NO339530B1 - Skjæreverktøy integrert i en borestreng - Google Patents

Description

Teknisk område

[0001] Oppfinnelsen vedrører skjæreverktøy som kan bli anvendt ved boring av olje-, gass- og dypvannsbrønner samt i gruvedriftoperasjoner. Spesielt

vises et skjæreverktøy integrert i en borestreng.

Bakgrunn

[0002] Borkroner som blir anvendt for å bore brønnhull gjennom grunnformasjoner har typisk en nominell diameter, dvs. den diameteren som vil bli dannet når borkronen roteres og trykkes aksialt mot formasjonen. For forskjellige formål er det ofte ønskelig å utvide diameteren til borehullet utover borkronens nominelle diameter. Det er velkjent at det i prosessen med å bore en dyp brønn for olje- og gassproduksjon, under opprømming av et borehull, er nødvendig å behandle borehullsveggen for å hindre redusert forbestemt diameter for borehullet og også for å utvide diameteren til borehullet boret av hovedborkronen forrest på borestrengen.

[0003] En rekke forsøk har vært gjort for å tilveiebringe passende verktøy for å utvide et borehull, spesielt i oljebrønner. Én tidligere kjent teknikk anvender spesialkonstruerte borkroner, kjent som tosenterkroner. Tosenterkroner har blitt utviklet for å bore borehull med en hulldiameter som er større enn diameteren til den åpningen disse borkronene kan passere gjennom når de ikke roteres. US-patentene 6340064, 6394200, 5992548, 5678644 er eksempler. Heller enn å anvende en borestruktur i ett stykke, så som en eksentrisk borkrone eller en tosenterkrone, for å utvide et borehull er det kjent at rømmere (reamers) med rømmervinger typisk blir satt inn i en borestreng ved en posisjon aksialt bak borkronen. Underrømmere har i utgangspunktet to driftstilstander, en lukket eller inntrukket tilstand som lar dem passere gjennom det smaleste partiet av borehullet, og en åpen eller delvis utstrakt tilstand der én eller flere armer med skjæreanordninger står radielt utover fra verktøylegemets rotasjonssenter. Når rømmeren roterer, vil skjæreanordningene på de utstrakte armene utvide borehullene. US-patentpublikasjonene 4589504, 5368114, 5060738, 4431065 viser eksempler på hullåpnere med massive utstrekkbare armer.

[0004] Det er også kjent fra tidligere teknikk at sidemonterte rulleskjær blir anvendt i stedet for de massive skjæreknivene for å rømme opp og utvide et borehull. Eksempler på sidemonterte rulleskjær kan finnes i US-patentdokumentene 2,122,763, 2,172,762, 2,189,033, 2,189,037, 2,199,693, 2,260366, 2,30,492, 3,306,381, 3,627,068, 3,907,048, 4,182,425, 4,398,610, 4,036,314. US-patentene 6,378,632, og 3,917,011 er spesialtilfeller som anvender roterende rullemeisler for å øke borehullsdiameteren.

[0005] Det er fra US 6082470 A kjent en borestreng for retningsstyrt boring av et pilothull omfattende to eller flere hulltakingsverktøy tilpasset radiell utboring i forhold til lengdeaksen for borestrengen. De radielle hulltakingsverktøy vil ved longitudinal bevegelse av en borekrone lage spor langsgående og parallelt med boreretningen dette spor i undergrunnsformasjonen vil utnyttes av stabiliseringsmidler for å hindre rotasjon av borestrengens mantel/foringsrør.

[0006] Det er fra US 2006/237234 A1 kjent en borestreng med en borekrone og en opprømmer, der opprømmeren er ringformet og anordnet rundt borestrengens lengdeakse. Opprømmeren drives av en slammotor mens borekronen drives av en annen slammotor. Borekronens slammotor er mekanisk seriekoplet med opprømerens slammotor slik at borekronens rotasjonshastighet vil være summen av rotasjonshastighetene for de to slammotorer.

[0007] Utvidelse av borehullsdiameteren med skjærekniver eller med passive rulleskjær medfører økt dreiemoment på borestrengen. Som følge av driftsbegrensninger, så som vibrasjon, er dessuten den utvidede diameteren begrenset når en anvender passive skjæreelementer.

[0008] Ifølge foreliggende oppfinnelse er det et mål å tilveiebringe et verktøy som fjerner ulempene med økt dreiemoment på borestrengen og vibrasjon som en kjenner fra kjent teknikk.

Sammenfatning av oppfinnelsen

[0009] I foreliggende oppfinnelse presenteres en ny rømmer med spesialkonstruerte selvroterende sideskjær. Bruk av selvdrevne, roterende sideskjær i stedet for passive kniv- og rulleskjær for å utvide borehullet er et fokusområde for foreliggende oppfinnelse. Bruk av de aktive roterende skjæreanordningene er fordelaktig med hensyn til dreiemoment og vil også gjøre det mulig å bore større borehull enn det som er mulig i dag.

[0010] Spesielt oppnås målet med oppfinnelsen av et skjæreverktøy integrert i etTømmerhus i det minste omfattende: ett eller flere ikke sentriske sideskjær anordnet for rotasjon vertikalt på aksialretningen tilTømmerhuset og en eller flere individuelle drivanordninger anordnet iTømmerhuset for rotasjon til det ene eller de flere ikke sentriske sideskjær.

[0011] I en utførelsesform er skjæreverktøyet kjennetegnet ved at de, selvdrevne roterende sideskjærene har et ikke-sirkulært tverrsnitt. Disse ikke-sirkulære sideskjærene kan ifølge ett aspekt ved denne utførelsesformen bli rotert uten å stå radielt utover fra huslegemet der de ikke strekker seg ut avTømmerhuset i passiv tilstand, og i roterende tilstand vil den ikke-sirkulære kjeglefresen strekkes (limp) og stikke ut avTømmerhuset lengre enn til borehullets diameter og dermed grave seg inn i borehullets sidevegger. De krankformede, roterende sidekjeglefresene (side cones) kan ha et hvilket som helst ikke-sirkulært tverrsnitt med et høyde/bredde-forhold som er større enn én (1,00), der høyde/bredde-forholdet er definert som forholdet mellom lengden og bredden til tverrsnittsformen. Som definert her har således for eksempel en sirkel et høyde/bredde-forhold lik én, og en ellipse har et høyde/bredde-forhold som er større enn én siden dens hovedakse (lengden) er større enn den lille aksen (bredden).

[0012] I følge denne utførelsesformen kan apparatet inkludere forskjellige størrelser av krankformede roterende sidekjeglefreser med ikke-sirkulære tverrsnitt for stegvis utvidelse av et borehull, der det minste sideskjæret er anordnet nærmest borkronen og sørger for det første steget i utvidelsen.

[0013] I begge utførelsesformer, ved samtidig rotasjon av verktøyhuset og sideskjærene, kan borehullet bli utvidet til en større diameter enn den opprinnelige. Videre tilveiebringer begge utførelsesformer av foreliggende oppfinnelse et skjæreverktøy der drivanordningen kan være en hvilken som helst av: en slammotor, en vannmotor, en hydraulisk motor eller en elektrisk motor. Videre kan en tannhjulsutveksling være tilveiebrakt for å overføre rotasjonsbevegelse fra drivanordningen til sideskjærene. Den individuelle drivanordningen kan være én av: en vannmotor eller en elektrisk motor som driver sideskjærene direkte. Oppfinnelsen fokuserer på bruk av aktive, selvdrevne roterende sideskjær for å utvide borehullet, mens tradisjonelle rømmere anvender passive vinger / kniver / rulleskjær.

[0014] Andre trekk og fordeler med foreliggende oppfinnelse vil fremgå av de uselvstendige kravene.

Kort beskrivelse av figurene

[0015] For å lette forståelsen av oppfinnelsen vil den nå bli beskrevet med støtte i

tegningene, der:

[0016] Figur 1 viser en skjematisk avbildning av rømmeren med tre aktive

roterende sideskjær plassert i én retning,

[0017] Figur 2 viser retningen og aksen til rotasjonen i rømmeren med roterende

sidekjeglefreser,

[0018] Figur 3 viser en skjematisk avbildning av en sidekjeglefres med ikke-sirkulært tverrsnitt dekket av skjæreelementene,

[0019] Figur 4 viser en skjematisk avbildning av en sidekjeglefres mens den

roterer (venstre) og i ikke-aktiv posisjon (høyre),

[0020] Figur 5 viser skjæreområdet for en rømmer med tre aktive roterende

sideskjær,

[0021] Figur 6 viser en skjematisk avbildning av ett drivsystem ifølge ett aspekt

ved oppfinnelsen som anvender hydraulisk slammotor og koniske drev,

[0022] Figur 7 viser et tverrsnitt av individuelle drivsystemer for hver av tre

kjeglefreser, og

[0023] Figur 8 viser en skjematisk avbildning av den roterende sidekjeglefresen stoppet i nøytralposisjonen.

Detaljert beskrivelse av oppfinnelsen

[0024] Oppfinnelsen vil nå bli beskrevet med støtte i tegningene, der like henvisningstall angir tilsvarende trekk. Tegningene er innlemmet for illustrasjonsformål for å gjør det lettere å forstå prinsippet ifølge oppfinnelsen, det må forstås at fagmannen vil se for seg ytterligere utførelsesformer utover dem illustrert av tegningene.

[0025] I det følgende skal følgende definisjon gjelde, en skjæreanordning eller et skjær skal forstås som et hvilket som helst skjæreverktøy anordnet langs borestrengen/rømmeren bak en borkrone for det formål å bore i borehullsvegger. Videre blir benevnelsene sideskjær og sidekjeglefres brukt om hverandre og skal inkluderes i definisjonen av skjæreanordninger.

[0026] Den grunnleggende idéen for oppfinnelsen er å tilveiebringe rømmere som inkluderer én eller flere skjæreanordninger anordnet bak en borkrone, der minst én av skjæreanordingene blir rotert av en annen anordning enn den som roterer borkronen.

[0027] Først vil en generell utførelsesform som anvender selvdrevne skjæreanordninger bli beskrevet, deretter vil eksempler på utførelser bli vist.

[0028] Den nye borehullsrømmeren ifølge foreliggende oppfinnelse har et sylindrisk hus, anordnet som en del av borestrengen. Den består av minst én roterende kjeglefres på siden av borestrengen, som står nesten vertikalt på borehullets akse. Sidekjeglefresene kan bli rotert ved hjelp av et hydraulisk drevet system/slammotorsystem plassert inne i hovedhuset. Imidlertid vil mange andre former for drivsystemer kunne anvendes, det er individualiseringen av driften av kjeglefresene/skjærene som er viktig her. Et internt hydraulisk drivsystem kan være anordnet enten aksialt på sidekjeglefresene eller aksialt på borestrengens retning, for å rotere sidekjeglefresene ved å anvende et tannhjulsutvekslings-/overføringssystem eller gjennom direkte drivkobling. Drivanordningene kan også være elektriske motorer med tannhjulsutvekslingsdrev eller med direkte drivkobling.

[0029] I henhold til foreliggende oppfinnelse har sidekjeglefresene en spesialkonstruert ikke-sentrisk utførelse. Kjeglefresene med ikke-sirkulært tverrsnitt vil bli rotert uten å strekkes ut av rømmerlegemet av mekaniske, hydrauliske og også elektriske mekanismer, se figurene 2, 4 og 5.

[0030] Skjæreelementene anordnet på sidekjeglefresene vil rotere om kjeglefresens akse mens kjeglefresens akse selv vil rotere med rotasjonen av borestrengen. Bruk av dette konseptet gjør at det skapes nye skjærebaner for skjæreelementene som vil redusere dreiemomentet på borestrengen. I tillegg vil bruk av dette konseptet muliggjøre bruk av den hydrauliske energien i det sirkulerende slammet for borehullutvidelsesprosessen for økt boreeffektivitet. Ved å innlemme flere sidekjeglefreser av forskjellig størrelse i ett verktøy, vil det være mulig å oppnå et større borehull sammenliknet med de for tradisjonelle rømmere.

[0031] Figur 1 viser en skjematisk avbildning av en rømmerenhet 11 ifølge én utførelsesform av oppfinnelsen. Rømmeren 11 har tre sidekjeglefreser 12, 13, 14 plassert på siden avTømmerhuset 11. Kjeglefresene 12, 13, 14 er vist i åpninger iTømmerhuset 11, mens borkronen 15 som sitter forrest på borestrengen vil rotere med hovedrømmerhuset. Sidekjeglefresene 12, 13, 14 kan rotere om sine akser vertikalt på borestrengaksen. For å bedre

forståelsen av verktøyet er sideskjærene vist på den ene siden av

rømmerlegemet 11, men de kan gjerne være anordnet med en innbyrdes vinkel mellom hverandre, men en må da ta hensyn til vibrasjon i plasseringen av sidekjeglefresene 12, 13, 14. I dette eksempelet som anvender tre kjeglefreser, kan kjeglefresene være anordnet på tre forskjellige sider av verktøylegemet med en innbyrdes spredning på 120°. Verktøyet kan som antydet også utføres med forskjellige antall roterende sideskjær avhengig av den tiltenke anvendelsen.

[0032] Retningen og aksen til rotasjonen er forklart i figur 2, der en sirkel 22 vinkelrett på borestrengsirkelen 21 viser skjærebanen til et skjæreelement mens det roterer om sidekjeglefresens akse. Rotasjonen avTømmerhuset er vist av sirkelen 21 og pilen angir borehullsaksen.

[0033] En skjematisk avbildning av et typisk ikke-sentrisk sideskjær 32 er vist i figur 3. Som vist i figuren har sidekjeglefresen 32 i denne alternative utførelsen en ikke-sentrisk form dekket med skjæreelementer 36.

[0034] Figur 4 viser en avbildning av en ikke-sentrisk kjeglefres 42. Når den begynner å rotere, venstre side, vil skjæreelementene i den ikke-sentriske delen av kjeglefresen dekke en større diameter ennTømmerhuset 41. Rømmerhuset 41 vil være en del av den roterende borestrengen og vil derfor rotere om borehullets akse. I drift vil sidekjeglefresene rotere samtidig somTømmerhuset 41 også roterer, og derfor vil sidekjeglefresene dekke et større område enn rømmerhuset og utvide borehullet. Den høyre siden av figur 4 viser en kjeglefres i passiv tilstand, og det fremgår klart at kjeglefresen 42 ikke strekker seg ut forbi periferien til selve rømmeren 41 i denne tilstanden.

[0035] Figur 5 viser eksempler på skjæreområder for en rømmer med tre aktive kjeglefreser ifølge oppfinnelsen. Kjeglefresene 52, 53, 54 er plassert på forskjellige sider av huset (120° innbyrdes avstand) og den minste kjeglefresen 54 er plassert nær ved borkronen 55. Skjærebanen til kjeglefresene er vist av passende sirkler. Følgelig vil borehullet bli utvidet i tre steg etter at hovedborehullet er dannet av borkronen 55. Imidlertid må det forstås at i prinsippet kan et hvilket som helst antall skjæreanordnniger være anordnet i rømmerhuset, i det den minste vil være anordnet nærmest borkronen 55 mens den største vil være anordnet lengst vekk fra

borkronen 55.

[0036] Sidekjeglefreser kan bli rotert av interne slammotorer og dermed utnytte den hydrauliske energien til sirkulerende slam. Imidlertid kan borestrengens mekaniske energi eller elektriske motorer også bli anvendt for å drive sidekjeglefresene. Figurene 6 og 7 viser eksempler på bruk av én eller flere interne slammotorer med en passende tannhjulsutveksling 67, 77 for å drive sidekjeglefresene 62, 72, 73, 74. En hvilken som helst passende utvekslingstype kan bli anvendt. Forskjellige utvekslingstyper så som snekkedrev eller koniske drev kan bli anvendt avhengig av utførelsen av verktøyet. Videre kan vannmotorer med høyt dreiemoment også bli anvendt uten en tannhjulsutveksling, og det samme gjelder for elektriske motorer.

[0037] Hver sidekjeglefres har sitt eget drivsystem og kan bli rotert uavhengig av de andre sidekjeglefresene. Figur 7 viser en skjematisk avbildning av et rømmertverrsnitt 71 med individuelt drivsystem 78.

[0038] I det konkrete apparatet som er vist, må det minste sideskjæret bli anvendt først for å utvide borehullet som nødvendig for å begynne rotasjonen av det mellomste skjæret. Følgelig må det største sideskjæret bli rotert i det siste trinnet etter at borehullet har blitt utvidet av det mellomste skjæret. Når de tre sidekjeglefresene, i følge dette utførelseseksempelet, roterer samtidig som borestrengen roterer, vil borehullet bli fullt utvidet. En passende sentreringsmekanisme kan bli anvendt i hele rømmerlegemet for å sentrere verktøyet i borehullet.

[0039] Når verktøyet trippes inn i og ut av borehullet, spesielt innenfor partiet med foringsrør eller der et utvidet borehull ikke er nødvendig, vil sideskjærene slutte å rotere og bli satt i de innledende nøytralposisjonene som vist i figur 8, og sideskjærene 82 vil således være skjult av legemet til rømmeren 81.

[0040] Det må forstås at kjeglefresene med ikke-sirkulær tverrsnittsform illustrert i figurene 3, 4 og 8 kun er eksempler på ikke-sirkulære former, og andre ikke-sirkulære utførelser kan tenkes.

Claims (10)

1. Skjæreverktøy integrert i et rømmerhus (11) i det minste omfattende: ett eller flere ikke sentriske sideskjær (32, 42, 52, 53, 54, 82) anordnet for rotasjon vertikalt på aksialretningen til rømmerhuset (11) og en eller flere individuelle drivanordninger, som er uavhengig av en rotasjon av rømmerhuset, anordnet i rømmerhuset (11) for rotasjon til det ene eller de flere ikke sentriske sideskjær.

2. Skjæreverktøy ifølge krav 1, der sideskjærene er anordnet i åpninger i rømmeren (41), og er utformet slik at de i passiv tilstand ikke stikker utenfor diameteren definert av rømmerhuset (41), og i roterende tilstand vil skjærenes ytterender definere en diameter som strekker seg ut forbi diameteren definert av det roterende rømmerhuset (41).

3. Skjæreverktøy ifølge krav 1 eller 2, der sideskjærene har forskjellige størrelser av ikke-sirkulære, roterende sidekjeglefreser for stegvis å utvide et borehull, der det minste sideskjæret er anordnet nærmest en borkrone (15,55).

4. Skjæreverktøy ifølge et eller flere av de foregående krav, der to eller flere ikke sentriske sideskjær er anordnet radielt i forhold til aksialretnngen til rømmerhuset med samme aksiale avstand til en borekorne (15) og med en innbyrdes lik vinkel spredning.

5. Skjæreverktøy ifølge et eller flere av de foregående krav, der to eller flere ikke sentriske sideskjær er anordnet langs lengdeaksen til rømmerhuset med forskjellig aksial avstand til en borekorne (15).

6. Skjæreverktøy ifølge krav 5, der to eller flere første ikke sentriske sideskjær er anordnet radielt i forhold til aksialretnngen til rømmerhuset med en første aksial avstand til en borekorne (15) og med en innbyrdes lik vinkelspredning og der to eller flere andre ikke sentriske sideskjær er anordnet radielt i forhold til aksialretnngen til rømmerhuset med en andre aksiale avstand til en borekorne (15) og med en innbyrdes lik vinkelspredning.

7. Skjæreverktøy ifølge ethvert av kravene 1 - 6, karakterisert vedat drivanordningen kan være en hvilken som helst av: en slammotor, en vannmotor, en hydraulisk motor eller en elektrisk motor.

8. Skjæreverktøy ifølge krav 7, karakterisert vedat en tannhjulsutveksling (67) er anordnet for å overføre rotasjonsbevegelse fra drivanordningen til sideskjærene.

9. Skjæreverktøy ifølge krav 1, 7 eller 8, karakterisert vedat den individuelle drivanordningen er én av: en vannmotor, en elektrisk motor eller et mekanisk system som driver sideskjærene direkte.

10. Skjæreverktøy ifølge krav 1, 8 eller 9, karakterisert vedat borehullet blir utvidet stegvis ved anvendelse av forskjellige størrelser av aktive roterende sidekjeglefreser med ikke-sirkulære tverrsnitt.