NO325067B1 - Lasbar motorsammenstilling for bruk i et bronnhull - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en låsbar motorsammenstilling for bruk i et

brønnhull.

Bruk av en nedihullsmotor for å drive et roterende verktøy, for eksempel et

freseverktøy, i en nedihulls-sammenstilling har velkjente fordeler. Nedihullsmotorer som hittil har vært tilgjengelig har imidlertid lidd under den ulempen at motorens rotor ikke kan bli låst til motorens stator. Som et resultat er relativ rotasjon av elementene i en verktøysammenstilling ovenfor og nedenfor motoren mulig. Dette gjør det umulig,

eller i det minste kompliserer en nøyaktig vinkeloirentering av komponentene plassert nedenfor motoren.

Hvis komponentene nedenfor motoren inkluderer en hydraulisk settbar pakning eller forankring, er fluidforflytningen som kreves for å sette pakningen eller forankringen tilbøylig til å drive motoren under settingsprosedyren, som ytterligere kompliserer nøyaktig vinkelorientering av verktøyet.

Ved visse applikasjoner, for eksempel boring av et sidebrønnhull fra et hovedbrønnhull

ved bruk av en ledekile for å avbøye et freseverktøy er nøyaktig vinkeloirentering av visse komponenter (ledekilen i dette tilfellet) kritisk.

En tidligere kjent låsbar motorsammenstilling beskrives i FR-A-2,332,412. Denne

tidligere kjente motorsammenstilling innbefatter et låse-element som er initielt festet,

ved hjelp av en skjærtapp, i forhold til en motorstator på et sted aksielt adskilt fra motorrotoren. Arrangementet er slik at rotoren kan rotere fritt i forhold til statoren. I

det tilfellet rotoren skal låses i forhold til statoren, blir en fallkule sluppet inn i motorsammenstillingen og mottatt på en skulder inne i et hull i låse-elementet.

Posisjonen til fallkulen inne i hullet i låse-elementet tillater en fluidstrømning inne i motorsammenstillingen å påføre tilstrekkelig kraft på låse-elementet til å skjære skjærtappen og bevege låse-elementet til inngrep med rotoren. Rotoren er dermed rotasjonsmessig festet i forhold til statoren. Den tidligere kjente motorsammenstillingen innbefatter ikke midler for å returnere låse-elementet til en posisjon hvor rotoren er fri til å rotere i forhold til statoren.

Enda en tidligere kjent motorsammenstilling er beskrevet i US-A-4,705,117. Denne tidligere kjente motoren innbefatter også en rotor som er låsbar i forhold til en stator ved hjelp av et låse-element. Under bruk av den tidligere kjente motoren er låse-elementet initielt plassert slik at det forhindrer rotasjon av rotoren i forhold til statoren. Låse- elementet er rotasjonsmessig festet i forhold til statoren, og festet til rotoren ved hjelp av et flertall skjærtapper. I det tilfellet at rotoren skal roteres i forhold til statoren, blir en fallkule sluppet inn i motorsammenstilling og mottatt av låse-elementet. Som en konsekvens blir gjennomgangene definert i låse-elementet lukket av fallkulen, som tillater en fluidstrømning inne i motorsammenstillingen å påføre tilstrekkelig kraft på låse-elementet til å skjære flertallet skjærtapper og bevege låse-elementet inn i en posisjon hvor både rotoren og låse-elementet kan rotere i forhold til statoren.

I henhold til den foreliggende oppfinnelse innbefatter en låsbar motorsammenstilling

for bruk i brønnhull: en stator; en rotor roterbart montert i statoren; et låse-element som er bevegelig aksielt av motoren mellom en første posisjon i hvilken låse-elementet er rotasjonsmessig fast med statoren og i inngrep med rotoren for å forhindre rotasjon av rotoren i forhold til statoren, og en andre posisjon i hvilken enten statoren eller rotoren er fri til å rotere i forhold til låse-elementet for å tillate relativ rotasjon mellom statoren og rotoren; holdemidler for å holde låse-elementet i den første posisjonen, og selektivt frigjørbare for å tillate låse-elementet å beveges til den andre posisjonen; og trykkfølsomme midler for å bevege låse-elementet mellom den første og andre t posisjonen; kjennetegnet ved at de trykkfølsomme midlene innbefatter et differensialarealstempel tilveiebragt av låse-elementet, hvor fluid som virker på en del av stemplet er forseglet fra fluid som virker på en annen del av stemplet.

Fortrinnsvis er låse-elementet i sin første posisjon rotasjonsmessig fast med rotoren, og

ved sin andre posisjon adskilt fra rotoren for å tillate rotasjon av rotoren i forhold til låse-elementet og statoren. Hvis motoren er av typen i hvilken rotoren ved bruk roterer om en fast akse (hvis den for eksempel er av skovltypen, turbintypen eller positiv-forskyvningstypen), har låse-elementet fortrinnsvis en ikke-sirkulær profil som, når låse-elementet er i den første posisjonen, kontakter en komplementær ikke-sirkulær profil tilveiebragt på rotoren. Den ikke-sirkulære profilen på låse-elementet har fortrinnsvis form av et fremspring som, når låse-elementet er i den første posisjonen, kontakter en komplementær forsenkning tilveiebragt i rotoren. Den ikke-sirkulære profilen er fortrinnsvis tilveiebragt av et flertall riller.

Hvis motoren er av PDM-typen, vil rotatoren ved bruk rotere om en akse som selv presesjonerer om en sirkulær bane. Under disse omstendighetene er det ikke strengt tatt nødvendig for låse-elementet og rotoren å ha komplementært sammengripende ikke-sirkulære profiler. Så lenge låse-elementet forhindrer presesjonsbevegelse av

rotoraksen, vil rotatoren være låst mot rotasjon. Låse-elementet og rotoren kan følgelig

ha gjensidig tilpassede profiler, eller gripe i hverandre på noen annen måte. Imidlertid, selv om motoren er av PDM-typen, kan rotoren bli låst ved bruk av gjensidig tilpassede ikke-sirkulære profiler på låse-elementet og rotoren.

Fortrinnsvis er midler som er følsomme for hydraulisk trykk inne i motorsammenstillingen tilveiebragt for å frigjøre holdemidlene når trykket inne i motorsammenstillingen når en forhåndsbestemt verdi. Fortrinnsvis innbefatter de trykkfølsomme midler et differensialarealstempel tilveiebragt av låse-elementet.

Fortrinnsvis innbefatter holdemidlene et eller flere skjærelementer, for eksempel en eller flere skjærtapper, eller en skjærring.

Fortrinnsvis er midler tilveiebragt for å bibeholde låse-elementet i den andre posisjonen etter at det har blitt forflyttet fra den første posisjonen til den andre posisjonen.

Fortrinnsvis inkluderer låse-elementet en gjennomgang som tilveiebringer fluidkommunikasjon fra den proksimale enden av motorsammenstillingen og til inngangen til motoren.

Fortrinnsvis, hvis motoren er av PDM-typen, vil rotoren til denne inkludere en gjennomgående passasje som, når låse-elementet er i sin første posisjon, kommunisere med den gjennomgående passasjen til låse-elementet for å tilveiebringe en fluidpassasje fra den proksimale enden av motorsammenstillingen og til den fjerntliggende enden av denne. Denne fluidpassasjen kan beleilig bli benyttet for å kommunisere fluidtrykk til en pakning, en forankring eller et annet verktøy som er koplet til motorsammenstillingen og plassert nedenfor motorsammenstillingen. Hvis motoren er av en type (for eksempel en skovltype) som tillater noe strømning gjennom motoren selv når rotoren er låst, trenger en gjennomgående passasje i rotoren ikke å være nødvendig for å tette en pakning eller forankring, men ikke desto mindre kan det være ønskelig siden det vil tillate fluid å bli pumpet gjennom motoren for å utføre hjelpefunksjonene nedenfor motoren, for eksempel borehodeavkjøling eller fjerning av borekaks.

Hvis en pakning eller en forankring er koplet til motoren, kan skjærmidlene være konstruert for å skjære ved et trykk som er høyere enn settingstrykket for pakningen eller forankringen, slik at en fullstendig sammenstilling som inkluderer motorsammenstillingen og pakningen/forankringen kan bli kjørt inn i et brønnhull, rotasjonsmessig orientert, pakningen/forankringen satt, og skjærmidlene skåret for å frigjøre motoren for rotasjon, alt på en enkelt tur. Fortrinnsvis vil en ledekile og en fres være plassert mellom motoren og pakningen/forankringen, slik at etter at pakningen/forankringen har blitt satt og låse-elementet har blitt beveget til den andre posisjonen for å frigjøre rotoren, kan motoren bli operert for å rotere fresen og danne et vindu i brønnforingen.

Fortrinnsvis er motoren en PDM-motor med retningsboringsmulighet.

Den foretrukne utførelsesformen av den foreliggende oppfinnelse tillater en sammenstilling av en eller flere pakninger og/eller forankringer, en ledekile, en eller flere freser og/eller borekroner, og en låst PDM-motor å bli kjørt inn i et brønnhull på en enkelt tur. Sammenstillingen kan bli rotert for å orientere ledekilen korrekt ved bruk av passende orienteringsteknikker. Trykket i rørstrengen kan så bli øket for sekvensielt å sette pakningen/forankringen(e) og bevege låse-elementet til sin andre posisjon for dermed å frigjøre PDM-motorrotoren for rotasjon. Fresen kan så bli skåret fra ledekilen og slamstrømmen øket for å aktivere motoren og påbegynne fresing. Følgelig kan en PDM-drevet ledekile-fressammenstilling bli kjørt inn i en brønn, orientert, satt, og aktivert til å frese et vindu i et foringsrør under en enkelt tur. Hvis lederfresen (lead mill) er av en passende type, for eksempel et PDC-borhode konstruert for formasjonsboring, kan sammenstillingen bli benyttet for å bore til den påkrevede dybden etter at den har brutt gjennom foringsrøret. Følgelig kan alle trinnene som er nødvendig for å bore en lateral bli utført under en enkelt tur.

De ovenfor nevnte, og ytterligere trekk og fordeler med den foreliggende oppfinnelse vil tydeliggjøres av den følgende beskrivelse av en foretrukket utførelsesform, gitt bare som et eksempel, med henvisning til de medfølgende tegninger, hvor: Figur 1 viser skjematisk i lengdesnitt den øvre delen av en låsbar motorsammenstilling i henhold til en foretrukket utførelsesform av den foreliggende oppfinnelse, hvilket låse-element er i sin første posisjon og låser rotoren til motoren mot rotasjon; Figurene 2 og 3 er detaljerte riss av deler av figur 1; Figurene 4 og 5 er tverrsnitt langs henholdsvis linjene A-A og B-B i figur 1; Figur 6 er et riss tilsvarende figur 1, men som viser låse-elementet i sin andre posisjon; og Figur 7 er et skjematisk splittriss av den nedre delen av motoren vist i figurene 1 og 6, som skjematisk viser et freseverktøy og den øvre enden av en ledekile for tilkopling til motorsammenstillingen.

Ved først å henvise til figurene 1-5, innbefatter den viste låsbare motorsammenstillingen 1 en motor med en stator 3 og en rotor 4. Statoren 3 er ved hjelp av en sammenstilling av overganger 5, 6, 7 koplet til en konvensjonell API-bokskonnektor 8, med hvilken motorsammenstillingen kan bli koplet til en borestreng eller kveilerør. Rotoren 4 er montert inne i statoren 3 med egnede lågere, inkludert lågere 9, og har i sin nedre ende en ytterligere bokskopling 10.

Motoren kan ha forseglede lågere, eller normalt åpne lågere. For den normalt åpne lagertypen kan det være ønskelig å tilveiebringe midlertidig forsegling av lagrene under pakning/forankringssetningsprosedyren. De midlertidige lagerforseglingene kan for eksempel være O-ringforseglinger som blir raskt ødelagt ved rotasjon av rotoren i forhold til statoren.

I den viste sammenstillingen er en borefres 11 en PDC-borekrone som er i stand til formasjonsboring, så vel som boring gjennom brønnforingen. Borekronen 11 er forbundet med rotorboksen 10 ved hjelp av en eller flere rørlengder (ikke vist).

Motoren er en PDM-motor, og er drevet ved hjelp av boreslam tilført sammenstillingen ved hjelp av borestrengen eller kveilerør.

Når den er kjørt inn i brønnen, blir rotoren 4 til motoren låst til statoren 3 ved hjelp av et låse-element 12. Låse-elementene inkluderer et utvendig rillet fremspring 13 som passer sammen med en innvendig rillet forsenkning 14 som er tilveiebragt i enden av rotoren. Låse-elementet er tilveiebragt med ytterligere utvendige riller 15 som kontakter gjensidig tilpassede riller 16 i en stabilisatorovergang 5 som selv er koplet til motorstatoren 3. Følgelig, når låse-elementet er i sin første posisjon, som vist i figur 1, kan ikke motorrotoren 4 rotere i forhold til motorstatoren 3.

Bruk av en stabilisatorovergang 5 er spesielt ønskelig når den fullstendige sammenstillingen vil bli benyttet for retningsboring. Imidlertid kan det være anvendelser av oppfinnelsen hvor en stabilisatorovergang ikke kreves, og under disse omstendighetene kan følgelig en slettkopling (slick) bli benyttet i stedet for en stabilisatorovergang.

Låse-elementet inkluderer en langsgående gjennomgang 17 som strekker seg langs hele lengden av dette, og i sin nedre (fjerntliggende) ende 18 kommuniserer med en langsgående gjennomgang 19 som strekker seg gjennom rotoren. Følgelig blir en fluidpassasje etablert gjennom verktøyet fra toppboksen 8 til bunnboksen 10. Denne fluidpassasjen kan bli benyttet for å kommunisere fluidtrykk til en anordning plassert nedenfor motoren, for eksempel en pakning eller en forankring plassert i bunnen av en ledekile 20. For dette formålet er en passasje tilveiebragt gjennom rørlengdene som kopler rotoren 4 til freseverktøyet 11, og en bøyelig koplingsslange 21 er koplet til en passende nippel 22 som er tilveiebragt på freseverktøyet. Når sammenstillingen blir kjørt ned i en brønn, kan fluidtrykket således bli påført for å sette en pakning plassert nedenfor ledekilen via slangen 21.

Det skal bemerkes at skjøten mellom fremspringet 13 og forsenkningen 14 ikke er hydraulisk forseglet. Følgelig vil fluidtrykk inne i passasjene 17 og 19 bli kommunisert til drivfluidinnløpet til motoren, som dermed sikrer hydraulisk trykkbalanse ovenfor og nedenfor statoren.

Når det er kjørt ned i brønnen, blir låse-elementet 12 bibeholdt i sin første posisjon av en skjærring 23 som inkluderer en første del 24 og en andre del 25 som er forbundet ved hjelp av en relativt tynn stav. Ringen er plassert slik at en oppoverkraft på låse-elementet vil bringe den første delen 24 av skjærringen til kontakt med skulderen tilveiebragt på overgangen 7, og vil bringe den andre delen 25 av skjærringen til kontakt med skulderen tilveiebragt på låse-elementet 12. Staven mellom den første og andre delen av skjærringen er skjør, og vil skjære når en forhåndsbestemt kraft blir påført låse-elementet i forhold til overgangen.

Funksjonen til skjærringen 23 er å holde låse-elementet i dens første posisjon inntil det er ønskelig å frigjøre motoren for rotasjon. Denne holdefunksjonen kan bli utført ved hjelp av andre midler enn skjærringen 23. Den kan for eksempel bli utført av en eller flere skjærtapper, eller av noe annet holde-element som er i stand til å holde låse-elementet i dets første posisjon inntil låse-elementet blir selektivt frigjort og beveget til sin andre posisjon.

For å generere en kraft på låse-elementet 12 for å skjære skjærringen 23, er et ringformet kammer 26 konstruert mellom overgangen 6 og låse-elementet 12. Det ringformede kammeret 26 er forbundet med utsiden av verktøyet av en passasje 27, slik at ringromstrykket består i det ringformede kammeret 26. Et ytterligere ringformet kammer 28 er tilveiebragt mellom låse-elementet 12 og overgangen 5, og er forbundet med den langsgående gjennomgående passasjen 17 til låse-elementet av en radiell passasje 29. Det ringformede kammeret 28 er avgrenset mellom tettinger 30, 31 plassert på låse-elementet. Følgelig, hvis trykket inne i den gjennomgående passasjen til låse-elementet overskrider trykket inne i ringrommet som omgir verktøyet, vil en kraft bli generert på låse-elementet 12 som streber etter å bevege det vekk fra motoren 2. Denne kraften vil bli motstått av skjærringen 23 inntil skjærkraften til skjærringen blir overskredet, hvoretter låse-elementet vil bevege seg raskt vekk fra motoren inntil dets bevegelse blir stoppet av en tapp 32 som er tilveiebragt på overgangen 6. Denne konfigurasjon av komponentene er vist i figur 6. Det skal bemerkes at det rillede fremspringet 13 til låse-elementet har beveget seg klar av den rillede forsenkningen 14 til rotoren, som dermed frigjør rotoren for rotasjon. Den gjennomgående passasjen 17 til låse-elementet er nå også plassert for å tilføre borefluid til motoren for operasjon av denne.

Fluidtrykket som er nødvendig for å skjære skjærringen 23 kan bli generert av et hydrostatisk trykk, for eksempel ved å konstruere skjærringen slik at skjærkraften som kreves for å skjære den er vesentlig høyere enn det hydrostatiske trykket som kreves for å sette pakningen. Under disse omstendighetene kan verktøyet bli kjørt inn i brønnen, orientert som nødvendig, og fluidtrykk påført verktøyet for å sette pakningen. Straks pakningen har blitt satt, og settingen bekreftet ved å påføre en vertikal belastning til pakningen, blir fluidtrykket øket inntil en tilstrekkelig hydraulisk kraft er generert på låse-elementet til å skjære skjærringen.

For å styre fluidmengden som strømmer gjennom passasjen 19 under operasjon av motoren, er en dyse 33 fortrinnsvis tilveiebragt. Dysen kan bli valgt til å ha en åpning 34 som tillater fluid å strømme gjennom dysen for å sette pakningen, men som begrenser fluidstrømningsraten straks rotoren har blitt frigjort, og motoren er i operasjon.

Fortrinnsvis er en sperrering 35 tilveiebragt for å holde låse-elementet 12 i sin andre posisjon, etterat det har beveget seg til sin andre posisjon etter skjæring av skjærringen 23. Sperreringen kan være en enkelt ring, eller kan innbefatte et flertall sperre-segmenter 36 holdt ved hjelp av fjærklemmer 37 rundt et sperretannområde 38, som er tilveiebragt på låse-elementet. Straks låse-elementet har beveget seg til posisjonen vist i figur 6, er det ute av stand til å bevege seg nedover så lenge sperreringen 35 er i operasjon. Følgelig er det ingen fare for at vibrasjon, fluidtrykk eller strømningsefekter vil få låse-elementet til å returnere til en posisjon hvor det kan kontakte motorrotoren.

Det skal bemerkes at straks motorsammenstillingen har blitt gjenvunnet, kan den enkelt bli tilbakestilt til den låste tilstanden vist i figur 1. For å oppnå dette, blir overgangen 7 adskilt fra overgange 6 for å tillate utbytting av skjærringen 23 med en ny skjærring. For å underlette sammenstilling er skjærringen fortrinnsvis delt i to eller flere deler. Rotoren blir så manuelt rotert til å innrette fremspringet 13 med forsenkningen 14, og låse-elementet 12 blir igjen koplet til rotoren. Overgangen 7 blir så byttet ut, og motorsammenstillingen er klar for gjenbruk.

Claims (13)

1. Låsbar motorsammenstilling (1) for bruk i et brønnhull, innbefattende: en stator (3); en rotor (4) roterbart montert i statoren (3); et låse-element (12) som er bevegelig aksielt av motoren (1) mellom en første posisjon i hvilken låse-elementet (12) er rotasjonsmessig fast med statoren (3) og i inngrep med rotoren (4) for å forhindre rotasjon av rotoren (4) i forhold til statoren (3), og en andre posisjon i hvilken enten statoren eller rotoren (4) er fri til å rotere i forhold til låse-elementet (12) for å tillate relativ rotasjon mellom statoren (3) og rotoren (4); holdemidler (23) for å holde låse-elementet (12) i den første posisjonen, og selektivt frigjørbare for å tillate låse-elementet (12) å beveges til den andre posisjonen; og trykkfølsomme midler for å bevege låse-elementet (12) mellom den første og andre posisjonen;karakterisert vedat de trykkfølsomme midlene innbefatter et differensialarealstempel tilveiebragt av låse-elementet (12), hvor fluid som virker på en del av stemplet er forseglet fra fluid som virker på en annen del av stemplet.

2. Låsbar motorsammenstilling i henhold til krav 1,karakterisert vedat låse-elementet (12) i sin første posisjon er rotasjonsmessig fast med rotoren, og i sin andre posisjon er adskilt fra rotoren (4) for å tillate rotasjon av rotoren (4) i forhold til låse-elementet (12) og statoren (3).

3. Låsbar motorsammenstilling i henhold til krav 1 eller 2,karakterisert vedat låse-elementet (12) har en ikke-sirkulær profil, som, når låse-elementet (12) er i den første posisjonen, kontakter en komplementær ikke-sirkulær profil tilveiebragt på rotoren (4).

4. Låsbar motorsammenstilling i henhold til krav 3,karakterisert vedat den ikke-sirkulære profilen på låse-elementet (12) er tilveiebragt av et fremspring som, når låse-elementet (12) er i den første posisjonen, kontakter en komplementær forsenkning som er tilveiebragt i rotoren (4).

5. Låsbar motorsammenstilling i henhold til et hvilket som helst av de foregående krav,karakterisert vedat midler (28) som er følsomme for hydraulisk trykk inne i motorsammenstillingen er tilveiebragt for å frigjøre holdemidler (23) når trykket inne i motorsammenstillingen når en forhåndsbestemt verdi.

6. Låsbar motorsammenstilling i henhold til et hvilket som helst av de foregående krav,karakterisert vedat midler (35) er tilveiebragt for å bibeholde låse-elementet (12) i den andre posisjonen etter at det har blitt forflyttet fra den første posisjonen til den andre posisjonen.

7. Låsbar motorsammenstilling i henhold til et hvilket som helst av de foregående krav,karakterisert vedat låse-elementet (12) inkluderer en gjennomgående passasje (17) som tilveiebringer fluidkommunikasjon fra den proksimale enden av motorsammenstillingen og til inngangen til motoren.

8. Låsbar motorsammenstilling i henhold til krav 7,karakterisert vedat rotoren (4) til motoren inkluderer en gjennomgående passasje (19) som, når låse-elementet (12) er i sin første posisjon, kommuniserer med den gjennomgående passasjen (17) i låse-elementet (12) for å tilveiebringe en fluidpassasje fra den proksimale enden av motorsammenstillingen og til den fjerntliggende enden av denne.

9. Låsbar motorsammenstilling i henhold til et hvilket som helst av de foregående krav,karakterisert vedat holdemidlene (23) er en eller flere skjærtapper eller skjærringer.

10. Låsbar motorsammenstilling i henhold til et hvilket som helst av de foregående krav,karakterisert vedat motoren er en PDM-motor.

11. Låsbar motorsarnmenstilling i henhold til et hvilket som helst av de foregående krav i kombinasjon med en hydraulisk tettbar pakning og/eller en forankring,karakterisert vedat holdemidlene (23) er frigjørbare ved hjelp av hydraulisk trykk, og hvor det hydrauliske trykket som kreves for å frigjøre holdemidlene (23) er større enn det hydrauliske trykket som kreves for å sette pakningen og/eller forankringen.

12. Kombinasjon i henhold til krav 11,karakterisert vedå inkludere en ledekile og en eller flere freser som er koplet til ledekilen, hvor kombinasjonen danner en en-kurssammenstilling som kan bli kjørt ned i en brønn, orientert, hvor pakningen og/eller ankeret kan bli satt, motoren frigjort, fresen frigjort fra ledekilen, og motoren operert for å frese et vindu i foringsrør som omgir ledekilen.

13. Kombinasjon i henhold til krav 12,karakterisert vedat den førende fresen er en PDC-borkrone som er i stand til formasjonsboring, hvor kombinasjonen kan bore en lateral under samme turen som fresing av et vindu i foringsrøret.