NO324265B1 - Device for a tool for axially displacing the drill bit in a drill string with a liquid motor - Google Patents

Abstract

Anordning ved et verktøy (1) til bruk ved boring med roterende borekrone (4) der formålet med verktøyet er å tilveiebringe en aksial bevegelse (15) av borekronen når torsjonsmomentet (14) går ut over en på forhånd gitt verdi. For dette formålet er verktøyet satt sammen av to sylindriske strengdeler (2) og (3) forbundet gjennom føringselementer og pakning (5), (8) og (10). Strengdelene (2) og (3) er innbyrdes forbundet med hverandre gjennom rotasjonsstiv aksial forskyvbar fortanningen (9). Aksial forskyvning (15) oppnås når trykkdifferansen mellom innvendig trykk (13) og utvendig trykk (22) genererer en kraft over arealdifferansen mellom preferiene (16) og (17) som er større enn forspent kraft på fjæren (6).Device of a tool (1) for use in drilling with a rotary drill bit (4) where the purpose of the tool is to provide an axial movement (15) of the drill bit when the torque (14) exceeds a predetermined value. For this purpose, the tool is composed of two cylindrical string parts (2) and (3) connected through guide elements and gasket (5), (8) and (10). The string parts (2) and (3) are interconnected through the rotationally rigid axially displaceable toothing (9). Axial displacement (15) is obtained when the pressure difference between internal pressure (13) and external pressure (22) generates a force over the area difference between the preferences (16) and (17) which is greater than the prestressed force on the spring (6).

Description

ANORDNING VED ET VERKTØY FOR AKSIAL FORSKYVNING AV BOREKRONA I EN BORESTRENG MED VÆSKEMOTOR (MUDMOTOR) DEVICE OF A TOOL FOR AXIAL DISPLACEMENT OF THE DRILL CROWD IN A DRILLING STRING WITH A FLUID MOTOR (MUD MOTOR)

Denne oppfinnelsen vedrører en anordning ved et verktøy av det slaget som benyttes ved roterende borekrone der hensikten er å tilveiebringe en aksial bevegelse av borekrona når torsjonsmomentet over kortere eller lengre tid går utover en på forhånd gitt verdi. This invention relates to a device for a tool of the kind used in rotating drill bits, where the purpose is to provide an axial movement of the drill bit when the torsional moment over a shorter or longer time exceeds a previously given value.

Anordninger av forskjellige utførelser som har til hensikt å dempe svingninger og begrense maksimalt moment i borestrengen, er kjent fra blant annet oljeindustrien. Devices of various designs that are intended to dampen fluctuations and limit the maximum torque in the drill string are known from, among other things, the oil industry.

I en borestreng på flere tusen meter kan det oppstå svingninger på grunn av varierende torsjonsmoment i strengen. Slike svingninger er som oftest forårsaket av at borekrona treffer forskjellige bergformasjoner som medfører at borestrengen tilføres varierende momentbelastning. In a drill string of several thousand meters, oscillations can occur due to varying torque in the string. Such oscillations are most often caused by the drill bit hitting different rock formations, which causes the drill string to be subjected to varying torque loads.

Når borestrengen påføres torsjonsmoment fra boremaskinen, lagres store mengder energi som frigjøres når borekrona plut-selig bryter løs. When the drill string is subjected to torsional torque from the drilling machine, large amounts of energy are stored which are released when the drill bit suddenly breaks loose.

Ukontrollert frigjøring av energi fører til ekstreme påkjen-ninger på borestreng og borekrone. Uncontrolled release of energy leads to extreme stresses on the drill string and drill bit.

Dagens styrbare boresystemer er forsynt med mye elektromeka-nisk utstyr som kan ta skade ved ekstreme rystelser og vibrasjoner. Today's controllable drilling systems are equipped with a lot of electromechanical equipment that can be damaged by extreme shaking and vibrations.

I den foreliggende oppfinnelse er hensikten å komme frem til en enkel, hensiktsmessig og driftssikker utførelse av et verktøy som gir borekrona en aksial tilbaketrekkende bevegelse når torsjonsmomentet i borestrengen overstiger en på forhånd fastsatt verdi. In the present invention, the purpose is to arrive at a simple, appropriate and reliable design of a tool which gives the drill bit an axial retracting movement when the torsional moment in the drill string exceeds a predetermined value.

En slik anordning er spesielt godt egnet på moderne borekro-ner med faste kuttere hvor det benyttes industrielt fremstil-te diamanter med høy hardhet, men hvor strukturen er sprø og følsom for slag. Such a device is particularly well suited to modern drill bits with fixed cutters where industrially produced diamonds with high hardness are used, but where the structure is brittle and sensitive to impact.

I oljeindustrien er problemer knyttet til overbelastning av borestrengen godt kjent og det har vært arbeidet kontinuerlig med forskjellige løsninger for å avhjelpe problemene. In the oil industry, problems related to overloading of the drill string are well known and work has been ongoing on various solutions to remedy the problems.

Det vises i denne forbindelse til følgende patenter. Reference is made in this connection to the following patents.

NO 315209 NO 315209

GB 5,083,623 GB 5,083,623

US 4,281,726 US 4,281,726

EP 065 601 Al EP 065 601 Al

US 4,443,206 US 4,443,206

WO 97/01693 WO 97/01693

Foreliggende oppfinnelse har i prinsippet samme funksjonali-tet som NO 315209, men den tekniske utførelsen er vesentlig forskjellig. The present invention has in principle the same functionality as NO 315209, but the technical execution is significantly different.

I forhold til teknikkens stilling på området er hensikten med oppfinnelsen å tilveiebringe en anordning som gir verktøyet tilstrekkelig styrke og robusthet for å kunne tåle de ekstreme påkjenningene det blir utsatt for. In relation to the state of the art in the area, the purpose of the invention is to provide a device which gives the tool sufficient strength and robustness to be able to withstand the extreme stresses to which it is exposed.

Verktøyet er utformet slik at det ved momentoverbelastning trekker seg sammen for derved å redusere den aksiale lasten på borekronen. I forhold til teknikkens stilling har oppfinnelsen vesentlige fortrinn samtidig som den er enklere og mer robust. Dermed reduseres faren for havarier, noe som er ekst-remt viktig i forbindelse med gjennomføring av kostbare boreoperasjoner. I tillegg oppnås vesentlig mindre kostnader til The tool is designed so that in the event of torque overload it contracts to thereby reduce the axial load on the drill bit. In relation to the state of the art, the invention has significant advantages while being simpler and more robust. This reduces the risk of accidents, which is extremely important in connection with carrying out expensive drilling operations. In addition, significantly lower costs are achieved

produksjon og vedlikehold. production and maintenance.

Dette oppnås i henhold til oppfinnelsen ved at to sylindriske strengdeler er konsentrisk opplagret i hverandre og innrettet til å kunne forskyves en begrenset aksial lengde i forhold til hverandre. Strengdelene er torsjonsstivt forbundet gjennom en aksialforskyvbar fortanning. This is achieved according to the invention in that two cylindrical string parts are concentrically stored in each other and arranged to be able to be displaced a limited axial length in relation to each other. The string parts are torsionally rigidly connected through an axially displaceable serration.

I tillegg er strengdelene opplagret i føringselementer og forsynt med tetningselementer. In addition, the string parts are stored in guide elements and provided with sealing elements.

Når boreoperasjoner utføres med væskemotor (mudmotor) vil torsjonsmomentet i borestrengen og på borekrona være tilnærmet proporsjonalt med væsketrykket i borestrengen foran væskemotoren. When drilling operations are carried out with a fluid motor (mud motor), the torque in the drill string and on the drill bit will be approximately proportional to the fluid pressure in the drill string in front of the fluid motor.

I foreliggende oppfinnelse utnyttes dette væsketrykket til å generere en aksialkraft som ved et bestemt væsketrykk trekker verktøyet sammen aksialt og derved avlaster borekrona når momentet kommer over en forhåndsinnstilt verdi. En sentrisk anbrakt fjær sørger for tilbaketrekking av aksial bevegelse når væsketrykket igjen synker. In the present invention, this liquid pressure is utilized to generate an axial force which, at a certain liquid pressure, pulls the tool together axially and thereby relieves the drill bit when the torque exceeds a preset value. A centrically placed spring ensures retraction of axial movement when the fluid pressure drops again.

På denne måten holdes momentet tilnærmet konstant innenfor et optimalt område, og en unngår uønskede vibrasjoner og slag som skader skjærene på borekrona. Demping av vibrasjoner og slag gir også betydelig økt borehastighet. Reduksjon i vibrasjoner og slag har en gunstig effekt på komponenter i styre-og kontrollsystemet (MWD - Measure While Drilling) som derved oppnår økt driftsikkerhet. In this way, the torque is kept almost constant within an optimal range, and unwanted vibrations and impacts that damage the cutting edges of the drill bit are avoided. Damping of vibrations and impacts also results in significantly increased drilling speed. Reduction in vibrations and impacts has a beneficial effect on components in the steering and control system (MWD - Measure While Drilling), which thereby achieves increased operational reliability.

Samlet sett gir verktøy med den beskrevne anordningen store Overall, tools with the described device provide great

økonomiske gevinster. financial gains.

Verktøy med den beskrevne anordningen settes inn i borestrengen like bak den borevæskedrevne motor. Tools with the described device are inserted into the drill string just behind the drilling fluid-driven motor.

I det etterfølgende beskrives et eksempel på en foretrukket utførelsesform som er anskueliggjort på medfølgende tegning-er , hvor: Fig. 1 viser systemoversikt med verktøyet plassert i borestrengen; og Fig. 2 viser i større målestokk et verktøy med innlagt In what follows, an example of a preferred embodiment is described which is illustrated in the accompanying drawings, where: Fig. 1 shows a system overview with the tool placed in the drill string; and Fig. 2 shows on a larger scale a tool with inlay

snitt. average.

På fig. 1 betegner 1 et verktøy som er montert inn mellom en borestreng 20 og en borevæskedrevet væskemotor 3 som er forbundet med en borekrone 4. Bak borekrona 4 er det anbrakt labber 18 for retningskontroll. In fig. 1, 1 denotes a tool which is fitted between a drill string 20 and a drilling fluid-driven fluid motor 3 which is connected to a drill bit 4. Behind the drill bit 4, pawls 18 are placed for direction control.

Fig. 2 viser verktøyet 1 med innlagt snitt. En indre strengdel 2 er ved hjelp av føringselementer 5 og 8 opplagret i en ytre strengdel 2a. Føringselementene 5, 8 er forsynt med respektive tetninger 5a og 8a. Fig. 2 shows the tool 1 with an inserted section. An inner string part 2 is stored in an outer string part 2a by means of guide elements 5 and 8. The guide elements 5, 8 are provided with respective seals 5a and 8a.

Den indre strengdel 2 er tilordnet en første adapter 19 med gjenger for anslutning til borestrengen 20, mens den ytre strengdel 2a er forsynt med en andre adapter 11 med gjenger for anslutning til væskemotoren 3. The inner string part 2 is assigned a first adapter 19 with threads for connection to the drill string 20, while the outer string part 2a is provided with a second adapter 11 with threads for connection to the fluid motor 3.

Strengdelene 2, 2a er innbyrdes koplet ved hjelp av en aksialforskyvbar rotasjonsstiv fortanning 9. The string parts 2, 2a are interconnected by means of an axially displaceable rotationally rigid toothing 9.

Fortanningen 9 sørger for at et vridmomentet 14 kan overføres gjennom verktøyet 1. The toothing 9 ensures that a torque 14 can be transmitted through the tool 1.

Den indre strengdel 2a er ved sitt frie endeparti forsynt med et påskrudd føringselement 12. Fortanningen 9 er beskyttet mot forurensninger ved hjelp av tetningen 8a og en tetning 10 i føringselementet 12. The inner string part 2a is provided at its free end part with a screwed-on guide element 12. The toothing 9 is protected against contamination by means of the seal 8a and a seal 10 in the guide element 12.

En fjær 6 er anbrakt konsentrisk og spenner i sitt ene endeparti an mot et anslag 21 i adapteret 11, og i sitt motsatte endeparti mot knaster 23 på den indre strengdel 2. A spring 6 is placed concentrically and spans in its one end part against a stop 21 in the adapter 11, and in its opposite end part against lugs 23 on the inner string part 2.

Den indre strengdel 2 er forsynt med minst en gjennomgående åpning 7 for at borevæske skal kunne fylle rommet innenfor den ytre strengdels 2a indre periferi 16. The inner string part 2 is provided with at least one through opening 7 so that drilling fluid can fill the space within the inner periphery 16 of the outer string part 2a.

Trykket fra borevæsken virker mot et areal 24 mellom den indre periferi 16 og en ytre mantelflate 17 på den indre strengdel 2. Den genererte kraft mot arealet 24 søker å forskyve den ytre strengdel 2a innover den indre strengdel 2, idet arealet 24 er større enn arealet av anslaget 21. Kraften fra fjæren 6 motvirker en slik forskyvning. The pressure from the drilling fluid acts against an area 24 between the inner periphery 16 and an outer casing surface 17 on the inner string part 2. The generated force against the area 24 seeks to displace the outer string part 2a inwards the inner string part 2, the area 24 being larger than the area of stop 21. The force from spring 6 counteracts such displacement.

En aksial forskyvning 15 oppnås når kraften fra væsketrykket mot arealet 24 overstiger kraften fra væsketrykket mot arealet av anslaget 21 og forspenningskraften fra fjæren 6 samt eventuelle krefter fra utvendig væsketrykk. An axial displacement 15 is achieved when the force from the liquid pressure against the area 24 exceeds the force from the liquid pressure against the area of the stop 21 and the biasing force from the spring 6 as well as any forces from external liquid pressure.

Når væskemotoren har en tilnærmet lineart moment-trykk-karakteristikk, vil væsketrykket som gir aksialforskyvningen 15 følge dreimomentet. Derved kan ønsket momentområde for ak-sialf orskyvning fastsettes av fjærkraften og arealet 24 mellom den indre periferi 16 og den ytre mantelflate 17. When the fluid motor has an approximately linear torque-pressure characteristic, the fluid pressure which gives the axial displacement 15 will follow the torque. Thereby, the desired torque range for axial displacement can be determined by the spring force and the area 24 between the inner periphery 16 and the outer casing surface 17.

Claims (5)

1. Anordning ved et verktøy (1) til bruk ved boring med væskemotor (3) og en roterende borekrone (4) der hensikten med verktøyet (1) er å tilveiebringe en aksial forskyvning (15) av borekronen (4) ved et på forhånd bestemt torsjonsmoment (14), karakterisert ved at verktøyet (1) omfatter en indre strengdel (2) og en ytre strengdel (2a) som er innbyrdes begrenset aksialt forskyvbare, og hvor dreimoment fra det ene av strengdelene (2, 2a) overføres til den andre av stengde-lene (2, 2a) ved hjelp av en fortanning (9) hvor strengdelene (2, 2a) aksialforskyvbart griper inn i hverandre, idet en fjær (6) som søker å forskyve strengdelene (2, 2a) i retning fra hverandre, er innspent mellom strengdelene (2, 2a), og hvor trykket fra borevæsken virker mot et areal (24), hvorved trykket fra borevæsken søker å forskyve strengdelene (2, 2a) i retning mot hverandre.1. Device with a tool (1) for use when drilling with a fluid motor (3) and a rotating drill bit (4) where the purpose of the tool (1) is to provide an axial displacement (15) of the drill bit (4) by a specific torque (14), characterized in that the tool (1) comprises an inner string part (2) and an outer string part (2a) which are mutually limited axially displaceable, and where torque from one of the string parts (2, 2a) is transferred to the other of the rod parts (2, 2a) by means of a toothing (9) where the string parts (2, 2a) axially displaceably engage each other, a spring (6) which seeks to displace the string parts (2, 2a) in the direction from each other, are clamped between the string parts (2, 2a), and where the pressure from the drilling fluid acts against an area (24), whereby the pressure from the drilling fluid seeks to displace the string parts (2, 2a) in a direction towards each other. 2. Anordning i henhold til krav 1, karakterisert ved at arealet (24) er tildannet mellom en indre periferi (16) i den ytre strengdel (2a) og en ytre mantelflate (17) av den indre strengdel (2).2. Device according to claim 1, characterized in that the area (24) is formed between an inner periphery (16) in the outer strand part (2a) and an outer mantle surface (17) of the inner strand part (2). 3. Anordning i henhold til krav 1, karakterisert ved at borevæsken kommuniserer med arealet (24) via en gjennomgående åpning (7) i den indre strengdel (2).3. Device according to claim 1, characterized in that the drilling fluid communicates with the area (24) via a through opening (7) in the inner string part (2). 4. Anordning i henhold til krav 1, karakterisert ved at den indre strengdel (2) er opplagret i den ytre strengdel (2a) ved hjelp av føringselement (5, 8, 12) .4. Device according to claim 1, characterized in that the inner string part (2) is stored in the outer string part (2a) by means of guide element (5, 8, 12). 5. Anordning i henhold til krav 4, karakterisert ved at føringselementene (5, 8, 12) er forsynt med tetninger (5a, 8a og 10).5. Device according to claim 4, characterized in that the guide elements (5, 8, 12) are provided with seals (5a, 8a and 10).