NO810750L - Stoetabsorberende innretning for borestreng. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en støtabsorberende innretning til bruk i en borestreng samt en fremgangsmåte for bruk av innretningen.

Det er velkjent når det gjelder boring av brønner at borestrengen og borkronene utsettes for store aksiale svingninger. Som omtalt i Down Hole Measurements of Drill String Forces and Motions, Journal of Engineering for Industry, mai 1968, side 217 - 225, Analysis of Down Hole Measurements of Drill String Forces and Motions, AIME Transactions, mai 1968, side 208 - 216, og Longitudinal and Angular Drill String Vibrations with Damping, Journal of Engineering for Industry, november 1968, side 671 - 679, forårsakes disse.svingninger av trykk-variasjoner i borestrengen, støt av borkronens tenner mot fjellet som bores, virkningen av borkonusen mot fjellet som bores og rotasjonen av borestrengen. Under noen forhold kan svingningene bli så store at de bevirker at borkronen beveger seg vertikalt bort fra fjelloverflaten som bores. Også i situasjoner der svingningene ikke er så alvorlige

kan svingningene medføre nedsatt brukstid for tennene på borkronene, selve borkronen, vektrørene og borerøret samt boretårnet. Det er derfor ikke overraskende at det er gjort store anstrengelser for å komme frem til støtabsorber-ende innretninger til bruk i borestrenger.

Støtabsorberende innretninger for borestrenger omfatter vanligvis en ytre hylse med en skrueforbindelse i en ende, en indre hylse som kan føres teleskopisk inn i den ytre hylse og har en skrueforbindelse i den motsatte ende, samt en fjærmekanisme av en eller annen type, som virker mellom r den ytre og indre hylse. Det har vært foreslått fjærmeka-nismer av mange forskjellige typer til bruk i støtabsorber-ende innretninger. Som eksempler kan nevnes fjæranordninger med ringformede metallplater som ligger mot hverandre,

slik som vist i US^PS 2.570.577, spiralfjærer, slik som vist i US-PS 3.122.902, gassfjærer, slik som vist i US-PS

3.230.740, svingbare metalldeler, slik som vist i US-PS 3.254.508 og 3.447.340, Belleville-fjærer, slik som vist i US-PS 3.871.193, og gummifjærer eller gummilignende fjærer, slik som vist i US-PS 3.033.011, 3.099.918. 3.301. 009 og 3.339.380.

Fjærtypene i de støtabsorberende innretninger som er i handelen tilsvarer hovedsakelig de fjærtyper som er vist i de ovennevnte patenter, idet det finnes støtabsorberende innretninger med gassfjærer, Belleville-fjærer, gummifjærer og spiralfjærer. Hver hovedtype av fjærer har vesent-lige ulemper. Gassfjæreren har en fjærkonstant som varierer i avhengighet av boredybden, og det samme er tilfelle for innretninger med gummifjærer. Selv om andre innretninger med gummifjærer har en fjærkonstant som ikke varierer med dybden, er fjærkonstantene temmelig høye, vanligvis i området 160 000 - 215 000 N/cm. Selv om spiralfjærene har en forholdsvis lav og stabil fjærkonstant, f.eks. 62 000 N/cm, er denne type verktøy meget lang, og dette har en tendens til å gjøre borestrengen ustabil. Dessuten er spiralfjæren fremstilt av et stykke stål, og er følgelig kostbar.

Det er tre sammenhengende konstruksjonskriterier som bestem-mer egenskapene til en støtabsorberende innretning: belastningskapasitet, fjærkonstant og deformasjon. I forbindelse med den kjente teknikk.er det fremholdt at jo lavere fjærkonstanten er, dessto mer effektiv vil innretningen være for demping av vibrasjoner, slik som nevnt i den ovennevnte artikkel Longitudinal and Angular Drill String Vibrations with Damping, og i en publikasjon fra Johnston-Schlumberger, med tittel "Shock Guard Drilling Shock Absorber". Belastningskapasiteten til en støtabsorberende innretning bestemmes vanligvis av den største belastning som borkronen utsettes for under boring, hvilken vanligvis er en funksjon av bordiameteren. Selv om den største belastning som borkronene utsettes for varierer noe, ligger den vanligvis i området 10 500 - 16 000 N/cm bordiåmeter. Belastning, deformasjon og fjærkonstant for en mekanisk fjæranordning er bestemt av ligningen:

Når belastningskapasiteten bestemmes av ytre forhold, kan følgelig fjærkonstanten til et system bare minskes ved å

øke deformasjonen.

En annen konstruktiv begrensning som må tas hensyn til er den største diameter som er disponibel for innretningen. Fordi den nominelle hullstørrélse bestemmes av dimensjonene til borkronen, er det håpløst å foreslå bruken av en større borkrone for å gi mere plass for innretningen, av to grunner. For det første vil industrien bestemme dimensjonene til de borkroner som brukes, og innretningen må utformes tilsvar-ende. For det annet er den nødvendige belastningskapasitet større jo større borkronen er. Det er imidlertid meget små teoretiske, konstruktive begrensninger med hensyn til den aksiale lengde av innretningen, selv om det er ønskelig at den støtabsorberende innretning er så kort som mulig for at vektrørene skal være så stabile som mulig.

For å illustrere problemet kan nevnes at en vanlig dimensjon for borkronen er 20 cm i diameter, og den største belastning den er beregnet for ligger i området 208 000 -

312 000 N.' : Fordi det må være tilstrekkelig klaring mellom ytterflaten av den støtabsorberende innretningen og veggen i hullet, for at utboret material og slam kan passere mellom, kan den største ytterdiameter til den støtabsorberende innretning ikke være større enn omtrent 17,5 cm. Hylsen må ha en kanal som gir passasje for slammet som strømmer nedover til borkronen på omtrent samme dimensjon som kanalen gjennom borestrengen og vektrørene. Dessuten må kanalen gjennom den indre hylsen ha tilstrekkelig dimensjon for gjennomføring av en oppfiskingsstang. Følgelig trengs en

kanal med dimensjon i området 3,8 - 7,2 cm. Det vil således fremgå at med gjennomsnittsverdier kan den ytre og indre hylse og fjæranordningen oppta et ringtverrsnitt som har en ytterdiameter på omtrent 17,5 cm og en innérdiåmeter på omtrent 5,7 cm. Fordi en stor del av dette areal må opptas av de ståldeler som utgjør veggen i den ytre og indre hylse, er det meget liten konstruksjonsmessig frihet for valg av diameter for fjærmekanismen som monteres mellom den indre og ytre hylse.

Uansett hvorvidt belastningen på borkronen er en funksjon

av diameteren, ligger belastningskapasiteten for en støt-absorberende innretning i henhold til den foreliggende oppfinnelse i området 44 000 - 570 000 N. Med mere vanlig forekommende dimensjoner av borkroner ligger belastningen og følgelig belastningskapasiteten i området 132 000 -

333 000 N.

For ytterligere å illustrere hvordan konstruktive begrensninger innvirker på de støtabsorberende innretninger an-

tas det at en fjærkonstant på 6.1 000 N/cm for en spiral-

fjær i en støtabsorberende innretning som selges av Johnston-Schlumberger sannsynligvis utgjør en konstruksjon med så

lav fjærkonstant som praktisk mulig for den belastningskapasitet som kreves for støtabsorberende innretninger. Med andre ord antas det å være umulig å konstruere en spiralfjær med noen vesentlig lavere fjærkonstant og med nødvendig belastningskapasitet og brukstid innen de begrensninger som bestemmes av hullstørrelse, størrelse av den midtre kanal og verktøyet lengde.

En støtabsorberende innretning i henhold til den foreliggende oppfinnelse omfatter en ytre hylse med skrueforbindelse i en ende, for tilkobling til enten borkronene eller vektrørene, en ytre hylse som kan føres teleskopisk inn i den ytre hylse og har skrueforbindelse på en annen ende, for tilkobling i borstrengen, og en fjæranordning som virker mellom den ytre og indre hylse, for å dempe relativ bevegelse mellom hylsene. Innretningen er følgelig reversibel, i den forstand at den kan anvendes med enten den ytre eller indre hylse nedover. Som det vil fremgå av det følgende, har en innretning i henhold til oppfinnelsen vesentlig forskjellige belastnings-kapasiteter i de to stillinger, på grunn av anvendelsen av hydrostatisk trykk inne i verktøyet.

Fjæranordningen i den støtabsorberende innretning er utformet til å gi en belastningskapasitet på 44 000 - 570 000 N,

og vanligvis ligger belastningskapasiteten mellom 132 000

og 333 000 N. Deformasjonen av fjæren er vesentlig mindre enn 50 cm, og fjærkonstanten er mindre enn 45 000 N/cm i lengderetningen, og er fortrinnsvis mindre enn 26 300 N/cm.

Fjæranordningen omfatter flere ringformede, indre fjærer

som har radialt ytre flater som er skrådd i forhold til aksen til innretningen samt flere ringformede ytre fjærer som har radialt indre flater som er skrådd i forhold til aksen til innretningen. De indre og ytre fjærer.er anbragt vekselvis i et kammer mellom den ytre og indre hylse, slik at sammentrykning av hylsene bevirker av fjærene beveger seg aksialt mot hverandre. De skrådde flater på

de indre og ytre fjærer trykkes mot hverandre når den ytre og indre hylse trykkes sammen, og bevirker at de ytre fjærer utsettes for strekk og de indre fjærer kompri-meres, hovedsakelig bare i flere plan vinkelrett på aksen til innretningen. Fjæranordningen omfatter det som kalles ringfjærer, hvilket er velkjent og vist i US-PS 745.425, 1.598.228, 1.689.662, 1.700.133, 2.413.740, 2.515.346, 3.073.585 og 3.536.314, og dessuten i Characteristics of Ring Springs av Tyler G. Hicks, American Machinist, 1928, side 192 - 195 og Mechanical Springs, First Edition, Arthur M. Wahl, Penton Publishing Co., 1944, side 348 - 358.

Et formål med den foreliggende oppfinnelse er å komme frem til en støtabsorberende innretning som omfatter en ringfjæranordning, samt en teknikk for bruk av innretningen.

Et annet formål er å komme frem til en støtabsorberende innretning med uvanlig lav fjærkonstant og uvanlig stor defor-masj on.

Andre formål og trekk ved oppfinnelsen vil fremgå av den følgende beskrivelse, under henvisning til de vedføyde tegninger og patentkrav. Fig. 1 viser et snitt gjennom grunnen, og illustrerer boring av et hull i grunnen ved hjelp av en borestreng som omfatter en støtabsorberende innretning i henhold til oppfinnelsen. Fig. 2A og 2B viser lengdesnitt gjennom en innretning i henhold til oppfinnelsen. Fig. 3 viser i perspektiv og i ikke-sammensatt tilstand ringfjærer som inngår i den støtabsorberende innretning vist i fig. 2A og 2B. Fig. 4 viser i lengdesnitt et utsnitt av innretningene vist i fig. 2A og 2B, og illustrerer hvordan flere ringfjærer kan være erstattet av et innsatt element. Fig. 5 viser på lignende måte som fig. 4 en annen teknikk for forspenning av ringfjærene. Fig. 6 viser et diagram som illustrerer belastning og deformasjon for verktøyet vist i fig. 2A og 2B. Fig. 7 viser et lengdesnitt gjennom et parti av en annen utførelsesform av en innretnig i henhold til oppfinnelsen.

Vektrørene 30 gir mekanisk og hydraulisk forbindelse mellom borerøret 32 og borkronen 16, men virker også til å gi belastning på borkronen 16 og å stabilisere retningen av boringen. Vektrørene 30 er tunge rørdeler som gir en vesentlig belastning umiddelbart over borkronen 16, og er så lite fleksible som det er praktisk mulig.

Et tidlig kjent prinsipp ved boring ved roterende bore-

rør er at det meste av borestrengen 18 må holdes i strekk, med bare det nedre parti av vektrørene i kompresjon, for å kunne bore et relativt rett hull. Således deler det såkalte nøytralpunkt 34 borestrengen 18 i et relativt kort nedre parti som er i kompresjon og et relativt langt øvre parti som er i strekk. Følgelig vil det, dersom det er ønskelig å opprettholde en belastning på 220 000 N på borkronen 16, ikke være uvanlig at den samlede vekt av vektrørene 30 er mer enn 440 000 N, for å kompensere for oppdriften av vektrørene i borefluidet, for å oppta reaksjonskraften til slammet som passerer gjennom bordysene og å opprettholde nøytralpunktet 34 langt under toppen av vektrørene 30.

Som tidligere nevnt og beskrevet mer detaljert i artiklene

i Journal of Engineering for Industry og i AIME Transactions, som nevnt ovenfor, utsettes borestrengen 18 for store aksiale svingninger under boringen. Dataene indikerer at anordning av støtabsorberende innretninger kan minske de maksimale amplityder for svingningene vesentlig, særlig ved relativt høye omdreiningshastigheter. Dessuten indikerer dataene at en støtabsorberende innretning som har en fjærkonstant på 72 000 N/cm er like effektiv ved lave omdreiningshastigheter som en støtabsorberende innretning med fjærkonstant på 14 6 000 N/cm, og er betydelig mere effektiv med høyere omdreiningshastigheter. Fordi høye omdreiningshastigheter er særlig ønskelig for å oppnå høy gjennomtrengningshastig-het ved boring i relativt harde formasjoner, antas det at

støtabsorberende innretninger med enda lavere fjærkonstanter kan være fordelaktige ved høye omdreiningshastigheter. Selv om forskjellige leverandører av støtabsorberende innretninger har forskjellige syn på betydningen av lave fjærkonstanter,

er Johnston-Schlumberger stolte av en fjærkonstant på

62 000 N/cm i sin støtabsorberende innretning med spiralfjær. Det er således klart at støtabsorberende innretninger med lav fjærkonstant vil bli meget ettertraktet i visse deler av industrien.

I fig. 2A og 2B er vist en støtabsorberende innretning 28

i henhold til den foreliggende oppfinnelse. Innretningen 28 omfatter en ytre hylse 36, en indre hylse 38 som er ført periskopisk inn i den ytre hylse 36, midler 40 for over-føring av dreiemoment mellom den ytre hylse 36 og den indre hylse 38, en fjæranordning 42 for å dempe relativ beveg-

else mellom den ytre hylse 36 og den indre hylse 38, samt midler 44 for å bringe fluidtrykket omkring fjæranordningen 4 2 på samme nivå som trykket inne i den indre hylse 38.

Den ytre hylse 36 kan være av hvilken som helst passende konstruksjon, og er vist bestående av flere sammensatte, gjengede komponenter, omfattende et øvre parti 46 med innvendige gjenger 48 for tilkobling i borestrengen 18, og en midtre kanal som har et relativt trangt øvre parti 50 og et utvidet nedre parti 52. Den nedre ende av det øvre parti 46 ender nederst i et gjengeparti 54. Av grunner som vil fremgå av det følgende omfatter det øvre parti 46 også et eller flere gjengede hull 56 på tvers av innretningens lengdeakse 58, og hullene er lukket av gjengede tetteplugger 60.

Det neste parti av den ytre hylse 36 er en riflet del 62

med en øvre ende 64 utstyrt med utvendige gjenger som er skrudd sammen med den gjengede ende 54 av det øvre parti 46. Den riflede del 62 har en midtre kanal 66 som er dimen-sjonert passende for innføring av den indre hylse 38, og har flere langsgående eller skruelinjeformede rifler 68

fordelt rundt omkretsen inne i kanalen 66. Den riflede del 62 ender i en nedre ende 70 med utvendige gjenger.

Det neste parti av den ytre hylse 36 er en mellomdel 72 med en øvre gjenget ende 74 skrudd sammen med gjengene på den nedre ende 70 av den riflede del 62. Mellomdelen 72 har en midtre kanal 76 med vesentlig større diameter enn kanalen 66 samt en eller flere tverrgående kanaler 78 lukket av en tetteplugg 80. Delen 72 har en nedre gjenget ende 8 2„

Den ytre hylse 36 ender i en pakningsdel 84 som har en øvre gjenget ende 86 skrudd sammen med gjengene på mellomdelen 72. Pakningsdelen 84 har en innvendig kanal 88 med dimensjoner passende for innføring av den indre hylse 38 og har en diameter som ligger mellom diameteren til kanalene 66 og 76. Den nedre ende av pakningsdelen 84 har flere utsparinger, og i hver av disse er anbragt et ringformet pakningselement 90. En flate 92

vinkelrett på aksen 58 til innretningen danner enden av pakningsdelen 84.

Den indre hylse 38 omfatter en tykk nedre ende 94 med innvendige gjenger 96, for tilkobling til borestrengen 18. Fordi den.støtabsorberende innretning 28 har innvendige gjenger i begge ender kan den innkobles mellom borkronen 16 og det nederste vektrør 30 uten at det trengs noen over-gangsdel. Den nedre ende 94 har en skulder 98 som vender mot den ytre hylse 36, vinkelrett på aksen 58. Det vil ses at den maksimale bevegelse mellom den ytre hylse 36

og den indre hylse 38, enten ved sammentrykning eller for-lengelse, bestemmes av avstanden mellom flaten 92 og skul-deren 98.

Den indre hylse 38 omfatter også et tynnere parti 100 i ett med den tykke ende 94, og partiet 100 har en sylindrisk ytterflate 102. Et eller flere spor 104 er dannet i flaten 102, i nærheten av pakningsdelen 84, og inneholder slite-ringer 106. Sliteringene 106 kan være laget av et organisk polymermaterial som overføres til en nærliggende metall-plate ved friksjonskontakt og som har lav friksjonskoeffi-sient. Et eksempel på material i sliteringen 106 er tetra-fluoretylen. Ved relativ bevegelse mellom den indre hylse 38 og den ytre hylse 36 fordeles material i sliteringene 106 på overflaten i kanalen 88 og virker derved til å

minske eller hindre riving mellom flaten 102 og kanalen 88.

Det tynne parti 100 går over i et parti 108 med mindre diameter og med en ytre overflate 110. Diameteren til den sylindriske flate 110 er bare litt mindre enn diameteren til kanalen 66 i den riflede del 62. Det vil ses at det er anordnet et ringformet kammer mellom den indre kanal 76 i mellomdelen 72 og flaten 110. I nærheten av en skulder 112 har partiet 108 et utvendig gjenget parti 114 som inneholder en ring 116 med innvendige gjenger 118 skrudd inn på gjengepartiet 114. En settskrue 120 er skrudd gjennom ringen 116 og virker til å holde denne på plass.

Ytterflaten 110 på delen 108 har, i nærheten av den riflede del 62, flere spor 122 som fortrinnsvis forløper i lengderetningen, men som også kan være skruelinjeformet, og inneholder riflene 68 på den riflede del 62. Det vil fremgå

at riflene 68 og sporene 122 samvirker for dannelse av midler 40 for overføring av dreiemoment, slik at rotasjonen av den ytre hylse 36 bevirker rotasjon av den indre hylse 38.

Den øvre ende av delen 108 omfatter en ende 124 med gjenger, skrudd sammen med en innvendig gjenget ende 126 til et rør 128 som utgjør en del av den indre hylse 38. Den nedre ende av røret 128 har en flate 130 vinkelrett på aksen 58, og samvirker med en flate 132 på den riflede del 62, for å begrense den innbyrdes bevegelse mellom den ytre hylse 36 og den indre hylse 38.

En midtre kanal 134 forløper gjennom den indre hylse 38,

fra den øvre ende av røret 128, gjennom gjengeforbindelsen 96, og muliggjør fremføring av borefluid fra kanalpartiene 50, 52 gjennom enden av innretningen 28. Som tidligere nevnt bør kanalen 13 4 ikke ha mindre diameter enn 38 mm,

for å tillate passasje av borefluid uten for stort trykk-

tap og for å muliggjøre at en oppfiskingsstang kan føres inn i røret 128 i tilfelle den indre hylse 38 faller ned i hullet 10.

Fig. 2B og 3 viser en fjæranordning 42 som omfatter flere indre, ringformede fjærer 136 og flere ytre, ringformede fjærer 138. Ringfjærene 136 og 138 er anbragt vekselvis mot hverandre i det kammer som er dannet mellom den ytre hylse 36 og den'indre hylse 38. Som det vil ses vil bevegelse av den ytre hylse 36 og den indre hylse 38 i forhold til hverandre i den ene eller annen retning bevirke at alle fjærene 136 og 138 utsettes for spenninger hovedsakelig bare i et plan vinkelrett på aksen 58. Når ringfjærene utsettes for spenninger, settes de indre ringfjærer 136 i kompresjon mens de ytre ringfjærer 138 settes under strekk.

Alle de indre ringfjærer 136 er fortrinnsvis like. Tverr-snittsformen til ringfjærene 136 kan variere betydelig,

slik som nevnt i de publikasjoner og patentskrifter som er nevnt innledningsvis, for å gjøre tverrsnittsarealet til de indre ringfjærer 136 så stort som mulig, idet delen 108 har så stor diameter som mulig, og de indre ringfjærer 136 omfatter fortrinnsvis en radial indre sylindrisk flate 140. Innerdiameteren i flaten 140, både når ringfjærene 136 er upåkjent og fullt belastet, er større enn diameteren til den sylindriske flate 110. Som det vil beskrives nær-mere i det følgende, vil den største spenning som opptrer i fjæranordningen 42 og følgelig den største spenning som hver av fjærene 136 utsettes for bestemmes av sammentryknings-bevegelsen som er mulig på grunn av avstanden mellom flatene 92 og 98.

De indre ringfjærer 136 omfatter også øvre og nedre flater 142, 144 som befinner seg hovedsakelig på tvers av aksen 58 og fortrinnsvis vinkelrett på denne. Den radialt ytre flate på de indre ringfjærer 136 utgjøres av et par flåter 146, 148 som er koniske og møtes langs en felles, største diameter. Flatene 146 og 148 danner motsattrettede, spisse vinkler 150 og 152 med aksen 58. Som det vil fremgå av det følgende, er vinklene 150 og 152 fortrinnsvis hovedsakelig like store.

De ytre ringfjærer 138 er også fortrinnsvis like. Ringfjærene 138 kan ha hvilken som helst passende form, men for at tverrsnittsarealet i et plan gjennom aksen 58 skal være så stort som mulig, har ringfjærene 138 en radialt ytre sylindrisk flate 154. Diameteren til denne radialt ytre flate er mindre, både i upåkjent og i fullt strukket tilstand av fjæranordningen 42, enn diameteren til kanalen 76 i mellomdelen 72.

De ytre ringfjærer 138 omfatter øvre og nedre flater 156

og 158 som ligger på tvers av aksen 58, fortrinnsvis vinkelrett på denne. Den radialt indre flate på de ytre ringfjærer 138 utgjøres av et par flater 160 og 162 som er koniske og møtes langs en felles, minste diameter, flatene 160 og 162 danner motsatt rettede, spisse vinkler 164 og 166 med aksen 58.

Dersom vinklene 150, 152 og 164, 166 er hovedsakelig like, muliggjør dette at alle de indre ringfjærer 136 kan være like og at alle de ytre ringfjærer 138 kan være like. Dette er naturligvis meget fordelaktig når det er nødvendig å utskifte noen av fjærene 136 og 138. Dessuten medfører det en betydelig forenkling ved utformningen og fremstillingen av den støtabsorberende innretning 28.

Valget av vinklene 150, 152, 164 og 166 er av vesentlig betydning, likesom tverrsnittsarealet til de indre og ytre ringfjærer 136 og 138. Spenningen som oppstår i fjærene kan beregnes ligningen

der S er den største spenning i hver fjær, stor A er tverrsnittsarealet til hver enkelt fjær, a er vinkelen 150, 152, 164 og 166 og K er en konstant i systemet og en funksjon av a. Således må tverrsnittsarealet A være så stort som mulig for å oppnå størst mulig belastning på hver fjær. Dessuten er tverrsnittsarealet til fjærene 136 og 138 fortrinnsvis like store. Verdien av K kan finnes i ligningen som er

gjengitt i den nevnte publikasjon av Wahl. Den størte verdi for vinkelene 150, 152, 164 og 166 kan bestemmes med ligning (2) fordi den største verdi av S er en funksjon av materialet i fjærene 136, 138 og belastningen bestemmes av den ønskede kapasitet for den støtabsorberende innretning 28. Det kan imidlertid være at en ønsker å velge en mindre verdi for a, fordi fjærkonstanten til hver enkelt fjær generelt avtar når verdien av a avtar. Verdien av a i-en støtabsorberende innretning i henhold til den foreliggende oppfinnelse vil generelt ligge i området 5 - 20°, og et foretrukket område er 11 - 15°.

Et av særpregene ved fjæranordningen ligger i forholdet mellom antallet fjærer og fjærkonstanten til fjæranordningen. Fordi den belastning som vektrørene 30 gir på den ytre hylse 36 overføres gjennom hver av ringfjærene 136, 138, vil det ses at hver fjær utsettes for den samlede belastning. Følg-elig har en følgende forhold:

der SR a er fjærkonstanten til anordningen, D ser deforma-

sjonen for hver enkelt fjær og n er det totale antall fjærer. Fordi belastningen er den samme, blir deformasjonen av hver fjær i aksial retning den samme, uavhengig av antall fjærer som anvendes, fordi graden av deformasjon for hver fjær bestemmes direkte av belastningen. Således kan fjærkonstanten til anordningen 42 forandres ved å forandre antall fjærerei anordningen 42. Dette har to betydningsfulle aksepter.

For det første kan den ønskede fjærkonstant oppnås ved valg av antall fjærer. For det annet kan fjærkonstanten til en eksisterende støtabsorberende innretning økes ved å erstatte noen av fjærene med et avstandselement, og den kan minskes ved å fjerne et avstandselement fra fjærkammeret og erstatte denne, med fjærer.

Fig. 4 viser et ringformet avstandselement 168 med firkantet tverrsnitt anbragt mellom den nedre flate 170 på en riflet del 172. En ringfjæranordning 172 er anordnet med en halv fjær 174 som ligger mot avstandselementet 168 og mot den første hele fjær 166 i anordningen 172. Det vil fremgå at en støtabsorberende innretning i henhold til oppfinnelsen kan være konstruert slik at den normalt omfatter avstandselementet 168, slik at fjærkonstanten til verktøyet kan minskes bare ved å fjerne avstandselementet 168 og den halve fjær 174, å innsette et antall komplette fjærer i fjærkammeret og å sette inn igjen halvringen 174. Alternativt kan fjærkonstanten til innretningen 28 økes ved å erstatte flere av fjærene 136 og 138 med avstandselementet 168 og den halve fjær 174.

Det er flere egnete teknikker for overføring av belastning til fjæranordningen 42 ved innbyrdes bevegelse av den ytre hylse 36 og den indre hylse 38, i tillegg til det som er vist i fig. 4. Et eksempel er vist i fig. 2A og 2B, der et første utragende parti 178 er utformet i ett med den nedre ende 70 og den riflede del 62 og danner en skråflate 180 med samme vinkel som flaten 162. Flaten 180 ligger mot den radialt ytre flate 146 på den øverste, indre ringfjær 136. Det utragende parti 178 omfatter også en endeflate 182 vinkelrett på aksen 58, på samme måte som flaten 158. Den gjengede ring 116 har også et utragende parti 184

med en skråflate 186 av lignende type som flaten 180, og ligger mot flaten 148 på den nederste ringfjær 136. Det utragende parti 184 har en endeflate 188 vinkelrett på aksen 58.

En annen teknikk er vist i fig. 5, der en riflet del 190 omfatter en nedre flate 192 som er vinkelrett på aksen 58 og ligger mot en halv fjær 194 som har en skråflate 196 i kontakt med en motsvarende skråflate 198 på den øverste, komplette fjær 200. Selv om det ikke er vist,

kan den gjengede ring som vender mot den riflede del være av lignende utforming og ligge mot en lignende halv fjær. Det vil ses at utførelsesformene i fig. 4 og 5 er hovedsakelig like, med unntak av avstandselementet 168.

Som vist i fig. 2A, omfatter midlene 44 for trykkutligning en bevegelig del 204 av ringformet konstruksjon, med en innerdiameter slik at delen 204 kan forskyves langs ytterflaten av røret 128 og en ytterdiameter slik at delen glir tett mot veggen i kanalen 52. Den forskyvbare del 204 er fortrinnsvis laget av organisk polymermaterial, slik som "Ryton", og har et eller flere innvendige, ringformede spor som inneholder en pakning 206 og et eller flere utvendige, ringformede spor som inneholder en pakning 208. Et anslag 210 danner begrensning for forskyvningen av den forskyvbare del 204, og en skulder 212 på røret 128 danner en annen begrensning for bevegelsen.

Oppgaven til den forskyvbare del 204 er å bringe trykket i fjærkammeret til samme nivå som trykket inne i innretningen 28. Dette oppnås ved at den forskyvbare del 204 beveger seg nedover når det hydrostatiske trykk inne i den indre hylse øker, for å øke trykket i fjærkammeret, eller bevege seg oppover når det hydrostatiske trykk inne i den indre hylse avtar. Dette hår to virkninger. For det første vil trykkforskjellen over pakningene 206, 208 og 90 minskes betydelig. For det annet vil det være en tendens til at den indre hylse 38 og den ytre hylse 36 sperres hydraulisk fordi fjærkammeret fylles med smøremiddel og fordi fjærkammeret har variabel størrelse, avhengig av den relative stilling til den ytre hylse 36 og den indre hylse 38. Det vil ses at den forskyvbare del 204 løser disse problemer på en enkel og effektiv måte.

For å fylle fjærkammeret med et. smøremiddel kan en av tettepluggene 60 og 80 fjernes, og et flytende smøremiddel helles inn. For å hindre ansamling av luft i det ringformede rom mellom den indre hylse 38 og den ytre hylse 36 som er fylt med et smøremiddel, kan begge tettepluggene 60 og 80 tas ut, smøremiddel pumpes inn i den nederste av åpningene 56 og 78, slik at luft slippes ut gjennom den annen åpning, idet innretningen 28 vendes.

Et trekk ved en støtabsorberende innretning 28 i henhold til oppfinnelsen som ikke umiddelbart fremtrer er at den største deformasjon som tillates av avstanden mellom skuldrene 92 og 98 er slik valgt at den er tilpasset den største tillatelige deformasjon for fjæranordningen 42, hvilken avhenger av den største tillatelige deformasjon av hver av ringfjærene 136 og 138. Den største tillatelige deformasjon av hver fjær 136 og 138 kan beregnes med ligningene til henholdsvis Hicks og Wahl, gjengitt ovenfor, og er en funksjon av flytegrensen til det material som anvendes.

Den største deformasjon av fjæranordningen 42 er naturligvis den største deformasjon av hver fjær multiplisert med antall fjærer. Denne lengde velges for avstanden mellom skuldrene 92 og 98. Således er avstanden mellom skuldrene 92 og 98 slik valgt at den indre hylse 38 og den ytre hylse 36 kommer til innbyrdes anlegg før flytegrensen til

fjærene nås.

Når innretningen 28 anvendes i borestrengen 18, er borkronen 16 fortrinnsvis skrudd inn i gjengeforbindelsen 96 i den indre hylse 38, og det nederste vektrør 30 er skrudd inn i gjengeforbindelsen 48 i den ytre hylse 36. Når f.eks. bore-slam pumpes nedover i borestrengen 18 oppstår det en kraft F som virker på den indre hylse 38 og søker å drive den indre hylse 38 og den ytre hylse 36 fra hverandre. Størr-elsen av kraften F kan beregnes ved å multiplisere de aksialt trykkpåkjente flater i den indre hylse 38 med det opptredende trykk. En annen kraft som virker på innretningen 28 under boring er en reaksjonskraft F , forårsaket av strømningen av borefluid gjennom dysene i borkronen 16. For å utsette fjæranordningen 42 for belastning må vekten av vektrørene 30 overstig^ e kraften F minus kraften F r. Normalt er kraften F større enn kraften F r. Således belastes ikke fjæranordningen .42 før den ytre hylse 36 utsettes for en viss belastning. Forskjellen mellom kraften F og F rkan betraktes som en terskel, på den måte at innretningen 28 må utsettes for en vekt av vektrørene som tilsvarer denne verdi før fjæranordningen 42 får noen dempende virkning.

Når den ytre hylse 36 utsettes for tilstrekkelig belastning, belastes ringfjærene 136 og 138 og overfører belastningen til den indre hylse 38 og følgelig til borkronen 16. Etter-som borkronen 16 roterer på bunnen av hullet 10, dempes de svingninger som oppstår i den indre hylse 38, ved å over-føres gjennom fjæranordningen 42 til den ytre hylse 36.

En støtdempende innretning i henhold til den foreliggende oppfinnelse har blitt konstruert for å oppta en nominell belastning på 220 000 N, og har en maksimal deformasjon på 118 mm. Fjæranordningen 42 omfatter 20 indre ringfjærer 136 og 20 ytre ringfjærer 138. Høyden av fjæranordningen 42 i ubelastet tilstand er omtrent 64 cm. Verktøyet er 174 mm i ytterdiameter og har en innvendig kanal 134 som er

44 mm i diameter. Innretningen er omtrent 2,4 m lang.

Et av de fordelaktige trekk ved innretningen 28 er den lille lengde. Det vil fremgå at stabiliteten for den nedre ende av borestrengen 18 forbedres med en kort støtdempende innretning. Således kjennetegnes støtdempende innretninger i henhold til den foreliggende oppfinnelse ved relativt liten lengde, vanligvis mindre enn 3 m, og fortrinnsvis omtrent 2,4 m.

Verktøyet ble anbragt i en prøvepresse, slik at forskjellige belastninger kunne utøves og forskyvningen av den ytre hylse 36 i forhold til den indre hylse 38 måles. Ved forsøket ble det ikke anvendt noe hydrostatisk trykk inne i den indre hylse 38, slik at kraften F ikke oppsto, og heller ikke ble det pumpet borefluid gjennom borkronens dyser, slik at kraften F ikke oppsto.

Teoretisk skulle belastningen på den ytre hylse 36 umiddelbart forårsake relativ bevegelse mellom den ytre hylse 36

og den indre hylse 38. Av praktiske grunner kan det være en viss friksjon i fjæranordningen 42, og det kan kreves en

viss minste kraft F for å sentrere ringfjærene 136, 138 før

mts j >

disse belastes, i det minste under første gangs bruk av innretningen 28. En del av denne minste kraft F mkreves for å overvinne friksjon og en del er et resultat av fremstillings-toleranse. Fjærkonstanten til verktøyet var 22 000 N/cm. Data fra den første prøve ga en kurve 214 for forholdet mellom belastning og deformasjon som var hovedsakelig lineær i prøveområdet 0 - 220 000 N, som vist i sammenligning med linjen 216, selv om fjærkonstanten har små avvikelser fra den teoretiske verdi. Et annet forsøk, med forbedret måleteknikk med hensyn til deformasjoner, ga en kurve 218 for forholdet mellom belastning og deformasjon som lå meget nær linjen 220, som representerer en fjærkonstant på 22 000 N/cm. Det er ikke helt klart hvorvidt forskjellen mellom

kurvene 214 og 218 er en funksjon av forbedret måleteknikk under forsøkene eller hvorvidt den henger sammen med en skade i en av de støtdempende innretninger.

Det vil fremgå at fjærkonstanten for verktøyet, som tilsvarer helningen til linjen 218, var bemerkelsesverdig konstant i hele prøveområdet mellom 0 og 220 000 N. Følgelig vil fjæranordningen, under bruk i en borestreng, begynne å bli belastet ved en belastning på F + F - F , og vil der-

^ ^ m r

etter gi en kurve 222 for forholdet mellom belastning og deformasjon. Det er selvsagt tenkelig at F mer meget liten, slik som vist med kurven 218.

En særegenhetene med den støtabsorberende innretning 28

er at den kan festes til borestrengen 18 med enden 94 av den indre hylse vendende oppover i stedet for nedover.

I det følgende skal forklares de indre krefter som oppstår under boring, sett i sammenheng med muligheten til å anvende innretningen 28 i begge retninger. Det er vanlig kjent at de krefter som søker å drive delene av verktøyet aksialt fra hverandre under boringen bestemmes av trykket inne i innretningen. Ved kjente støtabsorberende innretninger og ved en innretning 28 i henhold til oppfinnelsen må det,

når den indre hylse har sin ende 94 vendende nedover, dvs. mot borkronen, anvendes en belastning ved hjélp av vekt-rørene som tilsvarer disse indre krefter, for å bevirke belastning på fjæranordningen.

Når innretningen 28 er snudd, dvs. med enden 94 av den indre hylse vendende mot vektrørene 30, forandres retningen til de indre krefter, og det må' anvendes meget lavere, eller ingen, belastning ved hjelp av vektrørene 30 for å bevirke belastning av fjæranordningen 42. I denne situasjon virker de indre krefter i en retning motsatt av reaksjonskraften F^fra borkronen, i stedet for i samme retningsstrøm. Det vil forstås at når innretningen 28 er snudd kan de indre krefter være 0, avhengig av størrelsen av de flater som påvirkes

av trykket inne i innretningen 28. Når innretningen 28 er snudd, minskes grenseverdien av den kraft som trengs for å belaste fjæranordningen 42. Dette er av stor betydning når den belastning som skal påvirke borkronen 16 er mindre enn omtrent halvparten av belastningskapasiteten til fjæranordningen 42 når innretningen 28 er normalt orientert. Med andre ord vil en mindre belastning ved hjelp av vektrørene 30 bevirke belastning av fjæranordningen 42 når enden 94 av den indre hylse vender opp enn når enden 94 vender nedover. Et eksempel på en situasjon der dette har betydning er ved boring på små dybder, der bare noen få vektrør 3 0 kan anbringes i hullet 10. I denne situasjon kan det utøves meget små belastninger på borkronen 16. Følgelig er det fordelaktig å bore den øverste del av hullet med innretningen 28 snudd, for å oppnå fordelene med lavere

grenseverdi for fjæranordningen og øket følsomhet, og deretter å bore resten av hullet med enden 94 på den indre hylse nedover, slik som vist i fig. 1. Andre til-feller der det er ønskelig å snu innretningen 28 vil forstås av fagmenn.

I fig. 7 er vist en annen utførelsesform av en innretning i henhold til oppfinnelsen, omfattende en ringfjæranordning 224 med indre og ytre ringfjærer 226 og 228 samt en gjenget ring 230 festet i'en enhet ved hjelp en ringformet hylse 232 av permeabelt material, slik som nylonnetting eller permeabelt butylgummi. Inne i hylsen 232 er det mellom de enkelte ringfjærer 226 og 228 av-grenset mellomrom som er hovedsakelig fylt med et porøst og permeabelt skummaterial 234. Hylsen 232 og materialet 234 er tilstrekkelig permeable til å slippe forbi et smøre-middel til og fra fjærene 226 og 228. Dét vil ses at fjærene 226 og 228 om ønskelig kan monteres som en enhet sammen med ringen 230.

Oppfinnelsen er beskrevet i sammenheng med konvensjonell boreteknikk der borestrengen 18 roteres fra overflaten, men støtabsorberende innretninger i sin alminnelighet og en støtabsorberende innretning i henhold til den foreliggende oppfinnelse i særdeleshet er meget anvendelige for boring der borkronen drives av en motor""som henger i borehullet, etter en borestreng som vanligvis ikke roteres ved overflaten. Motorer for slik anvendelse kan f.eks. være turbiner.

Claims (9)

1. Støtabsorberende innretning for tilkobling i en borestreng, omfattende en indre hylse ført inn i en ytre hylse for innbyrdes teleskopisk bevegelse langs en lengdeakse, med midler i en ende for tilkobling til borestrengen, idet den indre og ytre hylse avgrenser et kammer for en f jær-anordning, samt midler for overføring av dreiemoment mellom den ytre og indre hylse, karakterisert ved at en ringfjæranordning er anordnet i kammeret, for å dempe relativ bevegelse mellom den indre og ytre hylse, hvilken fjæranordning omfatter flere indre og ytre ringfjærer som befinner seg i plan på tvers av aksen, idet de indre ringfjærer har radialt ytre flater skrådd i forhold til aksen og de ytre ringfjærer har radialt indre flater som er skrådd i forhold til aksen og ligger mot de radialt ytre flater på de indre ringfjærer, at anordningen har en hovedsakelig konstant fjærkonstant som er mindre enn 44 000 N/cm og en belastningskapasitet mellom 44 500 og 560 000 N, idet den indre og ytre hylse har midler for å ekspandere de ytre ringfjærer og trykke sammen de indre ringfjærer når den ytre og indre hylse trykkes mot hverandre, at et flytende smøremiddel befinner seg i kammeret, og at det er anordnet midler for å tette kammeret i hele den teleskopiske bevegelse mellom den ytre og den indre hylse.

2. Innretning som angitt i krav 1, karakterisert ved at den totale lengde av innretningen i ikke påkjent tilstand av fjæranordningen er mindre enn 3 m.

3. Innretning som angitt i krav 1, karakterisert ved at fjærkonstanten til fjæranordningen er mindre enn omtrent 26 300 N/cm.

4. Innretning som angitt i krav 1, karakterisert ved at den ytre og indre hylse har kommuniserende kanaler som muliggjør en strømnings-bane gjennom innretningen samt midler for å bevirke en kraft som søker å drive den ytre og indre hylse i retning fra hverandre når et fluid under trykk drives gjennom strømningsbanen.

5. Innretning som angitt i krav 4, karakterisert ved at fjæranordningen omfatter midler for å forandre fjærkonstanten under opp-rettholdelse av en bestemt belastningskapasitet.

6. Innretning som angitt i krav 5, karakterisert ved at kammeret har variabel aksial lengde, avhengig av den innbyrdes stilling til den indre og ytre hylse, idet midlene for forandring omfatter et element for anbringelse i kammeret, idet antallet indre og ytre ringfjærer minskes, hvilket element er uten skråflater for anlegg mot skråflåtene på ringfjærene.

7. Innretning for tilkobling i en borestreng, omfattende en ytre hylse som har midler i en ende for tilkobling til borestrengen, en indre hylse anordnet i den ytre, for teleskopisk bevegelse langs en langsgående akse, og med midler i en ende for tilkobling til borestrengen, samt midler for overføring av dreiemoment mellom den indre og ytre hylse, karakterisert ved at en ringfjæranbrd- ning for dempning av innbyrdes bevegelse mellom den indre og ytre hylse, hvilken anordning omfatter flere indre og ytre ringfjærer som befinner seg i plan på tvers av aksen, idet de indre ringfjærer omfatter radialt ytre flater, skrådd i forhold til aksen, og de ytre ringfjærer omfatter radialt indre flater som er skrådd i forhold til aksen og ligger mot de radialt ytre flater på de indre ringfjærer, at den indre og ytre hylse har midler for å ekspandere de ytre ringfjærer og trykke sammen de indre ringfjærer når den indre og ytre hylse trykkes sammen, idet den ytre og indre hylse har midler for å begrense den innbyrdes sammentrykning til mindre enn en forutbestemt verdi som er mindre enn den verdi som tilsvarer flytegrensen i materialet i ringfjærene.

8. Fremgangsmåte ved boring av et hull ved bruk av en borestreng som omfatter en borkrone, en støtabsorberende innretning, flere vektrør og et borerør, hvilken støtab-sorberende innretning omfatter en ytre hylse, og en indre hylse ført inn i den ytre for innbyrdes teleskopisk bevegelse langs en langsgående akse, karakterisert ved at det i den støtab-sorberende innretning anvendes en ringfjæranordning for dempning av innbyrdes bevegelse mellom den'indre og ytre hylse, hvilken anordning omfatter flere indre og ytre ringfjærer som befinner seg i plan på tvers av aksen, idet de indre ringfjærer omfatter radialt ytre flater som er skrådd i forhold til aksen og de ytre ringfjærer omfatter radialt indre flater som er skrådd i forhold til aksen og ligger mot de radialt ytre flater på de indre ringfjærer, hvilken anordning har en fjærkonstant på mindre enn 44 000 N/cm og en belastningskapasitet mellom 44 500 og 560 000 N, og at den indre og ytre hylse har midler for å ekspandere de ytre ringfjærer og å trykke sammen de indre ringfjærer når den indre og ytre hylse drives mot hverandre, idet det ut-øves en belastning på borkronen i området 44 500 - 560 000 N, at nøytralpunktet i borestrengen opprettholdes hoved sakelig over den støtabsorberende innretning, at det be-virkes innbyrdes teleskopisk bevegelse mellom den indre og ytre hylse i begge retninger under utøvelse av belastning og rotasjon av borkronen, og at svingninger i borestrengen dempes i begge retninger under forandring av påkjenningene på ringfjæranordningen.

9. Fremgangsmåte som angitt i krav 8, karakterisert ved at dempningen omfatter vekselvis påkjenning og avlastning av de indre og ytre ringfjærer, i flere hovedsakelig parallelle plan på tvers av aksen.