NO313151B1 - Fremgangsmåte og anordning for boring med en fleksibel aksel - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse angår undersøkelse av jordformasjoner som omgiret borehull, under anvendelse av en fleksibel aksel for boring av perforeringer gjennom en borehullvegg og inn i jordformasjonen. Nærmere bestemt går denne oppfinnelse ut på å utsette borkronen for en kraft ved hjelp av andre midler enn gjennom den fleksible boreaksel, med sikte på å øke akselens levetid.

Bruk av en fleksibel aksel i forbindelse med boreoperasjoner har vært kjent

i mange år. En rekke boreanordninger har vært foreslått, der borkronen drives ved hjelp av en fleksibel aksel. Ett slikt system som kan anvendes ved olje- og gassproduksjon, er beskrevet i U.S. patent 4658916. Dette patent anvender en fleksibel boreaksel som betjenes hovedsakelig fra det vertikale borehull ved boring i formasjonen i en retning langs en generelt horisontal bane over en betydelig bo-restrekning sideveis bort fra borehullet, for derved å utvide formasjonskontaktom-rådet.

Hensikten med å bruke en fleksibel aksel er generelt å avhjelpe plass-

mangel på boreutstyret. En fleksibel boreaksel vil muliggjøre boring av et hull som er dypere enn det frie rom over hullet som skal bores. F.eks. i kullgruveindustrien blir tak-bolthull boret i kulleietaket til en dybde som kan være tre ganger høyden av selve kulleiet. I olje- og gassbrønner er det ofte nødvendig å bore hull vinkel-

rett på borehullveggen, som er dypere enn borehullets innvendige diameter. Det-

te gjelder også i forede brønner. For å bore slike hull under disse forhold, kreves et system der en fleksibel boreaksel mates rundt en sving inn i hullet etter hvert som boringen skrider frem. Det er viktig å bemerke at det tilgjengelige rom i disse forede brønner er meget mindre enn ved tidligere anvendelser av fleksibel boreaksel. I stedet for en høyde på 1 meter i kullgruver, vil innerdiameteren i forede brønner være 13 cm eller mindre. Boremekanismen, og den fleksible aksel må

være av meget mindre målestokk.

For anvendelse i forede brønner blir en fleksibel aksel, med beslag i begge ender, drevet i et rør med fast krumning. Beslagene brukes for å muliggjøre enkel tilkopling av akselen til en annen enhet, så som drivmotorakselen og borkronen.

For å lette boring må borkronen ikke bare utsettes for dreiemoment slik at den

roterer om sin midtakse (målt i "omdreininger pr. minutt" eller "r/min"), men den må også trykkes mot materialet som skal bores. Denne trykkraft betegnes som "vekt på borkrone" eller "VPB". I en boreanordning som bruker en fleksibel bore-

aksel blir begge disse krefter typisk påført borkronen gjennom fleksiakselen. En analyse av en fleksibel aksel under drift, ville vise en samlet kraftbalanse fra dreiemomenter, bøyemomenter og aksialkrefter, som alle ville virke til å deformere akselen.

Under boring av stål-foringsrøret har en funnet at akslene utsettes for store aksial-trykkrefter. Disse krefter har en tendens til å forårsake vridninger og forkorte akslenes effektive lengde. P.g.a. den høye spenning vil også akselens levetid bli forkortet. Det er ønskelig å ha en lang levetid for akselen, ikke bare p.g.a. sys-temets pålitelighet, men også for å øke det tillatte antall borehull før man må trek-ke mekanismen opp fra brønnen og erstatte den slitte aksel. Det er følgelig viktig å minimere, eller eliminere, spenningselementene i akselen.

Et annet problem man har støtt på ved slike systemer, er sløvingen av borkronen. Etter å ha perforert stål-foringsrøret, må den fleksible aksel fortsatt påføre dreiemoment og trykkraft, om enn ved lavere verdier, mens borkronen skjærer gjennom mange centimeter med sement. I mange tilfeller er det da ønskelig å fortsette boring i bergarten, som typisk er skifer, kalkstein eller sandstein. En vanlig bestanddel av mange av disse formasjoner er kvarts, et krystallinsk stoff som er meget hardere enn noen skjæreegg på typiske borkroner (bortsett fra dia-mantkroner, som ikke kan brukes da den ikke kan bore gjennom stål). Disse kvartspartikler sløver borkronen tilstrekkelig til at den krever høyere dreiemoment-og VPB-verdier for å kunne fortsette boringen.

Selv om disse økede verdier ikke utgjør noe problem i sementen eller bergarten (ettersom opprinnelig dreiemoment og trykkraft var meget lavt), gjør de det hvis man prøver å bore stål i etterfølgende perforeringer. Som tidligere nevnt vil den høye trykkraft som er nødvendig for effektiv boring av stål, i høy grad forkorte akselens levetid. Straks borkronen blir sløv, blir den nødvendige trykkraft enda større. En har funnet at etter boring av bare noen tommer inn i sandstein, er borkronen for sløv til å påbegynne en annen perforering under drift ved hjelp av en fleksibel aksel. Hvis man forsøker å opprette den nødvendige trykkraft, blir den fleksible aksel ofte ødelagt.

Dette problem kan minskes om den nødvendige trykkraft på borkronen tilfø-res den fleksible aksel like før den føres inn i det borede hull, isteden for ved enden av fleksiakselen slik det vanligvis skjer. En rekke trykkraft/dreiemoment- systemer er blitt utviklet og omtalt i litteraturen (G.K. Derby og J.E. Bevan, "Longer than Seam Height Development Program", U.S. Department of the Interior, Bu-reau of Mines, 1978, U.S. Department of Interior Library). Disse beskrevne systemer er imidlertid kompliserte og lider ofte av pålitelighetsproblemer.

Videre har en funnet at for denne spesielle boreanvendelse (gjennom me-tall-foringsrør, sement, og deretter formasjons-bergart), vil et system som påfører trykkraft på boret bare når det skjærer foringsrøret, være tilstrekkelig til å øke akselens levetid i vesentlig grad. Selv med en sløv borkrone, har en funnet at det høyere dreiemoment og den høyere trykkraft under boring av sement og bergart ikke i vesentlig grad minsker akselens levetid.

Det gjenstår således et behov for et system hvor høye krefter kan påføres en borkrone under boreoperasjoner, uten å skade den fleksible aksel.

Et formål med denne oppfinnelse er å øke levetiden til den fleksible boreaksel.

Et annet formål med oppfinnelsen er å minske spenningen i akselen under boring.

Et annet formål med oppfinnelsen er å benytte en annen innretning for på-føring av trykkraft på boret, enn å anvende trykkraften ved enden av den fleksible aksel.

Disse formål oppnås ifølge oppfinnelsen ved en boreanordning og fremgangsmåte som angitt i de etterfølgende patentkrav.

Foreliggende oppfinnelse virker til å forlenge levetiden til en fleksibel aksel som brukes til å bore i jordformasjoner ved å påføre en bore-trykkraft (VPB) på borkronen ved et punkt akkurat idet borkronen berører borehullveggen eller foringsrøret. Trykkraften tilføres borkronen ved hjelp av et hydraulisk stempelsys-tem. Borkronen og tilkoplet fleksibel aksel står i kontakt med et lager som fasthol-des i en brakett eller annen egnet innretning. Braketten står i kontakt med et stempel. Under boreoperasjonen beveger stempelet seg mot borehullveggen og skaper derved en trykkraft som overføres gjennom braketten til lageret og borkronen. Kraft fra stempelet påføres borkronen idet borkronen borer inn i stålet. Denne teknikk vil påføre kraft direkte på borkronen, i motsetning til kjente metoder som tilfører kraft på borkronen gjennom den fleksible aksel. Det skal bemerkes at dreiemomentet fremdeles påføres via den fleksible aksel.

Denne oppfinnelse er særlig konstruert for å øke aksel-levetid ved å minske toppspenningen. Denne topp skjer ved boring av stål-foringsrøret. Dette gjøres ved at det i stempelsystemet anordnes et stempelslag, slik at kraft fra stempelet påføres borkronen bare mens den borer gjennom stål-foringsrør. Etter å ha boret gjennom stål-foringsrøret, blir stempelet (med brakett og lager) trukket tilbake og trykkraften påføres borkronen via fleksiakselen for resten av boreoperasjonen.

Systemet ifølge foreliggende oppfinnelse er enkelt, robust, og kan bygges inn i verktøypakken med mindre diameter, som er i stand til å innføres i foringsrø-rets innerdiameter. Det utgjør en vesentlig forbedring i forhold til boring med fleksibel aksel, hvor både trykkraft og dreiemoment alltid påføres fra enden av fleksiakselen. Det overvinner også de praktiske vanskeligheter ved trykkraft/dreiemoment-systemer.

Oppfinnelsen skal i det følgende beskrives nærmere under henvisning til tegningen, hvor: Figur 1 er et skjematisk riss av en formasjonstesteanordning som brukes i et foret borehull-miljø, Figur 2 er et skjematisk enkeltstempel-diagram, i form av et lengdesnitt, av en anordning i samsvar med foreliggende oppfinnelse, som kan brukes til å utføre fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen, Figur 3 er et detaljriss av en enkeltstempel-utføringsform av foreliggende oppfinnelse,

Figur 4 er et detaljriss av lagerdelene ved foreliggende oppfinnelse,

Figur 5 er et flytdiagram av rekkefølgen ifølge foreliggende oppfinnelse, Figur 6 er et riss av dobbeltstempel-utføringsformen ifølge foreliggende oppfinnelse.

Foreliggende oppfinnelse er i Figur 1 vist i sammenheng med en brønnfor-masjonstester som perforerer et foret borehull, tar en formasjonsprøve og gjentet-ter borehull-foringsrøret. Denne borehulltester er beskrevet i en patentsøknad, US patentsøknad nr 08/603.306, som er innlevert samtidig med foreliggende oppfinnelse og beslektet med U.S. patent 5195588. Foreliggende oppfinnelse fokuse-rer på perforering av borehull-foringsrøret. Foreliggende oppfinnelse er beskrevet i sammenheng med boring gjennom foringsrøret i et borehull. I Fig. 2 er en

borkrone 1 forbundet med en fleksibel drivaksel 2. Denne borkrone har en lengde

som er noe større enn tykkelsen av foringsrøret som skal bores, og en diameter noe større enn diameteren til den fleksible drivaksel 2. Et aksiallager 3 er innpasset i en bæreramme 4. Dette aksiallager 3 kan påføre kraft på borkronen ved å skyve på borkrone-skulderen 1a som er utformet ved forbindelsen mellom borkronen og den fleksible drivaksel. Aksiallageret setter et stempel i stand til å påføre kraft på en roterende borkrone uten store friksjonstap. Bærerammen kan drives opp og ned langs en akse parallell med boreakselens akse ved hjelp av et stempel 5 som beveges ved påføring av hydraulikktrykk gjennom stempelhuset 6. Stempelkammer-lengden 6a må være noe større enn foringsrørets tykkelse, slik at kraft kan overføres til boret under hele operasjonen for boring gjennom hele foringsrøret. Den fleksible drivaksel beveger seg langs en føring som har geomet-rien 7. Føringen kan være to plater med et spor som dannes når platene er sam-mensatt. Denne føringsgeometri styrer den fleksible aksel fra en akse vinkelrett på det borede hull til en akse parallell med det borede hull. Føringen 7, sammen med andre trekk ved foreliggende oppfinnelse, finnes i et innerhus 8. Ved å drive boret via en fleksibel aksel kan et hull bores til en dybde som er større enn bore-anordningens diameter. Et translasjons-drivsystem som kan utsette den i Fig. 1 viste nødvendige fleksible drivaksel for både dreiemoment og trykkraft.

Som det fremgår av Fig. 3 er stempelets endeflate 5a inne i stempelhuset 6, mens stempelarmen 5b er festet til bærerammen 4 ved hjelp av en bolt 9. Bærerammen 4 er forskyvbart festet til stempelhuset, slik at rammen beveger seg med stempelets bevegelse. Lagrene 3 er innpasset i bærerammen 4. Lagrene ligger også an mot borkronen 1. Under boreoperasjonen er stempelkammeret 6a fylt av hydraulikkfluid. Etter hvert som kammeret fylles, trykker fluidet stempelet mot borkronen og borehullveggen. Etter hvert som stempelet beveger seg, øves det kraft på bærerammen som beveger seg i retning av stempelbevegelsen. Kraften som øves av stempelet etter hvert som det beveger seg fremover, transleres gjennom bærerammen til lagrene 3. Lagrene ligger an mot borkronen 1 og øver denne samme kraft på borkronen etter hvert som den borer gjennom foringsrøret. Når boringen gjennom foringsrøret avsluttes, opphører kraft fra stempelet og stempelet trekkes tilbake inn i verktøyet. For å fullføre boreoperasjonen, frem-bringer den fleksible aksel nå både det nødvendige dreiemoment og den nødven-dige trykkraft.

I Fig. 4 er vist et detaljriss av lagrene 3. Lagrene 3 har en indre flate 10, en ytre flate 11 og en kule 12. Den indre flate 10 ligger an mot borkronen. Borkronen har en større diameter enn diameteren til den fleksible aksel 2. Den indre flate 10 ligger an mot borkronen i rommet som skyldes forskjellen i diametrene til borkronen og den fleksible aksel. Den ytre flate 11 ligger an mot bærerammen 4. Kraften fra stempelet 5 transleres fra rammen 4 gjennom den ytre flate 11 og ku-len 12 til den indre flate 10 og borkronen 1.

En vanlig rekkefølge ved boring er først å bore gjennom stål-foringsrøret, deretter en sementmantel og til slutt inn i en formasjonsbergart. Rekkefølgen er vist i Fig. 5 og begynner med omdreining av boret, 40, ved normal skjære-rotasjonshastighet, via den fleksible drivaksel fra translasjons-drivsystemet. Deretter bringes det roterende bor til anlegg mot foringsrøret, 41, ved samtidig å bevege translasjons-drivsystemet nedover i hullet som vist i fig. 2, og stemplet radialt mot borehullet som vist i fig. 1 og 2. Etter at det er bragt til anlegg mot foringsrø-ret, blir den nødvendige trykkraft for å påbegynne hensiktsmessig skjæring påført borets bakside fra stempelet, 42. Ved å påføre trykkraft på denne måte, er det ikke nødvendig å påføre trykkraft på boret via den fleksible boreaksel. Det er imidlertid nødvendig å koordinere bevegelsen til translasjons-drivsystemet, slik at det beveger seg med samme hastighet som stempelet. På denne måte holdes den fleksible drivaksel i en nøytral tilstand, hverken strukket eller sammentrykket, etter hvert som boring gjennom foringsrøret skrider frem. Neste trinn i rekkefølgen er boring av sementmantelen og formasjonsbergarten, 43. For disse trinn kan både rotasjon og trykkraft tilføres ved hjelp av translasjons-drivsystemet. Påføring av trykkraft gjennom drivsystemet ved dette punkt er praktisk p.g.a. den lavere fasthet hos disse materialer, og derved de lave kombinerte torsjons- og sammen-trykkingslaster de påfører den fleksible drivaksel.

En annen utføringsform av foreliggende oppfinnelse, vist i Fig. 6, benytter doble stempler til å tilføre borkronen trykkraft under boreoperasjonen. Denne ut-føringsform av oppfinnelsen er funnet å passe bedre inn i de foreliggende geomet-riske begrensninger enn den foran beskrevne utføringsform. Stempelarmer 15 og 16 er beliggende på motsatte sider av borkronen 1. Stempelarmene og stempelets endeflate 5 beveger seg i et stempelhus 21. Inne i huset er det kamre 18 og 18a. Som ved den foregående utføringsform, er borkronen forbundet med den fleksible aksel 2. Lagrene med bestanddelene indre flate 10, ytre flate 11 og kule 12 overfører trykkraften fra stemplene via en bærebrakett 17 til borkronen. Som tidligere beskrevet, ligger lagerets indre flate 10 an mot borkronen. Det skal bemerkes at borkronens diameter ved anleggspunktet er mindre enn det andre parti av borkronen. Denne mindre diameter danner en anleggsflate for den indre flate 10. Den ytre flate 11 står i direkte kontakt med en bærebrakett 17. Disse braket-ter 17 står også i kontakt med stempelarmer 15 og 16. Dessuten står disse bra-ketter i forskyvbar kontakt med et bærehus 19.

Bevegelsen av stempelet styres ved tilførsel av hydraulikkraft for utskyvning eller tilbaketrekking av stemplene. Under boreoperasjonen, kommer hydraulikkfluid inn i (22) kamrene 18 og hydraulikksylindrene skyves ut. Fluidet trykker stemplene 5 mot borkronen. Etter hvert som stempelet påføres trykkraft, beveger stempelet seg mot borkronen slik at bærebrakettene 17 trykkes mot borkronen. Denne bevegelse hos bærebrakettene påfører trykkraft på borkronen under boreoperasjonen. Ved avslutning av påføringen av trykkraften på borkronen, trekkes stempelet tilbake ved å tilføre fluid gjennom sylinder-tilbakeføringen 23 inn i sylinderkamrene 18a. Denne teknikk trykker stempelet bort fra borkronen og trykker hydraulikkfluid i sylinderkamrene 18 gjennom sylinder-utskyvningen 22. Stempeltet-ninger 24 inneholder O-ringer som hindrer fluid i å føres mellom kamrene 18 og 18a.

Foreliggende oppfinnelse kan tilpasses til å påføre trykkraft på en borkrone på store dyp i en jordformasjon ved å variere lengden av stempelslaget eller stempelkammeret etter ønske. Fremgangsmåten og anordningen ifølge foreliggende oppfinnelse gir et vesentlig fortrinn i forhold til kjent teknikk. Oppfinnelsen er beskrevet i forbindelse med de foretrukkede utføringsformer.

Claims (12)

1. Boreanordning beregnet på å plasseres i et borehull som strekker seg gjennom en jordformasjon for boring gjennom et materiale fra borehullet, omfat-tende: a) en borkrone (1) som skal bringes i kontakt med materialet, b) en fleksibel aksel (2) som er forbundet med borkronen (1), c) en aktiveringsinnretning som er forbundet med den fleksible aksel (2) og roterer den fleksible aksel (2) og borkronen (1) under boreoperasjonen,karakterisert vedd) en trykkpåføringsinnretning (4; 17) for inngrep med og påføring av en trykkraft direkte på borkronen (1) for å øke borkronens skjæreeffektivitet gjennom materialet, hvilken trykkpåføringsinnretning (4; 17) omfatter: i) et stempel (5) for tilførsel av trykkraften til borkronen (1), ii) en med stempelet (5) forbundet brakett (4; 17) for overføring av trykkraften til borkronen (1), og iii) et lager (3) beliggende mellom og i anlegg mot borkronen (1) og braketten (4; 17).

2. Boreanordning ifølge krav 1,karakterisert vedat den er montert på en kabel som kan nedsenkes i et borehull.

3. Boreanordning ifølge krav 2,karakterisert vedat stempelet (5) omfatter en hoveddel (5a) og en stempelstang (5b), hvilken stempelstang (5b) er forbundet med braketten (4; 17) og hoveddelen (5a) er beliggende i et kammer (6a), idet stempel-hoveddelen (5a) står i forskyvbar kontakt med kammerveggene (6a).

4. Boreanordning ifølge krav 3,karakterisert vedat det ytterligere omfatter hydraulikkfluid for krafttilførsel til stempel-hoveddelen (5a).

5. Boreanordning ifølge krav 4,karakterisert vedat kammeret (6a) har en åpning som fluid blir opptatt og strømmer ut gjennom.

6. Boreanordning ifølge krav 3,karakterisert vedat to kamre (18, 18a) dannes ved stillingen til stempel-hoveddelen (5a) i kammeret.

7. Boreanordning ifølge krav 6,karakterisert vedat hvert kammer (18, 18a) har minst én åpning (22, 23) gjennom hvilken fluid blir opptatt i og strøm-mer ut fra kammeret.

8. Boreanordning ifølge krav 1,karakterisert vedat trykkpåførings-innretningen omfatter: - minst to stempler (5) for tilførsel av trykkraften til borkronen (1), - en med stemplene (5) forbundet brakett (17) for overføring av trykkraften til borkronen (1), og - lagre (10, 11, 12) beliggende mellom og i anlegg mot borkronen (1) og braketten (17).

9. Boreanordning ifølge krav 8,karakterisert vedat hvert stempel (5) omfatter en hoveddel og en stempelstang (15, 16), hver stempelstang er forbundet med braketten (17) og hver hoveddel er beliggende i et kammer i forskyvbar kontakt med kammerveggene.

10. Boreanordning ifølge krav 9,karakterisert vedat to kamre (18, 18a) dannes ved stillingen til stempel-hoveddelen i sitt respektive kammer.

11. Boreanordning ifølge krav 10,karakterisert vedat hvert kammer (18, 18a) har minst én åpning (22, 23) gjennom hvilken fluid blir opptatt i og strømmer ut fra kammeret.

12. Fremgangsmåte for boring gjennom et materiale under anvendelse av en boreanordning som omfatter en borkrone (1), en fleksibel boreaksel (2) og en innretning (5, 4; 17) for påføring av kraft på borkronen, hvilken innretning omfatter et stempel (5) for tilførsel av trykkraften til borkronen (1), en med stemplet (5) for bundet brakett (5; 17) for overføring av trykkraften til borkronen (1), og et lager (3) beliggende mellom og i anlegg mot borkronen (1) og braketten (4; 17),karakterisert vedat fremgangsmåten omfatter følgende trinn: a) omdreining av borkronen (1) med en rotasjonsinnretning via den fleksible boreaksel (2), b) anbringelse av borkronen (1) i kontakt med materialet som skal bores, c) påføring av den nødvendige trykkraft på borkronen (1) for å påbegynne skjæring av materialet, d) anbringelse av borkronen (1) i inngrep med innretningen (5, 4; 17) for påføring av trykkraft slik at trykkraften påføres direkte på borkronen (1).