NO325312B1 - Roterende styrbart boreverktoy - Google Patents

Description

Denne søknaden krever prioritet fra midlertidig søknad nr. 60/289.771, inn-levert 9. mai 2001, med innhold som ved denne henvisning herved innlemmes i sin helhet.

Oppfinnelsen vedrører generelt fremgangsmåter og anordninger for retningsboring av brønner, særlig brønner for produksjon av petroleumsprodukter. Mer bestemt vedrører den roterende styrbare boreverktøy og fremgangsmåter til boring av retningsbrønner.

Det er kjent at det ved boring av olje- og gassbrønner for leting og produk-sjons av hydrokarboner ofte er nødvendig å la brønnen avvike fra vertikalen i en bestemt retning. Dette kalles retningsboring. Retningsboring benyttes for å øke dreneringen av en bestemt brønn ved eksempelvis å danne awiksgrenboringer fra et hovedborehull. Dette er også nyttig i marine omgivelser, hvor en enkelt off-shoreproduksjonsplattform kan nå flere hydrokarbonreservoarer, takket være flere awiksbrønner som spres ut i enhver retning fra produksjonsplattformen.

Systemer for retningsboring faller vanligvis innenfor to kategorier "skyv-borkronen" ("push the bit" og "retting av borkronen" ("Point-the-bit-")) systemer, klassifisert ut fra deres operasjonsmåte "skyv borkronen-" systemer opereres ved at det påføres trykk på sideveggene i formasjonen som inneholder brønnen. Ved "retting av borkronen" -systemer rettes borkronen i den ønskede retning for å for-årsake avvik av brønnen når borkronen borer brønnens bunn.

"Skyv borkronen" -systemer er velkjent og er beskrevet eksempelvis i US patent nr. 6,206,108 utstedt til MacDonald et al. 27. mars 2001, og internasjonal patentsøknad nr. PCT/GB00/00822 publisert 28. september 2000 av Weather-ford/Lamb, Inc. Disse referansene beskriver styrbare boresystemer som har et flertall av justerbare eller utvidbare ribber eller puter som er lokalisert rundt den korresponderende verktøymansjett. Boreretningen kan styres ved å påføre trykk på brønnens sidevegger gjennom selektiv forlengelse eller tilbaketrekking av de individuelle ribber eller puter.

"Retting av borkronen" -systemer er vanligvis basert på det prinsipp at to motsatt roterende aksler forbindes med et ledd og danner en vinkel som er forskjellig fra null, vil den annen aksel ikke gå rundt den sentrale rotasjonsakse i den første aksel, forutsatt at de to rotasjonshastigheter til begge akselene er like.

Forskjellige "retting av borkronen" -teknikker har blitt utviklet, hvilke omfatter en fremgangsmåte til å oppnå retningsstyring ved sideforskyvning eller retting av borkronen i den ønskede retning når verktøyet roterer. En slik "retting av borkronen" -teknikk er US patent nr. 6,092,610 utstedt til Kosmala et al. 25. juli 2000, med innhold som ved denne henvisning herved innlemmes i sin helhet. Dette pa-tentet beskriver et aktivt styrt roterende styrbart boresystem for retningsboring av brønner som har en verktøymansjett som roteres av en borestreng under brønn-boringen. Borkroneakselen støttes av et universalledd som befinner seg i mansjetten og er roterbart drevet av mansjetten. For å oppnå kontrollert styring av den roterende borkronen, blir borkroneakselens orientering i forhold til verktøymansjet-ten avfølt, og borkroneakselen holdes geostasjonært og selektivt aksialt skråstilt i forhold til verktøymansjetten under borestrengens rotasjon ved at den roteres om universalleddet med en sideforskjøvet spindel som roteres i motsatt retning i forhold til mansjettens rotasjon, og med den samme rotasjonsfrekvens. En elektrisk motor tilveiebringer rotasjon av den sideforskjøvede spindel i forhold til verktøy-mansjetten, og den er servostyrt av en signalinngang fra posisjonsavfølende ele-menter. Når det er nødvendig brukes en brems til å holde den sideforskjøvede spindel og borkroneakselens akse geostasjonært. Alternativt kan en turbin være forbundet til den sideforskjøvede spindel for å tilveiebringe rotasjon av den sideforskjøvede spindel i forhold til verktøymansjetten, og det brukes da en brems til servostyring av turbinen ved hjelp av en signalinngang fra posisjonssensorer.

Fra US 6,092,610 fremgår det et aktivt styrt roterende system for retningsboring. Borkroneakselen støttes av et universalledd som befinner seg i en verk-tøymansjett og er roterbart drevet av mansjetten. Styringen av borekronen oppnås ved hjelp av en sideforskjøvet spindel som roteres i motsatt retning i forhold til mansjettens rotasjon, og med den samme rotasjonsfrekvens.

US 6,190,372 viser et styrbart rotasjonsboresystem som innebefatter en hydraulisk drevet posisjoneringsmekanisme for utførelse av automatisk, geostasjonær posisjonering av akselen til en forskyvningsstamme og dens borekrone ved hjelp av en rotasjonsborestreng, slammotor eller begge.

EP 1,008,717 angår et liknende system som i US 6,092,610, der styringen av den roterende borkronen utføres ved bruk av en vekselstrømsgenerator, en hydraulisk pumpe og hydrauliske sylinder- og stempelsammenstillinger.

Til tross for forbedringen ved "retting av borkronen" -systemer, er det fortsatt et behov for å utvikle roterende styrbare boresystemer som maksimerer påliteligheten og responsen til boreanordningene. Det er ønskelig at et slikt system blant annet inkluderer et eller flere av det følgende: forbedrede styremekanismer, redu-sert antall tetninger, dreiemomentoverførende systemer som overfører høyere laster fra verktøymansjetten til boreakselen, og forbedrede tetningsmekanismer. Systemet kan blant annet inkludere ett eller flere av det følgende: en motor med større diameter, fortrinnsvis med en hul rotoraksel som borefluid føres gjennom, en motor med økt dreiemoment og varmespredning, et bøyelig rør for å føre bore-slam gjennom senter av verktøyets styreseksjon, et universalledd som tillater overføring av høyere laster, et belgtetningssystem for borkronen, som tetter styre-seksjonens oljeomgivelse mens det tillater vinkelbevegelse av borkroneakselen i forhold til mansjetten, ved en mekanisme for å variere borkroneakselens vinkel, for å tillate at borkroneakselens vinkel varieres under boring og/eller tillater at verktøyet justeres til å bore en jevn brønnboring med enhver krumning mellom et rett hull og en maksimum krumning som er bestemt av verktøyets utforming, en belgbeskyttelse med en sfærisk grenseflate, slik at det kan opprettholdes en smal spalte mellom borkoneakselen og mansjetten for å forhindre nedbrutt materiale i å komme inn i verktøyet. Den foreliggende oppfinnelse har blitt utviklet for å oppnå et slikt system.

Den foreliggende oppfinnelsen vedrører således et roterende styrbart bo-reverktøy. Verktøyet omfatter en verktøymansjett som omfatter et indre, en øvre ende og en nedre ende. En borkroneaksel omfatter en utvendig overflate, en øvre ende og en nedre ende. Borkroneakselen er støttet i verktøymansjetten for dreiebevegelse om en fast posisjon langs borkroneakselen. En dreiemomentoverfø-rende kopling er tilpasset til overføring av dreiemoment fra verktøymansjetten til borkroneakselen ved den faste posisjon langs borkroneakselen. Et tetningssystem er tilpasset til å tette mellom mansjettens nedre ende og borkroneakselen. En mekanisme for variabel vinkling av borkroneakselen, omfatter en motor og en sideforskjøvet spindel som omfatter en øvre ende og en nedre ende. Motoren er festet ved den øvre ende av den sideforskjøvede spindel og er tilpasset til å rotere den sideforskjøvede spindel. En koplingsmekanisme med variable sideforskyvning omfatter en øvre ende og en nedre ende. Den øvre ende av koplingen med variabel sideforskyvning er utkoplbart innfesting til den nedre ende av den sideforskjøvede spindel.

Et aspekt ved oppfinnelsen kan være et roterende styrbart boreverktøy som har en verktøymansjett og en borkroneaksel. Borkroneakselen er støttet i verk-tøymansjetten for dreibevegelse om en fast posisjon langs borkroneakselen. Videre inkluderer det roterbare styrbare boreverktøy en mekanisme for variabel vinkling av borkroneakselen, lokalisert i det indre av verktøymansjetten. Mekanismen for variabel vinkling av borkroneakselen inkluderer en motor, en sideforskjøvet spindel, og en kopling med variabel sideforskyvning. Motoren er festet til en øvre ende av den sideforskjøvede spindel og tilpasset til å rotere den sideforskjøvede spindel. Den øvre ende av koplingen med variabel sideforskyvning er utkoplbart festet til et sideforskjøvet sted i den nedre ende av den sideforskjøvede spindel, og borkroneakselens øvre ende er roterbart koplet til koplingen med variabel sideforskyvning. Det roterende styrbare boreverktøy inkluderer også en dreiemomen-toverførende kopling som er tilpasset til å overføre dreiemoment fra verktøyman-sjetten til borkroneakselen ved den faste posisjon langs borkroneakselen. Til slutt er et retningssystem tilpasset til å tette mellom den nedre ende av verktøyman-sjetten og borkroneakselen.

Et annet aspekt ved oppfinnelsen kan være en mekanisme for variabel vinkling av borkroneakselen, hvilken har en motor og en sideforskjøvet spindel. Motoren er festet ved den øvre ende av den sideforskjøvede spindel og er tilpasset til å rotere den sideforskjøvede spindel. Videre inkluderer mekanismen for variabel vinkling av borkroneakselen en koplingsmekanisme med variabel sideforskyvning basert på en låsering, hvilken er tilpasset til utkoplbar innfesting av den øvre ende av koplingen med variabel sideforskyvning på sideforskjøvet sted ved den nedre ende av den sideforskjøvede spindel.

Enda et annet aspekt ved oppfinnelsen kan være en dreiemomentoverfø-rende kopling som har en første aksel med fremspring som strekker seg fra dens omkrets og en annen aksel som omfatter en innvendig overflate og en ring, hvor ringen har en innvendig overflate og et flertall av perforeringer rundt sin omkrets og omgir den første aksel, idet hvert fremspring er innrettet med én av ringens perforeringer; og et flertall av sylindere som omfatter en nedre ende, idet den nedre ende har et spor; hvor sylinderne er lokalisert i ringens perforeringer og fremspringene går inn i sylinderens spor.

Andre aspekter og fordeler ved oppfinnelsen vil fremgå av den følgende beskrivelse og de ledsagende krav.

Kort beskrivelse av tegningene

Fig. 1 er en skjematisk illustrasjon av en brønn som blir boret ved bruk av et roterende styrbart boreverktøy i samsvar med den foreliggende patentsøknad. Fig. 2 viser et lengdesnitt gjennom det roterende styrbare boreverktøy på fig. 1 i samsvar med den foreliggende oppfinnelse. Fig. 3 viser et lengdesnitt gjennom en alternativ utførelse av det roterende styrbare boreverktøy. Fig. 4 viser et lengdesnitt gjennom et parti av det roterende styrbare verktøy på fig. 3. Fig. 5 viser et skjematisk lengdesnitt gjennom et parti av det roterende styrbare boreverktøy på fig. 2, idet det vises en kopling med variabel sideforskyvning. Fig. 6 er et riss i lengderetningen av et parti av det roterende styrbare verk-tøy på fig. 2, idet det vises en koplingsmekanisme. Fig. 7a-7b viser et tverrsnitt lagt langs 7-7' av koplingsmekanismen på fig. 6. Fig. 8 er et perspektivriss av et parti av det roterende boreverktøy på fig. 2, idet det vises et dreiemomentoverførende koplingssystem. Fig. 9 viser et tverrsnitt av det dreiemomentoverførende koplingssystem på fig. 8, lagt langs linjen 9-9'. Fig. 10 viser en del av et langsgående tverrsnitt av det dreiemomentoverfø-rende koplingssystem på fig. 8. Fig. 11 viser et langsgående tverrsnitt av et parti av et roterende styrbart boreverktøy, idet det vises en belg. Fig. 1 viser en brønnboring 1 som blir våret av en roterende borkrone 2 som er forbundet til den nedre ende av en borestreng 3 som strekker seg oppover til overflaten hvor den drives av et rotasjonsbor 4 på en typisk borerigg (ikke vist). Borestrengen 3 omfatter et borerør 5 som av den hensikt å påføre vekt på borkronen omfatter ett eller flere vektrør 6. Brønnboringen er vist med et vertikalt eller

hovedsakelig vertikalt øvre parti 7 og et buet nedre parti 8. Brønnboringens avvik er gjort mulig med det roterende styrbare boreverktøy 9.

Fig. 2 viser det roterende styrbare boreverktøy 9 på fig. 1 i nærmere detalj. Det roterende styrbare verktøy 9 inkluderer minst tre hovedseksjoner: en kraftgenereringsseksjon 10, en elektronikk- og sensorseksjon 11 og en styreseksjon 13.

Kraftgenereringsseksjonen 10 omfatter en turbin 18 som driver en veksel-strømsgenerator 19 for produksjon av elektrisk energi. Turbinen og vekselstrøms-generatoren trekker fortrinnsvis ut mekanisk kraft fra borefluidet og omformer det til elektrisk kraft. Turbinen drives fortrinnsvis av borefluidet som beveger seg gjennom det indre av verktøymansjetten, ned til borekronen (fig. 1).

Elektronikk- og sensorseksjonen 11 inkluderer retningssensorer (magneto-metere, aksellerometere og/eller gyroskoper, ikke vist separat) for blant annet å tilveiebringe retningsstyring og formasjonsevaluering. Elektronikk- og sensorseksjonen 11 kan også tilveiebringe den elektronikk som er nødvendig for å operere verktøyet.

Styreseksjonen 13 inkluderer en trykkompensasjonsseksjon 12, en seksjon 14 for tetting mot utsiden, en mekanisme 16 for variabel vinkling av borkroneakselen, en motorsammenstilling 15, som brukes til å orientere borkroneakselen 23 i en ønsket retning, og det dreiemomentoverførende koplingssystem 17. Styreseksjonen 13 holder fortrinnsvis borkroneakselen 23 i en geostasjonær orientering når mansjetten roterer.

Trykkompensasjonsseksjonen 12 omfatter minst en kanal 20 som danner en åpning i verktøymansjetten 24, slik at omgivelsestrykk på verktøymansjettens utside via et stempel 21 kan overføres til kammeret 16 som inkluderer styreseksjonen 13. Stemplet 21 utligner trykket inne i styreseksjonen 13 med trykket til borefluidet som omgir verktøymansjetten 24.

Seksjonen 14 for tetting mot utsiden beskytter det indre av verktøymansjet-ten 24 mot boreslammet. Denne seksjonen 14 opprettholder en tetning mellom oljen inne i styreseksjonen 13 og det utvendige borefluid ved at det ved den nedre ende av verktøymansjetten 24 er anordnet en belgtetning 22 mellom borkroneakselen 23 og verktøymansjetten 24. Belgen 22 kan tillate at borkroneakselen 23 fritt gjennomgår vinkelbevegelse, slik at borkronen kan orienteres etter behov. For å kunne lage belgen 22 av mer fleksibelt materiale, er styreseksjonen kompensert i forhold til det utvendige borefluid ved hjelp av den ovenfor beskrevne trykkompensasjonsseksjon.

En belgbeskyttelsesring 25 kan også være anordnet til å stenge en spalte 46 mellom borkroneakselen 23 og den nedre ende av verktøymansjetten 24. Som det ses av fig. 2, er borkroneakselen 23 fortrinnsvis tilpasset til en konkav sfærisk overflate 26 ved det parti hvor verktøymansjetten 24 er avsluttet. Denne overflaten 26 passer sammen med en motsvarende konveks overflate 27 på belgbeskyttel-sesringen 25. Begge overflater 26, 27 har et senterpunkt som er sammenfallende med senteret i den dreiemomentoverførende kopling 47. Som et resultat av dette dannes en sfærisk grenseflatespalte 46, hvilken opprettholdes når borkroneakselen 23 gjennomgår vinkelbevegelse. Størrelsen av denne spalten er styrt slik at den største partikkel av nedbrutt materiale som kan komme inn i grenseflaten er mindre enn spalten mellom belgen 22 og borkroneakselen 23, hvilket beskytter belgen mot punktering eller skade.

Oljen i styreseksjonen kan være trykkompensert i forhold til det ringformede borefluid. Som et resultat av dette kan differensialtrykket minimaliseres over belgen. Dette gjør det mulig å lage belgen av et tynnere materiale, og lager en mer fleksibel og minimaliserer de alternative spenninger som er et resultat av bøyingen under bruk, hvilket øker belgens levetid.

Motorsammenstillingen 15 opererer mekanismen 16 for variabel vinkling av akselen, hvilken orienterer borkroneakselen 23. Mekanismen 16 for variabel vinkling av borkroneakselen omfatter vinklingsmotoren, en sideforskjøvet spindel 30, en kopling 31 med variabel sideforskyvning, og en koplingsmekanisme 32. Motorsammenstillingen er en ringformet motor som har en rørformet rotor 28. Dens ringformede utforming tillater at alle styreseksjonskomponentene har større diamete-re, og større lastkapasiteter, enn det som ellers ville ha vært mulig. Bruken av en ringformet motor øker også dreiemomentytelsen og forbedrer kjølingen sammen-lignet med andre typer motorer. Motoren kan videre være forsynt med en planet-girkasse og en resolver (ikke vist), fortrinnsvis av ringformet utforming.

Den rørformede rotor 28 tilveiebringer et løp for borefluidet, slik at det kan strømme langs verktøyets akse inntil det når mekanismen 16 for variabel vinkling av borkronen. Borefluidet strømmer fortrinnsvis gjennom et rør 29 som starter ved den øvre ende av den ringformede motorsammenstilling 15. Røret 29 går gjennom den ringformede motor 15 og bøyes ved mekanismen 16 for variabel vinkling av borkronen, og når borkroneakselen 23 hvor borefluidet sprutes ut inn i borkronen. Ved tilstedeværelsen av røret 29 unngås bruken av dynamiske tetninger, hvilket forbedrer påliteligheten.

Alternative utførelser trenger ikke å inkludere røret. Borefluidet kommer inn i den øvre ende av den ringformede motorsammenstilling, går gjennom den rør-formede rotoraksel, passerer mekanismen 16 for variabel akselvinkel, og når den rørformede borkroneaksel 23, hvor borefluidet sprutes ut inn i borkronen. Denne utførelsen krever to roterende tetninger; en der hvor slammet kommer inn i mekanismen for variabel skiftvinkel ved den rørformede rotoraksel, og en annen der hvor det forlater den. I denne utførelsen tillates fluidet å strømme gjennom verk-tøyet.

Vinkelposisjonering av borkronen i forhold til den rørformede verktøyman-sjett utføres med mekanismen 16 for variabel vinkling av borkroneakselen, som generelt er vist på fig. 2. Variasjonen i borkronens vinkelposisjon oppnås ved endring av lokaliseringen av borkroneakselens øvre ende 44 rundt den korresponderende verktøymansjettens tverrsnitt, mens et punkt på borkroneakselen 45, som befinner seg nær den nedre ende av verktøymansjetten holdes fast.

Borkroneakselens øvre ende 44 er festet til den nedre ende av koplingen 31 med variabel sideforskyvning. Enhver sideforskyvning av koplingen 31 med variabel sideforskyvning vil derfor overføres til borkronen. Innfestingen er fortrinnsvis utført med et lagersystem 43 som tillater at den roterer i motsatt retning i forhold til rotasjonen av koplingen 31 med variabel sideforskyvning. Den sideforskjøvede spindel 30 drives av styremotoren for å opprettholde verktøyets avbøy-ningsretning under boring, og den har en sideforskjøvet boring 33 i sin høyre ende.

Fig. 3 viser en alternativ utførelse av det roterende styrbare boreverktøy 9a uten en mekanisme for variabel vinkling av borkroneakselen. Verktøyet 9a på fig. 3 omfatter en kraftgenereringsseksjon 10a, en elektronikk- og sensorseksjon 11a, en styreseksjon 13a, en borkroneaksel 23a, en sideforskjøvet spindel 30a, et bøy-elig rør 29a, en telemetriseksjon 48, en belg 22a og en stabilisator 49. Styreseksjonen 13a inkluderer en motor og en tannhjulsoverføring 51, en geostasjonær aksel 52 og et universalledd 50.

Det dreiemomentoverførende koplingssystem 17 overfører dreiemoment fra verktøymansjetten 24 til borkroneakselen 23 og gjør det mulig å rette borkroneakselen 23 i enhver ønsket retning. Med andre ord overfører det dreiemomentover-førende koplingssystem 17 laster, rotasjon og/eller dreiemoment fra eksempelvis verktøymansjetten 24 til borkroneakselen 23.

I denne utførelse er belgen 22a fortrinnsvis laget av et fleksibelt metall, og den tillater relativ bevegelse mellom borkroneakselen og mansjetten når borkroneakselen 23a gjennomgår vinkelbevegelse gjennom et universalledd 50. Røret 29 er fortrinnsvis bøyelig og fører slam gjennom motorsammenstillingen 15, og bøyes der hvor det passerer gjennom de andre komponentene, og til slutt er det innfestet ved innsiden av borkroneakselen 23a. Den foretrukne utførelse omfatter et bøyelig rør 29a i den ringformede utforming. Alternativt kan det brukes en stiv konstruksjon sammen med ytterligere roterende tetninger, typisk en der hvor slammet ville komme inn i komponenten ved motorens rotor, og en annen der hvor det ville forlate dem, mellom den sideforskjøvede spindel 30a og borkroneakselen 23a. Røret 29a er fortrinnsvis festet til opphullsende av styreseksjonen 13a, og ved den nedre enden til innsiden av borkroneakselen 23a. Røret 29a kan være ustøttet, eller det kan benyttes et støttelager for å styre bøyningen av røret. Røret kan være laget av et høyfast materiale og/eller et materiale med lav elastisitets-modul, så som en høyfast titaniumlegering.

Fig. 4 viser et parti av det roterende styrbare verktøy 9a på fig. 3, og viser styreseksjonen 13a i nærmere detalj. Styreseksjonen 13a inkluderer en motor 52, en ringformet planetgiroverføring 53 og en resolver 54. Verktøyet inkluderer videre en borkroneaksel 23a, en sideforskjøvet spindel 30a og en eksentrisk balanse-ringsvekt 55.

Det skal nå vises til fig. 5, som viser en detalj av mekanismen 16 for variable vinkling av akselen i det roterende styrbare boreverktøy 9 på fig. 2. Mekanismen 16 for variabel vinkling av akselen som er vist på fig. 5 inkluderer en sideforskjøvet spindel 30, en motor/kuleskruesammenstilling 34, en låsering 35 og koplingen 31

med variabel sideforskyvning, hvilken er koplet til borkroneakselen 23.

Koplingen 31 med variabel sideforskyvning holdes i den sideforskjøvede boring i den sideforskjøvede spindel 30, og i sin tur holder den lagerne som støtter enden av borkroneakselen 23 i en sideforskjøvet boring i en ende. Sideforskyvningen ved enden av borkroneakselen resulterer i en proporsjonal sideforskyvning av borkronen. Den sideforskjøvede spindel 30 og koplingen 31 med variabel sideforskyvning kan roteres i forhold til hverandre, slik at sideforskyvningene opphever hverandre hvilket resulterer i ingen sideforskyvning av borkronen. Alternativt kan den sideforskjøvede spindel 30 og koplingen 31 med variabel sideforskyvning roteres i forhold til hverandre, slik at sideforskyvningene kombineres for frembringel-se av den maksimale sideforskyvning av borkronen, eller i en mellomliggende posisjon som vil resultere i en mellomliggende sideforskyvning.

Den sideforskjøvede spindel posisjonerer fortrinnsvis den opphullsende av borkroneakselen 23. Den sideforskjøvede spindel 30 har en boring 33 på sin ned-hullsside, hvilken er sideforskjøvet i forhold til verktøyets akse. Boringen virker som huset for et lager som er montert på enden av borkroneakselen. Ved sammenstilling plasserer den sideforskjøvede boring fortrinnsvis borkroneakselen i en vinkel i forhold til verktøyets akse.

Motorsammenstillingen (fig. 2) roterer den sideforskjøvede spindel 30 for posisjonering av borkronens sideforskyvning etter ønske. Verktøyet kan bruke et lukket sløyfestyresystem for å oppnå styring av borkronens sideforskyvning etter ønske. Posisjonen av den sideforskjøvede spindel i forhold til gravitasjonsretning-en måles kontinuerlig ved hjelp av en resolver som måler rotasjon av den sideforskjøvede spindel i forhold til mansjetten, og aksellerometerne, magnetometerne og/eller gyroskopene som måler rotasjonshastighet og vinkelorientering for mansjetten. Alternativt kunne målingen utføres med sensorer som var montert direkte på selve den sideforskjøvede spindel 30.

Metallbelgen (fig. 2) tilveiebringer en tetning mellom borkroneakselen 23 og mansjetten, og bøyes fortrinnsvis for å føye seg etter den relative bevegelse mellom dem når borkroneakselen gjennomgår en vekslende bevegelse. Belgen opprettholder tetningen mellom oljen på innsiden av sammenstillingen og slammet på utsiden av verktøyet, og motstår differensialtrykk så vel som full vekslende bøy-ning når verktøyet roterer. Endelig er belgen beskyttet mot skade fra store stykker av nedbrutt materiale av en sfærisk grenseflate som opprettholder en liten spalte som det nedbrutte materiale kan komme inn i.

Låseringen 35 kan også brukes til å låse den sideforskjøvede spindel 30 og koplingen 31 med variabel sideforskyvning sammen rotasjonsmessig som vist på fig. 5. Låseringen 35 roterer fortrinnsvis sammen med koplingen 31 med variabel sideforskyvning. Ved endring av vinkel, skyver motor-kuleskruesammenstillingen

34, eller en annen type lineær aktuator, låseringen forover, slik at den løsner den sideforskjøvede spindel og går i inngrep med borkronen 23. På dette punkt vil rotasjon av den sideforskjøvede spindel ved hjelp av styremotoren (ikke vist) rotere den sideforskjøvede spindel i forhold til sylinderen med variabel sideforskyvning, hvilket resulterer i en endring i sideforskyvningen. Når den ønskede effekt ter oppnådd, kan låseringen trekkes tilbake, hvilket løsner sylinderen med variabel sideforskyvning fra borkroneakselen og en gang til låser den til den sideforskjøve-de spindel.

Fig. 6 og 7 viser den sideforskjøvede spindel 30 og koplingen 31 ved variabel sideforskyvning. Fig. 7a og 7b viser et tverrsnitt av den sideforskjøvede spindel, lagt langs linjen 7-7' på fig. 6. Den sideforskjøvede spindel 30 og koplingen 31 med sideforskyvning er festet på en slik måte at avstanden d mellom deres leng-deakser a-a' kan varieres ved rotasjonen av den sideforskjøvede spindel 30 i forhold til koplingen 31 med variabel sideforskyvning. Tilfellet når begge akser er ko-lineære svarer til null borkroneforskyvning (fig. 7a). Borkroneforskyvning vil skje når avstanden mellom aksene er forskjellig fra null (fig. 7b).

Koplingen 31 med variabel sideforskyvning er gjennom en koplingsmekanisme utkoplbart festet til den sideforskjøvede spindel 30. Når det er sammenkop-let roterer kopling 31 ved variabel sideforskyvning sammen med den sideforskjø-vede spindel 30.

For å endre borkronens vinkel, løsner koplingsmekanismen koplingen 31 med variabel sideforskyvning fra den sideforskjøvede spindel. Når den er utkoplet, er den sideforskjøvede spindel 30 fri til å rotere i forhold til koplingen 31 med variabel sideforskyvning, for å endre avstanden mellom aksene a-a' for den sideforskjøvede spindel 30 og koplingen 31 med variabel sideforskyvning, hvilket resulterer i en endring i borkronens sideforskyvning.

Mekanismen 16 for variabel vinkling av borkroneakselen omfatter en sideforskjøvet spindel 30 som har en ikke-konsentrisk boring 33, som er anordnet i dens nedre endetverrsnitt. Den øvre ende av koplingen med variabel sideforskyvning holdes i denne boringen.

Det skal nå vises til fig. 6, som viser en del av det roterende styreverktøy på fig. 2, idet det vises en koplingsmekanisme. Koplingsmekanismen omfatter en lineær aktuator 34 og en låsering 35. Låseringen 35 kopler sammen den sideforskjøvede spindel 30 og koplingen 31 med variabel sideforskyvning, slik at rotasjonen av den sideforskjøvede spindel 30 overføres til koplingen med variabel sideforskyvning. Koplingen oppnås ved å anordne låseringens 35 innside 37 i en ut-sparing 38 som er anordnet i den nedre ende av den sideforskjøvede spindel 30. For å frakople koplingen 31 med variabel sideforskyvning fra den sideforskjøvede spindel 30, skyver aktuatoren 34 låseringen 35 forover. Sammenkoplingen av den sideforskjøvede spindel 30 og koplingen 31 med variabel sideforskyvning oppnås ved å føre låseringen 35 tilbake. Aktuatoren 34 virker fortrinnsvis på en ytterring 36 som strekker seg fra låseringens 35 kant. Aktuatoren 34 kan også være lokalisert innenfor den sideforskjøvede spindel 30, og virke på den innvendige overflate av låseringen 35.1 dette tilfelle ville aktuatoren 34 være innebygget i den sideforskjøvede spindel 30.

Aktuatoren 34 er fortrinnsvis en lineær aktuator, så som eksempelvis en motor/kuleskruesammenstilling. For å endre borkronens vinkel, virker aktuatoren 34 på låseringen 35, slik at den sideforskjøvede spindel 30 er fri til å rotere i forhold til den øvre ende av koplingen 31 med variabel sideforskyvning. Koplingen 37 med variabel sideforskyvning er fortrinnsvis koplet til borkroneakselen 23. Vink-lingsmotorsammenstillingen 15 roterer den sideforskjøvede spindel 30 inntil den ønskede borkroneorientering er oppnådd, og deretter kan koplingen 31 med variabel sideforskyvning igjen koples til den sideforskjøvede spindel 30. Under rotasjonen av den sideforskjøvede spindel 30 holdes den øvre ende av koplingen 31 med variabel sideforskyvning fortrinnsvis innenfor spindelens ikke-konsentriske boring.

Den ønskede orientering av borkronen oppnås ved å endre posisjonen til borkroneakselens øvre ende 44, som vist på fig. 2 ovenfor, og ved å holde et punkt 45 på borkroneakselen fast ved hjelp av det dreiemomentoverførende koplingssystem 17. Det dreiemomentoverførende koplingssystem 17 er lokalisert ved det faste punkt 45 av borkroneakselen, motsatt mekanismen for variabel vinkling av borkroneakselen. Det dreiemomentoverførende koplingssystem kan inkludere enhver type dreiemomentoverførende kopling som overfører dreiemoment fra verktøymansjetten 24 til borkroneakselen 23, selv om de begge ikke er koaksiale.

Fig. 8 viser et forstørret riss av den dreiemomentoverførende kopling 47 på fig. 2. Den omfatter fremspring 39 som er lokalisert på borkroneakselen 23; idet hvert fremspring er dekket av sylindere 40 med spor. En ytterring 41 har langs sin omkrets hull 42, og for å låse fremspringene, passer sylinderne 40 med spor inn i hullene 42. De korresponderende sylindere med spor er fri til å rotere i hvert korresponderende hull 42, og det tillates også at fremspringene 39 dreier seg frem og tilbake.

Den dreiemomentoverførende kopling 47 vist på fig. 8 har samlet ti fremspring som omgir borkroneakselen. Andre utførelser av oppfinnelsen kan imidler-tid inkludere et større eller mindre antall fremspring. Fremspringene 39 opprettholder fortrinnsvis flatekontakt gjennom universalleddet når leddet gjennomgår en vinkelbevegelse. Selv om det kan benyttes kuler, som i standard universalledd, omfatter de dreiemomentoverførende komponenter i den foretrukne utførelse sylindere med spor, som er i inngrep med de rektangulære fremspring på borkroneakselen 23. Sylinderne 40 tillater fortrinnsvis at fremspringene dreier seg frem og tilbake i sporene 63.

Ytter-ringen 41 på den dreiemomentoverførende kopling 47 er koplet til den innvendige overflate av verktøymansjetten 224, slik at den roterer sammen med verktøymansjetten 24 og overfører det korresponderende dreiemoment til borkroneakselen 23. Med denne konfigurasjon overføres dreiemoment fra fremspringene 39 på borkroneakselen 23 til sylinderne 40, deretter til dreiemomentringen 41 og til mansjetten. Som vist på fig. 8 og 9, skjer dreiemomentoverføringen fra ringen til mansjetten fortrinnsvis gjennom et tidsidet polygon. Alternativt kan andre geometrier og/eller anordninger for dreiemomentoverføring som er kjent blant fagpersoner på området brukes i stedet.

Fig. 9 viser et tverrsnitt gjennom den dreiemomentoverførende kopling 47. Tverrsnittene gjennom den utvendige overflate av ytterringen 41 og verktøyman-sjettens innvendige overflate, i det minste det parti som korresponderer med tverr-snittet gjennom den dreiemomentoverførende kopling 17, er polygoner slik at de passer inn i hverandre. Følgelig passer hver side av verktøymansjettens polygon sammen med sin motstående side av ytterringens polygon, og overfører verktøy-mansjettens bevegelse til borkronens aksel.

Fremspringene 39 er fri til å dreie seg frem og tilbake, og sylinderne 40 med spor er fri til å rotere, hvilket muliggjør vinkelbevegelse av borkroneakselen. Som det ses av fig. 10, vil fremspring som er lokalisert hovedsakelig i det samme plan som borkroneakselens vinklingsplan, avhengig av deres posisjon på borkroneakselen, bevege seg frem og tilbake, inne i de korresponderende sylindere med spor. Fremspring som ligger hovedsakelig i planet vinkelrett på vinklingsplanet vil ikke ha noen relevant bevegelse, men deres korresponderende sylindere med spor vil typisk rotere i vinklingens retning.

Det skal nå vises til fig. 11, hvor det er vist et detaljert riss av et parti av et roterende styrbart boreverktøy 9b, hvor belgen 22b er vist. Belgen 22b er posisjonert på den utvendige låsemutter 61 som via gjenger er forbundet til mansjetten (ikke vist). En belgbeskyttelsesring 25 er posisjonert mellom borkroneakselen 23b og den utvendige låsemutter 61. Belgen 22b er festet langs borkroneakselen 23b ved hjelp av øvre belgring 65, og langs låsemutteren 61 ved hjelp av nedre belgring 64.

Fig. 11 viser også en annen utførelse av en dreiemomentoverførende kopling 47b som inkluderer en dreiemomentoverførende kule 66 som er bevegelig posisjonerbar mellom borkroneakselen 23b og dreiemomentringen 61b. Det bøye-lige rør 29b er vist inne i borkroneakselen 23b, og det er forbundet til denne med en innvendig låsemutter 67.

Selv om oppfinnelsen har blitt beskrevet med hensyn til et begrenset antall utførelser, vil fagpersoner på området med støtte i denne beskrivelse forstå at det kan tenkes at andre utførelser som ikke avviker fra oppfinnelsens ramme slik oppfinnelsen her er beskrevet. Oppfinnelsens ramme skal følgelig begrenses kun av de ledsagende krav.

Claims (19)

1. Roterende styrbart boreverktøy, omfattende: en verktøymansjett (24) som omfatter et indre, en øvre ende og en nedre ende; en borkroneaksel (23) som omfatter en utvendig overflate, en øvre ende og en nedre ende, idet borkroneakselen er støttet i verktøymansjetten for dreiebevegelse om en fast posisjon langs borkroneakselen; en dreiemomentoverførende kopling (47) tilpasset til overføring av dreiemoment fra verktøymansjetten (24) til borkroneakselen (23) ved den faste posisjon langs borkroneakselen; et tetningssystem (14) tilpasset til å tette mellom mansjettens nedre ende og borkroneakselen; og en mekanisme (16) for variabel vinkling av borkroneakselen (23), omfattende: en motor (15); en sideforskjøvet spindel (30) som omfatter en øvre ende og en nedre ende, idet motoren (15) er festet ved den øvre ende av den sideforskjøvede spindel og er tilpasset til å rotere den sideforskjøvede spindel; og idet en koplingsmekanisme (31) med variable sideforskyvning omfatter en øvre ende og en nedre ende; karakterisert ved at: den øvre ende av koplingen (31) med variabel sideforskyvning er utkoplbart innfesting til den nedre ende av den sideforskjøvede spindel (30).

2. Roterende styrbart boreverktøy ifølge krav 1, hvori den øvre ende av koplingen (31) med variabel sideforskyvning er utkoplbart festet til den sideforskjøvete lokaliseringen av den nedre ende av den sideforskjø-vede spindel (30) av en låsering (35).

3. Roterende styrbart boreverktøy ifølge krav 2, videre omfattende en aktuator (34) tilpasset til utkopling av den sideforskjøvede spindel (30) fra koplingen (31) med variabel sideforskyvning.

4. Roterende styrbart boreverktøy ifølge krav 3, hvori låseringen (35) omfatter en ytter-ring (36) som aktuatoren (34) virker på.

5. Roterende styrbart boreverktøy ifølge krav 4, hvori aktuatoren (34) omfatter en lineær aktuator.

6. Roterende styrbart boreverktøy ifølge krav 5, hvori den lineære aktuator (34) omfatter en sammenstilling av motor/kuleskrue-typen.

7. Roterende styrbart boreverktøy ifølge krav 6, hvori motoren (15) er en ringformet motor (28).

8. Roterende styrbart boreverktøy ifølge krav 1, hvori borkroneakselen (23) ved det faste punkt omfatter et flertall av fremspring (39) som strekker seg radialt fra den utvendige overflate av borkroneakselen, hvor den dreiemomentoverførende kopling (47) omfatter: en ring (41) som har en innvendig overflate og en omkrets og et flertall av perforeringer (42) rundt omkretsen, hvor ringen (41) omgir borkroneakselen (23) og hvert fremspring (39) er innrettet med en perforering i ringen; et flertall av sylindere (40) som omfatter nedre ender, idet hver nedre ende har et spor; hvor sylinderne er lokalisert i ringens (25) perforeringer og fremspringene går inn i sylinderens spor.

9. Roterende styrbart boreverktøy ifølge krav 8, hvori ringens (41) innvendige overflate omfatter et flertall av spor (63), idet hvert spor krysser en av ringens (41) perforeringer (42).

10. Roterende styrbart boreverktøy ifølge krav 9, hvori ringen (41) er fastholdt til verktøymansjettens (24) innvendige overflate.

11. Roterende styrbart boreverktøy ifølge krav 10, hvori ringen (41) og verk-tøymansjettens (24) innvendige overflate har tverrsnitt, hvor tverrsnittene er polygoner.

12. Roterende styrbart boreverktøy ifølge krav 1, hvori tetningssystemet (14) omfatter: en belgtetning (22) som er lokalisert mellom verktøymansjetten (24) og borkroneakselen(23); en ring (25) som er lokalisert mellom verktøymansjetten (24) og borkroneakselen og er lokalisert ved verktøymansjettens (24) nedre ende, idet ringen (25) har en øvre ende og en nedre ende.

13. Roterende styrbart boreverktøy ifølge krav 12, hvori et trykk mellom verktøymansjettens (24) indre og fluidtrykk i en brønn er ut-lignet med et trykkompensasjonssystem (12) som omfatter en kanal (20) som er ført gjennom verktøymansjetten (24) og et glidende stempel (21) som er lokalisert inne i verktøymansjetten (24), og som har en øvre og en nedre side, hvor stemp-lets øvre side er utsatt for fluidtrykket i brønnen.

14. Roterende styrbart boreverktøy ifølge krav 13, hvori ringen (25) er tilpasset til hovedsakelig å stenge en spalte mellom borkroneakselen (23) og verktøymansjettens (24) nedre ende.

15. Roterende styrbart boreverktøy ifølge krav 14, hvori borkroneakselens (23) utvendige overflate, ved et sted hvor borkronen forlater verktøymansjetten (24), har en konkav sfærisk overflate (26).

16. Roterende styrbart boreverktøy ifølge krav 15, hvori ringens (25) øvre ende har en konveks sfærisk overflate (27) tilpasset til å passe sammen med borkroneakselens (23) konkave sfæriske overflate (26).

17. Roterende styrbart boreverktøy ifølge krav 1, hvori motoren (15) er en ringformet motor (28).

18. Roterende styrbart boreverktøy ifølge krav 17, videre omfattende et rør (29) tilpasset til å føre borefluid fra en øvre ende av motoren (28) til den øvre ende av borkroneakselen (23).

19. Roterende styrbart boreverktøy ifølge krav 18, hvori røret (29) omfatter en titanlegering.