NO325758B1

NO325758B1 - Tool with a self-adjusting reading mechanism for use in releasing equipment attached to a tool string in a borehole.

Info

Publication number: NO325758B1
Application number: NO20065612A
Authority: NO
Inventors: Frank Akselberg
Original assignee: Petrotools As
Priority date: 2006-12-05
Filing date: 2006-12-05
Publication date: 2008-07-14
Also published as: NO20065612L

Abstract

Oppfinnelsen angår en anordning med låsemekanisme for frigjøring av utstyr festet til en borehull-verktøystreng, der anordningen har en sylindrisk koplingsdel (2) omgitt av et hus (1), en strengdel (3) og en stempeldel (4) med sete for kule (8), som frigjør utstyr når kulen (8) landes mot setet og stenger for gjennomstrømning, hvoretter trykk bygges opp for å utløse mekanismen. I låst posisjon er fortanning med vriflater (9´) på stempeldel (4) i inngrep-vriflater (9") på koplingsdel (2), slik at de vil beveges aksialt og rotasjonsmessig relativt til hverandre i begge retninger. l denne posisjon vil også skruflater (10") på stempeldel (4) ligge i inngrep med skruflater (10") på strengdel (3), slik at de beveges aksialt og rotasjonsmessig relativt til hverandre i begge retninger. Samtidig har fortanning med rette flater (11") i koplingsdel (2) inngrep med fortanning med rette flater (11") på strengdel (3), slik at de beveges relativt til hverandre aksialt, med begrenset bevegelse rotasjonsmessig. Stigning på skruflate (9) er større enn på skruflate (10), og forskjellen i stigning og resulterende aksial vandring mellom de to delene ved gitt relativ rotasjon er slik at strengdelen (3) trekkes inn i verktøyet.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The invention relates to a device with a locking mechanism for releasing equipment attached to a borehole tool string, the device having a cylindrical coupling part (2) surrounded by a housing (1), a string part (4) and a ball seat (4) with a ball seat ( 8), which releases equipment when the ball (8) lands against the seat and closes for flow, after which pressure builds up to release the mechanism. In the locked position, gear teeth (9 ') on piston part (4) are engaged in engagement fan surfaces (9 ") on coupling part (2), so that they will move axially and rotationally relative to each other in both directions. screw faces (10 ") on piston part (4) engage with screw faces (10") on string part (3) so that they move axially and rotationally relative to each other in both directions. coupling part (2) engages with straightening tooth surface (11 ") on string part (3) so that they move axially relative to each other, with limited movement rotationally. Rise on screw surface (9) is greater than on screw surface (10), and the difference in pitch and resultant axial migration between the two parts at given relative rotation is such that the string part (3) is pulled into the tool.

Description

Oppfinnelsen angår en anordning med låsemekanisme for frigjøring av utstyr festet til en borehull-verktøystreng, som angitt i innledningen til det medfølgende krav 1. The invention relates to a device with a locking mechanism for releasing equipment attached to a borehole tool string, as stated in the preamble to accompanying claim 1.

I forbindelse med boring etter olje- og gassforekomster benyttes, kjente teknikker med borestreng av sammenskrudde rørseksjoner eller en kontinuerlig borestreng av et skjøtefritt kveilerør ( eng. : coiled tubing). In connection with drilling for oil and gas deposits, known techniques are used with a drill string of screwed together pipe sections or a continuous drill string of a jointless coiled tubing (Eng: coiled tubing).

Utstyr av ulike utførelser festes til nedre del av borestrengen for å utføre forskjellige operasjoner i tilknytning til selve boreprosessen. Equipment of various designs is attached to the lower part of the drill string to carry out various operations in connection with the drilling process itself.

For å sikre at borestrengen kan trekkes opp dersom utstyret i nedre del av strengen setter seg fast, er det mellom utstyret og selve borestrengen montert inn et verktøy som gjør det mulig å frigjøre utstyret og deretter trekke borestrengen ut av borehullet. To ensure that the drill string can be pulled up if the equipment in the lower part of the string gets stuck, a tool is installed between the equipment and the drill string itself which makes it possible to release the equipment and then pull the drill string out of the borehole.

Fra patentlitteraturen hitsettes som bakgrunnsteknikk: From the patent literature, the following is cited as background technology:

- NO B1 322387 omhandler en fremgangsmåte og anordning for å frigjøre utstyr som er festet til en borestreng. En kule sendes ned gjennom borestrengen og landes mot et sete i en sylindrisk strengdel, og etterfølgende trykkøkning i borestrengen utløser en låsemekanisme som frigjør utstyret fra borestrengen. - NO B1 322387 deals with a method and device for releasing equipment that is attached to a drill string. A ball is sent down through the drill string and lands against a seat in a cylindrical string section, and subsequent pressure increase in the drill string triggers a locking mechanism that releases the equipment from the drill string.

Det finnes i dag flere kjente utførelser av slike frigjøringsverktøy. Et fellestrekk er at en kule pumpes ned i borestrengen og landes på et sete i verktøyet, slik at den stenger for gjennomstrømning. Ved deretter å pumpe opp høyt trykk innvendig i borestrengen, ryker en overlastkopling, og forbindelsen mellom utstyr og borestreng brytes. There are today several known designs of such release tools. A common feature is that a ball is pumped down the drill string and lands on a seat in the tool, so that it closes to flow. By then pumping up high pressure inside the drill string, an overload coupling breaks, and the connection between equipment and drill string is broken.

For at frigjøringsverktøy av denne type skal kunne benyttes med tilfredsstillende funksjonssikkerhet, bør de fortrinnsvis fremstilles med en robust og enkel oppbygning og helst bestå av et lite antall bevegelige deler. In order for release tools of this type to be able to be used with satisfactory functional safety, they should preferably be manufactured with a robust and simple structure and preferably consist of a small number of moving parts.

Et særskilt problem knyttet til slike frigjøringsverktøy er ødeleggende slitasje og utmatningsskader grunnet store vibrasjonsbelastninger generert av selve boreprosessen. Normalt fremstilles disse verktøyene med minimal slark og med fine toleranser for klaringer som kan medføre bevegelse mellom verktøyets enkelte deler ved vibrasjonsbelastninger. I praksis er det imidlertid vanskelig å unngå at delene har noe slark, grunnet produksjonskostnader og det faktum at delene skal kunne monteres sammen. A particular problem associated with such release tools is destructive wear and fatigue damage due to large vibration loads generated by the drilling process itself. Normally, these tools are manufactured with minimal slack and with fine tolerances for clearances that can cause movement between the individual parts of the tool during vibration loads. In practice, however, it is difficult to avoid that the parts have some slack, due to production costs and the fact that the parts must be able to be assembled together.

Med foreliggende oppfinnelse fremkommer en alternativ løsning som gir tilfredsstillende funksjonssikkerhet gjennom en enkel og robust konstruksjon med svært få bevegelige deler. Problemene med hensyn til slitasje ved vibrasjonsbelastninger er ved denne oppfinnelsen løst ved at låsemekanismen i verktøyet er selvjusterende, slik at enhver slark som oppstår under bruk fortløpende vil elimineres. The present invention provides an alternative solution that provides satisfactory functional reliability through a simple and robust construction with very few moving parts. The problems with regard to wear due to vibration loads are solved by this invention in that the locking mechanism in the tool is self-adjusting, so that any slack that occurs during use will be continuously eliminated.

Kravene til toleranser ved tilvirking av verktøyet vil da kunne reduseres, med vesentlig reduserte produksjonskostnader som resultat. The requirements for tolerances when manufacturing the tool will then be able to be reduced, with significantly reduced production costs as a result.

Foreliggende søknad vedrører en anordning med låsemekanisme for frigjøring av utstyr festet til en borehull-verktøystreng, og anordningen er kjennetegnet ved de i patentkrav fremsatte karakteristikker. The present application relates to a device with a locking mechanism for releasing equipment attached to a borehole tool string, and the device is characterized by the characteristics stated in the patent claim.

Fig. 1 viser sidesnitt av anordningen i tre ulike tilstander. Fig. 1 shows a side section of the device in three different states.

Fig. 2 viser et sidesnitt av anordningen uten hus, for illustrasjon av den selvjusterende funksjonen. Fig. 2 shows a side section of the device without housing, to illustrate the self-adjusting function.

Fig. 3-5 viser låsedelene i anordningen i 3D hver for seg. Fig. 3-5 shows the locking parts in the device in 3D separately.

Fig. 1A viser anordningen i låst posisjon, ikke aktivert frigjøringsmekanisme. Et hus 1 ér festet til en koplingsdel 2 ved en gjengekopling. Fig. 1B viser anordningen under frigjøringssyklusen, der en kule 8 tetter mot et sete i en stempeldel 4, som drives hydraulisk eller fjærkraft til vist posisjon, skjærpinner 5 skjæres. I denne tilstanden vil stempeldelen 4 tillates å rotere relativt til koplingsdelén 2 og en strengdel 3. Der er dermed ikke lenger en aksial låsing av strengdelen 3 til resten av anordningen. Fig. 1C viser anordningen i frigjort tilstand, der strengdelen 3 er trukket ut, dette har skjedd ved at stempeldelen 4 har rotert til vist posisjon. Den aksiale posisjonen til stempeldelen 4 er sikret av hydraulisk trykk da kulen 8 fremdeles Fig. 1A shows the device in the locked position, release mechanism not activated. A housing 1 is attached to a coupling part 2 by means of a threaded connection. Fig. 1B shows the device during the release cycle, where a ball 8 seals against a seat in a piston part 4, which is driven hydraulically or by spring force to the position shown, shear pins 5 are cut. In this state, the piston part 4 will be allowed to rotate relative to the coupling part 2 and a string part 3. There is thus no longer an axial locking of the string part 3 to the rest of the device. Fig. 1C shows the device in a released state, where the string part 3 has been pulled out, this has happened because the piston part 4 has rotated to the position shown. The axial position of the piston part 4 is ensured by hydraulic pressure when the ball 8 still

i in

tetter mot stempeldelen 4. seals against the piston part 4.

Fig. 2A viser anordningen i låst posisjon uten huset 1. Fortanning med vriflater 9 vises for å illustrere hvorledes aksial kompresjonskraft på disse vil frembringe et torsjonsmoment mellom stempeldelen 4 og koplingsdelén 2. Fig. 2B viser anordningen i låst posisjon, langsgående fortanning med rette flater 11 sørger for en rotasjonsmessig låsing mellom koplingsdelén 2 og strengdelen 3. En skrueflatekopling 10 vises for å illustrere hvorledes strengdelen 3 låses aksialt og rotasjonsmessig når fortanning med vriflater 9 setter opp et torsjonsmoment som følge av påsatt hydraulisk eller fjærkraft som aksial kompresjonskraft på stempeldelen 4. Fig. 2A shows the device in the locked position without the housing 1. Toothing with turning surfaces 9 is shown to illustrate how axial compression force on these will produce a torsional moment between the piston part 4 and the coupling part 2. Fig. 2B shows the device in the locked position, longitudinal toothing with straight surfaces 11 ensures a rotational locking between the coupling part 2 and the string part 3. A screw surface coupling 10 is shown to illustrate how the string part 3 is locked axially and rotationally when toothing with turning surfaces 9 sets up a torque as a result of applied hydraulic or spring force as axial compression force on the piston part 4.

Fig. 2C viser anordningen uten huset 1 og stempeldelen 4. Fig. 2C shows the device without the housing 1 and the piston part 4.

Fig. 3 viser koplingsdelén 2 med fortanning med vriflater 9" og langsgående fortanning med rette flater 1 V. Fig. 4 viser strengdelen 3 med skruflater 10" og langsgående fortanning med rette flater 11". Fig. 3 shows the coupling part 2 with toothing with turning surfaces 9" and longitudinal toothing with straight surfaces 1 V. Fig. 4 shows the string part 3 with screw surfaces 10" and longitudinal toothing with straight surfaces 11".

Fig. 5 viser stempeldelen 4 med vriflater 9<*>og skruflater 10<*>. Fig. 5 shows the piston part 4 with turning surfaces 9<*> and screw surfaces 10<*>.

Anordningen frigjør utstyr fra borestreng ved å sende en kule 8 ned gjennom borestrengen. Når kulen lander mot et sete i verktøyet, stenges gjennom-strømningen av væske eller gass i borestrengen. Deretter bygges trykket i borestrengen opp til ønsket nivå for å utløse mekanismen som skiller borestrengen fra utstyret som er tilkoplet. I låst posisjon ligger fortanningen med vriflater 9<*> på stempeldelen 4 i inngrep med motsvarende fortanning med vriflater 9" på koplingsdelén 2, og slik at delene kan beveges aksialt og rotasjonsmessig relativt til hverandre i begge retninger. The device releases equipment from the drill string by sending a ball 8 down through the drill string. When the ball lands against a seat in the tool, the flow of liquid or gas in the drill string is shut off. The pressure in the drill string is then built up to the desired level to trigger the mechanism that separates the drill string from the connected equipment. In the locked position, the toothing with turning surfaces 9<*> on the piston part 4 engages with the corresponding toothing with turning surfaces 9" on the coupling part 2, and so that the parts can be moved axially and rotationally relative to each other in both directions.

I denne posisjon vil også skruflatene 10' på stempeldelen 4 ligge i inngrep med motsvarende skruflater 10" på strengdelen 3, og slik at delene kan beveges aksialt og rotasjonsmessig relativt til hverandre i begge retninger. Samtidig vil langsgående fortanning med rette flater 1V i koplingsdelén 2 ligge i inngrep med motsvarende fortanning med rette flater 11" på strengdelen 3, slik at delene beveges relativt til hverandre aksialt, mens relativ bevegelse vil begrenses rotasjonsmessig. In this position, the screw surfaces 10' on the piston part 4 will also lie in engagement with corresponding screw surfaces 10" on the string part 3, and so that the parts can be moved axially and rotationally relative to each other in both directions. At the same time, longitudinal toothing with straight surfaces 1V in the coupling part 2 lie in engagement with corresponding toothing with straight surfaces 11" on the string part 3, so that the parts are moved relative to each other axially, while relative movement will be limited in terms of rotation.

På stempeldelen 4 virker det hydrauliske trykket i borestrengen på et ringareal definert av pakningselement 6 og 7. Den hydrauliske kraften vil virke slik at stempeldelen 4 presses mot koplingsdelén 2 gjennom skruflatene 9' og 9", noe som medfører at et torsjonsmoment skapes mellom de to delene. Dette torsjonsmomentet tas opp av strengdelen 3 gjennom skruflatene 10" fra 10' på stempeldelen 4. Strengdelen 3 er videre torsjonslåst mot koplingsdelén 2 ved langsgående fortanning med rette flater 11. On the piston part 4, the hydraulic pressure in the drill string acts on an annular area defined by packing elements 6 and 7. The hydraulic force will act so that the piston part 4 is pressed against the coupling part 2 through the screw surfaces 9' and 9", which results in a torque being created between the two This torque is taken up by the string part 3 through the screw surfaces 10" from 10' on the piston part 4. The string part 3 is further torsionally locked against the coupling part 2 by means of longitudinal toothing with straight surfaces 11.

Skruflatene 10 vil også omdanne torsjonsmoment til aksial kraft mellom strengdelen 3 og stempeldelen 4.. The screw surfaces 10 will also convert torque into axial force between the string part 3 and the piston part 4.

Stigningen på skruflatene 9 og 10 velges slik at stigningen på skruflate 9 er størst, og slik at forskjellen i stigning og resulterende aksial relativ vandring mellom de to delene ved gitt relativ rotasjon er slik at strengdelen 3 trekkes innover i verktøyet. The pitch on the screw surfaces 9 and 10 is chosen so that the pitch on screw surface 9 is greatest, and so that the difference in pitch and resulting axial relative movement between the two parts at a given relative rotation is such that the string part 3 is pulled inward into the tool.

Videre vil stigningene på skruflatene 9 og 10 også velges slik at den aksiale trekkraften overstiger den hydrauliske stempelvirkningen på strengdel 3 ved pakning 7, som virker i motsatt retning. Furthermore, the pitches on the screw surfaces 9 and 10 will also be chosen so that the axial pulling force exceeds the hydraulic piston action on string part 3 at seal 7, which acts in the opposite direction.

Formålet med å balansere kreftene på denne måten er å beskytte avskjæringspinner 5 under boring. Det legges inn tilstrekkelig aksial frigang mellom avskjæringspinner 5 og strengdelen 3, slik at avskjæringspinnene 5 er ubelastet inntil kraftpåvirkningen på stempeldelen 4 snus ved at kule 8 tetter mot et sete i stempeldelen 4, idet kulen 8 slippes ned til verktøyet gjennom borestrengen når en ønsker å aktivisere frigjøringsverktøyet. The purpose of balancing the forces in this way is to protect cut-off pins 5 during drilling. Sufficient axial clearance is introduced between the cut-off pins 5 and the string part 3, so that the cut-off pins 5 are unloaded until the force effect on the piston part 4 is reversed by the ball 8 sealing against a seat in the piston part 4, the ball 8 being dropped down to the tool through the drill string when you want to activate the release tool.

Med økende trykkoppbygging blir den sylindriske stempeldelen 4 utsatt for en stor aksial kraft. Når denne kraften når en på forhånd bestemt verdi, brytes skjærpinnene 5 og strengdelen 4 forskyves til anslag mot huset 1. With increasing pressure build-up, the cylindrical piston part 4 is exposed to a large axial force. When this force reaches a predetermined value, the shear pins 5 are broken and the string part 4 is displaced until it abuts against the housing 1.

Under bevegelsen vil pakningselementet 7 ha kontakt med pakningsflaten på strengdelen 3, og slik definere kraften på stempeldelen 4. During the movement, the sealing element 7 will have contact with the sealing surface on the string part 3, and thus define the force on the piston part 4.

Claims

1. Device with a locking mechanism for releasing equipment attached to a downhole tool string, the tool having a cylindrical coupling part (2) surrounded by a housing

(1) , a string part (3) and a piston part (4) with a seat for a ball (8), which releases equipment from the drill string by sending the ball (8) down through the drill string and landing against the seat, closing off the flow of liquid or gas in the drill string, after which pressure builds up in the drill string to the desired level to trigger the mechanism that separates the drill string from the connected equipment, characterized by that in the locked position a toothing with turning surfaces (9') on a piston part (4) engages with a corresponding toothing with turning surfaces (9") on a coupling part (2), and so that the parts will move axially and rotationally relative to each other in both directions when axial hydraulic or spring force is applied to the screw part (4), that in this position screw surfaces (10") on the piston part (4) will also lie in engagement with corresponding screw surfaces (10") on the string part (3), and so that the parts are moved axially and rotationally relative to each other in both directions, that at the same time a longitudinal serration with straight surfaces (11') in the coupling part (2) will engage with a corresponding serration with straight surfaces (11") on the string part (3), so that the parts are moved relative to each other axially, while relative movement will be restricted rotationally, that on the piston part (4) the hydraulic pressure in the drill string acts on an annular area defined by the packing element (6) and (7), as the hydraulic force will act so that the piston part (4) is pressed against the coupling part (2) through the screw surfaces (9') and (9"), which causes a torsional moment to be taken up by the string part (3) through the screw surfaces (10") from the screw surfaces (10') on the piston part (4), at the same time that the string part (3) is torsionally locked against the coupling part (2) in the case of longitudinal toothing with straight surfaces (11), that the screw surfaces (10) will also convert torque into axial force between the string part (3) and the piston part (4), that the pitch on the screw surfaces (9) and (10) is chosen so that the pitch on screw surface (9) is greatest, and so that the difference in pitch and resulting axial relative travel between the two parts at a given relative rotation is such that the string part (3) is pulled into the tool, and that further, the pitch of the screw surfaces (9) and (10) will also be chosen so that the axial traction force exceeds the hydraulic piston action on the string part (3) by gasket (7) which acts in the opposite direction.

2. Device with locking mechanism according to claim 1, characterized by that by thus balancing the forces, the cut-off pins (5) are protected during drilling, by providing sufficient axial clearance between the the cutting pins (5) and the string part (3), so that the cutting pins (5) are unloaded until the hydraulic force effect on the piston part (4) is reversed by the ball (8) sealing against the seat in the piston part (4), and that with increasing pressure build-up, the cylindrical piston part (4) is exposed to an axial force, which at a predetermined value breaks the shear pins (5), and the string part (4) is displaced until it abuts against the housing (1).