NO155850B - Apparat til bruk ved maaling av krefter som virker paa en borkrone under boring av en broenn. - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse angår generelt utførelse av målinger

nede i et borehull under boringen, og særlig et apparat til bruk for måling av parametere såsom størrelsen av tyngden el-

ler dreiemomentet som virker på borkronen under boreoperasjonen.

Den tyngde som virker på borkronen (i det følgende benevnt borkronetyngden) blir vanligvis ansett for å være en viktig parameter for kontroll med boringen av en brønn. Borkronen påføres tyngde ved hjelp av en streng av tunge vektrør som er festet umiddelbart over borkronen og opphengt i borehullet på

et borerør med mindre diameter. Ved konvensjonell borepraksis er hele lengden av borerøret og det øvre parti av vektrørstren-

gen opphengt under strekkbelastning i boretårnet ved overflaten, slik at borkronetyngdens størrelse kan varieres ved å endre den angitte krokbelastning ved overflaten. Nøyaktig kontrollert borkronetyngde er påkrevet for størst mulig borsynk og minst mulig slitasje på borkronen. Borkronetyngden benyttes også for å styre retningen av borehullet, og nøyaktige målinger av dette kan benyttes ved analysering av borsynk-"gjennombrudd" som in-dikerer at borkronen har trengt inn i mer porøse formasjoner.

Det vil således forstås at en presis og nøyaktig måling av bor-kronetyngdeparametrene på en fortløpende basis er meget viktig ved boreprosessen.

Dreiemoment er også en viktig parameter ved vurdering av slitasjen på borkronen, særlig når den sees i sammenheng med målingene av borkronetyngden. Urimelig høyt dreiemoment antyder alvorlig skade på borkronen, f.eks. lagerbrudd og fastlåste skjærvalser.

Tidligere er målinger av borkronetyngde og dreiemoment

blitt utført ved overflaten, førstnevnte ved å sammenligne av-

lest kroklasttyngde med borkronens frie tyngde over bunnen, og sistnevnte ved å måle strømtilførselen til rotasjonsborets elektriske drivmotor, eller den mekaniske kraft på rotasjons-driv-kjedehjulet. En måling som er tatt ved overflaten er imidler-

tid ikke alltid pålitelig på grunn av borstrengens friksjon mot borehullveggen og andre faktorer. Følgelig har der lenge vært et behov for måling av virkelige verdier av tyngde og dreiemo-

ment ved selve borkronen for å fremskaffe virkelig pålitelig in-formasjon.

Den siste tids utvikling i borehull-telemetrisystemer har

har gjort det mulig å utføre målingene nede i borehullet, men for det meste oppviser de borehullfølere som har vært foreslått svært unøyaktige resultater som følge av virkningene av brønn-trykk- og temperaturtransienter som opptrer under boreprosessen. Særlig antas slike konstruksjoner som anvender et hjelpeelement eller hylse for å forstørre deformasjonen å være utilstrekkelige fordi et slikt hjelpeelement kan ikke skille mellom deformasjon på grunn av tyngde og en deformasjon på grunn av varmeutvidelse, idet sistnevnte er en meget komplisert, tidsavhengig fordeling av deformasjon som kan gjøre målingene, særlig av borkronetyngden, meningsløse.

Det generelle formål med foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe et apparat for måling av borkronetyngde og/eller dreiemoment nede i borehullet med forbedret nøyaktighet.

Disse og andre formål oppnås i henhold til prinsippene

ved foreliggende oppfinnelse ved hjelp av et apparat som angitt i det etterfølgende krav 1.

Deformasjonen som følge av ovalisering av åpningene under trykk- eller vridningsbelastning på huset, måles ved hjelp av et sett motstands-strekklapper som er festet til veggene i åpningene. Strekklappene er slik anordnet at de måler den for-størrede spenning uten å reagere på temperaturavhengig deformasjon. Nærmere bestemt er strekklappene fortrinnsvis montert ved eller nær den radius der varmespenningen er null, hvilket er nær midten av rørhusets vegg-tverrsnittstykkelse. Strekklappene er også montert i atmosfæriske omgivelser, dvs. isolert fra omgivende brønnfluid, ved bruk av tetningsplugger som stenger åpningenes ytre ender og holdes fra hverandre ved hjelp av et tverrelement med endeseksjoner som også er avtettet overfor en veggflate i hver åpning. Periferispenninger i hullene på grunn av hydrostatisk trykk oppheves som følge av at alle strekklappene utsettes for omtrent de samme periferispenninger. For i vesentlig grad å eliminere uønskede spenninger i rørhuset som følge av differensialtrykk, er dessuten en hylse montert i husboringen og strekker seg over og under åpningene idet hylsens motsatte ender er avtettet overfor huset for å danne et ringformet hulrom som er fylt med olje eller liknende. Trykket utenfor, huset utlignes på passende måte til oljetrykket. Hylsens nedre ende har en utadvendt flens som danner inngrep med en nedadvendt ansats i huset, idet flensen er avtettet over en vesentlig større innvendig diameter av huset enn tetningen mellom hylsens øvre ende og huset. På denne måte blir spenninger som ellers ville forekomme i huset på grunn av trykkfall over borkronen i vesentlig grad kompensert for ved oppadrettet kraft på hylsen på grunn av slikt trykkfall, hvilket overføres til huset ved ansatsen. Strekklappene kan være festet til åpningenes vegger orientert på passende måte for måling av enten borkronetyngde, dreiemoment eller begge verdier.

Foreliggende oppfinnelse har andre trekk og fordeler som vil fremgå klarere i forbindelse med følgende detaljerte beskri-velse av en foretrukket urføringsform, i sammenheng med tegnin-gene, hvor - ? Fig. 1 er en skjematisk illustrasjon av et borehull i hvilket er opphengt en borestreng som innbefatter et følerapparat ifølge foreliggende oppfinnelse,

Fig. 2 er et lengdesnitt av følerapparatet,

Fig. 3 er et tverrsnitt langs linjen 3-3 på fig. 2,

Fig. 4 er et utsnitt i større målestokk av en åpningsmon-tasje for å vise ytterligere konstruksjonsdetaljer i denne, og Fig. 5 er et enderiss ay åpningen vist i fig. 4 for å vise plasseringen av strekklappgiverne. Idet det først henvises til fig. 1 er der vist en borestreng 10 som er opphengt i et borehull 11 og til hvis nedre ende er festet en typisk borkrone 12. Umiddelbart over borkronen 12 er der anordnet et følerapparat 13 som er konstruert i henhold til foreliggende oppfinnelse. Utgangen fra føleren 13 mates til en overføringsenhet 15, f.eks. av den type som er vist og beskrevet i US patent nr. 3 309 656. Overføringsenheten 15 er beliggende og festet i en spesiell vektrørseksjon 16 og virker i sirkulasjonsfluidet som strømmer nedad i borestrengen 10 til å fremskaffe et akustisk signal som er modulert i sam-svar med de avfølte data. Selv om det her er nevnt et akustisk dataoverføringssystem, kan selvsagt andre telemetri-systemer anvendes, såfremt de er istand til å overføre et tydelig signal fra borehullet til overflaten under boreoperasjonen.

Figur 2 viser i større detalj en foretrukket utføringsform av foreliggende oppfinnelse. Apparatet 13 innbefatter et rør-formet hus 20 som i sin nedre ende er utformet med et innvendig gjenget muffeparti 21 for tilkopling til borkronen 12, og i sin øvre ende er utformet med et utvendig gjenget tapp-parti 22 innrettet for tilkopling til vektrøret 16. En midtkanal 23 gir ad-gang for gjennomstrømning av boreslam til borkronen 12. I veggen mellom husets 20 ender er utformet et par radialtløpende,

diametralt motstående, sirkulære hull eller åpninger 25 av gjen-sidig identisk form. Som vist i større målestokk på detalj teg-ningen i fig. 4, er hvert hull en veggflate 26 med større diameter og en veggflate 27 med mindre diameter, hvilke flater fortrinnsvis er forbundet via en avrundet flate 28. Den ytre åpning av hvert hull 25 er stengt ved hjelp av en plugg 29 som innføres fra utsiden og holdes på plass ved hjelp av en låsering 30, og hver plugg har O-ringtetninger 32 som ligger an mot veggflaten 26 for å hindre fluidlekkasje. Et bærerør 33 strekker seg på tvers av huset 20 med sine to ytterender i anlegg mot pluggenes 29 baksider, og har O-ringtetninger 34 i anlegg mot veggflaten 27, hvorved det innvendige område 35 i røret og det ringformede område 36 bak hver plugg 29 holdes ved atmosfærisk trykk og avtettet fra de omgivende brønnfluider. Et,kretskort (ikke vist) kan være anordnet i røret 33 og bære forskjellige elektroniske komponenter i forbindelse med de nedenfor nærmere omtalte strekklapp-brokretser.

Som vist på fig. 2 er en trykkhylse 40 montert i huset 20 og strekker seg fra en boringsflate 41 med redusert diameter i huset, til en boringsflate 42 med utvidet diameter i huset. Hylsens 40 øvre endeparti 43 er tilsvarende redusert i diameter, og er avtettet overfor flaten 41 ved hjelp av O-ringer 44, mens det nedre parti 4 5 er utstyrt med en utadvendt flens 46 med O-ringer 47 som tetter mot boringsflaten 42. Flensens 46 over-side ligger an mot en nedadvendt ansats. 48 i huset 20 og holdes mot samme ved hjelp av en låsemutter 49 slik at hylsen 40 er ak-sielt fiksert i huset 20. Hylsens 40 øvre endeflate 50 er beliggende en viss avstand under en motstående ansats 51 i huset 20 og er ikke i anlegg mot denne. Et tverrgående rør 53 er utformet i ett stykke med hylsen 4 0 mellom dennes ender og er innrettet til å oppta førnevnte rør 33 som strekker seg derigjen-nom. Hylsens 40 utvendige omkrets befinner seg i avstand innenfor husets 20 motstående, innvendige veggflate over stort sett hele hylsens lengde for å danne et ringformet hulrom 54 som er fylt med olje eller annen i det vesentlige ukomprimerbar væske via en typisk fylleplugg (ikke vist).

Trykket i oljen i hulrommet 54 er utlignet til det samme som trykket i brønnfluidene på husets 20 utside ved hjelp av et trykkoverføringsstempel 55 vist i fig. 3. Stemplet 55 er skyv-bart opptatt i en radialtløpende sylinder 56 som er utformet i husets 20 vegg og har O-ringtetninger 57 i glideanlegg mot dette. Sylinderens 56 indre ende står i forbindelse med ringrommet 54 via en åpning 58, mens sylinderens ytre ende er åpen mot husets 20 utside. En stoppring 59 er anordnet for å holde stemplet i sylinderen 56.

Et sett givere, f.eks. motstands-strekklapper, er ved

hjelp av hensiktsmessige midler festet til hullenes 25 veggflater 26 nær det ringformede område 36, og de er således montert på beskyttet måte i atmosfæriske omgivelser. For måling av deformasjon i hullenes 25 vegger som indikasjon på aksiell trykkbelastning på huset og således borkronetyngde, er fortrinnsvis fire strekklapper anordnet i hvert hull som vist i fig. 5, med strekklappene 6 2 og 6 3 ved henholdsvis hullets toppflate og bunnflate, og strekklapper 64 og 65 ved henholdsvis hullets høyre og venstre side. Hvert sett strekklapper anvendes i en motstandsbro-krets av vanlig konstruksjon slik fagmenn på området kjenner til. De elektriske ledninger til kretsen er ført gjennom passende, forseglede koplingsinnretninger (ikke vist) til utsiden der ledningene strekker seg oppad i sporene 70 (fig. 2) som er utformet i husets 20 utside og er beskyttet ved hjelp av dekkplater 71 eller liknende. Andre organer for å bringe signalet til utsiden kan selvsagt benyttes.

For måling av dreiemoment kan et annet sett motstands-strekklapper være festet til veggen i hver åpning 25, men for-skjøvet med en vinkel på 45° i forhold--til orienteringen av strekklappsettet vist i fig. 5 som benyttes for måling av tyngde. Vridningskrefter som virker på huset 20 for omdreining av borkronen 12 fører til ovalisering av åpningen med den største akse i ca. 4 5° vinkel med husets lengdeakse, og den tilsvarende deformasjon i åpningens vegger måles ved hjelp av strekklappene som en indikasjon på deformasjonen. Selv om strekklappene for måling av dreiemoment i prinsippet kunne vært festet i de samme åpninger som de som anvendes for måling av trykkbelastning, kan det være fordelaktig å anordne et annet tverrgående rør, plugg og radiell hullmontasje identisk med den som er vist i fig. 2, men i avstand under denne. Den ytterligere montasje kunne om ønskelig være orientert i 90° vinkel med den øvre montasje. Bortsett fra den vinkelmessige orientering av strekklappsettet i hullene 25, vil imidlertid apparatet være identisk med det som ovenfor er beskrevet og trenger således ikke å anskueliggjøres her.

Ved bruk innkoples den ovenfor beskrevne anordning i borestrengen over borkornen 12 og de elektriske ledninger til giverne sammenkoples på kjent måte med ledninger til overførings-innretningen 15. Det ringformede hulrom 54 er på forhånd fylt med olje, og når borestrengen føres ned i brønnen blir oljetrykket i hulrommet ved hjelp av stemplet 55 utlignet til det samme som det som hersker utenfor huset 20. Når slampumpene oppstartes ved overflaten for å innlede sirkulasjon, vil trykket i slammet innvendig i hylsen 40 bli så meget høyere enn trykket i ringrommet utenfor som trykkfallet over borkronens 12 dyser. Periferispenninger på grunn av denne trykkforskjell virker på hylsen 40, men er i det vesentlige isolert fra største-delen av husets 20 lengde på grunn av trykkutligningen ved hjelp av stemplet 55 som tidligere nevnt. Eventuelle spenninger på grunn av forkortelse av hylsen på grunn av en Poisson-virk-ning blir heller ikke overført til huset 20, ettersom hylsens øvre endeparti 4 3 fritt kan bevege seg nedad. Strekkspenning i huset 20 på grunn av trykkfall over borkronen blir i det vesentlige utlignet av en oppadrettet kraft som virker på husets ansats 48 på grunn av trykkforskjellen som virker på et resul-tantareal av hylsen 40 som er lik differansen mellom de arealer som avgrenses av tetningsringene 47 og 41. Hele husets 20 midt-parti der hullene 25 og strekklappene er beliggende, er således effektivt isolert fra trykkgradienter som ellers ville ha en forstyrrende innvirkning på avlesningene fra giverne. Strekklappene 62 - 65 er fortrinnsvis beliggende som vist i fig. 4 ved eller nær husets 40 tverrsnitts-veggtykkelse, slik at de er vesentlig upåvirket av en eventuell temperaturgradient som kan forekomme i metallet.

Den innadrettede kraft på hver av pluggene 29 som følge av utvendig eller hydrostatisk trykk, opptas av røret 33 hvis ende-flater ligger an mot pluggenes innervegger, slik at der ikke forekommer noen spenningskonsentrasjoner i husets 20 vegger nær hullene som følge av utvendig trykk som virker på pluggene 29.

Det samme trykk i ringrommet 54 virker på husets ringformede seksjoner nær hullenes innvendige overflater 27, men disse spenninger er jevnt fordelt rundt hullene og innvirker derfor ikke på utgangssignalet fra strekklappsettet som er festet med regel-messig avstand rundt veggflaten 32 og med samme radius. Når strekklappene er slik anordnet utsettes de ikke for falske eller uvedkommende deformasjoner som ellers ville skjule deformasjonen på grunn av aksiell og/eller vridningsbelastning som det er ønskelig å måle.

Når huset 20 utsettes for aksialbelastning på grunn av boreoperasjonen, vil de radielle hull 25 anta en svakt elliptisk el-

ler oval form og de øvre og nedre strekklapper 62 - 63 vil av-

føle deformasjon på grunn av strekk mens side-strekklappene 64 -

65 vil avføle deformasjon på grunn av trykk. Som fagmenn på området vil kjenne til kan en måling av motstandsendring i strekklappene omdannes til en måling av aksialkraften som virker på

huset 20. Der anvendes selvsagt fire strekklapper i en brokrets slik at temperaturvirkningene utlignes.

Det vil nå være klart for fagmenn på området at et nytt og forbedret apparat er tilveiebragt for bruk ved måling av borkronetyngde og/eller dreiemoment under boreoperasjonen. Appara-

tet kan også brukes til å måle sidekrefter på borkronen, hvilke målinger kan nyttes til å forutsi sannsynlig retning, slik som vist og beskrevet i US søknad nr. 29423. Målingene kan utføres,

med stor nøyaktighet på grunn av at strekklappene er beliggende på det element som opptar spenningene som følge av tyngde eller dreiemoment, istedenfor på hjelpeelement eller -hylse slik som ved kjent teknikk for forstørrelse av deformasjonen. Alle strekklappene er plassert nær hverandre og på en slik måte at temperaturforskjeller i metallet vil ha minimale virkninger. Strekklappene er også anordnet i et atmosfærisk kammer for

større pålitelighet. Hele koristruksjorien av apparatet er slik at målingene er stort sett ufølsomme for spenninger som skyldes omgivende trykk og temperaturer og trykkforskjeller. Selv om i prinsippet bare et enkelt hull kunne benyttes for å måle

borkronetyngde eller vridningskrefter, vil bruken av motsatt rettede hull muliggjøre bøyningskompensasjon.

Ettersom visse endringer eller modifikasjoner kan utføres av fagmenn på området uten å avvike fra oppfinnelsestanken, tar vedlagte krav sikte på å dekke alle slike endringer og modifikasjoner som faller innenfor oppfinnelsens ramme.

Claims (9)

1. Apparat til bruk ved måling av krefter som virker på en borkrone under boring av en brønn, omfattende et rørformet hus (20) innrettet til å innkoples i en borestreng over borkronen, hvilket hus har en radielt rettet åpning (25) i en vegg, organer (29) for isolering av omkrets-veggflater i åpningen fra omgivende brønnfluider samt følerorganer (62, 63, 64, 65) festet til nevnte veggflater for å avgi et utgangssignal som indi-kerer en endring i åpningens form på grunn av krefter som virker på huset, karakterisert ved organer (33, 40) for vesentlig eliminering av områder av slik spennings-konsentrasjon i huset i nærheten av åpningen som skyldes trykket fra de omgivende brønnfluider.

2. Apparat ifølge krav 1, karakterisert ved at følerorganene (62, 63, 64, 65) er festet til veggflåtene stort sett ved midtpunktet av husets tverrsnitts-veggtykkelse.

3.. Apparat ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at elimineringsorganene omfatter et hylseelement (40) som på avtettet måte er anordnet innvendig i huset og strekker seg over og under åpningen, idet hylseelementet og huset mellom seg danner et ringformet område (54), samt organer (55) for å utsette nevnte område for det samme trykk som fluidtrykket på husets utside.

4. Apparat ifølge krav 3, karakterisert ved at hylseelementets ene ende (46) er fiksert mot bevegelse i forhold til huset mens dets andre ende (43) kan beveges fritt i forhold til huset.

5. Apparat ifølge krav 4, karakterisert ved at hylseelementets nevnte ene ende er den nedre ende (46), og at den har en større diameter i tetningsinngrep med huset enn dets øvre ende, hvorved større fluidtrykk i hylseelementets og husets boring enn trykket i nevnte område utøver oppadrettet kraft på hylseelementet, samt organer (41, 47, 48) for overfø-ring av kraften til huset.

6. Apparat ifølge et av de foregående krav, hvor isoleringsorganene omfatter pluggorganer (29) som tettende stenger åpnin gens (25) ytre åpning, karakterisert ved at elimineringsorganene omfatter organer (33) som er uavhengige av huset for å støtte pluggorganene mot radiell innadbevegelse som følge av brønntrykk.

7. Apparat ifølge krav 6, karakterisert ved at pluggstøtteorganene omfatter et element (33) som strekker seg tvers over boringen i det rørformete hus og ligger an mot pluggen i åpningen for å hindre radiell innadbevegelse av pluggen som følge av brønntrykk, idet støtteelementet er avtettet i forhold til huset og sammen med isoleringsorganene danner et atmosfærisk kammer (36) i åpningene.

8. Apparat ifølge krav 7, karakterisert ved et rør (53) som strekker seg på tvers av hylseelementet, idet støtteelementet (33) strekker seg gjennom rørets boring.

9. Apparat ifølge krav 7 eller 8, karakterisert ved at det ytre parti (26) av åpningen har større diameter enn det indre parti (27), idet det atmosfæriske kammer avgrenses delvis av et ringformet område utenfor støtteelementet (33).