NO342652B1 - Resonatorverktøy og fremgangsmåte for frigjøring av rør eller objekter i en brønnformasjon - Google Patents

Abstract

Det omtales et resonatorverktøy (10) for frigjøring av rør eller objekter, der resonatorverktøyet er opphengt mellom en topdrive (40) på en borerigg og en casing (42) som strekker seg ned i et borehull, idet resonatorverktøyet (10) er innrettet til å overføre vibrasjoner i aksial retning via nevnte casing (42) til det fastspente rør eller objekt, idet resonatorverktøyet (10) omfatter: en nedre aktuatordel (16) med en frekvensstyrt vibrator (20) for overføring av nevnte vibrasjoner i aksial retning i casingen (42), hvilken vibrator (20) er forbundet med casingen (42) og utstyrt med 10 en reaksjons- masse(28); en mellomliggende isolatordel (14) forbundet med den nedre aktuatordelen (16) og vibratoren (20) via et antall luftfjærer (24) og et antall støtdempere (26) for å redusere overføring av vibrasjoner i resonatorverktøyet (10), der den nedre aktuatordelen (16) og isolatordelen (14) er innbyrdes bevegelige i forhold til hverandre i aksial retning; en toppdel (12) forbundet med nevnte topdrive (40) og isolatordelen (14), og hvor toppdelen (12) er forbundet med isolatordelen (14) via et antall luftfjærer (22), der toppdelen (12) og isolatordelen (14) er innbyrdes bevegelige i forhold til hverandre i aksial retning; samtet kontroll- og instrumenteringssystem for å styre delene som inngår i resonatorverktøyet. Det omtales også en fremgangsmåte for frigjøring av rør eller objekter i en rønnformasjon.

Description

Oppfinnelsens område

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en oscillerende vibrator med demping og styring av dette for å løsne rør som sitter fast i brønnhull, og mer bestemt til et resonatorverktøy for frigjøring av rør eller objekter, der resonatorverktøyet er opphengt mellom en topdrive på en borerigg og en casing som strekker seg ned i et borehull, idet resonatorverktøyet er innrettet til å overføre vibrasjoner i aksial retning via nevnte casing til det fastspente rør eller objekt.

Oppfinnelsens bakgrunn

Mange felt på den norske kontinentalsokkelen nærmer seg slutten for produksjon. Svært mange brønner skal avsluttes og forlates de kommende årene.

To valg finnes når produksjonen fra en brønn ikke lenger er profitabel: Brønnen kan enten plugges og etterlates permanent (Plug & Abandonment=P&A) eller gjenbrukes ved plugging av hovedbrønnen og boring av et nytt sidespor ved retningsstyrt boring (Slot Recovery=SR). Begge valgene er svært kostnadskrevende da operasjonene er kompliserte subseaoperasjoner og tiden som brukes for å gjennomføre operasjonene kan være lange, gjerne gjennomsnittlig en måned.

Både P&A og SR krever at casing, dvs. nedhulls rør ned til reservoaret, kuttes av og trekkes ut av hullet. En stor utfordring med operasjonene ligger i at rør kan sitte fast i grunnen da installasjonene er over 20 år gamle og avleiringer har lagt seg rundt rørene. Rørene blir dermed svært vanskelige å trekke opp i sin helhet og medfører i praksis at rør ofte må kuttes mange ganger og trekkes opp i små lengder.

Operasjoner skjer i all hovedsak fra en borerigg, og mellom 1/3 og halvparten av riggtiden benyttes til kutting og trekking av casing. En stor del av kostnadene forbundet med operasjonene er riggleie og en reduksjon av kutte- og trekketid vil dermed redusere kostnadene tilsvarende. Det er i tillegg sannsynlig at felter som ikke budsjetteres som drivverdige, kan bli drivverdige dersom operasjonstiden kan reduseres.

Omtale av kjent teknikk

Vibrasjon kan benyttes som en effektiv metode å bevege et objekt gjennom grunnen. Metoden har som eksempel på mange måter overtatt for slag og dytting ved spunting. Tilsvarende kan vibrasjon benyttes for å frigjøre fastspente rør mer effektivt enn dersom man forsøker å dra rørene med en statisk kraft. Statistikk fra leverandører av slikt utstyr tilsier også at rør kan frigjøres på kortere tid enn ved kutting og trekking med en statisk kraft.

I prinsippet to ulike prinsipper av vibrasjonsutstyr for frigjøring av fastspente rør: nedhulls vibrator og vibrator på rigg. En nedhulls vibrator senkes ned i røret og vibrerer innvendig i en avgrenset sone og overfører vibrasjon lateralt til røret. Fordel med prinsippet er at man kan påvirke lokalt en sone, dersom man kjenner til hvor denne er lokalisert.

Vibratorer på rigg fungerer ved at en vibrator tilkobles enden av røret som er forbundet med det fastspente røret. Vibratoren er satt til å overføre vibrasjonene i aksiell retning. Ved gitte frekvenser vil man få stående vibrasjoner og resonans i rørsystemet. Ved resonans kan energi effektivt overføres og er i praksis begrenset av dempingen i stål og friksjon i omliggende grunnstruktur. Fordelene med prinsippet er at få begrensninger finnes med hensyn til fysisk størrelse og store energimengder kan dermed overføres. Siden systemet må kjøres på resonans så får man alltid store vibrasjoner opp på rigg. Målinger viser imidlertid at uakseptabelt høye spennings- og vibrasjonsnivå oppstår ved bruk av en slik type vibrator hvor enheten er opphengt i boretårn. En slik type vibratorenhet benytter normalt to motroterende eksentermasser for å skape en aksiell kraftoverføring.

Med vibrator på rigg vil det ved gitte frekvenser overføres mer kraft oppover til boretårn enn nedover til casingen, og vil med det kunne forårsake skade på riggen og representere en uakseptable HMS risiko. Dette sammen med andre betydelige HMS risikoer relatert til produktdesignet som baserer ser på eksentriske vekter, gjør at løsningen ikke er egnet.

US 4,574,888 viser en fremgangsmåte og utstyr på rigg for fjerning av objekter som sitter fast i en oljebrønn. Objektene omfatter borkroner, fôringsrør, casing, etc. Det benyttes ikke to motroterende eksentermasser, men derimot en hydraulisk sylinder, som sammen med en reaksjonsmasse og vertikalt monterte trykkfjærer, påfører vertikal vibrasjon til den øvre enden av et rør som strekker seg ned i brønnen til objektet som sitter fast. Den vertikale vibrasjonen justeres av den hydrauliske sylinderen til egenfrekvens til røret, og holdes basert på signaler fra et akselerometer og trykkforskjeller til stemplet i den hydrauliske sylinderen, samtidig som det trekkes i røret for å dra det oppover. Kraften som overføres til røret er størst i den øvre delen av røret, og avtar deretter i rørets lengde. Avhengig av hvilket objekt som har satt seg fast og den geologiske formasjonen, brukes "prøve og feile" metoden i fjerningsprosessen.

US 4,576,229 viser en nedihulls vibrator festet til en borestreng, der rotasjon og opptrekk av borestrengen medfører at to deler av vibratoren kan bevege seg i forhold til hverandre for å påføre vibrasjon for frigjøring av vektrøret. En første del er festet konsentrisk til borerørene og en andre del er festet konsentrisk til vektrøret, dvs. den nedre del av borestrengen.

US 4,788,467 viser likeledes et nedihulls vibrasjonssystem for tilførsel av energi for å hindre at oljen i borehullet kaviterer ved økning i temperaturen.

GB 2332690 A omhandler et resonatorverktøy for frigjøring av brønnrør eller objekter, der resonatorverktøyet er opphengt mellom en topdrive på en borerigg og et rør som strekker seg ned i et borehull, idet resonatorverktøyet er innrettet til å overføre vibrasjoner i aksial retning via nevnte rør til det fastspente rør eller objekt.

US 2010/0139912 A1 og DE 4447156 A1 viser vibrasjonsisolatorer med luftfjærer mellom nedre rørvibrasjonsaktuatorer og toppdeler.

Formål med foreliggende oppfinnelse

Det er et formål å frembringe smart styring av vibrator (oscillator), og som påfører kraft til røret slik at det kan være mulig betraktelig å forkorte tiden brukt på frigjøring av fastspente rør (stuck tubulars), både i forhold til konvensjonell kutting og trekking og manuell vibrasjonsfrigjøring.

Vibrasjon kan måles f.eks. med et akselerometer i nærheten av der røret er forbundet med vibrasjonsenheten. Dersom man benytter denne målte responsen inn i et reguleringssystem til å styre oscillatoren kan man oppnå et smart reguleringssystem med feedback.

Det er ofte begrenset kunnskap om hvor, hvordan og hvorfor casingen sitter fast, og med oppfinnelsen er utviklet en mer målrettet løsning som overfører kraften dit den trengs. Styringen vil kunne omfatte ulike typer operasjonsmodi.

Ved å måle casingens frekvensrespons topside kan man forutse hvor casing sitter fast og ved hvilke frekvenser og med hvilke amplituder vibrasjonsenergien bør puttes inn. Dette vil kunne gjøres automatisk ved tilbakekobling og smart styring.

Resonatorverktøyet kan integreres mot styringssystemet for boreriggen, og kan konstrueres slik at man kan trekke med full kraft gjennom den for å unngå unødvendig tid på montasje. Det antas at optimal effekt av vibrasjonsfrigjøring oppnås i kombinasjon med en passende trekkraft i topdrive. Med bruk av luftfjæring vil man få et mye større spillerom enn med tradisjonelle spiralfjærer.

Hamring/jaring er en kjent teknikk for å få løs borestrenger som har kjørt seg fast. En recipocating hydraulic actuator (heretter kalt RHA) kan også brukes som kraftkilde for denne teknikken ifølge oppfinnelsen.

Dersom casingen ikke skulle løsne gjennom påføring av resonans, vil det være en stor fordel raskt å kunne gjøre resonatorverktøyet klar for hamring/Jaring. Ved å låse resonatorverktøyet vil man kunne trekke med boreriggens topdrive uten å belaste vesentlige deler.

Det er videre et formål å frembringe en alternativ vibrator for frigjøring av rør. Ved å benytte en RHA i stedet for rotasjonsaktuator for vibrasjonsfrigjøring av rør vil man kunne kontrollere kraften på en bedre måte og dermed muliggjøre smart styring av vibrator (oscillator) og rørfrigjøring på høyere frekvenser. Dette vil sannsynligvis forkorte tid for frigjøring og redusere risiko ved operasjonen.

Fordeler med hydraulisk RHA er at de er hurtige, har høy effektivitet, kan virke på høye frekvenser, gjerne virke med frekvenser mellom 0-300 Hz og ha variabel slaglengde, og kan tilføre store krefter, i tilsvarende størrelsesorden som rotasjonsaktuatorene. Dette muliggjør å benytte RHA som både kraftkilder for å sette rør som skal frigjøres i sving, men også som aktuatorer til aktiv demping. Siden RHA kan påføres vilkårlige signaler, og ikke bare sinusoider, er det mulig å benytte de til smart styring som nevnt over, de kan virke på flere frekvenskomponenter samtidig og man kan starte på ønskede frekvenser umiddelbart. Aktuatoren kan dermed slås av og på umiddelbart uten å måtte gå gjennom risikosoner der annen struktur enn rørene som ønskes å settes i sving vibrerer mye.

Det er et ytterligere formål å frembringe en løsning som gjør at vibrasjoner og spenninger som oppstår på rigg reduseres i betydelig grad.

Vibrasjonsmålinger gjennomført med konvensjonelt vibrasjonsfrigjøringsutstyr viser at svært høye vibrasjonsnivå oppstår når enhetene benyttes under normal operasjon. På utstyr som er opphengt i heis (topdrive) via wire til toppen (kronen) av boretårn vil en kraftoverføringsvei dermed være via wire. Ved enkelte turtall opplever man at røret som vibratoren (oscillatoren) er fastspent til overfører krefter via rotary dekk eller topdrive. Årsaken er mest sannsynlig at fjærene i fjærpakke for isolasjon har egenfrekvenser i operasjonsområdet for vibratoren (oscillatoren).

For å stanse kreftene fra å bre seg til boreriggen for en vibrator (oscillator) montert på dekk eller opphengt i boretårn er det essensielt at man vibrasjonsisolerer overføringsveiene. Dette kan gjøres ved passiv vibrasjonsisolasjon eller aktiv vibrasjonsisolasjon. Ved passiv vibrasjonsisolasjon kan det benyttes ulike mekaniske tilpasninger. Aktiv vibrasjonsisolasjon kan gjøres ved aktiv isolatorkonfigurasjon og/eller aktiv dempekonfigurasjon.

Oppsummering av oppfinnelsen

Overnevnte formål oppnås med et resonatorverktøy for frigjøring av rør eller objekter, der resonatorverktøyet er opphengt mellom en topdrive på en borerigg og en casing som strekker seg ned i et borehull, idet resonatorverktøyet er innrettet til å overføre vibrasjoner i aksial retning via nevnte casing til det fastspente rør eller objekt, hvori resonatorverktøyet omfatter:

- en nedre aktuatordel med en første frekvensstyrt vibrator for overføring av nevnte vibrasjoner i aksial retning i casingen, hvilken første frekvensstyrte vibrator er forbundet med casingen og utstyrt med en lineært bevegelig reaksjonsmasse, - en mellomliggende isolatordel forbundet med den nedre aktuatordelen og den første frekvensstyrte vibratoren via et antall luftfjærer og et antall støtdempere for å redusere overføring av vibrasjoner i resonatorverktøyet, der den nedre aktuatordelen og den mellomliggende isolatordelen er innbyrdes bevegelige i forhold til hverandre i aksial retning, og der den mellomliggende isolatordelen har en egenfrekvens som er forskjellig fra resonatorverktøyets forventede arbeidsfrekvens og boreriggens egenfrekvenser,

- en toppdel med en andre frekvenstyrt vibrator,

- der toppdelen er forbundet med nevnte topdrive og den mellomliggende isolatordelen, og hvor toppdelen er forbundet med den mellomliggende isolatordelen via et antall luftfjærer, samt at toppdelen og den mellomliggende isolatordelen er innbyrdes bevegelige i forhold til hverandre i aksial retning, og

- et kontroll- og instrumenteringssystem for å styre delene som inngår i resonatorverktøyet.

Den nedre aktuatordelen, den mellomliggende isolatordelen og toppdelen kan være mekanisk sammenkoblet via respektive glidelagre for å tillate nevnte innbyrdes bevegelse i forhold til hverandre.

Resonatorverktøyet kan omfatte et passivt dempersystem i form av nevnte luftfjærer anordnet til den mellomliggende isolatordelen og nevnte støtdempere anordnet mellom den mellomliggende isolatordelen og den nedre aktuatordelen.

Resonatorverktøyet kan videre omfatte et aktivt dempersystem i form av den andre frekvensstyrte vibratoren utstyrt med en egen reaksjonsmasse, der den andre vibratoren er montert i toppdelen

.

Det aktive dempersystemet kan være innrettet til å bli aktivert om det registreres at det passive dempersystemet ikke er tilstrekkelig.

Toppdelen omfattende den andre vibratoren utstyrt med en egen reaksjonsmasse, kan være innrettet til å påføre et lavamplitude frekvenssveip til casingen som strekker seg ned i borehullet.

Under frekvenssveipet kan den nedre aktuatordelen være innrettet til å bli låst fast til toppdelen ved hjelp av et antall mekaniske koblinger.

Kontrollsystemet kan basert på registrerte egenfrekvenser i casingen være innrettet til å beregne posisjon til det fastspente rør eller objekt, samt hvilken frekvens vibratoren i aktuatordelen skal påføre casingen for å frigjøre det fastspente rør eller objekt.

Den frekvensstyrete vibratoren kan være en resiprokerende hydraulisk aktuator i form av en hydraulisk shaker.

Overnevnte formål oppnås også med fremgangsmåte for frigjøring av rør eller objekter i en brønnformasjon, der et resonatorverktøy som omtalt ovenfor opphenges mellom en topdrive på en borerigg og en casing som strekker seg ned i et borehull, idet resonatorverktøyet overfører vibrasjoner i aksial retning via nevnte casing til det fastspente rør eller objekt, omfattende de følgende trinn:

- låsing av en toppdel og en nedre aktuatordel til resonatorverktøyet stivt sammen, - sende et frekvenssveip av aksielle vibrasjoner ned i røret som sitter fast ved hjelp av en andre frekvensstyrt hydraulisk vibrator montert i toppdelen,

- opplåsing av koblingen mellom toppdelen og den nedre aktuatordelen slik at toppdelen og den nedre aktuatordelen er fritt bevegelig i forhold til hverandre, og - basert på resultatet av frekvenssveipet startes en første frekvensstyrt hydraulisk vibrator montert i den nedre aktuatordelen med overføring av vibrasjoner i aksial retning i casingen.

Basert på resultatet av frekvenssveipet kan den første frekvensstyrt vibratoren starte direkte på en ønsket frekvens og lav amplitude (slaglengde).

Vibreringsfrekvensen som velges er fortrinnsvis en markert egenfrekvens til det fastspente rør, funnet under frekvensseipet, slik at vibrasjonene overføres til området hvor det fastspente rør eller objekt sitter fast.

Vibreringsfrekvensen som velges ligger helst fjernt fra riggens kritiske egenfrekvenser.

For å isolere vibrasjoner mellom den nedre aktuatordelen med den første frekvensstyrt vibratoren som overfører nevnte vibrasjoner i aksial retning i casingen og toppdelen forbundet med nevnte topdrive, kan det monteres en fritt bevegelig mellomliggende isolatordel.

Den mellomliggende isolatordelen kan forbindes med toppdelen og aktuatordelen via et antall luftfjærer, og der kraften i luftfjærene endres ved å variere trykket ettersom hvor stor belastningen er i resonatorverktøyet.

Den mellomliggende isolatordelen kan også forbindes med aktuatordelen via et antall støtdempere.

Videre kan den andre frekvensstyrte vibratoren være utstyrt med en egen reaksjonsmasse, og som under aktivering påfører aktiv dempning i

resonatorverktøyet.

Den andre frekvensstyrte vibratoren kan også aktiveres om det registreres at det passive dempersystemet med luftfjærene ikke er tilstrekkelig.

Beskrivelse av figurer

Foretrukne utførelser av oppfinnelsen skal i det etterfølgende omtales mer detaljert med henvisning til de medfølgende figurene, hvori:

Figur 1 viser en prinsippskisse av et resonatorverktøy (TOR) for frigjøring av rør eller objekter ifølge oppfinnelsen.

Figur 2 viser markert en toppdel som inngår i resonatorverktøyet vist i figur 1. Figur 3 viser markert en mellomliggende isolatordel som inngår i resonatorverktøyet vist i figur 1.

Figur 4 viser markert en nedre aktuatordel som inngår i resonatorverktøyet vist i figur 1.

Figur 5 viser resonatorverktøyet ifølge oppfinnelsen opphengt mellom en topdrive og en casing.

Beskrivelse av foretrukne utførelser av oppfinnelsen.

Kjent, kommersielt tilgjengelig topside vibrasjonsutstyr for frigjøring av fastspente rør benytter motroterende eksentermasser som typisk drives av hydrauliske motorer. Kraften er gitt av F=mew^2, hvor F er påført kraft, m er eksentermasse, e er eksenteravstand og w er rotasjonshastighet. Motroterende masser benyttes for å kansellere kraften horisontalt og resultatet er at kraften får en sinusform som hovedsakelig virker i vertikal retning. Ulempene med dette prinsippet er at det er vanskelig å kontrollere. Dersom en ønsker å eksitere rørsystemene ved en spesiell frekvens er man nødt til å gå gjennom et lavfrekvent frekvensområde først. Det samme skjer når vibrasjonsenheten skal stanses. På grunn av rotasjonstregheten vil alltid rotasjonsaktuatoren måtte passere gjennom alle frekvenser ned fra operasjonsfrekvensen. Grunnstruktur, som f.eks. boretårn, bærestruktur og rørsystemer tilkoblet rigg vil kunne settes i svingninger som følge av opp- og nedkjøring av vibratorenheten dersom den virker i rotasjon. En annen ulempe med rotasjonsaktuatoren er at den kun kan virke på en frekvens om gangen da frekvensen er direkte koblet til rotasjonshastigheten til motoren. En tredje ulempe er at kraften øker kvadratisk med turtallet. Det vil være vanskelig å gå veldig høyt i frekvens (maks 18 Hz) og dessuten svært vanskelig å styre amplituden på kraften med en slik enhet.

Resonatorverktøyet ifølge oppfinnelsen er basert på en stor hydraulisk vibrator (recipocating hydraulic actuator eller en hydraulisk shaker – RHA) som henges i topdrive og mellom toppen av borerørsstrengen og kobles til casing som sitter fast nede i brønnen. Vibratoren vil overføre vibrasjonene i aksiell retning gjennom borerørstrengen og ned til punktet som sitter fast. Ved gitte frekvenser vil man få stående aksielle bølger (resonans) i rørsystemet, som i sin tur kan være med på å vibrere casing slik at friksjonen mellom casing og kontaktsoner reduseres, og transportere energi til stuck point, og sørge for å frigjøre casing fra det som holder casing fast (settlet baritt, innseget formasjon, sementrester etc.).

For å kunne ha kontroll på frigjøringsprosessen og optimalisere frigjøringen, er man avhengig av å kunne kontrollere både frekvens og amplitude. I motsetning til en rotasjonsaktuator, som kun kan kontrollere frekvens ved turtall og har et smalt operasjonsområde, vil en RHA kunne kontrollere både frekvens og amplitude og i tillegg ha et bredt operasjonsområde. RHA er bygd opp rundt en kjent ventilteknologi som muliggjør ekstremt rask og presis styring av en spesialprodusert hydraulikksylinder med friksjonsløse hydrostatiske lagre. En hydraulisk shaker kan overføre enorme mengder energi, og er i hovedsak kun begrenset av hvor stor HPU man har tilgjengelig. Et viktig argument for å ta i bruk denne teknologien er sikkerhet. I motsetning til en rotasjonsaktuator, har denne ingen opplagret energi i form av roterende masser, og kan dermed stoppes umiddelbart ved nødstopp. Vibratoren slipper også å kjøres gjennom risikofylte resonanssoner som rigg og boretårn har.

Som vist i figurene omfatter resonatorverktøyet 10 i hovedsak tre deler: en øvre toppdel 12 med standard innfestning som festes til topdrive 40, en mellomliggende isolatordel 14, og en nedre aktuatordel 16 som festes til et borerør så som en casing 42 via en standard innfesting. I tillegg omfatter resonatorverktøyet 10 et kontroll- og instrumenteringssystem (ikke vist).

En frekvensstyrt hydraulisk vibrator (RHA) 20 med en stor oscillerende masse 28 er montert på den nedre aktuatordelen 16. Massen 28 er montert på sylinderstangen til en recipocating hydraulic aktuator som glir lineært opp og ned styrt med lineærlagre. Den nedre aktuatordelen klampes i røret 42 som sitter fast i brønnen.

Den nedre aktuatordelen 16 er forbundet med den mellomliggende isolatordelen 14 via et nedre sett med luftfjærer 24, mens den mellomliggende isolatordelen 14 er forbundet med toppdelen 12 via et øvre sett med luftfjærer 22. Toppdelen 12, isolatordelen 14 og aktuatordelen 16 er fortrinnsvis utformet som rammeverk som er innbyrdes bevegelige i forhold til hverandre via lineære glidelagre 32. Av illustrasjonshensyn er kun noen få av glidelagrene 32 gitt henvisningstall. Disse lagrene 32 kan også benyttes for styring av toppmassen 28 til vibratoren 20.

Den øvre toppdelen 12 henges i topdrive 40 så man kan trekke med riggens vinsj. En andre og mindre, frekvensstyrt hydraulisk hjelpevibrator 30 utstyrt med en egen reaksjonsmasse kan være montert i toppdelen 12. Denne andre hjelpevibratoren 30 kan i hovedsak benyttes til to formål; vibratordempning i resonatorverktøyet 10 eller til å påføre et lavamplitude frekvenssveip til casingen 42 som strekker seg ned i borehullet.

Ved hjelp av mekaniske koblinger 38 kan toppdelen 12 med den andre vibratoren 30 låses fast til den nedre aktuatordelen16, for å sende et frekvenssveip av aksielle vibrasjoner ned i casingen som sitter fast. Slik analyserer man casingen og finner alle dens aksielle egenfrekvenser og dens «stuck point». Deretter låses opp koblingen 38 mellom toppdelen 12 og den nedre aktuatordelen 16 slik at resonatorverktøyet 10 blir fri og aksielt avfjæret.

Basert på det som ble funnet ved skanningen kan nå den store hydrauliske vibratoren (20) (hovedvibratoren) starte direkte på en ønsket frekvens og lav amplitude (slaglengde).

Frekvensen som velges bør være en av de sterkeste egenfrekvensene som ble funnet på casingen og samtidig den som ligger lengst borte fra riggens kritiske egenfrekvenser. Deretter kan amplituden på massen 28 som står på den hydrauliske vibratoren 20 økes, slik at det er full kontroll på effekten som brukes, og når casingen løsner kan det avsluttes. Slik trenger man kanskje ikke bruke max effekt på resonatorverktøyet 10. Dette kan styres smart med resonatorverktøyets styringssystem som under prosessen også kan overvåke vibrasjonsnivåer på flere stedet på riggen slik at man ikke overstiger hva man tillater av vibrasjoner på rigg.

Mens den hydrauliske vibratoren 20 oscillerer og sender aksielle pulser ned i casingen kan det trekkes med toppdrive vinsjen. Kreftene fra toppdelen 12 og ned til den delen som rister overføres med de nevnte øvre og nedre sett med luftfjærer 22,24 i serie via den mellomliggende isolatordelen 14. Disse luftfjærene 22,24 kan endre kraft med hjelp av varierende trykk etter som hvor hardt vinsjen trekker. Slik vil resonatorverktøyet 10 kunne ha konstant lengde i forhold til varierende kraft.

For å isolere den nedre aktuatordelens 16 kraftige vibrasjoner fra toppdelen 12 er den mellomliggende isolatordelen 14 montert mellom luftfjærene 22,24. Denne mellomliggende isolatordelen 14 er i prinsippet helt løs og har en egenfrekvens som ligger lange borte fra resonatorverktøyets 10 forventede arbeidsfrekvens og riggens egenfrekvenser. Slik vil den mellomliggende isolatordelen 14 isolere vibrasjonene fra den nedre aktuatordelen 16 effektivt. Luftfjærer overfører ikke mye aksielle vibrasjonskrefter ettersom de er veldig lette, og har ingen aksielt svingende masse. Den mellomliggende isolatordelen 14 lever da fritt og fjerner det meste av vibrasjoner som måtte gå opp gjennom luftfjærene 22,24.

Hvis den mellomliggende isolatordelen 14 skulle få store utsving på grunn av samsvarende egenfrekvenser kan det monteres oljedempere 26 mellom den nedre aktuatordelen 16 og den mellomliggende isolatordelen 14. Erfaringsmessig kan disse demperne overføre mye krefter for å kontrollere den mellomliggende delen 14.

Det er derfor en fordel at de teleskopiske oljedemperne 26 er montert mellom den mellomliggende delen 14 og den nedre aktuatordelen 16. Den nedre aktuatordelen 16 representerer mest masse og krefter og vil ikke ha noe problem med å kontrollere kreftene fra demperne. Slik vil den øvre luftfjær 22 få små amplituder å jobbe med og isolasjonen av de aksielle vibrasjonene gjennom resonatorverktøyet 10 vil bli minimal. I tillegg kan som nevnt hjelpevibratoren 30 benyttes som aktiv demper for å fjerne de siste rester av vibrasjon mot topdrive.

Målingene viser at det er fare for at mye vibrasjonsenergi kan forplante seg opp boretårnet, og videre ut i riggen. Det er nødvendig å redusere vibrasjonsnivåene som overføres for å kunne anvende utstyret på forsvarlig vis. Samtidig må man opprettholde aksiell resonans i casing for effektiv å frigjøre den. Isolatorpakken består derfor av flere deler bestående av seriekoblede rammeverk, fjærer og dempere.

Tradisjonelt brukes enorme spiralfjærer (1tonn/stk) som isolatorer. En spiralfjær vil kunne fungere som isolator, men representerer en betydelig risiko for at resonans oppstår og fare for prosjektiler ved fjærbrudd. Resonatorverktøyet er som nevnt tenkt utstyrt med et array av luftfjærer 22,24 montert i serie med aktuatoren. I en luftfjær kan kraften kontrolleres ved å regulere trykket slik at det kan kompenseres for varierende trekkraft fra vinsjen topside samt kompensere for bevegelse i casingen hvis den frigjøres. En luftfjær vil heller ikke ha aksielle og radielle egenfrekvenser slik som en spiralfjær har ettersom de ikke har noe intern masse, noe som forbedrer operasjonsområdet, sikkerheten og vekten på vibrasjonsenheten.

Ved å erstatte mekaniske spiralfjærer i isolatorpakken med luftfjærer vil de radielle og aksielle resonansene som oppstår i fjærene, og som overfører vibrasjoner via rotary og topdrive, fjernes. Luftfjærer er justerbare ved at man varierer trykket i fjæren, noe som muliggjør adaptiv styring. Luftfjærer har dessuten blitt benyttet for isolasjon av store, tunge konstruksjoner tidligere og muliggjør isolasjon ved svært lave frekvenser.

Smart styringssystemet i følge oppfinnelsen kan probe det fastspente rørsystemet ved å påføre en bredbåndet kraft gjennom sveipet sinus eller brus og på denne måten trekke ut karakteristikken til systemet, dvs. egenfrekvenser som responderer mye, dempingen for hver egenfrekvens, mm. Høy amplitude for en egenfrekvens vil mest sannsynlig bety at rørsystemet effektivt overfører energien til «stuck point» dersom man påkjenner rørene med krefter med disse frekvensene. Dempingen for hver målte egenfrekvens vil kunne si noe om friksjonen rundt det fastspente røret. Ved å påkjenne rørene med krefter med disse frekvensene vil man kunne påvirke soner med høy friksjon. Amplituden og dempingen på egenfrekvensene i kombinasjonene vil også muliggjøre og skape et romlig kart over hvordan røret sitter fast. Dette er mulig da egenfrekvensene kun er avhengige av lengdene på rørsystemene, og ikke tverrsnittsgeometri (fn=n* 2524/L, n=1,3,5..).

Til sammenlikning opereres dagens vibrasjonsfrigjøringsutstyr manuelt. Man skrur opp turtallet til man observerer høy vibrasjonsrespons og ligger deretter på dette turtallet en periode. Med et smart styringssystem kan energien puttes inn i flere egenfrekvenser og dermed tilføre mer total energi. Dette resulterer igjen i kortere frigjøringstid.

Claims (18)

Patentkrav

1. Resonatorverktøy (10) for frigjøring av rør eller objekter, der resonatorverktøyet er opphengt mellom en topdrive (40) på en borerigg og en casing (42) som strekker seg ned i et borehull, idet resonatorverktøyet (10) er innrettet til å overføre vibrasjoner i aksial retning via nevnte casing (42) til det fastspente rør eller objekt, k a r a k t e r i s e r t v e d at resonatorverktøyet (10) omfatter:

- en nedre aktuatordel (16) med en første frekvensstyrt vibrator (20) for overføring av nevnte vibrasjoner i aksial retning i casingen (42), hvilken første frekvensstyrte vibrator (20) er forbundet med casingen (42) og utstyrt med en lineært bevegelig reaksjonsmasse (28),

- en mellomliggende isolatordel (14) forbundet med den nedre aktuatordelen (16) og den første frekvensstyrte vibratoren (20) via et antall luftfjærer (24) og et antall støtdempere (26) for å redusere overføring av vibrasjoner i resonatorverktøyet (10), der den nedre aktuatordelen (16) og den mellomliggende isolatordelen (14) er innbyrdes bevegelige i forhold til hverandre i aksial retning, og der den mellomliggende isolatordelen (14) har en egenfrekvens som er forskjellig fra resonatorverktøyets (10) forventede arbeidsfrekvens og boreriggens egenfrekvenser,

- en toppdel (12) med en andre frekvenstyrt vibrator (30),

- der toppdelen (12) er forbundet med nevnte topdrive (40) og den mellomliggende isolatordelen (14), og hvor toppdelen (12) er forbundet med den mellomliggende isolatordelen (14) via et antall luftfjærer (22), samt at toppdelen (12) og den mellomliggende isolatordelen (14) er innbyrdes bevegelige i forhold til hverandre i aksial retning, og

- et kontroll- og instrumenteringssystem for å styre delene som inngår i resonatorverktøyet.

2. Resonatorverktøy (10) i samsvar med krav 1, k a r a k t e r i s e r t v e d at den nedre aktuatordelen (16), den mellomliggende isolatordelen (14) og toppdelen (12) er mekanisk sammenkoblet via respektive glidelagre (32) for å tillate nevnte innbyrdes bevegelse i forhold til hverandre.

3. Resonatorverktøy (10) i samsvar med krav 1, k a r a k t e r i s e r t v e d å omfatte et passivt dempersystem i form av nevnte luftfjærer (22.24) anordnet til den mellomliggende isolatordelen (14) og nevnte støtdempere (26) anordnet mellom den mellomliggende isolatordelen (14) og den nedre aktuatordelen (16).

4. Resonatorverktøy (10) i samsvar med krav 1, k a r a k t e r i s e r t v e d å omfatte et aktivt dempersystem i form av den andre frekvensstyrte vibratoren (30) utstyrt med en egen reaksjonsmasse.

5. Resonatorverktøy (10) i samsvar med krav 3 og 4, k a r a k t e r i s e r t v e d at det aktive dempersystemet er innrettet til å bli aktivert om det registreres at det passive dempersystemet ikke er tilstrekkelig.

6. Resonatorverktøy (10) i samsvar med krav 1, k a r a k t e r i s e r t v e d at toppdelen (12) omfattende den andre frekvensstyrte vibratoren (30), utstyrt med en egen reaksjonsmasse, er innrettet til å påføre et lavamplitude frekvenssveip til casingen (42) som strekker seg ned i borehullet.

7. Resonatorverktøy (10) i samsvar med krav 6, k a r a k t e r i s e r t v e d at under frekvenssveipet er den nedre aktuatordelen (16) innrettet til å bli låst fast til toppdelen (12) ved hjelp av et antall mekaniske koblinger (38).

8. Resonatorverktøy (10) i samsvar med krav 6, k a r a k t e r i s e r t v e d at kontrollsystemet basert på registrerte egenfrekvenser i casingen (42) er innrettet til å beregne posisjon til det fastspente rør eller objekt, samt hvilken frekvens den første frekvensstyrte vibratoren (20) i aktuatordelen (16) skal påføre casingen (42) for å frigjøre det fastspente rør eller objekt.

9. Resonatorverktøy (10) i samsvar med krav 1, k a r a k t e r i s e r t v e d at de frekvensstyrete vibratorene (20,30) respektiv er en resiprokerende hydraulisk aktuator i form av en hydraulisk shaker.

10. Fremgangsmåte for frigjøring av rør eller objekter i en brønnformasjon, der et resonatorverktøy (10) i samsvar med ett eller flere av kravene 1-9 opphenges mellom en topdrive (40) på en borerigg og en casing (42) som strekker seg ned i et borehull, idet resonatorverktøyet (10) overfører vibrasjoner i aksial retning via nevnte casing (42) til det fastspente rør eller objekt, k a r a k t e r i s e r t v e d de følgende trinn:

- låsing av en toppdel (12) og en nedre aktuatordel (16) til resonatorverktøyet (10) stivt sammen,

- sende et frekvenssveip av aksielle vibrasjoner ned i røret som sitter fast ved hjelp av en andre frekvensstyrt hydraulisk vibrator (30) montert i toppdelen (12), - opplåsing av koblingen mellom toppdelen (12) og den nedre aktuatordelen (16) slik at toppdelen (12) og den nedre aktuatordelen (16) er fritt bevegelig i forhold til hverandre, og

- basert på resultatet av frekvenssveipet startes en første frekvensstyrt hydraulisk vibrator (20) montert i den nedre aktuatordelen (16) med overføring av vibrasjoner i aksial retning i casingen (42).

11. Fremgangsmåte i samsvar med krav 10, k a r a k t e r i s e r t v e d at basert på resultatet av frekvenssveipet startes den første frekvensstyrt vibratoren (20) direkte på en ønsket frekvens og lav amplitude.

12. Fremgangsmåte i samsvar med krav 10, k a r a k t e r i s e r t v e d at vibreringsfrekvensen som velges er en markert egenfrekvens til det fastspente rør, funnet under frekvensseipet, slik at vibrasjonene overføres til området hvor det fastspente rør eller objekt sitter fast.

13. Fremgangsmåte i samsvar med krav 10, k a r a k t e r i s e r t v e d at vibreringsfrekvensen som velges ligger fjernt fra riggens kritiske egenfrekvenser.

14. Fremgangsmåte i samsvar med krav 10, k a r a k t e r i s e r t v e d at for å isolere vibrasjoner mellom den nedre aktuatordelen (16) med den første frekvensstyrt vibratoren (20) som overfører nevnte vibrasjoner i aksial retning i casingen (42) og toppdelen (12) forbundet med nevnte topdrive (40), monteres en fritt bevegelig mellomliggende isolatordel (14).

15. Fremgangsmåte i samsvar med krav 14, k a r a k t e r i s e r t v e d at den mellomliggende isolatordelen (14) forbindes med toppdelen (12) og den nedre aktuatordelen (16) via et antall luftfjærer (22,24), og der kraften i luftfjærene endres ved å variere trykket ettersom hvor stor belastningen er i resonatorverktøyet (10).

16. Fremgangsmåte i samsvar med krav 14, k a r a k t e r i s e r t v e d at den mellomliggende isolatordelen (14) forbindes med den nedre aktuatordelen (16) via et antall støtdempere (26).

17. Fremgangsmåte i samsvar med krav 10, k a r a k t e r i s e r t v e d at den andre frekvensstyrte vibratoren (30) er utstyrt med en egen reaksjonsmasse, og som under aktivering påfører aktiv dempning i resonatorverktøyet (10).

18. Fremgangsmåte i samsvar med krav 10 og 14-15, k a r a k t e r i s e r t v e d at den andre frekvensstyrte vibratoren (30) aktiveres om det registreres at det passive dempersystemet med luftfjærene (22,24) ikke er tilstrekkelig.