NO178005B - Motor for boring nede i borehull - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en fluidumdrevet motor for boring nede i et borehull, hvilken motor omfatter et hus, en drivaksel, en lagerenhet for føring av akselen i forhold til huset på en slik måte at akselen tillates å rotere om en sentral akse av denne, idet lagerenheten videre tillater akselen å beveges i aksial retning i forhold til huset over en forutbestemt slaglengde, og en anordning for utøvelse av en aksialkraft mellom drivakselen og motorhuset.

Motorer for boring nede i borehull omfatter vanligvis et motorhus som er tilkoplet ved den nedre ende av en langstrakt borestreng, og en drivaksel som driver en roterende borkrone. Motorene er vanligvis hydrauliske motorer som drives ved hjelp av strømmen av borefluidum gjennom borestrengen.

Under boreoperasjoner utnyttes vanligvis vekten av boreaggregatet til å utøve en aksialkraft på borkronen. Størrel-sen av denne aksialkraft kan fluktuere under boring som følge av friksjon mellom borestrengen og borehullveggen og som følge av borestrengdynamikk. Konvensjonelle borehullsmotorer har en tendens til å stanse dersom en fluktuerende aksialkraft utøves på borkronen, på grunn av at slike fluktuasjoner genererer liknende fluktuasjoner i borkrone-dreiemoment.

Fra norsk patent nr. 156 763 er det kjent en borehullsmotor med en drivaksel som tillates å bevege seg i aksial retning i forhold til motorhuset. En aksialkraft mellom drivakselen og motorhuset er tilveiebrakt ved hjelp av fjærelementer. Denne aksialkraft avhenger av den aksiale forskyvning av drivakselen i forhold til motorhuset, slik at den aksialkraft som utøves på borkronen, også avhenger av denne forskyvning.

Det er et formål med oppfinnelsen å tilveiebringe en borehullsmotor for hvilken aksialkraften på utgangsakselen er uavhengig av den aksiale forskyvning av drivakselen i forhold til motorhuset.

Ovennevnte formål oppnås med en motor av den innled-ningsvis angitte type som ifølge oppfinnelsen er kjennetegnet ved at aksialkraf ten mellom drivakselen og motorhuset er tilveiebrakt av fluidumtrykket av det drivfluidum som driver motoren i borehullet.

I en foretrukket utførelse av oppfinnelsen er motoren en hydraulisk motor av Moineau-typen. En Moineau-motor er særlig attraktiv for innlemmelse av den aksialt glidbare aksel på grunn av at forsegling av rotoren i statorhuset er garantert for hvilken som helst aksial rotorstilling, hvilket er uløselig forbundet med Moineau-motorprinsippet. Motorens rotor kan videre utnyttes som et middel for å pålegge en aksialkraft på drivakselen, siden den utpumpingskraft som virker på rotoren, allerede utøver en aksialkraft på drivakselen som drives av rotoren.

Oppfinnelsen skal i det følgende beskrives nærmere under henvisning til tegningene, der fig. 1 viser et skjematisk snittriss av den nedre del av en borehullsmotor ifølge oppfinnelsen, og fig. 2 viser et skjematisk snittriss av den nedre del av en annen boremotor som omfatter oppfinnelsen.

På fig. 1 er det vist en borehullsmotor av Moineau-typen. Motoren omfatter et motorhus 1 i hvilket en gummistator 2 er fastgjort. Motoren omfatter videre en skruelinjeformet rotor 3 som er forbundet med en drivaksel 4 via et universalledd 5. Drivakselen 4 er styrt av en lagerenhet 6 som er montert ved den nedre ende av motorhuset 1, slik at akselen 4 tillates å dreie om en sentral akse av denne og å bevege seg i aksial retning i forhold til huset 1.

Lagerenheten 6 har en sylindrisk innerflate som omgir en del av lengden av den sylindriske, ytre overflate 8 av et rørformet avsnitt av akselen 4, og er videre utstyrt med et aksial- eller trykklager 7.

Ved den nedre ende av drivakselen 4 er det montert en roterende borkrone 9. Ved sin øvre ende bærer akselen 4 et trykklager 10. Den øvre ende av en monteringsdel 11 som bærer borkronen 9, og trykklagrene 7 og 10 tilveiebringer stoppere som begrenser den aksiale slaglengde over hvilken drivakselen 4 tillates å bevege seg i forhold til motorhuset 1.

Under drift av motoren strømmer borefluidum som passerer gjennom motoren, fra et fluidumutløpskammer 12 via en rekke radiale portåpninger 13 og en sentral passasje 14 i den hule aksel 4 i retning mot stråledyser 15 i borkronen 9. De radiale portåpninger 13 er beliggende i forskjellige aksialstil-linger like under trykklageret 10, slik at når drivakselen 4 beveger seg i retning mot sin nederste stilling, tettes åpningene gradvis av den indre overflate 7 av radiallageret 6.

Den økede strømningsmotstand som forårsakes av gjentet-tingen av portåpningene 13, kan detekteres ved overflaten som et øket pumpe- eller stigerørtrykk. Som reaksjon på den nevnte trykkøkning kan borestrengen som bærer motoren, nedsenkes en avstand som svarer til slaglengden av drivakselen 4, slik at akselen 4 bringes tilbake til en tilbaketrukket stilling av denne. Det nevnte trinn med nedsenkning av borestrengen gjentas hver gang et øket pumpetrykk registreres, slik at drivakselen 4 stadig holdes mellom endene av sitt slag.

Under drift av motoren blir den aksiale "utpumpings"-kraft som virker på rotoren 3, hvilken kraft er proporsjonal med trykkforskjellen over motoren (som er proporsjonal med det av motoren tilveiebrakte dreiemoment), overført via universal leddet 5 til drivakselen 4. Et andre bidrag til utpumpingskraften som virker på drivakselen, er et resultat av trykkforskjellen over borkronedysene 15. Den aksialkraft eller "vekt på borkronen ("Weight-On-Bit" = WOB) som utøves fra drivakselen 4 til borkronen 9, er således proporsjonal med det dreiemoment som tilveiebringes av motoren og med trykkfallet over borkronens dyser 15, hvilket trykkfall er proporsjonalt med boreslammets sirkulasjonshastighet i kvadrat.

Om nødvendig kan den aksialkraft som utøves på borkronen 9 under drift av motoren, styres ytterligere ved å anordne en aksialfjær eller aksialfjærer mellom trykklageret 10 og motorhuset 1, eller ved å forsyne drivakselen med et hydraulisk trykkstempel som vist på fig. 2.

På fig. 2 er vist den nedre del av en Moineau-boremotor som er forsynt med en aksialt glidbar drivaksel 20 som bærer et hydraulisk trykkstempel 21.

Trykkstempelet 21 deler et rørformet avsnitt 22 av husets indre i et øvre avsnitt 22A og et nedre avsnitt 22B. Det øvre avsnitt 22A står i fluidumforbindelse med et fluidumutløps-kammer 23 som er beliggende nedstrøms av rotoren 24. Det nedre avsnitt 22B står i f luidumforbindelse med det indre av borestrengen (ikke vist) over motoren via en omføringsåpning 25 i motorhuset 26. Under drift av motoren utøver trykkstempelet 21 således en oppadrettet aksialkraft på drivakselen 20 som er proporsjonal med trykkforskjellen over motoren og med størrelsen av trykkstempelet 21. Den oppadrettede aksialkraft som utøves av trykkstempelet 21 på akselen 20, motvirker i det minste delvis den nedadrettede utpumpingskraft som utøves av rotoren 24 på drivakselen 20 via universalleddet 27.

Ved passende dimensjonering av trykkstempelet 21 i forhold til størrelsen og formen på rotoren 24 kan det på drivakselen 20 utøves en total aksialkraft som er mindre enn den utpumpingskraft som utøves på rotoren 24.

Dersom på den annen side den utpumpingskraft som utøves på rotoren 24, anses som altfor lav for riktig drift av borkronen som drives av motoren, kan det nedre husavsnitt 22B tilkoples i fluidumforbindelse med det ytre av motoren via en radial åpning i husveggen i stedet for med motorens fluiduminnløp. I dette tilfelle vil stempelet på drivakselen 20 utøve en aksialkraft som akkumuleres med utpumpingskraften som virker på rotoren 24. På den ovenfor omtalte måte kan motorens egenskaper med hensyn til dreiemoment og vekt på borkronen tilpasses til den optimale kombinasjon av dreiemoment og vekt på borkronen (WOB) for borkronen, slik at optimale driftsforhold kan opprettholdes under boring.

Drivakselen 20 i den på fig. 2 viste motor er ført i forhold til motorhuset 26 ved hjelp av et radiallager 29 og ved hjelp av et trykklager 30. Trykklageret 30 hviler på radiallageret 29 dersom drivakselen 20 har nådd frem til den nedre ende av sitt slag. Den hule aksel 20 omfatter en rekke radiale f luiduminnløpsporter 31 som er beliggende over trykkstempelet 21, og en rekke radiale fluidumutløpsporter 32 som avstenges av radiallagerets 29 indre overflate dersom drivakselen 20 er beliggende over den øvre ende av sitt slag, men som står i forbindelse med motorens ytre 33 dersom drivakselen 20 har nådd frem til den nedre ende av sitt slag.

Den reduserte strømningsmotstand som forårsakes av den nevnte åpning av fluidumutløpsportene 32, kan detekteres ved overflaten ved å overvåke pumpe- eller stigerørtrykket. Dersom et redusert stigerørtrykk registreres ved overflaten, nedsenkes borestrengen noe slik at drivakselen 20 skyves tilbake til en sammentrukket stilling. Dersom det overvåkede stigerørtrykk igjen avtar etter boring av et borehullsavsnitt med en lengde som er lik drivakselens slaglengde, blir borerøret igjen nedsenket noe, og denne prosess gjentas gjennom hele boreoperasjonene.

Det vil innses at en Moineau-motor er særlig velegnet for innlemmelse av den foreliggende oppfinnelse, da avtetning mellom rotoren og statoren er garantert for hvilken som helst aksial stilling av rotoren i forhold til statoren, og da det ikke finnes noe annet lager enn drivakselens lager. Motorens rotor kan således bevege seg sammen med drivakselen i aksial retning gjennom motorhuset, og den utpumpingskraft som utøves av borefluidumet på rotoren, kan utnyttes til å utøve en ønsket aksialkraft på borkronen under boring.

Det vil videre innses at også andre boremotorer kan omfatte oppfinnelsen. Slike andre motorer kan for eksempel være hydrauliske motorer, såsom turbin- eller skovlmotorer. Da det i slike andre motorer vanligvis ikke er mulig å tillate rotoren å gli i aksial retning i forhold til statoren, ville sådanne motorer kreve anordning av en kilesporforbindelse mellom rotoren og drivakselen, hvilken forbindelse tillater drivakselen å gli i aksial retning i forhold til rotoren.

Motorkonseptet ifølge oppfinnelsen muliggjør riktig tilpasning av motorens dreiemoment- og vekt-på-borkrone(WOB)-ytelse til den optimale kombinasjon av dreiemoment og vekt-på-borkrone (WOB) for en borkrone som drives av motoren. Videre elimineres vekt-på-borkrone- eller WOB-fluktuasjoner som skriver seg fra borestrengdynamikk. Da motorens tendens til å stanse eller steile under boring elimineres på denne måte, skapes optimale driftsforhold for boring med meget aggressive borkroner, såsom selv-fremrykkende borkroner, hvilket muliggjør at et lett boreaggregat kan benyttes i borehullet.

Utnyttelse av motorkonseptet ifølge oppfinnelsen i den styrbare boremotor som er vist i US-patentskrift 4 492 276, vil i betydelig grad forbedre verktøyflatestabiliteten under orientert boring, og således styre boreprosessen. Dette vil muliggjøre boring av lange, kraftig hellende eller til og med horisontale borehullsavsnitt med den styrbare boremotor.

Claims (10)

1. Fluidumdrevet motor for boring nede i et borehull, hvilken motor omfatter et hus (1), en drivaksel (4), en lagerenhet (6) for føring av akselen (4) i forhold til huset (1) på en slik måte at akselen (4) tillates å rotere om en sentral akse av denne, idet lagerenheten (6) videre tillater akselen (4) å beveges i aksial retning i forhold til huset (1) over en forutbestemt slaglengde, og en anordning for utøvelse av en aksialkraft mellom drivakselen (4) og motorhuset (1), KARAK-TERISERT VED at aksialkraften mellom drivakselen (4) og motorhuset (1) er tilveiebrakt av fluidumtrykket av det drivfluidum som driver motoren i borehullet.

2. Motor ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at drivakselen (4) rager ut fra en nedre ende av huset (1), og lagerenheten (6) omfatter et lavfriksjonslager som er montert nær husets (1) nedre ende og omgir en del av lengden av et rørformet avsnitt av akselen (4).

3. Motor ifølge krav 2, KARAKTERISERT VED at akselen (4) er forsynt med stoppanordninger (7, 10, 11) som er montert ved den øvre og nedre ende av det rørformede avsnitt.

4. Motor ifølge krav 3, KARAKTERISERT VED at stoppanord-ningen ved akselens (4) nedre ende er tilveiebrakt ved hjelp av en monteringsovergang (11) av en roterende borkrone (9) som bæres av akselen (4).

5. Motor ifølge krav 3, KARAKTERISERT VED at stoppanord-ningen ved akselens (4) øvre ende er tilveiebrakt av et trykklager {10) som bæres av akselen (4).

6. Motor ifølge krav 2, KARAKTERISERT VED at den er en hydraulisk motor av Moineau-typen, idet motoren omfatter en rotor (3) som inngår i den nevnte anordning for utøvelse av en aksialkraft mellom drivakselen (4) og motorhuset (1).

7. Motor ifølge krav 6, KARAKTERISERT VED at anordningen for utøvelse av en aksialkraft mellom akselen (20) og motorhuset (26) videre omfatter et trykkstempel (21) som er montert på akselen (20) over trykklageret (30), hvilket trykkstempel (21) oppdeler en rørformet del (22) av husets (26) indre som er beliggende under rotoren (24), i et øvre (22A) og et nedre (22B) avsnitt.

8. Motor ifølge krav 7, KARAKTERISERT VED at det nedre avsnitt (22B) av den rørformede del (22) står i fluidumforbindelse med et fluiduminnløp av motoren, og det øvre avsnitt (22A) av den rørf ormede del (22) står i f luidumforbindelse med et fluidumutløp (23) av motoren.

9. Motor ifølge krav 8, KARAKTERISERT VED at drivakselen (20) omfatter en aksial fluidumpassasje som ved sin øvre ende står i fluidumforbindelse med motorens fluidumutløp (23) via radiale porter (31) i veggen av et parti av drivakselen (20) som er beliggende over trykkstempelet (21).

10. Motor ifølge krav 9, KARAKTERISERT VED at drivakselens (20) rørf ormede avsnitt omfatter radiale f luidumutløpsporter (32) som er avstengt av radiallageret (29) dersom drivakselen (20) er beliggende over den nedre ende av sin slaglengde, men som tilveiebringer en fluidumforbindelse mellom fluidumpassasjen og husets (26) ytre dersom drivakselen (20) er beliggende ved den nedre ende av sin slaglengde.