NO315209B1 - Dynamisk demper til bruk i en borestreng - Google Patents

Description

DYNAMISK DEMPER TIL BRUK I EN BORESTRENG

Denne oppfinnelse vedrører en anordning ved en dynamisk demper til bruk i en borestreng, spesielt innrettet til bruk ved boring etter hydrokarboner i sedimentbergarter.

Dynamiske dempere av kjente utførelser anvendes i stor utstrekning for å dempe svingninger som oppstår i maskinkonstruksjoner som utsettes for vekslende påkjenninger.

I en borestreng med lengde på flere tusen meter, vil det kunne oppstå svingninger på grunn av variasjon i torsjonsmomentet langs borestrengen.

Variasjon i torsjonsmoment kan oppstå på grunn av ulike friksjonsforhold langs strengen og boring gjennom formasjoner med forskjellige hardhet når momentet på borekrona varierer. Slike ukontrollerbare variasjoner i torsjonsmoment genererer igjen svingninger som påfører borestrengen store krefter og vibrasjoner, spesielt når svingningene kommer i resonans med egensvingninger i borestrengen.

Bruk av mer moderne og kraftigere rotasjonsmaskiner de siste årene har ført til at borestrengen nå utsettes for betydelig større påkjenninger med derav økt risiko for skader som følge av ukontrollerte svingninger og vibrasjoner.

Et spesielt problem oppstår når borekrona treffer en formasjon som er vanskelig å penetrere og biter seg fast. Borestrengen tørnes av torsjonsmoment fra boremaskinen på overflaten og strengen akkumulerer energi som frigis når borekrona plutselig bryter løs. All lagret energi frigis gjennom ukontrollert rotasjon og nedre del av borestrengen kan i slike situasjoner komme opp i ekstrem omdreiningshastighet med fare for skader på boreutstyret. Dagens styrbare boresystemer har mye elektromekanisk utstyr som er spesielt utsatt for skade ved påvirkning fra slike belastninger.

Det foreligger flere teknikker som beskjeftiger seg med problemstillinger knyttet til demping av vibrasjoner i en borestreng. Disse kan i prinsippet deles inn i følgende to hovedkategorier: 1. Sette inn en anordning i borestrengen som tilstreber konstant aksialkraft på borekrona for derigjennom å redusere variasjoner i torsjonsmomentet. 2. Sette inn en anordning i borestrengen som tilstreber å trekke borekrona aksialt av bunnen når torsjonsmomentet overstiger en på forhånd bestemt verdi.

I foreliggende oppfinnelse er det pkt.2 som er hovedhensikten med oppfinnelsen . Dagens kjente teknikker fokuseres på løsninger etter pkt. 1.

Utviklingen i boreindustrien har gjennom de siste årene ført inn en ny type borekroner med faste kuttere som skjærer formasjonen til forskjell fra tidligere teknologi som baserte seg på rulleborekroner med knaster som knuste formasjonen.

De nye borekronene utnytter ofte all tilgjengelig torsjonsmoment og borekronen balanserer derfor hele tiden på grensen til å kjøre seg fast. En innretning som forsøker å holde borekrona mot bunnen vil derfor virke mot sin hensikt.

Slike løsninger var derimot anvendelige på tidligere teknologi med rulleborekroner som er avhengig av maksimal kontakt for å knuse formasjonen med harde knaster på rullene.

Med foreliggende oppfinnelse har en kommet frem til en løsning som gjør det mulig å forhåndsinnstille et torsjonsmoment like i underkant av det maksimale borestrengen kan tolerere, og slik at når anordningen aktiveres ved gitt torsjonsmoment, løftes borekrona aksialt opp fra bunnen av borehullet og avbryter derved akkumulering av torsjon i borestrengen.

I oljeindustrien er problemer knyttet til torsjon og overbelastning av borestreng godt kjent og det har vært arbeidet kontinuerlig med forskjellige tekniske løsninger for å avhjelpe problemene. Det vises i denne forbindelse til følgende patenter: GB 2 220 964

US 5,083,623

US 4,281,726

EP 065 601 Al

US 4,443,206

WO 97/01693

Patent GB 2 220 964 beskriver en innretning som har til hensikt å opprettholde trykk

mot borekrona. Et gjennomsnittlig trykk opprettholdes ved hjelp av en utskiftbar dyse 28, montert på toppen av en indre body 18. I tillegg transformeres torsjonsmomentet fra borestrengen 12 til trykk mot borekrona. En ytre casing 16 er forbundet med en indre body 18 gjennom spiralfortanninger 52,54 på en slik måte at økende torsjonsmomentet i borestrengen 12 bevirker økt aksialkraft mot borekrona.

For å underbygge dette refereres følgende fra sammendraget i GB patent 2 220 964 : " Rotation torque is iransfered from the drill string and outer casing to the inner assembly and drill bit by sets of mating helical splines on inner and outer members 52, 54.

The mean weight on bit is controlled trough an interchangable pressure control nozzle 28 mounted at the top of the inner assembly"

Med bakgrunn i ovenstående trekkes den klare konklusjon at innretningen beskrevet i patentsøknad GB 2 220 964 er i overenstemmelse med tidligere refererte prinsippløsning pkt. 1.

Foreliggende oppfinnelse er basert på tekniske løsninger etter hovedprinsipp pkt 2.

og innrettet for å løfte borekrona opp fra bunnen når torsjonsmomentet overskrider en fastsatt verdi. Spiralgj engene 10 er skåret med motsatt stigning i forhold til splines vist i GB patent 2 220 964. Det foreligger derfor to helt prinsipielt forskjellige løsninger.

US patent 5,083 623 beskriver en innretning for å absorbere sjokkbelastninger aksialt i en borestreng. Sjokkabsorberingen skjer gjennom bruk av stålfjærer og hydraulisk demping. Anordningen er ikke innrettet for å overføre torsjonsmoment til aksial bevegelse. Følgelig anses denne patenten å ha liten relevans i forhold til foreliggende oppfinnelse.

US patent 4,281,726 er også innrettet for aksial demping og har derfor liten relevans til foreliggende oppfinnelse.

Patent WO 97/01693 beskriver en hydraulisk truster for å generere aksial kraft til en borekrone i enden av en borestreng. Patenten beskriver løsninger basert på prinsipper etter tidligere beskrevne hovedprinsipper pkt. 1. og har derfor liten relevans til foreliggende oppfinnelse.

Det samme gjelder for US patent 4,443,206 og EP 065 601 som begge er basert på løsninger etter tidligere beskrevne hovedprinsipper pkt. 1.

I forhold til kjente teknikker er hensikten med oppfinnelsen å frembringe en løsning som reduserer faren for at borekronen biter seg fast, og at lagret energioppbygging gjennom torsjon i borestrengen frigis som ukontrollert rotasjon.

Dette oppnås i henhold til oppfinnelsen ved at det i borestrengen, ovenfor måleutstyret som benyttes til retningskontroll, monteres inn en dynamisk demper.

Denne demperen består av en indre sylindrisk strengdel med gjenger som forbinder denne

til borestrengens øvre del som igjen er forbundet med rotasjonsmaskinen på overflaten.

En ytre sylindrisk strengdel er konsentrisk opplagret i den indre strengdelen

og forbundet til nedre del av borestrengen mot borekronen med en gjengeforbindelse.

Ytre- og indre strengdel står i inngrep med hverandre gjennom en spiralformet trapesgjengeforbindelse, slik at en relativ rotasjon mellom strengdelene vil bevirke en relativ aksialbevegelse mellom de to delene. En fjær er anbrakt konsentrisk mellom ytre- og indre strengdel og forspent, slik at aksialbevegelse mellom ytre og indre strengdel bare finner sted når aksialkraft og moment, eller en kombinasjon av disse, overstiger en på forhånd bestemt verdi. Utenpå ytre strengdel er anbrakt en sylindrisk mantel forbundet med indre strengdel gjennom en gjengeforbindelse, slik at mantelen beskytter ytre-og indre strengdel samtidig som den danner begrensning for aksialbevegelse mellom ytre-og indre strengdel.

Mellom ytre- og indre strengdel er to volum fylt med olje og forbundet slik at en aksialbevegelse vil bevirke tvangsflytting av væske fra et volum til neste gjennom trange kanaler. Dette gir en tilsiktet dynamisk dempeeffekt på bevegelsen.

Når den foreliggende oppfinnelse monteres inn i en borestreng vil et torsjonsmoment som følge av begynnende fastboring av borekronen bevirke en relativ rotasjon mellom ytre - og indre strengdel når moment kommer over en valgt fjærspenning. Dette vil bevirke en aksialbevegelse som løfter og frigjør borekronen fra bunnen. Når borekronen løsner reduseres momentet og fjæren skyver igjen borekronen fremover mot bunnen av borehullet, derved genereres momentmotstand som hindrer opplagret torsjonsmoment i borestrengen å "spinne" ut ukontrollert.

Oppfinnelsen skal nå forklares nærmere i tilknytning til beskrivelse av et utførelseseksempel og med henvisning til vedlagte tegninger, hvor:

Fig. 1 viser systemoversikt med dynamisk demper innmontert i borestreng

Fig. 2 viser snitt gjennom ytre strengdel

Fig. 3 viser snitt gjennom ytre- og indre strengdel

På tegningene betegner henvisningstallet 1 en borestreng av kjent utførelse hvortil den dynamiske demperen er montert og angitt med henvisningstallet 2.1 forlengelse av demperen, mot borekronen, er instrumentdelen for retningsstyring 3 montert, og i forlengelsen av denne styrelabber og borekrone 4 og 5.

Torsjonsmoment og aksialkrafl som overføres til demperen er angitt med henvisningstall

8 og 9. Endestykket 6 festet med gjengeforbindelse til borestrengen, overfører kreftene til indre strengdel 12.

Gjennom spiralgjenger 10 er indre - og ytre strengdel i inngrep med hverandre, slik at en relativ vridning mellom disse delene vil medføre relativ aksialbevegelse mellom delene.

En torsjonsfjær 9 har anslag mot endestykket 6 på indre strengdel 12 og mot ytre strengdel 11. Fjæren skyver ytre strengdel 11 til anslag mot ansatsen 22 på ytre mantel 21.

Derved blir ytre strengdel 11 liggende forspent mellom fjæren 9 og ansatsen 22, slik at torsjonsmomentet 8 kombinert med aksialkraft 7 må overstige gitt verdi før en relativ vridning mellom ytre -og indre strengdel finner sted og bevirker tilsiktet aksial bevegelse mellom delene.

Hulrommet som dannes mellom de to strengdelene og mantelen 21 er fylt med olje som holdes på plass mot omgivelsene ved hjelp av pakninger 13 og 14.

Volumet 17 og volumet 16 rundt fjæren 9 står i forbindelse med hverandre gjennom

trange boringer 18 , slik at det oppstår en tilsiktet dempeeffekt på aksialbevegelsene.

Gjennom indre -og ytre strengdel går det en sentral boring 19 for boreslam.

For å registrere funksjonen til demperen er det anbrakt en sensor 20 som registrerer

og lagrer data om oljetrykk og fjærkart fra fjæren 9.

Disse dataene kan så avleses når borestrengen trekkes opp. Dataene gir da informasjon om hvordan demperen har virket.

Claims (1)

1. Dynamisk demper til bruk i en borestreng 1, fortrinnsvis av det slaget som benyttes ved boring etter olje og gass i sedimentbergarter, og hvor demperen 2 er innrettet for å opprettholde jevnt torsjonsmoment i borestrengen 1 ved å omforme torsjonsmoment til aksial bevegelse av borekrona 5, karakterisert ved at demperen 2 består av en ytre og indre strengdel 11 og 12 konsentrisk opplagret i forhold til hverandre og forbundet gjennom spiralgjenger 10, utformet med stigningsvinkel slik at borekrona 5 trekkes aksialt opp fra bunnen av borehullet når torsjonsmomentet oppnår en på forhånd innstilt verdi. Patentkrav 2 Dynamisk demper som beskrevet i patentkrav 1, karakterisert ved at ytre og indre strengdel 11 og 12 posisjoneres aksialt i forhold til hverandre ved hjelp av en fjærpakke 9 og med anslag for indre strengdel 11 mot en ansats 22. Patentkrav 3 Dynamisk demper som beskrevet i patentkrav 1 og 2, karakterisert ved at det mellom to oljevolum 16 og 17 er anordnet boringer 18 for hydraulisk demping av relativ bevegelse mellom ytre -og indre strengdel 11 og 12. Patentkrav 4 Dynamisk demper som beskrevet i foregående patentkrav, karakterisert ved at det er anordnet en sensor 20 for registrering av funksjonsdata.