NO324972B1 - Hydraulisk borestrengakkumulator - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en hydraulisk akkumulator for bruk i en borestreng med en fluidpassasje for levering av fluid til et hydraulisk borestrengverktøy. Undergrunnsboring innebærer typisk en borestreng med en bunnhullsammenstilling forsynt med et verktøy som er konfigurert for å utføre flere forskjellige funksjoner. Verktøyene blir generelt drevet av borefluid pumpet gjennom borestrengen. Enkelte fluiddrevne borestrengverktøy krever en varierende mengde fluid over tid. Et eksempel på et slikt verktøy er en slaghammer som brukes for å drive en slagborkrone. Under en del av operasjonssyklusen til en slik slaghammer er behovet for fluid høyere enn gjennomsnittlig, mens det i en annen del av syklusen kan være mindre behov enn gjennomsnittlig. Som resultat varierer også trykket over verktøyet. Under den del av syklusen hvor behovet for fluid er høyere, er trykket over verktøyet lavere enn gjennomsnittet og under del av syklusen hvor etterspørsel etter fluidet er mindre, er trykket over verktøyet høyere enn gjennomsnittet. Denne variasjon i trykket er generelt kalt vannhammer. Det forårsaker en reduksjon i boreeffektiviteten og kan forstyrre andre borestrengverktøy, for eksempel trykkpulsbasert kommunikasjonssystem.

Fra den kjente teknikk på området skal det vises til US 4 828 048, US 5 402 854 og RU 2 100 558.

Det er et formål med oppfinnelsen å tilveiebringe en innretning som minsker trykkvariasj onene og som løser de ovennevnte problemer.

Ifølge oppfinnelsen er det tilveiebrakt en hydraulisk akkumulator for bruk i en borestreng med en fluidpassasje for levering av fluid til et hydraulisk borestrengverktøy, hvor akkumulatoren omfatter et legeme forsynt med en tilkoplingsanordning for å kople akkumulatoren til borestrengen og et ekspansjonskammer som står i fluidforbindelse med fluidpassasjen når akkumulatoren er koplet til borestrengen ved hjelp av tilkoplingsanordningen, hvor ekspansjonskammeret kan utvide seg mellom et første volum og et andre volum som er større enn det første, og hvor ekspansjonskammeret er forsynt med en anordning for å bevege ekspansjonskammeret fra det første til det andre volum ved økning av et fluidtrykk i fluidpassasjen og for å bevege ekspansjonskammeret fra det andre til det første volum ved en trykkminskning i fluidpassasjen, idet ekspansjonskammeret har en første utløpsåpning som står i fluidforbindelse med en innløpsåpning i det hydrauliske borestrengverktøy når akkumulatoren er koplet til borestrengen ved hjelp av tilkoplingsanordningen, kjennetegnet ved at den nevnte anordning for å bevege ekspansjonskammeret fra det første til det andre volum og fra det andre volum til det første volum gjør det mulig for fluidet å strømme fra fluidpassasjen gjennom ekspansjonskammeret til den første utløpsåpning når ekspansjonskammeret beveges i det andre volum, og nevnte anordning hindrer fluidstrøm fra fluidpassasjen gjennom ekspansjonskammeret til den første utløpsåpning når ekspansjonskammeret beveges i det første volum, og hvor ekspansjonskammeret har en andre utløpsåpning som står i fluidforbindelse med en del av fluidpassasjen nedstrøms akkumulatoren når akkumulatoren er koplet til borestrengen ved hjelp av tilkoplingsanordningen.

Volumøkningen av ekspansjonskammeret kompenserer for fluidtrykkøkningen bevirket av borestrengverktøyet, og volumminskningen av ekspansjonskammeret kompenserer for fluidtrykkminskningen bevirket av verktøyet. Det oppnås derfor et vesentlig konstant fluidtrykk i borestrengen. Fortrinnsvis er ekspansjonskammeret bevegelig mellom nevnte volumer ved hjelp av et sylinder/stempel-anordning hvor stempelet er bevegelig i sylinderen mellom en første posisjon hvor kammeret har det første volum og en andre posisjon hvor kammeret har det andre volum.

I en foretrukket utførelse er akkumulatoren forbundet til borestrengen ved hjelp av tilkoplingsanordningen, og hvor det hydrauliske borestrengverktøy er en slaghammer anordnet til å drive slagborkronen i borestrengen. For at akkumulator/slaghammer-sammenstillingen kan brukes uavhengig av hvilken type borekrone som brukes, er det å foretrekke at slaghammeren kan motta en første strøm av fluid fra ekspansjonskammeret, og at borkronen er anordnet til å motta en andre strøm av fluid fra fluidpassasjen, idet den første strøm holdes atskilt fra den andre strøm.

Oppfinnelsen vil nå bli beskrevet i detalj under henvisning til eksempler på utførelser og vedlagte tegninger hvor: fig. 1 viser skjematisk en utførelse av akkumulatoren ifølge oppfinnelsen i en første modus;

fig. 2 viser skjematisk en utførelse av akkumulatoren ifølge en i en andre modus;

fig. 3 viser skjematisk en første alternativ utførelse av akkumulatoren ifølge oppfinnelsen; og

fig. 4 viser skjematisk en andre, alternativ utførelse av akkumulatoren ifølge oppfinnelsen.

På fig. 1 er det vist en borestreng 1 med fluidpassasje 2 hvor den hydrauliske akkumulator 3 ifølge oppfinnelsen er anordnet. Borestrengen 1 strekker seg inn i et borehull (ikke vist) og har en bunnhullsammenstilling (ikke vist) som omfatter en hydraulisk slaghammer som driver en borkrone. Slaghammeren drives av et stempel i en sylinder, hvor den hydraulisk aktiverte bevegelse av stempelet medfører en tidsvarierende fluidtilførsel gjennom borestrengen til hammeren. Den hydrauliske slaghammer blir bare aktiv når fluidets strømmingsrate, overskrider en bestemt terskelstrømningsrate for å tillate sirkulasjon av borefluid gjennom uten at hammeren aktiveres, for eksempel for å rense borehullet for borekaks.

Akkumulatoren 3 omfatter et rørformet legeme 4 med en utvendig diameter som er vesentlig lik den innvendige diameteren av borestrengen 1, idet legemet 4 er fast forbundet til innsiden av borestrengen 1 og tettet dertil ved hjelp av en ringformet tetning 6. Innerrøret 4 er forsynt med en nedre endedel med en redusert innvendig og utvendig diameter, hvor delen danner et rørinnløp 8 for et ekspansjonskammer beskrevet heretter. Rørinnløpet 8 har en nedre endeflate 10 hvor en ringformet fordypning 12 er anordnet, idet fordypningen 12 står i fluidforbindelse med utsiden av innløpet 8 ved hjelp av åpninger 16 anordnet i innløpets 8 vegg.

En rørformet sylinder 18, utformet av delene 18a og 18b som er sammenkoplet av forbindelsen 20 og har en innvendig diameter som er vesentlig lik den utvendige diameter av innløpet 8, er i sin øvre ende tilkoplet innløpet 8 ved hjelp av en skrueforbindelse (ikke vist). Den utvendige diameter av sylinderen 18 er mindre enn den innvendige diameter av borestrengen, slik at det dannes et ringrom 22 mellom sylinderen 20 og borestrengen 1. Ringrommet 22 tilveiebringer fluidkommunikasjon mellom den ringformede fordypning 12, (via åpninger 16) og fluidinnløpet av slaghammeren.

Et stempel 24 er glidbart og tettende anordnet i sylinderen 20, idet stempelet omfatter et stempellegeme 26 som er i tettende inngrep med den nedre ende av innløpet 8 og som er forsynt med en gjennomgående åpning 28. En ringformet strømningsbegrenser 29 er anordnet i den gjennomgående åpning 28. Stempellegemet 26 er forsynt med en rørforlengelse 30 som står overfor den gjennomgående åpning og som strekker seg under stempellegemet 26. Rørforlengelsen 30 tilveiebringer fluidkommunikasjon mellom delen av fluidpassasjen 2 som befinner seg oppstrøms akkumulatoren 3 (via den gjennomgående åpning 28) og fluiddysene i borkronen (ikke vist). Forlengelsen 30 er forsynt med to små tverrgående kanaler 32 som tilveiebringer fluidkommunikasjon mellom innsiden og utsiden av forlengelsen 30. En spiralformet trykkfjær 34 er anordnet i sylinderen 20 mellom stempelet 24 og en innvendig ringformet skulder 36 tilveiebrakt i den nedre ende av sylinderen. Fjæren 34 tvinger stempelet 24 oppover, slik at stempelet 24 i fravær av en hindrende kraft, i den første stilling derav blir forspent mot innløpet 8, hvorved stempellegemet 26 på en tett måte går i inngrep med den nedre ende av innløpet 8. Et ekspansjonskammer 38 er avgrenset mellom den øvre ende av stempellegemet 26, innsiden av sylinderen 18 og den nedre endedel av innløpet 8. Med stempelet i den første posisjon (fig. 1) har ekspansjonskammeret et første, relativt lite volum.

På fig. 2 er det vist sammenstillingen på fig. 1, hvor stempelet 24 er aksialt forflyttet fra innløpet 8. Denne posisjon av stempelet 24 kalles den andre posisjon og det tilsvarende volum i informasjonskammeret 38 kalles det andre volum som er større enn det første.

Fjærens 34 egenskaper velges slik at stempelet 24 holder seg i første posisjon så lenge strømningsraten av fluidet som pumpes gjennom borestrengen 1 er under terskel-strømningsraten, nevnt ovenfor.

Den første alternative akkumulator vist på fig. 3 omfatter et rørlegeme 40 som er fastfestet og tettende anordnet i fluidpassasjen i en borestreng (ikke vist). Lik utførelsen på fig. 1, 2 har borestrengen en bunnhullsammenstilling (ikke vist) med en slagborkrone drevet av en hydraulisk slaghammer (ikke vist). Legemet 40 er forsynt med et sylindrisk boring 42 med en lukket nedre ende 44 og en åpen øvre ende som står i fluidforbindelse med en øvre del av fluidpassasjen i borestrengen. Et stempel 46 er glidbart anordnet i boringen 42 og forspent oppover av en spiralformet trykkfjær 48 anordnet mellom stempelet 46 og den nedre ende 44 av boringen. Et ekspansjonskammer 50 er anordnet i boringen 42 mellom stempelet 46 og den øvre ende av boringen 42. En fluidpassasje 52 er anordnet i legemet 40 og tilveiebringer fluidkommunikasjon mellom ekspansjonskammeret 50 og en nedre del av fluidpassasjen i borestrengen. Videre er legemet 40 forsynt med en liten boring 54 som tilveiebringer fluidkommunikasjon mellom den del av boringen 42 som befinner under stempelet 46 og utsiden av borestrengen.

Den andre, alternative akkumulator vist på fig. 4 omfatter et rørlegeme 60 fastfestet og tettende anordnet i fluidpassasjen i borestrengen (ikke vist). Likt utførelsen på fig. 1, 2, 3 har borestrengen en bunnhullsammenstilling (ikke vist) med en slagborkrone drevet av en hydraulisk slaghammer (ikke vist). Legemet 60 er forsynt med en sylindrisk boring 62, med en nedre ende 64 forsynt med en gjennomgående åpning 65 og en åpen øvre ende i fluidkommunikasjon med en øvre del av fluidpassasjen i borestrengen. Et stempel 66 er glidbart anordnet i boringen 62 og forspent oppover av en spiralformet trykkfjær 68 anordnet mellom stempelet 66 og den nedre ende 64 av boringen. Et ekspansjonskammer 70 er anordnet i boringen 62 mellom stempelet 66 og den øvre ende av boringen 62. Stempelet 66 er forsynt med et fluidledningsrør 72 som strekker seg glidbart gjennom den gjennomgående åpning 65 i den nedre ende 64 av boringen 62. Ledningsrøret 72 tilveiebringer fluidkommunikasjon mellom ekspansjonskammeret 66 og en nedre del av fluidpassasjen i borestrengen. Videre er legemet 60 forsynt med en liten boring 74 som tilveiebringer fluidkommunikasjon mellom delen av boringen 62 under stempelet 66 og utsiden av borestrengen.

Under normal bruk av utførelsen på fig. 1, 2 blir hydraulikkfluid i form av borefluid pumpet gjennom borestrengen til bunnhullsammenstillingen. Så lenge strøm-ningsraten for fluidet er under terskelstrømningsraten forblir stempelet 24 i den første posisjon og fluidet strømmer fra fluidpassasjen 2 i borestrengen 2 inn i akkumulatoren 3 hvor det passerer via den gjennomgående åpning 28 og forlengelsen 30 til fluiddysene i borkronen. Med stempelet i den første posisjon er det hydrauliske området av stempelet (dvs. området som fluidet strømmer mot) likt det innvendige tverrsnitt av innløpet 8.

Når fluidstrømningsraten i borestrengen overskrider terskelstrømningsraten, skyver fluidet først stempelet 24 litt nedover mot kraften fra fjæren 34. Når stempelet mister kontakten med innløpet 8, øker plutselig det hydrauliske området av stempelet til det innvendige tverrsnittsområdet av sylinderen 18. Som resultat vil stempelet 24 gjennomgå en trinnvis forflytning nedover til den andre posisjonen hvorved fjæren 34 blir vesentlig sammentrykket. Under den plutselige bevegelse av stempelet 24, vil tverr-kanalene 32 sørge for å balansere fluidtrykket mellom innsiden og utsiden av stempelet 24.

Med stempel 24 i den andre posisjon, vil en del av fluidet strømme fra fluidpassasjen 2 inn i ekspansjonskammeret 38 og derfra via åpningene 16 og ringrommet 22 til fluidinnløpet i slaghammeren. En annen del av fluidet strømmer via den gjennomgående åpning 28 og forlengelsen 30 til fluiddysene i borkronen.

Den tidsvarierende fluidtilførsel som forbrukes av slaghammeren forårsaker trykkvariasjoner i fluidet oppstrøms hammeren. Når fluidtrykket oppstrøms hammeren øker under et oppoverslag av hammerstempelet, vil trykket i ekspansjonskammeret 38 også øke og derved få volumet i kammeret 38 til å øke ved hjelp av en nedadgående bevegelse av stempelet 24 mot kraften fra fjæren 34. Siden fluidtilførselen til borestrengen forblir vesentlig konstant i tid, vil virkningen av det økte volum i kammeret 38 være en minskning av fluidtrykket i borestrengen oppstrøms akkumulatoren 3. Minskningen av fluidtrykk kompenserer for økningen i trykk forårsaket av hammerens oppoverslag.

Omvendt, når fluidtrykket oppstrøms hammeren avtar under hammerstempelets nedoverslag, vil trykket i ekspansjonskammeret 38 også avta, og får derved volumet av kammeret 38 til å avta ved hjelp av stempelets bevegelse oppover ved kraften fra fjæren 34. Det avtagende volum i kammeret 38 forårsaker en økning av fluidtrykket oppstrøms akkumulatoren 3 og kompenserer derved for minskning av fluid forårsaket av hammerens nedslag.

Det oppnås således at fluidtrykket oppstrøms akkumulatoren forblir vesentlig konstant uansett den tidsvarierende fluidetterspørsel fra hammeren.

Normal drift av den første, alternative utførelsen (fig. 3) er vesentlig lik den normale drift av utførelsene på fig. 1, 2. En forskjell er at stempelet 46 ikke har noen gjennomgående åpning og derfor vil alt fluid strømme via fluidpassasjen 52 til den hydrauliske slaghammer. Når fluidtrykket oppstrøms hammeren øker under hammerstempelets oppoverslag, øker også trykket i ekspansjonskammeret 50, og forårsaker derved at volumet av kammeret 50 øker ved hjelp av stempelets 46 bevegelse nedover mot kraftfjæren 48. Siden fluidtilførselen til borestrengen holdes i det vesentlige konstant over tid, blir virkningen av det økte volum i kammeret 50 en økning av fluidtrykket i borestrengen oppstrøms akkumulatoren. Minskningen av fluidtrykket kompenserer for økningen av trykket forårsaket av hammerens oppoverslag.

Omvendt, når fluidtrykket oppstrøms hammeren avtar under hammerstempelets nedoverslag, avtar også trykket i ekspansjonskammeret 50, og forårsaker derved at volumet i kammeret 50 minsker ved hjelp av stempelets bevegelse oppover forårsaket av kraften fra fjæren 48. Det avtagende volum i kammeret 50 forårsaker en økning av fluidtrykket oppstrøms akkumulatoren og kompenserer derved for minskningen av fluidet bevirket av hammerslagets bevegelse nedover.

Normal drift av den andre, alternative utførelse (fig. 4) er lik den normale drift av den første utførelse, idet forskjellen er at alt fluid nå strømmer via fluidledningsrøret 72 til den hydrauliske slaghammer i stedet for via fluidpassasjen 52 i den første, alternative utførelse. Videre beveger fluidledningsrøret 72 seg glidbart gjennom åpningen 65 under stempelets bevegelse opp og ned.

I stedet for å bruke akkumulatoren ifølge oppfinnelsen for kompensering av trykkvariasjoner i slaghammeren, kan akkumulatoren brukes for å kompensere for trykkvariasjoner forårsaket av et annet borestrengverktøy.

Claims (12)

1. Hydraulisk akkumulator for bruk i en borestreng (1) med en fluidpassasje (2) for levering av fluid til et hydraulisk borestrengverktøy, hvor akkumulatoren (3) omfatter et legeme (4) forsynt med en tilkoplingsanordning for å kople akkumulatoren til borestrengen og et ekspansjonskammer (38) som står i fluidforbindelse med fluidpassasjen (2) når akkumulatoren er koplet til borestrengen (1) ved hjelp av tilkoplingsanordningen, hvor ekspansjonskammeret (38) kan utvide seg mellom et første volum og et andre volum som er større enn det første, og hvor ekspansjonskammeret (38) er forsynt med en anordning (24) for å bevege ekspansjonskammeret (38) fra det første til det andre volum ved økning av et fluidtrykk i fluidpassasjen (2) og for å bevege ekspansjonskammeret (38) fra det andre til det første volum ved en trykkminskning i fluidpassasjen (2), idet ekspansjonskammeret (38) har en første utløpsåpning som står i fluidforbindelse med en innløpsåpning i det hydrauliske borestrengverktøy når akkumulatoren (3) er koplet til borestrengen (11) ved hjelp av tilkoplingsanordningen, karakterisert ved at den nevnte anordning (24) for å bevege ekspansjonskammeret (38) fra det første til det andre volum og fra det andre volum til det første volum gjør det mulig for fluidet å strømme fra fluidpassasjen (2) gjennom ekspansjonskammeret (38) til den første utløpsåpning når ekspansjonskammeret (38) beveges i det andre volum, og nevnte anordning (24) hindrer fluidstrøm fra fluidpassasjen (2) gjennom ekspansjonskammeret (38) til den første utløpsåpning når ekspansjonskammeret (38) beveges i det første volum, og hvor ekspansjonskammeret (38) har en andre utløpsåpning som står i fluidforbindelse med en del av fluidpassasjen nedstrøms akkumulatoren når akkumulatoren er koplet til borestrengen ved hjelp av tilkoplingsanordningen.

2. Akkumulator ifølge krav 1, karakterisert ved at ekspansjonskammeret er bevegelig mellom de nevnte volumer ved hjelp av en sylinder/stempelanordning, hvor stempelet er bevegelig i sylinderen mellom en første posisjon hvor kammeret har det første volum og en andre posisjon hvor kammeret har det andre volum.

3. Akkumulator ifølge krav 2, karakterisert ved at stempelet i den første posisjon blokkerer fluidstrømmen fra fluidpassasjen gjennom ekspansjonskammeret til den første utløpsåpning for derved å hindre fluidstrømmen.

4. Akkumulator ifølge krav 2 eller 3, karakterisert ved at sylinder/stempel-anordningen er forsynt med en fjær som forspenner stempelet fra den andre til den første posisjon.

5. Akkumulator ifølge krav 2, 3 eller 4, karakterisert ved at stempelets hydrauliske område er mindre når stempelet er i den første posisjon enn i den andre.

6. Akkumulator ifølge krav 5, karakterisert ved at ekspansjonskammeret er forsynt med et innløp som står i fluidforbindelse med fluidpassasjen, idet innløpet har en ringformet ende som stempelet i den første posisjon derav er forspent mot, idet den ringformede ende har mindre diameter enn stempeldiameteren.

7. Akkumulator ifølge ett av kravene 2-6, karakterisert ved at sylinderen er anordnet vesentlig konsentrisk i borestrengen med et ringrom mellom sylinderen og borestrengen når akkumulatoren er koplet til borestrengen ved hjelp av tilkoplingsanordningen, og hvor den første utløpsåpning står i fluidforbindelse med ringrommet.

8. Akkumulator ifølge ett av kravene 1-7, karakterisert ved at fluidforbindelsen er muliggjort via den andre utløpsåpning når ekspansjonskammer er flyttet i det første volum.

9. Akkumulator ifølge krav 8, karakterisert ved at den andre utløpsåpning er tilveiebrakt i stempelet.

10. Akkumulator ifølge ett av kravene 1-9, karakterisert ved at akkumulatoren er forbundet til borestrengen ved hjelp av tilkoplingsanordningen, og at det hydrauliske borestrengverktøy er en slaghammer anordnet til å drive slagborkronen i borestrengen.

11. Akkumulator ifølge krav 10, karakterisert ved at slaghammeren er anordnet til å motta en første strøm av fluid fra ekspansjonskammeret og at borkronen er anordnet til å motta en andre strøm av fluid fra fluidpassasjen, idet den første strøm er atskilt fra den andre strøm.

12. Akkumulator ifølge krav 11, karakterisert ved at slaghammeren er anordnet til å motta den første strøm av fluid via det første utløpet, og borkronen er anordnet til å motta den andre strøm av fluid via det andre utløp.