NO165213B - Anordning for utskjaering av en kjerne fra sideveggen i etborehull. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en anordning for utskjæring av en kjerne fra sideveggen i et borehull, som angitt i ingressen til det etterfølgende krav 1.

Ved utforsking av jordformasjoner etter olje eller andre hydrokarboner, er det ofte fordelaktig å fastlegge mineral-sammensetninger, porøsitet og permeabilitet ved å ta prøver av formasjonen fra sideveggen i et borehull som er boret vertikalt gjennom formasjonen. Et borehull som er utformet med sikte på oljeutvinning er imidlertid bare noen få tommer (1" = 2,54 cm)

i diameter. På grunn av den begrensede størrelse byr det på problemer å bore ut kjerner vinkelrett inn i sideveggen og lagre et antall kjerner. Kjente kjerneboringsanordninger har ikke vært istand til både å utføre vinkelrett kjerneboring og å lagre et anseelig antall kjerner, eller de har ikke kunnet bore prøver fra harde materialer i en formasjon. Dessuten har den horisontale boredybde vært begrenset av de dimensjonsmessig snevre forhold som et kjerneboringsverktøy utsettes for.

Et typisk kjerneboringsverktøy omfatter en borkrone som drives av en kjernebormotor. US patent 4.354.558 viser en spesiell konstruksjon av et kjerneboringsverktøy der borkronen og kjernebormotoren er dreiet i en operasjonsposisjon. Men denne utførelse av innretningen ifølge dette patent kan ikke bore i retning vinkelrett på sideveggen. Dette reduserer kjerneprøvens anvendbarhet for analyse, og minsker også den vinkelrette strekning inn i formasjonen hvorfra prøvematerialet kan innhentes. Dette verktøy er ytterligere begrenset ved at det bare kan lagre et lite antall kjerner. Lagring av kjerneprøver er av stor betydning ettersom et verktøy med utilstrekkelig lagringskapasitet vil gjøre det nødvendig å utføre flere "tripper" (uttrekking og derpå ny nedføring av borestreng) i borehullet for å innhente det nødvendige antall kjerneprøver. Slike ekstra tripper medfører betydelige omkostninger, både direkte og på grunn av tapt riggtid.

Det har derfor oppstått et behov for en kjerneboringsinnret-ning som er istand til å skjære prøver fra hardt fjell på en effektiv og pålitelig måte. En slik innretning skal kunne skjære vinkelrett inn i sideveggen i et borehull til størst mulig dybde, og kunne lagre et stort antall kjerner.

Dette oppnås ifølge oppfinnelsen ved en anordning av den innledningsvis angitte art, med de nye og særegne trekk som er angitt i karakteristikken til det etterfølgende krav 1. Dette tillater nedføring i borehullet av en boremekanisme med tilstrekkelig lengdedimensjon til å muliggjøre boring av en kjerneprøve av vesentlig lengde vinkelrett på borehull-sideveggen. Fordelaktige utføringsformer av oppfinnelsen er angitt i de øvrige, etterfølgende krav.

Fra GB-søknad 2 127 464 er det kjent en anordning av den innledningsvis angitte art, men den mangler de ovenfor angitte, karakteristiske trekk ved anordningen ifølge foreliggende oppfinnelse. Sistnevnte anordning, hvor kjerneboreinnretningen bringes til en vertikal, helt inntrukket stilling, innebærer betydelige fordeler i forhold til den kjente konstruksjon. Ved at motoren innrettes på linje med husets akse i vertikalstil-lingen kan man anvende et verktøy med mindre diameter for samme motorstørrelse. Videre muliggjør en vertikal fullt inntrukket stilling bruk av en stiv kjerneskyverstang til å skyve kjernen ut av kjerneholderhylsen. Derved tillates anvendelse av større kraft for å fjerne kjernen enn hva tilfellet er ved den kjente konstruksjon hvor en fleksibel skyvestang må anvendes.

Oppfinnelsen skal i det følgende beskrives nærmere under henvisning til tegningen. Figur 1 er et sideriss av en foretrukket utføringsform av oppfinnelsen i arbeidsstilling i et borehull,

Figur 2 er et snitt langs linjen 2-2 på figur 1.

Figur 3A og 3B viser et snitt gjennom utføringsformen på figur l, idet figur 3B utgjør en fortsettelse i lengderetningen av figur 3A, hvor snittet er tatt langs linjen 3B-3B på figur 2, Figur 4 er et snitt, med deler fjernet, av bore- og driv-enhetene ved utføringsformen ifølge figur 1,

Figur 5 er et snitt langs linjen 5-5 på figur 4,

Figur 6 er et snitt langs linjen 6-6 på figur 4,

Figur 7-10 er snitt som viser operasjons-rekkefølgen ved utføringsformen ifølge figur 1, og Figur 11 er et hydraulisk koplingsskjerna for utføringsformen ifølge figur 1.

Den i figur 1 viste, foretrukne utføringsform av en kjerneborings-verktøyanordning 2 ifølge foreliggende oppfinnelse omfatter et langstrakt hus 4 som opptar en forankringsmekanisme 8 for å sikre dens stilling i forhold til et borehull 6 som er boret gjennom en formasjon 9 og en kjerneboringsmekanisme 13 for utskjæring av kjerner. Huset 4 er innrettet til å festes til en vaier 10 eller annen transportinnretning for å føre verktøyet vertikalt i borehullet 6 og forbinde anordningen 2 for kommunise-ring med passende kraftkilder og styreinnretninger over bakken. For de fleste kjerneboringsanvendelser er et hus 4 med en utvendig diameter på mindre enn 15,88 cm tilfredsstillende.

Som vist i figur 1 og 3A omfatter forankringsmekanismen 8

i en foretrukket utføringsform en L-formet forankringssko 14

som er dreibart festet ved sitt toppunkt til huset 4 for bevegelse inn mot og bort fra husets 4 side motsatt boremekanismen 13. Skoen 14 ligger plant mot huset 4 mens verktøyet 2 beveger seg gjennom borehullet. Når verktøyet 2 er i den ønskete vertikale stilling kan skoen 14 dreies til en utstrakt stilling ved hjelp av en tilkoplet hydraulisk stempelstang 16. Når stempelstangen 16 går innad i sin tilhørende sylinder 18, svinges skoen 14 bort fra huset 4 til inngrep med borehullets sidevegg, for derved å holde boremekanismen 13 fast mot formasjonen 9 i den ønskete vertikale stilling. Utskyving av stempelet 16 fra sylinderen 18 trekker skoen 14 tilbake inn mot huset 4. En fjær 15 som er montert mellom huset 4 og skoen 14 vil automatisk trekke inn skoen 14 dersom den hydrauliske sylinder 18 skulle svikte. Hvilket som helst hensiktsmessig arrangement for å sette sylinderen 18 under trykk for å frembringe den ønskete bevegelse av stempelstangen 16 kan benyttes, som f.eks. anvendelse av hydrauliske ledningsinnløp 17, 19 til begge ender av sylinderen 18 som vist i figur 3A. Her, som i alle de øvrige figurer, er for klarhetens skyld hydrauliske ledninger ikke vist i sin helhet.

Som vist på figur 2, 3B og 4-6 omfatter kjerneboringsmeka-nismen 13 en hydraulisk kjernebormotor 22 som er forbundet med en hydraulisk krafttilførsel (ikke vist) ved hjelp av ledninger 20A, 20B. Motoren 22 har en hul aksel hvorfra strekker seg en borkrone 24 på enden av en kjerneholderhylse 26. Borkronen 24 er fortrinnsvis en diamant-borkrone innrettet til å utskjære en kjerne med en diameter på ca. 1" (25,4 mm) og hylsen 26 er fortrinnsvis istand til å holde en kjerne som er 2" (50,8 mm) lang. For at kjernebormotoren skal kunne innpasses helt inn i huset 4 i dens vertikale, lagrete stilling, har kjernebormotoren 22 en mindre tverrdimensjon enn husets 4 diameter. Borkroner og kjernebormotorer som er egnet for bruk i en foretrukket utfør-ingsf orm av oppfinnelsen finnes i vanlig handel.

To tapper 34, 36 strekker seg fra hver side av kjernebormotoren 22 langs en linje parallell med motorens akse. Kjernebormotoren 22 bæres av tappene 34, 36 mellom et par vertikale plater 30 som er fast montert til huset 4. Hver av disse faste bæreplater 30 har en fortrinnsvis J-formet føringsslisse 32 som tappene 34, 36 griper inn i. Som best vist i figur 3B er den J-formete slissens lange ben anordnet i en horisontal retning, idet dens korte ben strekker seg oppad derfra. Det horisontale ben strekker seg mot formasjonen som skal kjernebores. Avstanden og plasseringen av tappene 34, 36 samt slissens 32 dimensjoner og utforming velges slik at når den bakre tapp 36 er ved toppen av den kortere lengde peker borkronen generelt i retning vertikalt nedad som vist i figur 3B. Variasjoner fra den viste utførings-form, slik som en L-formet slisse, kan således ligge innenfor oppfinnelsens omfang.

Som vist på figur 7 og 8, dersom tappene 34, 36 drives langs den J-formete slisse 32 fra dens korte ben til enden av dens horisontale ben, vil kjernebormotoren 22 dreie 90° og skyves forover mot formasjonen 9. Dette oppnås ved hjelp av en driv-mekanisme som omfatter et par stort sett triangulære drivplater 28, hver av hvilke ligger mellom en av de faste plater 30 og huset 4. Hver av drivplatene 28 dreies om en tapp 31 nær én av dens hjørner. En slisse 46 nær drivplatens 28 andre hjørne danner inngrep med tappen 34 som ligger fremst på kjernebor-motorhuset. Denne fremre tapp 34 er lenger enn følgertappen 36. Idet den strekker seg gjennom både J-slissen i den faste plate 30 og denne slisse 46 på drivplaten 28. En stang 48 strekker seg mellom de to drivplater nær hver plates tredje hjørne og er ved hjelp av et åk 50 ved sitt midtpunkt til en stempelstang 52 i en hydraulisk sylinder 54 som selektivt settes under trykk ved hjelp av konvensjonelle midler. Sylinderen 54 strekker seg vertikalt oppad i huset 4 og har fortrinnsvis et trykkinnløp 49 for tilkopling til en hydraulikk-ledning ved sin nedre ende.

Det skal nå henvises til figur 3B, 7 og 8. Når stempelstangen 52 går innad i sylinderen 54 vil drivplaten 28, som virker som en kam, dreie om tappen 31 og skyve den fremre tapp 34 langs den J-formete slisse 32 slik at kjernebormotoren 22 dreies til en horisontal stilling. Glidehylser 21A, 21B (vist i figur 4) på ledningenes 20A, 20B innløp til motoren 22 opptar denne be-vegelse. Etter at boremekanismen 13 er blitt dreiet 90° til horisontal-stillingen ved innadbevegelse av stempelstangen 52 i hydraulikksylinderen 54, vil videre oppadbevegelse av stempelstangen 52 bevirke fremadbevegelse av boremekanismen 13 utad fra en åpning 55 i huset (vist i figur 2 og 6) til inngrep med borehullets 6 sidevegg. Når horisontalstillingen nåes, eller forut for dette, roteres kjernebormotorens aksel, fortrinnsvis ved ca. 2000 r/min, ved hjelp av et nedenfor beskrevet system, hvorved borkronen 24 bringes til å bore en kjerne 57 idet tappene 34, 36 beveger seg mot føringsslissens 32 fremre ende.

Som vist på figur 9 beveger tappene 34 og 3 6 seg i stilling direkte under et par vertikale hakk 58 og 59 som strekker seg oppad fra J-slissens 32 horisontale ben, når motoren når enden av slissen 32. Deretter vil fortsatt oppadbevegelse av den hydrauliske stempelstang 52 frembringe en løftekraft på den fremre tapp 34 slik at tappene 34 og 36 heves opp i hakkene 58 og 59 for å svinge boremekanismen 13. Borkronen 24 bryter av kjernen 57 ved hevarmvirkning på kjernen ved dens fremre kant. For å hindre at den lange, fremre tapp 34 fastkiles i det bakre hakk 59 og hindrer fremadbevegelse av kjernebormotoren 22 strekker dette hakk 59 seg ikke helt gjennom platens 3 0 fulle tykkelse, men bare tilstrekkelig dypt til å oppta følgertappen 36.

Som vist på figur 10, etter at kjernen 57 er brutt av, tilbaketrekkes boremekanismen 13 og tilbakeføres til sin vertikale posisjon ved utskyving av stempelstangen 52 idet sylinderen 54 settes under trykk. En returf jaer 56 i sylinderen 54 sikrer at boremekanismen 13 går tilbake selv om det hydrauliske system skulle svikte. Etter at boremekanismen 13 har nådd den vertikale posisjon utskyves en kjerneskyverstang 70 gjennom boremekanismen 13 ved hjelp av et stempel 72 i en vertikal hydraulisk sylinder 74, for å skyve kjernen 57 ut av kjerneholderhylsen 26 inn i en traktformet føring 76 som leder kjernen inn i et sylindrisk kjernelagerkammer 64. Når dette er utført tilbaketrekkes forankringsskoen 14 for å la verktøyet 2 bevege seg gjennom borehullet 6 én gang til.

Kjernelagerkammeret 64 er vertikalt anordnet i det nedre parti 77 av huset 4 (vist i figur 1), slik at borehullets 6 diameter ikke oppviser noen hindring for det antall kjerne-prøver som kan lagres i anordningen 2. Føringens 76 falltil-førselsoperasjon sikrer uhindret bevegelse av kjerneprøver inn i lagerkammeret 64. En fjær 78 i sylinderen 74 trykker stempelet 72 oppad for å fjerne kjerneskyverstangen 70 fra boremekanismen 13, dersom det hydrauliske system skulle unnlate å gjøre dette.

Det vises nå til figur 2, 3B, 7-10. Når kjernebormotoren

22 fremføres for å utbore kjernen skyver dens fremre kant en støtstang 60 som dreies til huset 4 under boremekanismen. En støtfot 65 strekker seg på tvers fra stangen 60 for å støte en kjernemerkerskive 62 gjennom en føringsslisse 63 i trakten 76 inn i kjernelagerkammeret 64 for å adskille og merke suksessivt borete kjerner. Kjernemerkerskivene 62, som kan være fremstilt av hvilket som helst egnet materiale som ikke vil forringes under typiske borehull-forhold eller skade kjerneprøvene, er stablet og trykkes ved hjelp av en fjær oppad i en kjernemerkerhylse 66 nær lagerkammeret 64. En fjær 68 (vist i figur 9) som er montert mellom huset og støtstangen 60 tvinger støtstangen 60 mot dens

opprinnelige posisjon. Foten 65 er hengslet for å bøyes idet den passerer over kjernemerkerskivene 62 når støtstangen går tilbake, hvoretter den rettes ut ved hjelp av en torsjonsfjær (ikke vist).

Det vises nå til figur 11. Kjernebormotorens hydrauliske

krets 79 i en foretrukket utføringsform driver kjernebormotoren 22 direkte med en pumpe 80 som drives av en elektrisk motor 82. En pumpe som leverer ca. 17,1 liter pr. minutt og drives av en 1,5 hk elektrisk motor er funnet egnet til dette formål. En hastighetssikring 84 som automatisk åpner når pumpen 80 stopper

tillater tomgangsstarting av den elektriske motor 82. Sikringen innstilles fortrinnsvis på en grense på 11,4 l/min. Kjernebormotor-hydraulikkretsens 79 status indikeres av en trykkføler 8 6 ved pumpeutløpet. En tilbakeslagsventil 88 anvendes for å hindre skade på pumpen som følge av tilbakestrømningsstøt. En trykk-begrensningsventil 90 anvendes for å hindre overtrykk i kjernebormotoren 22. Kjernebormotorens hydraulikkrets 79 er fortrinnsvis anordnet i det øvre parti 81 av huset 4, som vist i figur 1.

Det vises fremdeles til figur 11. Posisjonerings-drivsystemets hydraulikkrets 92, som likeledes fortrinnsvis er anordnet i det øvre parti 81 av huset 4, driver en borehullpumpe 94 med en fortrinnsvis 0,1 hk motor 96, og driver også forankringssko-stempelstangen 16, kjerneskyverstempelet 72, og drivplate-stempelstangen 52. Posisjoneringssystem-hydraulikkretsen 92 arbeider kontinuerlig under en enkelt kjerneboringsoperasjon, og blir bare avslått under fremføring av anordningen gjennom borehullet.

Posisjoneringssystem-hydraulikkretsen 92 er delt i to like grener, som hver styres av en forstyrt, 2-stillings, 4-veis styreventil 98, 100. Styreventilene leder strømning til hydrau-likksylindrene i samsvar med styresignaler som utsendes fra en kilde over bakken via en vaierledning 10 eller andre passende midler til de 3-veis, elektromagnetiske forstyreventiler 102, 104. Styreventilene 98, 100 og de magnnetstyrte ventiler 102, 104 innebærer en økonomisk plassutnyttelse, hvilket er av vesentlig betydning i borehull-verktøy, og de utgjør også et hurtigvirkende, hydraulisk borehull-styresystem.

Trykkbegrensningsventil/tilbakeslagsventil-par, 106, 108 og 110, 112 styrer sekvensen for fullstendig tilbaketrekking av kjerneskyverstangen 70 før den roterbare drivplate 28 beveges under kjerneboresekvensen, og for tilbaketrekking av motoren 22 til vertikal posisjon før kjerneskyverstangen 70 beveger seg nedad under kjernebormotorens tilbaketrekkingssekvens.

Status indikeres av to trykkfølere 115, 116, en grensebryter 118 for å indikere kjerneskyverstemplets hvilestilling og et lineært potensiometer 120 for å indikere stempelstillingen i forbindelse med den drivplatedreiende stempelstang 52.

En tilbakeføring-volumstrømregulator 122 styrer vekt-på-borkronen ved å anvende mottrykket i kjernebormotor-kretsen 79 for å styre en nålventil i ledningen til drivplatestemplet. Etterhvert som motstandsmoment fra formasjonsflaten øker vil også mottrykket øke og derved saktne drivplatestemplet slik at borkronens 24 fremmadbevegelse saktner. På grunn av dette kan verktøyet 2 bore gjennom hard bergart på en pålitelig og effektiv måte.

Tilbakeslagsventil 124 og sekvensventil 126 anvendes for å holde trykk på stemplet i skosylinderen 18 når styreventilen 100 påvirkes og trykket faller i en del av systemet. Sekvensventilen 126 sikrer at skoen 14 står fast på formasjonen før kjerneskyverstangen 70 og drivplaten 28 beveger seg.

Trykkbegrensningsventiler 130, 132 beskytter systemet mot overtrykk, og tilbakeslagsventiler 134, 136 leverer ledningsolje når krafttilførselen svikter og verktøyet trekkes automatisk tilbake.

Ved bruk nedsenkes verktøyet 2 i borehullet 6 på en vaierledning 10, idet forankringsskoen 14 holdes inntil huset 4. Når verktøyet 2 når den ønskede dybde sendes et signal fra over bakken gjennom vaierledningen til den første elektromagentiske forstyreventil 102, hvilket bringer den første styreventil 98 til å lede oljestrøm til forankringssko-sylinderen 18 slik at skoen 14 skyves utad for å fastholde verktøyet 2 i ønsket posisjon mot formasjonen. Signaler til den andre elektromagentiske forstyreventil 104 fører til at den andre styreventil 100 leder oljestrøm til drivflatesylinderen 54 for å dreie kjernebormotoren 22 og fremføre den mot formasjonsflaten. Når dette skjer drives kjernebormotoren 22 av pumpen 80. Kjernebormotorens 22 fremføringshastighet idet den skjærer ut en kjerne 57 styres av tilbakeføring-volumstrømregulatoren 122 på den ovenfor beskrevne måte. Når kjernen 57 er brutt løs vil trykkbegrensningsventilene 106, 108 og tilbakeslagsventilene 110, 112 styre strømning til sylindrene 54 og 74 for tilbaketrekking av motoren 22 til dens vertikale stilling og utskyve kjerneskyverstangen 70 derigjennom for å flytte kjernen 57 inn i kjernelagerhylsen.

Selv om oppfinnelsen er beskrevet i forbindelse med en spesiell utføringsform som anvendes i spesielle omgivelser, er dette gjort utelukkende av illustrerende hensyn og skal ikke oppfattes som en begrensning av oppfinnelsens ramme.

Claims (5)

1. Anordning (13) for utskjæring av en kjerne (57) fra sideveggen i et borehull (6), omfattende et langstrakt hus (4) innrettet til å nedsenkes i borehullet (6) , organer for å forankre huset (4) i en ønsket stilling i borehullet, minst én føringsplate (30) som er fast montert i huset i en generelt vertikal stilling, i hvilken føringsplate (30) er utformet en J-formet slisse (32) hvis lange ben er anordnet i en stort sett horisontal stilling, en kjerneborinnretning (13) med en første og en andre tapp (34, 36) som fra siden av boreinnretningen (13) strekker seg inn i den J-formete slisse (32) i føringsplaten (30) og som er innrettet på en linje som er parallell med boreinnretningens akse; og en drivinnretning (52, 28, 46) for å drive den første tapp (34) langs den J-formete slisse (32) for dreining av boreinnretningen (13) mellom en stort sett vertikal stilling og en stort sett horisontal stilling, idet drivinnretningen omfatter en drivplate (28), karakterisert ved at den stort sett J-formete slisses (32) korte ben strekker seg oppad fra nevnte stort sett horisontale stilling, og at drivplaten (28) er dreibart montert til huset (4), organ (31) for å forbinde boreinnretningen (13) med drivplaten (28) for dreiebevegelse sammen med denne samt organer (48, 50) for dreiebevegelse av drivplaten (28) for å drive den første tapp (34) langs den J-formete slisse (32).

2. Anordning ifølge krav 1, karakterisert ved at dreiebevegelsesorganene omfatter en hydraulisk drevet stempelstang (52) som er forbundet med drivplaten (28) for å dreie drivplaten (28) på en slik måte at den driver tappene (34, 36), langs den J-formete slisse (32).

3. Anordning ifølge krav 2, karakterisert ved at det omfatter organer (122) for styring av drivplatens (28) bevegelse som reaksjon på trykk som virker på fremre ende av boreinnretningen (13).

4. Anordning ifølge krav 2, karakterisert ved at boreinnretningen (13) omfatter en borkrone (24) og en kjernebormotor (22) for drift av borkronen (24), hvilken kjernebormotor (22) har en hul aksel (26), samt at den videre omfatter en vertikalt anordnet hydraulisk sylinder-stempelstang (70) som strekker seg gjennom den hule aksel (26) for løsgjøring av en kjerne (57) fra borkronen (24) når boreinnretningen (13) er i sin vertikale stilling.

5. Anordning ifølge krav 4, karakterisert ved at det omfatter et kammer (64) for lagring av de løsgjorte kjerner (57), hvilket kammer (64) strekker seg i en vertikal retning under stempelstangen (70).