Прогрессивные технологии сооружения скважин

РАЗДВИЖНЫЕ ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ РАСШИРИТЕЛИ

Раздвижные расширители с приводом от гидравлики цирку­ляционной системы скважины нашли широкое применение в ми­ровой практике, что объясняется преимуществами их конструк­ций. Прежде всего это возможность оперативного приведения инструмента из транспортного в рабочее положение включением, выключением или регулировкой режимов промывки, а следова­тельно, и избирательного расширения скважины в любых интер­валах независимо от их числа и расположения. При этом появ­ляется возможность пропускать глинистые породы и не нараба­тывать естественный раствор, наличие которого приводит к кольматации продуктивного пласта и общему снижению экс­плуатационных параметров скважины.

Раздвижные механические расширители были впервые разра­ботаны в России, а за рубежом в это время отдавали предпочте­ние нераздвижным конструкциям, состоящим из эксцентричных лопастей, фрез, роликов и цепных звеньев, установленных по боковой поверхности бурильной колонны.

Расширитель Капелюшникова (рис. 4.35) состоит из цилинд­рического корпуса 1 со сквозным продолговатым окном 2, в ко­тором на шарнирных осях 3 установлены породоразрушающие лопасти 4 с ограниченным поворотом. Вдоль оси корпуса 1 име­ется цилиндрический канал 5, в котором помещен подвижный поршень 6, шток 7 которого имеет возможность передвигаться в сквозном цилиндрическом отверстии 8 в корпусе расширителя. Нижний торец 9 штока упирается в выступы на породоразру­шающих органах 4. В нижней части расширителя находится пе­реводник для присоединения долота, а в верхней - для соедине­ния с колонной бурильных труб.

Расширитель спускают в заданный интервал и начинают про­мывку скважины. В начальный момент промывки насос прессует пока поршень под действием давления внутри инструмента не опустится и не откроются обводные промывочные каналы в кор­пусе расширителя. При спуске поршня подвижной шток нижним торцом воздействует на породоразрушающие органы, сообщая им вращательный момент. Полное раскрытие лопастей происходит за счет осевой нагрузки инструмента.

После полного раскрытия лопастей режим циркуляции уже не оказывает влияния на их выход и диаметр расширения. После

Окончания работ (при подъеме инструмента) лопасти убираются в корпус. Расширитель приводится в транспортное положение, когда верхние кромки лопастей упираются в башмак обсадной колонны. Поршень и шток в этот момент на них не действуют, так как насос выключен.

Расширитель Капелюшникова прост и надежен. Особенно удачно расположение поршня относительно промывочных кана­лов, которое позволяет приводить инструмент в рабочее положе­ние при любых режимах промывки. Недостаток конструкции - неэффективная очистка забоя при прямой промывке и переме­щении инструмента от нижней границы продуктивного интерва­ла к верхней. Кроме этого, для приведения инструмента в транс-

Портное положение необходимо его поднимать до упора, что не всегда удобно (например, при поинтервальном расширении).

Гидравлический расширитель Асеева (рис. 4.36) отличается от предыдущей конструкции тем, что для раскрытия породоразру­шающих лопастей, помимо гидравлического усилия, используют

Вес инструмента при опоре долота на забой. Корпус расширителя состоит из двух частей, соединенных между собой левой резьбой, которая не допускает раскручивания верхней части 1 корпуса расширителя при правом вращении инструмента.

Верхняя часть корпуса представляет собой полый цилиндр, внутри которого движется поршень 2. Последний имеет два што­ка - верхний 3 (круглый) и нижний 4 (квадратный). Оба штока точно пригнаны к соответствующим осевым выемкам в верхней и нижней частях корпуса расширителя, служащим направляю­щими для штоков. Осевая выемка в нижней части 5 имеет квад­ратное сечение, как и шток 4. Шток 3 имеет в верхней части пе­реходник для соединения с бурильной колонной. Шток 4 удли­нен и переходит в клин 6, который входит в промежуток между лопастями 7, расположенными в сквозном пазу 8 в нижней части корпуса расширителя 5.

Лопасти 7 проворачиваются на круглых пальцах 9 своими от­верстиями эллиптической формы, допускающими передвижение лопастей 7 в направлении, перпендикулярном к оси расширите­ля. Наружные кромки лопастей 7 скошены в сторону, обратную их вращению. Вдоль оси всего расширителя через верхний шток 3, поршень 2 и нижний шток 6 просверлен сплошной канал 10 Для прохождения промывочной жидкости. Площадь сечения верхней части канала 10, начиная от конца верхнего 3 штока до фланца, вдвое больше площади сечения нижней его части. Во фланце просверлено боковое отверстие, диаметр которого равен осевому каналу.

Во время спуска в скважину расширителя его корпус висит на штоке, удерживаемый фланцем. При достижении долотом за­боя штоки с поршнем перемещаются относительна корпуса вниз. Клин на конце нижнего штока входит в пространство между по- родоразрушающими лопастями, выдвигая их в рабочее положе­ние.

При включении промывки и попадании потока промывочной жидкости он разделяется во фланце на две равные части. Одна идет через осевой канал на забой, а другая - через отверстие во фланце в камеру над поршнем. Давление промывки удерживает шток в нижнем положении, при котором породоразрушающие органы остаются в рабочем положении.

После расширения промывку останавливают и инструмент поднимают вверх. Шток с поршнем поднимают относитель­но корпуса расширителя, освобождая породоразрушающие лопа­сти. При подъеме инструмента и контакте лопастей с породой, а затем и с башмаком обсадной колонны они убираются в кор­пус.

Один из принципов создания давления в надпоршневой зоне и удержания за счет этого расширителей в рабочем положении при перемещении корпуса относительно штока вверх использует­ся сейчас для производства расширителей ведущими зарубежны­ми фирмами.

Конструкция расширителя Асеева сложнее, чем предыдущая, хотя и не лишена недостатка - отсутствие оперативного приве­дения инструмента из рабочего в транспортное положение. Од­нако конструкция Асеева, в отличие от расширителя Капелюш­никова, может работать при перемещении снаряда снизу вверх. Диаметр расширения инструмента Асеева ограничен конструк­тивными особенностями, так как выход породоразрушающих ло­пастей зависит от толщины клина. В этой связи расширитель Асеева можно применять преимущественно для снятия глини­стой корки, калибровки ствола перед спуском обсадной или фильтровой колонны. Для создания каверны под гравийную об­сыпку больше пригоден расширитель Капелюшникова, так как в нем выход породоразрушающих органов ограничен только проч­ностными характеристиками лопастей.

Несколько усовершенствовали конструкцию расширителя Ка­пелюшникова сотрудники Татарского нефтяного НИИ (рис. 4.37). Породоразрушающие лопасти были заменены на шарошеч­ные лапы, а подвижной поршень снабдили пружиной. Расшири­тель состоит из корпуса 5, в котором выполнены сквозные пазы для размещения на осях 6 породоразрушающих органов 7. Внут­ри корпуса 5 имеется сквозной канал, в котором установлен под­вижной поршень 2 с толкателем 3 в нижней части. Поршень подпружинен пружиной 4, а корпус 5 имеет в верхней части пе­реходник 1 для соединения с бурильными трубами.

Расширитель спускают в заданный интервал и фиксируют у верхней границы продуктивного интервала. Включают промывку. Под действием перепада давления на поршне 2 он опускается, сжимая пружину. При перемещении поршня вниз относительно корпуса толкатель воздействует на верхнюю поверхность шаро­шечных лап и передает на них раскрывающий момент. Начинают вращение инструмента и проводят забурку. Расширение осуще­ствляют сверху вниз. При этом осложняется промывка расши­ренного интервала, так как формируемая каверна имеет боль­ший диаметр и выполняет функцию, аналогичную шла­мовой трубе. Разбуренный шлам при недостаточной мощ­ности насосного оборудования и наличии в пласте песка сред­них и крупных фракций оседает в пилот-стволе, предназна­ченном под отстойник. Конструкция низа расширителя, исклю­чающая возможность забойной промывки или подсоединения

1.37. Расширитель Татарско­го нефтяного НИИ

Долота, не предусматривает очистку пилот-ствола от обрушенно­го шлама.

После окончания работы и снятия давления поршень подни­мается под воздействием усилия пружины. Однако при поднятии поршня на шарошечные лапы не передается закрывающий мо­мент по причине свободного контакта верхней части лопастей и низа толкателя. Шарошечные лапы, как и в конструкции Капе - люшникова, убираются только при подъеме инструмента за счет контакта с породой или башмаком обсадной колонны. При забивке боковых пазов корпуса породой, что вполне вероят­но при предусмотренной схеме промывки, приведение рас­ширителя в транспортное положение осложняется и возможна авария.

При использовании в качестве породоразрушающих органов

Шарошечных лап диаметр расширения ограничен и не превышает двух диаметров корпуса расширителя. С учетом необходимого начального зазора между корпусом и стенками пилот-ствола, на­чальный диаметр может быть увеличен не более чем в 1,8­1,9 раза.

Для сооружения высокодебитных скважин такой каверны и толщины гравийной обсыпки недостаточно. Поэтому данный расширитель может использоваться преимущественно для разбу­ривания глинистой корки со стенок скважины в интервале про­дуктивного пласта перед посадкой фильтровой колонны после длительного простаивания ствола после первичного вскрытия. При разбуривании твердых пропластков, имеющихся в разрезе, эффективна замена лопастных породоразрушающих органов на шарошечные. Вместе с тем механизм приведения породоразру­шающих органов в рабочее положение, особенно при забурке в сцементированном интервале пород, более удачен в конструкции Капелюшникова, чем в рассматриваемой, несмотря на то, что создана она была на много лет раньше.

Р. Бейкер предложил конструкцию расширителя (рис. 4.38), которая предусматривает закрытие породоразрушающих лопастей без пружин за счет использования веса корпуса инструмента. При разработке расширителя автор ставил перед собой следую­щие основные задачи:

Поинтервальное увеличение диаметра скважины за счет ис­пользования для выдвижения породоразрушающих органов дав­ления промывочной жидкости;

Увеличение числа породоразрушающих лопастей для обеспе­чения стабильности работы инструмента и толщины лопастей в опасном сечении;

Независимость величины выхода породоразрушающих лопа­стей от давления промывочной жидкости после их полного вы­движения;

Снижение нагрузок на лопасти;

Предотвращение оседания шлама на забой за счет обеспечения движения потока промывочной жидкости сквозь корпус инстру­мента;

Эффективность разрушения породы за счет особой конфигу­рации и расположения гидромониторных насадок;

Оперативное и надежное приведение расширителя из рабочего в транспортное положение и обратно.

Раздвижной гидравлический расширитель сконструирован с возможностью его спуска в скважину через обсадную колонну при убранных в корпус режущих элементах. При достижении требуемого интервала резцы выдвигаются из корпуса расширите-

Ля под действием гидродинамического давления жидкости, обра­зуя при этом каверну.

Расширитель (см. рис. 4.38) имеет цилиндрический корпус 5, В верхней части которого сделано резьбовое соединение 4 с муф­той 2, находящейся на нижнем конце колонны бурильных труб 1. Снизу корпус 5 оснащен центратором 21, имеющим заостренный конец для беспрепятственного спуска инструмента через обсад­ную колонну в скважину. Центратор 21 предохраняется от слу­чайного отвинчивания специальным кольцом 20, которое крепит­ся к корпусу 5 инструмента и центратору 21 сварными швами. Если требуется отсоединить центратор от расширителя, то необ­ходимо срезать кольцо 20.

В корпусе расширителя под одинаковым углом 120° выполне­ны три продольные щели 18, в которых на пальцах 22 установ­лены режущие элементы 17. Пальцы 22 фиксированы от

Случайного выпадения из отверстий болтами 23 со стороны упо­ров.

Верхняя часть продольной щели 18 имеет ширину, соответст­вующую толщине верхней части режущего элемента, позволяя ему свободно поворачиваться на пальце 22. Нижняя часть щели намного шире ее верхней части, с тем чтобы профильный уча­сток режущего элемента мог свободно входить в корпус расши­рителя.

Цилиндр 10 установлен на суженный участок корпуса 5 для того, чтобы поверхность цилиндра не выходила за габариты ин­струмента. Между корпусом 5 и цилиндром 10 оставлено коль­цевое пространство 9, сообщающееся через отверстие 8 с цен­тральным промывочным каналом 6. Кольцевое пространство 9 Изолировано от внешней среды уплотнительными манжетами. В верхней части цилиндра 10 уплотнительная манжета имеет за­остренную форму для того, чтобы в процессе перемещения ци­линдра по поверхности корпуса 5 удалять с него посторонний материал.

При прокачивании промывочной жидкости через расширитель в кольцевом пространстве 9 создается давление, действующее на выступ цилиндра 10. Перемещение цилиндра 10 вверх передается режущим элементом 17 через шарнирную систему, для размеще­ния которой в корпусе расширителя от верхней грани щели 18 Сделана продольная выемка 24, которая переходит в другую вы­емку 13 в перпендикулярной плоскости.

Шарнирная система состоит из двух направляющих штоков, разных по толщине и соединенных между собой сварочным швом. Верхний шток 12 заканчивается внешним выступом, кото­рый помещен в более широкое отверстие 11 в нижней части ци­линдра 10, а нижний конец штока 16 с помощью пальца соеди­нен с режущим элементом. Очевидно, что промывочная жидкость в кольцевом пространстве 9 будет поднимать цилиндр 10, кото­рый зацепит выступы штоков 12 и через шарнирную систему повернет режущие элементы 17 на пальцах 22. Перемещение ци­линдра 10 ограничено стопорным кольцом 7, закрепленным на корпусе 5 с помощью винтов 3.

Крайнее верхнее положение цилиндра еще не соответствует полному выдвижению режущих элементов, которое достигается действием на них составляющей веса бурового снаряда через сформированный уступ в стволе скважины, а также свободным ходом выступов штоков в отверстиях цилиндра 10.

Перепускная труба 25, которая направляет поток промывоч­ной жидкости вниз, перекрывает щели 18, исключая утечку бу­рового раствора. Верхняя часть трубы 25 плотно прилегает к стенке центрального канала за счет уплотнительных колец, а нижняя часть установлена на сопло, подпираемое полым вин­том 28.

Диаметр канала 26 в трубе 25 меньше, чем диаметр канала 6 в корпусе расширителя. Этого достаточно, чтобы увеличить давле­ние в кольцевом пространстве 9 для подъема цилиндра 10 и раз - движения режущих элементов. Последние в раскрытом положе­нии наклонены выступающей частью в сторону вращения инст­румента с тем, чтобы обеспечить эффективное разрушение усту­па Б, поскольку лезвие режущего элемента не имеет ни положи­тельного, ни отрицательного угла наклона. Изогнутый профиль режущих элементов способствует их большей устойчивости к деформациям от крутящего момента.

Пальцы 22 режущих элементов 17 смещены, что дает возмож­ность (за счет увеличения расстояния от пальца до упора 14 ре­жущих элементов 17 с верхней гранью щели 18) уменьшить уси­лие, передаваемое уступом Б на пальцы 22.

С целью увеличения эффективности разрушения уступа Б на него направляют поток промывочной жидкости, способствуя этим выносу оставшихся продуктов разрушения горной породы, которые ограничивают внедрение лезвий в разрушаемую фрак­цию. Для того чтобы создать направленное гидродинамическое воздействие, над каждым режущим элементом в корпусе расши­рителя сделан канал 27, в котором установлена гидромониторная насадка 15. Последняя позволяет создать высоконапорную струю промывочной жидкости и направляет ее в место контакта лезвия режущего элемента с уступом Б, гарантируя вынос шлама и хо­рошую очистку твердого сплава.

В процессе создания расширенного профиля скважины отме­чается износ корпуса расширителя, это происходит в результате его контакта со стенкой скважины. Износ корпуса 5 уменьшают созданием заполненных карбидовольфрамовым сплавом выемок 19, расположенных с обеих сторон от каждой щели. Применение подобных калибраторов позволяет существенно уменьшить износ поверхности корпуса расширяющего долота.

После расширения подачу промывочной жидкости прекраща­ют и бурильные трубы поднимают. При соприкосновении режу­щих элементов 17 с башмаком обсадной колонны они поворачи­ваются вокруг своих осей и убираются в корпус расширителя.

Отличительная особенность предложенной конструкции раз­движного расширителя с промежуточными кулачками (рис. 4.39) от рассмотренных ранее в том, что породоразрушающие шаро­шечные лапы связаны с подвижным внутри корпуса штоком по­средством кулачков. Это позволяет после окончания работ, ис-

Пользуя возвратное усилие пружины при снятии давления про­мывки, принудительно убрать шарошечные лопасти внутрь кор­пуса и не дожидаться достижения инструментом башмака обсад­ной колонны.

С целью увеличения диаметра расширения в тресте Промбур - вод был разработан гидравлический раздвижной расширитель с промежуточными тягами (рис. 4.40). При включении промывки (после достижения инструментом заданного интервала) под дей­ствием гидродинамического давления поршень и шток опускают­ся относительно корпуса и породоразрушающие органы уси-

Лием, передаваемым через промежуточные тяги, забуриваются в породу.

Породоразрушающие органы приводятся в рабочее положение энергией промывки после спуска поршня и жестко связанного с ним штока относительно неподвижного корпуса, которое сопро­вождается сжатием пружины. В нижней части штока к нему и внутренней поверхности шарошечных лап шарнирами прикреп­лена промежуточная тяга. При спуске штока промежуточная тяга выдвигает породоразрушающие органы.

Отметим следующие недостатки описанной конструкции: низкая надежность выдвижения и складывания породоразру­шающих лап вследствие наличия промежуточных тяг, шарнир­ных соединений;

Корпус состоит из двух частей, что снижает его прочность, а при правой резьбе может обусловливать отвинчивание верхней части;

Низкая надежность приведения инструмента в транспортное положение из-за зависимости от надежности работы пружины;

Необходимость поддержания определенного перепада давле­ния на расширителе для удержания шарошечных режущих эле­ментов в раскрытом положении.

К этим недостаткам следует также добавить и низкий коэф­фициент расширения, равный отношению конечного диаметра каверны к начальному, который для данной конструкции меньше 1,8-1,9. Шарошечные органы убираются в круглые углубления в корпусе. При работе они могут забиваться породой. Циркуляци­онная схема расширителя не предусматривает промывку этих отверстий при необходимости. Отмеченные недостатки снижают надежность работы инструмента. Загерметизировать поршень внутри корпуса просто, что характеризует беспрепятственное и многоцикловое перемещение внутри корпуса.

Внедрение расширителя показало низкую надежность его ра­боты. Породоразрушающие органы быстро обламывались или изнашивались, а промежуточные тяги выламывались из мест крепления. Поэтому данная конструкция не нашла широкого применения в практике. В конструкции гидравлического раз­движного расширителя «Локоматик» фирмы «Бейкер» подвиж­ным элементом считается не шток и поршень, а корпус расшири­теля (рис. 4.41).

Бурильная колонна жестко связана с фигурным штоком, ко­торый входит в зацепление с внутренней поверхностью трех ша­рошечных лап, установленных на пальцах в корпусе с возможно­стью выдвижения при повороте. Корпус расширителя выполнен подвижным относительно жестко связанного с бурильной колон­ной штока. В верхней части корпус имеет герметичное соедине­ние, обеспечивающее предотвращение утечки промывочной жид­кости и дросселирования давления внутри корпуса расширителя.

После спуска расширителя в скважину включают промывку. Давление в рабочей камере поднимается, и корпус расширителя приподнимается относительно бурильной колонны и штока. По­родоразрушающие органы при этом подъеме взаимодействуют с фигурной поверхностью штока и выдвигаются из корпуса, инст­румент вращают и осуществляют забурку. Определенное давле-

Ние в нагнетательной магистрали необходимо только для забурки инструмента. При бурении породоразрушающие органы из-за фигурной конфигурации остаются выдвинутыми под действием осевой нагрузки. Расширитель «Локоматик» предусматривает герметизацию корпуса в верхней части.

Расширитель «Локоматик» характеризуется преимуществами, среди которых следующие:

Надежность выдвижения и закрытия породоразрушающих ло­пастей за счет специального запатентованного механизма;

Отсутствие промежуточных тяг. Лопасти убираются в корпус

После прекращения промывки под действием веса инструмента;

Корпус неразъемный и состоит из одной детали, что предот­вращает его развинчивание и повышает прочность;

Специальная конструкция плечей на лапах и пазов в корпусе обеспечивает разгрузку штифтов, снижает опасные нагрузки на лопасть.

Кроме этого, породоразрушающие органы расширителя уби­раются в пазы специальной фигурной формы, которые сущест­венно меньше забиваются породой.

Расширители «Локоматик» выпускаются в нескольких моди­фикациях, предусматривающих различные схемы промывки и вооружение породоразрушающих лап.

Раздвижной гидравлический расширитель ВИОГЕМ (рис. 4.42) предусматривает промывку через долото, устанавливаемое в нижней части расширителя, а сочленение подвижного штока и шарошечных лап имеет характер двухстороннего зацепления.

Рассмотрим работу расширителя ВИОГЕМ. После спуска в нужный интервал и включения промывки поток по бурильной колонне и внутреннему подвижному узлу расширителя поступает через отверстия в ведущей трубе в рабочую камеру и за счет об­разовавшегося перепада давления, возникающего в дроссели­рующем переводнике-насадке, перемещает вверх узел расшири­теля. При этом шарошечные лапы, скользя по упорному уступу штанги, выдвигаются в рабочее положение.

При вращении снаряда на выдвинутые и прижатые под уси­лием гидравлики к забою лапы передается крутящий момент и происходит забурка снаряда. В раскрытом положении инстру­мент поддерживается после этого уже не гидравлическим давле­нием, а весом инструмента. После расширения и снятия давле­ния под действием веса подвижного узла он перемещается отно­сительно неподвижного, убирая шарошечные лапы в корпусе.

Расширитель ВИОГЕМ может быть многократно приведен в рабочее и транспортное положение в одном стволе. Положитель­ный момент конструкции - отсутствие возвратных пружин и промежуточных тяг. Породоразрушающие органы приводятся в транспортное положение под действием веса корпуса расшири­теля.

Техническая характеристика расширителя ВИОГЕМ

Диаметр расширителя в транспортном положении, мм.................. 377

Лапы................................................................................................. Сменные

Категория пород по буримости...................................................... До VIII

Способ разрушения породы...................................................... Механический

Способ выдвижения рабочих органов....................................... Гидравлический

Рекомендуемый перепад давления, МПа................................... 3,5-4,0

TOC o "1-3" h z Частота вращения ротора, об/мин.................................................. 40-65

Максимальная осевая нагрузка, кН............................................ 30

Максимальное горизонтальное, усилие долота на стенку

Скважины при забуривании, кН......................................................... 15

Длина расширителя, мм................................................................. 2400

Масса, кг.................................................................................... 1030

Надежность работы расширителя в скважине зависит от цен - трации инструмента внутри ствола. При асимметричном распо­ложении расширителя нагрузка на породоразрушающие органы распространяется неравномерно, что приводит к их ускоренному износу. Кроме этого, возникает повышенная вибрация бурильной колонны.

Обеспечить центрацию расширителя в стволе скважины с на­чальной кавернозностью только за счет двух-трех породоразру­шающих органов сложно.

Существует расширитель с выдвижными режущими элемен­тами, приводимыми в раскрытое положение давлением промы­вочной жидкости (рис. 4.43). Над долотом установлен стабилиза­тор с выдвигаемыми центраторами, который имеет замковый пе­реходник под бурильные трубы, на которых комбинированное устройство спускают в скважину.

Расширитель при подаче вниз выдвинутыми режущими эле­ментами формирует расширенный профиль скважины. Располо­женный сверху стабилизатор, перемещаясь вместе с долотом,

Рис. 4.43. Расширитель с выдвиж­ными центраторами:

1 - полый шток; 2 - промывочный канал; 3 - передаточный вал с профильной поверхностью; 4 - корпус; 5 - ось центратора; 6 - толкатель центратора; 7 - центра­тор; 8 - канал рабочей камеры; 9 - рабочая камера; 10 - полая труба с толкателями; 11 - стопорная шай­ба; 12 - корпус расширителя; 13 - фиксатор шарошечных лап в транспортном положении; 14 - ось шарошечных лап; 15 - толкатель шарошечных лап; 16 - шарошечная лапа; 17 - упор шарошечных лап в рабочем положении; 18 - шарошки

Центрирует его в расширенном стволе. Центрирующие плечи (центраторы) выдвигаются из корпуса стабилизатора только по­сле того, как нижнее долото сформирует уступ в стенке сква­жины. Механизм раскрытия и зажатия лопастей и стабилизато­ров в расширителе по принципу не отличается от описанных расширителей применительно «Локоматик» в ВИОГЕМ.

Стабилизация расширителей может быть использована выше или ниже породоразрушающих органов. Следует отметить, что при установке стабилизатора выше породоразрушающих лопа­стей центрация инструмента лучше вследствие большего диамет­ра стабилизирующих органов. Стабилизатор может располагаться на любом расстоянии от корпуса расширителя, что позволяет центрировать инструмент при начальной известной кавернозно - сти ствола.

Общий недостаток расширителей, предусматривающих закры­тие породоразрушающих лопастей под действием веса инстру­мента без возвратных пружин, - сложность надежной герметиза­ции подвижного корпуса относительно неподвижного штока в условиях интенсивных нагрузок и абразивного износа. В этой связи большей устойчивостью к нагрузкам и надежностью харак­теризуются расширители, в которых подвижной элемент разме­щен внутри жесткого корпуса, воспринимающего основные на­грузки и предохраняющего уплотнения между подвижными де­талями от непосредственного контакта со шламом в открытом стволе скважины.

Разработаны модификации скважинных расширителей, преду­сматривающих перемещение под действием давления промывоч­ной жидкости внутри корпуса подпружиненного штока, взаимо­действующего с выдвигаемыми породоразрушающими органами. Расширитель модификации XL (рис. 4.44) содержит корпус, имеющий в верхней части переходник для соединения с буриль­ной колонной, а в нижней - для присоединения долота. Корпус в интервале размещения породоразрушающих органов имеет утолщение диаметра, максимально приближенного к диаметру пилот-скважины. В утолщенной части корпус армирован твер­дым сплавом или алмазной кромкой с целью минимизации изно­са. Уменьшение зазора между стенками скважины и корпусом инструмента позволяет снизить опасные нагрузки на лопасти, улучшить центрацию расширителя. В продольном канале корпу­са установлен подпружиненный полый шток, способный переме­щаться в осевом направлении.

При начале промывки за счет перепада давления на подвиж­ном штоке он опускается и надавливает своими выступами на породоразрушающие лопасти, которые из-за передаваемого кру-

Тящего относительно неподвижно закрепленных в корпусе паль­цев выдвигаются, и расширитель приводится из транспортного в рабочее положение. Для гарантийного открытия лопастей, проис­ходящего только при определенном перепаде давления на штоке, в его нижней части вмонтировано сопло.

При прохождении потока промывочной жидкости через сопло на нем поддерживается давление, которого достаточно для отжа - тия пружины. Использование стандартных гидромониторных на­садок в инструменте позволяет оптимизировать изготовление инструмента независимо от производительности бурового насоса и максимального давления. В инструменте использованы гидро­мониторные насадки, которые служат для отклонения потока на режущие плечи, обеспечивая этим хорошую очистку и охлажде-

Ние алмазных резцов, а также направляют поток на забой сква­жины.

Основной корпус выточен из твердой стальной заготовки, обеспечивающей необходимую надежность, а его конструкция способна преодолеть нагружения, намного превышающие обыч­ные технологические условия, которые можно ожидать в процес­се расширения. Корпус оборудован верхней цилиндрической муфтой, сделанной специально для инструмента, и нижней муф­той, соединяющей корпус расширителя с долотом. Все связи в расширителе испытаны и обеспечивают прочность соединений.

На рабочую грань режущих лопастей нанесена алмазная прес­сованная пудра. Инструмент разработан для алмазных резцов во избежание основных проблем, связанных с шарошечным типом расширителя, т. е. сварными плечами и возможностью потери ко­нусов на забое, особенно у инструментов малого диаметра. Ре­жущие лезвия держатся открытыми струей бурового раствора и приложенной осевой нагрузкой. Струя промывочной жидкости проходит через внутреннее сечение лопастей, истекая из двух гидромониторных насадок, способствуя лучшей очистке и разру­шению забоя.

Техническая характеристика расширителей типа XL

TOC o "1-3" h z Серия................................... 600 800 1200 1700

Диаметр, мм:

Корпуса.......................... 145 212 310 443

Пилот-скважины............. 151-190 243 320 490

Расширителя............ 215 310 468 658

Использование расширителей типа XL позволяет увеличить диаметр скважины не более чем в 1,5 раза. Для существенного увеличения дебита такого контура гравийной засыпки чаще всего бывает недостаточно.

Для создания каверн большего диаметра используют расши­рители с реечной передачей (рис. 4.45). На подвижном штоке монтируется рейка, а на внутренней поверхности породоразру­шающих лопастей - зубчатый сегмент. При спуске или поднятии штока за счет реечной передачи лопасти породоразрушающих органов надежно открываются и закрываются. Технология при­менения расширителя схожа с описанной для модификаций ин­струмента XL. Отличительная особенность представленной кон­струкции заключается в усилении зубчатой пары за счет смеще­ния зубчатой рейки относительно оси симметрии корпуса в сто­рону, противоположную расположению лопастей. Действующий момент на зубья при забурке расширителя при этом уменьша­ется.

Основное тело инструмента изготовлено из твердой стали,

Обеспечивающей необходимую прочность. Узлы сконструированы так, чтобы противостоять высоким нагрузкам, связанным со зна­чительным раскрытием породоразрушающих органов, требуемым для создания гравийного фильтра высокодебитной скважины. Для армирования лопастей используют алмазные резцы.

Реечные расширители позволяют увеличивать диаметр пилот - ствола более чем в 2 раза. Например, при диаметре корпуса

136 мм выход лопастей составляет около 380 мм, а при диаметре корпуса 212 мм - 480 мм.

А. Н. Закхеев и другие авторы разработали раздвижной гид­равлический расширитель с реечной передачей (рис. 4.46). Рас­ширитель включает полый корпус 1, связанный через верхний переводник 2 с колонной бурильных труб 3. Внутри полого кор­пуса 1 установлен поршень 4, выполненный заодно с полым штоком 5, на внешней стороне которого по периметру имеются зубчатые рейки 6. В полом корпусе 1 выполнены пазы, в кото­рых на осях 7 установлены породоразрушающие органы 8 с зуб­чатым сектором, входящим в зацепление с зубчатыми рейками 6. На внешней стороне полого корпуса 1 над пазами установлено опорное кольцо 9. Нижний конец полого штока 5 проходит внутри направляющей втулки 10 и содержит буртик 11. В по­лом корпусе 1 соосно с полым штоком 5 установлена втулка 12 с внутренними кольцевыми выступами 13. Полость корпуса 1 над втулкой 12 постоянно связана через насадки 14 со сква­жиной. Полый шток 5 опирается на пружину 15. Поршень 4 И полый шток 5 уплотнены в корпусе расширителя манжета­ми 16.

На колонне бурильных труб расширитель спускают в скважи­ну в заданный интервал и начинают промывку с постоянным расходом.

Поршень вместе с полым штоком опускают вниз с возмож­ным проворотом породоразрушающих лопастей. Пружина при этом сжимается, а породоразрушающие органы выдвигаются. При передаче инструменту вращения осуществляют забурку ин­струмента.

Кольцевой зазор между верхним кольцевым выступом втулки и буртиком в начальный момент минимален, вследствие чего гидравлическое сопротивление кольцевого зазора и перепад дав­ления на расширителе максимальны. При перемещении поршня площадь сечения кольцевого зазора увеличивается, а перепад давления на расширителе уменьшается. При раскрытии породо­разрушающих органов на 45° буртик совмещается со средним кольцевым выступом. Перепад давления при этом снова увели­чивается до максимума. Далее, при смещении буртика вниз отно­сительно среднего выступа перепад давления снова уменьшается, а при приближении породоразрушающих органов к предельному раскрытию буртик совмещается с нижним кольцевым выступом и давление рабочей жидкости снова увеличивается до макси­мального. По перепадам давления в нагнетательной магистрали контролируют выдвижение породоразрушающих органов при забурке и расширении.

А Б

Обеспечить расширение до большего диаметра одной лопа­стью сложно, даже при выдерживании нужной прочности. Поро­доразрушающие органы при этом ломаются в опасном сечении, и дальнейшего эффективного расширения скважины не происхо­дит. Уменьшить нагрузку на лопасти можно за счет ступенчатого увеличения диаметра скважины.

В многоступенчатой конструкции расширителя породоразру­шающие лопасти или резцы выдвигаются с помощью промежу­точных тяг, наличие которых существенно снижает надежность работы инструмента. Для повышения надежности работы расши­рителя следует предельно уменьшить число промежуточных свя­зей, как, например, в конструкции многоступенчатого механиче­ского расширителя ВСЕГИНГЕО. Многоступенчатые конструк­ции расширителей сложны в изготовлении и дороги. Снизить нагрузки на лопасти можно поэтапным расширением ствола скважины с увеличением выхода породоразрушающих органов.

Автором разработан способ поэтапного расширения скважин (рис. 4.47), который заключается в последовательной подработке ствола скважины вдоль продуктивного интервала при челночном перемещении расширителя. Нагрузки на породоразрушающие лопасти при этом снижаются в число раз, соответствующее пе­ремещению инструмента вдоль продуктивного интервала или этапом расширения. Последовательность технологических опера­ций при поэтапном расширении показана на рис. 4.47.

В скважину 1 спускают расширитель 2 с породоразрушаю - щими органами 3 в закрытом положении (рис. 4.47, а). Расшири­тель 2 фиксируют у верхней 4 границы интервала расширения, которая обычно совпадает с кровлей продуктивного пласта. Скважину 1 промывают при обратной циркуляции очистного агента. Породоразрушающие органы 3 расширителя 2 приводятся в рабочее положение с максимальным выходом, при этом на ин­струмент передается крутящий момент без осевой нагрузки и осуществляется забурка расширителя 2. После забурки на инст­румент передают осевую нагрузку в направлении от устья сква­жины 1, уменьшают выход породоразрушающих органов 3 и осуществляют проходку расширителя 2 вдоль интервала расши­рения и расширение скважины 1 до диаметра D2, при этом под­держивают обратную циркуляцию очистного агента в сква­жине 1.

При расширении скважины (рис. 4.47, б) до диаметра D2 до нижней границы интервала расширения меняют знак осевой на­грузки на инструмент на противоположный, увеличивают выход породоразрушающих органов 3 расширителя 2 до максимальных значений, переходят на прямую циркуляцию очистного агента в скважине 1 и осуществляют проходку расширителя 2 вдоль ин­тервала расширения от нижней 5 к верхней 4 границе интервала расширения. Скважину 1 при этом расширяют до расчетного диаметра.

Значение выхода породоразрушающих органов 3 расширителя 2 на второй стадии расширения выбирается, исходя из условия одинаковой нагрузки на породоразрушающие органы 3 при рас­ширении скважины 1 на втором этапе с диаметра ствола пилот - скважины до диаметра D2 и расширении на третьем этапе с диа­метра D2 до расчетного. Крутящий момент на породоразрушаю - шую лопасть 3 на втором и третьем этапах расширения будет одинаков, если ее выход на втором этапе составляет 0,708 мак­симального выхода.

Направление движения инструмента при расширении совпа­дает с направлением движения очистного агента в кольцевом пространстве скважины. Вследствие значительного увеличения скорости движения очистного агента в кольцевом пространстве основного ствола скважины (по сравнению со скоростью движе­ния потока в расширенном интервале) у поверхности разрушае­мой породы возникает градиент давления, пропорциональный разнице квадратов скоростей движения потока в расширенном интервале и кольцевом пространстве остального ствола сква­жины, способствующий подсосу пульпы из интервала расшире­ния и улучшенной очистке забоя.

В случае сложности обеспечения обратной циркуляции тех­нология может осуществляться следующим образом. В скважину спускают расширитель 2 и фиксируют его у нижней 5 границы интервала расширения. Скважину промывают при прямой цир­куляции очистного агента. Породоразрушающие органы 3 рас­ширителя 2 приводят в рабочее положение максимальным выхо­дом, при этом на инструмент передается крутящий момент без осевой нагрузки, и забуривают расширитель 2.

После забурки на инструмент передают осевую нагрузку. В направлении к устью скважины уменьшают выход породоразру­шающих органов расширителя и осуществляют проходку расши­рителя вдоль интервала расширения до диаметра D2. При этом поддерживают прямую циркуляцию очистного агента в скважине. При расширении скважины до диаметра D2 (до верхней границы интервала расширения) меняют знак осевой нагрузки на проти­воположный и увеличивают выход породоразрушающих органов расширителя до максимальных значений.

Интервал расширения увеличивают в направлении от верхней 4 к нижней 5 границе, при этом меняют характер циркуляции очистного агента в скважине на обратную промывку или про­дувку. Таким образом, направление движения инструмента сов­падает в процессе расширения с направлением движения очист­ного агента в кольцевом пространстве скважины.

Поэтапное расширение скважины позволяет уменьшить на­грузки на породоразрушающие органы расширителя в процессе разрушения породы. В продуктивных пластах, сложенных пес­ками с пропластками более крепких пород, применение одно - этапного традиционного расширения не обеспечивает равномер­ного увеличения диаметра скважины в заданном интервале из-за быстрого износа, поломки породоразрушающих органов расши­рителя. Предлагаемый способ позволяет также отказаться от сложных многоступенчатых расширителей 2.

Так, скважину необходимо было расширить в интервале водо­носного пласта 170-180 м, сложенного тонкозернистым песком с прослойками песчаника с диаметра пилот-скважины 0,19 до 0,5 м под гравийную обсыпку. Применение в аналогичных условиях одноэтапного расширения не позволяло получить требуемого расширения из-за поломки породоразрушающих органов расши­рителя у корпуса. В скважину до кровли водоносного пласта спустили расширитель. Скважину промыли при обратной цирку­ляции.

При промывке породоразрушающие органы расширителя мак­симально выдвинулись из корпуса. После забурки и передачи на инструмент осевой нагрузки от устья к забою скважины умень­шили выход породоразрушающих органов с 0,16 до 0,11 м и осу­ществили проходку расширителя вдоль интервала расширения от верхней к нижней границе и увеличение диаметра пилот-сква­жины с 0,19 до 0,41 м. В процессе движения инструмента сверху вниз скважину промывали при обратной циркуляции очистного агента.

После достижения расширителем нижней границы поменяли знак осевой нагрузки на противоположный, увеличив выход по­родоразрушающих органов до максимальных значений (с 0,11 до 0,16 м) и осуществили проходку расширителя вдоль интервала от нижней к верхней границе снизу вверх и изменили диаметр скважины с 0,41 до 0,5 м (расчетное значение). После достиже­ния расширителем верхней границы интервала породоразру­шающие органы закрыли и инструмент извлекли из скважины. В аналогичных условиях проводили расширение при прямой про­мывке.

В скважину до подошвы водоносного пласта спустили расши­ритель, промыли при прямой циркуляции. При этом породораз­рушающие органы расширителя стали выдвигаться до макси­мальных значений (0,16 м), а при передаче крутящего момента на инструмент забурили расширитель, после чего на втором эта­пе работ к инструменту приложили осевую нагрузку в на­правлении устья скважины, уменьшив выход породоразрушаю­щих органов расширителя (до 0,11 м) и при проходке расшири­теля вдоль интервала от нижней к верхней границе снизу вверх увеличили диаметр пилот-скважины с 0,19 до 0,41 м.

В процессе движения инструмента снизу вверх поддерживали прямую циркуляцию очистного агента. При достижении верхней границы расширения на третьем этапе поменяли знак осевой на­грузки на противоположный, увеличили выход породоразру­шающих органов расширителя до максимальных значений (с 0,11 до 0,16 м) и изменили характер циркуляции очистного аген­та в скважине на обратную промывку. Инструмент стали пе­ремещать вниз под действием осевой нагрузки и расширили ин­тервал от верхней к нижней границе с диаметра 0,41 до 0,5 м. В процессе перемещения расширителя поддерживали обратную циркуляцию очистного агента в скважине.

Применение предложенного способа расширения скважины позволило оборудовать водоприемную часть скважины эффек­тивными конструкциями фильтров за счет равномерного расши­рения скважины до заданного диаметра в запланированном ин­тервале. Равномерность расширения ствола скважины обеспечи­валась повышением надежности работы расширителя посредст­вом применения поэтапной технологии увеличения диаметра пи-

Лот-скважины. За счет высокого качества очистки ствола сква­жины от шлама увеличились механическая скорость проходки и износостойкость породоразрушаюших органов.

Автором разработан раздвижной гидравлический расшири­тель, позволяющий осуществлять поэтапное увеличение диаметра скважины до заданных пределов (рис. 4.48).

Расширитель имеет корпус 1 с внутренней полостью 2 и бо­ковыми пазами 3 для размещения породоразрушающих органов 4, соединенных с корпусом 1 с возможностью поворота, подпру­жиненный полый шток 5, который взаимодействует с породораз - рушающими органами 4. Внутри полого штока 5 установлена жестко связанная с бурильной колонной 6 труба 7, соединенная в верхней части с корпусом 1 и шпонкой 8 с возможностью осе­вого перемещения. Между трубой 7 и полым штоком 5 и между полым штоком 5 и корпусом расширителя 1 ниже боковых пазов 3 для размещения породоразрушающих органов 4 имеются рези-

Новые уплотнения 9 и 10, жестко связанные с полым штоком 5. На трубе 7 выше верхнего 11 торца полого штока 5 на величину его максимального хода, соответствующего предельному выходу породоразрушающих органов 4, установлено упорное кольцо 12 с наружным диаметром, большим внутреннего диаметра полого штока 5.

Нижний торец 13 трубы 7 расположен от нижнего торца 14 Внутренней полости 2 корпуса расширителя на высоте макси­мального хода полого штока 5. На трубе 7 установлено второе упорное кольцо 15, верхний торец 16 которого взаимодействует с верхним торцом 17 внутренней полости корпуса расширителя. На высоте 0,708 максимального хода полого штока 5 от верхнего 18 торца корпуса расширителя установлено третье опорное коль­цо 19 с наружным диаметром, большим проходного отверстия 20 В корпусе расширителя.

При спуске в скважину породоразрушающие органы 4 нахо­дятся в закрытом положении из-за действия на них крутящего момента, обусловленного воздействием пружины 21 через ци­линдрическую втулку 22 и полый шток 5 на породоразрушающие органы 4. Корпус 1 расширителя при спуске фиксируют у верх­ней границы интервала расширения 23 и осуществляют прямую промывку скважины. Промывочная жидкость из внутреннего ка­нала бурильных труб 6 поступает в трубу 7 и оттуда через про­мывочные каналы 24 поступает в кольцевое пространство сква­жины 26. При промывке увеличивается давление во внутренней полости корпуса расширителя 2 ниже уплотнений 9 и 10 и по­лого штока 5.

Под действием этого давления полый шток 5 поднимается от­носительно корпуса 1, взаимодействует с породоразрушающими органами 4, способствуя тем самым их раскрытию. На инстру­мент передают крутящий момент без осевой нагрузки. Породо­разрушающие органы 4 постепенно забуриваются у верхней гра­ницы интервала расширения 23. Постепенно выход породораз­рушающих органов 4 становится максимальным, а верхний 11 Торец полого штока 5 упирается в кольцо 12. После забурки на инструмент передают осевую нагрузку, бурильная колонна 6 и труба 7 опускаются по отношению к корпусу 1 расши­рителя на величину 0,708 от максимального хода полого што­ка 5, ограниченную расстоянием между нижним торцом третьего упорного кольца 19 и верхним торцом 18 корпуса 1 расши­рителя.

Породоразрушающие органы 4 расширителя частично убира­ются, и их выход уменьшается до 0,708 от максимальных значе­ний. Расширитель опускают сверху вниз и увеличивают диаметр

Пилот-скважины до промежуточного диаметра. При достижении расширителем нижней границы интервала 26 меняют знак осевой нагрузки на противоположный, т. е. поднимают расширитель из скважины. При поднятии бурильной колонны 6 и трубы 7 с упорным кольцом 12 относительно корпуса 1 ход полого штока 5 Увеличивается до максимальных значений и породоразрушающие органы 4 выдвигаются с максимальным выходом. Расшири­тель подают от нижней границы интервала до верхней снизу вверх при передаче на инструмент осевой нагрузки, направлен­ной к устью скважины, крутящего момента и промывке сква­жины.

Скважину при этом расширяют с промежуточного диаметра до расчетного. При достижении расширителем верхней границы интервала 23 прекращают передачу крутящего момента на инст­румент и подачу промывочной жидкости. Под действием закры­вающего крутящего момента на породоразрушающие органы 4, Обусловленного воздействием на них пружины 21 через цилинд­рическую втулку 22 и полый шток 5, они закрываются, расшири­тель приводится в транспортное положение и извлекается из скважины. Выход породоразрушающих органов на промежуточ­ной стадии расширения выбирается с учетом одинаковой на­грузки на лопасти при расширении пилот-скважины до проме­жуточного диаметра и при расширении скважины с промежуточ­ного диаметра до расчетного.

Итак, применение предложенного расширителя позволяет по­этапно расширять скважину с диаметра пилот-ствола от проме­жуточного до расчетного диаметра. Поэтапное расширение по­зволяет уменьшить нагрузки на породоразрушающий инстру­мент, что особенно важно при расширении скважин до больших диаметров под гравийную обсыпку в продуктивных пластах, сложенных песками различного гранулометрического состава с включением валунов и крепких пропластков известняков, песча­ников, алевролитов и т. д. Уменьшение нагрузок на породоразру­шающие органы позволяет повысить их износостойкость, полу­чить равномерный расчетный диаметр скважины в заданном ин­тервале и оборудовать скважину высококачественными гравий­ными фильтрами.

Использование предлагаемой конструкции расширителя по­зволяет повысить надежность работы инструмента и качество расширенного ствола скважины, что, в свою очередь, обеспечи­вает возможность оборудования приемной части скважины высо­коэффективными способами и средствами, способствует улучше­нию эксплуатационных характеристик скважины.