Результат интеллектуальной деятельности: Калибратор

Изобретение относится к области бурения скважин, а именно к калибраторам, используемым для калибровки и уменьшения отклонения ствола скважины, в особенности при бурении горизонтальных и наклонно-направленных скважин.

Известен калибратор, включающий полый цилиндрический корпус с лопастями на наружной поверхности, армированными износостойкими вставками (см. справочник Масленников И.К. Буровой инструмент, Москва, Недра, 1989 г, стр. 335-336).

К недостаткам данного калибратора следует отнести низкую эффективность, связанную с некачественной очисткой забоя от шлама и большой контактной поверхностью лопастей со стенками скважины, резко снижающую скорость бурения.

Наиболее близким к предложенному по достигаемому результату и технической сущности является калибратор, включающий полый цилиндрический корпус с лопастями на наружной поверхности, армированными износостойкими вставками (см. справочник Масленников И.К. Матвеев Г.И. Буровой инструмент, Москва, Недра, 1989 г, стр. 298).

Основным недостатком прототипа является малая скорость бурения и проходка на инструмент, особенно при бурении наклонных и горизонтальных скважин.

В связи с изложенным техническим результатом изобретения является повышение эффективности работы калибратора путем оптимизации работы его эжекционной системы.

Указанный технический результат достигается тем, что в калибраторе, включающем полый цилиндрический корпус с лопастями на наружной поверхности, армированными износостойкими вставками, согласно изобретению он снабжен подпорной насадкой, расположенной в нижней части внутреннего канала корпуса калибратора, а верхняя часть корпуса выполнена с эжекционными камерами длинной L_K, каждая из которых образована межлопастным пространством верхней части калибратора (дном межлопастного пространства, боковыми стенками калибрующих лопастей на наружной поверхности корпуса) и стенкой скважины и состоит из двух участков: начального L_KH и конечного L_KK, длина которого связана с общей длинной эжекционной камеры L_K соотношением L_KK=(0,55÷0,85)L_K, при этом должно обеспечиваться равенство при котором (r₁β₁+r₂β₂)=(0,22÷0,65)(r₁α₁+r₂α₂), где: r₁ - внешний радиус калибратора; r₂ – радиус корпуса калибратора, α₁ - угол между крайними внешними точками, расположенными на наружном диаметре калибратора со стороны внутренних поверхностей двух смежных длинных лопастей начального участка эжекционной камеры; α₂ - угол между крайними внутренними точками, расположенными на внешнем диаметре корпуса калибратора со стороны внутренних поверхностей двух смежных длинных лопастей начального участка эжекционной камеры, β₁ - угол между крайними внешними точками, расположенными на наружном диаметре калибратора со стороны внутренних поверхностей двух смежных длинных лопастей конечного участка эжекционной камеры; β₂ - угол между крайними внутренними точками, расположенными на внешнем диаметре корпуса калибратора со стороны внутренних поверхностей двух смежных длинных лопастей конечного участка эжекционной камеры.

Достижению указанного технического результата способствует также и то, что эжекционные насадки размещены таким образом, что в случае размещения их внутри эжекционной камеры торцы их выходных отверстий расположены на расстоянии Δ_B=(0,0÷0,37)L_KH относительно начала эжекционной камеры и на расстоянии Δ_H=(0,0÷0,3)L_KH для случая расположения торцев эжекционных насадок за пределами эжекционной камеры.

Изобретение поясняется чертежами, где: на фиг. 1 - представлен общий вид калибратора в продольном разрезе, на фиг. 2 - общий вид корпуса калибратора, на фиг. 3 - поперечное сечение начала эжекционной камеры и на фиг. 4 - поперечное сечение конца эжекционной камеры.

Предложенный калибратор включает полый корпус 16 с выполненными в нем выходными 8 и входными 10 эжекционными каналами. Для создания герметизации канала 10 используется специальная заглушка 9. На наружной поверхности корпуса 16 выполнены чередующимися через одну длинные и укороченные лопасти 12, армированные породоразрушающими элементами 11. В укороченных лопастях 12 размещены эжекционные каналы 10 и 8. На выходе выходных эжекционных каналов 8 установлены эжекционные насадки 7. Верхняя часть корпуса выполнена с эжекционными камерами длинной L_K, каждая из которых образована межлопастным пространством верхней части калибратора (дном межлопастного пространства, боковыми стенками калибрующих лопастей на наружной поверхности корпуса) и стенкой скважины и состоит из двух участков: начального L_KH и конечного L_KK, длина которого связана с общей длинной эжекционной камеры L_K соотношением L_KK=(0,55÷0,85)L_K. Данное соотношение длин этих участков обеспечивает предварительное поджатие и ускорение струи промывочной жидкости перед входом в затрубное пространство, обеспечивая, тем самым требуемую скорость восходящего потока промывочной жидкости.

Обязательным моментом является обеспечение условия при котором (r₁β₁+r₂β₂)=(0,22÷0,65)(r₁α₁+r₂α₂), где: r₁ - внешний радиус калибратора; r₂ - радиус корпуса калибратора, α₁ - угол между крайними внешними точками, расположенными на наружном диаметре калибратора со стороны внутренних поверхностей двух смежных длинных лопастей начального участка эжекционной камеры; α₂ - угол между крайними внутренними точками, расположенными на внешнем диаметре корпуса калибратора со стороны внутренних поверхностей двух смежных длинных лопастей начального участка эжекционной камеры. β₁ - угол между крайними внешними точками, расположенными на наружном диаметре калибратора со стороны внутренних поверхностей двух смежных длинных лопастей конечного участка эжекционной камеры; β₂ - угол между крайними внутренними точками, расположенными на внешнем диаметре корпуса калибратора со стороны внутренних поверхностей двух смежных длинных лопастей конечного участка эжекционной камеры.

Экспериментально установлено, что при (r₁β₁+r₂β₂)>0,65(r₁α₁+r₂α₂) происходит частичное падением скорости поднимающихся с забоя потоков промывочной жидкости, обогащенных выбуренной породой, а эжекционные потоки, истекающие из эжекционных насадок, не подхватывают, а вновь разгоняют и ускоряют их. При этом не удается создать достаточного разряжения на поверхности забоя, позволяющего существенно улучшить производительность работы бурового инструмента.

В тоже время при (r₁β₁+r₂β₂)<0,22(r₁α₁+r₂α₂) эжекционные насадки калибратора создают избыточное разрежение в зоне забоя, что негативно влияет на движение потоков промывочной жидкости проходящих через гидромониторные насадки долота и дезорганизует работу промывочной системы бурового инструмента в целом.

Достижению указанного технического результата способствует также и то, что эжекционные насадки расположены таким образом, что эжекционные насадки размещены таким образом, что в случае размещения их внутри эжекционной камеры торцы их выходных отверстий расположены на расстоянии Δ_B=(0,0÷0,37)L_KH относительно начала эжекционной камеры и на расстоянии Δ_H=(0,0÷0,3)L_KH для случая расположения торцев эжекционных насадок за пределами эжекционной камеры. Данные соотношения позволяют наиболее эффективно разгонять и эжектировать восходящие с забоя потоки промывочной жидкости обогащенной шламом, направляя их в затрубное пространство со значительно большей скоростью, нежели при использовании обычного калибратора. Расположение эжекционных насадок относительно начала эжекционной камеры в основном зависит от крепости и вязкости разбуриваемых пород.

Принцип работы калибратора сводится следующему. При осуществлении вращения колонны бурильных труб с закрепленным на них буровым долотом 1, его шарошки 4, вращаясь на цапфах 3 лап 2, перемещаются по забою и своим зубчатым вооружением 5 под действием крутящего момента и вертикальной нагрузки на инструмент, разбуривают породу забоя, одновременно осуществляя калибрование стенки скважины. В свою очередь промывочная жидкость, которая прокачивается через внутреннюю пространство колонны бурильных труб и инструмента 15, эвакуирует шлам из зоны работы долота.

Для интенсификации процесса очистки инструмента и всей призабойной зоны в целом непосредственно над долотом устанавливается калибратор. Промывочная жидкость, проходя сквозь внутренне пространство калибратора 13, достигает подпорной насадки 6, которая создает определенное гидравлическое сопротивление и соответственно давление во внутренней зоне калибратора заставляющего промывочную жидкости двигаться во входной 10 и далее выходной 8 эжекционные каналы. Далее промывочная жидкость через эжекционную насадку 7 попадает в эжекционную камеру, образованную стенками скважины, корпусом калибратора и его двух смежных длинных лопастей 12. В этой зоне потоки промывочной жидкости, исходящие из эжекционных насадок 7, смешиваются с более медленными восходящими потоками промывочной жидкости, обогащенной разрушенной породой, поднимающейся с поверхности забоя скважины сквозь межлопастные пространства 14. В результате этого взаимодействия потоков возникает общий эжектированный поток, обладающий значительно большей скоростью и подъемной силой нежели восходящий с забоя. Помимо этого, в призабойной зоне создается относительное разряжение, которое не только способствует улучшению очистки призабойной зоны, но и к вскрытию массива разбуриваемой породы за счет уменьшения дифференциального давления на забой.

Все это позволяет улучшить эффективность очистки забоя от шлама и тем самым повысить скорость бурения и проходку.

Данный калибратор может использоваться при бурении не только совместно с шарошечными долотами, но и любыми другими видами и типами бурового инструмента.