Результат интеллектуальной деятельности: ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ПАУК

Изобретение относится к устройствам для очистки забоя скважины и извлечения посторонних предметов.

Оно может быть использовано в буровой технике как устройство для удаления мелких предметов, шлама и других посторонних веществ, загрязняющих скважину.

Известен гидромеханический паук [1], состоящий из переводника, в верхней части которого установлен кожух, образующий вместе с переводником шламометаллоуловитель, а по бокам имеющий отверстия для установки стопорных шпилек и прохождения промывочной жидкости. Внутри переводника размещен поршень, который верхней частью связан с корпусом захвата. В пазы корпуса захвата вставлены подвижные захватывающие зубья, перекрытые накладками. Имеется шар, который сбрасывают в колонну. Имеются срезные шпильки, крепящие корпус захвата, толкатель и захватывающие зубья паука. Под поршнем имеется толкатель.

Устройство металлоемко, многоэлементно, сложно в исполнении, оно усложнено использованием накладок на каждый зуб паука, а зубья паука выполнены изолированными друг от друга, размещены в пазах и закреплены срезными шпильками. Взаимодействия элементов многооперационны.

Известен гидравлический паук [2], состоящий из корпуса, цилиндра, фигурной крышки с каналом, перекрытым диафрагмой и упорной гайкой. Внутри корпуса размещены поршень со штоком. Для герметизации камеры имеются уплотнения. Нижняя часть штока поршня опирается на толкатель, который через фигурные вставки, находящиеся в окнах корпуса, и болты передает усилие захватным зубьям, находящимся в продольных пазах наружной поверхности корпуса. Для предохранения зубьев от изгиба и повреждений они прикрыты наружными накладками, имеющими в нижней части скос, направляющий зубья под находящийся на забое металл. Верхняя часть корпуса связана с упорным фланцем.

Диафрагма установлена в корпусе под поршнем и образует камеру, гидравлически связанную через каналы со скважинным пространством. В камере установлены фильтр и боек, над которым размещен привод, выполненный в виде подпружиненного пружиной штока ударника с грузом и торсом или кабелем.

Устройство усложнено, металлоемко, зубья по одному закреплены на корпусе, на каждом зубе накладка, взаимосвязь элементов сложна и многочисленна. Устройство в связи с этим дорогостояще и не надежно в работе, т.к. не гарантирует, что при движении поршня, толкателя через фигурные вставки выдвинутся захватывающие зубья в связи с возможным срезанием болтов, их соединяющих, в результате резкого движения взаимосвязанных элементов устройства после достижения им забоя.

Известен инструмент для извлечения посторонних предметов из скважины [3], состоящий из корпуса с отверстиями для промывочной жидкости и присоединительной резьбы. Корпус выполнен из бурильной трубы, в нижней части которой имеются лепестки с породоразрушающими зубками в нижней конусной части. Рабочие лепестки имеют в нижней части угол схождения и внутреннюю проточку, расположенную выше начала конуса, заданного углом схождения и обеспечивающего двухконусность лепестков при их схождении.

Устройство недостаточно надежно в работе и сложно в исполнении, т.к. готовится из целого куска трубы, корпус переменного сечения, вырезка лепестков предложенной формы с проточками в нижней конусной части и армированием породоразрушающими зубками не проста и в случае разрушения лепестков или его частей - ремонтонепригодно. В процессе вращения устройства на забое лепестки должны за счет центробежных сил расходиться, и работа зубков должна ограничится срезанием породы в пристенной области скважины. При увеличении осевой нагрузки двухконусность должна придать лепестку в нижней части форму раскрытого по бокам бочонка. Следовательно, устройство способно удержать крупные предметы. Мелкие должны выходить в эти раскрытия.

В качестве прототипа взято устройство [4]. Оно содержит корпус, верхняя часть которого связана с переводником, а нижняя - с направляющим башмаком. Внутри корпуса установлен поршень, связанный со штоком. Нижняя часть поршня соединена с зубьями паука. Направляющий башмак оснащен твердосплавными вставками и имеет промывочные окна. Верхняя часть штока выполнена со шлицами (шпонкой), что предотвращает его проворот относительно корпуса. Внутри штока установлена втулка, закрепленная срезным штифтом. В действие паук приводится при помощи сбрасываемого шара. В корпусе выполнено одно дренажное отверстие. Устройство представляет собой гидромеханический паук и является наиболее близким из известных по технической сущности решением. Но устройство осложнено конструктивно: корпус имеет переменное сечение; он многоэлементен и в связи с этим многооперационен; зубья паука выполнены в виде одиночных элементов, которые внутри корпуса с поршнем по одному соединены болтами; головка болта находится на внутренней поверхности зуба, зубья размещены вдоль корпуса с зазором между внутренней поверхностью корпуса и внешней - зуба, что приводит к появлению вибрации зубьев, засорению пространства между зубом и корпусом и за счет этого может измениться угол отклонения зубьев, что усложнит процесс смыкания их и резку керна, сложно-напряженному состоянию в месте закрепления зубьев и развинчиванию болтов от вибрации и от усилий смещения зубьев в процессе (5-10 мин) вращения при внедрении паука в забой; башмак выполнен отдельно от корпуса, сложной формы, с корпусом соединен резьбой, дополнительно имеет промывочные окна. Он имеет ограничение в применении, т.к. должен обеспечить подрезку керна, т.е. должен, не разрушая центральную часть породы, внедриться в забой на несколько сантиметров, а центральную часть породы в виде керна затем подрезают зубья и таким образом на рыхлом забое теряется смысл его применения.

Технической задачей изобретения является упрощение устройства для очистки забоя скважины от мелких предметов, удешевление его компановки, повышение технологичности, улучшение ремонтопригодности.

Технический результат достигается тем, что гидромеханический паук, как и известный, содержащий корпус, верхняя часть которого связана с переводником, соединенным с бурильной колонной, размещенный внутри корпуса поршень, выполненный с возможностью перекрытия проходного сечения его канала сбросовым шаром, зубья, втулку, при этом корпус выполнен с дренажным отверстием, отличающийся тем, что корпус имеет цилиндрическую форму и в нем выполнено дополнительное дренажное отверстие, нижняя торцевая часть корпуса офрезерована в форме направляющего башмака, поршень размещен под переводником вплотную к нему и соединен с корпусом срезными стержнями, втулка выполнена разрезной, состоящей из двух частей листового материала и имеет вдоль соединяемых кромок отгибы, поршень выполнен с пазами вдоль нижней внешней боковой поверхности, в которые вставлены отгибы втулки после смыкания кромок, зубья в виде лепестков выполнены в нижней части разрезной втулки, нижняя торцевая часть корпуса в форме направляющего башмака имеет наклонную поверхность с внутренней стороны, выполненную под углом смыкания зубьев в виде лепестков и фаску со стороны внешней поверхности, оснащенную твердосплавными элементами многогранной формы, причем верхняя часть разрезной втулки размещена плотно в зазоре между корпусом и поршнем и закреплена на поршне болтами с внешней стороны поршня.

Сопоставительный анализ с прототипом показал, что предлагаемое изобретение отличается тем, что корпус выполнен не переменного сечения, а цилиндрической формы, что значительно упрощает технологию его изготовления: в корпусе выполнены не одно, а два дренажных отверстия, что позволяет более эффективно, оперативно сбросить давление жидкости над поршнем и тем самым более прогнозируемо производить остановку устройства на забое на заданной глубине внедрения; устройство не имеет направляющего башмака, изготовленного отдельно и навинчиваемого к корпусу, как в прототипе, вместо этого нижняя торцевая часть самого корпуса офрезерована в форме направляющего башмака, для этого внутренняя поверхность выполнена с наклоном под углом смыкания зубьев, выполненных в форме лепестка, а внешняя поверхность имеет фаску, которая оснащена твердосплавными элементами многогранной формы, что позволяет значительно упростить технологический процесс изготовления устройства и удешевить его.

В отличие от прототипа, где поршень расположен под переводником, но между ними размещен - шток со шлицами, в штоке установлена втулка, закрепленная срезным штифтом, в предлагаемом изобретении поршень расположен непосредственно под переводником вплотную и соединен в корпусе стержнями, что также существенно и упрощает и удешевляет и устройство и технологию сборки его и эксплуатацию. В отличие от прототипа, где зубья выполнены в виде одиночных элементов в виде ножей, поштучно закреплены болтами на поршне, с внутренней стороны поршня, и с зазором между корпусом и поршнем, что усложняет и удорожает и устройство и технологию изготовления и делает процесс извлечения предметов с забоя ненадежным, в предлагаемом изобретении зубья выполнены в виде лепестков, что достаточно для удержания мелких предметов, попавших на забой, и породы, которая находится в разрыхленном виде. Зубья-лепестки выполнены на втулке, в нижней части ее, что значительно улучшает их работу, т.к. нет сложнонапряженного состояния в узлах сопряжения элементов, зубья-лепестки на втулке перемещаются вплотную вдоль внутренней поверхности корпуса без вибрации и изгибов (как в прототипе), за счет того, что болты соединяют поршень с втулкой с внешней стороны поршня, не существует опасности развинчивания.

Существенным отличием от прототипа является и то, что втулка выполнена разрезной и из листа. Все ранее существующие пауки были изготовлены из труб и неразъемные. Такое решение имеет несколько положительных моментов: из листа можно изготовить втулку с зубьями-лепестками на оправке и в полевых условиях, на месте работы устройства на буровой, что особенно удобно, если потребуется замена зубьев, если необходимо сменить форму зубьев или их размер, как и саму втулку; затем втулка имеет отгибы, которые придают жесткость втулке в целом и упрощают способ соединения и закрепления в поршне ее половинок. Следовательно, предлагаемое изобретение обладает «новизной» и «существенными отличиями».

При сравнении с другими [5-7] известными устройствами того же назначения не выявлено признаков, сходных с заявляемым. Практическая применимость изобретения доказана проверкой в эксплуатационных условиях устройства. Внедрение предполагается в ООО «БИТТЕХНИКА» и других родственных предприятиях того же назначения.

На фиг.1 показана компановка гидромеханического паука до спуска в скважину, в разрезе. На фиг.2 - сечение А-А на фиг.1, на фиг.3 показана втулка разрезная с отгибами на боковых поверхностях и с зубьями-лепестками внизу, в разрезе. На фиг.4 - показано устройство после захвата предметов и породы с забоя и смыкания зубьев-лепестков в момент подъема на поверхность из скважины, в разрезе.

Устройство состоит из корпуса 1 цилиндрической формы, переводника 2, соединенного с корпусом резьбой, или болтом 3, в корпусе 1 выполнена два дренажных отверстия 4, внутри корпуса размещены поршень 5 и втулка 6 с зубьями-лепестками 7, (фиг.3), втулка 6 разрезная и имеет вдоль соединяемых кромок отгибы 8, в поршне 5 вдоль нижней боковой поверхности выполнены пазы 9, в которые вставлены отгибы 8 (фиг,2), нижний торец корпуса 1 имеет форму направляющего башмака с наклонными поверхностями 10 внутри корпуса 1, и 11 - снаружи, поверхность 11 оснащена твердосплавными элементами многогранной формы 12, поршень 5 с корпусом 1 соединены срезными стержнями 13, втулка 6 с поршнем 5 соединены болтами 14 с внешней стороны поршня и размещена плотно в зазоре между корпусом и поршнем. К переводнику подсоединена бурильная колонна труб 15. Использован при очистке забоя сбросовый шар 16 (фиг.4).

Устройство работает следующим образом.

Посредством переводника 2 устройство соединяется с бурильной колонной 15 (фиг.1) и спускается на забой скважины. При вращении на забое устройство через бурильные трубы промывает скважину, а вращение корпуса 1 за счет оснащения его твердосплавными элементами многогранной формы 12 и конусообразности поверхностей 10 и 11 корпуса в его нижней части, придающей ей форму направляющего башмака, приводит к оттеснению посторонних предметов на забое к центру, углублению корпуса в забой и заполнению нижнего пространства корпуса имеющимися на забое предметами (шариками, роликами, опорами долот, зубьями, мелкими узлами кернователей, твердосплавными долотами и т.д.) и породой. Затем в бурильные трубы 15 сбрасывают шар 16, фиг.4, который перекрывает проходное сечение канала поршня 5. Избыточное давление промывочной жидкости срезает стержни 13, соединяющие поршень 5 с корпусом 1. Поршень 5 опускается в нижнее положение, открывая дренажные отверстия (фиг.4) в корпусе 1, выдвигая зубья-лепестки 7 на втулке 6. Зубья-лепестки 7 по наклонным поверхностям 10 корпуса 1 перемещаются до их смыкания под предметами и взрыхленной породой, находящимися на забое скважины (фиг.4). Устройство поднимается вверх, освобождается от захваченного материала на забое, разбирается, очищается от остатков посторонних предметов и подготавливается для нового спуска. При необходимости заменяется втулка 6, которая может быть изготовлена на месте проводимых работ по очистке забоя в скважине. Устройство - гидравлический паук выполнено из металла. Корпус выполнен из стали 40Х. Втулка выполнена из ст.3. Твердосплавные элементы - из ВК8. Многогранность элементов обусловлена увеличением эффективности разрыхления породы и, следовательно, увеличением производительности процесса очистки забоя скважины от посторонних предметов и породы. Втулка выполнена на специальной оправке, из листа толщиной 1 мм из двух половинок. Предварительно нарезаются зубья-лепестки и формируются отгибы. Отгибы по линии отгиба сгибаются вдоль соединяемых кромок в сторону внутренней поверхности втулки. Кромки соединяют и вставляют в пазы, выполненные вдоль внешней поверхности поршня. Получают прочное соединение втулки с поршнем, увеличивают жесткость втулки, т.к. отгибы выполняют роль ребер жесткости.

Гидромеханический паук по сравнению с прототипом имеет следующие преимущества:

- устройство значительно менее металлоемко;

- устройство значительно технологичней в связи с упрощением конструкции, минимизации количества элементов и операций по его изготовлению и эксплуатации: нет надобности выполнять направляющей башмак как отдельный элемент; зубья выполнены на втулке, что ограничивает операцию по их многократной установке в корпусе; втулка выполнена разрезной, что позволяет упростить и облегчить операцию по ее изготовлению и установке; за счет того что болты, соединяющие поршень со втулкой, закрепляют элементы с внешней стороны поршня, гарантируется, что они в процессе эксплуатации устройства не вывинтятся и обеспечат более надежную работу его. Втулка выполнена не из трубы, как это делалось ранее, а из листового материала, что значительно удешевляет как сам материал втулки, так и работы по ее изготовлению; устройство содержит 4 основных элемента (переводник, корпус, поршень и втулку с зубьями-лепестками) вместо 7 элементов (в прототипе);

- устройство улучшает ремонтопригодность, т.к. после подъема на поверхность потребуется только заменить стержни, крепящие поршень к корпусу, и, если есть деформированные зубья-лепестки, втулку или одну из ее половинок в зависимости от места положения дефектных зубьев-лепестков, причем изготовление и замена осуществляется оперативно и рядом со скважиной, забой которой загрязнен и требует очистки.

Источники информации

1. И.П.Пустовойтенко. Предупреждение и ликвидация аварий в бурении. М.: Недра, 1988 г., с.220-221 (аналог).

2. А.С. №798273, МКИ Е 21 В 31/04, от 24.10.77 г. (аналог).

3. А.С. №641071, МКИ Е 21 В 31/00, от 19.07.73 г. (аналог).

4. А.С. №817209, МКИ Е 21 В 31/00, от 16.03.79 г. (прототип).

5. И.П.Пустовойтенко. Предупреждение и ликвидация аварий в бурении. М.: Недра, 1988 г., с.221-223. (аналог).

6. А.С. №721518, МКИ Е 21 В 31/04, от 11.05.77 г. (аналог).

7. А.С. №802522, МКИ Е 21 В 31/50, от 30.01.79 г. (аналог).