RU2674044C1

RU2674044C1 - Well bore expander

Info

Publication number: RU2674044C1
Application number: RU2017140163A
Authority: RU
Inventors: Борис Михайлович Романов; Нафис Ягфарович Тимкин; Вячеслав Геннадьевич Подножкин; Раис Нафисович Уразгильдин
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Перекрыватель" (ООО "Перекрыватель")
Priority date: 2017-11-17
Filing date: 2017-11-17
Publication date: 2018-12-04

Abstract

FIELD: oil and gas industry.

SUBSTANCE: invention relates to the field of oil and gas industry, in particular to the construction of oil and gas wells and can be used to increase the diameter of the wellbore in a given interval. Expander includes a housing with a central channel and connecting threads at the ends, a hydraulic chamber with an annular piston installed inside, dies with cutting elements installed in inclined grooves, a means of turning the piston relative to the housing, side holes for supplying the working fluid to the hydraulic chamber and the fitting nozzle to create a pressure drop in the hydrochamber. Lower end of the body is provided with a tip with an additional nesting attachment installed in the side channel, made at an angle upwards. Tail part of the tip is made in the form of a cylinder with an inner annular stepwise bore, forming a hydraulic chamber with an outer wall of the housing, communicated with the central channel. To fix the position of the dies relative to the body, a tubular guide with longitudinal windows with dies installed in them with the possibility of their free passage is installed concentrically with it. Lower end of the guide on the thread is connected to the piston and fixed with a key, fixed to the piston with screws, installed in one of the spline-like grooves made along its entire perimeter. Guide is provided with stepped stops, fastened with screws, and preventing the guide and the associated piston from turning against the housing, while the upper ends of the stops are at the same time the supporting surface for the dies. Piston is provided with a return spring installed between the guide and the stepped bore of the housing.

EFFECT: simplified design, manufacturing and operation, increasing the life of the expander, the possibility of regulation in the direction of increasing or decreasing the diameter of the wellbore.

1 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к области нефтегазовой промышленности, в частности к строительству нефтяных и газовых скважин и может найти применение для увеличения диаметра ствола скважины в заданном интервале.The invention relates to the field of the oil and gas industry, in particular to the construction of oil and gas wells and may find application for increasing the diameter of the wellbore in a given interval.

Известен расширитель скважины (см. патент RU №2117747, МПК Е21В 7/28, опубл. 20.08.1998 г., бюл. №23), включающий полый корпус с внутренним выступом и радиальными отверстиями, в которых установлены выдвижные шарошки с хвостовиками, размещенный в полости корпуса с фиксацией от проворота кольцевой поршень с боковым отверстием, верхним и нижним упорами на наружной поверхности и средством подсоединения к бурильной колонне, цилиндр, соединенный с корпусом и образующий с кольцевым поршнем гидравлическую камеру, сообщенную его боковым отверстием с полостью корпуса, установленный в кольцевом поршне с возможностью взаимодействия с хвостовиками шарошек и внутренним выступом корпуса фиксатор и устройство для стопорения шарошек в нерабочем положении, содержащее дополнительный кольцевой поршень, расположенный в гидрокамере расширителя. При>том устройство для стопорения шарошек в нерабочем положении выполнено в виде радиально подпружиненных кольцевых сегментов, расположенных в наружных пазах кольцевого поршня, и ответных этим сегментам углублений в цилиндре, причем дополнительный кольцевой поршень размещен в гидрокамере ниже бокового отверстия основного поршня, а между дополнительным поршнем и кольцевыми сегментами устройства стопорения шарошек установлен толкатель для вывода сегментов из зацепления с цилиндром расширителя, а дополнительный кольцевой поршень выполнен в виде самоуплотняющейся манжеты из эластичного материала, имеющей опорную шайбу в виде кольцевых сегментов, прикрепленных к ее торцевой поверхности.Known well extender (see patent RU No. 2117747, IPC ЕВВ 7/28, publ. 08/20/1998, bull. No. 23), comprising a hollow body with an internal protrusion and radial holes in which retractable cones with shanks are installed, in the cavity of the casing with rotation locking, an annular piston with a side hole, upper and lower stops on the outer surface and means for connecting to the drill string, a cylinder connected to the casing and forming a hydraulic chamber with the annular piston, communicated by its side opening with a cavity to rpusa mounted in the annular piston to engage the shank cutters and inner lug retainer body and a device for locking the cutters in inoperative position, comprising a further annular piston located in gidrokamere expander. Moreover, the device for locking the cones in the idle position is made in the form of radially spring-loaded annular segments located in the outer grooves of the annular piston and corresponding to the recesses in the cylinder corresponding to these segments, the additional annular piston located in the hydraulic chamber below the side hole of the main piston, and between the additional piston and a ring for installing the segments out of engagement with the expander’s cylinder, and an additional annular piston It is filled in the form of a self-sealing cuff made of an elastic material having a supporting washer in the form of annular segments attached to its end surface.

Также известен расширитель скважины (см. патент RU №2172385, МПК Е21В 7/28, опубл. 20.08.2001 г., бюл. №23), содержащий корпус с наклонными пазами и размещенным в нем штоком, поршень, взаимодействующий со штоком, и закрепленные в наклонных пазах корпуса лапы с цапфами, на которых установлены шарошки с зубками, размещенными с различным шагом. Лапы снабжены опорами, соединенными посредством тяг с поршнем и имеющими отверстия, в которых расположены свободные концы цапф лап, а поршень выполнен кольцевым и размещен в камере, образованной наружной стенкой штока и внутренней стенкой корпуса, при этом тяги поршня выполнены двухзвенными и соединены с опорами лап шарнирно.A well expander is also known (see patent RU No. 2172385, IPC ЕВВ 7/28, published on 08.20.2001, bull. No. 23), comprising a housing with inclined grooves and a rod located in it, a piston interacting with the rod, and paws with trunnions fixed in inclined grooves of the hull body, on which cones with teeth placed at different pitch are mounted. The legs are equipped with supports connected by means of rods to the piston and having holes in which the free ends of the legs of the legs are located, and the piston is annular and placed in a chamber formed by the outer wall of the stem and the inner wall of the housing, while the piston rods are double-link and connected to the supports of the legs articulated.

Общим недостатком выше указанных расширителей является сложность конструкции, что снижает надежность их в работе. Как показала практика, при использовании их в промысловых условиях были случаи заклинивание и поломки элементов связи расширителя, следовательно они нуждаются в совершенствовании конструкции.A common drawback of the above expanders is the design complexity, which reduces their reliability in operation. As practice has shown, when using them in the field there were cases of jamming and breakdown of the expander's communication elements, therefore they need to be improved in design.

Известен расширитель скважины (см. патент на п/м №63840, МПК Е21В 7/28, опубл. 10.06.2007 г., бюл. №16), включающий корпус с центральным каналом и присоединительной резьбой на нижнем конце, гидрокамеру с установленным внутри кольцевым поршнем, плашки с режущими элементами, установленные в наклонных пазах, средство от проворота поршня относительно корпуса, ограничительные уступы, выполненные в корпусе и поршне, для хода поршня вверх в заданном интервале, боковые отверстия для подвода рабочей жидкости в гидрокамеру, и штуцирующая насадка для создания перепада давления в гидрокамере.A well extender is known (see patent for subway No. 63840, IPC ЕВВ 7/28, publ. 06/10/2007, bull. No. 16), comprising a housing with a central channel and a connecting thread at the lower end, a pressure chamber installed inside annular piston, dies with cutting elements mounted in inclined grooves, means for turning the piston relative to the housing, restrictive steps made in the housing and piston for upward movement of the piston in a predetermined interval, side openings for supplying the working fluid to the hydraulic chamber, and a nozzle for create ne epada pressure gidrokamere.

Данный расширитель по технической сущности более близок к предлагаемому и может быть принят в качестве прототипа.This extender in technical essence is closer to the proposed and can be adopted as a prototype.

Недостатком известного расширителя является сложность конструкции и не технологичность изготовления. Кроме того в нем не предусмотрен механизм принудительного возврата плашек в транспортное положение, что снижает надежность работы расширителя, в нем также отсутствует возможность регулирования выхода плашек в рабочее положение в зависимости от диаметра скважины, что усложняет настройку его на определенный размер, вызывающий необходимость дополнительной механической обработки. Наклонные пазы в виде ласточкиного хвоста поршня и плашки не защищены от действия агрессивной среды - тяжелого бурового раствора, поскольку они сообщены с каналом подачи бурового раствора.A disadvantage of the known expander is the complexity of the design and not manufacturability. In addition, it does not provide a mechanism for the forced return of the dies to the transport position, which reduces the reliability of the expander, it also lacks the ability to control the exit of the dies into the working position depending on the diameter of the well, which complicates its adjustment to a certain size, which necessitates additional mechanical processing . Inclined grooves in the form of a dovetail of the piston and ram are not protected from the action of an aggressive medium - heavy drilling fluid, since they are in communication with the drilling fluid supply channel.

Технической задачей изобретения является устранение выше отмеченных недостатков прототипа.An object of the invention is to eliminate the above noted disadvantages of the prototype.

Поставленная техническая задача решается описываемым расширителем ствола скважины, включающим корпус с центральным каналом и присоединительной резьбой на нижнем конце, гидрокамеру с установленным внутри кольцевым поршнем, плашки с режущими элементами, установленными в наклонных пазах, средство от проворота поршня относительно корпуса, боковые отверстия для подвода рабочей жидкости в гидрокамеру и штудирующую насадку для создания перепада давления в гидрокамере.The stated technical problem is solved by the described borehole extender, comprising a housing with a central channel and a connecting thread at the lower end, a hydraulic chamber with an annular piston installed inside, dies with cutting elements installed in inclined grooves, means for turning the piston relative to the housing, side holes for supplying a working liquids in a hydro chamber and a study nozzle to create a differential pressure in a hydro chamber.

Новым является то, что нижний конец корпуса снабжен наконечником с дополнительной штудирующей насадкой, установленной в боковом канале, выполненном под углом вверх, при этом хвостовая часть наконечника выполнена в виде цилиндра с внутренней кольцевой ступенчато выполненной расточкой, образующей гидравлическую камеру с наружной стенкой корпуса, сообщенную с центральным каналом, для фиксирования положения плашек относительно корпуса, концентрично ему установлена трубчатая направляющая с продольно выполненными окнами с установленными в них плашками с возможностью их свободного прохода, нижним концом направляющая на резьбе соединена с поршнем и зафиксирована шпонкой, закрепляемой к поршню винтами, установленной в одном из шлицеообразно выполненных пазах, выполненных по всему ее периметру, при этом направляющая снабжена ступенчато выполненными упорами, закрепленными винтами, и предотвращающими проворот направляющей и связанного с ней поршня относительно корпуса, при этом верхние торцы упоров одновременно являются опорной поверхностью для плашек, а поршень снабжен возвратной пружиной, установленной между направляющей и ступенчато выполненной расточкой корпуса.New is the fact that the lower end of the housing is equipped with a tip with an additional probe nozzle installed in the side channel, made at an angle upward, while the tail of the tip is made in the form of a cylinder with an internal annular stepwise boring, forming a hydraulic chamber with the outer wall of the housing, communicated with a central channel, for fixing the position of the dies relative to the housing, a tubular guide with longitudinally made windows with installed they have dies with the possibility of their free passage, the lower end of the guide on the thread is connected to the piston and fixed with a key, fixed to the piston with screws, installed in one of the grooves made spline-like grooves made along its entire perimeter, while the guide is equipped with stepwise made stops, fixed screws , and preventing the rotation of the guide and the associated piston relative to the housing, while the upper ends of the stops are simultaneously the supporting surface for the dies, and the piston is equipped with a return spring mounted between the guide and the stepwise boring of the housing.

Анализ известных технических решений в данной области техники, проведенных по патентному фонду института ТатНИПИнефть с целью определения технического уровня ретроспективностью 20 лет показал, что заявляемое техническое решение имеет признаки, которые отсутствуют в аналогах, а их использование, в заявляемой совокупности существенных признаков, позволяет получить новый технический результат, заключающийся в повышении надежности работы расширителя и в увеличении его долговечности, в упрощении его конструкции и технологии изготовления. Следовательно, можно предположить, что заявляемое техническое решение соответствует условиям патентоспособности «новизна» и, по нашему мнению, критерию «изобретательский уровень».An analysis of well-known technical solutions in this technical field carried out according to the patent fund of the TatNIPIneft Institute in order to determine the technical level with a retrospective of 20 years has shown that the claimed technical solution has features that are not in the analogues, and their use, in the claimed combination of essential features, allows to obtain a new technical result, which consists in increasing the reliability of the expander and in increasing its durability, in simplifying its design and manufacturing technology . Therefore, we can assume that the claimed technical solution meets the conditions of patentability "novelty" and, in our opinion, the criterion of "inventive step".

Представленные рисунки поясняют суть изобретения, где на фиг. 1 изображен предлагаемый расширитель ствола скважины, где видны корпус, плашки, направляющая с окнами, упор для плашек, шпонка, наконечник, гидрокамера с поршнем, а также пружина для возврата поршня в исходное положение, в частичном продольном разрезе.The presented drawings explain the essence of the invention, where in FIG. 1 shows the proposed borehole extender, where the housing, dies, a guide with windows, an emphasis for dies, a dowel, a tip, a hydraulic chamber with a piston, and also a spring to return the piston to its original position, in a partial longitudinal section, are visible.

На фиг. 2 то же, что на фиг. 1, когда расширитель и рабочем положении, при котором поршень занял крайнее верхнее положение, а вылет плашек из окон направляющей максимальный, в частичном продольном разрезе.In FIG. 2 is the same as in FIG. 1, when the expander and the working position, in which the piston has taken its highest position, and the dies out of the guide windows are maximum, in a partial longitudinal section.

На фиг. 3 - сечение по А-А по фиг. 1, когда плашки находятся в исходном положении, при этом они расположены в пределах оконных проемов направляющей.In FIG. 3 is a section along AA in FIG. 1, when the dies are in the initial position, while they are located within the window openings of the guide.

На фиг. 4 - сечение по Б-Б по фиг. 2, когда плашки находятся в рабочем положении, при котором они максимально выдвинуты наружу из оконных проемов направляющей.In FIG. 4 is a section along BB in FIG. 2, when the dies are in the working position, in which they are maximally extended outward from the window openings of the guide.

На фиг. 5 - сечение по В-В по фиг. 2, где видны корпус, шпонка, закрепленная к поршню.In FIG. 5 is a section along BB in FIG. 2, where the housing is visible, a key attached to the piston.

Расширитель ствола скважины содержит корпус 1 (см. на фиг. 1 и 2) центральным и боковым каналами 2 и 3 соответственно, кольцевым выступом 4, и присоединительными резьбами 5 и 6 на концах, верхняя резьба 5 из которых выполнена замкового типа для присоединения к колонне труб для спуска расширителя в скважину в интервал расширения ее ствола, а к нижней резьбе 6 присоединен наконечника 7 с внутренней кольцевой расточкой в хвостовой части 8, со штуцером 9 в выходном отверстии и дополнительными штуцирующими насадками 10, установленными под углом выполненных боковых каналах 11, предназначенных для быстрой эвакуации бурового раствора вверх со шламами после промывания рабочих поверхностей с породоразрушающими зубками плашек 12 (зубки на фиг. не изображены) в процессе расширения ствола скважины. Плашки установлены в наклонно расположенных пазах 13, выполненных в виде ласточкиного хвоста 14 (см. фиг. 3), в верхней части корпуса 1. Для фиксирования положения плашек в продольном направлении концентрично корпусу установлена трубчатая направляющая 15 с продольно выполненными окнами 16 с установленными и с возможностью свободного прохода плашек 12. Направляющая нижним концом на резьбе соединена с поршнем 17 и зафиксирована, закрепляемой к поршню винтами 18, шпонкой 19, установленной в одном из шлицеообразно выполненных пазах 20, выполненных по всему ее периметру. Поршень установлен в гидравлической камере 21, образованной внутренней ступенчато выполненной кольцевой расточкой в хвостовой части 8 наконечника 7 и наружной стенкой корпуса 1 и сообщена с боковым каналом 3 в нижней части. Верхний конец поршня подпружинен возвратной пружиной 22, упирающейся на кольцевой выступ 4 корпуса. Направляющая 15 снабжена, закрепленными винтами 23, ступенчато выполненными упорами 24, предотвращающими проворот направляющей и связанного с ней поршня 17, верхние торцы которых одновременно являющимися опорной поверхностью для плашек (см. на фиг. 1 и 2).The wellbore extender comprises a housing 1 (see in FIGS. 1 and 2) with central and lateral channels 2 and 3, respectively, an annular protrusion 4, and connecting threads 5 and 6 at the ends, the upper thread 5 of which is made of a lock type for connection to the column pipes for lowering the expander into the well in the interval of expansion of its trunk, and a tip 7 with an internal annular bore in the tail portion 8, with a fitting 9 in the outlet and additional nozzles 10 mounted at an angle is connected to the lower thread 6 s side ducts 11 intended for quick evacuation of the mud upwards with slurry after washing work surfaces with rock cutting teeth dies 12 (teeth in Fig. not shown) in the process of expanding the wellbore. The dies are installed in oblique grooves 13, made in the form of a dovetail 14 (see Fig. 3), in the upper part of the housing 1. To fix the position of the dies in the longitudinal direction concentric to the housing, a tubular guide 15 is installed with longitudinally made windows 16 installed and with the possibility of free passage of the dies 12. The guide with the lower end on the thread is connected to the piston 17 and fixed, fixed to the piston with screws 18, a key 19 installed in one of the grooves 20 made in the spline-like manner, made in to her perimeter. The piston is installed in the hydraulic chamber 21, formed by an internal stepwise made annular bore in the rear part 8 of the tip 7 and the outer wall of the housing 1 and is in communication with the side channel 3 in the lower part. The upper end of the piston is spring-loaded with a return spring 22 abutting against the annular protrusion 4 of the housing. The guide 15 is equipped with fixed screws 23, stepwise made stops 24, preventing the rotation of the guide and the associated piston 17, the upper ends of which are simultaneously a supporting surface for the dies (see in Fig. 1 and 2).

Расширитель работает следующим образом.The expander works as follows.

Его опускают в скважину в собранном виде (см. фиг. 1) на заданную глубину, на колонне бурильных труб, присоединив с помощью замковой резьбы 4 муфтовой части корпуса 1. При достижении расширителя необходимой глубины колонну бурильных труб ротором буровой установки начинают вращать с одновременной подачей бурового раствора (далее - жидкость) насосным агрегатом под избыточным давлением (ротор и насосный агрегат на фиг. не изображены). При этом часть жидкости через штуцирующие насадки 9 и 10 попадает в скважину, а часть через боковое отверстие 3 корпуса 1 попадает в гидравлическую камеру 21 - в подпоршневую полость. Благодаря наличию штуцирующих насадок внутри колонны, следовательно, и в гидравлической камере давление повышается, в результате чего поршень 17 с направляющей 15 начинают перемещаться вверх, сжимая возвратную пружину 22. При этом платки 12 под действием направляющей и ее упора 24 одновременно начинают перемещаться вверх по наклонным пазам 13 корпуса 1, постепенно выдвигаясь наружу из окон 16 направляющей 15, достигают стенки скважины. Далее продолжают прорабатывать стенку скважины без подачи инструмента вниз до полного выхода плашек из окон направляющей. При этом поршень, достигая верхней расчетной точки своим уступом А упирается на выступ Б корпуса, дальнейшее его движение прекращается, прекращается и сжатие пружины 22, а плашки в это время рабочей частью, полностью выходя из окон 16 направляющей 15 занимают рабочее положение (см. фиг. 2). Затем подачей бурильной колонны вниз продолжают операцию расширения ствола скважины до завершения расчетного интервала, после чего нагнетание жидкости прекращают. При этом возвратная пружина 22 возвращает поршень в исходное положение, опуская его вниз до упора об уступ Г наконечника 7, а направляющая 15 одновременно приводит плашки в транспортное положение, как это изображено на фиг. 1. Расширитель готов к подъему на поверхность.It is lowered into the well in the assembled form (see Fig. 1) to a predetermined depth, on the drill pipe string, by connecting 4 of the coupling part of the housing 1 using the locking thread. When the expander reaches the required depth, the drill pipe string is rotated by the rotor of the drilling rig with simultaneous feed drilling fluid (hereinafter referred to as the fluid) by the pump unit under excessive pressure (the rotor and pump unit in Fig. are not shown). In this case, part of the fluid through the nozzles 9 and 10 enters the well, and part through the lateral hole 3 of the housing 1 enters the hydraulic chamber 21 into the sub-piston cavity. Due to the presence of nozzles inside the column, therefore, in the hydraulic chamber, the pressure rises, as a result of which the piston 17 with the guide 15 begin to move upward, compressing the return spring 22. In this case, the shawls 12 under the action of the guide and its stop 24 simultaneously begin to move uphill the grooves 13 of the housing 1, gradually moving outward from the windows 16 of the guide 15, reach the wall of the well. Then they continue to work out the wall of the well without feeding the tool down until the dies completely exit the guide windows. In this case, the piston, reaching its upper design point with its ledge A, abuts against the protrusion B of the housing, its further movement stops, and the compression of the spring 22 stops, and the dies at this time the working part, completely leaving the windows 16 of the guide 15 occupy the working position (see Fig. . 2). Then, by extending the drill string downward, the operation of expanding the wellbore is continued until the design interval is completed, after which the injection of fluid is stopped. In this case, the return spring 22 returns the piston to its original position, lowering it all the way to the step G of the tip 7, and the guide 15 simultaneously brings the dies into the transport position, as shown in FIG. 1. The expander is ready to rise to the surface.

Технико-экономическое преимущество предложения заключается в следующем. Расширитель прост по конструкции, в изготовлении и эксплуатации, что даст возможность успешно устанавливать профильные перекрыватели в осложненных участках скважин и продолжать бурение без потери ее диаметра. Он может работать в среде любого бурового раствора, в том числе и тяжелых буровых растворов, чего не позволяют известные расширители. Расположение плашек в окнах направляющей предотвращает попадание в наклонно расположенные пазы агрессивной жидкости, защищая их от коррозии, что обеспечивает увеличение срок службы расширителя. Кроме того расширены технические возможности, например, настройка величины выступающей рабочей части плашек за пределы окон, что дает возможность регулировать в сторону увеличения или уменьшения диаметра ствола скважины. Для чего необходимо снять шпонку, предварительно отвинтив стопорные винты, и вращением поршня относительно направляющей добиться получения необходимого размера выхода плашек из окон, после чего полученное положение фиксируют шпонкой. На дату подачи заявки опытный образец находится в стадии изготовления.The technical and economic advantage of the proposal is as follows. The expander is simple in design, manufacture and operation, which will make it possible to successfully install profile shutoffs in complicated sections of wells and continue drilling without losing its diameter. It can work in the environment of any drilling fluid, including heavy drilling fluids, which is not allowed by well-known expanders. The location of the dies in the guide windows prevents aggressive fluid from entering the slanted grooves, protecting them from corrosion, which ensures an increase in the service life of the expander. In addition, technical capabilities have been expanded, for example, adjusting the size of the protruding working part of the dice outside the windows, which makes it possible to adjust towards increasing or decreasing the diameter of the wellbore. For this, it is necessary to remove the key, having previously unscrewed the locking screws, and by rotating the piston relative to the guide to achieve the required size of the exit of the dies from the windows, after which the position obtained is fixed with the key. At the filing date of the application, the prototype is under construction.

Claims

A borehole extender, comprising a housing with a central channel and a connecting thread at the lower end, a hydraulic chamber with an annular piston installed inside, dies with cutting elements mounted in inclined grooves, a means of turning the piston relative to the housing, side openings for supplying working fluid to the hydraulic chamber and a fitting nozzle for creating a differential pressure in the hydraulic chamber, characterized in that the lower end of the housing is equipped with a tip with an additional fitting nozzle mounted in the side m channel, made at an angle upward, while the tail of the tip is made in the form of a cylinder with an internal annular stepwise boring, forming a hydraulic chamber with the outer wall of the housing, in communication with the central channel, to fix the position of the dies relative to the housing, a tubular guide with longitudinally made windows with dies installed in them with the possibility of their free passage, the lower end of the guide on the thread is connected to the piston and fixed a key secured to the piston by screws installed in one of the slotted grooves made along its entire perimeter, while the guide is provided with stepwise made stops, fixed with screws, and preventing the guide and the piston connected with it from turning relative to the housing, while the upper ends of the stops simultaneously They are the supporting surface for the dies, and the piston is equipped with a return spring installed between the guide and the stepwise boring of the housing.