NO301557B1 - Anordning innrettet til å innkoples i en borestreng for styrt demping av aksial- og vridningskrefter - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en anordning innrettet til å innkoples i en borestreng for styrt demping av aksial- og vridningskrefter som borestrengen utsettes for under boring, omfattende et rørformet hus som ved sin øvre ende er forbundet med borestrengen og i sin øvre og nedre ende er utformet med en aksial åpning, en indre dorenhet som i sin nedre ende er forbundet med en borkrone og er utformet med en aksial fluidkanal for styrt tilførsel av borefluid fra borestrengen til borkronen, og som er teleskopisk opptatt i rørhuset slik at dorenhetens nedre ende strekker seg gjennom rørhusets aksiale åpning, samt en mellom huset og dorenheten anordnet dreiemoment -demperenhet innbefattende to samvirkende skruedeler, hvorav den ytre skruedel danner rørhusets innvendige overflate og den indre skruedel danner den utvendige overflate på den indre dorenheten.

En anordning av i alt vesentlig samme art som ovenfor angitt, er kjent fra EP-A-026100. Som ytterligere eksempler på teknikkens stilling på området kan nevnes US-4.270.620, US-3.998.443, US-3.947.008 og GB-A-2157341.

Store aksial- og vridningskrefter som overføres til bore-enheten under boring, kan forårsake skade på komponentene i borestrengen, med innbefatning av boreverktøyet og de ulike måleranordninger. Slike krefter kan forekomme både under konvensjonell, vertikal boring og boring i sterkt avvikende retning hvor borkronens posisjon er kritisk. Videre kan det under boring oppstå forskjellige forhold som forårsaker over-føring av en vridnings- eller aksialbelastning til boresammen-stillingen. Formasjoner av hardt fjell og klebrig leire kan bevirke at brønnstrengen utsettes for store aksial- og torsjonskrefter. Anvendelsen av skrapekroner eller rullemeiselkroner kan forårsake aksiale vibrasjoner under boring i verti-kalretning. I awikshuller kan friksjonskreftene mellom borestrengen og borehullet fremkalle vridningskrefter som gjør det vanskelig å bestemme og styre borkronens posisjon. I hvert av disse tilfeller kan en uventet opphevelse av disse krefter i borestrengen medføre at bunnhullsammenstillingen kastes mot bunnen av hullet.

Det er som ovenfor nevnt blitt utviklet ulike anordninger, som skal demper eller absorberer de vertikale eller aksiale støtkrefter som overføres til borestrengen gjennom borkronen. Slike anordninger omfatter støtabsorberende rør-seksjoner utstyrt med mekaniske fjærer, elastiske brikker eller fluidkamre for demping eller begrensing av den relative bevegelse mellom en innvendig dorenhet og et rørhus. Rør-huset er typisk forbundet med bunnhullsammenstillingen. Et rotasjonsmoment kan overføres fra den øvre strengen til borkronen gjennom en rekke langsgående rifler som forbinder rørhuset med dorelementet. Selv om hittil kjente støtdempere kan oppta små støt eller store belastninger av meget kort varighet, vil disse anordninger ikke fungere helt tilfreds-stillende' for absorbering av de aksial- og vridningskrefter som påvirker brønnstrengen. Slike verktøy er heller ikke egnet for styring av vekten som virker på borkronen, for nøyaktig bestemmelse av borkronens posisjon i forhold til hullbunnen.

Foruten vertikale støtbelastninger er borestrengene som kjent utsatt for vridningskrefter som skyldes strengens rota-sjonsbevegelse. Slike krefter kan oppstå ved at den roterende borestrengen stoppes plutselig, grunnet fasthenging av borkronen, eller over et lengre tidsrom som følge av friksjon i avvikende huller eller i motorer som anvendes ved kveilet rør. Slike radiale støtkrefter har vært forsøkt avledet ved at de overføres til en vertikal komponent som absorberes av utsty-rets støtdemperenhet. Såvel radiale som vertikale støtkrefter må derved opptas av samme demperenhet, og dette kan overstige verktøyets kapasitet og medføre brudd med derav følgende beskadigelse av borstrengen. Slike verktøy er dessuten ikke egnet for styring av vekten på borkronen, for plassering av denne i hullet.

Formålet med oppfinnelsen er å avhjelpe de ovenfor om-talte mangler ved de kjente bunnhullsammenstillinger, og dette oppnås ved en anordning av den innledningsvis angitte art, ved at det på dorenheten, henholdsvis over og under den indre skruedel, er anordnet øvre og nedre stempler som er innrettet for tettende anlegg mot den innvendige overflate i rørhuset og som mellom seg danner et lukket fluidkammer. Fordelaktige utføringsformer av oppfinnelsen er angitt i de etterfølgende krav.

Anordningen ifølge oppfinnelsen gjør det således mulig å svekke de vibrasjoner som forårsakes av f.eks. skrapekroner under konvensjonell boring både i vertikale og i avvikende borehull, og å styre borkronens posisjon under boring i sterkt skrånende borehull, samt å absorbere vridningskreftene i tilknytning til boring med kveilrør og andre mer konvensjonelle boreoperasjoner.

Oppfinnelsen skal i det følgende beskrives nærmere under henvisning til tegningen, hvor: Figur 1 viser et perspektivriss av anordningen ifølge oppfinnelsen. Figur 2 viser et lengdesnitt av anordningen ifølge oppfinnelsen, i fullt utstrukket stilling. Figur 3 viser et lengdesnitt av anordningen ifølge oppfinnelsen, i inntrukket stilling.

Figur 4 viser et snitt langs linjen 4-4 i figur 1.

Figur 5 viser snitt av alternative utførelsesformer av trykkreguleringsdysen ifølge oppfinnelsen.

Tegningene viser et apparat 10 ifølge oppfinnelsen, for styrt absorbering både av aksial- og vridningskrefter i tilknytning til belastninger som under boring overføres til en borestreng. Anordningen 10 som er forbundet med den nedre ende av en borestreng 12, er i sin nedre ende fortrinnsvis forbundet med en borkrone 14 for boring av vertikale eller avvikende huller. En bunnhullsammenstilling (BHA) kan alter-nativt være innkoplet i brønnstrengen enten like over eller like under anordningen 10, for å medvirke til å isolere vibrasjoner og andre krefter fra de følsomme instrumenter i bunnhullsammenstillingen. Anordningen 10 ifølge oppfinnelsen vil være meget nyttig i forbindelse med konvensjonelle boremetod-er, hvor hensikten er å svekke de kraftige vibrasjoner som forårsakes av skrapekroner eller de sterke, aksiale vibrasjoner som oppstår ved bruk av rullemeiselkroner. Anordningen 10 er imidlertid også egnet for anvendelse ved boring av meget skråttforløpende eller avvikende huller, hvor det er vanskelig å kontrollere og bestemme borkronens posisjon i hullet, grunnet friksjonskreftene mellom borestreng og hullvegg. Slik friksjon kan oppstå på grunn av en snever avbøyningsradius eller helt enkelt på grunn av motstand mot bunnhullsammenstil-lingens bevegelse i borehullet, hvilket kan føre til at sam-menstillingen sammentrykkes når strengen påføres vektbelast-ning. Anordningen 10 kan også komme til anvendelse ved kvei-lete rør som utsettes for betydelige vridningskrefter.

Anordningen 10 som er vist i figur 1-3, omfatter i hovedtrekk et rørformet hus 16 som i sin øvre ende er forbundet med en borestreng 12, og en innvendig dorenhet 18 som opptas teleskopisk i rørhuset 16, og hvis nedre ende går over i en holder 20 som er forbundet med en borkrone 14. I underenden av rørhuset 16 er det anordnet en aksial åpning 22 som opptar den gjennomgående, innvendige dorenhet 18. Åpningen 22 har imidlertid en størrelse som er tilstrekkelig til at brønnfluider kan innstrømme i rørhuset 16 og opprette et mottrykk, som beskrevet i det etterfølgende. Rørhuset 16 er stort sett sylinderformet, i likhet med formen av borestrengen 12, med en sylindrisk innervegg 24 hvori den innvendige dorenhet 18 opptas teleskopisk.

Som det fremgår av figur 2-4, omfatter den innvendige dorenhet 18 en aksial fluidkanal 26 for opprettelse av fluidforbindelse mellom borestrengen 18 og borkronen 14, med hen-blikk på overføring av borefluid til borkronen 14. Fluidkanalen 26 er trangere enn innerkanalen i borestrengen 12, og vil derfor levere en begrenset strøm av borefluider til borkronen 14. En strømnings- eller trykkreguleringsdyse 28 er innmontert i den øvre ende av kanalen 26, for å gi en styrt begrensning av fluidstrømmen gjennom kanalen 26 og derved opprette et kjent, statisk trykk Pl over den øvre ende av den innvendige dorenhet 18. Ved en versjon av oppfinnelsen er reguleringsdysen 28 utskiftbar, for endring av den innsnevrete passasje 30 i den øvre ende av fluidkanalen 26. I tillegg til reguleringsdysen 28 ifølge figur 2, viser figur 5 modifiserte reguleringsdyser 28' og 28'' for anvendelse under forskjellige forhold. Hver av disse dyser 28' og 28'' har innsnevrings-åpninger 30' og 30'' som er forskjellig fra hverandre. Hvil-ken som helst dyseform kan komme til anvendelse, idet det statiske trykk Pl over den øvre ende av den innvendige dor-, enhet 18 kan beregnes, og følgelig er kjent. Ved en ytterligere utførelsesform kan den utskiftbare dysen 28 erstattes av en enhet med en variabel åpning som kan endres ved hjelp av en ventilkopling som er forbundet med rørhuset 16, eller en ventil som styres av et hullformasjons-evalueringssystem. Innsnevringsåpningen 30 kan på denne måte justeres kontinuer-lig for å øke strømningsmotstanden, og følgelig trykket Pl som utøves mot den innvendige dorenhet 18, i avhengighet av vari-erende forhold i borehullet. I hvert av tilfellene vil det opprettes et kjent fluidtrykk Pl' i fluidkanalen 26 samt et kjent fluidtrykk P2 over borkronen 14.

Den innvendige dorenhet 18 omfatter videre et øvre stempel 32 og et nedre stempel 34 som ligger tettsluttende an mot innerveggen'24 av rørhuset 16. I rørhuset 16 er det fortrinnsvis innmontert en øvre sylinderforing 36 og en nedre sylinderforing 38 som danner sylindre for stemplene 32 og 34. For å sikre tettende forbindelse mellom det respektive stempel og sylinderveggen, kan stemplene 32 og 34 være forsynt med O-ringpakninger 40. Det øvre og det nedre stempel vil på denne måte avgrense, i rørhuset 16, et kammer som er tettende iso-lert mot borefluidet som tilføres gjennom borestrengen 12, og mot de omgivende fluider i borehullet. Mens borefluidet utøver et trykk Pl mot det øvre stempel 32, vil borehull-fluidet som innstrømmer i rørhuset 16 gjennom åpningen 22, utøve et fluidtrykk P3 mot det nedre stempel 34. Foruten at de i forening avgrenser innerkammeret, vil stemplene og sylinderforingene samvirke til radial avstøtting av den innvendige dorenhet 18 i rørhuset 16.

I kammeret som avgrenses av det øvre og det nedre stempel i yttermantelen 16, er det innmontert en dreiemomentdemper-enhet 50 for isolering av vridningskreftene i forbindelse med boreoperasjonen. Dreiemoment-demperenheten 50 omfatter i hovedtrekk en ytterdel 52 som opptas i en motsvarende innerdel 54. Ved en foretrukket utførelsesform av oppfinnelsen danner innerdelen 54 et integrerende parti av den indre dorenhet 18 som avgrenses mellom stemplene 32 og 34 og innbefatter den .gjennomgående fluidkanal 26. Videre er ytterdelen 52, i en foretrukket versjon, i form av en stort sett rørformet hylse som er festet til innerveggen 24 av rørhuset 16 mellom sylinderforingene 36 og 38. Ved en ytterligere versjon kan ytterdelen 52 være festet til en sylindrisk stålforing som i sin tur er fastgjort til innerveggen 24 av rørhuset 16.

Innerdelen og ytterdelen av dreiemoment-demperenheten 50 har innbyrdes motsvarende overflateprofiler med sammenpassende skrueflater. Flatene dannes av en rekke myke kurver av stort sett sinusformet tverrsnitt. De flergjengete skrueflater kan innbefatte seks til tolv parallelt forløpende skruelinjer med en skruevinkel av 30 - 80°, fortrinnsvis ca. 60°, som vil sikre at skruelinjen alltid har en oppadrettet komponent. Hvis skruevinkelen er for liten vil det kreves en vertikal-kraft av ekstraordinær størrelse for å fremkalle den telesko-piske bevegelse. Hvis vinkelen er for stor vil glidebevegel-sen mellom komponentene bli ukontrollert. På grunn av inner-delens 54 og ytterdelens 52 sammenpassende skrueflater må én av delene være fremstilt av et elastomermateriale og den annen av metall for å muliggjøre en viss svikt. Ved en foretrukket versjon av oppfinnelsen er den ytre hylsedel 52 tilvirket av elastomer, mens den innvendige dorenhet 18 er fremstilt av metall, for opprettholdelse av dens integritet. Videre er det anordnet en glideklaring ved tilbaketrekkerdelene 52 og 54, for at smørevæsken i kammeret skal kunne ledes mellom skrue-flatene.

Innerkammeret som avgrenses av stemplene 32 og 34, deles av dreiemoment-demperenheten 50 i et øvre fluidkammer 56 og et nedre fluidkammer 58. Gjennom et antall fluidkanaler 60 kan det opprettes fluidforbindelse mellom det øvre og det nedre fluidkammer i tillegg til glideklaringen mellom innerdelen 54 og ytterdelen 52. I en foretrukket utførelsesform løper fluidpassasjene 60 parallelt med dreiemoment-demperenhetens skrueflate, og er dannet ved øking av dybden av kanalen mellom skruelinjene på den indre tilbaketrekkerdel 54. Som et alter-nativ eller for supplering av fluidoverføringen mellom det nedre og det øvre kammer, kan det være anordnet en fluidomled-ingspassasje gjennom innerdelen 54. Når den innvendige dor-anordning 18 beveges i rørhuset 16, vil smørevæsken følgelig overføres mellom det øvre kammer 56 og det nedre kammer 58, for hydraulisk demping av dorenhetens 18 bevegelse.

For å begrense bevegelsen av den innvendige dorenheten 18 i mantelen 16, er det anordnet et øvre anslag 62 og et nedre anslag 64 hvorimot det respektive stempel bringes selektivt i anlegg, slik at fortsatt bevegelse stoppes. Det kan i tillegg anvendes en hjelpetrykkfjær 66 som vil utøve en ekstra, nedad-rettet kraft mot den innvendige dorenhet 18 og derved forhindre teleskopisk bevegelse. Fjæren 66 kan benyttes for å forhindre bevegelse under hele slaglengden til dorenheten 18 i rørhuset 16, eller bare for begrensning av bevegelsen.

Anordningen 10 ifølge oppfinnelsen tjener for absorbering eller isolering av vridningskreftene i forbindelse med boringen fra aksialkreftene i forbindelse med boringen. Aksialkreftene oppstår eksempelvis ved at borkronen 14 slår mot bunnen av hullet, mens vridningskreftene kan skyldes usyn-kronisert rotasjon av borkronen og borestrengen. Fluidtrykk-forskjellene i borestrengen 12 og apparatet 10 vil, foruten å dempe eller motvirke krefter mot borkronen, også bestemme belastningen på borkronen 14, som er bestemmende for bore-kraften. Det statiske trykk Pl over det øvre stempel 32 og den øvre ende av dorenheten 18 er proporsjonal med kvadratet av fluidstrømmen som er direkte proporsjonal med borefluidets spesifikke vekt og vil økes av borefluidets viskositet. Da det statiske trykk i den øvre ende av hullet er en funksjon av trykkfallet ved borkronen, kan belastningen på borkronen lett bestemmes. Den tilnærmete trykkraft er en funksjon av inn-løpstrykket Pl i reguleringsdysen 28 minus trykkfallet Pl' gjennom reguleringsdysen 28 og trykkfallet P2 gjennom borkronen. Trykkfallet P3 i det ytre ringkammer virker oppad mot det nedre stempel 34 og motvirker noe av fluidtrykket Pl i borestrengen 12.

Innen boringen startes vil en hydrostatiske kraft fra borefluidet typisk holde anordningen 10 helt utstrukket, med det nedre stempel 34 i anlegg mot det nedre anslag 64, som vist i figur 2. I denne stilling vil det nedre fluidkammer 58 inneholde en større andel av smørefluidet enn det øvre kammer 56. Idet borkronen 14 når formasjonen, vil den oppadrettete kraft fra boreverktøyet bevirke at den innvendige anordning 18 beveges i rørhuset 16 under motvirkning av fluidtrykket Pl, den dempende virkning av fluidet som fra det nedre kammer 58 tvinges gjennom passasjene 60 til det øvre kammer 56, og vekselvirkningen mellom de samvirkende skrueflater på ytterdelen 52 og innerdelen 54. Det er viktig at skrueflåtene på dreiemoment-demperenheten forløper i urviserretningen, slik at når borestrengen roterer vil apparatet 10 føre borkronen 14 tilbake mot hullbunnen. De i urviserretningen orienterte'skrueflater vil i dorenheten 18 fremkalle en oppadrettet reaksjon som umiddelbart kompenseres, for derved å sikre at borkronen 14 befinner seg i permanent kontakt med formasjonen, og eliminere den kraftøkningen som, ved å utløses, kan bevirke at borkronen støtes mot hullbunnen. Anordningen 10 ifølge oppfinnelsen muliggjør styrt overføring av en forutbestemt borekraft, ved å absorbere aksial- og vridningskreftene i tilknytning til boringen. Den forbedrete fremgangsmåte for styring av vekten på borkronen under samtidig absorbering av de tilknyttete krefter, vil forlenge levetiden for boreut-styret, og særlig for følsomme deler, såsom bullhunnsammen-stillingen, enheten for måling under boring eller selve borkronen.

Anordningen som er vist og beskrevet i det ovenstående, vil kunne endres og modifiseres innenfor rammen av de etter-følgende patentkrav.

Claims (13)

1. Anordning innrettet til å innkoples i en borestreng for styrt demping av aksial- og vridningskrefter som borestrengen utsettes for under boring, omfattende et rørformet hus (16) som ved sin øvre ende er forbundet med borestrengen (12) og i sin øvre og nedre ende er utformet med en aksial åpning (22) , en indre dorenhet (18) som i sin nedre ende er forbundet med en borkrone (14) og er utformet med en aksial fluidkanal (26) for styrt tilførsel av borefluid fra borestrengen til borkronen, og som er teleskopisk opptatt i rørhuset (16) slik at dorenhetens (18) nedre ende strekker seg gjennom rørhusets (16) aksiale åpning (22), samt en mellom huset (16) og dorenheten (18) anordnet dreiemoment-demperenhet (50) innbefattende to samvirkende skruedeler (52, 54), hvorav den ytre skruedel (52) danner rørhusets (16) innvendige overflate (24) og den indre skruedel (54) danner den utvendige overflate på den indre dorenheten (18),karakterisert vedpå dorenheten (18) henholdsvis over og under den indre skruedel (54) anordnete, øvre og nedre stempler (32, 34) som er innrettet for tettende anlegg mot den innvendige overflate (24) i rørhuset (16) og som mellom seg danner et lukket fluidkammer .

2. Anordning ifølge krav 1,karakterisertved at dreiemoment-demperenheten (50) deler fluidkammeret i et øvre fluidkammer (56) og et nedre fluidkammer (58).

3. Anordning ifølge krav 2,karakterisertved at dreiemoment-demperenheten (50) omfatter minst én fluidkanal (26) mellom de indre og ytre skruedeler (52, 54), for opprettelse av fluidforbindelse mellom det øvre og nedre fluidkammer.

4. Anordning ifølge krav 3,karakterisertved at de to samvirkende skruedeler (52, 54) omfatter samvirkende, flergjengete og stort sett sinusformete skrueflater .

5. Anordning ifølge krav 4,karakterisertved at dreiemoment-demperenheten (50) omfatter et antall fluidkanaler (60) som er utformet parallelt med skruedelenes (52, 54) skrueflater.

6. Anordning ifølge krav 4,karakterisertved at den ene av de to samvirkende skruedeler (52, 54) er laget av et elastomermateriale.

7. Anordning ifølge krav 2,karakterisertved at den ytre skruedel (52) omfatter en stort sett rør-formet konstruksjon som er forbundet med rørhusets (16) innvendige overflate.

8. Anordning ifølge krav 1,karakterisertved at rørhuset (16) omfatter en første sylinderforing (36) innrettet til å ligge tettende an mot det øvre stempel (32), og en andre sylinderforing (3 8) innrettet til å ligge tettende an mot det nedre stempel (34), idet sylinderforingene (36, 38) er montert på rørhusets (16) innvendige overflate.

9. Anordning ifølge krav 8,karakterisertved at rørhuset (16) omfatter øvre og nedre anslag (62, 64) innrettet til selektivt å komme til anlegg mot det øvre og nedre stempel (32, 34), for begrensning av dorenhetens (18) forskyvning i rørhuset (16) .

10. Anordning ifølge krav 1,karakterisertved at den videre omfatter en trykkreguleringsdyse (28) som er montert ved øvre ende av den aksiale fluidkanal (26) i dorenheten (18), og som regulerer borefluid-tilførselen til borkronen (14) og derved det fluidtrykk som det øvre stempel (32) utsettes for.

11. Anordning ifølge krav 10,karakterisertved at trykkreguleringsdysen (28) er utskiftbar for vari-ering av borefluid-tilførselen til borkronen og fluidtrykket mot det øvre stempel (32).

12. Anordning ifølge krav 10,karakterisertved at fluidkanalen i trykkreguleringsdysen (28) er vari-abelt innsnevret.

13. Anordning ifølge krav 10,karakterisertved at borkronen (14) er festet til enden av den indre dor, idet fluidkanalen (26) tilfører borefluid til borkronen (14).