NO179879B - Trykkforsterker (III) - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse angår en forbedret konstruksjon av en trykkforsterker eller, trykkomformer for montering ovenfor bor kr onen ved den nedre ende av et borerør for dypboring, særlig etter olje og gass, og for frembringelse av et for-høyet væsketrykk under utnyttelse av energi i en boreslam-strøm ned gjennom borestrengen og borerøret, eksempelvis med sikte på en forsterket borevirkning, fortrinnsvis ved hjelp av en eller flere høytrykkstråler egnet til å ha skjærevirkning i en omgivende bergart.

Oppfinnelsen kan ansees å være en videreutvikling og forbedring av konstruksjoner som er beskrevet i norske patentskrifter nr. 169.088, 171.322, 171.323 og 171.325. Norsk patent 171.323 er spesielt rettet mot en ventilanordning for denne type trykkforsterkere. Det har nå vist seg at denne og andre kjente ventilanordninger for slike trykkforsterkere, med fordel kan erstattes med nye og forbedrede konstruksjoner, som skal beskrives i det følgende. Disse nye konstruksjoner innebærer bl.a. mindre slitasje på vitale ventildeler og forøvrig en bedre pålitelighet og sikkerhet under de ekstreme påkjenninger som konstruksjonene er utsatt for i praksis.

I likhet med trykkforsterkerne i henhold til de forannevnte norske patentskrifter, tar foreliggende oppfinnelse utgangspunkt i en utførelse omfattende et resiproserende stempel med et trykkslag og et returslag mellom motsatte endestiIlinger i en sylinder, og på den ene side (lavtrykk-side) utformet med en forholdsvis stor stempelflate som under trykkslaget påvirkes av boreslamtrykket i borerøret, en første motsatt stempelflate og en annen, motsatt og forholdsvis liten stempelflate som under trykkslaget frembringer et forhøyet trykk i en mindre del (høytrykkside) av boreslam-strømmen, en ventilanordning for styring av boreslamstrømmer til og fra stemplet, en kanal til å forbinde et rom foran den første motsatte stempelflate med ringrommet utenfor borerøret i det minste under trykkslaget, en annen kanal med en enveis ventil som forbinder den nevnte høytrykkside med en høy-trykkskanal som leder frem til borkroneh, og i det minste en ytterligere kanal som er innrettet til under returslaget å forbinde lavtrykksiden med ringrommet utenfor borerøret.

Som en viktig komponent i løsningen ifølge oppfinnelsen inngår det en hydraulisk motor, og i den forbindelse skal det bemerkes at hydrauliske motorer i prinsippet er kjent for anvendelse ved den nedre ende av borerør for dypboring, slik som f.eks. beskrevet i US-patent 3.112.800, europeisk patentpublikasjon 335.543 og internasjonal patentpublikasjon WO 83/00183. I disse kjente anvendelser har imidlertid den hydrauliske motor andre formål og funksjoner enn det som foreliggende oppfinnelse går ut på.

Det nye og særegne ved trykkforsterkeren ifølge oppfinnelsen består i første rekke i at den omfatter en hydraulisk rotasjonsmotor anordnet ut for enden av sylinderen og innrettet til å drives av trykkdifferansen mellom boreslamstrømmene i borerøret og ringrommet, og at en transmisjonsmekanisme er innrettet til å overføre den hydrauliske motors rotasjon til intermitterende omstillingsbevegelser i ventilanordningen mellom to arbeidsstillinger.

De nye, konstruktive løsninger ifølge oppfinnelsen samt ytterligere fordeler og særegne trekk ved denne, skal i det følgende forklares nærmere under henvisning til tegningene, hvor: Fig. 1 i lengdesnitt viser en utførelsesform av en trykkforsterker ifølge oppfinnelsen, med stempelet i en

nedre endestilling,

fig. 2 viser et tverrsnitt etter linjene II-II på fig. 1, fig. 3 viser et tverrsnitt i likhet med fig. 2, men av en

mer foretrukket utførelse av den hydrauliske motor, fig. 4 viser et tverrsnitt etter linjen IV-IV på fig. 1,

og

fig. 5 viser skjematisk en gruppe trykkforsterkere basert på en øvre trykkforsterker ifølge utførelsen på fig. 1-4, sammenkoblet med øvrige trykkforsterkere som har en forenklet konstruksjon.

Da foreliggende trykkforsterker forsåvidt angår hoved-trekkene ved denne bortsett fra ventilanordningen, er nær beslektet med tilsvarende konstruksjoner i henhold til de forannevnte norske patentskrifter, synes det her tilstrekke-lig bare kort å omtale disse hovedtrekk og funksjoner.

I likhet med de tidligere foreslåtte konstruksjoner omfatter utførelsen på fig. 1 et stort sett sylindrisk hus 1, 2, 3 innrettet til å oppta stempelet 6. Dette har tre virk-somme stempelflater, nemlig en øvre forholdsvis stor stempelflate 11, en første motsatt stempelflate 13 og en annen motsatt og forholdsvis liten stempelflate 12 ved den nedre ende av stempelorganet 6. Dette er innrettet til å kunne beveges fritt aksielt under påvirkning av varierende bore-slamtrykk på de respektive stempelflater.

Rommet eller volumet foran stempelflaten 11 kan betegnes lavtrykksrom, mens volumet foran stempelflaten 12 tilsvarende kan betegnes høytrykksrom. Dette siste er gjennom en kanal 15A med en enveis ventil 15 forbundet med en samlekanal (ikke vist på fig. 1) for den resulterende boreslamstrøm med for-■ høyet trykk. Kanalen er gjennomgående i hele lengderetningen av huset, dvs. sylinderveggen 1, med sikte på sammenkobling av flere slike trykkomformerenheter til en gruppe, slik det skal omtales nedenfor under henvisning til fig. 5.

Ventilanordningen ifølge oppfinnelsen slik som vist på fig. 1-4 omfatter to dreibare ventillegemer 4A og 4B som hvert er forsynt med to ventilkuler som har respektive gjen-nomstrømningsåpninger 4A1, 4A2 og 4B1, 4B2. Disse ventillegemer er anordnet i sylinderveggen 1 diametralt motsatt overfor hverandre. Ventillegeme 4A og 4B med sine respektive ventilkuler er fortrinnsvis innrettet til å dreies i en vinkel på ca. 90° mellom åpen og lukket stilling. På fig. 1 er det således fri åpning for gjennomstrømning gjennom ventilkulene 4A1 og 4B2, mens de to øvrige er lukket. En ny og særegen styre- og aktuat or anordning for å bevirke de nevnte omstillingsbevegelser av ventillegemene 4A og 4B, skal forklares nærmere nedenfor. Først skal her i korthet selve hovedfunksjonen av trykkforsterkeren omtales.

Med utgangspunkt i fig. 1 hvor stempelet 6 befinner seg i nedre stilling og ventilkulen 4B2 slipper inn borevæske på undersiden av stempelet gjennom innløpskanalen 13B, vil stempelet 6 bli presset oppover. Dermed vil væske som befinner seg foran stempelflaten 11 på oversiden av stempelet 6, strømme ut gjennom kanalen llA med den åpne ventilkule 4A1 til ringrommet 50 mellom borestrengen eller sylinderveggen 1 og foringsrøret (ikke vist). Stempelet 6 blir dermed drevet opp til sin toppstilling. Dette representerer således et returslag av stempelet. Trykk- eller arbeidsslaget skjer etter ventilomstilling, slik det vil innsees uten nærmere forklaring her.

Utenfor sylinderens endevegg 2 ved lavtrykksiden viser fig. 1 den spesielle styre- og aktuatoranordning i henhold til oppfinnelsen, basert på en hydraulisk rotasjonsmotor 10 som har en utgangsaksel 10A. En første utførelse av den hydrauliske motor er vist noe mer detaljert på fig. 2. Motoren drives av trykkdifferansen mellom boreslamstrømmen i henholdsvis borerøret (indikert ved IA) og ringrommet 50. Det vil innsees at bare en meget liten andel av den totale boreslamstrøm forbrukes i den hydrauliske motor 10, som bare tjener til å omstille ventilanordningen, slik det skal forklares i det følgende. Det kan være en fordel at boreslam-strømmen gjennom den hydrauliske motor, og dermed effekten eller rotasjonshastigheten av denne, er regulerbar. For det formål er det rent skjematisk antydet en reguleringsinnretning 55 for inngående boreslam fra borerøret som representert ved kanalen IA, til motoren. Regulering skjer hensiktsmessig i avhengighet av forannevnte trykkdifferanse slik at rotasjonshastigheten varierer mindre enn trykkdifferansen. Under de aktuelle og varierende driftsbetingelser vil rotasjons-motoren i trykkforsterkeren ifølge oppfinnelsen, yde høy mekanisk effekt, det vil si dreiemoment, for de nødvendige ventilbevegelser.

Fig. 1 viser videre en transmisjonsmekanisme for over-føring av rotasjonen av utgangsakselen 10A til hensikts-messige ventilbevegelser i den foran beskrevne ventilanordning. Transmisjonsmekanismen er i tverrsnitt vist på fig. 4, og er i denne utførelse basert på Malteserkors-prinsippet. På utgangsakselen 10A er det festet en hovedskive 12 med utsparinger 12A og 12B i omkretsen, for samvirke med respektive slisshjul 14A og 14B som er rotasjonsmessig koblet til hvert sitt ventillegeme 4A og 4B. Videre viser fig. 4 to tapper 12AC og 12BC anordnet på hovedskiven 12 sentralt ut for utsparingspartiene 12A og 12B. Denne i og for seg kjente Malteserkors-mekanisme vil således ved kontinuerlig rotasjon av den hydrauliske motors utgangsaksel 10A og dermed hovedskiven 12, bevirke en intermitterende dreiebevegelse med 90° for hver gang, ved samvirke mellom tappene 12AC og 12BC og de viste slisser i de to små hjul 14A og 14B. I tidsintervallet mellom ventilomstillingsbevegelsene blir de to små slisshjul og dermed ventillegemene holdt i en tilnærmet fiksert stilling ved samvirke mellom de mer utstrakte sirkulære flater på hovedskiven 12 henholdsvis hjulene 14A og 14B, slik som også i og for seg kjent.

Med sikte på en ønsket rask omstillingsbevegelse i ventilanordningen er det fordelaktig at hovedskiven 12 med sin(e) tilhørende tapp(er) 12AC, 12BC har radielle dimensjoner som er vesentlig større enn de radielle dimensjoner av samvirkende slisshjul 14A, 14B. Uttrykt med andre ord betyr dette at den rotasjonsvinkel som hovedskiven 12 gjennomløper med tappene 12AC og 12BC i inngrep med slisshjulene 14A og 14B, er meget liten i forhold til en halv omdreining, som i prinsippet representerer tidsintervallet mellom hver ventilomstilling.

Også andre transmisjonsmekanismer enn den som her nettopp er beskrevet, vil kunne overføre rotasjonen av den hydrauliske motor 10 til ønskede omstillingsbevegelser i ventilanordningen. Med tanke på en praktisk utførelse av slike transmisjonsmekanismer er det ifølge oppfinnelsen en stor fordel at utgangsakselen 10A fra den hydrauliske motor 10 er parallell med og kan eventuelt falle sammen med lengdeaksen AX for trykkforsterkeren som helhet.

Det er videre mulighet for å legge inn ønskede overset-ningsforhold i transmisjonsmekanismen, herunder å anvende planetdrev. Det vil i den forbindelse vanligvis bli tale om å gire ned fra den hydrauliske motors rotasjonshastighet.

Betraktes nå tverrsnittet på fig. 2 nærmere, fremgår det at den hydrauliske motor 10 i denne utførelse mer spesielt har form av en vingemotor med et antall vinger eller blader 101, 102, 103 osv. montert radielt forskyvbart i en rotor 10B som er fastkilt på utgangsakselen 10A. Rotoren med vingene er anordnet i et hulrom 10C hvis omkrets har en ikke-sirkulær eller oval form orientert slik i forhold til innløp IA og utløp 50A til ringrommet 50, at rotasjon oppstår ved trykkdifferanse som allerede nevnt ovenfor. Dette motorprinsipp er forsåvidt i og for seg tidligere kjent.

Motorkonstruksjonen ifølge fig. 2 kan i praksis være beheftet med ulemper, bl.a. som følge av de forholdsvis mange enkeltdeler som er utsatt for slitasje, og det er derfor ifølge oppfinnelsen en langt foretrukket utførelse å benytte en tannhjulsmotor som illustrert på fig. 3. Dette likeledes i og for seg kjente prinsipp for en hydraulisk motor omfatter to tannhjulsrotorer 31 og 32 som roterer i inngrep med hverandre i et hus 30C som innbefatter halvsylindriske vegg-partier i samvirke med de roterende tanntopper på tannhjulene 31 og 32. Den resulterende hydrauliske motor 30 har fortrinnsvis en utgangsaksel 30A, som bærer tannhjulet 31, plassert sammenfallende med trykkforsterkeraksen AX (som vist på fig. 1) , for direkte sammenkobling med hovedskiven 12 i transmisjonsmekanismen på fig. 1 og 4, eller en annen form for hensiktsmessig transmisjonsmekanisme. På fig. 3 vises mer spesielt også den boreslamkanal IA som tilfører boreslam under trykk som en del av den totale boreslamstrøm i borestrengen og borerøret. Med piler på de to tannhjul 31 og 32 indikeres rotasjonsretningen av disse under operasjon.

I utførelsen på fig. 1, hvor det er anordnet ventilkuler både for innløp og utløp på hver side av hovedstempel f låtene 11/13, har hvert ventillegeme 4A og 4B en lengdeutstrekning parallelt med stempelets 6 akse tilsvarende i det minste stempelets slaglengde. Disse dimensjonsforhold er bestemt av behovet for å tilføre boreslam under trykk henholdsvis på stempelf laten 11 under trykkslaget, og på stempelf laten 13 under returslaget. Det kan imidlertid tenkes en modifisert utførelse hvor hvert av ventillegemene har bare én ventilkule, nemlig henholdsvis kulen 4A1 og kulen 4B1. I en slik modifisert utførelse er det ingen ventilfunksjon som styrer inn/ut-strømningen fra rommet foran stempelflaten 13, idet dette rom gjennom en helt åpen kanal tilsvarende 13A kommuni-serer direkte med ringrommet 50 under alle bevegelsesfaser for stempelet 6. Dette er forsåvidt en løsning som også er tidligere beskrevet bl.a. i norsk patent 169.088. I likhet med den tidligere konstruksjon kan den her nevnte modifiserte løsning også omfatte en retur-trykkfjær innrettet til å utøve en skyvekraft mot stempelflaten 13.

Også når det gjelder ventil- og aktuatoranordningen kan foreliggende oppfinnelse omfatte utførelser som innbefatter andre konstruksjonstrekk enn dem som er omtalt ovenfor i tilknytning til tegningene. Således kan ventilanordningen f.eks. være basert på et plateformet, dreibart ventillegeme som beskrevet i norsk patent 169.088. Istedenfor en aktuatorsylinder med lineær bevegelse som her er vist og beskrevet, kan andre former for hydrauliske aktuatorer tenkes benyttet, under styring ved hjelp av en styresylinder som beskrevet.

De løsninger som ovenfor er beskrevet under henvisning til tegningsfigurene, kan dessuten kombineres med noen av de spesielle varianter som er vist i forannevnte norske patentskrifter, kanskje særlig utløpskanalen ifølge norsk patent 171.322 og sammenkoblingen av en trykkforsterkergruppe ifølge norsk patent 171.325.

I likhet med de tidligere kjente konstruksjoner, særlig som beskrevet i norske patentskrifter nr. 169.088 og 171.325, kan en trykkforsterker ifølge foreliggende oppfinnelse inngå i en gruppe trykkforsterkere for frembringelse av en resulterende, større boreslamstrøm under det ønskede forhøyede trykk. Fig. 5 viser en slik trykkforsterkergruppe, hvor en øvre trykkforsterker 10 er illustrert i form av samme trykk-forsterkerutførelse som på fig. 1-4. Videre er det på fig. 5 skjematisk vist to ytterligere trykkforsterkere 20 og 40, som eventuelt kan følges av enda flere trykkforsterkere nedenfor, som alle har ventillegemer med sammenkobling i hele lengderetningen av gruppen, slik at ventillegemene 4A og 4B i den øverste trykkforsterker 10, driver hele rekken av nedenfor-liggende ventillegemer, såsom ventillegemene 64A og 64B i trykkforsterkeren 20 og ventillegemene 66A og 66B i trykkforsterkeren 40. Disse øvrige trykkforsterkere, f.eks. 20 og 40, kan dermed ha en forenklet konstruksjon uten særskilte midler til å bevirke omstillingsbevegelse av sine ventilanordninger.

Som i de tidligere beskrevne trykkforsterkergrupper er de her illustrerte trykkforsterkere 10, 20, 40 osv. innrettet etter en felles lengdeakse 70, med en felles gjennomgående høytrykkskanal 16 og med de respektive ventillegemer aksielt innrettet i forhold til hverandre. For sammenkobling av de to viste strenger av ventillegemer er det innsatt drivaksler 60A, 60B, ... 60G med tilhørende akselkoblinger som vist f .eks. ved 60X mellom trykkf orsterkeren 10 og trykkf or sterk-eren 20.

For utjevning av trykkstøtene i den totale, resulterende høytrykks strøm i kanalen 16, kan det være en fordel å anordne ventillegemene i trykkforsterkerne med en vinkelorienterting vekselvis motsatt, slik det fremgår av de ventilstillinger som er markert for de respektive ventillegemer i trykkforsterkerne 10, 20 og 40 på fig. 5.

Claims (12)

1. Trykkforsterker for montering ovenfor borkronen ved den nedre ende av et borerør for dypboring, særlig etter olje og gass, og for frembringelse av et forhøyet væsketrykk under utnyttelse av energi i en boreslamstrøm ned gjennom borestrengen og borerøret, omfattende et resiproserende stempel (6) med et trykkslag og et returslag mellom motsatte ende-stillinger i en sylinder (1,2,3), og på den ene side (lav-trykkside) utformet med en forholdsvis stor stempelflate (11) som under trykkslaget påvirkes av boreslamtrykket i bore-røret, en første motsatt stempelflate (13) og en annen, motsatt og forholdsvis liten stempelflate (12) som under trykkslaget frembringer et forhøyet trykk i en mindre del (høytrykkside) av boreslamstrømmen, en ventilanordning (4A,B) for styring av boreslamstrømmer til og fra stemplet, en kanal (13A) til å forbinde et rom foran den første motsatte stempelflate (13) med ringrommet (50) utenfor borerøret i det minste under trykkslaget, en annen kanal (15A) med en enveis ventil (15) som forbinder den nevnte høytrykkside med en høy-trykkskanal som leder frem til borkronen, og i det minste en ytterligere kanal (11A) som er innrettet til under returslaget å forbinde lavtrykksiden med ringrommet (50) utenfor borerøret, karakterisert ved at den omfatter en hydraulisk rotasjonsmotor (10,30) anordnet ut for en ende (2) av sylinderen (1,2,3) og innrettet til å drives av trykkdifferansen mellom boreslamstrømmene i borerøret (IA) og ringrommet (50), og at en transmisjonsmekanisme (12,14A,14B) er innrettet til å overføre den hydrauliske motors rotasjon til omstillingsbevegelser i ventilanordningen (4A,B) mellom to arbeidsstillinger.

2. Trykkforsterker ifølge krav 1, karakterisert ved at en utgangsaksel (10A,30A) fra den hydrauliske motor (10,30) er parallell med og fortrinnsvis sammenfallende med trykkforsterkerens lengdeakse (AX) .

3. Trykkforsterker ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at det er anordnet en reguleringsinnretning (55) for den hydrauliske motor (10), fortrinnsvis med automatisk regulering i avhengighet av den nevnte trykkdifferanse.

4. Trykkforsterker ifølge krav 1, 2 eller 3, karakterisert ved at den hydrauliske motor er en hydraulisk tannhjulsmotor (30) .

5. Trykkforsterker ifølge et av kravene 1-4, karakterisert ved at transmisjonsmekanismen (12,14A,14B) er innrettet til å omdanne utgangsakselens kontinuerlige rotasjon til intermitterende omstillingsbevegelser i ventilanordningen (4A,B), såsom ved hjelp av en Malteserkors-mekanisme (12,14A,14B).

6. Trykkforsterker ifølge krav 5, karakterisert ved at hovedskiven (12) i Malteserkors-mekanismen er montert på utgangsakselen (10A) fra den hydrauliske motor (10).

7. Trykkforsterker ifølge krav 6, karakterisert ved at hovedskiven (12) med sin(e) tilhørende tapp(er) (12AC,12BC) har radielle dimensjoner som er vesentlig større enn de radielle dimensjoner av samvirkende slisshjul (14A,14B).

8. Trykkforsterker ifølge et av kravene 1-7, karakterisert ved at det er anordnet to separate ventillegemer (4A,B) som fortrinnsvis er plassert i sylinderveggen (1) innbyrdes diametralt motsatt i forhold til stempelets (6) akse.

9. Trykkforsterker ifølge et av kravene 1-8, karakterisert ved at hvert ventillegeme (4A-B) omfatter i det minste en ventilkule (4A1,4B1) innrettet til å dreies ca. 90° mellom åpen og lukket stilling.

10. Trykkforsterker ifølge et av kravene 1-9, karakterisert ved at hvert ventillegeme (4A-B) har en lengdeutstrekning parallelt med stempelets (6) akse i det minste tilsvarende stempelets slaglengde.

11. Trykkforsterkergruppe omfattende to eller flere trykkforsterkere (10,20,40) for montering ovenfor borkronen ved den nedre ende av et borerør for dypboring, særlig etter olje og gass, og for frembringelse av et forhøyet væsketrykk under utnyttelse av energi i en bores lamstr øm ned gjennom borestrengen og borerøret, med sikte på en forsterket borevirkning, fortrinnsvis ved hjelp av en eller flere høytrykk-stråler egnet til å ha skjærevirkning i en omgivende bergart, hvor i det minste en av trykkf or sterkerne (10) er en trykkforsterker ifølge et av kravene 1-10, og den nevnte høy-trykkskanal (16) forløper kontinuerlig gjennom samtlige trykkforsterkere i gruppen, karakterisert ved gjennomgående koblinger (60X) for overføring av dreiebevegelsene fra ventillegemet eller -legemene (4A-B) i den nevnte ene trykkf or sterker (10) til lignende ventillegemer (64A-B,66A-B) i de øvrige trykkforsterkere (20,40) i gruppen, idet disse øvrige trykkforsterkere har en forenklet konstruksjon uten egen styresylinder og aktuatorsylinder.

12. Trykkforsterkergruppe ifølge krav 11, karakterisert ved at ventillegeme (64A-B,66A-B) i trykkforsterkerne (10,20,30) er vekselvis innbyrdes vinkelforskjøvet fortrinnsvis 90°, om de felles lengdeakser for utjevning av de resulterende trykkstøt i høytrykkskanalen (16) .