NO154207B - Anordning for mùling av spenninger som virker i en boreinn retning - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en anordning for måling av spenninger som virker i en boreinnretning under drift, dvs. i den enhet som befinner seg ved bunnen av den borede brønn og omfatter borkronen, eventuelt en overliggende senkemotor samt vektrørene.

Anordninger av denne art er kjent fra fransk patentskrift nr. 2 041 342 og US patentskrift nr. 3 855 853.

Disse kjente anordninger omfatter måleinnretninger bestående av strekklapper som er festet til minst ett elastisk element som deformeres under spenningspåvirkning, eller et prøve-stykke (en forholdsvis tynnvegget metallhylse), som innbyrdes forbinder to ledningsrør som er koplet til henholdsvis en øvre og en nedre seksjon av boreinnretningen.

En hylse som er forbundet med en av disse lednings-rør beskytter det deformerbare element mot radialtrykket og sik-kerhetsorganer begrenser den relative forskyvning av ledningsrø-rene under påvirkning av spenningene i boreinnretningen, for å hindre skader eller brudd i det elastiske element som følge av en midlertidig øking av belastningen.

Disse kjente anordninger utsettes imidlertid for høye spenninger i lengderetningen som følge av boreslammets hydrostatiske trykk og på grunn av en stempeleffekt som skyldes innsnev-ring av borefluidets strømningstverrsnitt (bunneffekt).

Dersom man f.eks. ved en borkrone med nominell diameter 9h tomme (241 mm) ikke iverksetter noen spesielle tiltak for å unngå ovennevnte ulemper, kan man ved et hydrostatisk trykk på 600 bar få en aksialtrykkraft på 70 tonn på prøvestykket, mens kreftene som man vil måle er mellom 0 og 40 tonn. Likeledes kan kraften som skyldes bunneffekten, ved en trykkforskjell på 200

bar mellom boreinnretningens innside og utside, gi en aksial strekkraft på 20 tonn, eller en aksial trykkraft på 20 tonn dersom det ytre trykk overskrider det indre trykk med 200 bar.

De målinger som utføres ved hjelp av prøvestykket under disse forhold må således korrigeres, og disse korrigerte verdier kan ligge vesentlig høyere enn de målte verdier. Slike korreksjoner kan bare utføres når man kjenner de opptredende trykk med tilstrekkelig nøyaktighet, i motsatt fall kan man ikke utføre noen brukbare målinger.

Som ytterligere eksempel på kjent teknikk skal nev-nes US patent nr. 3 319 726. Ved bruk av denne kjente anordning for måling av spenninger vil man imidlertid heller ikke kunne oppnå eliminering av de uvedkommende krefter.

Formålet med oppfinnelsen er følgelig å tilveiebrin-ge en måleanordning av den innledningsvis nevnte art, som ikke utsettes for spenninger i lengderetningen på grunn av det hydrostatiske trykk og på grunn av bunneffekten.

Dette formål oppnås ved en anordning som nærmere angitt i de etterfølgende patentkrav.

Oppfinnelsen gjør det således mulig å redusere prøvestykkets effektive tverrsnittsareal til et minimum, for å oppnå maksimal påvirkning av målingsgiverne og følgelig maksimal følsomhet.

Oppfinnelsen skal i det følgende beskrives nærmere i tilknytning til tegningen hvor:

Figur 1 viser en første utføringsform,

Figur 2 viser et utsnitt av en alternativ utfø-ringsform, Figur 3 viser en ytterligere utføringsform som er særlig egnet for boreinnretninger med liten diameter.

På figur 1 er vist en første utføringsform av oppfinnelsen, idet dens øvre del er vist til venstre og dens nedre del er vist til høyre på tegningen. Tallet 1 angir et element som er deformerbart under påvirkning av de spenninger som opptrer i borerøret, hvilket element f.eks. kan bestå av et metall-rør hvor minst ett parti (partiet la på figur 1) har redusert tykkelse, slik at det er relativt deformerbart under påvirkning av strekkspenninger, trykk- og/eller vridningsspenninger som opptrer i boreinnretningen.

Elementets deformasjoner kan registreres ved hjelp av strekklapper 2 som kan være av kjent type og f.eks. omfatter strekklapper anordnet parallelt med anordningens akse for måling av strekk- og trykkspenninger, og strekklapper anordnet vinkel-rett på førnevnte strekklapper, for måling av vridningsspenninger. Strekklappene er ved 3 tilkoplet elektroniske kretser 4 til hvilke også er tilkoplet andre givere for måling av andre parametere ved bunnen av borehullet, f.eks. giveren 5 som måler temperaturen samt giverne 6a og 6b som måler henholdsvis trykket på utsiden og innsiden av boreinnretningen. Målingene fra de forskjellige givere overføres fra kretsene 4 til overflaten gjennom en kabel 7 som er forbundet med en koaksial plugg 8.

Når borerøret er et fleksibelt rør som opptar ledere for overføring av informasjon, kan pluggen 8 være forbundet med minst én av disse ledere.

Anordningen kan også være forbundet med et overfø-ringssystem basert på trykkpulser i boreslammet, eller til hvilket som helst annet overføringssystem. I dette tilfelle vil egnede elektronikkretser behandle informasjonene for å tilpasse dem det aktuelle overføringssystem.

De elektriske kretser 4 kan tilføres elektrisk

energi ved hjelp av batteriet plassert på bunnen, eller ved hjelp av ledere som er forbundet med overflaten ved borehullet, eller anordningen kan tilføres energi gjennom overføringssyste-met .

Det deformerbare element 1 forbinder innbyrdes to tilstøtende ledningsrør 9 og 10 som dette element kan være festet til f.eks. ved hjelp av pinner 11 og 12. En ytterhylse 14 som kan være festet til ledningsrøret 10 ved hjelp av egnede midler såsom pinner 15 og mutter 15a, beskytter det deformerbare element 1 mot det ytre radialtrykk. Ledningsrøret 9 kan ved hjelp av gjenger 9a forbindes med en nedre del av boreinnretningen, og et munnstykke 14a på hylsen 14 som er fast forbundet med ledningsrøret 10, kan ved hjelp av gjenger 14c tilkoples en øvre del av denne innretning. Borefluidet kan strømme i disse ledningsrør 9, 10 (antydet med pil), gjennom kanaler såsom kana-len 13 utformet i ledningsrøret 10.

Ringtetninger holder boreslammet vekk fra partiet la på det deformerbare element 1 med svekket veggtykkelse.

Sikringsorganer begrenser størrelsen av den relative forskyvning mellom ledningsrørene 9 og 10 under påvirkning av de spenninger som virker i boreinnretningen, for å hindre brudd i det deformerbare element 1 som følge av utilsiktet høye spenningsverdier (utenfor måleområdet).

I de viste utføringsformer består sikringsorganene

av tapper 16, 17 som er festet til et munnstykke 14b på hylsen 14 og rager inn i hull eller slisser 16a eller en utsparing 17a som hver har en begrenset klaring mot den innstikkende tapp i det minste i én retning (utsparingene kan være sirkulære, med en

diameter større enn diameteren til tappene 16 og 17, eller de kan være ovale i én retning).

Disse sikringsorganer begrenser elementets 1 deformasjoner i flere retninger tilsvarende de forskjellige spenninger (strekk-, trykk-, vridning) som virker i boreinnretningen.

Når den grense som er satt for deformering av elementet 1 blir nådd kommer i det minste én av tappene 16, 17 i anlegg mot kanten på en utsparing hvis profil er bestemt i henhold til den tillatte grenseverdi for deformeringen av elementet som påvirkes av spenningene, i hver av disses retninger.

Denne grenseverdi fastsettes f.eks. til 40 tonn

for strekkbelastninger og til 1000 mkg for dreiemomenter som virker på boreinnretningen, idet disse verdier selvsagt bare er ment å angi størrelsesordenen.

Når denne grense nåes tar ledningsrøret 9 over en del av belastningen som tidligere bare ble opptatt av det deformerbare element 1.

Andre sikringsorganer kan benyttes for med en begrenset klaring å forbinde det deformerbare element 1 med led-ningsrøret 9, f.eks. komplementære firkantgjenger med en viss innbyrdes klaring.

I de forskjellige viste utføringsformer oppviser røret 9, nær enden 18 av røret 10, et første sylindrisk veggparti med vesentlig samme utvendig diameter (tilsvarende tverrsnittet S^) som røret 10 nær dettes ende 18 (tverrsnitt Sq på røret 10).

I og med at disse tverrsnitt er like oppheves enhver aksialkraft som ellers på grunn av det hydrostatiske trykk ville virke på motstøtende ender av rørene 9 og 10 i anordningen. Kammeret la som utsettes for atmosfæretrykket og som inneholder elektronikkretsene 4 samt prøvestykket 1 omfatter således intet tverrsnitt som utsettes for det hydrostatiske trykk, hvilket eliminerer enhver stempel- eller donkraftvirkning. De radi-ale belastninger opptas av de sylindriske partier av delene 1, 9, 10, 14 og de aksiale belastninger av tverrsnittet i nivå med mutteren 15a, ved anordningens øvre del, og av ringveggen 20 ved dens nedre del, idet både mutteren 15a og ringveggen 20 er fast forbundet med samme del 14. Dessuten påvirkes ikke de målinger som utføres ved hjelp av anordningen ifølge oppfinnelsen av den uunngåelige reduksjon i strømningstverrsnitt ved boreinnretningens nedre ende hvor borkronen og eventuelt en senkemotor for drift av borkronen er tilkoplet, idet denne tverrsnittsreduksjon (som føl-ge av trykkforskjellen mellom boreinnretningens innside og utside) normalt ville forårsake en nedadrettet aksialkraft som ifølge oppfinnelsen utlignes ved hjelp av det nedenfor beskrevne arrangement.

Hylsen 14 danner sammen med lednigsrøret 9 side-

veggene i et ringformet rom som avgrenses av to ringformede elementer 20 og 21 som danner endeveggene i dette ringrom.

Det ene av disse elementer, elementet 20, er beliggende

i høyde med rørets 9 første sylindriske parti 19 og det andre element 21 er beliggende i høyde med et annet sylindrisk veggparti 22 av røret 9 med utvendig tverrsnitt Ringelementet 20 er ved 23 festet til hylsen 14 og tillater glidebevegelsen til rø-rets 9 første ytre veggparti 19.

Ringelementet 21 er festet til hylsen 14 ved hjelp av gjengene 24 og tillater glidebevegelsen til rørets 9 andre ytre veggparti 22.

I den på figur 1 viste utføringsform deler det ringformede stempel 25 ringrommet mellom elementene 20 og 21 i et første ringkammer 26 som kommuniserer med boreinnretningens utside gjennom minst én åpning 27, og et annet ringformet kammer 28 som kommuniserer med boreinnretningens innside gjennom minst én åpning 29.

I eksemplet på figur 1 er ringstemplet 25 forbundet

med røret 9 ved hjelp av gjengene 25a og er tettende forskyvbart anordnet innvendig i hylsen 14.

Betegner videre S hylsens 14 innvendige tverrsnitt i høyde med stemplet 25, vil arealet s^ = S - S, av det første ringkammers 26 effektive tverrsnitt i høyde med toppen av stemplet 25 på grunn av konstruksjonen være vesentlig lik arealet

av det ytre tverrsnitt av det annet parti på rørets 9 sylindriske vegg 22, og arealet s = S - S2 av det annet ringkammers 28 effektive tverrsnitt vil være vesentlig lik arealet S, av det ytre tverrsnitt av det første parti på rørets 9 sylindervegg 19.

Et slikt arrangement har følgende konsekvenser:

Første tilfelle:

Trykket Pi innvendig i boreinnretningen er høyere enn det ytre trykk Pe.

På grunn av reduksjonen i borefluidets strømningstverr-snitt i boreinnretningens nedre parti som følge av tilstedeværel-sen av borkronen (eventuelt med en ovenfor montert senkemotor) virker der på røret 9 en nedadrettet vertikal kraft av størrelse Mot denne kraft virker der på stemplet 25 en ver-tikalt oppadrettet kraft av størrelse

Disse to krefter som virker på de innbyrdes forbundne elementer 9 og 25 vil i det vesentlige utligne hverandre ettersom s ? = S^.

Annet tilfelle:

Trykket Pe utenfor boreinnretningen er høyere enn det innvendige trykk Pi. Dette gir en oppadrettet vertikal kraft mot røret 9 av størrelse Denne kraft utlignes av en nedadrettet vertikal kraft mot stemplet 25 av størrelse

Disse to krefter som virker på de samme innbyrdes forbundne elementer 9 og 25 vil i det vesentlige utligne hverandre ettersom s^ = S^-

Ved arrangementet vist på figur 1 er det således mulig å utligne eller kompensere virkningen på det deformerbare element 1 av trykkforskjellen mellom boreinnretningens innside og utside.

Det skal bemerkes at ved utføringsformen vist i fig. 1 gjelder likheten:

Figur 2 viser utsnitt av en annen utføringsform utstyrt med visse modifikasjoner.

For det første erstattes ringelementene 20 og 21

i foregående utføringsform av elementer henholdsvis 20a og 21a som i denne utføringsform er fast forbundet med røret 9 (ved henholdsvis gjengene 30 og 31) og som er anordnet skyvbart langs hylsens 14 innervegg, og anordningen av ringrommene 26 (som kommuniserer med boreinnretningens utside) og 28 (som kommuniserer med boreinnretningens innside) er omvendt i forhold

til stemplet 25. Sistnevnte er i denne utføringsform forbundet med hylsen 14 og tillater glidebevegelse av røret 9.

Dessuten er der ved siden av elementet 21a, motsatt kammeret 26, anordnet et ringkammer 32 som inneholder luft med atmosfæretrykk, hvilket kammer begrenses av et ringstempel 33 som skiller det fra et annet ringkammer 34 som gjennom en åpning 35 kommuniserer med boreinnretningens utside.

Ved utføringsformen vist på figur 2 beskyttes det deformerbar element 1 mot påvirkning av det hydrostatiske trykk og trykkforskjellen mellom boreinnretningens innside og utside, ved at anordningen er konstruert i samsvar med følgende betingelser:

og hvilket innebærer:

Figur 3 viser en ytterligere utføringsform som avviker fra utføringsformen ifølge figur 1 ved at den omfatter to sett ringkammere 26 og 28 (ringkammere 26a og 26b med effektive ring-tverrsnitt henholdsvis s^ og s'-^, som kommuniserer med boreinnretningens utside, og ringkammere 28a og 28b med effektive ring-tverrsnitt henholdsvis s- og s^ som kommuniserer med boreinnretningens innside).

Ringkamrene 26a og 28a er anordnet på hver sin side av stemplet 25 og ringkamrene 26b og 28b er anordnet på hver sin side av et ytterligere ringstempel 36 som befinner seg mellom ringstemplet 20a og ringelementet 21, og er forbundet med røret 9 ved hjelp av gjengene 36a. Et stempel 37 som er forbundet med hylsen 14 og tillater glidebevegelse av røret 9, skiller kammeret 28a fra kammeret 26b.

Ved denne utførings form utlignes virkningen av det hydrostatiske trykk og trykkforskjellen mellom boreinnretningens innside og utside ved å konstruere anordningen i henhold til føl-gende betingelser: Denne utføringsform vil være av spesiell interesse i forbindelse med boreinnretninger med liten diameter, idet det er lettere å tilfredsstille ovennevnte dobbeltbetingelse enn de to betingelser

som gjelder utføringsformen vist på figur 1.

Claims (3)

1. Anordning for måling av spenninger som virker i en boreinnretning, omfattende måleorganer som er forbundet med minst ett deformerbart element som innbyrdes forbinder to tilstøtende ledningsrør (9, 10) som kan tilkoples henholdsvis en øvre og en nedre seksjon av boreinnretningen, samt en hylse (14) som beskytter det deformerbare element mot det utvendige radialtrykk, og som sammen med ett av ledningsrørene (9) danner sideveggene i et ringformet rom som opptar minst ett ringformet, mellomliggende stempel (25) og som begrenses av to ringformede elementer (20 og 21) som danner ringrommets endevegger, idet • ringelementene (20, 21) er fast forbundet med en første (14) av sideveggene og kan forskyves langs den annen sidevegg (9), mens stemplet (25) er forskyvbart langs den første sidevegg (14), idet stemplet (25) adskiller to ringkammere hvorav det ene (26) kommuniserer med rommet utenfor boreinnretningen, karakterisert ved at ledningsrørene (9, 10) har i det vesentlige samme utvendige diameter ved sine til-støtende ender, at det ringformede stempel (25) er fast forbundet med den annen sidevegg (9) og at det andre ringkammer (28) kommuniserer med rommet innvendig i boreinnretningen, idet kamrenes effektive ring-tverrsnitt (hhv s^, S2) på hver side av ringstemplet (25) velges som funksjon av størrelsene (hhv S^) av ringrommets minste diameter i høyde med dette rommets respektive endevegger (20, 21), slik at i det vesentlige enhver uvedkommende aksialspenning som følge av en trykkforskjell mellom boreinnretningens innside og utside elimine-res .

2. Anordning ifølge krav 1, karakterisert ved at den omfatter et enkelt mellomliggende ringstempel (25) som adskiller to ringkammere (26, 28), hvert av hvilke nær stemplet (25) har et effektivt tverrsnitt (s^, s2) lik rørets (9) ytre tverrsnitt (S2, S^), som danner den annen sidevegg i ringrommet, målt i høyde med endeveggen (21, 20) til ringrommet som befinner seg på den andre siden av stemplet (25) i forhold til kammeret (26, 28).

3. Anordning ifølge krav 1, karakterisert ved at den omfatter tre mellomliggende ringstempler (25, 37, 36) som deler ringrommet i fire ringkammere (26a, 28a, 26b, 28b), idet de to kammere som er beliggende på hver side av samme ringstempel kommuniserer med rommet på henholdsvis innsiden og utsiden av boreinnretningen, idet summen (s^ + s1^) av de effektive arealer av ring-tverrsnittene til kamrene (26a, 26b) som kommuniserer med det utvendige rom er i det vesentlige like arealet (S^) av det ytre tverrsnitt av røret (9) som danner den annen sidevegg i ringrommet, målt i høyde med rommets endevegg (21), som avgrenser et ringkammer (28b) som kommuniserer med det innvendige rom, og idet summen (s2 + s'2) av arealene av de effektive ring-tverrsnitt til kamrene (28a, 28b) som kommuniserer med det innvendige rom er i det vesentlige lik arealet (S^) av rørets (9) ytre tverrsnitt målt i høyde med endeveggen (20) til rommet som avgrenser et ringkammer (26a) som kommuniserer med boreinnretningens utside.