NO326338B1 - Anordning for overforing av elektrisk energi mellom roterende og ikke-roterende elementer i nedihullsverktoy - Google Patents

Description

Bakgrunn for oppfinnelsen

Kryssreferanser til relaterte søknader

Denne søknaden er relatert til United States Provisional Application Serial no 60/159234 innlevert til Det Amerikanske Patentverket 13. oktober 1999 fra hvilken det er krevd prioritet og hvilken beskrivelse herved er inkludert ved referanse.

Oppfinnelsen fagområde

Denne oppfinnelsen omhandler generelt nedihullsverktøy på oljefelt og mer spesifikt boresammenstillinger benyttet til boring av brønnhull hvor elektrisk kraft og data er overført mellom roterende og ikke-roterende partier av boresammenstillingen.

Beskrivelse av kjent teknikk

For å utvinne hydrokarboner slik som olje og gass, er borehull eller brønnhull boret ved å rotere en borekrone festet til bunnen av en boresammenstilling (også omtalt her som et "bunnhullssammenstilling) eller "BHA"). Boresammenstillingen er festet til bunnen til et rør, som vanligvis enten er en sammenføyd stivt rør eller en relativ fleksibel kveilbart rør vanligvis omtalt i kjent teknikk som "kveilerør". Strengen som omfatter røret og boresammenstillingen er vanligvis omtalt som "borestrengen". Når et sammenføyd rør benyttes som rør, er borekronen rotert ved å rotere det sammenføyde røret fra overflaten og/eller med en boreslammotor innsatt i boresammenstillingen. I tilfellet med et kveilrør er borekronen rotert av boreslamsmotoren. Under boring er et borefluid (også omtalt som "slam") tilført boresammenstillingen under trykk inn i røret. Borefluidet passerer gjennom boresammenstillingen og tømmes ved borekronens bunn. Borefluidet skaffer smøring til borekronen og bærer fjellfragmenter til overflaten som er løsrevet av borekronen i brønnhullet. En drivaksel forbundet til motoren og borekronen roterer borekronen.

En betydelig andel av dagens boreaktivitet involverer boring av avledete og horisontale brønnhull for å fullt utnytte reservene av hydrokarboner. Slike borehull kan ha relativt komplekse brønnprofiler. For å bore slike komplekse brønnhull, er boresammenstillinger benyttet slik at de inkluderer et flertall av uavhengige opera-tive komponenter for å virke med en kraft mot brønnhullsveggen under boring av brønnhullet for å holde borekronen langs et forhåndsbeskrevet forløp og for å endre boreretningen. Slike komponenter for tilveiebringelse av kraft kan være arrangert på den ytre periferien til legemet til boresammenstillingen eller på en ikke-roterende hylse arrangert omkring den roterende drivakslingen. Disse komponentene for tilveiebringelse av kraft beveges radielt for å anvende en kraft på brønnhullet for på denne måten å føre borekronen og/eller for å endre boreretningen utover med elektriske anordninger eller elektro-hydrauliske anordninger. I slike boresammenstillinger finnes det spalter mellom de roterende og de ikke-roterende partiene. For å redusere den totale størrelsen av boresammenstillingen og for å skaffe mer kraft til ribbene, er det ønskelig å plassere anordningene (slik som motor og pumpe) som er nødvendige for å drive komponenten for tilveiebringelse av krefter i de ikke-roterende partiene. Det er også ønskelig å plassere elektroniske kretser og visse sensorer i det ikke-roterende partiet. Følgelig kan kraft bli overført mellom det roterende partiet og det ikke-roterende partiet for å drive elektrisk drevne anordninger og sensorer i det ikke-roterende partiet. Data må også bli overført mellom roterende og ikke-roterende partier til en slik boresammenstilling. Forseglede sleperinger er ofte benyttet for overføring av energi og data. Pakningene ødelegges ofte som forårsaker verktøysammenbrudd nedihulls.

I boresammenstillinger som ikke inkluderer en ikke-roterende hylse som beskrevet overfor, er det ønskelig å overføre energi og data mellom roterende boreakslinger til en boremotor og det stillestående huset som omslutter boreakslingen. Energien som blir overført til den roterende akslingen kan benyttes til å drive sensorene i den roterende akslingen og/eller borekronen. Energi og data overføring mellom roterende og ikke-roterende partier som har en spalte derimellom kan også være hensiktsmessig i andre nedihullsverktøy konfigurasjoner.

US 5,931,239 beskriver en boresammenstilling til boring av brønnhull omfattende en roterende komponent og en ikke-roterende hylse plassert rundt den roterende komponenten. En spalte er plassert derimellom og en induktiv kobling er forbundet med den roterende komponenten og den ikke-roterende hylsen for overføring av elektrisk energi mellom den roterende komponenten og den ikke roterende hylsen.

Fra WO 98/34003 fremgår det en boresammenstilling til boring av brønnhull omfattende en slammotor med en energiseksjon bestående av en rotor arrangert i en stator, idet fluid kan ledes under trykk gjennom slammotoren, og en lagersammenstilling som har en drivaksel arrangert i et ikke-roterende hus og en spalte derimellom. Nevnte drivaksel er operativt koblet til, og rotert av nevnte motor, og nevnte drivaksel er tilpasset for plassering av en borkrone i enden av denne, og en induktiv koplingsanordning i nevnte lagersammenstilling for overføring av elektrisk energi fra nevnte ikke-roterende hus til nevnte roterende drivaksel under boring av brønnhullet.

Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer en kontaktløs kopling for overføring av energi og data mellom roterende og ikke-roterende partier til nedihulls oljefelts-verktøy, boresammenstillinger som inneholder roterende og ikke-roterende komponenter inkludert.

Oppsummering av oppfinnelsen

Generelt tilveiebringer foreliggende oppfinnelse en anordning og fremgangsmåte for overføring av energi og data over en spalte mellom roterende og ikke-roterende komponenter i nedihulls oljefeltsverktøy.

Oppfinnelsen omfatter således en boresammenstilling for anvendelse til boring av brønnhull. Sammenstillingen omfatter en borkronemotor med et roterbart element og et ikke-roterbart element med spalte derimellom. En roterende drivaksel og en ikke-roterende hylse er plassert rundt nevnte roterende drivaksel med en spalte derimellom. Boresammenstillingen omfatter ytterligere en energimodul innrettet mellom nevnte borkronemotor og nevnte roterende drivaksel. Nevnte energimodul er innrettet for å rotere sammen med nevnte roterbare element og nevnte roterende drivaksel. En første induktiv koplingsanordning er tilknyttet nevnte roterende drivaksel og nevnte ikke-roterende hylse. Nevnte første induktive koplingsanordning er innrettet for: (i) overføre elektrisk energi generert av energimodulen til nevnte ikke-roterende hylse; og (ii) tilveiebringe toveis data/signaloverføring mellom nevnte roterende drivaksel og nevnte ikke-roterende hylse. En andre induktive koplingsanordning er innrettet for å overføre elektrisk energi generert av nevnte energimodul og data mellom nevnte roterbare element på nevnte borekronemotor og nevnte ikke-roterbare element på nevnte borkronemotor.

Videre omfatter oppfinnelsen en fremgangsmåte for overføring av energi og data mellom roterende og ikke-roterende elementer på en boresammenstilling. Nevnte boresammenstilling omfatter en borkronemotor med et roterbart element og et ikke-roterbart element med en spalte derimellom. En roterende drivaksel og en ikke-roterende hylse er plassert rundt nevnte roterende drivaksel med en spalte derimellom. Nevnte fremgangsmåte omfatter trinnene med å: generere energi i en energimodul innrettet mellom nevnte borkronemotor og nevnte roterende drivaksel for rotering med nevnte roterbare element og nevnte roterende drivaksel og overføring av elektrisk energi generert av energimodulen, til nevnte ikke-roterende hylse, ved anvendelse av et første induktiv koplingselement tilknyttet nevnte roterende drivaksel og nevnte ikke-roterende hylse;

tilveiebringe toveis data/signaloverføring mellom nevnte roterende drivaksel og nevnte ikke-roterende hylse ved anvendelse av nevnte første induktive koplingselement; og

overføring av elektrisk energi generert av energimodulen og data mellom nevnte roterbare element av nevnte borkronemotor og nevnte ikke-roterbare element av nevnte borkronemotor ved anvendelse av en andre induktiv koplingsanordning.

Spalten kan inneholde et ikke-konduktivt fluid, slik som borefluid eller olje for anvendelse av hydrauliske anordninger i nedihullsverktøy. Nedihullsverktøyet, i en utførelsesform, kan være en boresammenstilling hvorved drivakslingen er rotert av en nedihulls motor for å rotere borekronen som er festet til bunnenden av drivakslingen. En hovedsakelig ikke-roterende hylse omkring drivakslingen kan inkludere et flertall uavhengige styrte komponenter for tilveiebringelse av kraft, hvor hver slik komponent er tilpasset å beveges radielt mellom en tilbaketrukket posisjon og en utstrakt posisjon. Komponenten for tilveiebringelse av kraft kan være drevet for å utøve den kraften som er nødvendig for å opprettholde og/eller endre boreretningen. I et foretrukket system, skaffer et felles eller separat elektrisk drevet hydrauliske enheter energi (kraft) til komponentene for tilveiebringelse av kraft. En induktiv kopling kan overføre elektrisk energi og data mellom roterende og ikke-roterende komponenter. En elektrisk kontrollert krets eller enhet i sammenheng med den roterende komponenten kontrollerer overføringen av energi og data mellom roterende og ikke-roterende komponenter. En elektrisk kontrollkrets eller enhet båret av den ikke-roterende komponenten kontrollerer energien til anordningene i den ikke-roterende komponenten og kontrollerer også overføringen av data fra sensorer og anordninger båret av den ikke-roterende komponentene til den roterende komponenten.

I en alternativ utførelsesform av oppfinnelsen kan en induktiv koplingsanordning overføre energi fra et hovedsakelig ikke-roterende hus i boremotor til den roterende boreakslingen. Den elektriske energien overført fra den roterende boreakslingen kan bli benyttet til å drive en eller flere sensorer i borekronen og/eller dreiesammenstillingen. En kontrollkrets nær borekronen kan kontrollere overføringen av data fra sensorene i den roterende komponenten til det ikke-roterende huset.

En induktiv kopling kan også tilveiebringes i en separat modul ovenfor slammotoren for å overføre energi fra et ikke-roterende parti av den roterende komponenten av slammotoren og borekronen. Energien som er overført kan benyttes til å drive anordninger og sensorer i roterende partier i boresammenstillingen, slik som boreakslingen og borekronen. Data er overført fra anordninger og sensorer i det roterende partiet til det ikke-roterende partiet via dette eller en separat induktiv kopling. Data i de forskjellige utførelsesformene er overført med frekvensmodulering, amplitudemodulering eller ved diskrete signaler.

Eksempler på mer viktige egenskaper til oppfinnelsen har følgelig blitt opp-summert i utstrakt grad for på denne måten at den detaljerte beskrivelsen som derav følger kan bli bedre forstått, og for å være i stand til å forstå bidragene til kjent teknikk. Det er selvfølgelig tilleggsegenskaper til oppfinnelsen som vil bli beskrevet heri og som vil danne grunnlaget til kravene som er vedlagt her.

Kortfattet beskrivelse av tegningene

For en detaljert forståelse av foreliggende oppfinnelse er referanser gjort til den detaljerte beskrivelsene av den foretrukne utførelsesform, med de med-følgende tegningene, i hvilke like elementer er tildelte like numre og hvorved: Figur 1 er et isometrisk snitt av et parti av en boresammenstilling som viser den relative posisjonen til en roterende drivaksling (den "roterende komponenten") og en ikke-roterende hylse (den "ikke-roterende" komponenten) og elektrisk energi og data overføringsanordning for overføring av energi og data mellom roterende og ikke-roterende komponenter over en spalte ifølge en av utførelsesformene av foreliggende oppfinnelse. Figur 2 er et linjediagram av et parti av en boresammenstilling som viser den elektriske energi og data overføringsanordningen og de elektriske kontroll-kretsene for overføring av energi og data mellom roterende og ikke-roterende partier til boresammenstillingen ifølge en utførelsesform av foreliggende oppfinnelse. Figur 3 er et skjematisk funksjonsdiagram som viser flere utførelsesformer som omhandler energi og data overføringsanordningen vist i figur 1-2 og for driveanordninger i det ikke-roterende partiet som benytter energi og data overført fra de roterende til de ikke-roterende partiene og for driveanordninger i et roterende parti som benytter energi og data overført fra et ikke-roterende til det roterende partiet. Figur 4 er et skjematisk diagram av et parti av en boresammenstilling hvor en induktiv kopling er vist arrangert ved to alternative plasseringer for overføring av energi og data mellom roterende og ikke-roterende komponenter. Figur 5A-5B er tverrsnittsdiagram over to mulige konfigurasjoner for induktive koplinger i et verktøy ifølge forliggende oppfinnelse.

Beskrivelse av den foretrukne utførelsesformen

Figur 1 er et isometrisk snitt av et parti eller en del 100 av en boresammenstilling som viser den relative posisjonen til et roterende hul drivaksling 112 (roterende komponent) og en ikke-roterende hylse 120 (ikke-roterende komponent) med en spalte 113 derimellom og en elektrisk energi og data overførings-anordning 135 for overføring av energi og data mellom den roterende drivakslingen og den ikke-roterende hylsen over spalten 113. Spalten 113 kan være fylt med et fluid. Fluidet, dersom benyttet, kan være ledende eller ikke-ledende.

Partiet 100 danner den nedre delen til boresammenstillingen i en ut-førelsesform. Drivakslingen 112 har et nedre borekroneparti 114 og et øvre slammotor koplingsparti 116. Et parti med redusert diameter av den hule akslingen 112 sammenkopler partiene 114 og 116. Drivakselen 110 har et gjennomgående hull 118 som danner en passasje for borefluid 121 tilført under trykk til boresammenstillingen fra en overflateposisjon. Det øvre forbindelses-partiet 116 er koplet til energipartiet av en boremotor eller slammotor (ikke vist) via en fleksibel aksel. En rotor i boremotoren roterer den fleksible akselen som igjen i sin tur roterer drivakslingen 110. Det nedre partiet 114 huser en borekrone (ikke vist) og roterer idet drivakselen roterer. En hovedsaklig ikke-roterende hylse 120 er arrangert omkring drivakslingen 110 mellom det øvre koplingspartiet 116 og borekronepartiet 114. Under boring kan hylsen 120 ikke være fullstendig i still-stand, men kan rotere med en veldig liten rotasjonshastighet. Typisk roterer boreakslingen med mellom 600 rotasjoner i minuttet (r.p.m.) mens hylsen 120 kan rotere med mindre enn 2 r.p.m. Følgelig er hylsen 120 i all hovedsak ikke-roterende med hensyn til drivakslingen 110 og er derfor her omtalt som den i all hovedsak ikke-roterende komponenten eller ikke-roterende partiet. Hylsen 120 inkluderer i det minste en anordning 130 som trenger elektrisk energi. I konfigurasjonen i figur 1 driver anordningen 130 en eller flere anordninger for tilveiebringelse av kraft, slik som en komponent 132.

Anordningen for overføring av elektrisk energi 135 inkluderer et transmitterparti 142 festet til den utvendige periferien av den roterende drivakselen 112 og et mottagerparti 114 festet til innsiden av den ikke-roterende hylsen 120.1 det sammenstilte nedihullsverktøyet er transmitterpartiet 142 og mottagerpartiet 144 overfor hverandre med en luftspalte mellom de partiene. De ytre dimensjonene av transmitterpartiet 142 er mindre enn den indre dimensjonen av mottagerpartiet 144 slik at hylsen 120 med mottagerpartiet 144 festet til dette kan gli over transmitterpartiet 142. En elektrisk kontrollkrets 125 (også omtalt her som den "primære elektronikken") i den roterende komponenten 110 fremskaffer den ønskede elektriske energien til transmitteren 142 og kontrollerer også bruken av transmitteren 142. Den primære elektronikken 125 fremskaffer også data og kontrollsignaiene til transmitterpartiet 142, hvilket overfører den elektriske energien og data til mottageren 144. En sekundær elektronisk kontrollkrets (også omtalt her som "sekundær elektronikk") er båret av den ikke-roterende hylsen 120. Den sekundære elektronikken 134 mottar elektrisk energi fra mottageren 144, kontrollerer bruken av den elektrisk drevne anordningen 130 i den ikke-roterende komponenten 120, mottar målesignaler fra sensorer i det ikke-roterende partiet 120 og genererer signaler som overføres til den primære elektroniske via den induktive koplingen 135. Overføringen av elektrisk energi og data mellom den roterende og den ikke-roterende komponenten er beskrevet under med henvisning til figur 2-4.

Figur 2 er et linjediagram av et parti av en lagersammenstilling 200 av en boresammenstilling som viser bl.a. den relative plasseringen av forskjellige elementer vist i figur 1. Lagersammenstillingen 200 har en drivaksel 201 som er festet ved dens øvre ende 202 til en kopling 204, som i sin tur igjen er festet til et fleksibel stang som blir rotert av slammotoren i boresammenstillingen. En ikke-roterende hylse 210 er plassert rundt et parti av drivakselen 211. Lagrene 206 og 208 fremskaffer radiell og aksiell støtte til drivakselen 211 under boring av brønn-hullet. Den ikke-roterende hylsen 210 huser et flertall av utvidbare kraftsette-komponenter, slik som komponentene 220a-220b (ribber). Ribben 220a befinner seg i en grop 224a i hylsen 210. Gropen 224a inkluderer også en forseglet elektrohydraulisk komponent for radiell utvidelse av ribben 220a. Den elektrisk-hydrauliske komponenten kan inkludere en motor som driver en pumpe, hvilken tilveiebringer fluid under trykk til et stempel 226a som beveger ribben 220a radielt utover. Disse komponentene er beskrevne under i ytterligere detalj med referanse til figur 3A-3D.

En induktiv koplingsanordning 230 overfører elektrisk energi mellom roterende og ikke-roterende komponenter. Anordningen 230 inkluderer et transmitterparti 232 båret av den roterende komponenten 110 og et mottagerparti 234 båret av den ikke-roterende hylsen 210. Anordningen er fortrinnsvis en induktiv anordning i hvilken både transmitter og mottager inkluderer hensikts-messige coiler. Primær kontrollelektronikk 236 er fortrinnsvis plassert i det øvre koplingspartiet 204. Andre partier til den roterende komponenten kan også bli benyttet for husing av deler eller hele den primære elektronikken 236. Sekundær elektronikk 238 er fortrinnsvis plassert i den tilliggende mottageren 234. Ledere og kommunikasjonssamband 242 plassert i den roterende komponenten 201 over-fører energi og signaler mellom den primære elektronikken 236 og transmitteren 232. Energi i nedihullsverktøy slik som viste i figur 2 er typisk generert av en turbin rotert av boreslammet tilført under trykk til boresammensetningen. Energi kan også bli tilført fra overflaten via elektriske kabler i røret eller ved batterier i nedi-hullsverktøyet.

Figur 3A er et funksjonsdiagram av en boresammenstilling 300 som frem-stiller en framgangsmåte for energi og data overføring mellom det roterende og det ikke-roterende partiet av boresammenstillingen. Boresammenstillinger også omtalt som bunnhullssammenstillinger eller BHAer er benyttet for boring av brønn-hull og for å skaffe forskjellige viktige målinger for formasjonsvurderinger og målinger-under-boring som er velkjent teknikk, og følgelig er den detaljerte utforming eller funksjon av disse ikke beskrevet her. Beskrivelsen som er gitt nedenfor er hovedsaklig i sammenheng med overføring av elektrisk energi og data mellom roterende og ikke-roterende komponenter.

Ved fremdeles å henvise til figur 3A er boresammenstillingen 300 koplet ved dens øvre ende 302 til et rør 310 via en koplingsanordning 304. Røret 310 som vanligvis er et sammenføyd rør eller et kveilrør, er sammen med boresammenstillingen 300 transportert fra en overflaterigg inn til brønnhullet som bores. Boresammenstillingen 300 inkluderer en slammotor energiparti 320 som har en rotor 322 på innsiden av en stator 324. Borefluid 301 tilført under trykk til røret 310 passerer gjennom slammotorens energiparti 320 som roterer rotoren 322. Rotoren 322 driver en fleksibel drivaksel 326, som igjen i sin tur roterer drivakselen 328. Forskjellige måling-under-boring ("MWD") og/eller logging-under-boring sensorer ("LWD"), er her generelt referert til med tallet 340, båret av boresammenstillingen 300 tilveiebringer målinger for forskjellige parametere, inklusive borehullsparametere og formasjonsevalueringsparametere. Disse sensorene kan bli plassert i en adskilt seksjon eller modul, slik som seksjon 341, eller fordelt utover i en eller flere seksjoner av borehullssammenstillingen 300. Vanligvis er noen av sensorene plassert i huset 342 av boresammenstillingen 300.

Elektrisk energi er vanligvis generert av en turbindrevet vekselstrøms-generator 344. Turbinen er drevet av borefluidet 301. Elektrisk energi kan også bli tilført fra overflaten gjennom en formålstjenlig leder eller batterier i boresammenstillingen 300.1 systemet vist på figur 3A brukt som eksempel, er drivakselen 328 den roterende komponenten og hylsen 360 er den ikke-roterende komponenten. Den foretrukne anordningen 370 for overføring av energi og data mellom de roterende og de ikke-roterende komponentene 328 er en induktiv transformator, hvilken inkluderer en transmitterseksjon 374 båret av den roterende komponenten 328 og en mottagerseksjon 374 plassert i den ikke-roterende hylsen 360 på tvers av transmitteren 372. Transmitteren 372 og mottageren 374 inneholder henholdsvis coiler 376 og 378. Energi til coilene 376 er tilført av den primære elektriske kontrollkretsen 380. Den primære elektronikken 380 genererer en egnet veksel-strømsspenning og frekvens som tilføres coilene 376. Vekselstrømspenningen tilført coilene 376 har fortrinnsvis en høy frekvens, dvs høyere enn 500 Hz. Den primære elektronikken genererer også fortrinnsvis en egnet likestrømsspenning, som igjen blir benyttet for ikke viste kretser på den roterende komponentene 328. Rotasjonen til drivakselen 328 induserer strøm inn til mottagerseksjonen 374, hvilken leverer vekselstrøm. Den sekundære kontrollkretsen eller den sekundære elektronikken 382 i den ikke-roterende komponenten 360 omformer veksel-strømmen fra mottageren 372 til likestrømsspenning. Likestrømsspenning er deretter benyttet til å drive forskjellige elektriske komponenter i den sekundære elektronikken og hvilken som helst elektrisk drevet anordning. Borefluid 301 fyller vanligvis spalten 311 mellom den roterende og ikke-roterende komponenten 328 og 360.

Den elektriske energi og dataene/signalene fra en posisjon opphulls for boremotorens energiseksjon 320 kan bli overført til en posisjon under eller nedihulls for slammotor energiseksjonen på en måte lignende den som er beskrevet ovenfor med referanse til anordningen 370.1 boresammenstillings-konfigurasjonen kan elektrisk energi og data/signaler fra seksjon 344 og 340 bli overførte til den roterende komponenten 328 via en induktiv kopling 330a hvilken inkluderer en transmitterseksjon 330a som kan plasseres i en passende posisjon i den ikke-roterende seksjonen 324 (stator) av boremotoren 320 og mottagerseksjonen 330b som kan plasseres i den roterende seksjonen 322 (rotoren). Den elektriske energien og data/signalene er ført til transmitteren via egnede ledere eller samband 331a, mens energi og data/signaler er overførte mellom mottageren 330b og den primære elektronikken 380 og andre anordninger i den roterende komponenten via kommunikasjonslinker 331b. Alternativt kan anordningen for overføringen av den elektriske energien og data/signalene være lokalisert mot den nedre enden av energiseksjonen, slik som vist ved posisjonen til anordningen 332. Anordningen 332 inkluderer en transmitterseksjon 332a og en mottagerseksjon 332b. Kommunikasjonslinker 333a overfører henholdsvis elektrisk energi og data/signaler mellom energiseksjon 344 og sensorseksjon 340 på en side og transmitter 332a mens kommunikasjonslinkene 333b overfører energi og data/signaler mellom mottageren 332b og anordninger eller kretser, slik som krets 380 i de roterende seksjonene.

Med fremdeles henvisning til figur 3A og som det er nevnt ovenfor, er en motor 350 styrt av den sekundære elektronikken 382 som driver en pumpe 364, hvilken tilfører et arbeidsfluid, slik som olje, fra en kilde 365 til et stempel 366. Stemplet 366 beveger dens tilknyttede ribbe 368 radielt utover fra den ikke-roterende komponenten 360 for å utøve en kraft på brønnhullet. Pumpehastig-heten er kontrollert eller modulert for å kontrollere kraften som påsettes ribbene til borehullsveggen. Alternativt kan en fluidstrømningskontrollventil 367 i det hydrauliske røret 369 til stemplet benyttes for kontroll av tilførselen av fluid til stemplet og på denne måten kraften som virker på ribben 368. Den sekundære elektronikken 362 kontrollerer styringen av ventilen 369. Et flertall av avstands-plasserte ribber (vanligvis tre) blir båret av den ikke-roterende komponenten 360, hvor hver ribbe er uavhengig styrt av en felles eller adskilt sekundær elektronikk.

Den sekundære elektronikken 382 mottar signaler fra sensorene 379 båret av den ikke-roterende komponenten 360.1 det minste en av sensorene tilveiebringer målinger som indikerer kraften som virker på ribben 368. Hver ribbe har en tilsvarende sensor. Den sekundære elektronikken 382 bringer sensorsignalene i en god tilstand og kan beregne verdier av tilsvarende parametere og tilfører signaler som indikerer slike parametere til mottageren 372, som overfører slike signaler til transmitteren 372. En separat transmitter og mottager kan benyttes for overføring av data mellom roterende og ikke-roterende seksjoner. Frekvens og/eller amplitude moduleringsteknikker og diskret signaloverføringsteknikker, som er kjent teknikk, kan benyttes for å overføre informasjon mellom transmitteren og mottageren og omvendt. Informasjonen fra den primære elektronikken kan inkludere styresignaler for kontroll av styringen av anordningene i den ikke-roterende hylsen.

I en alternativ utførelsesform er den primære elektronikken og transmitteren plassert i den ikke-roterende seksjonen mens den sekundære elektronikken og mottageren er lokalisert i nedihullsverktøyet, for dermed å overføre elektrisk energi fra den ikke-roterende komponenten til den roterende komponenten. Disse utførelsesformene er beskrevet i ytterligere detalj med henvisning til figur 4.

Følgelig ifølge et annet aspekt ved foreliggende oppfinnelse er elektrisk energi og data overført mellom en roterende drivaksel og en ikke-roterende hylse i en boresammenstilling via en induktiv kopling. Den overførte energien blir benyttet til å drive elektriske anordninger og sensorer båret av den ikke-roterende hylsen. Rollen til transmitteren og mottageren kan bli reversert.

Figur 3B er et delvis funksjonsdiagram for en alternativ konfigurasjon av en boresammenstilling 30 som viser anvendelsen av en anordning for overføring av elektrisk energi og data/signaler for foreliggende oppfinnelse. Boresammenstillingen 30 er vist for å inkludere den øvre seksjonen 32 som kan være satt sammen av flere enn en seriekoplet seksjon eller modul. Den øvre seksjonen 32 inkluderer en energiseksjon eller enhet som tilveiebringer elektrisk energi fra en kilde derav, MWD/LWD sensorer og toveis telemetriske enheter. Den elektriske energien kan være tilført fra overflaten eller fremstilt innenfor seksjonen 32 som beskrevet ovenfor. Den øvre seksjonen er koplet til en nedre seksjon som inkluderer en roterende komponent 36 som roterer en borekrone 35. En ikke-roterende komponent eller hylse 38 er arrangert omkring den roterende komponenten 36.

Boresammenstillingen 30 er koplet til et borerør 31 som blir rotert fra overflaten. Borerøret 31 roterer den øvre seksjonen 32 av boresammenstillingen 30 og den roterende komponenten 36. Den ikke-roterende komponenten 38 forblir i all hovedsak stående stille i forhold til den roterende komponenten 36. Linjen 37a indikerer overføringen av elektrisk energi fra den øvre seksjonen 32 til den ikke-roterende seksjonen 38 via anordningen 37 mens linjen 37b indikerer toveis kommunikasjonen av data/signaler mellom den roterende komponenten 36 og den ikke-roterende seksjonen 38. Figur 3C viser et funksjonslinjediagram av enda en konfigurasjon av en boresammenstilling 40 som inkluderer seksjonen 32 og 34 i figur 3B og en boremotor opphulls for seksjonen 32.1 denne konfigurasjonen roterer en rotor 44 av en boremotor seksjonen 32 og den roterende komponenten 36 festet til borekronen 35. Røret 45 kan være et borerør eller et kveilrør. Dersom borerøret blir benyttet som røret 45 kan det bli rotert fra overflaten. Rotasjonen av borerøret ville bli lagt på i tillegg til boremotorens rotasjon for å øke rotasjonshastigheten til kronen 35. Den elektriske energien og data/signalene er overførte mellom den ikke-roterende seksjonen 38 og den roterende seksjonen 36 via anordningen 37 som beskrevet ovenfor med henvisning til figur 3B. Figur 3D viser et delvis funksjons linjediagram av enda en konfigurasjon av en modulær boresammensetning 50 som benytter energien og anordningen for overføring av data/signalene ifølge foreliggende oppfinnelse. Boresammenstillingen 50 inkluderer en nedre seksjon 54, en boremotorseksjon 54, en boremotorseksjon 52, en energiseksjon eller modul 56 mellom boremotoren 52 og den nedre seksjonen 54 og en sensor/telemetrisk seksjon 58 opphulls for boremotoren 52.1 denne konfigurasjonen kan en vanlig elektrisk energimodul bli benyttet for å skaffe til veie en forsyning av elektrisk energi til den nedre seksjonen 54 og sensoren/telemetriske seksjonen 58, hvilken er over slammotoren. I denne konfigurasjonen roterer boremotoren både energimodulen 56 og en roterende komponent 66. Kommunikasjonslinker 67a indikerer overføring av elektrisk energi fra energimodulen 56 til den ikke-roterende komponenten 68 via en induktiv koplingsanordning 67 mens linkene 67b indikerer toveis data/signaloverføring mellom den roterende 66 og den ikke-roterende komponenten 68. Energi og data mellom energiseksjonen 56 og sensoren/telemetriseksjonen 58 kan bli overført via en induktiv kopling 70 hvilken inkluderer en transmitter 70a i rotoren 51 og en mottager 70b i den stillestående seksjonen 53 (stator seksjonen). Overføringen av energi og data mellom statoren 53 og sensor telemetriseksjonen kan bli foretatt via kommunikasjonslinkene 73. Anordningen 70 for overføring av energi og data kan bli plassert i en hvilken som helst formålstjenlig posisjon, slik som nær den øvre enden som anordningen 77 som er vist med den stiplede linjen. Et rør 79 er koplet til den øvre enden av seksjonen 58. Et borerør eller kveilrør kan bli benyttet som rør 79. Dersom et borerør blir benyttet som røret 79 kan det bli rotert fra overflaten. I et slikt tilfelle er borerørets rotasjon lagt til boremotorens rotasjon som beskrevet ovenfor med referanse til figur 3C.

Figur 4 er et skjematisk diagram av et parti 400 av et eksempel på en boresammenstilling som viser to alternative arrangementer for anordningen for over-føring av energi og data. Figur 4 viser en boremotorseksjon 415 som inkluderer en rotor 416 arrangert i en stator 418. Rotoren 416 er koplet til en fleksibel aksel 422 ved en kopling 424. En drivaksel 430 er forbundet til den nedre enden 420 av den fleksible akselen 422. Drivakselen 430 er arrangert i en lagersammenstilling med en spalte 436 derimellom. Borefluid 401 tilført under trykk fra overflaten passerer gjennom energiseksjonen 410 til motoren 400 og roterer rotoren 416. Rotoren roterer den fleksible akselen 422, hvilken igjen i sin tur roterer drivakselen 430. En borekrone (ikke vist) ved bunnenden 438 av boreakselen roterer når drivakselen roterer. Lagrene 442 og 494 tilveiebringer radiell og aksiell stabilitet for boreakslingen 430. Den øvre enden 450 av motor energiseksjonen 410 er koplet til MWD via egnede sammenkoplinger. Et felles eller et fortløpende hus 445 kan bli benyttet som slammotorseksjonen 415.

I en utførelsesform er energi og data overført mellom lagersammenstillings-huset 461 og den roterende drivakselen 430 med en induktiv koplingsanordning 470. Transmitteren 471 er plassert på det stillestående huset 461 mens mottageren 472 er plassert på den roterende drivakselen 430. En eller flere energi og datakommunikasjonslinker 480 er drevet fra en passende posisjon over slammotoren 410 til transmitteren 471. Elektrisk energi kan være tilført energi og kommunikasjonslinkene 480 fra en egnet energikilde i boresammenstillingen 400 eller fra overflaten. Kommunikasjonslinkene 480 kan bli koplet til en primær elektronikk (ikke vist) og MWD anordninger. En flertall av sensorer, slik som trykksensor Si, temperatursensor S2, vibrasjonssensor S3, etc er plassert i borekronen.

Den sekundære elektronikken 482 omdanner vekselstrømspenningen fra mottageren til likestrømsspenning og tilfører den til forskjellige elektroniske komponenter i kretsen 482 og til sensorene SrS3. Kontrollelektronikken 482 bringer sensorsignalene i en god tilstand og overfører dem til data overførings-seksjonen av anordningen 470, hvilken overfører slike signaler til transmitteren 371. Disse signalene blir dermed benyttet av den primære elektronikken i boresammenstillingen 400. Følgelig, i en utførelsesform beskrevet ovenfor, overfører en induktiv koplingsanordning elektrisk energi fra en ikke-roterende seksjon av lagersammenstillingen til en roterende komponent. Den induktive koplings-anordningen overfører også signal mellom disse roterende og ikke-roterende komponentene. Den elektriske energien overført til den roterende komponenten er benyttet til å drive sensorer og anordninger i den roterende komponenten. Den induktive anordningen etablerer også en toveis kommunikasjonslink mellom de roterende og ikke-roterende komponentene.

I en alternativ utførelsesform kan en separat delsammensetning eller modul 490 som inneholder en induktiv anordning 491 være arrangert ovenfor eller opphulls for slammotoren 415. Modulen 490 inkluderer en komponent 492 roterbart arrangert i et ikke-roterende hus 493. Komponenten 492 er rotert av slammotoren 410. Transmitteren 496 er arrangert på det ikke-roterende huset 493 mens mottageren 497 er festet til den roterende komponenten 492. Energi og signaler er tilført transmitteren 496 via ledere 494 mens den mottatte energi er overført til den roterende seksjonen via ledere 495. Lederne 495 kan bli kjørt gjennom rotoren, den fleksible aksel og boreakselen. Energi tilført til de roterende seksjonene kan bli benyttet til å drive hvilken som helst anordning eller sensor i de roterende seksjonene som beskrevet ovenfor. Følgelig i en utførelsesform er elektrisk energi overført til den roterende komponenten av boresammenstillingen med en separat modul eller enhet ovenfor slammotoren.

Figur 5A-5B er tverrsnittsdiagrammer for to mulige konfigurasjoner av en induktiv kopling for anvendelse i en av utførelsesform av foreliggende oppfinnelse slik som de som er beskrevet ovenfor og viste i figur 1-4.1 figur 5A, er en del 500 av boresammenstilling ifølge foreliggende oppfinnelse som inkluderer en roterende komponent 502 og en ikke-roterende komponent 504. Elementer til oppfinnelsen ikke vist i figur 5A er i all hovedsak identiske med elementer beskrevet ovenfor og vist i figur 1-4.

En roterende komponent er koplet til boresammenstillingen 500. En transmitter 506 er koplet til den roterende komponenten 502. Transmitteren 506 inkluderer transmittertvinninger 510 av isolerte wire. Transmitteren 506 inkluderer i det minste et parti 522 som omfatter et mykt ferromagnetisk materiale slik som mykt metall eller ferritt benyttet for å konsentrere et magnetisk felt som skal be-skrives senere.

En ikke-roterende komponent 504 er koaksialt arrangert omkring den roterende komponenten 502. En mottager 509 er koplet til den ikke-roterende komponenten 504. Mottageren 509 inkluderer mottagertvinninger 508 av isolerte wire. Mottageren inkluderer i det minste en del 524 som omfatter et mykt ferromagnetisk materiale slik som mykjern eller ferritt benyttet til å konsentrere et magnetfelt gjennom mottagertvinningene 508.

Transmittertvinningene 510 og mottagertvinningene 508 er adskilte fra hverandre med en spalte 520. Spalten 520 kan være fylt eller tømt. Dersom fylt kan spalten være fylt med et fluid av gass eller væske, og fluidet kan enten være ledende eller ikke-ledende.

Elektrisk strøm tilveiebrakt av en elektrisk kontrollkrets (se referanse 125 i figur 1) strømmer gjennom transmittertvinningene 510 for å danne et elektro-magnetisk felt 512. Feltet 512 traverserer spalten 520 og omfatter mottagertvinningene 508. En strøm blir generert i mottagertvinningene 508 alltid når feltet 512 er et endrende felt. Feltet 512 er faktisk et endrende felt dersom strømmen i transmittertvinningene 510 er en vekselstrøm.

Strømmen indusert i mottagertvinningene 508 kan bli benyttet til å skaffe energi, data eller begge til forskjellige elektriske komponenter båret av den ikke-roterende komponenten 504. Spesifikke elektriske komponenter er ikke viste i figur 5A, selv om eksempler på elektroniske komponenter er beskrevet og vist i figur 1-4. Et eller flere punkter 514, 516 og 518 på mottagertvinningene 508 blir benyttet for å sammenkople kretsene til mottageren 509. De som behersker tek-nikken vill kunne gjenkjenne at et spesifikt punkt 514 valgt på mottagertvinningene 508 vil etablere spesifikk spenning med referanse til et forhåndsbestemt jordings-punkt (eller nøytralt punkt) som er et annet punkt 518 langs mottagertvinningene 508.

I en alternativ utførelsesform (ikke vist), omfatter mottageren 509 et flertall av mottagertvinninger elektrisk og fysisk adskilte fra hverandre. Hver mottagertvinning kan bli benyttet til å motta energi og/eller datasignaler fra transmitteren 506. Hver mottagertvinning kan dermed lede energien og/eller datasignaler til en uavhengig elektrisk komponent i den ikke-roterende hylsen 504.

Figur 5B viser et delvis tverrsnitt av en boresammenstilling 500 ifølge foreliggende oppfinnelse med en alternativ konfigurasjon av en induktiv kopling. Elementer av oppfinnelsen ikke vist i figur 5B er i all hovedsak identiske med elementer beskrevet ovenfor og vist i figur 1-4.

Den konfigurasjonen som er vist i figur 5B inkluderer en transmitter 544 koplet til en roterende komponent 540 av boresammenstillingen 500. Et flertall av transmitterelementer (sko) 552 er koplet til transmitteren slik at skoene 552 roterer med den roterende komponenten 540. Hver transmittersko 552 omfatter en transmittertvinning 546 som roterer med den roterende komponenten 540. Transmitteren 544 inkluderer i det minste et parti 564 omfattende et ferromagnetisk materiale slik som mykjern eller ferritt benyttet for å konsentrere et magnetisk felt gjennom transmittertvinningene 546.1 en foretrukket utførelses-form, er hver transmittersko konfigurasjon inkludert i partiet 564.

En i all hovedsak ikke-roterende komponent 542 er arrangert omkring den roterende komponenten 540. En mottager 545 er koplet til den ikke-roterende komponenten 542. En flertall av mottagerelementer (sko) 550 er koplet til mottageren 545, og hver av mottagerskoene 550 inkluderer en mottagertvinning 548. Mottageren 545 inkluderer i det minste et parti 562 omfattende et mykt ferromagnetisk materiale slik som mykjern eller ferritt benyttet for å konsentrere et magnetfelt gjennom mottagertvinningene 548.1 en foretrukket utførelsesform er hver skostruktur inkludert i partiet 562.

En spalte 560 adskiller mottageren 545 fra transmitteren 544. Spalten 560 kan være fylt eller tømt. Dersom fylt kan spalten være fylt med et fluid som gass eller væske enten ledende eller ikke ledende. Spalten 560 er fortrinnsvis oppfylt med et i all hovedsak ikke-ledende fluid.

Som beskrevet ovenfor og vist i figur 5A kan et flertall av ikke viste elektriske komponenter bli styrt ved å benytte energi og datasignaler tatt fra mottageren 545. En annen komponent kan bli tilkoplet mottageren 545 til hvilket som helst av punktene 554, 556 og 558. Hvert sammenkoplede punkt er fortrinnsvis en tvinning 548 til en spesifikk mottagersko 550.

Claims (9)

1. Boresammenstilling for anvendelse til boring av et brønnhull, omfattende borkronemotor omfattende et roterbart element (51) og et ikke-roterbart element (53) men spalte derimellom; og en roterende drivaksel (66) og en ikke-roterende hylse (68) plassert rundt nevnte roterende drivaksel (66) med en spalte derimellom; karakterisert ved at nevnte boresammenstilling ytterligere omfatter: en energimodul (56) innrettet mellom nevnte borkronemotor og nevnte roterende drivaksel (66), idet nevnte energimodul (56) er innrettet for å rotere sammen med nevnte roterbare element (51) og nevnte roterende drivaksel (66); en første induktiv koplingsanordning (67) tilknyttet nevnte roterende drivaksel (66) og nevnte ikke-roterende hylse (68), idet nevnte første induktive koplingsanordning (67) er innrettet for: (i) overføre elektrisk energi generert av energimodulen (56) til nevnte ikke-roterende hylse (68); og (ii) tilveiebringe toveis da-ta/signaloverføring mellom nevnte roterende drivaksel (66) og nevnte ikke-roterende hylse (68); og en andre induktive koplingsanordning innrettet for å overføre elektrisk energi generert av nevnte energimodul (56) og data mellom nevnte roterbare element (51) på nevnte borekronemotor og nevnte borkronemo-tors ikke-roterbare element (53).

2. Boresammenstilling som angitt i krav 1, hvori nevnte spalter er fylt av et fluid under anvendelse.

3. Boresammenstilling som angitt i krav 2, hvori nevnte fluid omfatter borefluid, olje tettet mellom nevnte drivaksel (66) og nevnte ikke-roterende hylse (68), et konduktivt fluid eller et ikke-konduktivt fluid.

4. Boresammenstilling som angitt i krav 1, 2 eller 3, hvori hver av nevnte induktive koplingsanordning (67) omfatter en sender og en mottager.

5. Boresammenstilling som angitt i et av de foregående krav, ytterligere omfatter en elektrisk drevet anordning innrettet på den ikke-roterende hylsen (68).

6. Boresammenstilling som angitt i krav 5, hvori nevnte elektriske drevne anordning omfatter en elektrisk drevet pumpe, en styringsventil, en sensor eller en elektrisk motor.

7. Boresammenstilling som angitt i krav 5 eller 6, hvori nevnte ikke-roterende hylse (68) bærer et flertall kraftpårøringselementer drevet av nevnte elektriske drevede anordning.

8. Boresammenstilling som angitt i et av de foregående krav, hvori nevnte da-ta overføres ved frekvensmoduleringer, amplitudemoduleringer eller digitale signaler.

9. Fremgangsmåte for overføring av energi og data mellom roterende og ikke-roterende elementer på en boresammenstilling, idet nevnte boresammenstilling omfatter en borkronemotor omfattende et roterbart element (51) og ikke et ikke-roterbart element (53) med en spalte derimellom, en roterende drivaksel (66) og en ikke-roterende hylse (68) plassert rundt nevnte roterende drivaksel (66) med en spalte derimellom; karakterisert ved at nevnte fremgangsmåte omfatter trinnet med å: generere energi i en energimodul (56) innrettet mellom nevnte borkronemotor og nevnte roterende drivaksel (66) for rotering med nevnte roterbare element (51) og nevnte roterende drivaksel (66); overføring av elektrisk energi generert av energimodulen (56) til nevnte ik-ke-roterende hylse (68) ved anvendelse av et første induktiv koplingselement (67) tilknyttet nevnte roterende drivaksel (66) og nevnte ikke-roterende hylse (68); tilveiebringe toveis data/signaloverføring mellom nevnte roterende drivaksel (66) og nevnte ikke-roterende hylse (68) ved anvendelse av nevnte første induktive koplingselement (67); og overføring av elektrisk energi generert av energimodulen (56) og data mellom nevnte roterbare element (51) av nevnte borkronemotor og nevnte ikke-roterbare element (53) av nevnte borkronemotor ved anvendelse av en andre induktiv koplingsanordning.