NO315810B1 - Verktöy for forbikopling av fluider - Google Patents

Description

Denne søknaden baserer seg på prioritet fra amerikansk provisorisk patent-søknad med løpenummer 60/096.441, innsendt 13. august 1998.

Bakgrunn for oppfinnelsen

Oppfinnelsens fagområde - den primære bruken av denne oppfinnelsen er i området utstyr brukt sammen med nedihulls borekronemotorer ved boring av olje- og gassbrønner.

Bakgrunnsinformasjon - ved mange bruksområder, bores en olje- eller gass-brønn med en fluiddrevet motor, en såkalt borekronemotor, som senkes ned i brønn-boringen ettersom boringen skrider frem. Borekronemotoren er fastgjort til den nedre enden av borerøret. Borefluid eller slam pumpes ned gjennom borerøret ved hjelp av pumper plassert ved jordoverflaten, ved borestedet. Borefluidet som pumpes nedihulls gjennom borerøret passerer gjennom borekronemotoren og dreier en rotor inne i borekronemotoren. For en gitt borekronemotor, finnes det en optimal slammasse-strøm, og minimum og maksimum tillatte slamstrømningshastigheter. Rotoren dreier en drivaksel som dreier borekronen, for å bore gjennom nedihullsfonmasjonene. Tilsvarende kan et freseverktøy tilknyttes borekronemotoren i stedet for en borekrone,

for å frese vekk metallgjenstander som kan forekomme nedihulls. Etter at den passerer borekronemotoren, passerer borefluidet eller minst en del av det, typisk gjennom borekronen eller freseverktøyet. Etter at det har gått ut av borekronen eller freseverk-tøyet, passerer borefluidet tilbake opp i brønnboringen, i ringrommet rundt borestrengen.

Ettersom borekronen dreies og borer gjennom formasjonen, kverner, river eller graves eller deler ut av formasjonen. Disse delene av formasjonen, kalt borekaks,

kan variere i størrelse i fra pulveraktige partikler til store biter avhengig av typen av formasjon, typen borekrone, belastning på borekronen og hastigheten av rotasjonen av borekronen. Tilsvarende, ettersom et freseverktøy dreies, fjernes metall borekaks fra metallgjenstanden som freses vekk eller freses gjennom. Ettersom borefluidet går ut av borekronen eller freseverktøyet, trekker det med seg borekaksen for å bringe borekaksen tilbake opp langs ringrommet til brønnboringen og så til overflaten av borestedet. Ved overflaten fjernes borekaksen fra borefluidet som så kan resirkuleres nedihulls.

Avhengig av typen formasjon, boredybden og mange andre faktorer, er borefluidet som blir brukt en hvilken som helst tid konstruert for å tilfredsstille forskjellige krav i forhold til brønnboringsoperasjonen. Et av de primære kravene som borefluidet må tilfredsstille er å holde borekaksen i suspensjon og å bringe dem til overflaten av borestedet for fjerning. Hvis borekaksen ikke fjernes tilstrekkelig fra brønnboringen, kan borekronen eller freseverktøyet tilstoppes og begrense virkningsgraden. Tilsvarende, kan brønnboringsringrommet tilstoppes og hindre videre sirkulasjon av borefluid, eller til og med forårsake at borerøret setter seg fast. Følgelig, må borekaksen strømme med borefluidet oppover i hullet til overflaten. Forskjellige egenskaper for borefluidet velges slik at fjerning av borekaksen sikres. De to hovedegenskapene som velges for å sikre borekaksfjerning er borefluidviskositet og strømningshastighet.

Tilstrekkelig viskositet kan sikres ved skikkelig sammensetning av borefluidet. Tilstrekkelig strømningshastighet sikres ved å drive pumpene ved en tilstrekkelig høy hastighet for å sirkulere borefluidet gjennom brønnen ved den foreskrevne volumet-riske hastigheten og lineære hastigheten for å opprettholde borekaksen i suspensjon. I enkelte tilfeller, er slamstrømningshastighetén foreskrevet for å fjerne borekaks høy-ere enn den maksimale tillatte strømningshastigheten gjennom borekronemotoren. Dette kan være særlig riktig når borekronemotoren beveges i et forstørret borehull, der ringrommet er betydelig forstørret. Hvis den maksimale tillatte strømningshastig-heten for borekronemotoren overgås, kan borekronemotoren ødelegges. På den an-nen side, hvis slamstrømningshastighetén faller under minimumsstrømningshastighe-ten for borekronemotoren, blir boringen lite effektiv, og motoren kan stoppe.

I tilfeller der det å holde borekaksen i suspensjon i borehullringrommet foreskriver at slamstrømningshastighetén er større enn den maksimale tillatte strøm-ningshastigheten gjennom motoren, må det finnes midler for å avlede en del av slam-strømmen fra boringen tii borestrengen og så til ringrommet ved et punkt i nærheten men rett over borekronemotorene. Dette vil forhindre at den maksimale slamstrøm-ningshastighetén for borekronemotoren overgås, mens det fremskaffes en tilstrekkelig strømningshastighet i ringrommet for å holde borekaksen i suspensjon.

Enkelte verktøy er kjent for dette og tilsvarende formål. Noen av de kjente verktøyene foreskriver at pumpingen av en ball nedihulls blokkerer en passasje i

slamstrømveien, vanligvis resulterer dette i et skifte av noe av strømningsstyringsan-ordningen nedihulls for å avlede borefluidet til ringrommet. Slike verktøy har vanligvis den ulempen at de ikke kan returnere full strømning gjennom borekronemotoren, hvis en redusert slamhastighet er mulig etterpå. Andre slike verktøy kan ta i bruk en bryt-bar skive, eller andre løsgjøringsmidler, der disse løsgjøringsmidlene har de samme

ulempene ved at de ikke er reversible. Minst ett kjent verktøy bruker en slampumpe-sirkulering for å bevege en hylse opp og ned gjennom en kontinuerlig J-slisse for å

nå en del av J-slissen som vil tillate økt langsgående bevegelse av hylsen, og som til slutt resulterer i at et forbikoplet utløp åpnes mot ringrommet. Dette verktøyet har den ulempen at operatoren må ha midler for å vite nøyaktig posisjonen til J-slissetappen, for å sette i gang forbikoplet strømning ved den riktige tiden. Igangsetting av økt strømning når forbikoplingen ikke har blitt etablert kan ødelegge borekronemotoren, mens drift ved lav strømning når forbikopling har blitt satt i gang vil føre til dårlig yt-else eller stopp.

Det er derfor et formål med den foreliggende oppfinnelsen å fremskaffe et verktøy som på en pålitelig måte vil forbikople en del av borefluidet til ringrommet når en forhåndsbestemt strømningshastighet overgås, og som vil lukke forbikoplingsvei-en når strømningshastigheten faller tilbake under et forhåndsdefinert nivå. Dette vil tillate at operatoren har fullstendig styring over forbikoplingsstrømmen under drift av borefluidpumpene på utvalgte nivåer.

Sammenfatning av oppfinnelsen

Verktøyet i henhold til den foreliggende oppfinnelsen omfatter et hus, som det er installert en sleidbar, hul stamme inne i. En forbikoplingsport eller -åpning er anbragt i huset, mellom husets innvendige boring og ringrommet rundt huset. En stam-meåpning er anbragt i stammen, mellom stammens innvendige boring og dens utvendige overflate. Den hule stammen presses mot en retning oppover i hullet av to fjærer som er stablet, den ene oppå den andre. Den øverste fjæren har en lavere fjærkonstant enn den nederste fjæren. En dyse er fastgjort i boringen i den hule stammen. Verktøyet er fastgjort til den nedre enden av borestrengen rett over borekronemotoren. Kompressibel eller ikke-kompressibel fluid pumpes ned borestrengen og strømmer gjennom verktøyet til borekronemotoren. Ettersom den passerer gjennom verktøyet, passerer fluidet gjennom dysen og gjennom den hule stammen, og så til borekronemotoren. Fluidet som brukes i den foreliggende oppfinnelsen kan en-ten være væske eller gass.

Når stammen er i sin oppoverrettede forholdsbelastede stilling, passerer ali fluidstrømmen gjennom stammen og til borekronemotoren. Ettersom strømningshas-tigheten til fluidet økes, øker kraften på dysen og beveger den hule stammen nedover i strømningsretningen, mot forspenningen fra de to fjærene. Etter at den øverste fjæren er sammenpresset, virker stammen mot den økte motstanden til den nedre fjæren. På denne tiden, begynner stammeporten å innrettes med forbikoplingsporten i huset, og tillate at en del av ftuidstrømmen å begynne og strømme inn i ringrommet og forbikople borekronemotoren. Ettersom strømningshastigheten øker ytterligere ved å øke pumpehastigheten, blir den nedre fjæren ytterligere sammenpresset av den nedoverrettede bevegelsen av stammen, og dette forårsaker at stammeporten tillater en større forbikoplingsstrøm gjennom forbikoplingsporten. Dette opprettholder strømningshastigheten gjennom borekronemotoren under det maksimale tillatte niv-ået. Hvis strømningshastigheten avtas, beveger stammen seg oppover, og reduserer mengden forbikoplingsstrøm og opprettholder borekronemotorens strømningshastig-het i sitt optimale område.

De nye egenskapene i denne oppfinnelsen, i tillegg til selve oppfinnelsen, vil forstås best fra de vedlagte tegningene, sett sammen med den følgende beskrivel-sen, der like henvisningsbokstaver viser til like deler, og der: fig. 1 er et langsgående tverrsnitt av forbikoplingsstussen i henhold til den foreliggende oppfinnelsen som viser verktøyet i sin ikke-forbikoplede konfigurasjon; og

fig. 2 er et langsgående tverrsnitt av forbikoplingsstussen i henhold til oppfinnelsen som viser verktøyet i sin fullt forbikoplede konfigurasjon.

Detaljert beskrivelse av oppfinnelsen

Som vist på fig. 1, omfatter forbikoplingsstussen 10 i henhold til oppfinnelsen

en toppstuss 12, som er gjenget til et øvre hus 14, som i sin tur er gjenget til et nedre hus 16. Den øvre delen av toppstuss 12 er tilpasset å bli fastgjort til den nedre delen av borestrengen (ikke vist) eksempelvis ved en gjengeforbindelse. Den nedre enden av det nedre huset 16 er tilpasset for å bli fastgjort til den øvre enden av et borekro-nemotorhus (ikke vist), eksempelvis ved hjelp av gjengeforbindelse. Fluid som passerer gjennom forbikoplingsstuss 10 passerer gjennom en dyse 18 som er plassert i toppstussens 12 innvendige boring. Dysen 18 er fastgjort inne i den hule stammens 20 innvendige boring, og holdes på plass av en dyseholdering 52. Den hule stammen 20 er i sin tur sleidbart montert for frem-, tilbake- og langsgående bevegelse inne i toppstussens 12 innvendige boring og det øvre husets 14 innvendige boring.

Den utvendige overflaten til den nedre delen av toppstussen 12 er tettet mot en innvendig boring til den øvre delen av det øvre huset 14 ved hjelp av en O-ring

40. Tilsvarende, er den utvendige flaten til den nedre delen av det øvre huset 14 tettet mot den innvendige boringen til den øvre delen av det nedre huset 16 ved hjelp

av en O-ringstetning 44. Videre, er den utvendige overflaten til den øvre delen av den hule stammen 20 tettet mot den innvendige boringen til den nedre delen av toppstuss 12 ved hjelp av en O-ringstetning 38. Enda videre, er den utvendige overflaten til den nedre delen av den hule stammen 20 tettet mot den innvendige boringen til det øvre huset 14 ved hjelp av en O-rings tetning 42.

Minst én forbikoplingsport 46 er anbragt i det øvre huset 14, fra den innvendige boringen til dens utvendige overflate. Minst én stammeport 50 er anbragt gjennom veggen til den hule stamme 20. En flerelementshøytrykkstetning 48 er anbragt rundt den hule stammens 20 periferi og inne i den innvendige boringen til det øvre huset 14, mellom de langsgående plasseringene til forbikoplingsporten 46 og stammeporten 50, når stammen 20 er i sin langsgående posisjon vist på fig. 1. Høytrykks-tetningen 48 hindrer for tidlig lekkasje fra stammeporten 46 til forbikoplingsporten 50 langs den utvendige overflaten til stammen 20.

En rørformet fjærhylse 22 er sleidbart passert i den innvendige boringen til det øvre huset 14 under stammen 20. Fjærhylsen 22 omfatter den øvre enden av en liten fjær 24, som den nedre enden av den hule stammen 20 støter mot. En hovedfjær 26 er plassert under den lille fjæren 24, inne i den innvendige boringen til det øvre huset 14 og den innvendige boringen til det nedre huset 16. Fjærkonstanten til den lille fjæren 24 er mindre enn fjærkonstanten til hovedfjæren 26. Dette sikrer at den lille fjæren 24 vil presses sammen før sammenpressing av hovedfjæren 26 starter. Fjærhyls-ens 22 lengde er mindre enn lengden til den lille fjæren 24, når stammen 20 er i sin øverste stilling som vist.

Fjærkonstantene til den lille og hovedfjæren 24, 26, og lengden til fjærhylsen 22 er konstruert for å sikre at den lille fjæren 24 vil sammenpresses inntil fjærhylsen

22 etablerer en sammentrykningsforbindelse mellom stammen 20 og hovedfjæren 26. Under denne sammenpressingen av den lille fjæren 24, beveges stammeporten 50 nedover mot forbikoplingsport 46. Deretter, når den nedre kanten til stammeporten 50 har nådd den øvre kanten til forbikoplingsporten 46, regulerer sammenpressingen av hovedfjæren den relative posisjonen til portene 46, 50 og derved regulerer mengden forbikoplingsstrøm av fluid til ringrommet som omgir det øvre huset 14. En langsgående innrettingsutsparing 34 er anbragt i den utvendige overflaten til stammen 20, og en skrue eller en innrettingstapp 36 stikker utfra det øvre huset 14 og inn i innrettingsutsparingen 34, for å opprettholde en langsgående innretting til stammeporten 50 med sine respektive forbikoplingsporter 46.

En øvre avstandsring 28 er plassert mellom den nedre enden av stammen 20

og de øvre endene av fjærhylse 22 og den lille fjæren 24. En mellomavstandsring 30

er plassert mellom den nedre enden av den lille fjæren 24 og den øvre enden av hovedfjæren 26. En eller flere nedre avstandsringer 32 er plassert mellom den nedre enden av hovedfjæren 26 og en tilstøtende skulder i det nedre huset 16. Tykkelsen til avstandsringene 28, 30, 32 opprettholder den ønskede forhåndsbelastningen til den lille og hovedfjæren 24,26. Disse ringene kan byttes ut for å styre den ønskede mengden forbikoplingsstrøm for forskjellige totale strømningshastigheter, og derved fremskaffe optimal fluidstrømning gjennom borekronemotoren for alle forventede strømningshastigheter for et gitt bruksområde.

Fig. 1 viser stammen 20 i sin øverste stilling, der ingen forbikoplingsstrøm er fremskaffet. Fig. 2 viser stammen ved eller i nærheten av sin nederste stilling, der maksimum forbikopling er fremskaffet. Man kan se at pumpehastigheten har økt for å øke den totale fluidstrømningshastigheten. Dette har økt motstanden i dysen 18, som har presset stammen 20 for å sammenpresse den lille fjæren 24 inntil fjærhylsen 22 kommer i kontakt med den øvre enden av hovedfjæren 26. Deretter vil ytterligere øk-ning av strømmen presse sammen hovedfjæren 26 inntil stammeport 50 er nesten helt innrettet med forbikoplingsporten 46.1 den mest nedoverrettede stillingen, vil ytterligere nedoverrettet bevegelse av stammen 20 ikke resultere i økt forbikoplings-strøm. Med skikkelig utvelgelse av dysen 18, fjærer 24, 26 og avstandsringene 28,

30, 32, vil denne maksimale forbikoplingsstrømningshastigheten være tilstrekkelig for å holde borekaksen i suspensjon.

Man kan se at hvis den totale strømningshastigheten avtar, vil hovedfjæren 26 dytte stammen 20 oppover, og delvis lukke forbikoplingsporten 46, og derved opprettholde den optimale mengden fluid gjennom borekronemotoren. Mens denne best-emte oppfinnelsen som er vist hittil og som er vedlagt i detalj er helt i stand til å opprettholde formålet og å fremskaffe fordelene som hevdes, skal man forstå at denne utførelsesformen er kun ment for illustrerende formål av den foreliggende foretrukne utførelsesformen av oppfinnelsen.

Claims (13)

1. Fluidforbikoplingsverktøy, karakterisert vedat det omfatter: et verktøylegeme, en øvre ende av verktøylegemet som er forbindbar til en ar-beidsstreng, en nedre ende av verktøylegemet som er forbindbar med en nedihulls-motor; et strømningsstyringselement inne i verktøylegemet, der strømningsstyrings-elementet er bevegelig mellom en øvre stilling og en nedre stilling; en fluidstrømningsbegrensning inne i det strømningsstyrende elementet; en fluid passasje fra den øvre enden av verktøylegemet gjennom fluidstrøm-ningsbegrensningen og strømningsstyringselementet, til den nedre enden av verk-tøylegemet; en strømningsstyringsport gjennom en vegg i strømningsstyringselementet under fluidstrømningsbegrensningen; en forbikoplingsport gjennom en vegg i verktøylegemet; og en forspenningsmekansime inne i verktøylegemet, der forspenningsmekanismen forspenner strømningsstyringselementet mot den øvre posisjonen; hvori strømningsstyringsporten er over forbikoplingsporten når strømningsstyr-ingselementet er i den øvre posisjonen; hvori strømning av fluid gjennom fluidstrømningsbegrensningen genererer en nedoverrettet kraft på strømningsstyringselementet som er proporsjonal med hastigheten til fluidstrømningen; karakterisert vedat forandringer i den vertikale stillingen til strømningsstyringselementet styrer graden av innretting av strømningskontrollporten med forbikoplingsporten for å regulere hastigheten av fluidforbikoplingsstrøm, fra verktøylegemets fluidpassasje igjennom strømningsstyringsporten og forbikoplingsporten til det utvendige av verktøy-legemet.

2. Fluidforbikoplingsverktøy i henhold til krav 1, karakterisert vedat strømningsstyirngselementet omfatter en hul stamme.

3. Fluidforbikoplingsverktøy i henhold til krav 1, karakterisert vedat fluidstrømningsbegrensningen omfatter en dyse.

4. Fluidforbikoplingsverktøy i henhold til krav 1, karakterisert vedat forspenningsmekanismen omfatter en fjær.

5. Fluidforbikoplingsverktøy i henhold til krav 1, karakterisert vedat det omfatter: en hul stamme inne i verktøylegemet, der stammen er bevegelig mellom en øvre stilling og en nedre stilling; en dyse inne i stammen; en fluid passasje fra den øvre enden av verktøylegemet, gjennom dysen og stammen til den nedre enden av verktøylegemet; en stammeport gjennom en vegg av stammen under dysen; en forbikoplingsport gjennom en vegg i verktøylegemet; og en fjærmekanisme inne i verktøylegemet, der fjærmekanismen forspenner stammen mot den øvre stillingen; hvori stammeporten er over forbikoplingsporten når stammen er i den øvre stillingen; hvori strømning av fluid gjennom dysen genererer en strømningskraft på stammen som er proporsjonal med hastigheten av fluidstrømningen; og hvori forandringer av den vertikale stillingen av stammen styrer graden av innretting av stammeporten med forbikoplingsporten for å regulere hastigheten av fluid-forbikoplingsstrømmen fra verktøylegemets fluidpassasje gjennom stammeporten og forbikoplingsporten til det utvendige av verktøylegemet.

6. Fluidforbikoplingsverktøy i henhold til krav 5, karakterisert vedat dysen og fjærmekansimen er konfigurert for å styre flu-idforbikoplingsstrømmen for å opprettholde en valgt hastighet av fluidstrømmen ut av den nedre ende av verktøylegemet.

7. Fluidforbikoplingsverktøy i henhold til krav 5, karakterisert vedat dysen og fjærmekanismen er konfigurert for å styre mengden fluidforbikoplingsstrømning som respons på forandringer i fluidstrømnings-hastighet igjennom dysen.

8. Fluidforbikoplingsverktøy i henhold til krav 5, karakterisert vedat fjærmekanismen er plassert for å øve trykkraft ved nedoverflytning av stammen.

9. Fluidforbikoplingsverktøy i henhold til krav 5, karakterisert vedat fjærmekanismen omfatter to fjærer, der en første av fjærene har en første fjærkonstant og en andre av fjærene har en andre fjærkonstant, der den første fjærkonstanten er lavere enn den andre fjærkonstanten.

10. Fluidforbikoplingsverktøy i henhold til krav 9, karakterisert vedat fjærmekanismen videre omfatter et stivt legeme plassert for å begrense sammentrykningen av den første fjæren.

11. Fluidforbikoplingsverktøy i henhold til krav 10, karakterisert vedat det stive legemet omfatter en hylse som har en lengde som er lik den ønskede minste sammenpressede lengden av den første fjær.

12. Forbikoplingsverktøy i henhold til krav 9, karakterisert vedat den første fjærkonstanten velges for å starte fluidforbi-koplingsstrømmen ved en forhåndsbestemt hastighet av fluidstrømning gjennom dysen.

13. Fluidforbikoplingsverktøy i henhold til krav 9, karakterisert vedat den andre fjærkonstanten velges for å styre hastigheten av fluidforbikoplingsstrømmen som reaksjon på forandringer i fluidstrømningshast-ighet gjennom dysen for å opprettholde en valgt hastighet av fluidstrømning ut av nevnte ende av verktøylegemet.