NO773358L - Stoetdemper. - Google Patents

Description

Støtdemper

Oppfinnelsen angår stotdempere og særlig en hydraulisk stotdemper for anvendelse ved beskyttelse av borskjær og bor-streng mot stot som frembringes av den yibrasjonsenergi som utvikles ved rotasjonsboring gjennom grove og oppbrutte forma-sjoner.

Mange forskjellige typer av stotdempere er blitt konstru-ert for anvendelse ved rotasjonsboreoperasjoner. De fleste av de tidligere kjente anordninger har en innelukket gass belig-gende inne i en beholder med variabelt volum. Ved å redusere beholderens volum ved oppadrettet bevegelse av en nedre komponent gjennom en nedre endedel (engelsk: "sub")5komprimeres den innelukkede gass og oker dermed motstanden mot den oppad-rettede bevegelse inne i en teleskoplsk forskyvbar komponent. Når den nedre komponent beveges nedover fra den teleskopisk forskyvbare komponent, oker likeledes volumet av den innelukkede gass og byr dermed på mindre motstand mot oppadrettet bevegelse inne i den teleskopisk forskyvbare komponent". Bevegelsen inne i den teleskopisk forskyvbare komponent innledes normalt ved krefter på borskjæret.

Andre typer av stotdempere som benyttes ved rotasjonsboring, omfatter en elastomer substans som er anordnet mellom teleskopisk forskyvbare elementer i stotdemperen. Den elasto-mere substans er uegnet ved hoy temperatur og visse kjemiske omgivelser og levetiden er forholdsvis kort for denne type av anordning.

Enda en annen type stotabsorberende anordning er vist i U.S. patent nr. 3.382.936 og består av en luftpose som er fylt av trykkluft hvor volumet av luftposen endres som reaksjon på teleskopisk bevegelse av det nedre element inne i en kappe. Problemet med benyttelse av en trykkluftpose i en stotdemper blir åpenbart når den nedadrettede vekt på borskjæret varieres i vesentlig grad. Da stotdemperen må være forinnstilt med et forutbestemt lufttrykk for en gitt borebetingelse, vil stotdemperen bli betydel ig mindre effektiv når borebetingelsene endres.

Det er et formål med oppfinnelsen å tilveiebringe en for-bedret form for stotdemper for bruk i rotasjonsboreinnretninger.

Ifolge oppfinnelsen er det tilveiebragt en stotdemper for bruk sammen med et roterende jordbor som benytter borefluidum, hvor stotdemperen omfatter en kappe, en anordning for forbindelse av kappen ved dens ene ende med et boreror, en ambolt for forbindelse med et borskjær, en anordning for glidbar og tettende forbindelse av kappen ved dens andre ende med ambolten, et antall uavhengig arbeidende, hule stempler som er glidbart montert inne i kappen, en anordning for begrensning av den nedadrettede bevegelse av stemplene, og en fluidumpassasje som danner forbindelse mellom kappens ytterside og et differanse-trykkområde på den ene side av hvert av stemplene.

Oppfinnelsen er særlig rettet på en hydraulisk stotdemper som består av en ovre endedel som er forbundet med den ovre ende av kappen som omslutter et antall aksialt innrettede, hule stempler som er glidbart montert i denne, idet kappen ved sin nedre ende er forbundet med en nedre endedel som omslutter den i denne glidbart monterte ambolt. Borefluidum strommer gjennom en borerorstreng til den ovre endedel og gjennom de hule stempler for den forlater stotdemperen via ambolten. Hvert stempel består av en radialt forlopende flens for tetning mot kappen og en hylse som strekker seg nedover gjennom en holdering som er tilkoplet inne kappen. Trykk utenfor kappen blir gjennom hull i kappen tilfort til et ringformet rom mellom flensen og holderingen. Hylsen trykkes nedover av en kr.aft som er lik trykkforskjellen mellom trykket inne i kappen og trykket utenfor kappen ganger stempelets differansetrykkareal.

Når nedadrettet kraft på borskjæret når et forutbestemt nivå, vil ambolten bevege seg glidbart oppover inne i kappen til den stoter mot det nedre stempel eller bunnstempelet. Ytterligere okning av den nedadrettede kraft vil bevege ambolten og bunnstempelet til anliggende beroring med det neste tilgrensende stempel. Dersom den nedadrettede kraft på borskjæret okes ytterligere for å overvinne den nedadrettede kraft på det andre stempel, vil det andre stempel bli beveget oppover med det forste stempel og ambolten inntil det andre stempel stoter mot et tredje stempel som er anordnet ovenfor dette. Forlopet kan gjentas med så mange stempeltrinn som er anordnet

i den hydrauliske stotdemper. Et forutbestemt antall glidbare stempler vil være i innbyrdes tilstøtende forbindelse avhengig av trykkforskjellen, differansetrykkarealene for de respektive stempler og den nedadrettede kraft på borskjæret.

Anta f.eks. at en forutbestemt, nedadrettet kraft utoves på et borskjær og at ambolten har nådd sin optimale stilling ved suksessive anslag av et forutbestemt antall stempler. Dersom den nedadrettede kraft eller vekt deretter plutselig- redu-seres på grunn av en eller annen virkning, som f.eks. at borskjæret bryter gjennom en hard formasjon, vil antall stempler som virker i suksessiv tilstotende forbindelse mot ambolten,

bli redusert ved bevegelse av ambolten i den nedre endedel.

Den vibrasjon sorn• forårsakes av den plutselige endring i drifts-betingelser for borskjæret, vil bli vesentlig dempet av den hydrauliske stotdemper.

Det er viktig at det er tilstrekkelig stromning fra kappens utside til det ringformede rom som er dannet mellom hver respektiv holdering og flens, og fra stempelets sentrale stromningspassasje til det ringformede rom som er dannet under hver respektiv holdering, slik at hvert trinn av stotdemperen vil ha en rask reaksjonstid for å tillate rask respons på skiftende betingelser eller tilstander på bunnen av hullet.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere i det folgende i forbindelse med et utforelseseksempel under henvisning til tegningene, der fig. 1 viser et langsgående tverrsnittsbilde av den hydrauliske stotdemper med ambolten delvis inntrukket i kappen, fig. 2 viser et langsgående tverrsnittsbilde av den hydrauliske stotdemper med ambolten helt utragende fra kappen, fig. 3 viser et langsgående tverrsnittsbilde av den hydrauliske stotdemper med ambolten helt inntrukket i kappen,

fig. h viser et tverrsnitt'etter linjen h- h på fig. 1, fig. 5

viser et tverrsnitt etter linjen 5-5 på fig. 1, fig. 6 viser et tverrsnitt etter linjen 6-6 på fig. 1 og fig. 7 viser et forstorret riss av en del av den hydrauliske stotdemper som viser det forste trinns stempel.

Idet det nå henvises til fig. 1, viser denne figur en hydraulisk stotdemper som er generelt betegnet med henvisnings-tallet 10. Den hydrauliske stotdemper 10 har en ovre endedel 12 for forbindelse med en borerorstreng ved hjelp av gjenger lh. En sentral stromningspassasje 16 strekker seg. gjennom den ovre endedel 12 for mottagelse av borefluidum fra borerorstrengen. Den ovre endedel 12 er forbundet med en kappe 18 ved hjelp av gjenger 20'. En nedre endedel 22 er forbundet med bunnen av kappen 18 ved hjelp av gjenger 2h.

Inne i den nedre endedel 22 er montert en ambolt 26 ved hjelp av en kile- eller rilleforbind.else 28 slik som vist mer detaljert på fig. 6. Ved hjelp av rilleforbindelsen 28 kan ambolten 26 gli fritt langs den hydrauliske støtdempers 10 lengdeakse mellom begrensede .stoppstillinger. Den nedre stopp for ambolten 26 styres ved hjelp av en delt ring 30. Den delte ring 30 er dannet av to identiske halvdeler av en sylinder som er oppsplittet langs lengdeaksen, hvilke halvdeler er i til-støtende forbindelse. Den delte ring 30 omslutter den ovre del av ambolten 26. En innadrettet flens 32 på den delte ring 30 er opptatt i en underskjæring 3^ på ambolten 26. Dersom ambolten 26 skulle beveges.nedover inne i den nedre endedel 22 til sin laveste stilling, ville bunnen 36 av den delte ringforbindelse 30 komme til anlegg mot toppen 38 av den nedre endedel 22 for å hindre ytterligere nedadrettet bevegelse. V-formede slisser ^0 (se fig. 5) strekker seg langs hele lengden av den delte ringforbindelse 30 for å hindre at borefluidum innesper-res i det ringformede rom h2 og derved, hindrer langsgående bevegelse av ambolten 26. Konstruksjonen av den delte ringforbindelse 30 fremgår av fig. 5 i kombinasjon med fig. 1.

Under rilleforbindelsen 22 er anordnet hellende tverrboringer kk som står i forbindelse med en sentral stromningspassasje<*>+6 i ambolten 26. De hellende tverrboringer kh til-later fluidumvasking langs *rilleforbindelsen 28. Tetninger kQ mellom ambolten 26 og den nedre endedel 22 hindrer lekkasje av borefluidum derimellom. Trykket utenfor den hydrauliske stotdemper 10 (representert ved symbolet P ) er mindre enn trykket inne i den hydrauliske stotdemper (representert ved symbolet P^) med et belop som er i det vesentlige lik trykkfallet over borskjæret (ikke vist). Ambolten 26 er normalt forbundet med et borskjær (ikke vist) ved hjelp av gjenger 5<1>+. Slik som senere beskrevet mer detaljert, er oppadrettet bevegelse av ambolten 26 begrenset ved den ovre stoppstilling som er definert ved innbyrdes anlegg mellom en skulder 5° og bunnen 52 av den nedre endedel 22.

Inne i kappen 18 er anordnet et antall hule stempler som er betegnet som forste trinns stempel 121, andre trinns stempel 122, tredje trinns stempel 123, fjerde trinns stempel ~ L2h og femte trinns stempel 125. Stemplene har likeartede bestanddeler

■ bestående av flenser betegnet med hhv. 82, 98, 100, 102 og 10<1>*, og nedad ragende hylser betegnet med. hhv. 70, 9° 5 92, 9<*>+°§96. Hylsene er glidbart anordnet i holderinger betegnet hhv. med

56, 106, 108, 110 og 112 som er forbundet med kappen ved hjelp av hule skruer 58 med passasjer 6^- som kommuniserer gjennom kappen 18.

I den ubelastede tilstand, som er vist på fig. 2, er hvert av stemplene adskilt fra det tilgrensende stempel med en bestemt avstand slik at de vil bli fortlopende aktivert ved. oppadrettet bevegelse av ambolten.

Idet det nå henvises til fig. 7, skal det gis en detaljert beskrivelse av stemplene og holderingene i forbindelse med det forste trinns stempel 121. Arrangementet av og virkemåten for hvert av stemplene er identisk. Det skal også bemerkes at i den foretrukne utforelse er kappen beskrevet som en enhetlig del. Det kan imidlertid være onskelig å konstruere kappen i segmenter hvor hvert segment rommer et eneste stempel idet holderingen danner en integrert del av kappesegmentet.

En holdering 56 holdes i stilling ved hjelp av hule skruer 58 over ambolten 26., Holderingen 56 er avtettet mot kappen 18 ved hjelp av en tetning, 60. Skruene 58 har en passasje 6<*>+ som fra kappens 18 utside kommuniserer med et ringformet rom 68 som er dannet mellom holderingen 56 og hylsen 70 for det forste trinns stempel 121. Hylsen 70 er glidbart anordnet i holderingen 56. Hylsen 70 er glidbart forseglet i forhold til holderingen 56 ved hjelp av en tetning 72. Hylsens 70 bunn "] h har en rekke tverrslisser 76 for å tillate fluidumtrykk gjennom hylsens stromningspassasje 78 å virke over hele bunnen 7^ av hylsen 70 og toppen 80 av ambolten 26. Tverrslissene 76 til-later også fluidum å passere inn i og ut av kammeret 75.

Stempelet 121 har en radialt forlopende flens 82 som er glidbart forseglet i forhold til kappen 18 ved hjelp av en tetning 8h. Slik det fremgår av tegningene, er overflatearealet 86 under den radialt forlopende flens 82 utsatt for trykket PQ via det ringformede rom 68 og passasjen 6^-. Trykket På-virker på det ovre overflateareal 88 og stempelets 121 bunn-flate 7^. Den netto nedadrettede kraft som virker på stempelet 121, er lik differensen mellom trykkene P^og Pq ganger overflatearealet 86.

Idet det nå henvises til fig. 2, er den hydrauliske stotdemper 10 vist med ambolten 26 i helt utragend.e stilling hvor bunnen 36 av den delte ringforbindelse 30 hviler mot toppen 38 av den nedre endedel 22. Den maksimale avstand adskiller skulderen 50 fra bunnen 52 av den nedre endedel 22. Ved. be-traktning av hvert suksessivt trinn over ambolten 26 fremgår det at stemplene 121, 122, 123, 12*+ og 125 er i sin nederste stilling, og på hvert av stemplene virker det derfor en netto nedadrettet kraft, som er lik differansen mellom trykkene P T og Pq ganger differansetrykkarealet for hvert respektivt stempel, nemlig arealet av flaten 86. Det vil innsees at det primære dif f eranseareal for hvert stempel kan varieres ved. å variere tverrsnittsarealet for hylsen.

Som en typisk illustrasjon angående anvendelsen av den hydrauliske stotdemper 10, antas det at trykkfallet over borskjæret er ca. 60 kg/cm , slik at PT minus Pner tilnærmet lik 60 kg/cm p . Dersom amboltens 26 effektivue areal, definert ved tetningene hQ, er tilnærmet lik 1^-0 cm P, er den redadret-tede kraft som forårsakes av trykkfallet, lik 60 kg/cm P ganger Im-0 cm 2 eller en kraft på 8<*>A00 kg som forsoker å bevege am bolten 26 til sin nederste stilling. Under normale boreopera-sjoner må det derfor utoves en nedadrettet vekt på 8.<>>+00 kg på borskjæret for å overvinne den nedadrettede kraft på ambolten 26. Så snart den nedadrettede vekt overskrider 8A00 kg, vil ambolten 26 gli oppover i rilleforbindelsen 28 inntil den stoter mot stempelets 121 bunn 7<*>+.

Stempelet 121 danner det forste trinn i den hydrauliske stotdemper 10. Stempelet 121 holdes nede av en kraft som er lik P-j- minus Pq (60 kg/cm p) ganger flensens 82 overflateareal 86. Dersom det antas at overflatearealet 86 er tilnærmet lik 73 ?5 cm p, er den nedadrettede kraft som virker på det forste trinn, lik 60 kg/cm 2 ganger 73 55 cm 2 hvilket er lik ^AlO kg. Såsnart den nedadrettede vekt på borskjæret har oket med ytterligere i+AlO kg, slik at den nå overskrider 12.810 kg, vil både ambolten 26 og det forste trinn bevege seg oppover inntil det forste trinn stoter mot det andre trinn.

Dersom det antas at overflatearealet under stempelets 122 flens 98 er lik 73?5cm , må den nedadrettede vekt på borskjæret oke med ytterligere ^AlO kg til en total vekt som overskrider 17.220 kg nedadrettet vekt på borskjæret for det opptrer noen etterfolgende oppadrettet bevegelse av ambolten 26. Enhver nedadrettet vekt som overstiger 17.220 kg, vil bevege ambolten 26, det forste trinn og det andre trinn i den hydrauliske stotdemper 10 oppover inntil det andre trinn stoter mot stempelet 123.

Dersom det nå antas at overflatearealet under hylsens 92 flens 100 er ca. 80,5 cm 2, er den ytterligere kraft som er nodvendig for å heve det tredje trinn, lik ^.830 kg for en total nedadrettet vekt på mer enn.22.050 kg. Når den nedadrettede vekt på borskjæret overskrider 22.050 kg, vil ambolten 26 og de forste, andre og tredje trinn bevege seg oppover inntil det tredje trinn stoter mot det fjerde trinns stempel 12*+.

Dersom det antas at det effektive overflateareal av begge de gjenværende trinn også er ca. 80,5. cm P, vil nedadrettede vekter på hhv. 26.880 og 31.710 kg være nodvendig for å for-skyve disse trinn.

Så snart den totale konstruksjonsgrense for den hydrau liske stotdemper 10 er blitt overskredet av de 31.710 kg nedadrettet vekt som er angitt i denne illustrasjon, vil amboltens 26 skulder 50 stote mot bunnen 52 av den nedre endedel 22.

En eventuell ytterligere nedadrettet vekt vil bli overfort direkte gjennom kappen 18 fra borerorstrengen (ikke vist) til borskjæret (ikke vist). Et typisk eksempel på den hydrauliske stotdemper 10 som har overskredet sin konstruksjonsgrense,

er vist på fig. 3 hvor hvert trinn i den hydrauliske stotdemper 10 er -blitt hevet fra sin respektive holde- eller underlags-blokk, og amboltens 26 skulder 50 ligger an mot den nedre ende-dels 22 bunn 52. Fig. 1 illustrerer en typisk driftstilstand hvor trinnene en, to og tre er blitt hevet fra sine respektive underlagsblokker 56, 106 og 108. Det tredje trinn ligger an mot bunnen av det fjerde trinn, men den ytterligere nedadrettede kraft på det fjerde trinn er ikke blitt overskredet.

På grunn av forandring i den formasjon som bores, er den nedadrettede vekt på borskjæret utsatt for raske endringer.

De foran beskrevne trinn i den hydrauliske stotdemper 10, som er blitt beskrevet ved typiske driftstrykk og nedadrettede vekter, vil virke til å dempe stoteffekten ved variasjon i den nedadrettede vekt på borskjæret. Stoteffekten ville ellers bli reflektert gjennom borerorstrengen.

Det vil være åpenbart for en fagmann på området at re-sponshastigheten for stotdempermontasjen er bestemt av stor-relsen på stromningspassasjene 6h i de hule skruer 58, og av slissene eller innskjæringene 76.

Man vil også innse at den nedadrettede kraft som. utoves av hvert trinn i den hydrauliske stotdemper 10, kan varieres ved å variere trykkfallet over boret. Trykkfall over boret kan varieres ved å variere stromningshastigheten ved overflaten eller ved en endring av en begrensning mot stromning i boret. En vanlig metode for ytterligere begrensning av strommen gjennom boret, ville være å innsette en kule, på engelsk vanligvis kalt "frac ball", ved overflaten. Kulen ville flyte gjennom borerorstrengen og den hydrauliske stotdemper 10 til borskjæret og bli sittende i en av de mange begrensede passasjer i borskjæret. Ved å begrense eller stanse strommen gjennom en av passasjene i borskjæret, okes trykkfallet over borskjæret i vesentlig grad. Da den kraft som utoves av hvert trinn er direkte avhengig av trykkfallet over borskjæret, er den kraft som trengs for å overvinne den nedadrettede kraft for hvert suksessivt trinn i den hydrauliske stotdemper 10, blitt direkte oket.

Claims (9)

1. Stotdemper for bruk sammen med et roterende jordbor som benytter borefluidum, karakterisert ved at den omfatter en kappe, en anordning for forbindelse av kappen ved. dens ene ende med. et boreror, en ambolt for forbindelse med. et borskjær, en anordning for glidbar og tettende forbindelse av kappen ved dens andre end.e med ambolten, et antall uavhengig arbeidende, hule stempler som er glidbart montert inne i kappen, en anordning for begrensning av den nedadrettede bevegelse av stemplene, og en fluidumpassasje som danner forbindelse mellom kappens ytterside og et differansetrykkareal på den ene side av hvert av stemplene.

2. Stotdemper ifolge krav 1, karakterisert ved . at anordningen for forbindelse av kappen ved. dens ene ende med et boreror omfatter en ovre endedel som er forbundet med den nevnte ende av kappen.

3. Stotdemper ifolge krav 1 eller 2, karakterisert ved at anordningen for forbindelse av kappen ved dens andre ende med en ambolt omfatter en nedre endedel som er forbundet med den nevnte andre ende'av kappen. h.

Stotdemper ifolge et av kravene l-3?karakterisert ved at hvert av stemplene har en utadragende flens og en fra denne nedadragende, hul hylsedel, idet flensen er glidbart avtettet i forhold til kappen, og at det er anordnet et antall holderinger som er montert på kappens innside for glidbar opptagelse av den hule hylsedel i tettende forbindelse derigjennom, idet den nevnte fluidumpassasje kommuniserer med kappens ytterside under den nevnte flens og over den nevnte holdering.

5. Stotdemper ifolge krav k, karakterisert ved . at holderingene er festet i stilling med hule skruer, idet de hule skruer tilveiebringer den nevnte fluidumpassasje som står i forbindelse med kappens ytterside.

6. Stotdemper ifolge et av de foregående krav, karakterisert ved at ambolten er oppad glidbar for å stote mot det underste av de nevnte stempler, idet hvert av stemplene er adskilt fra det tilgrensende stempel og oppad glidbart til motstotende anlegg mot dette.

7. Stotdemper ifolge et av de foregående krav, karakterisert ved at ambolten har en ovre og en nedre grensestilling som er definert "ved ansatsanordninger som er anordnet ved eller nær den nevnte andre ende av kappen, for å hindre glidende bevegelse av ambolten forbi den ovre grensestilling og den nedre grensestilling.

8. Stotdemper ifolge et av de foregående krav, karakterisert ved at ambolten er oppad glidbar for å stote mot det nederste av stemplene når nedadrettet vekt på det med. ambolten forbundne borskjær overskrider et forste forutbestemt belop, idet ambolten beveger det nevnte stempel oppover når nedadrettet vekt på borskjæret overskrider et andre forutbestemt belop i tillegg til det forste forutbestemte belop.

9. Stotdemper ifolge krav 8, karakterisert ved at hvert av de hule stempler utgjor et trinn i stotdemperen, idet hvert suksessivt trinn stoter mot bunnen av hvert suksessivt, overliggende trinn når den nevnte nedadrettede vekt overskrider suksessivt storre, forutbestemte belop.