NO344886B1 - Dreiemoment-styringsanordning for en nedihulls boresammenstilling. - Google Patents

Description

DREIEMOMENT-STYRINGSANORDNING FOR EN NEDIHULLS BORESAMMENSTILLING

OPPFINNELSENS OMRÅDE

Denne oppfinnelse vedrører en dreiemoment-styringsanordning for en nedihulls boresammenstilling.

BAKGRUNN FOR OPPFINNELSEN

Ved boring etter olje og gass, er borkronen nede i hullet forbundet til overflateutstyr ved hjelp av en borestreng. Borestrengen er hul, hvorved borefluid eller slam kan pumpes ned borehullet hvor slammet smører borkronen og fører borkaks tilbake til overflaten. Slam og medrevet borkaks returnerer til overflaten langs utsiden av borestrengen, idet borestrengen er mindre enn diameteren av borehullet.

I noen boreapplikasjoner roteres borestrengen ved overflaten, og borestrengen overfører rotasjon til borkronen. I andre boreapplikasjoner anvendes en nedihullsmotor, så som en slammotor, som drives av det strømmende slammet, for å rotere borkronen. En nedihullsmotor kan brukes sammen med roterende eller ikke-roterende borestreng.

Overflateutstyr driver borkronen via borestrengen. I tillegg til dreiemoment som søker å rotere borkronen, er det også en matekraft for å føre borkronen frem inn i bergarten ved bunnen av borehullet. Matekraften blir typisk referert til som "vekt-på-borkronen" (engelsk: weight on bit).

Boreoperatøren vil typisk søke å maksimere vekten på borkronen, slik at boret går fremover gjennom bergarten så raskt som mulig. Det er imidlertid en øvre grense for vekt på borkronen, og maksimumsvekten avhenger av borkronens design og av borebetingelsene. Overskrides maksimumsvekten for den aktuelle borkronen og rådende borebetingelser, øker bevegelsesmotstanden på borkronen slik at den går langsommere eller stopper, dvs. at borkronen roterer langsommere, eller slutter å rotere i ekstreme tilfeller.

Hvis borkronen roterer langsommere enn borestrengen, eller langsommere enn utgangen av nedihullsmotoren, øker vridningen i borestrengen mens dreiemomentet øker som følge av at overflateutstyret (eller nedihullsmotoren) opprettholder den opprinnelige rotasjonshastigheten. Til slutt vil dreiemoment ved borkronen overskride rotasjonsmotstanden, og borkronen vil igjen begynne å rotere.

Et slikt fenomen hvor borkronen lugger (engelsk: stick slip), bekymrer boreoperatører. For det første kan borestrengen skades av den økte vridningen når borkronens rotasjonshastighet reduseres, eventuelt stopper. For det andre vil borkronen ofte rotere svært hurtig, og ukontrollert, mens dreiemomentet i den vridde borestrengen avlastes. Perioder med langsom rotasjon eller ikke-rotasjon av borkronen fulgt av raskt og ukontrollert rotasjon, vil ofte gjenta seg hvis de ikke motvirkes.

Boreoperatører søker å unngå lugging ved å redusere vekten på borkronen som reaksjon på at borkronens rotasjonshastighet avtar, for at borkronen raskt skal gjenvinne den ønskede rotasjonshastighet uten unødig vridning av borestrengen. Reduksjon i borkronens rotasjonshastighet kan detekteres direkte ved å måle rotasjonshastigheten til borkronen, eller (mer typisk) ved å måle tilført dreiemoment, idet dreiemomentet øker når rotasjonshastigheten avtar.

Det er kjent dreiemoment-styringsanordninger som automatisk reduserer vekten på borkronen hvis dreiemomentet på borkronen overskrider en viss terskel. En kjent løsning er beskrevet i WO 2004/090278 (Tomax). Dokumentet beskriver en ytre hylse forbundet med borestrengen og en indre aksel forbundet med borkronen. Den ytre hylsen og den indre akselen er koblet sammen med en skruegjenge. En forspent fjær skyver den indre akselen utover fra den ytre hylsen og i inngrep med et fast stopp på den ytre hylsen. Under normale boreoperasjoner driver hylsen den indre akselen til å rotere, og akselen driver i sin tur borkronen til å rotere med samme hastighet som borestrengen. Hvis rotasjonen av borkronen sakker eller stopper, øker imidlertid dreiemomentet på borkronen tilstrekkelig til å dreie hylsen i forhold til akselen og trykke sammen fjæren. Skruegjengen mellom den indre akselen og den ytre hylsen gjør at relativ dreining trekker den indre akselen innover i hylsen, hvorved borkronen trekkes bort fra bunnen av hullet for å redusere vekten på borkronen. Etter hvert som vekten på borkronen reduseres, nås en tilstand hvor borkronen kan gjenvinne rotasjonen. Fjæren skyver den indre akselen tilbake i stilling til inngrep med det faste stopp, og borkronen kan rotere raskere enn borestrengen mens dette pågår.

Tomax-arrangementet kan omfatte en oljedemper, dvs. at fjæren og samvirkende skruegjengede komponenter kan ligge i et oljereservoar som demper bevegelsen av den indre akselen i forhold til den ytre hylsen, for å hindre ukontrollert rotasjon av den indre hylsen og derfor borkronen.

En lignende løsning er kjent fra US-patent 7044240 (McNeilly), og også fra Tomax sitt nyere US-patent 7654344, hvor det anvendes en spiralfjær heller enn en skruegjenge til å koble sammen den ytre hylsen og den indre akselen.

De kjente dreiemoment-styringsanordningene er avhengige av trykkfjærer, og det vil forstås at kraften som tilveiebringes av fjærene, må overstige vekten på borkronen. Ved konstruksjon av verktøyene må beregninger ta hensyn til maksimumsvekten på borkronen, og når fjærkonstanten er bestemt, kan den ikke justeres. Ved boring etter olje og gass kan imidlertid typen av bergart som boret må passere gjennom, variere vesentlig under en boreoperasjon. Hvis fjærkraften settes for lavt, kan verktøyet redusere dreiemomentet selv om borkronen ikke kjører seg fast, dvs. at boreoperatøren kan ikke overskride vekten på borkronen som er bestemt av fjærkraften, selv om borebetingelsene er mer fordelaktige enn forventet, og borkronen ikke ville kjørt seg fast med en større vekt på borkronen. Hvis, på den annen side, fjærkraften er satt for høyt for de bestemte borebetingelser, kan borkronen gjennomgå betydelig lugging uten aktuering av dreiemoment-styringsanordningen.

Fra publikasjonene US 2001/0045300 (Fincher), US 3,978,930 (Schroeder) og US 2009/9277687 (Lee) er det kjent en fremdriftsenhet, «thruster», som er en nedihullsinnretning som påfører en kraft for å drive en roterende borkrone fremover. En slik fremdriftsenhet eller «thruster» omfatter en forankringsenhet konfigurert til å gå i inngrep med et borehull.

Fra publikasjonen US 2009/0173539 (Mock) er det kjent en nedihullsenhet innrettet for anti-stoppboreoperasjoner, hvor nedihullsenheten omfatter en borkrone, en drivmotor for å rotere borkronen, et rør for å tilføre borefluid til drivmotoren, og et anti-stopp-verktøy anbrakt mellom røret og drivmotoren for hydraulisk regulering av kraften som tilføres til borkronen under boreoperasjoner, for derved å hindre at borkronen stanser under belastning. Anti-stopp-verktøyet omfatter: et ytre hus, en indre kanal som forløper gjennom huset for å overføre borefluid fra røret til drivmotoren for å rotere borkronen, og en hydraulisk regulator inneholdt i det ytre huset.

Ytterligere systemer for relatert til nedihulls boreoperasjoner er kjent fra publikasjonene US 3,233,689 (Whittle) og US 4,047,853 (Huckaby).

SAMMENFATNING AV OPPFINNELSEN

Oppfinneren har innsett at det er nødvendig med en forbedret anordning for å redusere vekten på borkronen, og dermed redusere dreiemomentet på en borkrone, for derved å redusere sannsynligheten for, eller unngå, at borkronen lugger. En hensikt med oppfinnelsen er å tilveiebringe en anordning hvor dreiemomentet der reduksjon av vekt på borkronen inntrer, kan justeres nede i hullet for tilpasning til borebetingelsene.

I henhold til oppfinnelsen tilveiebringes det en dreiemoment-styringsanordning for en nedihulls boresammenstilling, hvor nedihulls boresammenstillingen omfatter en borkrone og tilhørende hovedkomponenter som er tilpasset til å rotere under boring, hvor dreiemoment-styringsanordningen er tilpasset til forbindelse til en borkrone og omfatter en ytre hylse og en indre aksel, hvor den ytre hylsen og den indre akselen er respektive deler av de tilhørende hovedkomponentene som er tilpasset til å rotere under boring, hvor den ytre hylsen er bevegelig i lengderetningen i forhold til den indre akselen, hvor dreiemoment-styringsanordningen har en sylinder, et stempel lokalisert inne i sylinderen, og en kontroller for å justere volumet i sylinderen, idet volumet til sylinderen er justerbart mens den ytre hylsen og den indre akselen roterer, idet nedihulls boresammenstillingen innbefatter en sensor for å måle én av:

i) dreiemomentet i en del av nedihulls boresammenstillingen, og

ii) rotasjonshastigheten for en del av nedihulls boresammenstillingen, hvor sensoren står i forbindelse med kontrolleren.

Den indre akselens posisjon (i retningen av lengdeaksen av dreiemomentstyringsanordningen) i forhold til den ytre hylsen, bestemmes av volumet i sylinderen, slik at kontrolleren styrer bevegelsen (i lengderetningen) av den indre akselen i forhold til den ytre hylsen. Kontrolleren har fortrinnsvis et minne hvor det er lagret en terskelverdi, idet kontrolleren bevirker at den indre akselen beveger seg i forhold til den ytre hylsen når terskelverdien nås eller overskrides. Det er ønskelig at kontrolleren kan justeres (fortrinnsvis nede i hullet) hvorved terskelverdien kan justeres til samsvar med borebetingelsene.

Som nevnt er kontrolleren forbundet til en dreiemoment-sensor tilpasset til å måle dreiemomentet i en del av nedihullssammenstillingen, hensiktsmessig i en del av nedihullssammenstillingen forbundet til borkronen. Alternativt er kontrolleren forbundet til en sensor, så som et akselerometer, som måler rotasjonshastigheten til borkronen (eller en del av nedihullssammenstillingen forbundet til borkronen), for dermed å detektere reduksjoner i borkronens rotasjonshastighet. Kontrolleren kan i noen utførelsesformer motta og sammenligne verdier fra to akselerometere, et lokalisert nær borkronen og et annet lokalisert i avstand fra borkronen. Lugging i borkronen kan detekteres ved forandringer i relative verdier fra de to akselerometerene.

Den indre akselen er fortrinnsvis forbundet til borestrengen og den ytre hylsen er fortrinnsvis forbundet til borkronen, men det vil forstås at orienteringen av disse komponenter kan reverseres uten å avvike fra oppfinnelsen.

Det er ønskelig at sylinderen er forbundet til den gjennomgående boringen slik at sylinderen kan fylles med borefluid. Borefluidet kan dermed være hydraulikkfluid i stempel- og sylinderarrangementet. I et slikt arrangement kan sylinderen også være åpen mot periferien av nedihullssammenstillingen, slik at borefluidet kan strømme ut av sylinderen og inn i ringrommet som omgir nedihullssammenstillingen, der borefluidet returnerer til overflaten. Slike arrangementer utnytter trykkdifferansen som opptrer mellom borefluidet i den gjennomgående boring (dvs. oppstrøms for borkronen) og i ringrommet (dvs. nedstrøms for borkronen).

Det er foretrukket at kontrolleren styrer en aktueringsventil for å regulere strømmen av borefluid inn i sylinderen. Innløpsporten mellom den gjennomgående boringen og sylinderen kan ha større tverrsnitt enn utløpsporten til periferien av nedihullssammenstillingen. Ved dette unngås behovet for en egen aktueringsventil til å regulere strømmen av borefluid fra sylinderen, idet den er anordnet slik at den større innløpsporten vil virke til å øke volumet i sylinderen når aktueringsventilen er åpen, og den (alltid åpne) utløpsporten vil tillate at borefluidet dreneres ut av sylinderen, for å redusere volumet i sylinderen, når aktueringsventilen er stengt.

Det er ønskelig at en returfjær er anordnet til å virke på stempelet og innrettet til å redusere volumet i sylinderen. Det er anordnet slik at når aktueringsventilen er stengt, er kraften fra returfjæren tilstrekkelig til å tvinge borefluid ut av sylinderen til det omgivende ringrom, for å redusere volumet i sylinderen og bevege den indre akselen i lengderetningen i forhold til den ytre hylsen.

I visse utførelsesformer kan terskelverdien til kontrolleren justeres under bruk. Det er kjent å kommunisere fra overflaten til et nedihullsverktøy, og det er også kjent å kommunisere ved hjelp av borefluidet. I "RipTide"-borerømmeren fra Weatherford Inc., blir radiofrekvens-identifikasjonsenheter (Radio Frequency Identification, RFID) injisert i borefluidet og sendt ned i hullet sammen med fluidet. Når RFID-enhetene passerer en styring i rømmeren, blir de avlest, og verdiene brukes til å justere statusen for rømmeren. Et lignende system kan brukes sammen med den foreliggende oppfinnelse, hvor kontrolleren er tilpasset til å reagere på meldinger som sendes ned i hullet, for eksempel ved hjelp av RFID-enheter, hvorved terskelverdien for aktuering av anordningen kan justeres under bruk. Det er derfor ikke nødvendig å trekke nedihullssammenstillingen ut for å justere terskelverdien, og hvis borebetingelsene blir mer (eller mindre) fordelaktige og større (eller mindre) vekt på borkronen kan tillates uten at det oppstår lugging, kan terskelverdien økes (eller minskes) i henhold til dette.

Det beskrives også visse utførelsesformer av den foreliggende oppfinnelse hvor man kan unngå kravet om sensorer som kommuniserer dreiemoment og/eller akselerasjon til kontrolleren. I slike utførelsesformer er kontrolleren i form av dreieventil, og tilførsel av borefluid inn i sylinderen styres av dreieventilen som automatisk beveges til en åpen posisjon (eller til en mer åpen posisjon), når dreiemomentet nede i nedihullssammenstillingen overstiger en forhåndsbestemt terskel.

Så lenge man har de enkleste utførelsesformer av den foreliggende oppfinnelse, bevirkes borefluidet til å strømme inn i og ut av sylinderen for å bestemme volumet i sylinderen, og i andre utførelsesformer brukes et lukket hydraulikksystem. I disse andre utførelsesformer blir volumet av sylinderen, og derfor posisjonen til den indre akselen i forhold til den ytre hylse, bestemt av et hydraulikkfluid som er isolert fra, og uavhengig av, borefluidet. Slike alternative utførelsesformer er mer mekanisk komplekse, men man unngår de mulige problemer som er forbundet med bruken av borefluid som hydraulikkfluidet. Den elektriske og hydrauliske effekt for et lukket hydraulikksystem kan tilveiebringes ved hjelp av en nedihullspumpe på kjent måte.

Oppfinnerne har også innsett at anordningen ifølge den foreliggende oppfinnelse kan brukes til andre nedihullsapplikasjoner hvor dreiemomentet som overføres til borkronen krever justering. En slik applikasjon er for eksempel i boreapplikasjoner som bruker en underrømmer. En underrømmer, så som den ovennevnte "RipTide"-borerømmer fra Weatherford Inc., bruker en rømmer så vel som en borkrone, idet rømmeren følger borkronen og utvider et borehull til større diameter langs valgte lengder av borehullet. Det er fordelaktig å balansere boredreiemomentet som er tilveiebrakt av borestrengen, mellom borkronen og rømmeren for å maksimere fremføringshastigheten for nedihullssammenstillingen. Den foreliggende oppfinnelse kan lokaliseres mellom rømmeren og borkronen i nedihullssammenstillingen for å styre dreiemomentet som overføres til borkronen, og dermed styre forholdet mellom borkronens og rømmerens dreiemoment.

KORT BESKRIVELSE AV FORETRUKNE UTFØRELSESFORMER

Oppfinnelsen vil nå bli beskrevet i nærmere detalj ved hjelp av eksempel og ledsagende skjematiske tegninger, hvor:

Fig. 1 viser et sideriss av et verktøy i henhold til foreliggende oppfinnelse, i en normal, ikke-aktuert, brukstilstand;

Fig. 2 viser et sideriss av verktøyet i fig. 1 i en aktuert tilstand;

Fig. 3 viser en representasjon av verktøyet ifølge foreliggende oppfinnelse lokalisert i en nedihullssammenstilling mellom en rømmer og en borkrone; og

Fig. 4 viser et sideriss av et verktøy i henhold til foreliggende forbedring.

DETALJERT BESKRIVELSE

I figurene angir henvisningstallet 10 en dreiemoment-styringsanordningen ifølge den foreliggende oppfinnelse, hvor den er vist som del av en nedihullssammenstilling 12 for å bore et borehull 14 inn i jorden 16. Lengdeaksen A-A i nedihullssammenstillingen 12 (som korresponderer til lengdeaksen i dreiemoment-styringsanordningen 10) er vist horisontal på fig. 1, men orienteringen er uviktig, og den foreliggende oppfinnelse kan brukes med lengdeaksen i enhver valgt vinkel.

Nedhullssammenstillingen 12 innbefatter en innvendig gjenget konnektor 20, ved hjelp av hvilken sammenstillingen kan forbindes til en lengde av borestreng (ikke vist) som er forbundet til overflaten. Alternativt kan konnektoren 20 være forbundet til en nedihullsmotor, så som en slammotor, eller til et nedihulls styringsverktøy, så som det som er vist i EP 1 024 245. Det vil imidlertid forstås at verktøyet om ønskelig kan være lokalisert opphulls for et styringsverktøy.

Konnektoren 20 er forbundet til en indre aksel 22, som har en gjennomgående boring 24 som borefluid kan strømme gjennom til borkronen 26, på kjent måte. Som ved kjente nedihullssammenstillinger, passerer borefluidet ut gjennom porter (ikke vist) i borkronen 26, og returnerer deretter til overflaten ved hjelp av ringrommet 30 som omgir nedihullssammenstillingen 12 og borestrengen.

Selv om det ikke er vist på tegningene, vil det forstås at dreiemoment-styringsanordningen 10 typisk vil innbefatte en flerhet av blader som er i inngrep med borehullet 14, og som tjener til å sentralisere dreiemoment-styringsanordningen 10 inne i borehullet 14. Nedihullssammenstillingen kan i praksis også innbefatte en stabilisator lokalisert mellom dreiemoment-styringsanordningen 10 og borkronen 26, og/eller mellom konnektoren 20 og borestrengen.

Borkronen 26 er forbundet (i utførelsesformen på fig. 1 og 2 direkte, men i andre utførelsesformer indirekte) til en ytre hylse 32 som omgir en del av den indre aksel 22. Minst ett sett av komplementære kiler og spor (engelsk spline) 34 kobler sammen den indre aksel 22 og den ytre hylse 32, slik at den indre aksel 22 kan forskyves i lengderetningen i forhold til den ytre hylse 32 uten å kunne rotere i forhold til den ytre hylse. Antall kiler/spor og deres plassering vil avhenge av dreiemomentet som skal overføres fra den indre akselen 22 til den ytre hylsen 32.

Under normale boreoperasjoner uten lugging, er dreiemoment-styringsanordningen 10 i tilstanden vist på fig. 1. Rotasjon av borestrengen (og/eller nedihullsmotoren) overføres til konnektoren 20, og ved hjelp av den indre akselen 22 og kilene/sporene 34, til den ytre hylsen 32 og borkronen 26.

Den gjennomgående boringen 24 har en port 36 som leder inn i et ventilkammer inne i et stempel 40, idet stempelet 40 omfatter en forstørrelse av den indre aksel 22. En aktueringsventil 42 som styres av en kontroller 44, er lokalisert i ventilkammeret i stempelet 40. Aktueringsventilen 42 styrer strømmen av borefluid fra den gjennomgående boring 24, gjennom porten 36 og inn i en sylinder 46. Sylinderen 46 har en utløpsport 50 som er åpen til periferien av anordningen 10, og derfor til ringrommet 30 som omgir nedihullssammenstillingen 12.

Det vil forstås at trykket i borefluidet inne i den gjennomgående boring 24 er betydelig høyere enn trykket i ringrommet 30, og differansen skyldes primært trykkfall over borkronen 26. Det er anordnet slik at innløpsporten 36 har et betydelig større areal enn utløpsporten 50, slik at strømningsraten fra boringen 24 inn i sylinderen 46 blir større enn strømningsraten ut av sylinderen 46 og utløpsporten 50 når aktueringsventilen 42 åpnes.

Hvis vekten på borkronen er for stor for de bestemte borebetingelser, vil rotasjonen av borkronen 26 sakke i forhold til rotasjon av konnektoren 20. I den foreliggende utførelsesform detekteres dette av en strekklapp 52 lokalisert på akselen 22. Det vil forstås at strekklappen 52 er tilstrekkelig sensitiv til å detektere svært små vinkelvridningsbevegelser av den indre aksel 22, forårsaket av små vinkelavvik av borkronen 26 i forhold til konnektoren 20, hvilket viser borkronens sakking og mulig begynnende lugging. Strekklappen 52 detekterer tøyningen i den indre aksel 22 og kommuniserer denne til kontrolleren 44. Kommunikasjonen er fortrinnsvis med ledninger (ikke vist), men formen av dataoverføringen er ikke kritisk for oppfinnelsen.

Kontrolleren 44 har et minne hvor det er lagret en høyterskel-tøyningsverdi, og som tøyningen målt av strekklappen 52 blir kontinuerlig eller gjentatte ganger sammenlignet med. Hvis sammenligningen ikke er kontinuerlig, er den tilstrekkelig hyppig til raskt å identifisere uakseptable økninger i den målte tøyningen. Høyterskeltøyningsverdien kan bestemmes med beregning eller eksperiment. Hvis den målte tøyningen overskrider høyterskel-tøyningsverdien, åpner kontrolleren aktueringsventilen 42 og tillater borefluid å strømme inn i sylinderen 46.

Som vist på fig. 2, når aktueringsventilen 42 er åpnet, strømmer borefluid inn i sylinderen 46 gjennom innløpssporten 36. Siden strømningsraten gjennom innløpsporten 36 forbi ventilen 42 og inn i sylinderen 46 er større enn strømningsraten ut av sylinderen gjennom utgangsporten 50, øker volumet i sylinderen 46. Stempelet 40 er fast i forhold til den indre akselen 22 og beveger seg ikke i forhold til den. Isteden, ettersom volumet i sylinderen 46 øker, beveger den ytre hylse 32 seg mot høyre slik det går fram av fig. 2 hvor borkronen 26 er vist i avstand fra bunnen av borehullet 14. I praksis kan den faktiske bevegelsen være svært liten, men kraften som trykker borkronen 26 i nedihullssammenstillingen mot enden av borehullet (dvs. vekten på borkronen), kan reduseres betraktelig.

Under denne inntrekkingsbevegelsen av den ytre hylsen 32, fortsetter konnektoren 20 å rotere, og ved et punkt vil dreiemomentet på borkronen 26 overstige friksjonsmotstanden mot rotasjonsbevegelse, og borkronen vil gjenoppta rotasjon (og vil vri tilbake enhver vridning som har blitt overført inn i borestrengen).

Etter hvert som borkronen 26 gjenopptar sin rotasjon, avtar tøyningen på den indre akselen 22, og det vil bli detektert av strekklappen 52. Minnet i kontrolleren 44 lagrer også en lavterskel-tøyningsverdi, idet lavterskel-tøyningsverdien er en valgt størrelse lavere enn høyterskel-tøyningsverdien, for å unngå "jaging". Når lavterskeltøyningsverdien er passert, stenger kontrolleren 44 aktueringsventilen 42.

I andre utførelsesformer lagrer kontrolleren 44 kun en enkelt terskel-tøyningsverdi, idet kontrolleren åpner ventilen 42 når den målte tøyningen overstiger denne verdien og stenger ventilen 42 når den målte tøyningen underskrider denne verdien.

Kontrolleren 44 kan om ønskelig sette aktueringsventilen 42 til en mellomliggende stilling hvor mengden av borefluid som strømmer inn i sylinderen 46 samsvarer nært med mengden av fluid som strømmer ut av sylinderen, og det kan anordnes slik at den mellomliggende stillingen opprettholdes for en forhåndsbestemt tidsperiode, kanskje noen få sekunder, slik at anordningen holdes i denne driftstilstanden (med volumet i sylinderen 46 hovedsakelig konstant).

Når aktueringsventilen 42 er stengt, virker trykkfjæren 54 til å drive borefluidet ut av sylinderen 46, gjennom utgangsporten 50, slik at verktøyet returnerer til tilstanden vist i fig. 1. Det er ønskelig at utgangsporten 50 er så liten at det tar flere sekunder (eksempelvis 2-3 sekunder) for anordningen å bevege seg fra tilstanden vist i fig. 2 til tilstanden vist i fig. 1, idet det foretrekkes at vekten på borkronen øker gradvis tilbake til ønsket nivå, i stedet for å øke brått.

Boreoperatøren ved overflaten vil bli klar over at dreiemoment-styringsanordningen 10 har blitt aktuert på grunn av trykkreduksjon i borefluidet ved åpning av aktueringsventilen 42. Boreoperatøren vil typisk reagere ved å redusere vekten på borkronen ved overflaten, for å unngå begynnende lugging. Operatøren kan sjekke at anordningen 10 ikke gjennomgår gjentatt aktuering og kan i så fall forsiktig øke vekten på borkronen tilbake til det ønskede nivå.

Siden aktuering av dreiemoment-styringsanordningen 10 ikke er avhengig av kraft som utøves av en fjær, kan boreoperatøren innstille maksimum vekt på borkronen for borebetingelsene. Fjæren 54 kan derfor lages tilstrekkelig sterk til å overskride den maksimum vekt på borkronen som overflateutstyret kan overføre (slik at fjæren 54 kan drive verktøyet fra tilstanden på fig. 2 til tilstanden på fig. 1 når aktueringsventilen 42 er stengt, uten hensyn til den faktiske vekt på borkronen. Det er ikke nødvendig å innstille fjærkraften avhengig av sannsynligheten for lugging, slik det er i Tomax og andre kjente arrangementer.

Boreoperatøren kan også justere høy- og lavterskel-tøyningsverdiene for aktueringsventilen nede i hullet, uten av det er nødvendig å trekke ut nedihullssammenstillingen. Spesifikt kan boreoperatøren ved overflaten kommunisere med verktøyet 10, og særlig med kontrolleren 44, mens verktøyet 10 er nede i hullet. Slik kommunikasjon kan utføres med hvilket som helst av de kjente midler for kommunikasjon med nedihullsverktøy, for eksempel med ledning, radiobølger, slampulsing eller RFID-enheter injisert i borefluidet. Således, hvis det bestemmes at terskelen for aktuering av ventilen 42 er innstilt for lav, slik at ventilen aktueres ved tøyningsnivåer som ikke vil resultere i skadelig lugging, kan høyterskel-tøyningsverdien økes uten å trekke verktøyet ut av borehullet. Boreoperatøren kan også fjernstyre dreiemomentstyringsanordningen 10 av og på, idet det i visse situasjoner kan være ønskelig å spare energi.

En alternativ utførelsesform av dreiemoment-styringsanordningen 110 er vist i fig. 4. Selv om det ikke er vist i fig. 4, vil nedihullssammenstillingen 112 også innbefatte en borkrone (kanskje lik borkronen 26 i utførelsesformen på fig. 1 og 2), som er fastgjort ved hjelp av en utvendig gjenget konnektor 56. Alternativt kan for eksempel en slammotor være lokalisert mellom borkronen og dreiemoment-styringsanordningen 110.

En konnektor 120 er forbundet til en øvre aksel 60, som har en gjennomgående boring 124 hvor borefluid kan strømme til borkronen (ikke vist), på kjent måte.

Konnektoren 56 er forbundet til en ytre hylse 132 som omgir en nedre aksel 122 og del av den øvre akselen 60. Minst ett sett av kiler og spor (engelsk spline) 134 kobler sammen den nedre akselen 122 og den ytre hylsen 132 slik at den nedre aksel 122 kan gli i lengderetningen i forhold til den ytre hylsen 132, men ikke kan rotere i forhold til den ytre hylsen. Som med utførelsesformen på fig. 1 og 2 vil antallet og plasseringen av kiler/spor avhenge av dreiemomentet som skal overføres fra den nedre akselen 122 til den ytre hylsen 132.

Den øvre akselen 60 er atskilt fra den nedre akselen 122, og fig. 4 viser et overdrevet gap 62 mellom de motstående ender av disse akslene. Den øvre akselen 60 har en forstørret ende som danner et stempel 140, slik som beskrevet nedenfor. En del av stempelet 140 omgir enden av den nedre akselen 122, og et sett aksiallagre 64 kobler sammen stempelet 140 og den nedre akselen 122. Aksiallagrene 64 tillater relativ rotasjon mellom stempelet 140 og den nedre akselen 122, men hindrer relativ bevegelse i lengderetningen. Det er derfor anordnet slik at stempelet 140 står fast på den øvre aksel 60, og kan rotere i forhold til den nedre aksel 122.

Den gjennomgående boringen 124 i den nedre akselen 122 har en port 136 som ligger innenfor området hvor den nedre akselen 122 er omgitt av stempelet 140. Stempelet har en kanal 66 som kan rettes inn med porten 136, hvorved borefluid kan passere fra den gjennomgående boringen 124 inn i en sylinder 146.

Sylinderen 146 har i denne utførelsesform en utløpskanal 150 som går gjennom stempelet 140 og leder inn i et fjærkammer 68. En utløpsport 70 er tilveiebrakt for fjærkammeret 68 og er åpen til periferien av nedihullssammenstillingen 112.

Det er anordnet slik at porten 136 og kanalen 66 har større tverrsnittsareal enn utløpskanalen 150, slik at når kanalen 66 er fullt ut innrettet med porten 136, strømmer borefluid inn i sylinderen 146 fra den gjennomgående boring 124 med større strømningsrate enn strømningsraten for fluid som strømmer ut av sylinderen 146 gjennom kanalen 150.

En fjær 72 er lokalisert inne i fjærkammeret 68. Én ende av fjæren 72 er lokalisert i en stempelfjærlomme 74, og den andre enden av fjæren er lokalisert i en hylsefjærlomme 76. Fjæren 72 virker primært som en torsjonsfjær, og søker å rotere stempelet 140 i forhold til hylsen 132. Siden hylsen 132 er ikke-roterbart forbundet til den nedre aksel 122 ved hjelp av kilene/sporene 134, virker fjæren 72 også til å rotere stempelet 140 i forhold til den nedre akselen 122. Det er anordnet slik at fjæren 72 er forspent til å bevege kanalen 66 ut av innretning med porten 136.

I normal operasjon er kanalen 66 således ute av innretning Celler i det minste ute av full innretning) med porten 136, slik at borefluid enten ikke kan strømme inn i sylinderen 146 i det hele tatt, eller maksimalt strømmer inn i sylinderen 146 med mindre strømningsrate enn strømningsraten ut av sylinderen via kanalen 150.

Volumet i sylinderen 146 blir derfor minimert, og hylsen 132 blir strukket ut (mot venstre i figur) til sin lengste utstrekning i forhold til den øvre akselen 60 og stempelet 140.

Hvis vekten på borkronen overstiger maksimum for borebetingelsene, vil rotasjonshastigheten for borkronen avta. Borkronen er forbundet til hylsen 132, slik at rotasjonshastigheten for hylsen, og dermed den nedre aksel 122 også reduseres. Borestrengen og derfor den øvre aksel 60 fortsetter imidlertid å rotere, slik at stempelet 140 dreies i forhold til den nedre akselen 122. Kanalen 66 og porten 136 vil dermed bli tvunget inn i større innretning, mot torsjonsforspenningen i fjæren 72, og kanskje til full innretning, som vist på fig. 4. Når de er innrettet på denne måte, vil strømningsraten for borefluid inn i sylinderen 146 overstige strømningsraten for fluid ut av sylinderen 146, slik at volumet i sylinderen 146 øker og hylsen 132 skyves mot høyre i figuren, noe som automatisk reduserer vekten på borkronen.

Ettersom vekten på borkronen reduseres øker rotasjonshastigheten for borkronen, og dreiemomentet nede i nedihullssammenstillingen 110 reduseres. Fjæren 72 kan da rotere kanalen 66 og porten 136 ut av innretning, og borefluid tappes ut av sylinderen 146.

Det vil derfor forstås at porten 136 og kanalen 66 virker som en dreieventil for automatisk regulering av volumet i sylinderen 146 ved å slippe borefluid (eller mer borefluid) inn i sylinderen når rotasjonshastigheten til borkronen faller under rotasjonshastigheten til borestrengen.

Fjæren 72 kan bestemme en terskelverdi for det dreiemoment som vil være påkrevet for å åpne dreieventilen. Det vil forstås at stempelet 140 må rotere kun noen få titalls grader for å bevege en fullstendig skjevinnstilt kanal 66 og port 136 inn i full innretning, og området for relativ rotasjon kan være avgrenset av stoppere (ikke vist). Dreiemoment-styringsinnretningen 110 kan sammenstilles med fjæren 72 under en valgt forspenning, dvs. at fjæren 72 under normale betingelser kan forspenne stempelet 140 mot en rotasjonsstopper.

Selv om den primære funksjon til fjæren 72 er å styre dreieventilen 66, 136, virker den også som en trykkfjær og assisterer bevegelsen av hylsen 132 (og derfor borkronen) mot venstre som vist i figur, når borefluidet dreneres fra sylinderen 146. Imidlertid, ulikt arrangementene ifølge kjent teknikk, setter ikke trykk-kraften fra fjæren 72 en øvre grense for vekten på borkronen.

I utførelsesformen vist i fig. 4 er den relative rotasjon av stempelet 140 og den nedre aksel 122 direkte avhengig av dreiemomentet påført på borkronen av borestrengen. I en ytterligere modifikasjon kan en sperrehake-mekanisme være anordnet mellom stempelet 140 og den nedre aksel 122, idet sperrehake-mekanismen tillater relativ rotasjon kun når et forhåndsbestemt terskel-dreiemoment har blitt overskredet. Med en slik modifikasjon vil åpningsbevegelsen av dreieventilen være mindre progressiv enn i utførelsesformen på fig. 4.

Det vil forstås at et lite gap er vist mellom den indre aksel 22 og den ytre hylse 32 på fig. 1 og 2, og på lignende vis mellom de indre aksler 60 og 122 og den ytre hylse 132 på fig. 4, av hensyn til klarheten. I praksis vil disse komponenter være i glidende inngrep, med egnede tetninger for sylinderen 46, 146, osv.

Figur 3 representerer skjematisk en annen nyttig applikasjon av dreiemomentstyringsanordningen 10, 110. I denne applikasjonen er dreiemoment-styringsanordningen 10, 110 lokalisert mellom borerøret 26 og et rømmingsverktøy 61. På kjent måte innbefatter rømmingsverktøyet 61 kuttende blader 62 som kan trekkes inn i kroppen til rømmingsverktøyet 61 når de ikke trengs (for eksempel under passasje gjennom et borehullsforingsrør), og deretter aktueres til sin utstrukne tilstand, som vist, ved en valgt lokalisering nede i hullet. Når de kuttende blader 62 er strukket ut, er både borkronen 26 og rømmingsverktøyet 61 i inngrep med respektive seksjoner av bergart. For å maksimere fremføringshastigheten for nedihullssammenstillingen, er det ønskelig å overføre en andel av dreiemomentet tilveiebrakt av borestrengen til borkronen 26, og en annen andel av dreiemomentet til rømmingsverktøyet 61, idet de faktiske andeler avhenger av borebetingelsene og tverrsnittsarealet av bergart som blir fjernet av de respektive komponenter. Verktøyet 10, 110 kan brukes til å redusere dreiemomentet som overføres til borkronen 26, og dermed å øke dreiemomentet som overføres til rømmingsverktøyet 61, idet de respektive andeler bestemmes av terskeltøyningsverdien som er innstilt for aktueringsventilen 42 i utførelsesformene på fig. 1 og 2, eller som er innstilt for dreieventilen 66, 136 i utførelsesformen på fig. 4. Hvis terskel-tøyningsverdien er innstilt korrekt, vil effektiviteten av nedihullssammenstillingen bli økt, dvs. at både borkronen 26 og rømmerbladene 62 vil bli drevet mot de respektive bergartsflater med en passende kraft, og fremføringen av nedihullssammenstillingen vil bli maksimert.

Dreiemoment-styringsanordningen 10, 110 forventes å ha sin største nytte når den brukes sammen med PDC-borkroner, men oppfinnelsen kan brukes sammen med andre borkronetyper, hvis det er ønskelig.

Claims (12)

Patentkrav

1. Dreiemoment-styringsanordning (10) for en nedihulls boresammenstilling (12), hvor nedihulls boresammenstillingen(12) omfatter en borkrone (26) og tilhørende hovedkomponenter som er tilpasset til å rotere under boring, hvor dreiemoment-styringsanordningen (10) er tilpasset til forbindelse med borkronen (26), karakterisert ved at dreiemoment-styringsanordningen (10) innbefatter en ytre hylse (32) og en indre aksel (22), den ytre hylsen (32) og den indre akselen (22) er respektive deler av de tilhørende hovedkomponentene som er tilpasset til å rotere under boring, den ytre hylsen (32) er bevegelig i lengderetningen i forhold til den indre akselen (22), dreiemoment-styringsanordningen (10) har en sylinder (46), et stempel (40) lokalisert inne i sylinderen, og en kontroller (44) for å justere volumet i sylinderen, idet volumet til sylinderen (46) er justerbart mens den ytre hylsen (32) og den indre akselen (22) roterer, idet nedihulls boresammenstillingen (12) innbefatter en sensor (52) for å måle én av:

i) dreiemomentet i en del av nedihulls boresammenstillingen (12), og ii) rotasjonshastigheten for en del av nedihulls boresammenstillingen (12), hvor sensoren (52) står i forbindelse med kontrolleren (44).

2. Dreiemoment-styringsanordning (10) som angitt i krav 1, hvor stempelet (40) er forbundet til den indre akselen (22), og sylinderen (46) er anordnet i den ytre hylsen (32).

3. Dreiemoment-styringsanordning (10) som angitt i krav 1, hvor forandringer i volumet i sylinderen (46) forårsaker at den ytre hylsen beveger seg i lengderetningen i forhold til den indre akselen.

4. Dreiemoment-styringsanordning (10) som angitt i et hvilket som helst av kravene 1-3, hvor kontrolleren (44) har et minne hvor det er lagret en terskelverdi, og hvor kontrolleren (44) bevirker at volumet i sylinderen (46) øker når terskelverdien overskrides.

5. Dreiemoment-styringsanordning (10) som angitt i krav 4, hvor terskelverdien kan justeres under bruk.

6. Dreiemoment-styringsanordning (10) som angitt i et hvilket som helst av kravene 1-5, hvor sylinderen (46) er fylt med borefluid i bruk.

7. Dreiemoment-styringsanordning (10) som angitt i krav 6, hvor dreiemomentstyringsanordningen har en gjennomgående boring (24) for å føre borefluid til borkronen (26).

8. Dreiemoment-styringsanordning (10) som angitt i krav 7, hvor den gjennomgående boringen (24) er lokalisert i den indre akselen (22).

9. Dreiemoment-styringsanordning (10) som angitt i krav 7 eller krav 8, med en fluidinnløpssport (36) mellom den gjennomgående boringen (24) og sylinderen (46), og en aktueringsventil (42) som styrer strømmen av borefluid gjennom fluidinnløpsporten (36).

10. Dreiemoment-styringsanordning (10) som angitt i krav 9, hvor aktueringsventilen (46) er lokalisert i stempelet (40).

11. Dreiemoment-styringsanordning (10) som angitt i krav 9 eller krav 10, hvor sylinderen (46) har en utløpsport (50) hvor borefluid kan strømme ut av sylinderen, hvor utløpsporten (50) er permanent åpen, hvor utløpsporten (50) har et tverrsnittsareal og fluidinnløpssporten (36) har et tverrsnittsareal, og hvor tverrsnittsarealet til utløpsporten (50) er mindre enn tverrsnittsarealet til fluidinnløpsporten (36).

12. Dreiemoment-styringsanordning (10) som angitt i et hvilket som helst av kravene 1-11, hvor det er anordnet en returfjær (54) som virker slik at den reduserer volumet i sylinderen (46).