим потоком.

Трехшарошечный расширитель работает следующим образом.

Трехшарошечный расширитель устанавливают между долотом и забойным двигателем. При создании циркуляции вращение вала забойного двигателя передается на долото и расширитель. Долотом формируется временный ствол скважины со сплошным забоем, а расширителем вырабатывается кольцевой забой и основной ствол скважины. Часть буровой промывочной жидкости подается к долоту, а другая через двухстроннюю насадку 11, струйное сопло 20 и вихревые сопла 23 срабатывается на расширителе.

При вращении расширителя струйное сопло 20 очищает от шлама непосредственно кольцевой забой в наименее энергоемком режиме (параллельным забою), а также струя бурового раствора уже со шламом ударяет в только что образованную стенку скважины и кольматирует ее. При этом создается каркас кольматационного экрана из наиболее крупных и приемлемых для пор пласта частиц. Кроме того, буровой раствор поступает в вихревые сопла 23 по тангенциальным отверстиям 24, где приобретает вращательное движение. В осевой зоне вращающегося раствора возникает область разряжения, заполненная парогазовой фазой. Вращательное движение неоднородной среды в вихревых камерах становится неустойчивым. На переходе в диффузоры 26 образуются режимы течения с периодической срывной кавитацией, где происходит схлопывание кавитационных полостей и генерирование при этом пульсаций давления ультразвуковой частоты. Ультразвуковое поле, создаваемое двумя вихревыми соплами 23 в зоне работы второй и третьей шарошки 8, благоприятно сказывается на виброочистке забоя, а то обстоятельство, что сопла 23 направлены непосредственно на шарошки 8, последние омываются вращающимися волновыми потоками с пониженным разрушающим воздействием. Помимо того, происходит виброкольматация стенок скважины, которая способствует более плотной упаковке в каркас кольматационной среды частиц меньших размеров. Тем самым стенки скважины не разупрочняются, поскольку фильтрат бурового раствора через практически непроницаемые стенки скважины уже не поступает в продуктивный пласт и не растворяет цементирующий материал, а кольматационный экран дополнительно упрочняет околоскважинную зону.

Каким бы прочным не был кольматационный экран все же может происходить его частичное разрушение обратными конусами шарошек 8 и лапами 6 при радиальных биениях долота. Поэтому вверху корпуса 1 расположена твердосплавная насадка 11 с двумя выходами. Буровой раствор поступает в тангенциальные каналы 13, 14 и далее внутрь трубки 12, где приобретает вращательно-поступательное движение в обе стороны. Полость под перегородкой 15 является границей между двумя потоками, а наклонное выполнение щелевидных каналов 13 и 14 способствует более четкому их разделению. По обе стороны от перегородки 15 образуются осевые цилиндрические участки кавитационного разрежения. При периодических срывах потока, вызванных неодноpодностью среды, жидкость устремляется в зону разряжения, вызывая положительный скачок давления. Затем вновь образуется вихрь с отрицательным скачком давления. Возбуждаются импульсы давления ультразвуковой частоты. Поскольку лапа 6 первой шарошки 8 сбивает восходящий поток промывочной жидкости, то волновые импульсы, исходящие из направленного вниз конца трубки 12, достигают стенки скважины и производят докольматацию. Поток жидкости, исходящий из направленного вверх конца трубки 12, создает виброэжектирующий эффект. Вихревые сопла 23 в промывочном проеме 17 усиливают восходящий поток, то есть расход жидкости со шламом через сечение неправильной формы, а как известно, с увеличением расхода жидкости увеличиваются и местные сопротивления. Поэтому, усилив восходящий поток двумя соплами 23 в одном промывочном проеме 17 без подсоса путем виброэжектирования твердосплавной насадкой 11, все же был бы достигнут только суммарный эффект по очистке забоя. Комплексное же применение двух вихревых сопл 23 и твердосплавной двухсторонней насадки 11 позволяет значительно усилить восходящий поток через один из промывочных проемов 17 между второй и третьей шарошками 8, тем самым предупредить зашламование расширителя и получить также и вместе с промывочным соплом 20 сверхсуммарный эффект очистки кольцевого забоя.

Технико-экономическая эффективность применения предлагаемого трехшарошечного расширителя с комплексом струйных, вихревых и гидродинамическо-вихревых насадок заключается в значительном повышении устойчивости и снижении проницаемости стенок скважины, а значит, повышении качества ствола. Тем самым снизится вероятность возникновения осложнений и аварий, повысится качество вскрытия продуктивных пластов. Существенное улучшение очистки кольцевого забоя позволит повысить скорость бурения.

Формула изобретения

ТРЕХШАРОШЕЧНЫЙ РАСШИРИТЕЛЬ, включающий корпус с осевым каналом для подачи промывочной жидкости и с присоединительными резьбами, закрепленную на корпусе втулку с установленными на ней равномерно по окружности лапами с шарошками и выполненные в корпусе на уровне шарошек три промывочных сопла, отличающийся тем, что он снабжен закрепленной в корпусе над лапами шарошек твердосплавной насадкой, выполненной в виде втулки, ось которой размещена в плоскости, проходящей через ось корпуса и ось одной из шарошек, и установлена с наклоном в направлении этой шарошки, причем полость втулки с двух сторон сообщена с затрубным пространством и посредством выполненных в средней части втулки двух щелевидных тангенциальных каналов, ось каждого из которых наклонена под углом к оси втулки по направлению к ее выходному отверстию - с полостью осевого канала корпуса, ось одного из промывочных сопл размещена под углом к оси шарошки, совмещенной в одной плоскости с осью насадки, а второе и третье сопла размещены соответственно соосно с второй и третьей шарошками и выполнены каждое в виде установленного в корпусе стакана с диффузором на выходе, при этом полость стакана сообщена с затрубным пространством посредством диффузора, а с полостью осевого канала корпуса - посредством тангенциальных отверстий, выполненных в стенке одного из стаканов в направлении, противоположном направлению тангенциальных отверстий в другом стакане.

РИСУНКИ

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