NO325253B1

NO325253B1 - Device for a tool for axially displacing the drill bit in a drill string with varying torque

Info

Publication number: NO325253B1
Application number: NO20062728A
Authority: NO
Inventors: Per Olav Haughom; Nils Reimers
Original assignee: Tomax As
Priority date: 2006-06-12
Filing date: 2006-06-12
Publication date: 2008-03-10
Also published as: GB0710892D0; GB2439177A; NO20062728L

Abstract

Anordning ved et verktøy (1) til bruk ved boring med roterende borekrone (5) der formålet med verktøyet er å tilveiebringe en aksial bevegelse (6) av borekronen når torsjonsmomentet (4) går ut over en på forhånd gitt verdi. For dette formålet er verktøyet satt sammen av to sylindriske strengdeler (8) og (16)forbundet gjennom føringselementer og pakning (13) og (15). Strengdelene (8) og (16) er innbyrdes forbundet med hverandre gjennom spiralfortanninger (17) og (18). Ved relativ rotasjon mellom Strengdelene (8) og (16) tilveiebringes aksial bevegelse og kompresjon av fjæren (9) ved en på forhånd bestemt forspenning. For å oppnå en progressiv karakteristikk er det anordnet en struping av veskestrømmen (22) over flatene (19) og (20). Trykkøkningen genererer en tilleggskraft til fjærkraften ved at trykkstigningen virker på arealet mellom flatene (l9) og (23).Device of a tool (1) for use in drilling with a rotary drill bit (5) where the purpose of the tool is to provide an axial movement (6) of the drill bit when the torque (4) exceeds a predetermined value. For this purpose, the tool is composed of two cylindrical string parts (8) and (16) connected through guide elements and gasket (13) and (15). The string parts (8) and (16) are interconnected through helical teeth (17) and (18). By relative rotation between the string parts (8) and (16), axial movement and compression of the spring (9) is provided by a predetermined prestress. In order to obtain a progressive characteristic, a restriction of the liquid flow (22) over the surfaces (19) and (20) is arranged. The increase in pressure generates an additional force to the spring force in that the increase in pressure acts on the area between the surfaces (l9) and (23).

Description

ANORDNING VED ET VERKTØY FOR AKSIAL FORSKYVNING AV BOREKRONA I EN BORESTRENG MED VARIERENDE TORSJONSMOMENT DEVICE OF A TOOL FOR AXIAL DISPLACEMENT OF THE DRILL CORD IN A DRILL STRING WITH VARIABLE TORQUE MOMENT

Denne oppfinnelsen vedrører en anordning ved et verktøy av ' det slaget som benyttes ved roterende borekrone der hensikten er å tilveiebringe en aksial bevegelse av borekrona når torsjonsmomentet over kortere eller lengre tid går utover en på forhånd gitt verdi. This invention relates to a device for a tool of the type used in rotary drill bits where the purpose is to provide an axial movement of the drill bit when the torsional moment over a shorter or longer time exceeds a previously given value.

Anordninger av forskjellige utførelser som har til hensikt å dempe svingninger og begrense maksimalt moment i borestrengen er kjent fra blant annet oljeindustrien. I en borestreng på flere tusen meter kan det oppstå svingninger på grunn av varierende torsjonsmoment i strengen. Slike svingninger er som oftest forårsaket av at borekrona kommer i kontakt med ulike bergformasjoner som medfører at borestrengen tilføres varierende momentbelastning. Når borestrengen påføres torsjonsmomentet fra en boremaskin, lagres store mengder energi som frigjøres når borekrona plutselig bryter løs. Ukontrollert frigjøring av energi fører til ekstreme påkjenninger på borestreng og borekrone. Dagens styrbare boresystemer er forsynt med mye elektromekanisk utstyr som kan ta skade ved ekstreme rystelser og vibrasjoner. Devices of various designs that are intended to dampen oscillations and limit the maximum torque in the drill string are known from, among other things, the oil industry. In a drill string of several thousand meters, oscillations can occur due to varying torque in the string. Such oscillations are most often caused by the drill bit coming into contact with different rock formations, which means that the drill string is supplied with varying torque loads. When the drill string is subjected to the torque from a drilling machine, large amounts of energy are stored and released when the drill bit suddenly breaks loose. Uncontrolled release of energy leads to extreme stresses on the drill string and drill bit. Today's controllable drilling systems are equipped with a lot of electromechanical equipment that can be damaged by extreme shaking and vibration.

I foreliggende oppfinnelse er hensikten å komme frem til en hensiktsmessig og driftssikker utførelse av et verktøy som gir borekrona en aksial til.baketrekkingsbevegelse når torsjonsmomentet i borestrengen overstiger en på forhånd fast-satt verdi. En slik anordning er spesielt godt egnet på mo-derne borekroner med faste kuttere hvor det anvendes indust-rielt fremstilte diamanter med høy hardhet, men hvor diamant-strukturen er sprø og følsom overfor slag. In the present invention, the purpose is to arrive at an appropriate and reliable design of a tool which gives the drill bit an axial retraction movement when the torsional moment in the drill string exceeds a predetermined value. Such a device is particularly well suited to modern drill bits with fixed cutters where industrially produced diamonds with high hardness are used, but where the diamond structure is brittle and sensitive to impact.

I oljeindustrien er problemer knyttet til overbelastning av en borestreng godt kjent og det har vært arbeidet kontinuer-lig med forskjellige løsninger for å avhjelpe problemene. Det vises i denne forbindelse til følgende patenter: NO 315209 In the oil industry, problems related to overloading of a drill string are well known and work has been done continuously with different solutions to remedy the problems. Reference is made in this connection to the following patents: NO 315209

US 5,083,623 US 5,083,623

US 4,281,726 US 4,281,726

EP 065 601 Al EP 065 601 Al

US 4,443,206 US 4,443,206

WO 97/01693 WO 97/01693

Foreliggende oppfinnelse har i prinsippet samme funksjon som oppfinnelsen ifølge NO 315209, men den tekniske utførelsen er vesentlig forskjellig. The present invention has in principle the same function as the invention according to NO 315209, but the technical execution is significantly different.

I forhold til teknikkens stilling på området er hensikten med oppfinnelsen å tilveiebringe en anordning som gir verktøyet tilstrekkelig styrke og robusthet for å kunne tåle de ekstreme påkjenningene det blir utsatt for. Verktøyet er utformet slik at det ved momentoverbelastning trekker seg sammen for derved å redusere den aksiale lasten på borekronen. I • forhold til teknikkens stilling har oppfinnelsen vesentlige fortrinn samtidig som den er enklere og mer robust. Derved reduseres faren for havarier noe som er ekstremt viktig i forbindelse med gjennomføring av kostbare boreoperasjoner. I tillegg oppnås vesentlig mindre kostnader til produksjon og vedlikehold. In relation to the state of the art in the area, the purpose of the invention is to provide a device which gives the tool sufficient strength and robustness to be able to withstand the extreme stresses to which it is exposed. The tool is designed so that in the event of torque overload it contracts to thereby reduce the axial load on the drill bit. • In relation to the state of the art, the invention has significant advantages at the same time as it is simpler and more robust. This reduces the risk of accidents, which is extremely important in connection with carrying out expensive drilling operations. In addition, significantly lower production and maintenance costs are achieved.

Dette oppnås i henhold til oppfinnelsen ved at en første strengdel og en andre strengdel er konsentrisk opplagret i hverandre og innrettet for begrenset aksial og roterende innbyrdes forskyvning i forhold til hverandre. Strengdelene er forbundet gjennom en skråfortanning som omsetter rotasjons-vridning til aksial forskyvning. I tillegg er strengdelene opplagret i føringselementer og forsynt med tetninger. Aktu-elle tetningsflater er utformet slik at innestengt volum for smøremiddel er konstant, selv om verktøyets aksiale lengde endres. Sentrisk i de to sylindriske strengdeler er det anordnet en f jaer som sammen med skråf ortanningen gir den ønske-de funksjon ved at relativ rotasjon mellom skråfortanningene på de to sylindriske strengdelene komprimerer fjæren. Ved kombinasjoner av stivhet i fjæren og stigningsvinkel på skrå-fortanningen oppnås ønsket karakteristikk på verktøyet. This is achieved according to the invention in that a first string part and a second string part are concentrically stored in each other and arranged for limited axial and rotational mutual displacement in relation to each other. The string parts are connected through a bevel gear which converts rotational twist into axial displacement. In addition, the string parts are stored in guide elements and provided with seals. Current sealing surfaces are designed so that the enclosed volume of lubricant is constant, even if the axial length of the tool changes. A spring is arranged centrally in the two cylindrical string parts which, together with the bevel toothing, provides the desired function in that relative rotation between the bevel teeth on the two cylindrical string parts compresses the spring. Combinations of stiffness in the spring and pitch angle of the bevel toothing achieve the desired characteristics of the tool.

For å oppnå en fjærkarakteristikk som øker med aksial forskyvning, er det anordnet en struping av væskestrømmen gjennom verktøyet. Denne struping er anordnet slik at den trer i funksjon ved en bestemt aksial bevegelse. Derved øker trykket og påvirker et stempelareal slik at en tilleggskraft settes opp i tillegg til fjærkraften. Denne kraften er proporsjonal med trykkstigningen og arealet trykkstigningen virker på. Denne funksjonalitet gir en fordelaktig funksjon på verktøyet ved ekstreme belastninger. In order to achieve a spring characteristic that increases with axial displacement, a throttling of the fluid flow through the tool is provided. This throttling is arranged so that it comes into operation with a specific axial movement. Thereby, the pressure increases and affects a piston area so that an additional force is set up in addition to the spring force. This force is proportional to the pressure rise and the area on which the pressure rise acts. This functionality provides an advantageous function of the tool at extreme loads.

Verktøyet i henhold til oppfinnelsen settes inn i borestrengen like bak hovedkomponentene i bunnhullsstrengen, eksempel-vis borevæskedrevet motor, datainnsamlingsenhet og styresys-tem, eller som en integrert del av borehodet, ofte betegnet "bottom hole assembly" når det benyttes roterende borestreng. The tool according to the invention is inserted into the drill string just behind the main components in the bottom hole string, for example drilling fluid driven motor, data collection unit and control system, or as an integrated part of the drill head, often referred to as "bottom hole assembly" when a rotating drill string is used.

I det etterfølgende beskrives et eksempel på en foretrukket utførelsesform som er anskueliggjort på medfølgende tegninger, hvor: Fig. 1 viser en systemoversikt av et verktøy i henhold til In the following, an example of a preferred embodiment is described which is visualized in the accompanying drawings, where: Fig. 1 shows a system overview of a tool according to

oppfinnelsen sammen med andre hovedkomponenter; the invention together with other main components;

Fig. 2 viser i større målestokk verktøyet med et innlagt Fig. 2 shows the tool on a larger scale with an inset

snitt; incision;

Fig. 3 viser verktøyets skråfortanning og fjær; og Fig. 3 shows the tool's bevel teeth and spring; and

Fig. 4 viser i større målestokk detaljer vedrørende verk-tøyets strupeanordning. Fig. 4 shows on a larger scale details regarding the tool's throat device.

I figurene betegner henvisningstallet 1 et verktøy i henhold til oppfinnelsen som er montert inn mellom en borestreng 2 og en borevæskedrevet motor 3 som er forbundet med en borekrone 5. Bak borekrona 5 er det anbrakt labber 7 for retningskon-troll. Pilen 4 betegner et rotasjonsmoment. In the figures, the reference numeral 1 denotes a tool according to the invention which is fitted between a drill string 2 and a drilling fluid-driven motor 3 which is connected to a drill bit 5. Behind the drill bit 5, pawls 7 are placed for direction control. The arrow 4 denotes a moment of rotation.

Verktøyet 1 er i fig. 2 vist med et innlagt snitt. En første sylindrisk strengdel 8 og en andre sylindrisk strengdel 16 er konsentrisk og forskyvbart opplageret i forhold til hverandre og forsynt med en første pakning 13 og en andre pakning 15. Pakningenes 13, 15 tetningsflate har lik diameter. Derved endres ikke mellomliggende volum ved relativ aksialforskyvning mellom den første strengdel 8 og den andre strengdel 16. Til den andre strengdel 16 er det anordnet et adapter 29 med åpninger 11 for væskegjennomstrømning 22, se fig 3. Strengdelene 8, 16 er også forbundet via en første skråfortanning 17 og en samvirkende andre skråfortanning 18 på henholdsvis den første indre strengdel 8 og den andre ytre strengdel 16. Ved påtrykt ytre dreimoment 4 over en bestemt verdi, oppstår det en relativ rotasjon mellom den første strengdel 8 og den andre strengdel 16 som generer en aksialforskyvning 24. Aksial-forskyvningen 24 er indikert ved hjelp av en pil i fig. 3. The tool 1 is in fig. 2 shown with an inserted section. A first cylindrical string part 8 and a second cylindrical string part 16 are concentrically and displaceably supported in relation to each other and provided with a first gasket 13 and a second gasket 15. The sealing surface of the gaskets 13, 15 has the same diameter. Thereby, the intermediate volume does not change due to relative axial displacement between the first string part 8 and the second string part 16. An adapter 29 with openings 11 for liquid flow 22 is arranged to the second string part 16, see Fig. 3. The string parts 8, 16 are also connected via a first bevel toothing 17 and a cooperating second bevel toothing 18 on the first inner string part 8 and the second outer string part 16, respectively. When external torque 4 is applied above a certain value, a relative rotation occurs between the first string part 8 and the second string part 16 which generates an axial displacement 24. The axial displacement 24 is indicated by means of an arrow in fig. 3.

En forspenning av en fjær 9 ved hjelp av et legeme 14 bestem-mer ved hvilket moment 4 en aksial forskyvning 24 skal begyn-ne. Legemet 14 har anslag mot en ansats 26 i den andre strengdel 16 slik at store aksialkrefter kan overføres gjennom de to sylindriske strengdeler 8 og 16 og videre til adapteret 29 med forbindelse til borestrengen 2. A pretension of a spring 9 by means of a body 14 determines at which moment 4 an axial displacement 24 shall begin. The body 14 abuts against a shoulder 26 in the second string part 16 so that large axial forces can be transmitted through the two cylindrical string parts 8 and 16 and on to the adapter 29 with connection to the drill string 2.

Fjæren 9 har anslag mot en ansats 28 på den første strengdel 8 og mot en ansats 30 med forbindelse til ytre strengdel 16 via adapteret 29. The spring 9 abuts against a shoulder 28 on the first string part 8 and against a shoulder 30 with a connection to the outer string part 16 via the adapter 29.

I nøytral posisjon, uten aksialforskyvning mellom den første strengdel 8 og den andre strengdel 16, går væskestrømmen 22 gjennom åpningene 11 og åpninger 21 i den første strengdel 8. Ved aksial relativ forskyvning mellom den første strengdel 8 og den andre strengdel 16, oppnås en strupeeffekt mellom en første strupeflate 19 på adapteret 29 og en andre strupeflate 20 på den første strengdel 8. Trykkoppbyggingen påvirker arealet mellom strupeflåtene 19 og 20. Trykkoppbyggingen genererer derved en kraft som kommer i tillegg til fjærkraften fra fjæren 9. Med denne anordningen oppnås en tilsiktet funksjonalitet på verktøyet ved at det gir bedre demping og kan mot-stå ekstreme belastninger uten at det går til mekanisk en-des lag. In the neutral position, without axial displacement between the first string part 8 and the second string part 16, the liquid flow 22 passes through the openings 11 and openings 21 in the first string part 8. With axial relative displacement between the first string part 8 and the second string part 16, a throttling effect is achieved between a first throat surface 19 on the adapter 29 and a second throat surface 20 on the first string part 8. The pressure build-up affects the area between the throat floats 19 and 20. The pressure build-up thereby generates a force that comes in addition to the spring force from the spring 9. With this device, an intended functionality is achieved on the tool in that it provides better damping and can withstand extreme loads without it going to mechanical wear.

Claims

1. Device with a tool (1) for use in drilling with a rotating drill bit (5) where the tool (1) is designed to be able to provide an axial displacement of the drill bit (5) at a predetermined torque, the tool (1) which is built into a drill string (2), comprises a first string part (8) which is stored in a second string part (16) and where a first bevel toothing (17) in the first string part (8) is engaged with a second bevel toothing ( 18) in the second string part (16), and where a spring (9) spans the first string part (8) in the direction out of the second string part (16) until a body (14) which is connected to the first string part (8) comes into contact with a shoulder (26) in the second string part (16), characterized in that the body (14) is provided with an internal first surface (19) with a diameter that is greater than the external diameter of a second surface (20 ), with the second surface (20) located on an adapter (29) which is connected to the second string part (16), and where a relative displacement of the first string part (8) from its initial position and inwards into the second string part (16) causes the first surface (19) to be displaced over the second surface (20), whereby the space between the first surface (19) and the second surface (20) forms a bottleneck for a fluid flowing through.

2. Device according to claim 1, characterized in that the fluid flows into the tool (1) via openings (11) which communicate with the drill string (2).

3. Device according to claim 1, characterized in that a first gasket (13) and a second gasket (15) are arranged between the first string part (8) and the second string part (16), both gaskets (13, 15) acts against bodies of the same diameter.

4. Device according to claim 1, characterized in that the spring (9) is placed inside the first string part (8).