NO133914B

NO133914B -

Info

Publication number: NO133914B
Application number: NO1503/73A
Authority: NO
Inventors: B J Patton; J H Sexton; M J Prior; Jr V R Slover
Original assignee: Mobil Oil Corp
Priority date: 1972-06-30
Filing date: 1973-04-11
Publication date: 1976-04-05
Also published as: OA04435A; US3792429A; NL170449C; GB1378871A; DK148006B; AU5657473A; DK148006C; IE37486B1; CA978175A; MY7500158A; IE37486L; NL7303988A; NL170449B; NO133914C; AU462604B2

Description

Oppfinnelsen vedrører et måle- og boreverktøy og mer spesielt vedrører oppfinnelsen et verktøy som måler mens det borer som har en innretning såvel til å forspenne den signalfrembringende ventil for verktøyet mot en "åpen stilling når verktøyet ikke er i drift og for å redusere dreiemomentbelastningen som utøves på driftsstrengen til verktøyet når verktøyet er i virksomhet.

Det har lenge vært et ønske om oppnåelsen av et system som kan måle ned gjennom hullet boreparametre og/eller jordformasjons-egenskaper og å overføre disse data til overflaten under selve boringen med et jordbor. Forskjellige slike systemer er blitt foreslått og blir vanligvis kalt "måle- og bore-" systemer. I slike måle- og boresystemer er et av hovedproblemene å finne frem til en innretning for å overføre informasjonen fra et sted nede i borehullet til overflaten og å motta dette i en meningsfylt tilstand.

I denne henseende er det blitt foreslått, å telemetrere den ønskede informasjon ved hjelp av et trykkbølgesignal som dannes i og overføres gjennom det sirkulerende slamsystem som man vanligvis har ved roterende boring. Trykkbølgesignalet som er representativt for et spesielt stykke av den ønskede informasjon blir dannet i slammet nede i hullet nær borkronen med en signalgivende ventil og bølgen føres opp gjennom hullet gjennom slammet til en signalmottager ved overflaten. Et måle- og boreverktøysystem som benytter denne teknikk med telemetri er beskrevet i U.S. patent nr. 3.309.656.

I et måle- og boreverktøy av den type som er beskrevet i U.S. patent nr. 3.309.656 er en turbinlignende, signaldannende ventil anbragt i den sirkulerende slambane nær borkronen. Ventilen omfatter en stator og en rotor som hver har gjennomgående åpninger som når de er innrettet i forhold til hverandre tillater en full strømning av borslam gjennom ventilen. Hvis åpningene ikke ligger i linje med hverandre, er strømningen gjennom åpningene ihvert fall delvis blo-kert. En motor i boreverktøyet aktiviseres i samsvar med en målt-informasjon slik at den åpner og lukker ventilen i en grad som frem-bringer en trykkbølge i slammet som er representativ for den målte informasjon.

Imidlertid vil i måle- og boreverktøy av denne typen den signaldannende ventil vanligvis frembringe visse hydrauliske dreiemomentegenskaper som ."én funksjon av strømningshastigheten gjennom ventilen, hvilke egenskaper har en tendens til å tvinge ventilen til dens lukkede stilling. Dette medfører problemer når borslam blir pumpet ned borestrengen og gjennom ventilen før verktøyet begynner å arbeide og motoren begynner å påvirke ventilen. På grunn av sammen-setningen av vanlig borslam, er fast materiale vanligvis tilstede som har en tendens til å påvirke slammet når det tvinges gjennom de avgrensede passasjer i ventilen, som man har når ventilen er i sin lukkede stilling. Disse faste materialer kan fortsette å oppsamles i ventilen og utgjør et virkelig problem i og med at de kan tilstoppe ventilen i en slik utstrekning at ventilen ikke kan åpnes av motoren når verktøyet settes i drift.

Også på grunn av konstruksjonen av denne type ventiler vil drivstrengen til verktøyet som kobler motoren til ventilen utsettes for vesentlige dreiemomentbelastninger mens verktøyet arbeider. Disse belastninger kan bevirke betydelig slitasje på drivstrengen som eventuelt kan føre til feil i verktøyet.

Oppfinnelsen har således til hensikt å tilveiebringe et for-bedret måle- og boreverktøy av den ovenfor angitte type som omfatter innretninger for forspenning og opprettholdelse av den signaldannende ventil i en åpen stilling når verktøyet ikke er i drift. Innretningen ifølge oppfinnelsen skal også unngå eller i det vesentlige redusere dreiemomentbelastningene som vanligvis utøves på drivstrengen til verktøyet under drift.

Konstruksjonsmessig omfatter verktøyet ifølge oppfinnelsen e-t hus som er anordnet i den sentrale kanal til en borkrave. Denne borkrave er beregnet på å forbindes med å danne en del av en borestreng på et jordboreapparat. Verktøyhuset bærer en roterende turbinlignende, signaldannende ventil som er plasert slik at ihvert fall en del av borevæsken strømmer gjennom borestrengen mens den passerer gjennom ventilen. Ventilen omfatter en stator som er festet til huset og en rotor som bæres av en roterende drivstreng som utstrekker seg fra en motor i huset. Såvel rotor og stator har åpninger som når de er innrettet i forhold til hverandre (dvs. åpen stilling) tillater en full gj-ennomstrømning gjennom ventilen, og når de ikke er innrettet i linje med hverandre (dvs. lukket stilling) blokerer ihvert fall en del av gjennomstrømningen.

Por å sikre at det tillates en full gjennomstrømning gjennom ventilen mens verktøyet ikke er igang, omfatter foreliggende oppfinnelse en innretning for forspenning av ventilen mot en åpen stilling og for å holde den der når verktøyet ikke er i drift. Denne innretning omfatter en magnetisk enhet som har en magnet festet til verktøyhuset og et samvirkende magnetelement som er festet til verk-tøyets drivstreng. Enheten utvikler magnetiske dreiemomentegenskaper som er større enn de hydrauliske dreiemomentegenskaper for ventilen når verktøyet ikke er i drift slik at ventilen vil bli forspent mot og holdt i sin åpne stilling når verktøyet ikke er i drift.

De hydrauliske dreiemomentegenskaper for ventilen er en øk-ende funksjon av strømningshastigheten gjennom ventilen. Da den mak-simale strømningshastighet vanligvis vil opptre under drift for verk-tøyet, vil dreiemomentegenskapene for enheten være konstruert til grovt å være lik de hydrauliske dreiemomenter ved denne driftsstrøm-ningshastighet. Ved å plasere enheten slik at det magnetiske dreiemoment er 180 ut av fase med det hydrauliske dreiemoment, vil det resulterende dreiemoment som utøves på drivstrengen til enhver tid under drift være uvesentlig.

Oppfinnelsen skal i det følgende nærmere forklares under henvisning til et foretrukket utførelseseksempel som er fremstilt på tegningen, hvor de samme henvisningstall viser til de samme deler. Tegningen viser: fig. 1 et skjematisk riss av et roterende boreapparat om-fattende i vertikalsnitt en boraksel som inneholder en borestreng i hvilken oppfinnelsen benyttes,

fig. 2 et skjematisk riss, delvis i snitt av en del av borestrengen på fig. 1, med et måle- og boreverktøy montert i samsvar med oppfinnelsen,

fig. -3 et detalj snitt av en modifikasjon av den øvre del av fig. 2, som viser foreliggende oppfinnelse,

fig. 4 et delsnitt- langs linjen 4 - 4 på fig. 3, og fig. 5 et delsnitt langs linjen 5-5 på fig. 3.

Fig. 1 viser oppfinnelsen slik den benyttes i et måle- og boresystem som er innsatt i et roterende boreapparat. Et tårn 21 er plaserf .over en brønn 22 som dannes i jorden 23 ved roterende boring. En borestreng 24 er anbragt i brønnen og har en borkrone 27 ved sin nedre ende og en hodedel 28 som skal rotere strengen 24 og hodet 27. En svivel 33 er fes-tet til den $vre ende av hodedelen 28, og denne er fastholdt av en krok 32 på en kranblokk (ikke vist). Denne anordning avstøtter ikke bare borestrengen 24 i drivstilling i brønnen 22, men danner også en roterende forbindelze mellom kilden for sirkulerende borvæske, såsom slam, og borestrengen 24. Det skal forstås at "slam" er beregnet på å dekke alle de fluider som vanligvis benyttes ved roterende boring.

Pumpen 36 overfører borslam fra en kilde, såsom en grøft 34, gjennom dempningsinnretningen 37 til Slamledningen 38. Dempningsinnretningen 37 er beregnet på å redusere pulseringsvirkningen fra pumpen 36 slik det tidligere er benyttet. Slammet strømmer gjennom slamledningen 38, den fleksible slange 39, sivelen 33, borestrengen 24

og strømmer ut gjennom åpninger (ikke vist) i borkronen 27 for å føres ut i brønnen 22. Slammet sirkulerer så oppover medførende det borede

materiale gjennom ringhullet mellom brønnen og borestrengen 24 opp til jordoverflaten 23. Ved overflaten er brønnhodet 41 festet til huset 40 som er festet i brønnen 22. Røret 42 er forbundet med huset 40 for tilbakeføring av slammet til grøften 34.

Som skjematisk vist. på fig. 1 og 2 er et måle- og boreverk-tøy 46 plasert i borkraven 26 som danner en' del av den nedre ende av borestrengen 24 nær kronen 27. Verktøyet 46 har en motorbetjent, signaldannende, roterende ventil som periodisk avbryter ihvert fall en del av strømmen av borvæske gjennom ventilen for derved å danne en trykkbølge i væsken som er representativ for en målt betingelse i hullet. Dette er den type jnåle- og boreverktøy som er beskrevet i U.S. patent nr. 3.309-656.

Foreliggende oppfinnelse er rettet mot en innretning for å holde ventilen i en åpen stilling når verktøyet ikke er i drift og for å redusere dre-iemomentbe-lastningen på drivstrengen for verktøyet når verktøyet er i drift. I det følgende skal verktøyet 46 beskrives nærmere.

En transduktor som kan måle en ønsket betingelse nede i borehullet og omdanne målingen til et elektrisk signal, er plasert nede i hullet på eller nær verktøyet -46. Som vist er transduktoren 54, f. eks. én strekkmåler, plasert på borkraven 26 for å måle vekten på kronen 27. Signalert fra transduktoren 54 tilføres til den elek-troniske enhet 53 som er forseglet i kammeret 48 til verktøyhuset- 46a. En slik elektronisk enhet er f. eks. beskrevet i U.S. patent nr. 3.309.656. Kretsen i enheten 53 vil i samsvar med signalet fra innretningen 54 tillate at en definert mengde kraft fra den elektriske generator 50 i kammeret 49 i huset 46a strømmer til-den hastighets-variable elektriske motor 55 -i kammeret 47 i huset 46a. En turbin 52 drevet av slammet roterer generatoren 50 for å frembringe elektrisk kraft. Motoren 55 vil i samsvar med mengden av elektrisitet som fø-res gjennom enheten 53 drive rotoren 61 til den signaldannende ventil 60 gjennom drivstrengen 56 med den rotasjonshastighet som er nødven-dig for å danne et trykkbølgesignal i slammet som er representativt for den -målte betingelse.

Ser man nu på den mere detaljerte fremstilling på fig. 39 omfatter den signaldannende ventil 60 en rotor 61 og en stator -62. Rotoren 6l er festet på akselen 63 til drivstrengen 56 ved hjelp av en avsmalnende bøssing 64 og mutter 65. Akselen 63 er opplagret i

huset 46a ved hjelp av lagre 66. Tetningen 67 rundt akselen 63 av-tetter det indre av huset 46a mot påvirkningen av borslam» Fortrinnsvis, inneholder såvel rotoren 61 som statoren 62 det samme antall identiske avstandsplaserte spor .6la, 62a (fig. 5), idet hvert spor har den samme flate. Ventilen 60 er i "åpen stilling" hvis sporene er innrettet i forhold til hverandre og er i "lukket stilling" når sporene er fullstendig ute av innretting med hverandre. Når ventilen 60 er i lukket stilling, vil den eneste strømning gjennom ventilen være den som passerer gjennom åpningen 70 og shunten 71. Åpningen 70, slik det best fremgår av fig. 3, utgjøres av avstanden mellom bunnflaten til rotoren 61 og toppflaten til statoren 62. Shunten 71 (fig. 3 og 5) utgjøres av avstanden mellom den ytre omkrets til rotoren 6l og veggen til ledningen hosliggende til rotoren. Den ytre diameter på statoren 62 er effektivt den samme som den indre diameter far ledningen.

Når det er en strømning gjennom ventilen 60, men før generatoren 50 utvikler tilstrekkelig kraft til å betjene verktøyet 46, vil dreiemomentet for ventilen 60 ha en tendens til å tvinge den til lukket stilling. Når borestrengen 24 blir senket ned i brønnen, o&

■slam strømmer gjennom verktøyet 46 for å. rotere turbinen 52 med en hastighet som er tilstrekkelig til å danne nødvendig kraft for-,verk-tøyet i den grad at den ikke kan åpnes når motoren 55- begynner å virke,, vil hele borestrengen 24 måtte fjernes for å åpne ventilen 60 før verktøyet 46 kan virke.

På grunn av konstruksjonen av ventilen 60 utøves dessuten en hydraulisk dreiemomentbelastning på drivstrengen 56 når motoren 55 roterer ventilen 60 mellom den åpne og lukkede stilling under driften av verktøyet 46. Denne konstante, reverserende dreiemomentbelastning kan bevirke betydelig slitasje på drivstrengen som kan føre til tidlig opptredende feil for verktøyet 46.

Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer en innretning for verktøyet 46 som såvel forspenner ventilen 60 i retning mot den åpne stilling og holder den der når verktøyet 46 ikke er i drift, og sam-tidig stopper eller vesentlig reduserer dreiemomentbelastningen som vanligvis, utøves på drivstrengen 56 under drift av verktøyet 46.. Innretningen ifølge oppfinnelsen er fortrinnsvis en magnetisk enhet 75 som omfatter en magnet 76 og et magnetelement 77. Det magnetiske element 77 som er vist, har en sylindrisk form med en avtrappet midtdel og hevede ender 77a og. 77b og er festet til akselen 63 for rotasjon med denne ved hjelp av en låsedel 80 og settskruer 81. Magneten 76 kan være konstruert i ett stykke selv om den er vist sammensatt av tre deler 76a, 76b, 76c. Delen 76a og enden 77a er fortannet som vist på fig. 5 for å tilveiebringe tiltrekkende poler 78, 79 mellom magneten 76 og magnetelementet .77. Som vist har såvel delen 76a som enden 77a ti poler som svarer til antall spor i både rotorenen 61 og statoren 62 (fig. 4) som derved gir ti. stabile stillinger for ventilen 60, i hvilke den vil være i åpen stilling. Magnetenheten 75 er utformet av et materiale, f. eks. "Alnico", som vil holde magnetismen i lange perioder, mens huset 46a er utformet av et relativt ikke-magnetisk materiale, f. eks. "Monel".

For å sammensette den øvre del av verktøyet 46, blir enheten 75 som fortrinnsvis har en "holdedel" (ikke vist) gjennom den sentrale passasje i magnetelementet 77 plasert i en elektrisk spole og magnetisert.- Enheten 75, som nu holdes sammen av magnetiske krefter, blir så ført over akselen 63 som på sin side forskyver hol-dedelen fra elementet 77 når enheten 75 beveges på plass over nøkkel-delen 80. Settskruen 81 trekkes til gjennom hullet 85 i delen 76b for videre å feste det magnetiske element 77 til akselen 63. Der-- etter blir akselen 63, enheten 75 og det øvre.huselement 46b plasert i huset. 46a og huselementet 46b festet hertil. Akselen 63 som bærer hele enheten 75 roteres for å innrette magneten- 76 med åpningene i huset 46a så skruene 86 (bare en vist) kan innsettes for å feste magneten 76 til huset 46a. Statoren 62- roteres på gjengene på .det øvre huselement 46b slik-at sporene i statoren 62 er innrettet med sporene i rotoren 6l og derved plaserer ventilen 60 i en åpen stilling. Sett-.skruen 87 blir tiltrukket for å feste statoren 62 mot rotasjon under drift for verktøyet 46. Man ser at når polene på 7.6a og 77a er innrettet i en av de ti mulige stillinger., vil ventilen 60 være i en åpen stilling.

For å sikre at ventilen 60 holdes i. sin åpne stilling når verktøyet 46 ikke er i drift, er det bare nødvendig å utforme enheter 75 slik at det magnetiske dreiemoment for denne overskrider de hy^-drauliske dreiemomenter for ventilen 60 som fremkommer når verktøyet 46 ikke er i drift. Imidlertid er i tillegg til det ovenstående, foreliggende oppfinnelse utformet for å oppheve eller vesentlig redusere det hydrauliske dreiemoment som vanligvis utøves på drivstrenger.

De hydrauliske dreiemomentegenskaper for ventilen 60 øker som en funksjon av strømningshastigheten gjennom ventilen slik at det i verktøyet 46 vanligvis vil opptre en maksimal strømningshastig-het gjennom ventilen 60 ved aktuelle boreoperasjoner, hvorved verk-tøyet 46 vil være under drift. Derfor vil det ved utformingen av en-neten 75 for denne strømningshastighet bestandig være tilstrekkelig magnetisk dreiemoment til å holde ventilen 60 åpen til verktøyet 46 begynner å arbeide. Den nominelle strømningshastigheten for slammet som vil benyttes under en spesiell boreoperasjon er vanligvis kjent og varierer meget lite hvis ikke spesielle forhold opptrer under boringen. De hydrauliske dreiemomentegenskaper for ventilen 60 som opptrer ved denne nominelle strømningshastighet kan bestemmes ved benkeforsøk og de magnetiske dreiemomentegenskaper for enheten 75 blir utformet til grovt å være lik disse dreiemomenter for ventilen 60 untier disse drifts.betingelser. Ved plasering av enheten 75 som beskrevet ovenfor, vil det magnetiske dreiemoment som utøves på drivstrengen 56 være l80° ut av fase med det hydrauliske dreiemoment som utøves på drivstrengen 56 ved drift av ventilen-60. Evis de'to... dreiemomenter er i det'vesentlige like, vil det resulterende dreiemoment som utøves på drivstrengen 56 til enhver tid under driften være uvesentlig. Også ved effektivt å unngå dreiemoment på drivstrengen 56, vil motoren 55 være i drift under vesentlige ikke-belåstede betingelse*1, og derved tillate at det kan benyttes svakere motorer i verktøyet 46.

Da det ikke er kritisk at alle dreiemomenter på drivstrengen 56 blir nøyaktig opphevet, kan forandringer fra den nominelle strøm-ningshastighet tolereres. Motoren 55 er utformet slik at den har tilstrekkelig kraft til å overvinne ethvert positivt hydraulisk eller magnetisk dreiemoment som normalt kan opptre under boringen på grunn av forandringer i strømningshastigheten for slammet. Imidlertid vil selv ved varierende strømningshastigheter reduksjonen i utøvet dreiemoment på drivstrengen 5<? på grunn av motbalanseringseffekten- for

det hydrauliske og magnetiske dreiemoment være meget gunstig.

I enheten 74, som vist, er det magnetiske dreiemoment én funksjon av de motsattliggende flateområder på polene 78 og 79- Ved å variere diametrene for åpningene 90 og 91 i delen 76a og enden 77a, vil flateområdet for disse poler kunne varieres og det ønskede magnetiske dreiemoment for enheten 75 kan innstilles. Videre kan flere enn en enhet 75, 75a (fig. 2) med de samme eller forskjellig, magnetiske dreiemomenter bli stablet på akselen 63 hvorved de. enkelte dreiemomentegenskaper for hver enhet er kombinert for å forme en dreiemomentkurve med de spesielle egenskaper som er ønsket for et spesielt verktøy 46.

Selv om bare en utførelsesform for oppfinnelsen er vist, kan forskjellige modifikasjoner gjennomføres innenfor oppfinnelsens ramme. F. eks. kunne det benyttes mindre enn en magnetisk pol for hvert spor i ventilen, noe som fremdeles ville helde ventilen åpen, men ville redusere antallet av stabile åpne stillinger som står til rådighet. Likeledes kan den magnetiske enhet bli plasert ved andre stillinger på drivstrengen 56, f. eks. før en reduksjonsoverføring, noe som ville forandre, antall poler som er nødvendig for å sikre et antall stabile åpne stillinger for ventilen 60 når verktøyet 46 ikke er i drift.

Claims

1. Måle- og boreverktøy som kan innsettes i en borestreng, om-fattende en roterende ventil på et hus for dannelsen av et signal. som angir betingelser i borehullet, hvilken ventil har en rotor drever av en motor gjennom en drivstreng og en samvirkende stator, kara terisert ved en innretning (75> 75a) for forspenning av ventilen (60) til dens åpne stilling når verktøyet (46) ikke er i drift.

2. Verktøy ifølge krav 1,karakterisert ved at innretningen (75, 75a) for forspenning av ventilen (60) til dens åpne stilling omfatter to samvirkende elementer (76, 77) mellom hvil... et dreiemoment frembringes som forsøker å åpne ventilen (60).

3. Verktøy ifølge krav 2,karakterisert ved at de to samvirkende elementer (76, 77) er magnetiske elementer, so-fortrinnsvis prøver å tiltrekke hverandre til stillingen med ventile' (60) åpen.

4. Verktøy ifølge krav 3,karakterisert ved at de to magnetiske elementer (76, 77) hver har poler (78, 79) som tilsvarer i antall til antallet ønskede åpne stillinger for ventile' (60).