NO965359L - Boreverktöy med to deler i leddforbindelse - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse gjelder et boreverktøy for borehull for petroleum, gass eller geotermiske undersøkelser. Boreverktøyet bringes i rotasjon fra overflaten via driv- og borerør i en borerørstreng, eller fra en fluidmotor i den nedre ende av borehullet.

Verktøyet har to hoveddeler, idet den første del er en indre, hul akseldel for endefeste til enden av det nederste borerør i borestrengen, eller til akselen i en fluidmotor. I begge tilfeller kan man bruke benevnelsen "drivenhet", og via denne enhet overføres også fremdriftskraften til akseldelen under boringen. Den andre hoveddel har form av en ytre endehylse og kan gå under benevnelsen "blindelement", siden dens nedre ende er lukket og på yttersiden har skjærblader, diamant- eller hardmetallinnsatser (bits) e.l. for boring i hardt materiale. Denne "blindendehylse" tillater i sin øvre frie ende opptak av den nederste del av den hule akseldel.

De to hoveddeler står i sfærisk leddforbindelse med hverandre, via et kuleledd, og man kan definere dette ledds dreiesentrum som det felles sentrum for de to sfæriske flater som ligger an mot hverandre. En slik sfærisk leddforbindelse krever imidlertid også en annen forbindelse for å overføre dreiemoment fra drivenheten og til boreverktøyet, men uten at frihetsgraden som kuleleddet innebærer blir degradert.

Et leddforbindelsesverktøy av liknende type er allerede beskrevet (GB patent 2190411). Verktøyet er imidlertid særlig egnet for awiksboring og har så kort aktiv boredel som mulig, hvorved kuleleddet er anordnet på oversiden. Den tilsvarende hule akseldel er i alt vesentlig også utenfor selve boreverktøyet, og drivmeka-nismen er lagt inn i kuleleddet, hvilket begrenser den frihetsgrad som de sfæriske flater i kontakt med hverandre ellers kunne tillate.

Boreverktøyet ifølge oppfinnelsen er imidlertid fortrinns-vis konstruert for rettlinjet boring og har derved en lengre akseldel, med kuleleddet helt i bunnen av den andre del i form av den ytre og nedtil lukkede endehylse. I den øvre ende av endehylsen er det dertil montert en stabilisator, og overførings-systemet er skilt helt fra kuleleddet og anordnet på samme side som stabilisatoren i forhold til leddet, dvs over dette. Avstanden mellom kuleleddets sentrum og stabilisatoren, dvs mellom sentrum og et plan normalt på boreverktøyets langsgående hovedakse, midt på stabilisatoren, skal være minst 2,5 ganger diameteren av verktøyet selv, og dessuten kreves at dette forhold dimensjoneres med tanke på de sidekrefter som forventes å oppstå ved boringen/skjæringen i hardt materiale, slik at avstanden gjøres større jo større sidekrefter man vil stilles overfor fra skjæreelementene.

Overføringssystemet for kraftoverføring i oppfinnelsens boreverktøy skiller seg fra de som ellers brukes i ledeverktøy av kjent type ved at systemets elementer i hovedsaken ligger utenfor kuleleddet, slik at man unngår å gjøre inngrep i de bærende flater, og ved det faktum at systemet mellom den hule akseldel og den ytre endehylse i tillegg har lagt inn en mellomhylse som omslutter akseldelen. Mellomhylsen er i forbindelse med begge hoveddeler, akseldelen og den ytre endehylse via en særskilt fortanning når hylsen er stiv og ubetydelig deformerbar, eller av en annerledes sammenstilling når den er deformerbar (av typen ettergivende skall). I begge tilfeller kan man betrakte over-føringssystemet som et system med "variabel konfigurasjon".

Forøvrig er sammenlikninger mellom hvordan oppfinnelsens boreverktøy arbeider og det tilsvarende for de ledeverktøy som allerede er beskrevet i teknikken, relativt vanskelig siden arbeidsområdene er forskjellige, i det minste deres foretrukne arbeidsområder.

I forhold til såkalte monolittiske og kjente verktøy vil oppfinnelsens boreverktøy være distansert ved dens dynamiske egenskaper, idet arbeidsgangen er gjort relativt uavhengig av eventuelle parasittære bevegelser (overlagrede høyere ordens bevegelsesforløp) hos drivenheten, uten at denne uavhengighet hindrer verktøyet i å reagere på de mest sjenerende vibrasjoner som påtrykkes fra skjærbevegelsen og uten at verktøyets to hoveddeler i prinsippet kan komme i tannhjulssperrestilling eller kile seg fast. Disse fordeler skyldes den relative posisjon mellom kuleleddet og stabilisatoren som også er forbundet med den ytre endehylse.

La oss nå betrakte to mulige måter som oppfinnelsens boreverktøy kan arbeide på: Ved den første måte antas at den sentrale lengdeakse gjennom den hule akseldel som er festet til drivenheten holdes tilnærmet sammenfallende med den sentrale lengdeakse i det allerede borede borehull, og videre antas at boreverktøyet som følge av forholdene i den grunn som bores er i ferd med å grave seg nedover et stykke og altså forskyves fremover. Kuleleddets sentrum, som er sammenfallende med spissen av den fremdriftskonus som foreligger tillater at akseldelen momentant reagerer på den inklinasjon som dannes som følge av boreverktøyets innskjæring et stykke fremover i bunnen av borehullet, og denne kraftpåvirkning søker å bringe den ytre endehylse til koaksial flukting med akseldelen, med en "følsomhet" eller innrettingskraft som er større jo lenger kuleleddets sentrum er forskjøvet ut fra dets kontaktflater i fremdriftsretningen for verktøyet. I dette tilfelle hindrer virkningen av den ovenfor monterte stabilisator at den relative inklinasjon i verktøyet blir så stor at det frembringes kontakt mellom akseldelen og den ytre endehylse ved denne hylses åpne, øvre ende, før boreverktøyet reagerer.

Ved den andre måte antas at en deformasjon av drivenheten bevirker at akseldelens akse kommer til å danne en vinkel med borehullaksen, og akseldelens akse kommer ved rotasjonen således til å beskrive en kjegle hvis spiss sammenfaller med sentrum i kuleleddet, slik som ovenfor. Den ytre endehylse vil søke å følge akseldelen i denne bevegelse, men stabilisatoren utgjør en hindring i så måte, særlig effektiv hvis den er i rotasjonsforbindelse med endehylsen, idet denne derved tillates å bevege seg fremover i borehullet under boringen, uavhengig av den forstyrrende bevegelse drivenheten ved sin deformasjon søker å overføre til den hule akseldel.

Posisjonen av kuleleddet helt i bunnen av den ytre endehylse gjør at man kan holde sentrum av leddet lengst mulig foran i bevegelsesretningen ved boringen uten å innføre særlig svekking av styrevirkningen sideveis for den sfæriske forbindelse kuleleddet utgjør. Likevel er denne sfæriske forbindelse unilate-ral, og en alternativ kontakt bør være forordnet mellom de to hoveddeler av boreverktøyet for å tillate nedføring og opptrekking av dette uten å risikere å miste den nederste del.

Ved altså å la kuleleddets sentrum ligge så langt frem som mulig i verktøyet forbedres dettes dynamiske egenskaper, og man øker avstanden mellom sentrum og stabilisatoren for en gitt lengdedimensjon av verktøyet.

Når kontaktflatene i kuleleddet og i overføringssystemet forøvrig er metallflater vil det imidlertid være nødvendig med en smøring, ikke bare for å bevare flatene, men også for å redusere friksjonen ved den gjensidige bevegelse, idet en øket friksjon vil fjerne verktøyets egenskaper fra de ideelle. Det er altså påkrevet å etablere et isolert smørekammer mellom de to hoveddeler, den ytre endehylse og den hule akseldel, og dette kammer må inneholde kuleleddet og i det minste en del av overføringssystemet med variabel konfigurasjon. Kammeret avgrenses ifølge oppfinnelsen av doble tetningselementer som likevel tillater relativ bevegelse mellom akseldelen og den ytre endehylse, men som tillater at smøremiddelet kan holdes innesluttet og ha et trykk som tilsvarer borefluidtrykket, av det borefluid som blir ført opp til overflaten.

En illustrasjon viser et typisk eksempel på et boreverktøy ifølge oppfinnelsen. Den viste figur er tegnet i lengdesnitt, og de allerede omtalte deler kan gjenfinnes: den indre, hule akseldel 1 og den ytre endehylse 2 som danner et blindelement som er lukket nederst, og aller nederst, på yttersiden har skjærelementer, f .eks. i form av plater 22. I den ene ende er akseldelen 1 festet til drivenheten (her ikke vist), via en konisk gjengeforbindelse 3. I den andre nedre ende er akseldelen 1 koplet til den sfæriske leddf orbindelse som på sin side er koplet til den ytre endehylse 2, idet leddforbindelsen utgjøres av et kuleledd 4, 5 i den nedre ende av endehylsen. Kuleleddet har en konveks anleggsflate 4 stivt forbundet med den ytre endehylse, og en konkav anleggsflate 5 forbundet med den hule akseldel 1. Disse sfæriske flaters sentrum faller i et punkt A i bunndelen av den ytre endehylse. Akseldelen og den ytre endehylse er også koplet sammen via den allerede omtalte mellomhylse 6 som har en første innvendig rett fortanning 7 og en tilsvarende første utvendig krum fortanning 8, idet den første av disse fortanninger er i inngrep med en tilsvarende andre utvendig krum fortanning 9 med samme tannantall, maskinert i en indre endehylse 10 forbundet med den hule akseldel 1, og likeledes er den første krumme fortanning 8 i inngrep med en tilsvarende andre innvendig rettfortanning 11 med samme antall tenner og fast forbundet med den ytre endehylse 2. Denne andre tannforbindelse mellom akseldelen og den ytre endehylse arter seg altså som en deformerbar kopling, idet mellomhylsen 6 har et ytterligere kontaktpunkt via et flateområde 12 på den konkave anleggsflate 5, i den hensikt å begrense bevegelsen fremover av mellomhylsen.

Kuleforbindelsen i kuleleddet 4, 5 er imidlertid her ensidig, dvs innrettet for å kunne overføre krefter fra akseldelen og til den ytre endehylse i utelukkende fremdriftsretningen. En ytterligere kontaktforbindelse er anordnet mellom et flateområde 13 og et tilsvarende område 14 på hhv akseldelen og den ytre endehylse under nedsenkning eller opptrekking av boreverktøyet, slik at en overføring av krefter også i motsatt retning kan foregå.

Fluidtetning for å opprettholde et smørekammer 17, særlig et oljekammer med smøremiddel som trengs for smøring av kuleleddet og overføringssystemets bevegelige/berørende deler, utgjøres av en fremre hhv en bakre membran 15, 16 slik at borefluid ikke kan trenge inn mellom akseldelen og den ytre endehylse.

Den fremre membran 15 er formet slik at den i ubelastet tilstand danner et rør med en flens i den ene ende, er med sin rørformede del ført inn i det indre av den hule aksedel, mens flensen er festet til den ytre endehylse. Denne membran .brukes til å isolere mot det borefluid som presses nedover ved stort trykk og dette ikke skal presses inn i oljekammeret. Membranen strekker seg i alt vesentlig over metallflåtene og tillater noe deformasjon for å kunne oppta de relative bevegelser mellom akseldelen og den ytre endehylse under driften av boreverktøyet, og dessuten de deformasjoner som vil oppstå ved nedføringen og opptrekkingen av dette, idet smøremiddelet hele tiden kan bringes i kontakt med flateområdene 13 og 14.

Den bakre membran 16 har i ubelastet tilstand form som en avkortet kjegle hvis minste omkrets er festet til yttersiden av akseldelen, og hvis største omkrets er festet til innerflaten av den ytre endehylse, slik at den minste omkrets kommer til å ligge i nærheten av dennes åpne ende. Sideåpninger 18 er boret i den ytre endehylse, i høyde med den bakre membran 16 for å føre boref luidet som stiger opp i det indre av endehylsen ut og på denne måte etablere en strømningsvirkning som hindrer enhver tendens til sedimentering av faste partikler i nærheten av membranen, på baksiden av denne.

Boreverktøyet har som nevnt øverst montert en stabilisator 19 i nærheten av den åpne ende av den ytre endehylse 2. I den illustrerte utførelse er stabilisatoren 19 i dreieforbindelse med den ytre endehylse via kulelagerringer 20 og 21 som smøres særskilt med smørefett under monteringen og under vedlikehold av verktøyet.

Claims (5)

1. Boreverktøy for borehull for petroleum, gass eller geotermiske undersøkelser, drevet i rotasjon av en drivenhet som også overfører fremoverrettede krefter, og bestående av to hoveddeler, nemlig en indre, hul akseldel (1) som er endefestet via en konisk gjengeforbindelse (3) til drivenheten, og en ytre endehylse (2) som er lukket i sin nedre ende og der utvendig har skjæreelementer, mens endehylsens åpne, øvre ende tillater opptak av den nedre del av den hule akseldel (1), og hvor de to deler, akseldelen (1) og den ytre endehylse (2) står i leddforbindelse med hverandre, KARAKTERISERT VED: - et overføringssystem for overføring av dreiemoment for boring fra akseldelen (1) og til den ytre endehylse (2), idet en mellomhylse (6) står i forbindelse med både akseldelen og den ytre endehylse, hvilket overføringssystem er av typen med variabel konf igurasj on, - at leddforbindelsen mellom akseldelen og den ytre endehylse utgjøres av et kuleledd (4, 5) nederst i endehylsen og med sfæriske anleggsflater, - at den ytre endehylse har en stabilisator (19 ) anordnet øverst, i en avstand fra sentrum av kuleleddet (4, 5) som minst er 2,5 ganger ytterdiameteren av endehylsen, - at overføringssystemet (6, 7, 8, 9, 11) er skilt fra kuleleddet (4, 5) og anordnet på samme side av dette som stabilisatoren (19), og - at mellomhylsen (6) i overføringssystemet for å overføre dreiemoment er anordnet utenpå akseldelen (1) og omsluttende denne.

2. Boreverktøy ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at kuleleddet (4, 5) er unilateralt slik at det bare overfører krefter mellom akseldelen og den ytre endehylse i verktøyets fremdriftsret-ning, idet kuleleddets sentrum (A) derved kan anordnes lengst mulig foran i verktøyet, i samme retning.

3. Boreverktøy ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at: - overføringssystemet med variabel konfigurasjon har sin mellomhylse (6) anordnet i den ytre endehylse ( 2) og i en av mellomhylsens ender en første innvendig rett fortanning (7), mens det i mellomhylsens (6) andre ende er en første utvendig krum fortanning (8), at - den første rette fortanning (7) er i inngrep med en andre utvendig krum fortanning (9) med samme antall tenner og festet til den hule akseldel (1), og at - den første krumme fortanning (8) er i inngrep med en andre innvendig rett fortanning (11) med samme antall tenner og festet til den ytre endehylse (2) slik at det dannes en deformerbar kopling mellom denne og akseldelen (1), idet en ytterligere forbindelse er etablert ved at et flateområde (12) på mellomhylsen (6) ligger an mot en av boreverktøyets hoveddeler akseldelen (1) eller den ytre endehylse (2) for å begrense den absolutte forskyv-ning av mellomhylsen i den ene langsgående retning uten å begrense den relative frie bevegelse mellom de to hoveddeler.

4. Boreverktøy ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at stabilisatoren (19) anordnet nær den åpne ende av den ytre endehylse ( 2) er i dreief orbindelse med denne hylse via kulelagerringer (20, 21).

5. Boreverktøy ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED en dobbel deformerbar pakning (15, 16) som mellom den ytre endehylse og akseldelen isolerer et oljekammer (17) som omslutter kuleleddet (4, 5) og overføringssystemet, omfattende en fremre membran (15) som i ubelastet tilstand danner et rør med en flens i sin ene ende, idet den rø rformede del er ført inn i den hule akseldel, mens flensen er ført til inngrep i den ytre endehylse, og en bakre membran (16) hvis ubelastede form tilsvarer en avkortet kjegle og som er festet til ytterflaten av akseldelen (1) og innerflaten av den ytre endehylse (2) slik at kjeglens minste omkrets kommer i høyde med den åpne del av endehylsen, og at - den ytre endehylse (2) i høyde med den bakre membran (16) har sideåpninger (18) som tillater at borefluid som stiger opp i det indre av den ytre endehylse kan strømme langs membranen (16) og hindre avsetning av fast materiale mellom denne og endehylsen.