NO302587B1 - Boreredskap for utvidelse av borehull - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår et boreredskap for å utvide et borehull

i dypereliggende formasjoner.

For å utvide diameteren av et borehull, f.eks. før et foringsrør skal settes ned eller for å installere et grusfilter i produksjonssonen i en oljeproduksjonsbrønn benyttes boreredskap av typen "underrømmer", dvs en ekspanderbar brotsj, i det følgende kalt rømmer eller underrømmer. Kjente slike rømmere omfatter vanligvis kuttehoder montert på utsvingbare armer eller svinglege-mer som av sentrifugalkraften presses ut til siden ved rotasjon og som ved aksial føring vil grave ut borehullet til større diameter.

Det er likeledes kjent, f.eks. fra det amerikanske patentskrift US-PS 1 954 166 å benytte en underrømmer som omfatter en lagerhylse som er montert eksentrisk på en dor og en rullende kutter som holdes i skråstilling av doren. Under bruk dreies doren rundt mens lagerhylsen og kutteren bearbeider motsatt liggende sider i borehullet slik at kutteren graver ut borehullets side.

En ulempe med disse kjente underrømmere er at det kun kan foretas en begrenset utvidelse av borehullet, og rømmerne kan også lett kiles fast i borehullet under driften og opptrekkingen.

I US 1 485 615 vises også et boreredskap i form av en rømmer for utvidelse av borehull, og dette redskap har leddorganer som et svinglegeme med innstøpte skjæretenner er festet til. Leddorganene er innrettet slik at svinglegemet ved rotasjon føres rundt i sirkulær bevegelse nede i borehullet og presser sine skjærtenner inn mot borehull veggen. Siden imidlertid denne rømmer ikke har leddorganer med mer enn en enkelt svingeakse medfører at rotasjonen av svinglegemet vil kunne skje mer eller mindre ukontrollert, siden den vil være avhengig av friksjonskreftene nede i borehullet.

Andre patentskrifter som belyser teknikkens stilling er US 3 472 553 som gjelder et "agiteringsverktøy", og US 4 299 296 som omfatter en brønnmotor for rotasjon av en borkrone.

På basis av den kjente teknikk, som særlig representeres av US 1 485 615 har man videreutviklet denne type boreredskap for å komme frem til en underrømmer som både kan utvide et borehull til en større diameter enn det som har vært vanlig tidligere, uten risiko for fastkiling av rømmeren selv, og slik at også bunn-foringer lett kan tas ut fra bunnen av et borehull uten skade.

Man har oppnådd dette med det boreredskap som har trekkene som fremgår av krav 1 i de patentkrav som er satt opp etter den beskrivelse som nå følger, og boreredskapet er særlig kjennetegnet ved at leddorganene omfatter et universalledd. Boreredskapet er som i enkelte av de kjente konstruksjoner en underrømmer som har et utsvingbart og roterbart tannforsynt svinglegeme med et konisk anslagshode og som under rotasjonen blir presset ut mot borehull-eller brønnveggen i planetarisk sirkelbevegelse. Derved utvides borehullet når boreredskapet eller underrømmeren trekkes oppover under bearbeidingen av borehullveggen.

Fortrinnsvis omfatter oppfinnelsens redskap en hydraulisk motor av Moineau-typen, opphengt i en borerørstreng gjennom hvilken borefluid tilføres. Opptrekkshastigheten av underrømmeren gjennom borehullet under arbeidsoperasjonen kan varieres i avhengighet av variasjoner i fluidtrykket av det tilførte fluid, siden det er en klar sammenheng mellom hullstørrelsen og det roterende svinglegemes kraftforbruk ved en gitt rotasjonshastighet.

Oppfinnelsen skal nå gjennomgås i detalj med støtte i de ledsagende illustrasjoner, hvor fig. 1 viser et oppriss av den nedre del av et boreredskap i samsvar med oppfinnelsen, fig. 2 viser i delvis snitt et tilsvarende oppriss av en annen underrømmer i samsvar med oppfinnelsen, og fig. 3 viser denne underrømmer med utsvingte stabiliserende styreåk.

Med henvisning til fig. 1 vises således en underrømmer som omfatter et svinglegeme 1 festet til og holdt oppe av et universalledd 2 i enden av en drivaksel 3 fra en hydraulisk drevet brønnmotor 24. Motoren omfatter et motorhus 4 som holdes sentralt på plass i borehullet ved hjelp av styrefinner 5. Motorhuset 4 er ved sin øverste ende festet til en borestreng (ikke vist) som bærer underrømmeren og gjennom hvilken drivfluid pumpes inn i motorhuset 4 og driver en rotor i motoren rundt slik at også drivakselen 3 og svinglegemet 1 dreies. Drivakselen 3, universalleddet 2 og svinglegemet 1 gir en aksial fluidpassasje (ikke vist) slik at drivfluidet kan føres ut fra motorhuset via denne passasje og ut gjennom en rekke fluiddyser 7 i den nedre del av svinglegemet slik at utstrømmende fluid kjøler ned underrømmerens skjærtenner 8, og hvor fluidet likeledes benyttes til å føre vekk utgravet materiale.

Etter at underrømmeren er senket ned i borehullet til den nedre del av dette, kalt pilothullet 9, dreies motorens drivaksel 3 rundt slik at svinglegemet 1 på grunn av sentrifugalkraften presses utover i en sirkulerende bevegelse og begynner bearbeiding av pilothullet 9. Utgravingen foregår ved at skjærtennene 8 trenger inn i pilothullets sidevegg 10. Tennene 8 er fordelt over omkretsen på en konisk del 11 på svinglegemet 1. Den koniske del 11 har ytterst et anslagshode 12 med hard overflate og er festet til en rørformet del 13 i den øvre del av svinglegemet 1. Denne rørformede del tjener til å sikre at svinglegemet 1 ikke beveger seg ut over en bestemt arbeidsvinkel a i forhold til pilothullets 9 sentrifugalakse I for å hindre at borehullet rømmes ut til en for stor diameter. Diameterutvidelsen kan overvåkes fra overflaten ved å måle trykket av drivfluidet som presses inn via et tilførselsrør til borestrengen som bærer boreredskapet. Siden det ved en gitt omdreiningshastighet av svinglegemet 1 er en klar sammenheng mellom trykket i tilførselsrøret og underrømmerens kraftforbruk, og siden det også er en nøye sammenheng mellom effektopptaket av svinglegemet og hulldiameteren kan det målte tilførselstrykk benyttes til regulering av den trekkhastighet som underrømmeren skal bevege seg oppover i borehullet med under utrømmingen.

Om ønskelig kan universal leddet 2 omfatte en fluidpassasje som begrenser fluidmengden som føres inn i svinglegemet 1, i avhengighet av arbeidsvinkelen a. Hvis dette er tilfelle kan endringene i tilførselstrykk som følge av den varierende fluid-strømbegrensning i universalleddet benyttes som en parameter for styring av trekkhastigheten av underrømmeren oppover i borehullet under utvidelsesoperasjonen. Alternativt kan universalleddet 2 ha en gjennomløpsventil (ikke vist) med en fluidpassasje som bestemmes av arbeidsvinkelen a.

Det vil være klart at borerørstrengen og motorhuset 4 under rømmingen kan dreies eller stå stille, og at hele sammenstil-lingen holdes ikke dreiende under nedsenkningen i eller opptaket fra pilothullet 9 slik at svinglegemet da ikke svinger ut til siden, men holdes vertikalt.

Det kan her være på plass å forklare ytterligere hvordan boreredskapet arbeider, og det kan være praktisk å skille oppstartingsfasen fra redskapets normale arbeidsfase etter oppstartingen. Det som skjer i den normale arbeidsfase er at svinglegemet ruller langs bore- eller pilothullets 9 sidevegg, siden det kan dreies med to svingefrihetsgrader i universalleddet 2 samtidig med rotasjonen. Sentrifugalkraften som virker på svinglegemets nedre, koniske del 11 gir den nødvendige bearbeiding av borehullveggen ved hjelp av tennene 8. Den normale arbeidsfase er altså en stabil driftsfase som kan opprettholdes så lenge drivakselen roterer, nettopp fordi leddorganene 2 omfatter et universalledd og ikke et enkelt svingeledd som i den tidligere kjente teknikk.

Oppstartingsfasen kan imidlertid være noe mer problematisk å forstå, og for å tydeliggjøre den kan man dele den opp i to tilfeller, nemlig tilfellet hvor svinglegemet 1 i sin stasjonære utgangsstilling har anlegg mot borehullets sidevegg 10, eller tilfellet hvor svinglegemet i utgangsstillingen henger rett ned, sentralt i borehullet og uten å berøre dets sidevegg.

Det første tilfelle vil være aktuelt når borehullet ikke er eksakt vertikalt og når det er trangt. Når drivakselen i et slikt tilfelle starter sin rotasjon vil svinglegemet begynne å rulle langs borehullveggen og får en planetarisk bevegelse som vil gå i motsatt retning av akselens rotasjon. Dette vil gjelde opp til en viss rotasjonshastighet av akselen, hvor sentrifugalkraften som virker på svinglegemet, særlig på dettes nedre koniske del 11, blir stor nok til at denne del kommer til å rulle over hele den indre omkrets av borehullet.

I det andre tilfelle vil svinglegemet starte en oscillerende bevegelse, siden det aldri vil være helt i perfekt balanse og rotere uten å få tendens til å føres til siden. Antas først at svinglegemet starter sin planetariske bevegelse i samme retning som drivakselen, vil sentrifugalkraften forårsake at det etter hvert kommer i berøring med borehullveggen med tennene 8, og da dempes denne bevegelse ved friksjonen mot borehullveggen, inntil sentrifugalkraften blir for liten til å opprettholde kontakten mellom skjærtennene og sideveggen 10.

Når den planetariske bevegelse reduseres vil imidlertid svinglegemet øke sin rotasjonsbevegelse om egen dreieakse, ved den fortsatte og økende rotasjon av drivakselen, og denne rotasjon vil via den oscillerende bevegelse føre til at svinglegemet periodisk kommer til å slå inn mot borehullets sider og påvirkes av en støtkraft i motsatt retning av drivakselens rotasj onsretning. For hvert støt blir det derved overført en planetarisk bevegelses- komponent i motsatt retning av drivakselens rotasjon, og når den planetariske bevegelse først er startet opp vil den opprettholdes av seg selv, på samme måte som forklart ovenfor for den normale driftsfase.

Denne virkemåte er betinget av at forbindelsen mellom drivakselen 3 og den rørformede del øverst på svinglegemet 1 tillater fri vinkelbevegelse i minst to retninger og over en romvinkel på to ganger arbeidsvinkelen a. Et universalledd slik som angitt for oppfinnelsens boreredskap vil tilfredsstille dette.

På fig. 2 og 3 er vist den nedre del av en underrømmer som har nedhengende styreåk 20 i form av blader som kan føres ut slik at underrømmeren sentreres i borehull med forskjellig bredde. En innretning av denne type tillater også arbeide i flere trinn slik at et borehull gradvis utvides til sin endelige diameter.

På fig. 2 vises underrømmeren nedsenket i et borehull med liten diameter og hvis pilothull er angitt med henvisningstal-let 21, og styreåkene 20 er da ført helt mot hverandre, mens fig. 3 viser samme innretning nedsenket i et utvidet borehull med sitt pilothull 22, og styreåkene 20 er her ført ganske mye ut for å ligge an mot brønnveggen.

Både fra fig. 2 og fremgår at underrømmeren omfatter en motor 24 med et motorhus 23 til hvis nedre del styreåkene 20 er festet. Motoren 24 omfatter en hul drivaksel 25 til hvis nedre ende underrømmerens svinglegeme 26 er festet ved hjelp av et universalledd 27. Motoren er en hydraulisk motor så som en Moineau-motor og drives av et drivfluid som presses inn i den via en borerørstreng (ikke vist) som er tilkoplet motorhusets 23 øverste del. Drivfluidet føres ut (se pilene II) fra motorhuset 23 til den hule drivaksel 25 via åpninger 28 nær akselens øvre ende. Drivfluidet føres så gjennom det indre av drivakselen 25, universalleddet 27 og svinglegemet 26 ut til en rekke fluiddyser 29 som ligger fordelt over omkretsen på den koniske del 30 i svinglegemets egentlige skjærehode. I den nedre ende av motorhuset kan et sylindrisk rørformet stempel 31 gli i et omsluttende sylinderkammer 32 som står i fluidforbindelse med det indre 34 av motorhuset 23 via en aksial fluidkanal 33. På denne måte bevirker fluidtrykket i motorhuset en nedoverrettet kraft mot stempelet 31, og nederst har stempelet en jevnt avrundet glidekant 36 innrettet for å overføre den nedoverrettede kraft til en sidekraft som presser de nedhengende styreåk 20 utover ved at disse pa innsiden og i sitt nedre parti 37 har en tilsvarende buet fasong.

Stempelet 31 kan tvinges tilbake til tilbaketrukket stilling av fjærorganer (ikke vist) dersom intet drivfluid pumpes gjennom motoren, og dette muliggjør aksial bevegelse av underrøm-meren i borehullet når den føres inn og trekkes opp mens styreåkene holdes i inntrukket stilling.

Svinglegemet 26 i underrømmeren vist på fig. 2 og 3 har en sylindrisk del 39 med hard overflate og anordnet like over den koniske del 3 0 med skjærtennene 40. Den sylindriske del 39 tjener til å begrense hulldiameterens utvidelse for hver arbeidsoperasjon. Den endelige borehulldiameter begrenses av den glatte og harde overflate av anslagshodet 41 i den nedre ende av svinglegemets 2 6 skjærehode.

Oppfinnelsens underrømmer som her er vist kan benyttes for en hvilken som helst borehullutvidelse, for eksempel for å kunne føre inn en foringsrør eller et grusfilter. Den er videre også særlig anvendbar for å kunne fjerne belegg og avleiringer i i alle fall delvis tilstoppede bunnfåringer, idet underrømmerens glatte anslagshode hindrer at selve bunnfåringen skades. Således kan oppfinnelsens underrømmer benyttes til avskraping og rensing av bunnfåringer med varierende grad av avleiringer.

Under arbeidet med oppfinnelsens underrømmer vil det ikke forefinnes noen risiko for at brønnmotoren skal kjøre seg fast når svinglegemet drives rundt, siden skjærevirkningen blir mindre dersom dreiehastigheten avtar. Under rotasjonen oppstår en sentrifugalkraft som tvinger tennene radialt ut til bearbeiding av borehullets vegg, og samtidig får skjærtennene en tangentialhastighet i forhold til veggen, slik at en utskraping eller utgraving av materiale fra denne finner sted. Siden side-kreftene og tangentialhastigheten i forhold til borehullveggen kan variere over lengden av svinglegemet vil orienteringen og fordelingen av tenner også med fordel være anordnet forskjellig langs lengden. Dersom det er ønsket at tennene ikke skal ha noen tangentialhastighet i forhold til borehullveggen under underrømmerens utgravingsoperasjon kan den koniske del være utformet slik at toppen av den matematiske kjegle som omslutter den koniske del kommer til å befinne seg i utsvingssentrum i universalleddet. Alternativt kan tennene være anordnet i en sfærisk del av svinglegemet, og det kan da være ønskelig at en del av svinglegemets kuleflate ligger tangentialt til•en matematisk kjegle som også har sin topp i svingsentrum i universalleddet. I det siste tilfelle vil i det minste enkelte av skjærtennene ikke få noen tangentialbevegelse i forhold til borehullets vegg under driften.

Skjærtennene kan være utført av forskjellig slitasje-bestandig materiale, såsom diamant, wolframkarbid eller en sin-tret masse av diamantpulver eller bornitritt som så er bundet til et substrat av wolframkarbid. Tennene kan videre ha triangulær form, være utført som skiver eller ha en annen gunstig fasong.

Leddorganene har ifølge oppfinnelsen to svingeakser, men universalleddet kan erstattes av en fleksibel rørseksjon.

Claims (8)

1. Boreredskap for utvidelse av borehull, omfattende en brønnmotor (24) med en rotordel som kan dreies i forhold til en statordel og har leddorganer (2, 27) til hvilke et svinglegeme (1, 26) med innstøpte skjærtenner (8, 40) er festet, og at leddorganene (2, 27) er innrettet slik at svinglegemet (1, 26) ved rotasjon føres rundt i sirkulær bevegelse nede i et borehull (9, 21) og derved presser skjærtennene (8, 40) inn mot borehullets omsluttende sidevegg (10), KARAKTERISERT VED at leddorganene (2, 27) omfatter et universalledd.

2. Redskap ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at motoren (24) er hydraulisk drevet og omfatter et motorhus (4, 32) som danner motorens statordel, innrettet for å festes nederst på en borestreng gjennom hvilken et drivfluid kan presses inn i motoren, og at motorens rotordel omfatter en rotor og en drivaksel (3, 25) som strekker seg nedover og i sin nedre ende er forbundet med leddorganene (2, 27) som svinglegemet (1, 26) er svingbart festet til.

3. Redskap ifølge krav 2, KARAKTERISERT VED at motoren er av Moineau-typen.

4. Redskap ifølge krav 2, KARAKTERISERT VED at svinglegemet (1, 26) omfatter en rørformet del (13) som via leddorganene (2, 27) er forbundet med drivakselen (3, 25), og en konisk del (11, 30) som skjærtennene (8, 40) er festet til, idet den koniske del (11, 30) har økende ytterdiameter i retningen fra leddorganene (2, 27), og at svinglegemet (1, 26) videre omfatter et anslagshode (12, 41) i sin nedre ende og nedenfor den koniske del (11, 30).

5. Redskap ifølge krav 4, KARAKTERISERT VED at drivakselen (3, 25) og svinglegemet (1, 26) omfatter en fluidpassasje gjennom hvilken drivfluid kan strømme ut fra motorhuset (4, 23) til og gjennom en rekke fluiddyser (7, 29) i den koniske del (11, 30).

6. Redskap ifølge krav 2, KARAKTERISERT VED at motorhuset (4, 23) omfatter utsvingbare, stabiliserende styreåk (20) for sentrering i borehullet (9, 21), og hvis utsving kan innstilles for å passe til ulike borehulldiametre.

7. Redskap ifølge krav 6, KARAKTERISERT VED at styreåkene (20) omfatter flere blader som er svingbart festet til motorhuset (23) nær dettes nedre ende, og at hvert åk (20) har et nedre parti hvis tykkelse øker i retning nedover og som samvirker med et sylindrisk rørformet stempel (31) som kan presses nedover og ut av motorhuset (23) av drivfluidets fluidtrykk og på denne måte presse styreåkene (20) utover til utsvingt stilling.

8. Redskap ifølge krav 4, KARAKTERISERT VED at fluidpas-sasjen i drivakselen og svinglegemet (1, 26) omfatter strømningsbe-grensende organer som begrenser fluidstrømmen i passasjen i avhengighet av den arbeidsvinkel (a) som svinglegemet (1, 26)inntar i forhold til drivakselen (3, 25).