NO179114B - Apparat til måling av vekt, dreiemoment og sidekraft på en borkrone - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår et apparat til å måle minst én belasxMng

utøvd på en borkrone under boring av en brønn, omfattende en borestrengmuffeanordning (100) som er innrettet til å forbindes i en borestreng over borkronen.

Denne oppfinnelsen er ment å skulle være en forbedring av et kjent apparat for å måle vekt, dreiemoment og sidekraft på en borkrone som vist i US-PS nr. 4 821 5 63 som er overført til søkeren og som det her skal henvises til. Apparatet i henhold til US-PS nr. 4 821 563 er plassert i en kort, rørformet element (en vektrørmuffe) forbundet med bunnen av et måling-under-boring-(MWD) verktøy som deretter er plassert så tett som mulig over borkronen. Detektorelementer bestående av elektriske motstandsstrekklapper av bladtypen er montert på omkretsveggene til radielt orienterte, sylindriske hull i mufferveggen for å detektere lasteinduserte spenninger i materialet. Strekklappene for hver type måling er forbundet i en brokobling og anordnet slik at broen er følsom hovedsakelig bare overfor en type belastning som måles, og ufølsom for de to andre typer av belastning (dvs. målingene av vekten på borkronen (WOB) blir hovedsakelig ikke påvirket av dreiemoment eller bøyning, målingen av dreiemomentet på borkronen (TOB)

blir essensielt ikke påvirket av vekt eller bøyning og målingen av bøyekraften på borkronen (BOB) blir essensielt ikke påvirket av vekt eller dreiemoment.

Et viktig trekk ved US-PS nr. 4 821 563 er at montasjehullene for strekklappene går tvers gjennom muffen og således kommuniserer direkte mellom utsiden og innsiden av muffen. Diametralt motsatte gjennomgående hull er forseglet med innvendige og utvendige plugger i en ring-og-bolt-konstruksjon som holder pluggene på plass. Selv om den er godt egnet for de tiltenkte formål, gir konstruksjonen med gjennomgående hull i henhold til US-PS nr. 4 821 563 opphav til en rekke ulemper. Skulle f.eks. den indre pluggen svikte, ville lekkasje av borevæske fra det indre av vektrøret få både strekklapp-deteksjonsapparatet til å svikte såvel som påføre muffen selv og hele boreoperasjonen skade. Også behovet for den sentrale støttering innenfor den innvendige diameter av vektrøfer *-fdr 1 a1" holde på plass den innvendige tetningsplugg forårsaker en uønsket obstruksjon av den innvendige diameter av vektrøret.

De ovenfor omtalte og andre ulemper og mangler ved kjent teknikk overvinnes eller avbøtes ved det nye og forbedrede apparat for å måle vekt, dreiemoment og sidekraft på en borkrone i henhold til den foreliggende oppfinnelse. I samsvar med den forliggende oppfinnelse blir måle- og deteksjons-apparatet i henhold til US-PS nr. 4 821 563 benyttet i et par av diametralt motsatte radiale åpninger som er dannet bare delvis gjennom vektrørmuffen og ikke strekker seg tvers gjennom den som i den kjente konstruksjon. Hver åpning er forsynt med en spesielt formet, ytre plugg som danner et ringformet atmosfærisk kammer hvori strekklappene er plassert. Hver plugg holdes i sin tilhørende åpning av en festering. Det vil forstås at pga. at det atmosfæriske kammer står under et trykk på én atmosfære når vektrørmuffen som inneholder måleapparatet befinner seg nede i hullet, vil høytrykksmiljøet i borehullet holde pluggen i åpningen i vektrørmuffen og dermed forhindre pluggen fra å forskyve seg (til tross for nærværet av festeringen).

De partielle, radielle åpninger og den tilhørende énplugg-konstruksjon av måleapparatet i henhold til foreliggende oppfinnelse fører til en rekke viktige trekk og fordeler relativt til den konstruksjon i henhold til kjent teknikk som er vist i US-PS nr. 4 821 563. F.eks. eliminerer konstruksjonen i henhold til den foreliggende oppfinnelse minst fire forskjellige elementer som var nødvendig i den kjente konstruksjon, herunder den sentrale støttering, den indre tetningsplugg, festebolten for pluggen og en rekke pakninger og O-ringer. Denne konstruksjonen fører derfor til en enklere, mer pålitelig og mindre kostbar utførelse. Ved også å fjerne den sentrale støttering, blir dessuten enhver obstruksjon i den innvendige diameter av vektrørmuffen eliminert. Enda et annet trekk ved oppfinnelsen er at ved ikke å bore hullet helt gjennom vektrørmuffen, elimineres enhver sjanse for lekkasje kjent som "utvasking" fra den innvendige diameter til* dstr utvendige diameter av vektrøret. Når dette finner sted, fås det som nevnt katastrofal svikt. Ved endelig å bare ha en partiell åpning gjennom vektrørmuffen fås det dessuten bedre konstruktiv styrke i selve veggen til vektrørmuffen.

De ovenfor omtalte og andre trekk og fordeler ved den foreliggende oppfinnelse er kjennetegnet ved de trekk som fremgår av karakteristikken til de vedføyde krav.

Oppfinnelsen vil forstås mer fullstendig og skjønnes av en vanlig fagmann på teknikkens område fra den etterfølgende detaljerte beskrivelse og tegning.

På tegningene er like elementer gitt de samme henvisningstall på de enkelte figurer. Figur 1 viser et oppriss i tverrsnitt av en vektrørmuffe i samsvar med det kjente apparat for måling av vekt, dreiemoment og sidekraft for en borkrone i henhold til US-PS nr. 4 821 563, Figur 2 viser et oppriss i tverrsnitt gjennom en vektrør-muffe i samsvar med den foreliggende oppfinnelse, Figur 3 viser et grunnriss sett ovenfra, delvis med borttatte partier som viser pluggen, festeringen og åpningen på fig. 2, Figur 4 viser et oppriss i tverrsnitt langs linjen 4-4 på fig. 3.

På fig. 1 et oppriss i tverrsnitt av et apparat for å måle vekt, dreiemoment og sidekraft på en borkrone i samsvar med det kjente US-PS nr. 4 821 563. Det vil skjønnes at fig. 1 viser kjent teknikk i samsvar med og er identisk med fig. 3A i US-PS nr. 4 821 563. For å lette forståelsen er henvisnings-tallene benyttet på fig. 1 identiske med henvisningstaflleMe<1 >benyttet på fig. 3A i det kjente patent.

Den kjente teknikk vist på fig. 1, skal nå omtales i detalj. Der har muffen 10 et par av diametralt motsatte sirkulære gjennomgående hull 3 0 og 32 som strekker seg radialt. Hvert av hullene har et ytre seksjon 30a og 32a med større diameter og en indre seksjon 30b og 32d med mindre diameter. En gruppe av strekklapper er montert på de sylindriske vegger av de store hullseksjoner 30a og 32a og generelt i området betegnet med 34. Forbindelsestråder går fra strekklappene i ringformede fordypninger 3 6 og 3 8 og ved bunnen av hver seksjon med stor diameter, og disse trådene strekker seg deretter langs de borede huller for å danne en forbindelse med kretskortet 22 i fordypningen 24. Strekklappene og trådene i fordypningene 36 og 3 8 kan være dekket av en tetningsmasse 40 for å holde dem på plass og sikre dem mot skade.

Hvert hull har en ytre tetningsplugg 42 (med en utvendig diameter som svarer til den indre diameter ved den store hullseksjonen) og en innvendig tetningsplugg 44 (med en utvendig diameter som samsvarer med den innvendige diameter av det reduserte lille hull). Den utvendige plugg 42 har en redusert diameterseksjon 46 med en diameter lik diameteren av den innvendige plugg 44. De innvendige og utvendige plugger møter og ligger an mot hverandre ved plane endeflater. Hvert par av plugger samvirker for å definere et ringformet atmosfærisk kammer 5 2 hvori strekklappene befinner seg. Pluggene er utført av samme materiale som muffen 10, dvs. fortrinnsvis av et berylliumkobbermateriale. O-ringpakninger 48 og 50 tetter den utvendige diameter av henholdsvis pluggene 42 og 44 relativt til veggene i hullseksjonene for å forhindre lekkasje av utvendige væsker fra borehullringen (mellom det ytre av borestrengen og veggen av borehullet) eller fra den innvendige boring 54 av borestrengen og inn i kammeret 52.

En innvendig metallring 5 6 (igjen fortrinnsvis av samme materiale som muffen 10) er plassert i borestrengens senterhull 54 og ringen 5 6 har en sylindrisk utvendig diameter oMing" ået meste av sin omkrets for å danne en løs pasning med den innvendige diameter av senterboringen i borestrengmuffen 14. Ringen 5 6 har motsatte, plane overflater 5 8 mot hvilke de plane innadvendte overflater av pluggsegmentene 44 møtes i anlegg. Ringen 56 har også er par av innadragende flenser 60 for å motta pluggfestebolter 62. Boltene 62 fester og holder pluggsegmentene på plass. En 0-ring 64 ved den innvendige flate mellom hver plugg 44 og flaten 5 8 på ringen 5 6 skaffer ytterligere tetning mot lekkasje fra senterboringen i muffen 10 og inn i det atmosfæriske kammer 52 eller til borehullringen, og en O-ringpakning 66 ved de plane anleggsflåtene mellom segmentene 42 og 44 sørger for ytterligere å tette mot lekkasje fra borehullringen og inn i det atmosfæriske kammer 52.

På fig. 2 og 3 er det i samsvar med den foreliggende oppfinnelse vist et apparat til å måle vekt, dreiemoment og sidekraft på en borkrone og som er anordnet på en målemuffe 10 0 på tilsvarende måte som på fig. 1, med den vesentlige unn-tagelse at den foreliggende oppfinnelse omfatter et par av diametralt motsatte sirkulære åpninger 102 og 104 som strekker seg radialt og ikke går tvers gjennom muffen. Med andre ord blir i samsvar med den foreliggende oppfinnelse åpningene 102 og 104 bare dannet delvis gjennom muffen 100 og kommuniserer ikke med det indre av borestrengens senteråpning 10 6, i motsetning til de gjennomgående hull 30 og 32 i den kjente teknikk som vist på fig. 1. Hvert hull 102 og 104 har en tetningsplugg 108 med redusert diametertverrsnitt 110 og et større diametertverrsnitt 112 som er lik diameteren av åpningene 102 og 104. Den reduserte diameterseksjon 110 av pluggen 108 samvirker med veggene til■åpningene 102 og 104 for å definere et ringformet atmosfærisk kammer 114 hvor strekklappene er anordnet. Både muffen 100 og pluggene 102 og 104 er utført i samme materiale (dvs. fortrinnsvis berylliumkobber). O-ringpakninger 116 og 118 tetter den ytre diameter av pluggene 108 relativt til veggene av de partielle hull 102, 104 for å forhindre lekkasje av utvendige væsker fra borehullringen (mellom det ytre av borestrengen og veggen av borehullet). Som vist på fig. 3, har toppflaten av hver plugg 108 en redusert diameter relativt til åpningen 102 og 104 slik at det defineres av en spalte 120. Langs de innvendige vegger av åpningen 102 og 104 og adskilt nedad fra den ytre overflate av muffen 100 er det et spor 122 som best er vist på fig. 4. Etter at pluggen 108 er plassert i hver åpning 102 og 104, blir en kjent C-formet festering 124 plassert i spalten 120 med bruk av et passende håndverktøy (som er blitt tilpasset de to åpninger 126 i ringen 124) og deretter frigjort fra håndverktøyet slik at ringen vil fjære utad og bli festet i sporet 122 som vist på fig. 4. På denne måte vil ringen 124 være overlagret de samsvarende overflater på pluggen 10 8 og åpningene 102 og 104 i muffen 100 for dermed å holde pluggen 108 i åpningene.

Som ved den kjente konstruksjon på fig. 1 omfatter apparatet i henhold til den foreliggende oppfinnelse en gruppe av strekklapper (ikke vist) som er montert i det ringformede, atmosfæriske kammer 114. Koblingstråder går fra strekklappen, og disse trådene strekker seg langs de borede huller for å skaffe forbindelse med kretskortet som beskrevet i US-PS nr. 4 821 563. Strekklappen og trådene i de ringformede kamre 114 kan dekkes av en tetningsmasse 13 0 for å holde dem på plass og beskytte dem mot skade.

Det vil forstås at dybden av åpningene 102 og 104 må være stor nok til å skaffe tilstrekkelig ringformet rom for å holde strekklappene i disse og allikevel ikke svekke den mekaniske integritet av vektrøret 100. Fordi også den innvendige diameter av vektrørene slites ned over tid pga. borevæsken, bør avstanden mellom den partielle åpning 102 og 104 og den innvendige borering 10 6 være stor nok til å ta hensyn til slitasje over tid.

Fortrinnsvis forblir det ringformede kammer 114 forseglet ved trykket på én atmosfære som foreligger ved montasjen. Når således borestrengen befinner seg i et borehull, vil høytrykks-miljøet i borehullet holde pluggene 108 tett inne i åpningene 102 og 104. Ved overflaten vil naturligvis festeringene T28

holde pluggene 108 på plass i åpningene 102 og 104.

I samsvar med den foreliggende oppfinnelse på fig. 2 og den kjente konstruksjon på fig. 1, benytter hver av tre målinger (WOB, TOB, BOB) en gruppe av fire strekklapper forbundet i et broopplegg (ikke vist). Seks strekklapper er forbundet i nøyaktig bestemte grupper til sylinderveggene i kamrene 114. I hvert tilfelle (dvs. for måling av WOB, TOB og BOB) monteres to av strekklappene i det atmosfæriske kammer i hullet 102 og to strekklapper monteres i det atmosfæriske kammer i hullet 104. Strekklappene detekterer spenninger eller elastisk deformasjon av veggene i hullene som de er festet til. Deformasjonene er proporsjonale med belastningene som utøves på muffen. Deformasjonene resulterer i forandring av den elektriske motstand over strekklappene. I brokretsen gir dette en utgangsmålespenning som er proporsjonal med deformasjonen.

Bortsett fra de nye, partielle åpninger 102 og 104 og den forbundne konstruksjon, er resten av trekkene ved den foreliggende oppfinnelse identiske med dem som er omtalt i US-PS nr. 4 821 563, og det skal derfor henvises til dette patentskrift for en beskrivelse av virkemåten til den foreliggende oppfinnelse.

Det vil skjønnes at forbedringen i henhold til den foreliggende oppfinnelse vist på fig. 2, skaffer visse fordeler og trekk relativt til apparatet i henhold til kjent teknikk som vist på fig. 1. En viktig fordel er at den foreliggende oppfinnelse eliminerer den sentrale støttering 56, den innvendige tetningsplugg 44, pluggfesteboltene 62 og de mange pakninger og O-ringer 48, 64 og 66 som benyttes av det kjente apparat. En eliminasjon av alle disse komponentene fører til en enklere, mer pålitelig og mindre kostbart apparat i forhold til den kjente teknikk.

Ved å fjerne den sentrale ring 5 6 og tillate at borehullringen 106 er fri for obstruksjoner, vil dessuten den foreliggende oppfinnelse tillate forbedret slams trøm relativt til k<*>jérf?e' teknikk.

Den foreliggende oppfinnelse eliminerer også enhver sjanse for lekkasje eller utvasking av det indre av borehullet 10 6 til den ytre diameter av vektrøret, da det ikke lenger er noen innvendig plugg som kan på noen måte skades. Således er den foreliggende oppfinnelse mindre tilbøyelig til å svikte eller bli skadet relativt til den kjente konstruksjon på fig. 1. Tilsvarende vil det faktum at åpningene 102 og 104 ved den foreliggende oppfinnelse bare strekker seg delvis gjennom vektrørmuffen 100 opprettholde integriteten og styrken av muffeveggen, motsatt av hva tilfellet er ved åpningen som går tvers gjennom muffeveggen.

Det vil forstås at det foreligger et kompromiss i dannelsen av partielle åpninger i samsvar med den foreliggende oppfinnelse relativt til en gjennomgående åpning som i kjent teknikk. I det partielle hull eller blindhullet i henhold til den foreliggende oppfinnelse vil det relativt til hva tilfellet er for en identisk gjennomgående åpning i henhold til kjent teknikk forekomme noe mindre deformasjon pga. av en utøvd kraft. Dette resulterer i et noe lavere utgangssignal fra strekklappbroen ved den foreliggende oppfinnelse relativt til det ved den kjente teknikk. Selv om utgangssignalet er noe mindre enn ved den kjente teknikk, vil det utgangssignal som fås ved den foreliggende oppfinnelse ikke desto mindre være tilstrekkelig for sin tiltenkte anvendelse.

Claims (12)

1. Apparat til å måle minst én belastning utøvd på en borkrone under boring av en brønn, omfattende en borestrengmuffeanordning (100) som er innrettet til å forbindes i en borestreng over borkronen, karakterisert ved at apparatet omfatter et par av diametralt motsatte åpninger (102,104) som strekker seg bare delvis gjennom veggen av muffeanordningen (100) fra en utvendig overflate av muffeanordningen, en anordning som definerer et atmosfærisk kammer (114) i hver av åpningene (102,104), en vektsensoranordning i hver av åpningene (102,104) for å generere et utgangssignal som reaksjon på minst én vekt-parameter på borkronen, idet vektsensoren omfatter en første vektsensoranordning anbrakt ved en første, forhåndsbestemt stilling og med en første forhåndsbestemt orientering i hvert kammer (114) for å detektere virkningene av vekt, og en annen vektsensoranordning i hvert kammer (114) anbrakt ved en annen, forhåndsbestemt stilling relativt til den første sensoranordning og med en annen orientering relativt til orienteringen av den første sensoranordning for å kansellere virkningen av trykkdifferensialet over borestrengmuffe-anordningen (100).

2. Måleapparat i henhold til krav 1, karakterisert ved at den annen forhåndsbestemte stilling av hver av de andre sensoranordninger velges for å fremskaffe bøyesymmetri og kansellere virkningene av bøyebelastninger.

3. Måleapparat i henhold til krav 1 eller 2, karakterisert ved at den annen forhåndsbestemte posisjon av hver av de andre sensoranordninger velges for å fremskaffe dreiemomentsymmetri og kansellere virkningen av dreiemomentbelastninger.

4. Måleapparat i henhold til et av kravene 1-3, karakterisert ved at posisjonene av den første vektsensoranordning i hvert kammer (114) er symmetriske, og at posisjonene av den annen vektsensoranordning i hvert kammer (114) er asymmetriske.

5. Måleapparat i henhold til et av kravene 1-4, karakterisert ved at den omfatter en dreiemomentsensoranordning i hvert kammer (114) for å generere et utgangssignal som reaksjon på parameteren for dreiemoment-belastningen på borkronen.

6. Måleapparat i henhold til krav 5, karakterisert ved at dreiemomentsensor-anordningen omfatter første og andre dreiemomentdeteksjonsorganer i hvert kammer (114), idet de første og andre dreiemomentdeteksjonsorganer er anordnet ved første og andre, forhåndsbestemte dreiemomentdeteksjonsposisjoner i hvert kammer (114), og at de første og andre forhåndsbestemte dreie-momentdeteks j onsposisj oner i det ene kammer (114) er symmetriske med hensyn til de første og andre forhåndsbestemte dreiemomentdeteksjonsposisjoner i det andre kammer (114).

7. Måleapparat i henhold til krav 6, karakterisert ved at de første og andre dreimomentdeteksjonsorganer omfatter strekklapper i hvert kammer forbundet i en brokrets med de første dreiemomentsensor-strekklapper i hvert kammer (114) anordnet i et første par av motsatte armer i brokretsen, og de andre dreiemomentsensor-strekklapper i hvert kammer (114) anordnet i et annet par av motsatte armer i brokretsen.

8. Måleapparat i henhold til et av de foregående krav, karakterisert ved at det omfatter en bøyesensoranordning i hvert kammer (114) for å generere et utgangssignal som reaksjon på parameteren for bøyebelastningen på borkronen.

9. Måleapparat i henhold til krav 8, karakterisert ved at bøyesensoranordningen omfatter første og andre bøyedeteksjonsorganer i hvert kammer (114), idet de første og andre bøyedeteksjonsorganer er anordnet ved første og andre, forhåndsbestemte bøyedeteksjons-posisj oner i hvert kammer (114), og at de første og andre, forhåndsbestemte bøyedeteksjonsposisjoner i det ene kammer (114) er symmetriske med hensyn til de første og andre, forhåndsbestemte bøyedeteksjonsposisjoner i det andre kammer (114) .

10. Måleapparat i henhold til krav 9, karakterisert ved at de første og andre bøyedeteksjonsorganer omfatter strekklapper i hvert kammer (114) forbundet i en brokrets med de første og andre bøye-sensorstrekklapper i hvert kammer (114) anordnet i et første par av tilstøtende armer i brokretsen, og de andre bøye-deteksj ons-strekklapper i hvert kammer (114) i et annet par av tilstøtende armer i brokretsen.

11. Måleapparat i henhold til et av de foregående krav, karakterisert ved at de første og andre vektsensoranordninger omfatter strekklapper i hvert kammer (114) for å generere elektrisk utgangssignaler som reaksjon på derpå utøvde belastninger, idet den annen vektsensor-strekklapp i hvert kammer (114) er plassert ved en annen, forhåndsbestemt posisjon vinkelforskjøvet relativt til den første vektsensor-strekklapp og med sin deteksjonsakse vinkeldreid relativt til deteksjonsaksen for den første vektsensor-strekklapp for å kansellere virkningene av trykkdifferensialet over borestreng-muffeanordningen (100), og at de første og andre vektsensor-strekklapper i hvert kammer (114) er forbundet i en brokrets med de første vektsensor-strekklapper i hvert kammer (114) anordnet i et første par av motsatte armer i brokretsen, og de andre vektsensor-strekklapper i hvert kammer (114) anordnet i et annet par av motsatte armer i brokretsen.

12. Måleapparat i henhold til et av de foregående kråv^ karakterisert ved at det omfatter en plugganordning (108) i hver av de nevnte åpninger (102,104), idet plugganordningene (10 8) sammenvirker med åpningene for å definere en atmosfærisk kammeranordning (114) i hver av åpningene.