NO317360B1 - Apparat nede i bronnen - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en strømningspulseringsinnretning nede i brønnen.

I olje- og gassutvinningsindustrien er det velkjent at bruken av slag eller hamring gjerne øker borehastigheten under boring gjennom hardt fjell. I slike boreoperasjoner pumpes borefluid eller "slam" fra overflaten gjennom en borestreng og videre ut fra dyser på borkronen. Strømmen av fluid fra dysene hjelper til å løsne og rense materiale fra kuttflaten og tjener til å bære det løsnede materiale gjennom det borede hull til overflaten. Det er blitt oppdaget at pulserende fluid fra dysene også kan øke borehastigheten.

Apparaturer som gjør bruk av et eller flere av disse prinsipper, er beskrevet i US patentskrift nr. 2 743 083 til Zublin, nr. 2 780 4438 til Bielstein og nr. 4 819 745,4 830 122, 4 979 577, 5 009 272 og 5 190 114, alle til Walter. En pulserende fluidstrøm oppnås ved å begrense strømningsområdet for borefluidet gjennom apparaturen, idet begrensningen skaper en trykk-kraft som gir slagvirkningen. Strømningsbegrensningen kan oppnås på forskjellige måter, herunder ventiler som dreier rundt strengens langsgående akse, ventiler som dreier rundt en tverrakse, aksialt frem og tilbakevirkende ventiler og spjeldventiler. Ventilelementene er drevet eller beveget frem og tilbake ved hjelp av turbiner av forskjellige typer som drives av borefluid, eller fluidtrykk-krefter som skapes av ventilens bevegelse i strømmen med borefluid.

Formålet med oppfinnelsen er å tilveiebringe en forbedret innretning for strøm-ningspulsering nede i brønnen.

Ifølge oppfinnelsen oppnås dette formål ved at strømningspulseirngsinnretningen nede i brønnen omfatter: et hus for plassering i en streng, idet huset danner en gjennomgående boring for fluidstrømning derigjennom, en ventil plassert i boringen som avgrenser en strømningspassasje og som omfatter et ventilelement som kan forflyttes for å variere strømningspassasjens areal, for ved bruk å variere fluidstrøm derigjennom; og en fluidaktivert direkte fortrengningsmotor med en rotor forbundet med ventilen for å dreie ventilelementet, og forbinde rotorens tverrbevegelse med ventilelementet.

Fordelaktige utførelsesformer er angitt i de uselvstendige krav.

Oppfinnelsen vil nå bli beskrevet ved hjelp av eksempel og under henvisning til tegningene, hvor: fig. 1 viser den nedre ende av en borestreng forsynt med en strøm-ningspulseringsinnretning, fig. 2 er et litt forstørret snitt av slagsubben på fig. 1, fig. 3 er et forstørret snitt av ventilen for slagsubben på fig. 2, fig. 4 er et planriss av ventilelementene i slagsubben på fig. 2, fig. 5 er et diagram som viser fluidstrømningsarealet gjennom ventilen for slagsubben på fig. 2 i forhold til ventilelementets dreievinkel, fig. 6 er et riss av sjokksubben i innretningen på fig. 1, fig. 7 er et riss av slagsubben ifølge en annen utførelse, fig. 8 er et riss av strømningspulseirngsinnretningen nede i brønnen ifølge oppfinnelsen, og fig. 9 er et forstørret riss av det nedre området på fig. 8.

Fig. 1 viser først den nedre ende av en borestreng og omfatter en borekrage 1 forbundet til en slagsubb 2 som i sin tur er forbundet til en sjokksubb 3 som er festet til en tilkoplingssubb 4 som i sin tur er forbundet til en borkrone 5. Alle tilkoplinger skjer ved hjelp av vanlige gjengeforbindelser. Strengen er vist plassert i en boring med borkronen 5 i kontakt med skjæreflaten.

Det henvises nå til fig. 2 og 3 på tegningene som viser aspekter ved slagsubben 2 mer detaljert. Subben 2 omfatter en øvre del 10 forbundet ved hjelp av en gjengeforbindelse 11 til et rørformet hovedlegeme 12. En strømningsinnsats 13 er låst inn i hovedlegemet 12 og strømningsdyser 14 er skrudd inn i strømningsinnsatsen 13. Den sporede strøm-ningsinnsatsen 13 er festet til motorstatoren 15 som har en frittdreiende rotor 16. Motoren er av den direkte fortrengningsstype og drives etter Moineau-prinsippet. Den øvre del 10, den sporede strømningsinnsatsen 13, strømningsdysene 14, motorstatoren 15 og hovedlegemet 12 tillater alle at borefluid føres gjennom subben 2. Ved bruk blir borefluid i høy hastighet ført inn i den øvre del 10. Strømmen blir så kanalisert gjennom strømningsinnsatsen 13 og strømningsdysene 14. En balansert strømningsrate oppnås mellom strømningsinnsatsen 13 og strømningsdysene 14, slik at borefluidet dreier rotoren 16 i en bestemt hastighet i forhold til borefluidets strømningsrate.

Den nedre ende av motorstatoren 15 bæres i en rørformet innsats 19 som har gjenget forbindelse i den nederste ende 21 og en fluidpassasje 20, slik at fluid kan strømme fra strømningsdysene 14 over motorstatoren 15 og inn i kammeret 22, avgrenset av innsatsen 19.

Rotoren 16 er forbundet nederst til en aksel 23 som i sin tur er forbundet til en rørformet senteraksel 24. Akselen 24 strekker seg inn i et mellomliggende ytre legeme 17 forbundet til hovedlegemet 12 ved hjelp av en gjengeforbindelse. Tilkoplingsakselen 23 er plassert i hver ende av et universalledd 25 og 26. Rotordreiemomentet blir således direkte overført gjennom forbindelsesakselen 23 og universalleddene 25 og 26 til senterakselen 24.

En første ventilplate 27 er festet til den nedre ende av senterakselen 24 via gjengeforbindelsen 28. Ventilplaten 27 danner en slisset åpning 29, som vist på fig. 4 på tegningene, som gir en fluid passasje for borefluidet mot den faste, andre ventilplate 30 som også danner en slisse 31, idet slissene 29, 31 således danner en åpen, aksial strøm-ningspassasje. Den faste ventilplate 30 er festet til et endelegeme 44 ved hjelp av gjengeforbindelsen 46.

Borefluid kanaliseres gjennom radiale slisser 32 i den øvre ende av senterakselen 24 inn i midten av akselen 24, mens akselen dreier seg. Fluid kan deretter vandre gjennom den første slisse 27, og da de to slisser 29 og 31 dreier seg inn og ut av tilpasning til hverandre, blir fluidstrømmen periodisk begrenset slik at det oppstår en rekke trykkimpulser som vist på fig. 5 på tegningene. Disse trykkimpulser brukes til å frembringe en slagvirkning langs aksen av utstyret til borkronen 5, som beskrevet nedenfor. Denne slagvirkning øker borkronens gjennomtrengningsrate i hardt fjell. Den forårsaker også svingninger i borefluidets strøm-ningsrate ved kronen, noe som også gir en mer effektiv måte å rense avskjær fra borkronen under boringen.

Radiallagere 33 i to posisjoner brukes for å plassere den dreiende senteraksel 24. Et avstandsstykke 34 er plassert mellom lagrene 33 for å holde dem fra hverandre. Skyvelagrene 35, 36 brukes for å bære og begrense akselens langsgående bevegelse. En oljekompenseringshylse 37, tetninger 38, 39 og oljefyllingsenheten 41 brukes for å holde tilbake en oljeforsyning ved et balansert trykk for å forsyne lagrene og tetningene med smøremiddel, låseringer 42 og 43 brukes for å holde begrenserinnretningene sammen.

Det mellomliggende ytre legeme 17 er forbundet til endelegemet 44 via gjengeforbindelsen ved 45 og mellomrommet mellom den faste ventilplate 30 og ventilplaten 27 holdes på et minimum ved hjelp av underlagsskiver 47.

Idet det henvises til fig. 6 på tegningene, som viser en sjokksubbanordning 3 i detalj, skal det bemerkes at det viste arrangement bare er et eksempel på en sjokksubb. Subben 3 omfatter et øvre legeme 50 som er forbundet til ventilendelegemet 44 via gjengeforbindelsen 52. Det øvre legeme 50 er gjenget til et nedre legeme 54 og sammen danner det øvre og nedre legeme 50 og 54 et hus 55 som kan skyves for å motta en spindel 56 som er kilt fast til det nedre legeme 54. Et hult stempel 58 er gjenget til den øvre ende av spindelen 56, slik at det oppstår en positiv trykkforskjell mellom borefluidet i subben og borefluidet i boreringrommet på utsiden av subben som forsøker å trekke spindelen 56 bort fra huset 55. En trykkfjær i form av en stabel med Belleville-skiver 60 er tilveiebrakt mellom spindelens 56 skulder og leppen på det øvre legeme 50. Fjæren holdes også mellom den gjengede ende og det nedre legeme 54 og det hule stempel 58, slik at skivestabelen blir en resistent fjærkraft i begge aksialretninger.

Den nedre ende av spindelen 56 er festet til den tilkoplede subb 4 og således forbundet til borkronen 5. Når borefluidet passerer gjennom slagsubben 2, dreier den første ventilplate 27, og ventilslissene 29 og 31 dreier inn i stilling. Ved dette tidspunkt økes fluidstrømningen mot sjokksubben 3 og driver det hule stempel 58 og spindelen 56 nedover mot borkronen 5 og frembringer den ønskede pulserende kraft for slagvirkningen. Samtidig er maksimal trykkforskjell mellom borefluidet tilgjengelig over borkronen, noe som sikrer en stor strøm av borefluid ved kronen samtidig som slagvirkningen finner sted.

Fig. 7 viser del av en alternativ utførelse hvor det brukes en større direkte fortrengningsmotor. I denne konfigurasjon passerer hele strømmen gjennom motoren og ikke noe av borefluidet avledes forbi kraftdelen med statoren 15a og rotoren 16a. Dette arrangement gir større kontroll av slagfrekvensen på grunn av at frekvensen vil bli direkte proporsjonal med borefluidets strømningsrate.

Det henvises nå til fig. 8 og 9 som viser strømningspulseringsinnretningen 70 ifølge oppfinnelsen. Som i den første beskrevne utførelse er innretningen 70 beregnet for plassering på den nedre ende av en borestreng over en borkrone. Som det vil bli beskrevet kan innretningen brukes i forbindelse med en sjokksubb eller annen innretning for å gi en slag-eller hammervirkning, eller innretningen kan bare brukes for å frembringe en pulserende fluidstrømning mot borkronen.

Innretningen 70 omfatter et langstrakt rørlegeme med øvre motordel 72 og en nedre ventildel 74. Motordelen 72 har en motor som drives etter Moineau-prinsippet med en elastomerisk stator 70 med to ovaliteter og en rotor 78 med en enkelt ovalitet. Ventildelen 74 rommer første og andre ventilelementer 80, 82 som hver danner en strømningsport 84, 86. Det første ventilelement 80 er direkte montert på den nedre ende av rotoren 78 via en portet forbindelse 88 som danner strømningspassasjer 90, som gir fluidforbindelse mellom ringrommet med variabel geometri mellom statoren 76 og rotoren 78 og strømningsporten 84. Det andre ventilelement 82 er montert på ventildellegemet 74 direkte under det første ventilelement 80, slik at de respektive strømningsporter 84, 86 sammenfaller. Når rotoren 78 dreier, svinger den fra side til side, og denne bevegelse overføres til ventilelementet 80 for å frembringe en sykhisvariasjon i strømningsområdet dannet av strømningsportene 84, 86, på samme måte som beskrevet ovenfor under henvisning til den første utførelse.

Den flukturerende fluidstrømningsrate og fluidtrykket som frembringes ved operasjonen av ventilen, kan brukes for å drive en sjokksubb, eller for å flytte en masse frem og tilbake som støter mot en ambolt, begge deler med det formål å frembringe en slag- eller hammervirkning for å hjelpe til å bore i hardt fjell. Variasjonen i fluidstrømningsraten kan også utnyttes alene eller i forbindelse med et slag- eller hammerverktøy for å frembringe en pulserende borefluidstrømning fra borkronens dyser.

Som det vil fremgå for en fagmann, er oppfinnelsen relativt enkel og kan således være robust og relativt rimelig å fremstille og vedlikeholde. Dette oppnås delvis ved å utnytte svingninger i rotoren i den direkte fortrengningsmotor, i motsetning til konvensjonell bruk av slike motorer, hvor alle anstrengelser gjøres for å minske eller isolere denne bevegelse.

Det vil fremgå for en fagmann at forskjellige modifikasjoner og forbedringer kan utføres uten at oppfinnelsens omfang fravikes. De ovenfor beskrevne utførelser bruker motorer etter Moineau-prinsippet i forholdet 1:2, men naturligvis kan andre konfigurasjoner av Moineau-motorer brukes, for eksempel 2:3 eller 3:4 for å tilveiebringe forskjellige moment- eller hastighetsegenskaper og kanskje bruke motoren til å drive andre innretninger, og også andre typer direkte fortrengningsmotorer kan utnyttes.

Claims (12)

1. Strømningspulseringsinnretning (70) nede i brønnen, karakterisert ved at den omfatter et hus (72, 74) for plassering i en streng, hvor huset danner en gjennomgående boring for å tillate strømning av fluid derigjennom; en ventil (80, 82) plassert i boringen, og som avgrenser en strømnrngspassasje (84, 86) og som omfatter et ventilelement (80) som kan forflyttes for å variere strøm-ningspassasjens (84, 86) areal for ved bruk å variere fluidstrømmen derigjennom, og en fluidaktivert, direkte fortrengningsmotor (76, 78) med en rotor (78) forbundet med ventilen for å dreie ventilelementet (80) og forbinde rotorens (78) tverrbevegelse med ventilelementet (80).

2. Innretning ifølge krav 1, bestemt for å tilveiebringe en slagvirkning, karakterisert ved at den omfatter en trykkresponsinnretaing (3) som ekspanderer eller trekker seg tilbake som reaksjon på varierende fluidtrykk frembrakt av den varierende fluidstrøm, slik at ekspansjonen eller tilbaketrekningen gir en slagvirkning.

3. Innretning ifølge krav 2, karakterisert ved at motorens (76, 78) hastighet er direkte proporsjonal med fluidets strømningsrate gjennom motoren.

4 Innretning ifølge krav 1-3, karakterisert ved at ventilelementet (80) samvirker med et andre ventilelement (82), idet hvert ventilelement (80, 82) avgrenser en strøm-ningsport (84, 86), idet innretting av strømningsportene (84, 86) varierer med det første ventilelements (80) tverrgående bevegelse.

5. Innretning ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at den direkte fortrengningsmotor (76, 78) opererer etter Moineau-pirnsippet og omfatter en oval rotor (78) som dreier innenfor en oval stator (76), idet statoren (76) har en ovalitet mer enn rotoren (78).

6. Innretning ifølge krav 5, karakterisert ved at den omfatter en 1:2 Moineau-motor.

7. Innretning ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at den omfatter en kombinasjon med en borkrone (5) forbundet med huset.

8. Innretning ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved at ventilen omfatter første og andre ventilelementer (80, 82) som hver danner en aksial strøm-ningsåpning (84, 86), og hvor åpningene er rettet inn for sammen å avgrense en åpen, aksial borefluidstrømningsport gjennom ventilen, hvor det første element er dreibart rundt en langsgående akse av huset for å variere åpningenes innretting og således variere portens åpne areal mellom et minimumsareal og et maksimumsareal for ved bruk å variere strømmen derigjennom og således variere fluidtrykket.

9. Innretning ifølge krav 1, karakterisert ved at ventilåpningene (29, 31) har samme utforming slik at når åpningene er i flukt, tilsvarer det maksimale strømningsareal i den aksiale strømningsport gjennomstrømningsarealet av hver åpning.

10. Innretning ifølge krav 1, karakterisert ved at dreieaksen for det første ventilelement (27) er forskjøvet i forhold til det andre element (30), slik at dreining av det første element beveger åpningene (29, 31) ut av fluktning.

11. Innretning ifølge krav 1, karakterisert ved at ventilåpningene (29, 31) er ikke-sirkulære.

12. Innretning ifølge krav 3, karakterisert ved at ventilåpningene (29,31) er i form av tverrgående slisser på en felles akse.