NO325426B1 - Trykklager for et verktoy nede i bronnen - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår et forbedret lager. Især men ikke utelukkende angår oppfinnelsen en forbedret lagersammenstilling, f.eks. et trykklager som kan brukes i brønner, f.eks. ved brønnboring, f.eks. i olje/gass-industrien.

Trykklagersammenstillinger for bruk i brønner har ofte motstridende krav til en tykk aksel og en høy aksial lastbærende kapasitet med et lite tverrsnitt. For å oppnå dette kan et antall trykklagre monteres på linje for å tilveiebringe tilstrekkelig last- og støtevne. I konvensjonelle lagersammenstillinger innebærer dette et problem ettersom lasten ikke kan deles likt mellom rekkene med lagre, noe som kan føre til overdreven slitasje eller svikt i en eller flere av lagrene. Dette problemet kan minskes ved bruk av sammenstillinger av fjærer og mellomstykker. Imidlertid vil disse gjerne være kompliserte. Et annet problem ved brønnapparatur er at plassen gjerne er begrenset.

CH 2 39 592 beskriver en lagersammenstilling som har indre og ytre ringer hvor det mellom dem er montert kulelagerelementer. Disse elementene er anbrakt fra hverandre ved et fleksibelt legeme.

GB 1 1344 318 handler om en lagersammenstilling som omfatter to sett av kulelager. De to settene er montert ved siden av hverandre for å støtte en roteringsdel som er utsatt for aksial varierende last. Hvert sett har indre og ytre ring som kan settes sammen for å glide aksialt og kan forskyves fra hverandre ved en elastisk drivkraft som utføres av et forspent element.

US 5 074 681 angår en nedihulls motor med en lagersammenstilling som tåler høyt aksialtrykk. Lagersammenstillingen omfatter et stasjonært kulebane-element montert i et hus, og et andre roterbart element anordnet mellom huset og en drivaksel. Sammenstillingen inkluderer også et fjærende verktøy for å overføre lasten fra drivakselen og distribuere den videre til de roterende elementene.

Det er et formål ved i det minste et aspekt ved oppfinnelsen å løse eller minske de tidligere nevnte problemer av kjent teknikk.

Det er videre et formål med minst en utførelse av minst et aspekt ved oppfinnelsen å søke å tilveiebringe en fleksibel, lastdelende, antifriksjonslagersammenstil-ling/enhet.

Ifølge et første aspekt ved oppfinnelsen er det tilveiebrakt en lagerenhet omfattende flere lagersammenstillinger, hvor hver lagersammenstilling har minst to lagerelementer anbrakt fra hverandre av et første legeme, hvor det første legeme har anordning for bøying, hvor de første legemer av nærliggende lagersammenstillinger er anbrakt fra hverandre av et tilsvarende første avstandselement som strekker seg derimellom, slik at en last tilført lagerenheten spres i det vesentlige jevnt mellom lagersammenstillingene.

Når en last tilføres lagersammenstillingene kan de første legemer bøyes.

Fortrinnsvis kan bøyningsanordningen omfatte minst et spor eller hakk anordnet på det første legeme.

Fortrinnsvis er hvert første legeme vesentlig ringformet, hvor det minst ene spor fortrinnsvis er anordnet på utsiden av det første legemet.

Fortrinnsvis er sporet vesentlig U-formet.

Det første legemet kan være fast montert til et legeme som lasten tilføres ved bruk.

Fortrinnsvis er en første ringformet overflate på det første legeme forsynt med en første ringformet kanal.

Fortrinnsvis er også en andre ringformet overflate på det første legemet forsynt med en andre ringformet kanal.

Fortrinnsvis omfatter første og andre lagerelementer flere kuler, idet de første og andre lagerelementer kan mottas for bevegelse inne i de første og andre ringformede kanaler i det første legemet.

I en foretrukket utførelse bøyer anordningen for bøyning rundt det første legemets langsgående akse.

Videre er sporet i den foretrukne utførelse anordnet vesentlig perifert rundt det første legemet.

Fortrinnsvis er de nærliggende lagersammenstillingene anbrakt fra hverandre av et andre legeme.

Fortrinnsvis er det andre legemet vesentlig ringformet.

Det andre legemet kan være fast montert på et ytterligere legeme som lasten ikke direkte er tilført ved bruk.

Fortrinnsvis er en første ringformet overflate av det andre legemet forsynt med en første ringformet kanal.

Fortrinnsvis også, er en andre ringformet overflate av det andre legemet forsynt med en andre ringformet kanal.

Fortrinnsvis kan tilsvarende første og andre lagerelementer mottas for bevegelse inne i de første og andre ringformede kanaler i det andre legemet.

Fortrinnsvis er nærliggende andre legemer anbrakt fra hverandre av et tilsvarende andre avstandselement.

I en utførelse kan et ytterligere første avstandselement være tilveiebrakt mellom en ende som kraften tilføres ved bruk, og en nærliggende ende av et nærliggende første legeme.

Ifølge et andre aspekt ved oppfinnelsen er det tilveiebrakt et verktøy eller apparat som omfatter en lagerenhet ifølge det første aspekt ved oppfinnelsen.

Verktøyet kan være et verktøy for bruk i et borehull i en olje/gass-brønn.

Verktøyet kan omfatte en del av et brønnboreapparat som kan omfatte en brønn-motor, f.eks. en Mointeau-motor eller en motor som beskrevet i W095/19488, hvis inn-hold det henvises til her.

Det første legemet kan være fast montert til en aksel som lasten tilføres ved bruk. Akselen kan være holdt vesentlig konsentrisk inne i lagerenheten.

Det andre legemet kan være fast montert til et hus. Huset kan være vesentlig konsentrisk rundt lagerenheten.

Fortrinnsvis er nærliggende første legemer langsgående anbrakt fra hverandre ved hjelp av det første avstandselement som også kan være montert på akselen.

Fortrinnsvis også, er nærliggende andre legemer anbrakt langsgående fra hverandre ved hjelp av et andre avstandselement som også kan være montert på huset.

Utførelser av oppfinnelsen vil nå bli beskrevet ved hjelp av eksempel og hen-visning til de vedføyde tegninger, hvor: Fig. 1 er et snittriss fra siden av en del av et verktøy nede i brønnen med en lagersammenstilling ifølge en første utførelse av oppfinnelsen, fig. 2 er et perspektivriss av en del av lagersammenstillingen på fig. 1, fig. 3 er et snittriss fra siden av et verktøy nede i brønnen som omfatter en lagersammenstilling ifølge en andre utførelse av oppfinnelsen.

På fig. 1 er det vist en del av et brønnverktøy, generelt benevnt 5, ifølge en første utførelse av oppfinnelsen. Verktøyet 5 kan ha form av et boreapparat. Verktøyet 5 omfatter en lagerenhet (pakning) 10 som omfatter en rekke nærliggende lagersammenstillinger 15, hvor det i denne utførelse er tilveiebrakt tre sammenstillinger 15.

Hver lagersammenstilling 15 har to antifriksjonslagerelementer 400 anbrakt fra hverandre av et første legeme 500, idet det første legemet 500 har anordning for bøyning. Således når en last tilføres lagersammenstillingen 15, vil det første legemet 500 bøyes. I denne utførelse omfatter bøyningsanordningen minst et vesentlig perifert anordnet spor 510 formet på det første legemet 500.

Det første legemet 500 er vesentlig ringformet, hvor minst et spor 510 er anordnet på utsiden av det første avstandslegeme 500. Som det vil fremgå av fig. 1 og 2, har sporet 510 en vesentlig U-form i tverrsnitt.

Det første legemet 500 er fast montert på en aksel 600 som lasten tilføres ved bruk, idet akselen 600 er vesentlig konsentrisk inneholdt i lagerenheten 10. Akselen 600 kan være hul, og ha en sokkel 610 for tilkopling, f.eks. til en borekrone eller lignende (ikke vist).

En første ringformet overflate 610 på det første legemet 500 er forsynt med en første kanal 620. Videre er en andre ringformet overflate 630 på det første legemet 500 forsynt med en andre ringformet kanal 640. De første og andre lagerelementer 400 omfatter hver flere kuler, idet de første og andre lagerelementer 400 kan mottas for bevegelse inne i de første og andre ringformede kanaler 620, 640 i det første legemet 500.

Lagerenheten 10 omfatter flere lagersammenstillinger 15. Hver nærliggende lagersammenstilling 15 er anbrakt fra hverandre av et andre legeme 200. Hvert andre legeme 200 har en vesentlig ringformet form. De andre legemene 200 er fast montert til et ytre hus 100 som lasten ikke (direkte) tilføres ved bruk.

En første ringformet overflate 650 på hvert andre legeme 200 er forsynt med en første ringformet kanal 660. En andre ringformet overflate 670 på hver av de andre legemene 200 tilveiebrakt mellom nærliggende sammenstillinger 15 er forsynt med en andre ringformet kanal 680. Andre legemer 200 tilveiebrakt ved endene av enheten 10 er bare forsynt med en kanal 660, som det fremgår av fig. 1.

På denne måte blir tilsvarende første og andre lagerelementer 400 mottatt for bevegelse innenfor de første og andre ringformede kanaler 660, 670 i det andre avstandslegemet 200.

På fig. 1 er de andre legemene 200 fast montert til et hus 100. Huset 100 omslutter vesentlig lagerenheten 10.

En første kanal 620 i det første avstandslegemet 500 vender mot en andre kanal 680 i et andre legeme 200. Likeledes vender en andre kanal 640 i det første legemet 500 mot en første kanal 660 i et andre legeme 200.

Som det fremgår av fig. 1, er de første legemene 500 langsgående anbrakt fra hverandre langs akselen 600 og skilt fra hverandre av første avstandselementer 700, som kan være fast montert til akselen 600. Som det videre fremgår av fig. 1, er de andre legemene 200 langsgående anbrakt med mellomrom langs huset 100 og skilt fra hverandre av andre avstandselementer 300 som kan være fast montert til huset 100.

Det vil fremgå at akselen 600 kan dreie fritt i forhold til huset 100. Således kan de første legemene 500 dreie i forhold til de andre legemene 200.

Komponentene av verktøyet 5 kan i denne utførelse fremstilles av følgende materialer:

Imidlertid vil det fremgå at et hvilket som helst legeringsstål kan brukes som kan overflateherdes til en dybde i størrelsesorden titusendels av en tomme (25,4 mm) ved nitrering/karborisering.

Ved bruk tilveiebringer fleksibiliteten i lagersammenstillingen 15 lastdeling gjennom lagerenheten 10. Denne fleksibiliteten forårsakes av sporet 510. Etter hvert som en (trykk) last F tilføres akselen 600, vil et første legeme 500 avvike eller bøyes under lasten F for å sikre at de neste første legemer 500 passende kan anbringes slik at noe av lasten deretter overføres gjennom det nærliggende innvendige avstandsstykket 700 til det neste første legeme 500 osv. Dette sikrer at lasten F blir spredt jevnt mellom lagersammenstillingene 15 i enheten 10, og ikke bæres av en enkelt lagersammenstilling 15. Således blir lasten F fordelt på en måte som ikke er mulig ved bruk av kjente, faste lagersammenstillinger. Ettersom hvert legeme 200, 500 er dobbeltsidet, kan lasten F være enten strekkende eller sammentrykkende. I hvert tilfelle vil lasten F blir fordelt over hver av lagersammenstillingene 15 av enheten 10.

Både statiske og dynamiske prøver har blitt utført på en fleksibel lagerenhet 10 med 1 11/16 tommer (42,9 mm), og dens ytelse har blitt funnet å være bedre enn ventet.

Lagersammenstillingen 15 viste en lineær avbøyning til 20 kN hvor det like deretter oppstod Brinelling. Dette ble så etterfulgt av en andre lineær avbøyning ettersom både avbøyningen av det hesteskoformede spor 510 og i mindre utstrekning Brinellingen fortsatte. Avbøyningen er 0,8 mm før Brinellingen oppstår for hver lagersammenstilling 15, mens det ble antydet på forhånd 0,05 til 0,06 mm, en økning med en faktor på 15. Det var ingen skade på lagerelementene i noen tilfelle.

Ut fra undersøkelser av kanalene 620, 640 etter prøving, ble det funnet at lasten blir tilført ved omtrent 45° mot skuldrene i kanalene 620, 640, dvs. vekk fra den fleksible del, og er ikke vertikal. Dette fører til en meget sterkere lagersammenstilling 15 ettersom den bare må takle rundt 0,707 ganger den vertikale kraft som tilføres, og således kan bære mer last. Denne lasten blir også rettet inn mot den sterkeste og stiveste del av kanalene, noe som ytterligere øker de lastbærende muligheter.

For en lagerenhet 10 kan hver kanal motstå i nær 25 kN før det oppstår en større skade. F.eks. kan lasten i 5 sett kanaler, være omtrent 125 kN eller 12,7 tonn før det oppstår alvorlige problemer, noe som langt overskrider det som forventes på området.

Lasten deles i en stor grad etter en innledende Brinelling av første legemets kanaler. Under svært høye belastninger vil kanalen nærmest lasten imidlertid svekkes raskere og den etterfølgende svikt ble sendt med lasten til de gjenværende kanaler.

Brinellingeffekten som fremkom på overflaten av den første kanal vil ikke svekkes under høyere belastninger.

Kombinasjonen av de to dynamiske prøvene som brukte optimaliserte mellomstykker, varte i 219,5 timer ved 0,1500 lbf (6672N) WOB.

Forutsatt at en konvensjonell 1 11/16" MACDRILL (TM)-motor som omtalt i W095/19488 har et metningsmoment ved denne kraft, kan det sikkert antas at denne last ikke vil sees i lengre perioder under boring. I betrakting av det faktum at lasten mot slitasje-kurven er eksponensial kan levetiden for den fleksible lagerenheten 10 ved normale driftsbelastninger, være vesentlig større enn de 219,5 timer som den ble utsatt for under prøver.

I alt er de fleksible lagersammenstillingene 15 mye sterkere enn det som ble antatt ettersom lasten virker minst 45° gjennom kanalene. Lastbanen med (WOB) belastning bærer lasten inn mot akselen 600 og ikke mot de hesteskoformede spor 510. Dette fører derfor til at kanalen bøyer mindre enn dens designspesifikasjon og utsettes for Brinelling snarere enn bøyningsvirkninger. Lagerenheten 10 produserer samme virkning som ved kjente vinklede kontaktlagre, men til en brøkdel av kostnaden.

Det finnes flere muligheter som kan forbedre utformingen av lagerenheten 10, slik at den innledende Brinelling på et første innvendig mellomstykke kan reduseres, f.eks.:

1. Øke sporet 510 sin dybde for å øke bøyningen og hjelpe lastfordelingen.

2. Innføre et ekstra, innvendig avstandsstykke for å sikre at fjæringen på det første legemets kanal og resten av kanalene blir det samme.

På fig. 3 er det vist en del av et brønnverktøy generelt benevnt 5A, ifølge en andre utførelse av oppfinnelsen. Verktøyet 5A er likt verktøyet 5 i den første utførelse, og like deler har blitt benevnt med like betegnelser, men etterfulgt av 'A'. Imidlertid skiller verktøyet 5A seg fra verktøyet 5 ved at det er innført et ekstra innvendig mellomstykke 700'A for å søke å tilveiebringe fordelen som tilbys av (2) ovenfor.

Det vil fremgå at utførelsene av oppfinnelsen som tidligere beskrevet ovenfor, bare er gitt ved eksempel og er ikke ment å begrense oppfinnelsens omfang på noen måte. Det vil f.eks. fremgå at antallet lagersammenstillinger som utgjør en lagerenhet kan velges for å tilveiebringe en ønsket lastkapasitet.

Det vil videre fremgå at oppfinnelsen muliggjør en større utvendig diameter av akselen og derfor en større (hex)-kopling og derfor en høyere momentkapasitet enn for kjente lagerenheter. En større utvendig diameter av akselen gjør det mulig, med samme styrke, å oppnå en større innvendig diameter av akselen og således et redusert trykktap gjennom (driv-)akselen.

Claims (30)

1. Lagerenhet (10) omfattende flere lagersammenstillinger (15), hvor hver lagersammenstilling (15) har minst to lagerelementer (400) anbrakt fra hverandre av et første legeme (500), hvor det første legeme (500) har anordning (510) for bøying, hvor de første legemer (500) av nærliggende lagersammenstillinger (15) er anbrakt fra hverandre av et tilsvarende første avstandselement (700) som strekker seg derimellom, slik at en last tilført lagerenheten (10) spres i det vesentlige jevnt mellom lagersammenstillingene (15).

2. Lagerenhet (10) ifølge krav 1, karakterisert ved at når en last, ved bruk, tilføres lagersammenstillingene (15), vil de første legemer (500) bøyes.

3. Lagerenhet (10) ifølge ett av kravene 1 eller 2, karakterisert ved at bøyningsanordningen (510) omfatter minst et spor eller hakk (510) anordnet på det tilsvarende første legeme (500).

4. Lagerenhet (10) ifølge av krav 3, karakterisert ved at hvert første legeme (500) er vesentlig ringformet, hvor det minst ene spor (510) er anordnet på utsiden av det tilsvarende første legeme (500).

5. Lagerenhet (10) ifølge ett av kravene 3 eller 4, karakterisert ved at hvert spor (510) har en vesentlig U-form.

6. Lagerenhet (10) ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved at hvert første legeme (500) er fast montert til et legeme (600) som last tilføres ved bruk.

7. Lagerenhet (10) ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved at den første ringformet overflate (610) på hvert første legeme (500) er forsynt med den første ringformet kanal (620).

8. Lagerenhet (10) ifølge krav 7, karakterisert ved at en andre ringformet overflate (630) på hvert første legeme (500) er forsynt med en andre ringformet kanal (640).

9. Lagerenhet (10) ifølge krav 8, karakterisert ved at de første og andre lagerelementer (400) hver omfatter flere kuler (400), idet de første og andre lagerelementer (400) kan mottas for bevegelse inne i de første og andre ringformede kanaler (620, 640) i de tilsvarende første legemer (500).

10. Lagerenhet (10) ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved at anordningen (510) for bøying bøyer seg rundt en langsgående akse for det tilsvarende første legemet (500).

11. Lagerenhet (10) ifølge ett av de foregående krav 4-10, karakterisert ved at sporet (510) er anordnet vesentlig perifert rundt det tilsvarende første legemet (500).

12. Lagerenhet (10) ifølge foregående krav, karakterisert ved at nærliggende lagersammenstillinger (15) er anbrakt fra hverandre av et andre legeme (200).

13. Lagerenhet (10) ifølge krav 12, karakterisert ved at det andre legemet (200) er vesentlig ringformet.

14. Lagerenhet (10) ifølge krav 12 eller 13, karakterisert ved at det andre legemet (200) er fast montert til et ytterligere legeme (100) som lasten ikke direkte tilføres ved bruk.

15. Lagerenhet (10) ifølge krav 12-14, karakterisert ved at en første ringformet overflate (650) av det andre legemet (200) er forsynt med en første ringformet kanal (660).

16. Lagerenhet (10) ifølge krav 15, karakterisert ved at en andre ringformet overflate (670) av det andre legemet (200) er forsynt med en andre ringformet kanal (680).

17. Lagerenhet (10) ifølge krav 16, karakterisert ved at tilsvarende første og andre lagerelementer (400) kan mottas for bevegelse inne i de første og andre ringformede kanaler (660, 680) i det andre legemet (200).

18. Lagerenhet (10) ifølge krav 12-17, karakterisert ved at nærliggende andre legemer (200) er anbrakt fra hverandre av et tilsvarende andre avstandselement (300).

19. Lagerenhet (10A) ifølge foregående krav, karakterisert ved at et ytterligere første avstandelement (700'A) er tilveiebrakt mellom en ende som kraften tilføres ved bruk, og en nærliggende ende av et nærliggende første legeme (500A).

20. Verktøy eller apparat (5), karakterisert ved at det omfatter en lagerenhet (10, 10A) ifølge ett av kravene 1-19.

21. Verktøy eller apparat (5) ifølge krav 20, karakterisert ved at verktøyet (5) er et verktøy for bruk i et borehull i en olje/gass-brønn.

22. Verktøy eller apparat (5) ifølge ett av kravene 20-21, karakterisert ved at verktøyet (5) omfatter del av et borehulls boreutstyr som valgfritt omfatter en motor for bruk nede i brønnen.

23. Verktøy eller apparat (5) ifølge ett av kravene 20 eller 22, karakterisert ved at det første legeme (500) er fast montert til en aksel (600) som lasten tilføres ved bruk.

24. Verktøy eller apparat (5) ifølge krave 23, karakterisert ved at akselen vesentlig er holdt konsentrisk inne i lagerenheten (10).

25. Verktøy eller apparat (5) ifølge ett av kravene 20-24 når avhengig av krav 12, karakterisert ved at det andre legemet (200) er fast montert til et hus (100).

26. Verktøy eller apparat (5) ifølge kravene 25, karakterisert ved at huset (100) omslutter lagerenheten (10) vesentlig konsentrisk.

27. Verktøy eller apparat (5) ifølge ett av kravene 20-26, karakterisert ved at nærliggende første legemer (500) er langsgående anbrakt fra hverandre ved hjelp av det første avstandselement.

28. Verktøy eller apparat (5) ifølge krav 23, karakterisert ved at de første avstandselementer (700) er montert på akselen (600).

29. Verktøy eller apparat (5) ifølge ett av kravene 23-28, karakterisert ved at nærliggende andre legemer (200) er anbrakt fra hverandre langsgående av et andre avstandelement (300).

30. Verktøy eller apparat (5) ifølge krav 29, når avhengig av krav 25, karakterisert ved at de andre avstandselementene (300) er montert på huset (100).