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TECHNISCHES GEBIET
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Diese Anmeldung betrifft allgemein Verfahren und Vorrichtungen zum Abschwächen von Bohrlochtorsionsschwingung in einem sich bewegenden rohrförmigen Bohrlochelement wie etwa in einem Bohrstrang, der sich dreht, wie etwa während eines Bohrvorgangs. Einige Ausführungsformen betreffen insbesondere Verfahren und Vorrichtungen zum Abschwächen von Bohrlochtorsionsschwingung in Bohrsträngen mithilfe von hydraulischen Mechanismen zum Dämpfen dieser Schwingungen.
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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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Bohrlöcher für die Kohlenstoff-(Öl- und Gas-)Produktion sowie für andere Zwecke werden normalerweise mit einem Bohrstrang gebohrt, der ein rohrförmiges Element (auch als Bohrgestänge bezeichnet) beinhaltet, das eine Bohrbaugruppe aufweist, die einen Bohrmeißel beinhaltet, der an einem unteren Ende davon angebracht ist. Der Bohrmeißel wird gedreht, um Material der Felsformation abzuscheren oder auseinander zu brechen, um das Bohrloch zu bohren.
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Torsionsschwingung im Bohrstrang und in Bohrlochbohrwerkzeugen, die einen Teil des Bohrstrangs bilden, ist ein unerwünschtes Phänomen, das häufig während des Bohrens auftritt. Es kann Vorfälle wie etwa, ohne darauf beschränkt zu sein, Abdrehungen, Lösungsschüsse und Versagen von Komponenten der Bohrgarnitur (BG) nach sich ziehen. Torsionsschwingungen können auch Messungen beeinflussen, die bei Measuring-while-Drilling(MWD, Messen während des Bohren)-Vorgängen vorgenommen werden.
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Torsionsschwingung wird in der Regel durch Schwankungen der Drehzahl (U/min) der Drehbaugruppe verursacht, die den Bohrstrang umfasst, was häufig als Halt-Gleit-Phänomen auftritt. Halt-Gleit-Verhalten kann durch eine Reihe von Ursachen, darunter laterale Schwingungen und Veränderungen im Gesteinsformationstyp induziert werden.
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Laterale Schwingungen können bewirken, dass ein Bohrmeißelkasten und/oder Bohrstrangstabilisatoren in mehr oder weniger engen Kontakt mit einer Bohrlochwand geraten. Reibung zwischen dem Bohrstrang und der Formation aufgrund des Kontakts dieser Komponenten mit dem Bohrloch verursacht häufig Schwankungen der Drehzahl und regt so eine Torsionsschwingung im Bohrstrang an. Ebenso können Schwankungen in der Härte der Formation am Bohrloch zu Schwankungen in der freien Bewegung von Vollkaliberstabilisatoren im Bohrstrang führen und so die Drehzahl des Bohrstrangs intermittierend schwanken lassen. Diese Schwankungen der Drehzahl des Bohrstrangs sowie Drehmomentstoßimpulse, die sich am Bohrstrang aufgrund von Torsionsschwingung und/oder dem zugehörigen Halt-Gleit-Phänomen fortpflanzen, beeinträchtigen die strukturelle Integrität der Bohrstrangkomponenten und können ein Versagen der Bohrstrangkomponenten verursachen oder beschleunigen.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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In beispielhafter und nicht einschränkender Weise werden einige Ausführungsformen in den Figuren der begleitenden Zeichnungen dargestellt; es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Bohrinstallation mit einer Bohrvorrichtung, die eine Bohrlochtorsionsschwingungsabschwächung bereitstellt, gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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2–4 schematische dreidimensionale Ansichten einer Bohrvorrichtung, die einen Bohrstrangstabilisator mit einem integrierten Torsionsschwingungsabschwächungsmechanismus gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst, wobei in Umfangsrichtung bewegliche Stabilisierungselemente in 4 im Verhältnis zu ihren Positionen aus 2 und 3 winkelig verschoben gezeigt sind.
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5 eine schematische Endansicht einer Bohrvorrichtung gemäß dem Ausführungsbeispiel aus 3.
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6 eine Längsschnittansicht einer Bohrvorrichtung gemäß dem Ausführungsbeispiel aus 3 entlang der Linie 6-6 aus 5.
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7 eine schematische dreidimensionale Ansicht einer Keilnabe, die einen Teil einer Bohrvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel bildet.
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8 eine schematische Endansicht der beispielhaften Keilnabe aus 7.
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9 eine schematische Längsschnittansicht der Keilnabe aus 7 und 8 entlang der Linie 9-9 aus 8.
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10A und 10B schematische Endschnittansichten einer Bohrvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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11 und 12 jeweils Teilendansichten einer Bohrvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, die schematisch den Betrieb einer beispielhaften gefederten Dämpferanordnung darstellen, die einen Teil der Bohrvorrichtung zum Dämpfen von Bohrlochtorsionsschwingung bildet.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Die folgende ausführliche Beschreibung beschreibt Ausführungsbeispiele der Offenbarung unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren, die verschiedene Einzelheiten von Beispielen darstellen, die zeigen, wie die Offenbarung umgesetzt werden kann. Die Erörterung thematisiert unter Bezugnahme auf diese Zeichnungen verschiedene Beispiele neuartiger Verfahren, Systeme und Vorrichtungen und beschreibt die dargestellten Ausführungsformen ausführlich genug, damit einschlägige Fachleute den offenbarten Gegenstand umsetzen können. Neben den hier erörterten veranschaulichenden Beispielen können viele weitere Ausführungsformen verwendet werden, um diese Techniken umzusetzen. Es können strukturelle und betriebliche Änderungen zusätzlich zu den spezifisch hier erörterten Alternativen vorgenommen werden, ohne vom Umfang dieser Offenbarung abzuweichen.
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In dieser Beschreibung soll die Bezugnahme auf „eine Ausführungsform” oder „ein Beispiel” in dieser Beschreibung nicht zwingend auf dieselbe Ausführungsform oder dasselbe Beispiel verweisen; allerdings schließen diesen Ausführungsformen einander auch nicht aus, solange dies nicht entsprechend angegeben ist oder für einschlägige Durchschnittsfachleute mit dem Vorteil dieser Offenbarung auf der Hand liegt. Somit können verschiedene Kombinationen und/oder Integrationen der hier beschriebenen Ausführungsformen und Beispiele einbezogen sein, ebenso wie weitere Ausführungsformen und Beispiele, wie sie im Umfang aller Ansprüche auf Grundlage dieser Offenbarung sowie dem aller rechtlichen Äquivalente dieser Ansprüche definiert sind.
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Gemäß einer Ausführungsform stellt die Offenbarung einen Vollkaliberstabilisator mit Stabilisatorelementen bereit, die am Bohrstrang angebracht sind, um den Bohrstrang an einer Bohrlochwand zu stabilisieren, wobei die Stabilistaorelemente in beschränktem Maße in Umfangsrichtung am Bohrstrang verschiebbar sind, wobei ein hydraulischer Dämpfungsmechanismus auf die Stabilisierungselemente einwirkt, um eine Umfangsbewegung des Bohrstrangs im Verhältnis zu den Stabilisierungselementen zu dampfen und dadurch Torsionsschwingung des Bohrstrangs zu dampfen. 1 ist eine schematische Ansicht einer Bohrinstallation 100, die ein Ausführungsbeispiel eines Bohrlochtorsionsschwingungsabschwächungsmechanismus darstellt, der in diesem Beispiel durch eine Bohrvorrichtung in der Beispielform einer Stabilisatorvorrichtung 150 bereitgestellt wird, die in einen Bohrstrang 108 eingebaut ist. Die Bohrinstallation 100 beinhaltet ein unterirdisches Bohrloch 104, in dem der Bohrstrang 108 angeordnet ist. Der Bohrstrang 108 kann verbundene Bohrgestängeabschnitte umfassen, die von einer Bohrplattform 112 herabhängen, die an einem Bohrlochkopf 130 befestigt ist. Eine Bohrlochbaugruppe oder Bohrgarnitur (BG) 122 an einem unteren Ende des Bohrstrangs 108 kann einen Bohrmeißel 116 beinhalten, um Erdformationen an einem vorderen Ende des Bohrstrangs 108 auseinander zu brechen, um das Bohrloch 104 zu führen. Der Bohrstrang 108 kann ferner einen oder mehrere Ausräumer (nicht dargestellt) oberhalb des Bohrmeißels 116 beinhalten, um das Bohrloch 104 zu erweitern.
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Das Bohrloch 104 ist somit ein länglicher Hohlraum, der im Wesentlichen zylindrisch ist und einen im Wesentlichen kreisförmigen Querschnittumriss aufweist, der über die Länge des Bohrlochs 104 hinweg mehr oder weniger konstant bleibt. Das Bohrloch 104 kann in einigen Fällen oder an einigen Teilen seiner Länge geradlinig sein, kann jedoch häufig eine oder mehrere Krümmungen, Biegungen, Kurven oder Winkel entlang seiner Länge beinhalten. In Verbindung mit dem Bohrloch 104 und den darin angeordneten Komponenten bedeutet die Längsachse oder „Achse” des Bohrlochs 104 (und damit des Bohrstrangs 108 oder eines Teils desselben) die Mittellinie des zylindrischen Bohrlochs 104. „Axial” im hier verwendeten Sinne bezeichnet eine Richtung entlang einer Linie, die an der relevanten Stelle oder dem erörterten Abschnitt des Bohrlochs 104 im Wesentlichen parallel zur Längsrichtung des Bohrlochs 104 ist.
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Verwandte Begriffe, die Richtungen der Bewegung angeben, stehen im Verhältnis zu der Achse des Bohrlochs 104, soweit nicht anders angegeben oder vom Kontext vorgegeben. „Radial” beispielsweise bezeichnet eine Richtung im Wesentlichen entlang einer Linie, die die Bohrlochachse schneidet und in einer Ebene im Wesentlichen senkrecht zur Bohrlochachse liegt. „Tangential” bezeichnet eine Richtung im Wesentlichen entlang einer Linie, die die Bohrlochachse nicht schneidet und in einer Ebene senkrecht zur Bohrlochachse liegt. „In Umfangsrichtung” bezeichnet einen im Wesentlichen bogenförmigen oder kreisförmigen Weg, der bei Drehung um die Bohrlochachse in einem im Wesentlichen konstanten Radius beschrieben wird. Die Begriffe „drehend” oder „winkelig” bezeichnen ebenso eine Drehung, in der Regel in einem konstanten Radius, um die Längsachse. „Drehend” im hier verwendeten Sinne bezeichnet sowohl eine volle Drehung (d. h. über 360° oder mehr) als auch eine Teildrehung.
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Bohrfluid (z. B. Bohr-„Schlamm” oder andere Fluide, die sich im Bohrloch befinden können) wird von einem an den Bohrlochkopf 130 gekoppelten Bohrfluidbehälter (beispielsweise einer Speichergrube) mithilfe einer Pumpe zirkuliert, die das Bohrfluid durch eine Bohrstrangbohrung herab treibt, die durch ein hohles Inneres des Bohrstrangs 108 bereitgestellt wird. Das Bohrfluid tritt unter hohem Druck aus dem Bohrmeißel 116 aus. Nach dem Austreten aus dem Bohrstrang 108 nimmt das Bohrfluid einen Bohrlochringraum 134 ein, der zwischen einer radial äußeren Fläche des Bohrstrangs 108 und einer zylindrischen Bohrlochwand 106 definiert ist. Das Bohrfluid trägt Bohrklein vom Boden des Bohrlochs 104 zum Bohrlochkopf 130, wo das Bohrklein entfernt wird und das Bohrfluid zum Bohrfluidbehälter 132 zurückgeleitet werden kann.
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In einigen Fällen wird der Bohrmeißel 116 durch eine Drehung des Bohrstrangs 108 vom Bohrlochkopf 130 gedreht. Ein Bohrlochmotor (beispielsweise ein so genannter Schlammmotor oder Turbinenmotor, der einen Teil der BG 122 bildet) kann den Bohrmeißel 116 drehen. In einigen Ausführungsformen kann die Drehung des Bohrstrangs 108 selektiv von einem oder beiden von Oberflächenausrüstung und dem Bohrlochmotor bewirkt werden.
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Das System 102 kann ein Oberflächensteuersystem beinhalten, um Signale von Sensoren und Vorrichtungen zu empfangen, die in den Bohrstrang 108 eingebaut sind, und Steuersignale zum Steuern von Vorrichtungen und Werkzeugen zu senden, die in den Bohrstrang 108 eingebaut sind. Zu diesem Zweck kann der Bohrstrang 108 eine Mess- und Steuerbaugruppe 120 aufweisen, die in diesem Fall in die BG 122 eingebaut ist.
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Die beispielhafte Stabilisatorvorrichtung 150 wird nun unter Bezugnahme auf 2–11 ausführlicher beschrieben, wonach ihr Betrieb im Einsatz erörtert wird. Bezug nehmend auf 2 ist gezeigt, dass die Stabilisatorvorrichtung 150 gemäß diesem Ausführungsbeispiel eine allgemein rohrförmige Nabe 203 umfasst, die in Reihe im Bohrstrang 108 anbringbar ist, um sich mit dem Bohrstrang 108 zu drehen. Eine Anzahl von Schaufelelementen in der Beispielform von drei festen Schaufeln 227 ist an der Nabe 203 angebracht und drehend mit der Nabe 203 verkeilt, um sich einer relativen Drehung der festen Schaufeln 227 im Verhältnis zur Nabe 203 zu widersetzen. Die festen Schaufeln 227 sind in Umfangsrichtung in regelmäßigen Abständen um die Nabe 203 beabstandet und bilden in Umfangsrichtung beabstandete, sich allgemein in Längsrichtung erstreckende Öffnungen zwischen sich.
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Ein Stabilisierungselement in der Beispielform eines beweglichen Blocks 230 ist in jeder der Öffnungen angebracht und springt radial aus der Nabe 203 vor, um in Eingriff mit der Bohrlochwand 106 zu treten, um die Nabe 203 und damit den Bohrstrang 108 in einem konstanten radialen Abstand von der Bohrlochwand 106 zu beabstanden und dadurch eine laterale Stabilisierung des Bohrstrangs 108 bereitzustellen. Die beweglichen Blöcke 230 sind derart an der Nabe 203 angebracht, dass sie im Verhältnis zu der Nabe 203 um ihre Längsachse winkelig verschiebbar sind.
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Die beweglichen Blöcke 230 sind in ihrer winkeligen Erstreckung kleiner als die entsprechenden Öffnungen und sind daher in den Öffnungen mit einem winkeligen Spiel angebracht und definieren einen gleichmäßigen kumulativen winkeligen Spalt zwischen den Umfangsenden jedes beweglichen Blocks 230 und den dazu benachbarten festen Schaufeln 227. Wie im Folgenden ausführlicher beschrieben wird, sind die beweglichen Blöcke 230 im Verhältnis zu den festen Schaufeln 227 drehend verschiebbar und springen radial weiter von der Nabe 203 vor als die festen Schaufeln 227, um im Betrieb mit der Bohrlochwand 106 in Eingriff zu treten. Ein Stoßabsorptions- oder Schwingungsisolationsmechanismus ist zwischen den beweglichen Blöcken 230 und den festen Schaufeln 227 vorgesehen, um Torsionsschwingung des Bohrstrangs 108 zu dämpfen. Der Eingriff von einem oder mehreren der beweglichen Blöcke 230 mit der Bohrlochwand 106 stellt vorübergehende oder vorläufige Ankerpunkte bereit, die eine Übertragung von Schwingungsdämpfungskraft über die festen Schaufeln 227 auf die Nabe 203 (und damit den Bohrstrang 108) ermöglichen.
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Die Nabe 203 weist einen hohlen Rohrkörper auf, der eine Zentralbohrung 200 definiert, die ein Reihensegment der Bohrung des Bohrstrangs 108 bildet, wenn die Stabilisatorvorrichtung 150 mit dem Bohrstrang 108 verbunden ist. Die Nabe 203 weist rohrförmige Endstrukturen 206 an ihren gegenüberliegenden Enden auf, wobei jede Endstruktur 206 eine Gewindemuffe 209 für einen Schraubeingriff mit benachbarten Abschnitten des Bohrstrangs 108 bereitstellt. Die Gewindemuffen 209 stellen somit Verbindungsstrukturen zum Anbringen der Nabe 203 am Bohrstrang 108 für eine angetriebene Drehung mit dem Bohrstrang 108 bereit.
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Die Nabe 203 stellt einen zylindrischen Sitz 210 bereit, auf dem die festen Schaufeln 227 und die beweglichen Blöcke 230 anbringbar sind, wobei der Sitz 210 durch eine erhöhte Fläche definiert ist, die radial von den rohrförmigen Endstrukturen 206 vorspringt. Unter kurzer Bezugnahme auf 7, die die Nabe 203 gesondert zeigt, ist zu erkennen, dass eine Sitzfläche, die von der radial äußeren zylindrischen Fläche des Sitzes 210 bereitgestellt wird, eine Vielzahl von Verkeilungsstrukturen in der Beispielform von sich in Längsrichtung erstreckenden Auskehlungen 215 bereitstellt, deren Querschnitt halbkreisförmig ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist ein Paar von in Umfangsrichtung beabstandeten Auskehlungen 215 für jede feste Schaufel 227 vorgesehen.
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Zurückkehrend zu 2 ist zu erkennen, dass die jeweiligen festen Schaufeln 227 je ein Paar Kanäle 224 aufweisen, die mit der Beabstandung und dem Durchmesser der Auskehlungen 215 übereinstimmen. In diesem Ausführungsbeispiel umfasst jede feste Schaufel 227 einen teilweise ringförmigen zylindrischen Körper, der eine teilweise zylindrische radial äußere Lagerfläche 236 aufweist, um im Gebrauch mit der Bohrlochwand 106 in Eingriff zu treten, und eine konzentrische teilweise zylindrische Innenfläche für eine sattelartige Aufnahme auf dem Sitz 210 aufweist. Die Kanäle 224 sind an der Innenfläche der festen Schaufel 227 vorgesehen, derart, dass ein länglicher zylindrischer Hohlraum definiert wird, wenn eine Auskehlung 215 und ein passender Kanal 224 in Übereinstimmung gelangen.
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Ein länglicher kreisförmiger zylindrischer Führungsstift 218, der sowohl zu den Auskehlungen 215 als auch den Kanälen 224 komplementär ist, ist in jeder Auskehlung 215 aufgenommen und verkeilt die entsprechende feste Schaufel 227 drehend mit der Nabe 203.
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Wie unter Bezugnahme auf 6–8 zu erkennen ist, stellt die Nabe 203 eine Anschlagstruktur 618 in der Beispielform eines erhöhten, teilweise konischen Kragens an einem Ende des Sitzes 210 bereit. Die Anschlagstruktur 618. Erfüllt in diesem Ausführungsbeispiel eine zweifache Funktion. Erstens stellt die Anschlagstruktur 618 eine axiale Schulter bereit, an der die festen Schaufeln 227 anliegen, um die axiale Bewegung der festen Schaufeln 227 vom Sitz 210 weg an diesem Ende einzuschränken. Zweitens verschließt die Anschlagstruktur 618 die entsprechenden Enden der Auskehlungen 215, um ein Blindende 612 (siehe 6) der Auskehlungen 215 an deren Enden zu bilden, die der Anschlagstruktur 618 entsprechen. Gegenüberliegende Enden der Auskehlungen 215 (und damit die zusammengesetzten Stifthohlräume, die von den Auskehlungen 215 und Kanälen 224 gemeinsam definiert werden) sind offen und stellen einen Mund 606 der zusammengesetzten Hohlräume bereit.
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Die Stabilisatorvorrichtung 150 umfasst ferner einen Sicherungsring 221, der an eine zylindrische Außenfläche der Endstruktur 206 gegenüber der Anschlagstruktur 618 geklemmt ist und an entsprechenden Enden der festen Schaufeln 227 anliegt. Die festen Schaufeln 227 sind damit axial zwischen der Anschlagstruktur 618 und dem Sicherungsring 221 angeordnet und werden axial am Sitz 210 festgehalten. Der Sicherungsring 221 deckt auch die Münder 606 der Stifthohlräume ab und hält die Führungsstifte 218 in ihren Hohlräumen.
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Das Anbringen der festen Schaufeln 227 am Sitz 210 kann somit Anordnen der Führungsstifte 218 in ihren jeweiligen Auskehlungen 215, derart, dass innere Enden der Führungsstifte 218 an 618 ruhen, Schieben der festen Schaufeln 227 axial über den Sitz 210, derart, dass die Führungsstifte 218 axial an den Kanälen entlang gleiten, und Einklemmen des Sicherungsrings 221 umfassen, um die festen Schaufeln 227 und die Führungsstifte 218 am Sitz 210 zu halten. Es sei angemerkt, dass die gegenüberliegenden Enden der beweglichen Blöcke 230 axial beabstandet vom Sicherungsring 221 und von der Anschlagstruktur 618 sein können, um eine Bewegung der beweglichen Blöcke 230 im Verhältnis zur Nabe 203 zuzulassen.
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Die Winkel- oder Drehbewegung der beweglichen Blöcke 230 im Verhältnis zur Nabe 203 in einer Umfangsrichtung wird durch teilweise kreisförmige oder bogenförmige Kolben 233 geführt, die verschiebbar in komplementären zugehörigen Fluidzylindern 304 aufgenommen sind. (siehe z. B. 3). In diesem Beispiel stellt jeder bewegliche Block 230 drei axial beabstandete, im Wesentlichen parallele integrierte Kolben 233 bereit, die in Umfangsrichtung von allen seinen Seiten vorspringen, wodurch insgesamt sechs Kolben 233 vorliegen. Die gekrümmten Kolben 233 (und der zusammenwirkende gekrümmte Zylinder 304) sind derart geformt und angeordnet, dass sie konzentrisch mit der Längsachse der Nabe 203 sind. Eine geführte gewinkelte Bewegung des beweglichen Blocks 230 erfolgt somit in Umfangsrichtung über den Sitz 210 gleitend auf einem teilweise kreisförmigen Weg, der konzentrisch mit der Längsachse ist.
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Während jeder bewegliche Block 230 Kolben 233 aufweist, die von seinen beiden Seiten vorspringen, weist auch jede feste Schaufel 227 ebenso drei Zylinder 304 auf jeder ihrer Seiten auf. Jede in Radialrichtung gewandte Seite jeder festen Schaufel 227 weist somit kreisförmige Öffnungen auf, die in die jeweiligen Zylinder 304 führen, wobei die entsprechenden Kolben 233 abdichtend und verschiebbar in die jeweiligen Zylinder 304 eingesetzt sind. Wie etwa in 3 zu erkennen ist, ist jeder Kolben 233 wie ein Zentrierzapfen in einer Hülse im zugehörigen Zylinder 304 aufgenommen.
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Die feste Schaufel 227 definiert an einem inneren Ende jedes Zylinders 304 eine Fluidkammer 308 mit einer reduzierten Querschnittsabmessung im Verhältnis zu einem Durchmesser des zugehörigen Zylinders 304. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Fluidkammer 308 zylindrisch und koaxial mit dem entsprechenden Zylinder 304 und weist einen kleineren Durchmesser als der Zylinder 304 auf, um eine Verengung in einem Fluidströmungsweg zu bilden, dessen Teil der Zylinder 304 und die Fluidkammer 308 sind. Eine ringförmige Schulter 320 (am besten z. B. in 11 und 12 zu erkennen) ist am inneren Ende des Zylinders 304 gebildet.
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Kurz zurückkehrend zu 3 ist zu erkennen, dass die Fluidkammern 308 jeder Seite der festen Schaufel 227 über einen sich axial erstreckenden Verbindungsdurchlass 312, der durch alle drei axial übereinstimmenden Fluidkammern 308 verläuft, in Fluidströmungsverbindung stehen. Die zwei Verbindungsdurchlässe 312 jeder festen Schaufel 227 stehen über einen lateralen Verbindungsdurchlass 324 in Fluidströmungsverbindung miteinander. Die Verbindungsdurchlässe 312 und der laterale Verbindungsdurchlass 324 stellen dadurch wirksam einen gemeinsamen Fluidbehälter bereit, mit dem alle Zylinder 304 und Fluidkammern 308 der festen Schaufel 227 verbunden sind.
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Wie im Folgenden hier weiter beschrieben werden soll, ist die Torsionsschwingungsabschwächungswirkung, die von der Stabilisatorvorrichtung 150 bereitgestellt wird, somit doppelt wirksam, indem das Herausziehen der Kolben 233 aus ihren Zylindern 304 auf einer Seite der festen Schaufel 227 aufgrund der erzwungenen Bewegung der Kolben 233 auf der anderen Seite der festen Schaufel 227 weiter in ihre entsprechenden Zylinder 304 hinein durch erzwungene Fluidübertragung von der anderen Seite der festen Schaufel 227 erreicht werden kann.
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Eine scheibenförmige Dämpferplatte 1005 (siehe beispielsweise 10–12) ist in jedem Zylinder 304 angeordnet. Die Dämpferplatte Dämpferplatte 1005 weist einen kleineren Durchmesser als der Zylinder 304 auf, so dass die Dämpferplatte 1005 locker im Zylinder 304 sitzt. In diesem Ausführungsbeispiel ist eine Differenz zwischen dem Durchmesser der Dämpferplatte 1005 und dem Durchmesser des Zylinders 304 ausreichend groß, um eine ringförmige Öffnung zwischen der radial äußeren Kante der Dämpferplatte 1005 und einer zylindrischen Wand des Zylinders 304 zu definieren.
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Die Dämpferplatte 1005 weist jedoch einen größeren Durchmesser als die Fluidkammer 308 auf, so dass verhindert wird, dass die Dämpferplatte 1005 unter Druck in die Fluidkammer 308 gelangt, indem die Dämpferplatte 1005 auf der ringförmigen Schulter aufsitzt, die am inneren Ende des Zylinders 304 vorgesehen ist. Die Dämpferplatte 1005 definiert eine Düse oder Mündungsöffnung 1010, um eine hydraulische Strömung unter Druck vom Zylinder 304 zur Fluidkammer 308 einzuschränken. Jeder Zylinder 304 und jede Fluidkammer 308 zusammen mit der entsprechenden Dämpferplatte 1005 stellen also eine Dämpfungsvorrichtung des Öldämpfertyps bereit, die eine Bewegung des beweglichen Blocks 230 im Verhältnis zur festen Schaufel 227 dämpft, indem ein Fluiddurchfluss durch den Zylinder 304 auf eine maximale Fließmenge eingeschränkt wird, die bei einem gegebenen Fluiddruck durch die Dämpferöffnung 1010 gelangen kann.
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Eine Federvorspannvorrichtung in der Beispielform einer Spiralfeder 316 ist in jedem Zylinder 304 vorgesehen (siehe z. B. 10). Die Spiralfeder 316 wird im Zylinder 304 zwischen der Dämpferplatte 1005 und dem Kolben 233 festgehalten. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Spiralfeder 316 im Zylinder 304 locker und kann in Längsrichtung am Zylinder 304 entlang gleiten, bis sie in Anlage an die Dämpferplatte 1005 oder ein inneres Ende des Kolbens 233 gelangt.
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Im Betrieb können eine oder mehrere Stabilisatorvorrichtungen 150 in Reihe im Bohrstrang 108 verbunden sein, um Bohrlochtorsionsschwingung des Bohrstrangs 108 abzuschwächen. Eine Stabilisatorvorrichtung 150 kann beispielsweise als Teil der BG 122, unmittelbar oder kurz hinter dem Bohrmeißel 116 verbunden sein, und eine weitere Stabilisatorvorrichtung 150 kann in der Nähe der Mess- und Steuerbaugruppe 120 vorgesehen sein. Obwohl 1 ein Ausführungsbeispiel mit zwei Stabilisatorvorrichtungen 150 zeigt, die jeweils am Bohrstrang 108 in der Nähe des Bohrmeißels 116 bzw. der Mess- und Steuerbaugruppe 120 angeordnet sind, können die Anzahl und die Anordnung der Stabilisatorvorrichtungen 150, die im Bohrstrang 108 verbunden sind, in anderen Ausführungsformen verschieden sein.
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Die Verbindung der Stabilisatorvorrichtung 150 mit dem Bohrstrang 108 erfolgt in diesem Beispiel durch Schraubeingriff der Gewindemuffen 209 der Nabe 203 mit komplementären Strukturen, die einen Teil von benachbarten Rohrabschnitten des Bohrstrangs 108 bilden oder daran angebracht sind, so dass die Nabe 203 als ein Rohrabschnitt des Bohrstrangs 108 dient. Bei einer solchen Verbindung sind die Nabe 203 und die festen Schaufeln 227 drehend am Bohrstrang 108 befestigt und drehen sich gemeinsam mit dem Bohrstrang 108 ohne eine wesentliche relative Drehbewegung im Verhältnis zum Bohrstrang 108.
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Das Anbringen der festen Schaufeln 227 und der beweglichen Blöcke 230 an der Nabe 203 kann Anordnen der Führungsstifte 218 in jeweiligen Auskehlungen 215 am Sitz 210 und Schieben der teleskopisch verbundenen festen Schaufeln 227 und beweglichen Blöcke 230 als eine ringförmige Einheit axial auf den Sitz 210 umfassen, wobei die festen Schaufeln 227 von den Führungsstiften 218 geführt werden. Die festen Schaufeln 227 werden somit durch die Führungsstifte 218 an der Nabe 203 verkeilt. Schließlich ist der Sicherungsring 221 an der Nabe 203 befestigt und liegt an der Kante des Sitzes 210 an, um die Führungsstifte 218 zu arretieren.
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In anderen Ausführungsformen können Stabilisierungs- und Schwingungsabschwächungskomponenten, die ähnlich oder analog wie die beispielhafte Stabilisatorvorrichtung 150 sind, an einem beliebigen das Gehäuse bildenden Teil des Bohrstrangs 108 angebracht sein, in der Regel, um einen Teil der BG 122 zu bilden, anstatt an einem eigenen Gehäuse angebracht zu sein, wie es etwa durch die Nabe 203 im Ausführungsbeispiel aus 7–9 vorgesehen ist. Das System kann dadurch als in Reihe verbundener Stabilisator oder als eine Hülse bereitgestellt werden, der bzw. die an beliebiger Stelle im Bohrstrang 108 nachgerüstet werden kann. Im vorliegenden Beispiel muss das ausgewählte Gehäuse nur einen ausgekehlten zylindrischen Abschnitt wie etwa den Sitz 210 definieren, um ein Nachrüsten der zusammenwirkenden festen Schaufeln 227 und beweglichen Blöcke 230 am Gehäuse zuzulassen.
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In diesem Ausführungsbeispiel ist die Torsionsschwingungsabschwächungsanordnung an den Stabilisatorvorrichtungen 150 vorgesehen, die somit die doppelte Funktion der lateralen Bohrstrangstabilisierung und Torsionsschwingungsdämpfung oder -abschwächung erfüllen. Es sei angemerkt, dass andere Ausführungsformen an einer Bohrstrangkomponente vorgesehen sein können, an der keine zusätzliche Bohrstrangstabilisierung vorgesehen ist.
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Die Stabilisierungsfunktionen der Stabilisatorvorrichtungen 150 werden in diesem Beispiel vor allem durch die beweglichen Blöcke 230 bereitgestellt, da sie einen größeren Außendurchmesser als die festen Schaufeln 227 aufweisen. Die radial äußere Lagerfläche 236 von einem oder mehreren der beweglichen Blöcke 230 kann in Gleitkontakt mit der zylindrischen Bohrlochwand 106 stehen (siehe zum Beispiel 12) und an der Bohrlochwand 106 anliegen, um die Längsachse des Bohrstrangs 108 um einen konstanten radialen Abstand von der Bohrlochwand 106 zu beabstanden. Dies dient dazu, die BG 122 mechanisch zu stabilisieren, um eine unbeabsichtigte seitliche Abweichung des Bohrlochs 104 und laterale Schwingung zu reduzieren.
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Es sei angemerkt, dass zwar der Durchmesser der jeweiligen beweglichen Blöcke 230 in diesem Beispiel kleiner als der Durchmesser des Bohrlochs 104 ist, wie in 12 gezeigt, die Stabilisatorvorrichtung 150 aber in anderen Ausführungsformen derart bemessen sein kann, dass die Stabilisatorvorrichtung 150 die Breite des Bohrlochs 104 vollständiger überspannt, um den Bohrstrang 108 im Bohrloch 104 zu zentrieren. Die Lagerflächen 236 der beweglichen Blöcke 230 können zudem in anderen Ausführungsformen nicht-zylindrisch sein, indem sie beispielsweise Spiralschaufeln umfassen, die wenigstens einen Teil des axialen Fluids am beweglichen Block 230 vorbei lassen können, während sie drehend in Gleitkontakt mit der Bohrlochwand 106 stehen.
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Da die feste Schaufel 227 einen kleineren Außendurchmesser als der bewegliche Block 230 aufweist, kann die feste Schaufel 227 nicht in Kontakt mit der Bohrlochwand 106 gelangen und daher keine laterale Stabilisierungsfunktion im Betrieb ausüben. Stattdessen können die festen Schaufeln 227 und Nabe 203 so betrachtet werden, dass sie gemeinsam ein drehend einstückiges Verbundgehäuse bilden, an dem Stabilisierungselemente in der Form der beweglichen Blöcke 230 für eine beschränkte relative Drehbewegung angebracht sind, die gefedert und gedämpft ist.
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Da einer oder mehrere der beweglichen Blöcke 230 wenigstens intermittierend in Kontakt mit der Bohrlochwand 106 stehen, stellen die beweglichen Blöcke 230 im Gebrauch eine vorübergehende oder vorläufige Abstützung zum Dämpfen von Dreh- oder Torsionsschwingungen im Bohrstrang 108 bereit. Die beweglichen Blöcke 230 dienen mit anderen Worten dazu, Schwingungsabschwächungskräfte von der Bohrlochwand 106 über die festen Schaufeln 227 auf die Nabe 203 zu übertragen. Wenigstens eine Hauptkomponente dieser Kräfte wird über die Federn 316 auf die festen Schaufeln 227 übertragen und wirkt dadurch tangential, um an der Axialposition der Stabilisatorvorrichtung 150 ein Gegenschwingungsmoment auf die Nabe 203 und damit die BG 122 auszuüben.
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Bezug nehmend auf 10A ist zu erkennen, dass bei der Drehung des Bohrstrangs 108 in Abwesenheit wesentlicher Drehschwingung jeder bewegliche Block 230 in Kantenkontakt mit einer benachbarten festen Schaufel 227 steht, die ihm aufgrund von Reibungswiderstand am beweglichen Block 230 von der Bohrlochwand 106 in der Drehrichtung (angegeben durch Bezugszeichen 1020 in 10A) folgt (siehe auch 12).
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Wenn der Bohrstrang 108 während der Bohrstrangdrehung in Torsionsschwingung versetzt wird, schwingt die Nabe 203 (und damit die drehend verbundenen festen Schaufeln 227) drehend im Verhältnis zu den beweglichen Blöcken 230 und bewegen sich im Verhältnis zu den beweglichen Blöcken 230 in Bezug auf die beweglichen Blöcke 230 rasch vor und zurück. 10B–12 zeigen eine Anzahl von Drehpositionen der festen Schaufeln 227 im Verhältnis zu den beweglichen Blöcken 230 bei Dreh- oder Torsionsschwingung.
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Ein Umfangsspalt, dessen Größe mit der Drehschwingbewegung variiert, entsteht zwischen jeder festen Schaufel 227 und ihrem zugehörigen vorderen beweglichen Block 230, an dem die feste Schaufel 227 während der normalen Drehung anliegt. Das doppelt wirkende hydraulische Dämpfungssystem der Stabilisatorvorrichtung 150 dampft diese Schwingungen durch automatisches Anwenden von Gegenschwingmoment auf die Nabe 203.
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Betrieb des bidirektionalen oder doppelt wirkenden Vibrationsminderungsmechanismus wird nun unter Bezugnahme auf die 11 und 12 beschrieben, gemessen an einer der festen Klingen 227 in Isolation. Zur leichteren Beschreibung werden die beweglichen Blöcke 230 an gegenüberliegenden Seiten der festen Schaufel 227 in 11 und 12 als vorderer Block 230.1 und hinterer Block 230.2 bezeichnet.
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Bei einem Vorwärtshub, wenn sich der vordere Block 230.1 der festen Schaufel 227 nähert (d. h. seiner Position in 10A und 12), werden die Kolben 233 des vorderen Blocks 230.1 weiter in die jeweiligen Zylinder 304 geschoben. Jeder Kolben 233 drückt die entsprechenden Feder 316 zusammen, was wiederum die Dämpferplatte 1005 gegen die Schulter 320 drückt. Die vorgeschobenen Kolben 233 beaufschlagen auch Hydrauliköl in ölgefüllten Zylindern 304 mit Druck und treiben Öl durch die Dämpferöffnung 1010 und in die Fluidkammern 308. Da die Dämpferplatte 1005 auf der Schulter sitzt, ist die Dämpferöffnung 1010 der einzige Durchlass für Öl vom Zylinder 304 zur zugehörigen Fluidkammer 308. Die eingeschränkte Strömung des Hydrauliköls vom Zylinder 304 bewirkt, dass das Öl Widerstand auf die Vorwärtsbewegung des Kolbens 233 ausübt und so den Vorwärtshub der festen Schaufel 227 nach Art eines Öldämpfers dämpft.
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Auf diese Weise wird eine hydraulische Dämpfungskraft auf die Kolben 233 ausgeübt, die der relativen Winkelgeschwindigkeit der relevanten Komponenten entspricht. Je größer die relative Geschwindigkeit des Vorwärtshubs, desto größer ist die entgegenwirkende Dämpfungskraft, die von den Zylindern 304 an der hinteren Seite der festen Schaufel 227 bereitgestellt wird. Außerdem werden die Kennwerte der Federn 316 derart ausgewählt, dass eine Widerstandskraft, die von den Federn 316 aufgrund ihrer elastischen Kompression ausgeübt wird, im Verhältnis zu den hydraulischen Dämpfungskräften klein ist und von vernachlässigbarer Größe sein kann. Die Primärfunktion der Federn 316 in diesem Ausführungsbeispiel ist es, die richtige Position der Feder 316 an der Schulter 320 während des Vorwärtshubs zu gewährleisten, und nicht, einen elastischen Vorspannmechanismus für die Bewegung der beweglichen Blöcke 230 im Verhältnis zur Nabe 203 bereitzustellen. Der Dämpfungsmechanismus der beispielhaften Stabilisatorvorrichtung 150 ist somit im Wesentlichen ungefedert.
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Da sich Hydrauliköl im Wesentlichen nicht komprimieren lässt, bleibt das Ölvolumen im verbundenen Fluidsystem, das die Zylinder 304, Fluidkammern 308 und Verbindungsdurchlässe 312 beinhaltet, im Wesentlichen konstant. Druckflüssigkeit strömt während des Vorwärtshubs von einem Ende der festen Schaufel 227 zum anderen, so dass die Abnahme des Volumens des Zylinders 304 im Zusammenhang mit dem vorderen Block 230.1 eine gleichzeitige entsprechende Zunahme des Volumens des Zylinders 304 bewirkt, der dem hinteren Block 230.2 auf der anderen Seite der festen Schaufel 227 zugeordnet ist.
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Beim Rückwärtshub der Torsionsschwingung der Nabe 203 (z. B. 11 und 10B) erfolgt der oben beschriebene Vorgang spiegelverkehrt, wobei die Kolben 233 des hinteren Blocks 230.2 die zugehörigen Zylinder 304 zusammendrücken. Der Rückwärtshub wird somit durch eingeschränkte Strömung von hydraulischem Druckfluid durch die Dämpferöffnungen 1010 auf einer entgegengesetzten Seite der festen Schaufel 227 gegenüber der Dämpfung des Vorwärtshubs gedämpft.
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Hydraulische Strömung von den Hochdruckzylindern 304 (z. B. von denjenigen, die mit dem hinteren Block 230.2 in 11 zusammenwirken) zu den Niederdruckzylindern 304 auf der anderen Seite der festen Schaufel 227 (z. B. denjenigen, die mit dem vorderen Block 230.1 in 11 zusammenwirken), wird durch das lockere Aufsitzen der Dämpferplatte 1005 auf der Schulter 320 unterstützt. Eine Druckdifferenz an der Dämpferplatte 1005 von der Fluidkammer 308 zum Zylinder 304 treibt die Dämpferplatte 1005 gegen die Feder 316 von ihrer Schulter 320. Nachdem sie so angehoben wurde, kann Öl von der Fluidkammer 308 die Dämpferplatte 1005 nicht nur durch die Dämpferöffnung 1010, sondern auch durch einen ringförmigen Raum um den Umfang der Dämpferplatte 1005 passieren. Die Stabilisatorvorrichtung 150 dämpft so Dreh- und/oder Torsionsschwingung des Bohrstrangs 108 mittels bidirektionaler Dämpfung der Nabenbewegung im Verhältnis zu Stabilisierungselementen in der Beispielform der beweglichen Blöcke 230, die an der Bohrlochwand 106 anliegen.
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In vielen Beispielen des vorgesehenen Torsionsschwingungsabschwächungsmechanismus und der Verwendungsverfahren ist die Torsionsschwingungsabschwächung von den Betriebsbedingungen wie etwa Temperatur und Druck größtenteils unabhängig, so dass die Stabilisatorvorrichtung 150 z. B. eine breite Spanne geeigneter Betriebsbedingungen aufweist. Die Stabilisatorvorrichtung 150 weist zudem niedrige Betriebskosten auf, da sie einfach und robust konstruiert ist.
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In vielen Beispielen der vorgesehenen Stabilisatorvorrichtung ist der Betrieb rein mechanisch, so dass die Stabilisatorvorrichtung 150 kein elektromagnetisches Feld erzeugt, das benachbarte Bohrstrangkomponenten stören könnte. Dies erlaubt es, eine oder mehrere Stabilisatorvorrichtungen 150 in großer Nähe zu möglicherweise empfindlichen elektronischen/magnetischen Mess- und/oder Kommunikationsvorrichtungen anzuordnen. In 1 beispielsweise ist die Stabilisatorvorrichtung 150 unmittelbar benachbart zur Mess- und Steuerbaugruppe 120 angeordnet, ohne dass die Gefahr von elektromagnetischer Störbeeinflussung der Mess- und Steuerbaugruppe 120 durch die Stabilisatorvorrichtung 150 besteht. Aufgrund der inhärenten Torsionselastizität des Bohrstrangs 108 kann die Reduzierung oder Abschwächung der Drehschwingbewegung des Bohrstrangs 108 mit zunehmender Entfernung von der Position der Stabilisatorvorrichtung 150 im Bohrstrang 108 immer weiter abnehmen. Elektromagnetische Trägheit der Stabilisatorvorrichtung 150 erlaubt die Optimierung der Torsionsschwingungsdämpfungswirkung der Stabilisatorvorrichtung 150, indem sie das Anordnen der Stabilisatorvorrichtung 150 unmittelbar neben gegenüber Schwingung empfindlicher Ausrüstung wie etwa Mess- und Steuerelektronik gestattet.
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Obwohl die Ausführungsform unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, liegt es auf der Hand, dass verschiedene Modifikationen und Änderungen an diesen Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne vom umfassenderen Geist und Umfang des Verfahrens und/oder Systems abzuweichen. Die Beschreibung und die Zeichnungen sind daher veranschaulichend und nicht einschränkend zu verstehen.
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Aus der vorliegenden Beschreibung geht hervor, dass zum Zweck der vereinfachten Darstellung der Offenbarung verschiedene Merkmale in einer einzelnen Ausführungsform zusammengefasst wurden. Diese Offenbarung ist nicht derart zu verstehen, dass die beanspruchten Ausführungsformen mehr Merkmale erfordern sollen als jeweils in den Ansprüchen ausdrücklich genannt. Wie die folgenden Ansprüche zeigen, liegt der Gegenstand der Erfindung vielmehr in weniger als allen Merkmalen einer einzelnen offenbarten Ausführungsform. Daher bilden die folgenden Ansprüche einen Teil dieser Beschreibung, wobei jeder Anspruch für sich allein als separates Ausführungsbeispiel steht.
