NO148082B - Verktoey for bruk i en borestreng for absobsjon av sjokkbelastninger. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører et verktøy for bruk i en borestreng for absorbsjon av sjokkbelastninger som oppstår ved oppoverrettet aksiell forskyvning av borkronen under boring, hvilket verktøy innbefatter en rørformet spindel som er teleskopisk anordnet i en rørformet sylinder og forbundet til denne med en aksiell kileforbindelse hvor et ringformet rom innbefattende et kammer er tildannet mellom spindel og sylinder, en ettergivende innretning plassert i kammeret, hvilken ettergivende innretning innbefatter en stabel med adskilte, faste og deformerbare elementer, et par av motsatte kompresjonsskuldre, hvorav en bæres av spindelen og utstrekker seg inn i kammeret hosliggende en ende av dette, og den andre bæres av sylinderen og utstrekker seg inn i kammeret hosliggende til den andre ende av kammeret, hvilke skuldre virker mot enden til den ettergivende innretning.

Når en borkrone roterer på bunnen av et borehull

vil den være i kontinuerlig bevegelse opp og ned. En vanlig akseptert forklaring på dette er at det trekonede skjær danner tre forhøyninger på bunnen av borehullet, og når skjæret beveges over disse forhøyninger, blir det aksielt forflyttet tre ganger under rotasjon.

Akselerasjon av borkronen bort fra bunnområdet bevirker en høy belastning på borestrengen. Mer spesielt er skjæret utsatt for en belastning på grunn av borestrengens vekt. F. eks. kan strengen veie 54432 kg hvorav halvparten kan holdes oppe av boreriggen og den resterende halvpart holdes oppe av borkronen. Når det belastede skjær blir aksele-rert vekk fra bunnen under en forflytning på kanskje 1,27 - 2,54 cm, blir den i alt vesentlig stive borestreng over borr kronen utsatt for en meget høy sjokkbelastning som øyeblikke-lig oppheves når borkronen begynner å returnere til bunnen.

F. eks. kan denne sykliske belastning på borestrengen variere mellom 0 og 45360 kg eller mer fra ett øyeblikk til det neste.

Det er flere ødeleggende virkninger som oppstår på grunn av den voldsomme sykliske belastning som borestrengen utsettes for. F. eks. er den en primær faktor for slitasje og feil i borestrengen. Riggen får også en hard medfart, og spesielt ved grovboring blir hele riggkonstruksjonen rystet kraftig, og den eneste mulighet som er tilgjengelig for å redusere vibrasjonen er å redusere rotasjonshastigheten av og/eller vekten på borkronen. Dette bevirker en reduksjon i borehastigheten.

Det er vanlig praksis å sette inn et verktøy, kjent som en vibrasjonsdemper eller sjokkabsorbator, i borestrengen over borkronen med det formål å isolere strengen fra borkronen .

Generelt vil en vibrasjonsdemper innbefatte en indre, rørformet spindel festet ved sin øvre ende til borestrengen og en ytre rørformet sylinder festet i sin nedre ende til borkronen eller vektrørene som er direkte over borkronen. Spindelen glir i sylinderen. De to deler er kileforbundet med hverandre, slik at de blir låst for samtidig rotasjon, men kan bevege seg i lengderetning i forhold til hverandre. Det benyttes også innretninger for å begrense utstrekningen av den langsgående bevegelse av delene, slik at de ikke kan adskilles fra hverandre. Ved en hovedtype av verktøy har en del av spindelen redusert utvendig diameter, slik at det blir dannet et ringformet kammer mellom spindelen og sylinderen. Det er sørget for O-ringer mellom spindelen og sylinderen ved hver ende av kammeret for å hindre at boreslam skal kunne trenge inn. Spindelen og sylinderen har motstående øvre og nedre kompresjonsskuldre, og disse skuldre utstrekker seg i tverr-retning og inn i det ringformede kammer nær kammerets øvre og nedre ender. Et deformerbart element er anordnet inne i kammeret mellom kompresjonsskuldrene.

Under drift, når borkronen akselereres oppover, virker sylinderkompresjonsskulderen mot basisen til det deformerbare element. Elementet blir hindret i å bevege seg aksielt av spindelkompresjonsskulderen som er plassert ved dets andre ende. Ettersom skulderen presses sammen, blir elementet deformert. Teoretisk skulle det deformerbare element absorbere det aksiale trykk på borkronen og hindre sjokkover-føringer. I praksis viser det seg imidlertid at et deformerbart element som er "bløtt" ved grunne dyp kan bli "hardt" ved store operasjonsdybder.

Et sjokkabsorberende verktøy har rørformede deler som teleskoperer i vertikal retning. Det omfatter vanligvis en indre rørformet spindel som ved sin øvre ende er festet til den øvre del av borestrengen og en ytre rørformet sylinder som er festet ved sin nedre ende til den nedre del av borestrengen (og, mer spesielt, til borkronen, som er dén kompo-nent som konstant støter opp og ned når den roterer mot bunnen) . Det er vanlig å anordne et ringrom mellom spindel og sylinder og delvis å fylle dette rom med en ringformet søyle av deformerbare, ettergivende elementer. En skulderdannende del av spindelen lukker den ene ende av ringrommet, og en skulderdannende del av sylinderen lukker den andre ende av ringrommet. Søylen av ringformede elementer utstrekker seg mellom de to skuldre. Når således Kronen støter oppover fra bunnen, vil sylindersknlderen sammenpresse elementene mot den stasjonære spindelskulder. Elementene deformeres og blir stive når de blir sammenpresset. Som et resultat vil de i økende grad motvirke ytterligere sammenbringing av spindel-og sylinderskuldre og således bryte oppoverrettet bevegelse for sylinderen og den dertil festede krone. Sagt på en annen måte vil elementene absorbere sjokkbelastninger som skriver seg fra bevegelsen til borkronen. Verktøy av denne type er vist i US patentene nr. 3383126 og 3406537.

Det er også vanlig å anordne O-ringpakninger mellom de rørformede deler i hver ende av ringrommet og å fullføre" fyllingen av rommet med et legeme av lett olje. Olje smører elementene, og elementene blir beskyttet mot borehullslam som utelukkes av pakningene. Et verktøy i samsvar med denne beskrivelse er vist i US patent nr. 3774731.

Imidlertid vil i dypere brønner faste O-ringpakninger ha en tendens til å lekke og vaskes ut på grunn av det høye hydrostatiske trykk i brønnhullet. Det er således i US patent nr. 3406537 foreslått at en av de faste pakninger blir erstattet med en "flytende tetning". Denne flytende tetning påvirkes av søylen av slam i borestrengen og glir oppover for å presse opp oljen i ringrommet for å tilveiebringe en utligning. Således er det ikke noe trykkdifferensial over avtet-ningene, og utvaskingsproblemet blir betydelig redusert.

Verktøy av den type som er beskrevet i de ovenfor nevnte US patenter er generelt utformet med kort slag på grunn av anordningen av deler og valg av materialer. I US patent nr. 3774731 ville brønnhullets hydrostatiske trykk svinge sylinderen oppover og sammenpresse elementene før borkronen blir beveget i det hele tatt, og denne belastning opptrer på grunn av at verktøyet ikke kombinerer en flytende avtetning og et oljebad for hurtig utjevning av trykket før sammentryk-ningen av elementene begynner. Elementene ble således belastet og i det vesentlige stive før verktøyet begynte å arbeide.

I US patentene nr. 3383126 og 3406537 er elementene utformet

av stålgitter, og de vil hurtig bli sammenpresset til en stiv form. Elementene ville også danne bro mellom den ytre flate på spindelen og- den indre flate på sylinderen og ville selv overført deler av sjokkbelastningen fra sylinderen til spindelen i steden for å absorbere belastningen. Trådgitterelementet har en relativt høy stivhet med det resultat at verktøyet ikke er i stand til å absorbere vesentlig borkronebevegelse. Med andre ord har verktøyet bare et relativt kort slag med det resultat at større borkronebevegelser vil overføre vesentlige krefter til borstrengen.

Hensikten med foreliggende oppfinnelse er å unngå

de ulemper og problemer man har ved de ovenfor nevnte utførel-ser .

Denne hensikt oppnås ved et verktøy av den innled-ningsvis nevnte art, som er kjennetegnet ved at stabelen av deformerbare elementer ved begynnende avfjæring har en fjærkonstant på mindre enn 17860 kp/cm, og at hele stabelen er fri for kontakt med hosliggende sidevegger på spindelen og i sylinderen, hvorved stabelen under bruk utsettes for i det vesentlige den totale aksiale sjokkbelastning over hele sin lengde.

Den frie anbringelse som er angitt ovenfor er et meget vesentlig trekk ved verktøyet ifølge oppfinnelsen sammen med den spesielle oppbygging av stabelen på i og for seg kjent måte, sammen med valg av fjærkonstant for den begynnende avfjæring. Derved unngås de brodannelser eller kraftover-føringer via fjærelementene som utgjør en klar ulempe ved de ovenfor omtalte tidligere kjente patenter.

For å oppnå et sjokkabsorberende boreverktøy som vil arbeide forholdsvis mykt ved alle boredybder og ved for-skjellige borevekter og pumpetrykk, er det nødvendig å anvende et mykt deformerbart element i kombinasjon med en verktøyenhet som, når den utsettes for det hydrostatiske trykk i borehullet, gir en lav "forbelastning" på det deformerbare element.

Det deformerbare element er utformet for å tillate en forholdsvis stor teleskopvirkning av verktøyet. Mer spesielt må elementet som velges ha en forholdsvis lav fjærkonstant, dvs. en fjærkonstant som er mindre enn 17860 kp/cm. I en foretrukket utførelse er elementet, når det er i bruk, tilpasset slik at det tillater i det minste 5,08 cm teleskopbevegelse av verktøyet når dette blir belastet med 36288 kg. Verktøyenheten utformes fortrinnsvis for å tillate i det minste at det oppstår 5,08 cm bevegelse av verktøyet. Imidlertid kan verktøyet også utformes for kortere bevegelse før dets teleskopdeler går i inngrep for å begrense ytterligere bevegelse. F. eks. kan verktøybevegelsen begrenses til 4,81 cm, selv om elementtypen som benyttes burde oppfylle det kriterium at den er i stand til å tillate i det minste 5,08 cm bevegelse av verktøyet med 36288 kg belastning.

Fortrinnsvis benyttes et relativt langt element

som består av en stabel av elementsegmenter. Verktøyet kan være omkring 101,6 cm langt. De deformerbare segmenter holdes borte fra kontakt med veggene i det ringformede elementkammer, hvis vegger beveges relativt hverandre. Stabelen består fortrinnsvis av alternerende elastiske ringer og stål-ringer med kanter. Stålringene fordeler belastningen til de elastiske elementer, mens kantene på stålringene i det vesentlige hindrer deformasjon av det elastiske materiale ved kon-taktoverflaten med stålringene. Denne anordning tjener til å hindre det elastiske materiale fra å komme i kontakt med kammerveggene etter hvert som deformasjon og resulterende

utbuling av de elastiske segmenter inntreffer. Man har funnet at dersom de elastiske deformerbare segmenter av elementene får anledning til å komme i kontakt med kammerveggene under driften av verktøyet, opptrer det hurtig destruksjon av det elastiske materiale i kontaktarealet. Verktøyets karakteristika blir også endret på grunn av friksjonen som'oppstår ved det elastiske materiales kontakt med de bevegelige kammer-vegger. Stålringene blir også utformet med en innvendig diameter som er vesentlig større enn spylerørsdiameteren og en utvendig diameter som er vesentlig mindre enn sylinderdiamete-ren, slik at hverken stålringene eller de elastiske ringer kommer i kontakt med veggene av det ringformede kammer i noen vesentlig utstrekning.

Andre konfigurasjoner av elementer og elementsegmenter kan naturligvis benyttes.

Et problem som oppstår med sjokkabsorberende verk-tøy for borestrenger er at når de blir benyttet i en borestreng over borkronen bevirker de at borehullet blir boret slik at det oppstår avvik fra vertikallinjen. Ofte blir dette problem bevirket av mangel på sidestivhet ved verktøyet som et resultat av at teleskopelementene ikke opptrer som en sam-let enhet.

Verktøyet bør derfor stabiliseres, noe som kan oppnås ved kontakt mellom spindelen og sylinderen ved tre opplagringssteder avstandsplassert langs verktøyet. Da verktøyet benytter et relativt langt elementkammer, befinner to av disse opplagringssteder seg umiddelbart over og under kammeret for å stabilisere spindelen. Denne stabilitet oppstår på grunn av presspasningen mellom spindel og sylinder ved lag-ringsstedene. Fortrinnsvis benyttes kombinasjonen av en klaring på ca. 0,005 cm mellom ståloverflåtene og anbringelse av en hard elastisk ring i en av overflatene for å danne den nød-vendige væsketette tilpasning. Denne anordning er effektiv med hensyn til å minimalisere siderettet differensialbevegelse mellom teleskopdelene ved-opplagringsstedene. I verktøyet er det passasjer i eller mellom teleskopdelene hvor dette er nød-vendig for å tillate at driftsfluidum kan passere forbi den avtettende elastiske ring. Disse spor kan gis begrensede di-mensjoner, slik at driftsfluidumet som strømmer frem og tilbake virker til å dempe teleskopbevegelsen. Stabilisserings-ringen kan også utformes av andre materialer, slik som fosfor-bronse eller berylliumskobber, for i det vesentlige å hindre siderettede differansialbevegelser. Forbipasseringsinnretnin-ger kan være spor eller hull.

Ytterligere et problem som henger sammen med sjokkabsorberende verktøy for borestrenger angår rotasjonslåsemeka-nismen som vanligvis er et blokerende rillesystem av typen tapp og hylse. Rillesystemene i tidligere kjente verktøy har vist seg å bli utslitt raskt som et resultat av den kontinuer-lige relative bevegelse mellom drivoverflåtene. Disse flatene blir utsatt for relative glidebevegelser av størrelsesorden 10.000 - 20.000 ganger pr. time. Man har funnet at vanlige stålriller slites raskt selv om de arbeider i en oljeatmosfære og utsettes for relativt små differensialbevegelser.

På grunn av den forholdsvis store teleskopbevegelse som tillates i verktøyet, og for å redusere den hurtige slita-sjen av rillene, er hylsedelen av rillesystemet utstyrt med et forholdsvis hardt slitasjemotstandsdyktig elastisk materiale på systemets drivoverflater og tilbakestøtsoverflater og i dets rillefordypninger og kammer. I de elastiske drivoverfla-tene av hylsedelen er det anordnet oljelommer og spor for å sikre smøring av rilleoverflåtene i de tilpassede tapper og hylser under deres bevegelse relativt hverandre. De elastiske drivoverflater og tilbakestøtsoverflater kan imidlertid be-finne seg på tappdelen av rilleenheten. Det er også anordnet kanaler i fordypningene i tappdelen for å tillate fri bevegelse av.driftsvæsken.

På grunn av at trykket i kammeret er utlignet med det hydrostatiske trykk i bunnen av hullet, finner det ikke sted noen vesentlig forbelastning av det deformerbare element. Det fulle omfang av deformerbarheten av elementet er derfor tilgjengelig for å oppta og absorbere den aksiale bevegelse av sylinderen, forårsaket av borkronen. Da den største grad av deformasjon som er innebygget i elementene, er tilgjengelig i belastningsområdet fra 0 - 18144 kg, er verktøyet i stand til å absorbere mesteparten, om ikke hele den aksiale bevegelse av sylinderen før elementet stivner i en i det vesentlige fast tilstand, med det resultat at borestrengen blir ubeskyttet mot store sjokkbelastninger.

Oppfinnelsen skal i det følgende forklares nærmere ved hjelp av utførelseseksempler som er fremstilt på tegningen, som viser: fig. la, lb og lc utsnitt av et vertikalriss av en utførelse av en vibrasjonsdemper for en borestreng i ubelastet eller utstrakt tilstand,

fig. 2a, 2b, og 2c et vertikalriss svarende til fig.

1 av demperen i en sammentrykt eller belastet tilstand,

fig. 3aet vertikalriss av den nedre del av en

annen utførelse av vibrasjonsdemperen i ubelastet tilstand,

fig. 3b et vertikalriss som viser utførelsen på fig. 3a i belastet tilstand,

fig. 4a et vertikalriss av den nedre del av enda en annen utførelse av en vibrasjonsdemper i ubelastet tilstand,

fig. 4b et vertikalriss av utførelsen på fig. 4a i belastet tilstand,

fig. 5 et snitt langs linjen 5 - 5 på fig. 2a,

fig. 6 et snitt langs linjen 6 - 6 på fig. 2b,

fig. 7 et snitc langs linjen 7 - 7 på fig. 2b,

fig. 8 et snitt langs linjen 8 - 8 på fig. 2c,

fig. 9 et planriss av en utførelse av et sammen-trykningselement benyttet i demperen,

fig. 10 et snitt langs linjen 10 - 10 på fig. 9,

fig. 11 et planriss av en annen utførelse av sammen-trykningselementet,

fig. 12 et snitt langs linjen 12 - 12 på fig.' 11,

fig. 13 et planriss av enda en utførelse av sammen-trykningsélementet,

fig. 14 et snitt langs linjen 14 - 14 på fig. 13,

fig. 15 et diagram som viser fjærkonstantkarakteri-stika av "bløte", "moderate" og "harde" deformerbare element-ter.

Vibrasjonsdemperen for en borestreng i overensstemmelse med oppfinnelsen innbefatter en teleskopisk spindel og en sylinder med et mellomliggende element. Det deformerbare element er utformet for å gi en sjokkabsorbsjonsinnretning med lav fjærkonstant. Spindelen og sylinderen danner i kombinasjon en rekke sammenbundne kamre eller et rom fylt med en mengde av et relativt ikke-kompresibelt driftsfluidum. Kamrene er skilt med godt tilpassede lageroverflater som sørger for aksial stabilitet mellom spindelen og sylinderen. Lagerover-flatene er utstyrt med passasjer for bevegelse av fluidum fra ett kammer til et annet. Spindelen og sylinderen er innbyrdes forseglet ved hver ende av kammersystemet med væsketette for-seglinger, hvor en ende er utstyrt med et bevegelig forsegl-ingselement for å hindre borehullsfluidum fra å komme inn i kammersystemet og for å sette driftsvæsken i kammersystemet under trykk for' å utligne dette med det hydrostatiske bunn-trykk i hullet.

Mer spesielt innbefatter utførelsen som er vist på fig. 1, en rørformet sylinder 10 og en rørformet spindel 12. Spindelen 12 er anordnet inne i og er bevegelig i forhold til sylinderen 10. Den øvre ende av spindelen 12 har form av en tappformet rilledel 13 som er utstyrt med en muffeforbindelse 14 av hensiktsmessig koblingskonstruksjon for verktøy for sam-menbinding til borestrengen (ikke vist). Under muffeforbindelsen 14 er det en seksjon 16 med mindre diameter og under denne er det en lengde av kamformede riller 18 skåret inn i overflaten av spindelen. Rillene 18 er krombelagt og over-flatebehandlet for tett tilpasning. Under rillene 18 er det en del 20 med mindre diameter som har en tett tilpasset krombelagt overflate som har en rekke kanaler eller spor 22 som er skåret inn i delens overflate. Kanalene strekker seg langs fordypningene av de kamformede riller. Som vist er sporene 12 lineære og parallelle med hverandre selv om andre utform-inger kan benyttes. Ved den nedre ende av rilledelen 13 er det en utvendig gjenget del 24 (fig. lb). Langs den midtre del av rilledelen er det et sentralt hull 2 5 beregnet for å føre boreslam gjennom verktøyet til boreskjæret (ikke vist).

Den neste lavere del av spindelen 12 er et spyle-rør 26 hvis øvre ende er utstyrt med en muffe 28 utformet i samsvar med den utvendig gjengede del 24 på rilledelen 13. Spylerøret 2 6 har en del 32 med redusert diameter under muffen 28, og sammen danner de en kompresjonsskulder 27. Muffen 28 er utstyrt med en O-ring 30 for forsegling til den utvendig gjengede tappdel på rilledelen 13. Muffen 28 er avstandsplassert fra sylinderen 10 for dannelse av en ringformet passasje 31. Skulderen 27 er utstyrt med radialt forløpende spor 110, som er nærmere omtalt senere.

Spylerørets del 32 med redusert diameter har gjen-ger 34 (fig. lc) ved den nedre ende for samvirke med mutteren 36. Delen 32 har en størrelse slik at den kan mottas i og understøtte en rekke deformerbare ringer 38 som utgjør et deformerbart element 40. Overflaten av delen 32 er også utstyrt med lineære kanaler eller spor 37, hvis formål er forklart nedenfor. Delen 32 er også utstyrt med en sentral boring 33, som står i forbindelse med hullet 25 for å føre boreslam tii borkronen.

Sylinderen 10 er ved den øvre ende utstyrt med en forseglingshylse 4 2 som har en aksial boring eller lageroverflate 44, som er dimensjonert for å motta delen eller den tilpassede lageroverflate 16 av den med kileriller utformede del 13 i tett tilpasning, dvs. med en klaring på ca. 0,005 cm. Den innvendige flate av forseglingsboringen 44 er utstyrt med fire periferispor 45, og i disse er det plassert væske-pakningsringer 45a og harde stabiliseringsringer 45b. Forseglingshylsen 42 sørger for en væsketett forsegling med den av krom utførte seksjon 16 av den kileformede rilledel og sta-biliserer sylinderen 10 på spindelen 12. Det er også anordnet en rensering 45c. Delen 16 er presstilpasset i stabiliseringsringene 45b. Den nedre ende av forseglingshylsen 42 er utstyrt med en tapp 46 som er tilpasset til en muffe 48 på den øvre ende av den hylseformede sylinderseksjon 50, som er utstyrt med riller. En O-ring 52 forsegler gjengeforbindel-sen. Den hylseformede sylinderseksjon 50 som er utstyrt med riller, har en innvendig boring 54 som har riller 56 som er skåret inn i kantflaten av boringen. Rillene 56 er dimensjonert slik at de griper inn i rillene 18 på den med kileriller utformede del 13.

Som vist på fig. 5, er rillene 56 fortrinnsvis utstyrt med en stålkjerne 56a, og på denne er det presset et syntetisk dekklag 58 som er motstandsdyktig mot slitasje, og som gir en støtputevirkning ved vridning. Et egnet dekklag 58 er dannet av en molybdendisulfidfylt uretanblanding som har en overflatehardhet "D" på 50. Materialet blir anvendt i form av et 0,635 cm tykt lag 60 på forkantene (dvs. driv-kantene) av rillene og et 0.318 cm tykt lag 62 på bakkantene.

Den nedre ende av den hylseformede sylinderseksjon 50 med riller er utstyrt med en tappdel 64 (fig. lb) som har en O-ring 65 som virker som pakning. Det nedre område 66 ved boringen 54 har redusert diameter og danner en skulder 68 som utgjør en forsegling og lagerflate 68a, i hvilken den nedre endedel av kilerilledelen 13 er opplagret. Det er anordnet flere stabiliseringsringer 67 i boringen ved området 66.

Man ser at tappdelen 64 av sylinderseksjonen 50 passer til en muffe 70 på den øvre ende av den deformerbare sylinderseksjon 72. Den nedre ende av tappdelen 64 begrenser den oppad forløpende langsgående bevegelse for spindelen 12 ved kontakt med den øvre ende av muffen 28. Det er anordnet en indre boring 74 i sylinderseksjonen 72. Boringen 74 strekker seg nesten til den nedre ende av sylinderseksjonen 72 hvor det er en boring 76 med redusert diameter for dannelse av en kompresjonsskulder 77. Denne skulder 77 begrenser den nedadgående langsgående bevegelse for spindelen 12. Spindelen bevirker via skulderen 27 en sammenpressing av de deformerbare segmenter 38 mot skulderen 77. Boringen 76 er dimensjonert for å motta den nedre ende av spylerøret 32 i et dreibart og stabilisert forhold inne i bæreflaten 76a. Sta-bilisatorringene 78 er montert i spor og skåret inn i veggen, til sylinderseksjonen 72 for å danne en væsketett presstil-pasning om spindelen 12.

Den nedre ende av sylinderseksjonen 72 ender i en tapp 80 (fig. lc), som er tilpasset til en muffe 82 som er utformet i den øvre ende av en trykkringenhet 84. Det er anordnet en O-ring 86 i tappen 80 for å forsegle gjengeforbind-elsen.

Trykkringenheten 84 er utstyrt med en forkrommet aksial boring 88 med en diameter som er størrre enn den nedre ende av spylerøret 26. En ring 90 er utstyrt med O-ringer 92 og 94 for å gi en væsketett forsegling av overflaten til boringen 88 i trykkringenheten 84 og den ytre overflate av delen 32 med redusert diameter av spylerøret 26. Ringen 90 avstøt-tes mot spylerøret 26 ved hjelp av mutteren 36. Den nedre ende av trykkringenheten 84 er utstyrt med en tappdel 96 for forbindelse tilbake til den nedre ende av borestrengen (ikke vist). Boringen 88 har en del 98 med redusert diameter i det nedre område, hvis funksjon skal forklares nedenfor.

Det er anordnet en åpning 97 i veggen til den deformerbare sylinderseksjon 72. Åpningen 97 er lukket med en plugg 99 som kan bli fjernet for å tillate at det føres hy-draulisk fluidum eller lignende til det indre av verktøyet, som forklart nedenfor. Det er anordnet en lignende åpning 101 og plugg 103 i den øvre ende av den hylseformede sylinderseksjon 50 med riller.

På fig. 5 er det vist et spor 22 som forløper i lengderetning i området ved annenhver kilerille, slik det og-så er vist på fig. 6. Fig. 6 viser også oljepassasjespor 108 gjennom tappen 64. På fig. 7 er sporene 110 vist tvers over skulderen 27 til muffeforbindelsen 28 for spylerøret 26. Man vil se at ringene 45 mellom rilledelen 16 og forseglingshylsen 42 danner et stabiliseringspar. Ringene 67 mellom rillesek-sjonen 50 og rilledelen 13 danner et annet stabiliseringspar. Ringene 78 mellom den nedre ende av sylinderseksjonen 72 og spylerøret 26 danner en tredje stabiliseringssone, mens for-seglingsringen 90 danner ytterligere en stabilisator mellom trykkringenheten 84 og den nedre ende av spylerøret 26. Alle disse stabiliseringskonstruksjoner vil binde sylinderen 10

og spindelen sammen i sideretning og gjøre verktøyet stivere.

Et ringformet rom 107a blir definert' mellom den ytre overflate av spindelen 12 og den indre overflate av sylinderen 10. Endene av dette rom 107a er lukket ved de væsketette pakninger 45, 92, 94. Stabiliseringsringene 67, 78 deler opp det ringformede rom 107a i henholdsvis et indre rillekammer 107, kammer 109 for deformerbare elementer og kammer 111 for flytende forsegling. I rommet 107a er anbragt de deformerbare ringer 38 og driftsfluidum. Fluidumet kan bevege seg fritt mellom kamrene 107 og 109 via spor 22, 108 og 31 og mellom kamrene 109 og 111 via den ringformede passasje 31 og spor 110 og 37.

Fig. 9 og 10 illustrerer henholdsvis i plan og snitt en form som de deformerbare ringer kan ha. Den deformerbare ringenhet 38 innbefatter en utspart metallskive 100 som har et par oppstående ribber 102 og 104 som definerer en ringformet utsparing 112 mellom seg. En ring 114 av et elastisk materiale som har en tykkelse som er større enn den oppstående dimensjon av ribbene 102 og 104, er plassert innenfor utsparingen 112. Den elastiske ring 114 deformeres under trykk, men på grunn av elastisiteten går den tilbake til sin originale form når trykket frigjøres.

Den deformerbare ring på fig. 11 og 12 innbefatter en flat metallskive 116, og til denne er det på egnet måte festet en ring 118 av elastisk materiale som har et trapes-formet tverrsnitt med hovedflaten i kontakt med metallskiven 116.

Den deformerbare ring på fig. 13 og 14 innbefatter metallskiver 120 og 121 hvor hver skive har en ytre ribbe 122 og en indre ribbe 126, som henholdsvis definerer ringformede utsparinger 130 og 132. En ring 134 av et elastisk materiale er plassert i hver utsparing og befinner seg mellom nærliggende skiver. Sideoverflaten 136 til de elastiske ringer 134 har en konkav form for å lette plassering og fasthold-else innenfor utsparingene av skivene.

Konstruksjonen av hver av disse deformerbare ringer er slik at ved lave belastninger vil avbøyning av verk-tøyet bli større enn ved store belastninger. Arbeidskarak-teristika for det deformerbare element faller fortrinnsvis innenfor det skraverte felt som er vist på fig. 15.

Andre elastiske materialer, slik som gummi, silisi-umgummi og neopren, såvel som uretan, kan også benyttes til det deformerbare element. En hard ikke-metallisk skive kan benyttes i stedet for metallskiver, eller en enkelt deformer-bar del kan anvendes i stedet for en stabel av alternerende metalliske og elastiske elementer.

Av fig. lb fremgår at skulderen til muffen 28 på spindelen 12 er i kontakt med skulderen til den sylindriske tapp 64 for å begrense teleskopvirkningen av spindelen og sylinderen og forhindre delene i å frigjøres fra hverandre.

Ved bruk av demperen blir tappdelen 96 av trykkringenheten 84 skrudd inn i borkronen, mens muffen 14 på den tappformede rilledel 16 skrus inn i hylser eller stabilisato-rer ved enden av borestrengen. Verktøyet er konstruert for å kunne brukes under de forhold man møter i boreoperasjoner i grunne eller dype borehull. Når demperen f. eks. blir benyttet direkte over borkronen i et dypt hull under en vanskelig boreoperasjon under følgende forhold:

vil dette virke som følger:

Det fullt utstrakte verktøy blir senket ned i borehullet på borestrengen inntil borkronen har nådd bunnen. Det indre trykk i det ringformede rom 107a utlignes med trykket på 703 kp/cm 2 ved bunnen av borehullet og som oppstår fra fluidummengden som befinner seg der etter.-som trykket i bunnen av hullet forspenner den flytende forseglingsring 90 oppover. Det blir deretter utøvet en vektbelastning på borkronen og derved belastes verktøyet. Ringelementene 38 blir deformert ved kompresjonsskuldrene 27, 77 når spindelen 12 og sylinderen 10 teleskopisk går sammen. Riggens slampumpe blir deretter satt i gang og vil øke det indre trykk i borestrengen ved verktøyet med 70,3 kp/cm 2. Når dette inntreffer, blir belastningen på ringelementene 38 redusert på grunn ay trykket fra pumpen og som virker mot tverrsnittet av spylerøret 26 og kilerilledelen 13. Dette trykk kan åpne verktøyet på grunn av pumpevirkningen. I det typiske tilfelle hvor arealet er 193,5 cm 2, vil pumpekraften være 13608 kp for de forhold som er angitt ovenfor. Således vil belastningen på ringelementene bli redusert fra 24948 kg til 11340 kg, selv om kronen fortsatt er belastet med 24948 kg.

Borestrengen blir deretter satt i rotasjon. Når rotasjonen inntreffer og borkronen beveges vertikalt, f. eks. pluss eller minus 1,27 cm i forhold til et midtpunkt med en frekvens på 3 hertz, blir det deformerbare element 4 0 trykket sammen og strukket 1,27 cm, noe som gir en total bevegelse på 2,54 cm ved denne frekvens. Mer spesielt blir uretanringene 114 deformert, og driftsvæsken blir presset gjennom kanalene 37 i seksjonen 3 2 og spylerøret med redusert diameter og inn i kammeret 111 med flytende forsegling og forårsaker derved nedovergående forspenning av den flytende forseglingsring 90. Da fjærkonstanten til elementet ved denne belastning fortrinnsvis er ca. 3572 kp/cm, vil belastningen på det deformerbare element 40 under disse forflytninger variere mellom ca.

6804 kg og 15876 kg. Nettoeffekten blir at belastningen på borkronen vil variere fra ca. 20412 kg til 29484 kg. Når verktøyet presses sammen og ekspanderer, blir driftsoljen pumpet frem og tilbake mellom kamrene og absorberer således energi.

Konstruksjonen av vibrasjonsdemperen som er beskrevet, er slik at den: 1) sørger for utligning av trykket inne i kamrene med deformerbare elementer med det hydrostatiske trykk i bunnen av hullet for å eliminere problemet med forbelastning, 2) sørger for et differensielt forseglingsområde, slik at riggens pumpetrykk, som avspeiler seg ved verktøyet, virker til å pumpe spindelen og sylinderen fra hverandre for derved å bevirke de mest fleksible deler av verktøyet for absorbsjon av de aksielle krefter fra boreskjæret, 3) sørger for et "bløtt" deformerbart element som fortrinnsvis har fjærkonstant-karakteristika, slik at verktøyet vil bevege seg teleskopisk i det minste 5,08 cm under en belastning med 36288 kg og ikke mer enn 5,08 cm under en belastning med 4 53 6 kg for å sikre at den største del av den sykliske belastning som kommer fra bor-kronebevegelsen blir tatt opp av verktøyet, 4) sørger for stabilisering av verktøyet i den hensikt å minimalisere av-vikelser i hullet, 5) danner deformerbare segmenter som er avstandsplassert fra de bevegelige vegger av elementkammeret i en tilstrekkelig avstand til å tillate at deformering av uretanringene vil oppstå uten kontakt med veggene, 6) sørger for demping av de teleskopiske bevegelser ved at det anordnes driftsolje som må passere frem og tilbake tvers over de væsketette lagersoner gjennom begrensede kanaler som har et på for-hånd valgt tverrsnittsareal og 7) sørger for en forbedret rilleenhet tilpasset for å klare det relativt lange slag og

I høyfrekvent teleskopbevegelse av verktøyet.

På fig. 3a og 3b er det vist en annen utførelse hvor utformingen av den nedre ende av spylerøret 26 og trykkringenheten 84 er modifisert. Boringen 88 i trykkringenheten 84 er forbundet med en boring 14 0 med mellomliggende diameter med en størrelse for å motta delen 3 2 av spylerøret 26 med redusert diameter med tett tilpasning. Det er anordnet et par pakninger 142 ved den øvre ende av boringen 140. Det er videre anordnet en eller flere åpninger 144 gjennom sideveggene av trykkringenheten 84 for å danne kommunikasjon mellom utsi-den av denne og den nedre del av boringen 88. Gjengene 34 og mutteren på den nedre ende av spylerøret 26 er eliminert, og delen 32 med redusert diameter er utstyrt med en forlengelse 14 5 som blir opptatt i boringen 140 og som blir omgitt av pakninger 142 i den ubelastede tilstand. Fig. 3b viser demperen under belastet tilstand. I denne utforming blir trykkringen 90 utsatt for trykket i borehullet i stedet for det indre strengtrykk. Resultatet av dette er at fluidumet i de indre kamre av demperen blir holdt ved et trykk lik trykket i borehullet, og følgelig virker differansialtrykket over borkronen bare på tverrsnittsarealet av spylerørsforlengelsen 145. Således blir kraften som åpner demperen ved pumpevirkningen vesentlig redusert i forhold til hva som er nødvendig ved en utførelse i overensstemmelse med fig. 1 og 2, mens trykkutlig-ningsegenskapen opprettholdes. Denne utførelse er spesielt gunstig i verktøy med stor diameter og som benyttes i grunne hull hvor•borkronevekten ikke kan være vesentlig større enn kraften som dannes av differansialtrykket på trykkringområdet.

Fig. 4a og 4b viser en demperutførelse uten trykkringen 90 og sporene 37 og som ikke tillater utligning av indre og ytre trykk. Ved denne utførelse er demperen ikke helt

fylt med fluidum og er spesielt anvendbar i grunne hull med stor diameter. Tilleggsstabilisering blir oppnådd ved bruk av stabilisatorringer 78 både over og under pakningene 79.

I utførelsen på fig. 1 og 2 er det vist hvordan den flytende pakningsring 90 utlignet fluidumtrykket i de indre kamre med slamtrykket. Videre er det vist at differansialtrykket over borkronen virker på den flytende pakningsring 90 og spindelen for ved pumpevirkning å åpne med en kraft lik differansialtrykket ganger arealet som innelukkes av den utvendige diameter av trykktetningsringen.

I noen tilfeller kan det hende at arealet som innelukkes av den utvendige diameter av trykktetningsringen ganger differansialtrykket kan være større enn belastningen som mottas av borkronen. I dette tilfelle vil demperen forbli åpen ved pumpevirkningen og vil ikke fungere etter hensikten. I slike tilfeller tillates det ikke at trykktetningsringen er flytende. Dette oppnås ved å plassere en elastisk avstands-innretning 146, som er vist ved stiplet strek, mellom trykktetningsringen og tappen 80 til sylinderseksjonen 72 i sammen-trykket tilstand. I tillegg er demperen bare delvis fylt med fluidum. Således holder det hydrostatiske trykk trykktet-

i ningsringen mot avstandsinnretningen 146, mens spylerøret beveges aksialt gjennom forseglingene 92 på innsiden av forseg-lingsringen 90. Resultatet er at ingen trykkutligning finner sted i det ringformede kammer av demperen, noe som resulterer i at det hydrostatiske trykk bringer demperen til lukket tilstand. Differansialtrykket tvers over borkronen virker imidlertid på arealet av spindelen 32. og forsøker å åpne verktøyet ved pumpevirkning. Således, kan demperen bli modifisert for

bruk i grunne hull ganske enkelt ved å tilføye avstandsinnretningen 14 6 og ved ikke å fylle det indre kammer.

En karakteristisk egenskap med de fleste sjokkabsorberende elementer som benytter seg av deformasjon av et materiale for å absorbere sjokk, er at fjærkonstanten av elementet øker etter hvert som belastningen på elementet blir øket. Med andre ord er det slik at med lav belastning på et element, blir elementet mye bløtere enn med høy belastning. Diagrammet som er illustrert på fig. 15, viser karakteristika for avbøyning eller defleksjon som funksjon av belastning i kurveform for tre elementer A, B og C. Noe som er tydelig av diagrammet, er at fjærkonstanten av elementene (dvs. hellin-gen av kurven) varierer kontinuerlig etter hvert som belastningen på elementet endres. Følgelig kan fjærkonstanten be-traktes som en gjennomsnittsverdi for en viss størrelse på sammentrykning som er nødvendig for å forflytte verktøyet 2,54 cm.

Element A på diagrammet kan bli klassifisert som

et hardt element som har eh fjærkonstant for de første 2,54

cm bevegelse på omkring 53 58 0 kp/cm. Dersom elementet ved operasjonsdybden var forbelastet (operasjonspunkt X i diagrammet) med 136080 kg, er det klart at elementet ville være ekstremt hardt.

Element B på diagrammet kan bli klassifisert som et "moderat" element som har en fjærkonstant på 9823 kp/cm for de første 2,54 cm bevegelse. Dersom elementet ved operasjonsdybden var forbelastet (operasjonspunkt X på diagrammet) med 136080 kg, er det klart at elementet vil være ekstremt hardt, dvs. det vil kreve en enorm belastning for ytterligere å de-formere elementet. Dersom elementet ved operasjonsdybden bare ble forbelastet med 13608 kg (operasjonspunkt Y på diagrammet), så ville elementet være moderat bløtt og ha en fjærkonstant på omkring 10716 kp/cm. Det kan ytterligere bli deformert med en forholdsvis liten belastning.

Element C på diagrammet kan bli klassifisert som et bløtt element som har en fjærkonstant på 2679 kp/cm for de første 2,54 cm bevegelse. Ved operasjonspunkt X på diagrammet vil fjærkonstanten være høy, og elementet vil være ekstremt hardt. Ved operasjonspunktet Y vil imidlertid elementet ha en fjærkonstant på omkring 3572 kp/cm.

Claims (2)

1. Verktøy for bruk i en borestreng for absorbsjon av sjokkbelastninger som oppstår ved oppoverrettet aksiell forskyvning av borkronen under boring, hvilket verktøy innbefatter en rørformet spindel (12) som er teleskopisk anordnet i en rørformet sylinder (10) og forbundet til denne med en aksiell kileforbindelse (18, 56) hvor et ringformet rom (107a) innbefattende et kammer (109) er tildannet mellom spindel og sylinder, en ettergivende innretning (38, 40) plassert i kammeret, hvilken ettergivende innretning innbefatter en stabel (4 0) med adskilte, faste og deformerbare elementer (38) , et par av motsatte kompresjonsskuldre, hvorav en (27) bæres av spindelen og utstrekker seg inn i kammeret hosliggende en ende av dette, og den andre (77) bæres av sylinderen og utstrekker seg inn i kammeret hosliggende til den andre ende av kammeret, hvilke skuldre virker mot endene til den ettergivende innretning (38, 40),karakterisert ved at stabelen (40) av deformerbare elementer ved begynnende avfjæring har en fjærkonstant på mindre enn 17860 kp/cm, og at hele stabelen er fri fov kontakt med hosliggende sidevegger på spindelen (12) og i sylinderen (10), hvorved stabelen under bruk utsettes for i det vesentlige den totale aksiale sjokkbelastning over hele sin lengde.

2. Verktøy ifølge krav 1, karakterisert ved at stabelen av elementer er beregnet på å tillate en bevegelse på minst 5,08 cm for det teleskoperende verktøys bevegelse når verktøyet er aksielt belastet med 36288 kg og ikke mer enn 5,08 cm når det teleskoperende verktøy er belastet med 10536 kg.