NO318987B1 - Borkroneenhet og anordning - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører borkroneenheter for boring, kjernetaging eller fjerning av materiale fra en geologisk underjordisk formasjon.

Slike borkroner har skjær som er enten stivt montert på borkronekroppen eller på en forlengelse av denne, eksempelvis vinger eller pigger i kroppen, eller kan være montert på rullekjegler som kan rotere om aksler som er fast festet på borkronekroppen. På den siden av borkronen som vanligvis vender fra skjærene, har slike borkroner en konnektor, vanligvis gjenget, som muliggjør en stiv forbindelse mellom borkronen og nede i hullet-utstyret og derved med borestrengen. Ved bruk roterer borkronen og beveges opp og ned. Borkronen vil etter hvert slites ut eller få et tidlig brudd.

Utbyttingen av en borkrone medfører store kostnader i forbindelse med tapt tid så vel som kostnader for det nye fysiske utstyr. Problemet med borkronebrekkasje er derfor et meget vesentlig problem innenfor boreindustrien.

Når det gjelder diamantbesatte borkroner for skjæring eller skraping, eksempelvis med diamantbesatte tapper eller flater, særlig polydiamantkrystall (PDC), kan diamantskjæret brytes eller løsne. Én årsak til brekkasjen for PDC-borkroner er borkronens vibrasjon på enden av den meget lange borestreng. Vibrasjonen skyldes blant annet interaksjon mellom borkrone og formasjon, eller mellom borestrengen og borehullet, og bevirker bevegelser av borkronen som ikke er konsentriske eller har jevn hastighet, slik at det oppstår glidning-stopp, borkronespinn og borkronehopping.

Det har vært foreslått og benyttet antispinn-borkroner hvor skjærene ikke er jevnt fordelt rundt borkronen. På minst ett sted er det istedenfor et skjær anordnet en friksjonsløs pute, hvis virkning er at den ved kontakt med berget vil medføre at borkronen glir over bergflaten istedenfor å gå til inngrep med denne. Selv om antispinn-borkroner i noen tilfeller har muliggjort at man med PDC-borkroner kan bore i hardere formasjoner, har de vært mindre suksessfulle i sterkt blandede formasjoner, eksempelvis ved boring gjennom berg med variabel eller ulik hardhet, noe som resulterer i vibrasjon av borkronen. Dette problem er særlig aktuelt i prøvebrønner hvor man ikke har nøyaktig kjennskap til bergets natur og lokaliseringen av grensesjiktene. Fordi skjærene er i kontakt med ulike bergtyper, kan den resulterende sidekraft på borkronen ikke lenger holdes innenfor lavfriksjonsputene, slik at lavfriksjonsputene på antispinn-innretningene mister sin virkning. Man får derfor vibrasjon, et eksentrisk hull og brekkasje/løsbryting av skjærene.

Det er kjent borestrenger for drift av borkroner som har roterende drivoverføringsavsnitt som kan beveges i forhold til hverandre ut fra en aksialt innrettet stilling for å mulig-gjøre entring og boring av horisontale brønnavsnitt, gjennom et kraftig krummet hull, noe som ville kreve for sterk bøying av en konvensjonell stiv borestreng. Dette kan eksempelvis oppnås ved å ha drivledd mellom to avsnitt eller mellom den nedre enden av borestrengen og borkronen, eller ved å ha veggavsnitt som lett kan deformeres for tilpassing til vinkelendringer i boreretningen. Da hensikten med slikt utstyr er å kunne mestre sterke hull-krumninger, er selve borkronen i seg selv stiv, i samsvar med konvensjonell borkroneteknikk.

EP-A-0 225 101 tar tak i overhetingsproblemet ved borkroner som skyldes for stor vektbelastning på borkronen under boringen eller en plutselig overbelastning. Overhetingen kan reduseres ved at det er tilveiebrakt en borkronekropp som har minst to relativt bevegbare strukturer som hver bærer skjærelementer. De to strukturene er relativt bevegbare mellom to grensestillinger for derved å tillate en formendring av borkronen når det måtte være nødvendig. I noen utførelser kan det være anordnet ettergivende midler for opptak av relativ bevegelse mellom strukturene i en aksial-og/eller rotasjonsretning. Det sies imidlertid intet i denne publikasjon hva angår bruk av midler som tillater vipping eller relativ sideveis bevegelse av de to relativt bevegbare strukturer i borkroneenheten i EP-A-0 225 101.

En første hensikt med foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe midler som er inkorporert i eller er beregnet for inkorporering i selve borkronen, for derved å muliggjøre at borkronen kan arbeide på en dynamisk mer stabil måte og kan benyttes for boring av et mindre eksentrisk hull over en lengre periode uten brekkasje eller løsbryting av skjær, eller brekkasje av selve borkronen.

Nok en hensikt med oppfinnelsen er å tilveiebringe en forbedret underenhet for bruk i et rotasjonsdrivsystem for en borkrone, hvilken underenhet også muliggjør en dynamisk mer stabil operasjon av borkronen.

En ytterligere hensikt med oppfinnelsen er å tilveiebringe en anordning for simulering av boring for derved å kunne fastslå optimale boreparametere.

Det nye og særegne ved foreliggende oppfinnelse fremgår av kravene 1 til 37.

Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer en anordning for en borkrone, som egner seg for bruk ved boring, kjernetaging eller fjerning av materiale fra en geologisk underjordisk formasjon, hvilken anordning innbefatter et første element for direkte eller indirekte fastgjøring til en borestreng og et andre element som bærer eller utgjør i det minste ett middel for boring, hvilket første element har et dreiemoment- og vektoverførende forhold til det andre element, kjennetegnet ved midler som tillater vipping eller sideveis bevegelse av det første element i forhold til det andre element.

I noen utførelsesformer kan anordningen være i form av en underenhet for inkorporering i borkronen.

I andre utførelsesformer kan det første element utgjøre borkronens tange, og det andre element kan bære i det minste ett middel for boring.

Midlene som tillater relativ vipping eller sideveis bevegelse av de første og andre elementer, kan innbefatte elastisk eller ettergivende deformerbare midler og kan tillate slike relative bevegelser fritt i alle retninger.

I noen utførelser ifølge oppfinnelsen kan det forefinnes midler for å holde de første og andre elementer sammen og for å overføre dreiemoment og vekt fra det første til det andre element.

Det første element og det andre element kan ha et vilkårlig tverrsnitt, eksempelvis kvadratisk, rektangulært, heksagonalt eller en annen polygonal form, men er fortrinnsvis avrundet, eksempelvis elliptisk, og har særlig et i hovedsak sirkulært tverrsnitt. Elementene kan ha en diameter i området 13 til 762 mm, eksempelvis 102 til 445 mm. Det første element kan være den del av borkronen som er forbundet med nede i hullet-utstyret og derved er forbundet med borestrengen, idet forbindelsen til nede i hullet-utstyret kan skje direkte eller via en motor. Forbindelsen skjer fortrinnsvis ved hjelp av gjenger på henholdsvis det første element og nede i hullet-utstyret, særlig hanngjenger på det første element som har samvirke med en gjengemuffe i nede i hullet-utstyret. Det første og andre element er fortrinnsvis av metall så som stål, eller loddelegeringer, eller wolframkarbid, og kan være smalere eller tykkere enn det borerør som utgjør forbindelsen til rotasjonsmidlene i boreriggen. Både det første og det andre element kan være massivt, men vil vanligvis være hult eller ha en passasje parallell med eller langs lengdeaksen. Særlig gjelder at begge kan ha en passasje som samvirker for å tillate en strøm av borefluid fra borestrengen gjennom elementene og mot boremidlene, idet særlig det andre element kan ha ett eller flere overflatehull eller -dyser for utsending av

dette fluidum.

Det andre element kan være av samme ståltype eller et annet ferrometall som det første element, eller kan være av et matrisemateriale og kan være støpt direkte i den ønskede form. Det andre element kan være boremidlene. Borkroneprofilen kan være rektangulær, eksempelvis flat, etler krummet, eksempelvis halvsfærisk eller enkelt- eller dobbeltparabolsk.

Det andre element kan være den del av borkronen hvor boremidlene er montert. Boremidlene kan være midler for kompresjonsfrakturering av det materiale som bores og/eller for skraping, sliting eller skjæring av dette materiale. Blant egnede boremidler finner man rullekjegler og skjær så som PDC-skjær. For enkelhets skyld skal boremidlene heretter være eksemplifisert av et skjær, selv om lignende tiltak også gjelder for andre boremidler (med mindre det er uttrykkelig sagt noe annet). Skjærene kan være anordnet jevnt eller ujevnt over overflaten på den siden som vender fra det første element. Den nevnte side av det andre element hvorpå skjærene er montert, kan være konveks istedenfor konkav, eller kan ha fremspring. Slike fremspring kan være en integrert del av det andre element, i hvilket tilfelle de vanligvis ville være i form av vinger, eller det kan dreie seg om roterbare rullekjegler. Fremspringene kan være anordnet radielt og rett, eller radielt og krummet i planriss, eller i andre mønstre. Hvert skjær- eller kontaktpunkt for boremidlene er fortrinnsvis av et hardmetall, f.eks. wolframkarbid eller wolfram-karbid armert med diamant eller PDC-elementer (wafer). PDC-elementene kan ha en tykkelse opptil 3 mm, eksempelvis 0,5 til 2,5 mm, mens en tapp som bærer et slikt element båret av det harde materiale kan ha en diameter på fra 10 til 50 mm, eksempelvis 15 til 25 mm. Det nevnte skjær- eller kontaktpunkt kan være direkte eller indirekte (bruk av en tapp), stivt eller fleksibelt montert på den nevnte overflate på det andre element. Når det benyttes en tapp eller lignende, kan denne være av wolframkarbid som vanlig. Den ytre wafer-kant er skjærkanten og kan strekke seg langs én eller alle sider av tappen. Når en av skjærorienteringene krever fastholding, kan det forefinnes en låseanordning som sikrer bare denne orientering, eller tappen kan være preformet slik at denne orientering vil være sikret, eksempelvis som følge av et elliptisk tverrsnitt.

Det første element roteres ved hjelp av borerøret og vil i sin tur rotere det andre element, idet dreiemomentet overføres fra det første til det andre element. En og samme komponent i enheten kan utgjøre både holde- og dreiemomentoverføringsmidlet, eller det kan benyttes separate komponenter. Denne komponent kan således eksempelvis låse det første element til det andre element mot relativ bevegelse i enhver retning, og vil således utgjøre holdemidlet, samtidig som det muliggjør dreiemomentoverføringen, med samtidig mulighet for vipping av skjærene i forhold til det andre element. I denne utførelsesform kan om så ønskes de første og andre elementer være integrerte. Alternativt kan denne komponent låse de første og andre elementer mot relativ bevegelse i aksialretningen, men tillate relativ bevegelse i en vinkelretning (dvs. vridning), i hvilket tilfelle det kreves en separat dreiemomentoverføring. Holdemidlet holder de første og andre elementer sammen og overfører vanligvis vekten fra borestrengen til det andre element, for dermed å få vekt på borkronen. Over-føringsmidlene kan innbefatte minst ett avlangt element, f.eks. en pinne eller en bolt som strekker seg gjennom det andre element for samvirke med minst ett spor eller en spalte i det første element. Om nødvendig kan plasseringen av pinnen og sporet/spalten i det første og andre element reverseres. Overføringsmidlene kan også innbefatte et samvirkende par av en radiell forlengelse eller forlengelser, eksempelvis med stjerne-eller tannhjulsform, og korresponderende spor eller utsparinger på de første og andre elementer. Ved bruk av et slikt samvirkende par holdes de første og andre elementer fortrinnsvis sammen ved hjelp av en gjenget låsering, som samvirker med gjenger på det andre element, eksempelvis innvendige gjenger, og ligger an mot minst ett korresponderende fremspring eller en utdragende rygg på det første element. Andre korresponderende par av samvirkende komponenter på første og andre elementer kan benyttes, eksempelvis veiv- eller polygonalformede komponenter og utsparinger egnet til å gi dreiemomentoverføring.

Midlene som muliggjør vipping, kan være i relasjon til de første og andre elementer, med boremidlene fiksert relativt det sistnevnte, og i så tilfelle kan boremidlene være skjær eller koniske ruller. Fortrinnsvis er midlene som tillater vipping plassert mellom de første og andre elementer. Vippemidlene kan være i relasjon til det andre element og skjæret, med det første element fiksert relativt det andre element, og i dette tilfelle er boremidlene fortrinnsvis skjær og ikke koniske ruller. Fortrinnsvis ligger vippemidlene mellom det andre element og skjærene. Midlene som tillater vipping, kan også være plassert mellom samtlige tre komponenter, dvs. mellom de første og andre elementer og skjærene. Vippevinkelen kan være opptil 15°, eksempelvis mellom 1 og 15°, fortrinnsvis 4 til 10°.

Graden av mulig vipping mellom første og andre element, eller mellom det andre element og skjæret, kan være begrenset av innbyrdes kontakt mellom komponentene, men fortrinnsvis begrenses vippingen før slik kontakt ved hjelp av vippebegrensningsmidler. Disse kan muliggjøre en viss fri vipping når utstyret er i sin hviletilstand (ingen last påsatt), så vel som når utstyret er i bruk, men fortrinnsvis er vip-pebegrensningsmidlet et medium som gir en viss stivhet (motstand) mot vippebevegelsen, idet denne stivhet er mindre enn stivheten i det første eller andre element.

Det første og andre element, eller det andre element og skjæret, kan være i stand til å utføre små sideveis bevegelser eller tverrbevegelser i forhold til hverandre, eksempelvis en sideveis bevegelse mellom første og andre element på mindre enn 5 hundredeler av borkronediameteren. Således kan rotasjonsaksen til det andre element kunne utføre en sidebevegelse i forhold til det første element, så vel som eller istedenfor vippebevegelsen når det første og andre element er vippbare. Det vil også kunne forekomme en viss aksial bevegelse av det første og andre element, men bare i forbindelse med sidebevegelse eller vippebevegelse. I denne tekst beskrives det vippetrekk og utstyr egnet for oppnåelse av en slik vippebevegelse, men de samme generelle prinsipper gjelder like godt med hensyn til sidebevegelsestrekkene. Fortrinnsvis vil midlene som muliggjør vipping, være til stede i utstyr ifølge oppfinnelsen, idet man etter valg kan ha midler som muliggjør sideveis bevegelse.

I noen utførelsesformer av oppfinnelsen kan det andre element være vippbart i forhold til det første element for derved å tillate en viss svingebevegelse, men ingen aksialbevegelse. Det første og andre element er innbyrdes avstandsplassert, men sammenholdt, og fortrinnsvis begrenses vippegraden av vippebegrensningsmidler, som fortrinnsvis forefinnes i rommet mellom elementene. Vippebegrensningsmidlene kan være i form av minst ett elastomert avstandselement, eksempelvis med jevn eller ujevn tykkelse, så som minst 0,2 mm eller 0,3 mm eller 1 mm, så som 0,2 til 5 mm eller 1 til 3 mm for begrensning av vipping og 0 til 0,5 mm, eksempelvis 0,1 til 0,3 mm for begrensning av dreiemoment. Økende borkronediametere muliggjør tykkere vippebegrensningsmidler, eksempelvis opptil 10 mm.

Avstandselementet er vanligvis slik at det første element kan vippe i forhold til det andre element mot motstanden til det elastomere avstandselement. Dette gjelder generelt uavhengig av hvordan dreiemomentoverføringsmidlene er, eksempelvis som beskrevet foran. Avstandselementet kan strekke seg aksialt (dvs. parallelt med borkronens lengdeakse) når dreiemomentoverføringsmidlene også innbefatter midler for holding av det første og andre element sammen, men kan gå radielt (dvs. normalt på borkronens lengdeakse) når dreiemomentoverføringsmidlene ikke holder elementene sammen. Når eksempelvis en låsering kreves, som beskrevet foran, strekker avstandselementet seg fortrinnsvis både aksialt og radielt. Når vippebegrensningsmidlene tillater vipping i ubelastet tilstand, foreligger det et gap mellom avstandselementet og minst ett av elementene. Imidlertid tillater midlene fortrinnsvis i hovedsak ingen vipping i hviletilstanden, slik at avstandselementet har kontakt med begge elementer, men muliggjør en vippefrihet når utstyret er i bruk, eksempelvis som følge av kompressibiliteten til avstandselementet, slik at de to elementene er svingbare i bruk under belastning.

De første og andre elementer kan hvert ha en avlang gjennomgående kanal. Disse to kanaler samvirker for å muliggjøre en strøm av borefluid. Dersom det er ønskelig at man ikke har noen lekkasje av fluid i gapet mellom elementene, så kan fortrinnsvis et fleksibelt rør, eksempelvis et armert rør av plastmateriale, gå mellom kanalene for derved å tilveiebringe den ønskede fluidumpassasje. Ellers kan gapet innbefatte tetningsmidler, som også kan være det elastomere avstandselement.

I andre utførelsesformer av oppfinnelsen kan minst ett skjær utgjøre det andre element, og spesielt gjelder at samtlige skjær kan være vippbare i forhold til det første element, som eksempelvis utgjøres av borkronen. Skjæret kan være festet til det første element ved hjelp av en elastomer som også utgjør avstandselementet. Skjæret kan være montert på en tapp som befinner seg i et hull eller en fatning i det første element, og kan være festet dertil med et bindemiddellag for å hindre at tappen går ut av hullet eller fatningen og for å tilveiebringe vippemuligheten. Det kan også benyttes andre begrensningsmidler. Slike begrensningsmidler innbefatter samvirkende kombinasjoner av spor og rygger eller fremspring eller andre bæreflater på tappen og i hullet/fatningen, med eventuell bruk av minst én kule og/eller fjær, eller en elastomer tappfanger, eller hullet eller fatningen kan ha et utover avsmalnende tverrsnitt (særlig i kombinasjon med tappfangeren). I relasjon til bruk av de andre begrensningsmidler kan det også benyttes minst ett elastomert avstandselement, eksempelvis en O-ring, som kan være friksjonstilpasset på tappen eller i hullet eller fatningen, eller i det minste delvis kan være opptatt i spor på tappen eller i hullet eller fatningen. Om så ønskes kan hullet eller fatningen ikke være utformet eksempelvis ved utboring i det første element, men kan være formet eksempelvis ved støping av et matrisemateriale for dannelse av en hylse for innføring i et på forhånd til formet hull i det første element. Avstandselementet kan da plasseres i hullet/fatningen med tappen, og det hele (dvs. hylsen med avstandselement og tapp) kan så stikkes inn i det første element.

Avstandselementet kan være elastomert. Det kan være formet in situ av et flytende herdemateriale som herder til en elastomer, så som en epoksy- eller polyuretanharpiks. Komponentene på begge sider av avstandselementet kan være forbundne med hverandre mekanisk eller være plassert i ønsket stilling relativt hverandre, hvoretter væsken helles i, idet man eventuelt kan bryte en plugg for en sentral passasje i det første og andre element og/eller en kant eller et trau på utsiden av de to elementer for å lette overføringen av væske inn i rommet mellom de to elementene. Hva angår skjæret, så kan væske helles inn i hullet eller fatningen, hvoretter skjæret eller tappen som bærer skjæret innføres i det ennå ikke herdede materiale. Væsken kan innføres under atmosfæretrykk, eller et høyere eller lavere trykk, for oppnåelse av en forspent tilstand i skjøten, for derved å øke motstandsstyrken for høye belastninger. Væsken polymeriserer ved romtemperatur, eller en høyere temperatur om så ønskes eller krevet, slik at det dannes en elastomer, vanligvis med en kompresjonsmodul som vil være opptil 1000 ganger, eksempelvis 100 til 1000 ganger, lavere enn den materialet i borkronekroppen har. En typisk verdi kan være mellom 0,1 og 10 x 10^ Nm"<2>.

Mer enn én elastomer kan benyttes på ulike steder i avstandselementet om så ønskes, særlig en med ulike egenskaper, eksempelvis ulik modul eller adhesiv-/tetningsegenskaper. I så tilfelle helles væskene og herdes in situ i sekvens.

Elastomeren kan også være preformet, særlig for bruk i rommet mellom det første og andre element, eller eksempelvis som tappfanger. De preformede legemer kan være i form av ringer, firkanter eller mansjetter, eller det kan dreie seg om andre legemer med kompleks geometri. For bruk i forbindelse med tappene er de fortrinnsvis i form av O-ringer. Det preformede elastomere materiale kan være fylt med et massivt additiv, eksempelvis aluminiumoksid, og kan ligge i samme kompresjonsmodulområde som nevnt foran. Eksempler her er epoksyharpiks, naturlig gummi, tetrafluoretylenpolymerer, eksempelvis "TEFLON"-polymerer, "ERTALON", polyuretan- og gummielastomerer så som styren-, butadien- og neoprengummi så vel som hydrogenerte nitriler eller standard nitrilgummier. Bruk av de preformede elastomere avstandselementer reduserer byggetiden idet man unngår polymeriseringstiden, og gir også mulighet for vedlikehold, reparasjon eller gjentatt anvendelse av avstandselementet.

Fortrinnsvis har elastomeren en Shore A-hardhet på minst 80 for å redusere utpressing under belastning, og en kompresjonsmodul som er 0,1 eller mindre, eksempelvis 0,01 eller mindre, så som 0,001 til 0,1 av kompresjonsmodulen for stål.

Elastomeren kan benyttes som sådan som avstandselement, eller kan være i form av et laglegeme med minst ett elastomerlag, eksempelvis 1 til 4 lag, og minst ett metallag, eksempelvis 2 til 5 lag. Om ønskelig kan lagene være sammenblandet. I tilfelle av mansjetter eller andre preformede legemer kan elastomeren hindres i utpressing ved anvendelse av en metallramme.

Istedenfor et elastomert avstandselement som begrenser vippingen i utstyret, kan det benyttes andre materialer for oppnåelse av samme formål, eksempelvis tilformede fjærer så som trykk-skrufjærer, tallerkenfjær eller hule fjærer eller fjærer som er kombinert med en demper. Andre former for vippebegrensningsmekanismer kan innbefatte et hult elastisk legeme, eksempelvis en hul sylinder så som et toroidalt metal-lisk legeme, eller kan innbefatte et legeme, eksempelvis et elastisk legeme, beregnet til å inneholde et komprimerbart fluidum, eksempelvis en gass så som luft eller en inertgass. Det tomme legeme kan legges i det minste delvis inn i rommet mellom det første og andre element (eller mellom det andre element og skjæret) og kan så fylles med fluidet, eksempelvis ved oppblåsing. Om så ønskes kan legemet strekke seg inn i spor eller utsparinger i ett eller begge av de første og andre legemer. Legemet kan være i form av et bånd, eksempelvis av armert gummi, som i et dekk, eller i form av en slange, eksempelvis en torus. Oppblåsingen kan skje til et innstilt trykk, eller trykket kan være modifiserbart, eksempelvis for økning dersom lasten øker, enten automatisk eller som følge av instruksjon av en operatør. Trykkstyremidler hvormed man kan oppnå dette, er velkjent i litteraturen som angår nede i hullet-trykkstyring. Er dreiemomentet lavt, og er trykket i det oppblåste legeme høyt, så kan legemet i seg selv virke både som dreiemomentoverføringsmiddel og som vippebegrensningsmiddel.

Utførelsene ifølge oppfinnelsen kan være dynamisk mer stabile enn kjente borkroner uten vippemidler, kan rotere mer jevnt, og kan ha en øket levetid som følge av reduksjonen i frekvensen av skader eller forskyvninger av skjærene, særlig når bevegelsen skjer mellom formasjoner som har ulike eller variable hardheter.

Oppfinnelsen foreslår også en underenhet for inkorporering i en borestreng, hvilken underenhet innbefatter et første element og et andre element, hvert for dreiemomentoverførende tilknytning til respektive elementer i borestrengen for å tilveiebringe en rotasjonsdrivforbindelse mellom disse elementer i borestrengen, midler for overføring av vekt og dreiemoment mellom det første og andre element, og midler for å tillate vipping eller sidebevegelse av det første element i forhold til det andre element på en fri måte i alle retninger.

Oppfinnelsen innbefatter videre en anordning for simulering av boring, hvilken anordning innbefatter (a) minst ett stivt roterbart legeme som er knyttet direkte eller indirekte til (b) en borkrone for kontakt med en simulert bunnhullflate, og (c) midler for rotasjon av legemet og borkronen, idet i det minste én av komponentene (a) og (b), og (a) og (c), er atskilt med en fleksibel konnektor. Oppfinnelsen vedrører videre en fremgangsmåte for simulering av nede i hullet-borebetingelser på et spesifikt sted i en brønn under utnyttelse av en slik anordning, innbefattende prøving av nedskalerte versjoner av nede i hullet-utstyr som skal benyttes på det beregnede sted i apparatet og endring av utførelsen av utstyret som nødvendig for oppnåelse av en optimalisert utforming av slikt utstyr, og utnytting av denne optimaliserte utførelse for det korresponderende utstyr som skal benyttes i praksis på det nevnte brønnsted. Oppfinnelsen innbefatter også en fremgangsmåte for simulering av nede i hullet-borebetingelser på et spesifikt sted i en brønn under utnyttelse av en slik anordning.

Oppfinnelsen skal nå forklares nærmere under henvisning til tegningene hvor:

figur 1 viser et oppriss av en kjent borkrone, rent skjematisk;

figur 2 viser et skjematisk aksialsnitt gjennom en borkrone ifølge oppfinnelsen; figurene 3A/3B viser utførelsen i figur 2 mer detaljert;

figurene 4,5, 6A, 7A, 8, 9,10,11,12A og 12B viser respektive aksialsnitt gjennom andre borkroner ifølge oppfinnelsen;

figurene 6B, 7B og 7C og 13 viser respektive tverrsnitt etter linjene AA i henholdsvis figurene 6A, 7A og 12 A;

figurene 12C og 12D viser aksialsnitt gjennom underenheter ifølge et annet aspekt av oppfinnelsen, for inkorporering i borestrenger for rotasjon av borkroner som kan være utført i samsvar med oppfinnelsen eller ikke;

figurene 14 til 20 viser skjematisk anordningen av skjær på tapper i hull i de andre elementer for bruk i borkroner ifølge oppfinnelsen; og

figurene 21 og 22 viser respektive skjematiske snitt gjennom en prøveanordning ifølge oppfinnelsen og en detalj ved borkroneseksjonen i anordningen, idet figur 21A representerer et snitt etter linjen A-A i figur 21.

Den skjematiske figur 1 viser en kjent borkrone med et skaft 1 med et gjengeparti 8 for sammenskruing med en ikke vist borestreng. På borkronen er det fast montert skjær 3. Skaftet er utformet som en integrert del av borkronelegemet, slik at i bruk vil skjærene være stivt forbundet med borestrengen. Figur 2 viser skjematisk forholdet mellom et skaft 21, et borkronelegeme 22 og skjær 23, idet borkronelegemet 22 har en åpning 24 hvori det er plassert en fleksibel matrise som avstandselement 25 for et skaft 21.1 overdreven grad er det også vist en skjevstilling mellom tangen 21 og legemet 22, med bibehold av kontakten mellom tangen og formasjonen 25. Figurene 3A/3B viser flere detaljer av utførelsen i figur 2.1 figur 3 finner man en tange 31, et borkronelegeme 32, skjær 33, en åpning 34 og avstandselement 35, tilsvarende komponentene 21 til 25 i figur 2. Figurene 3A/3B viser imidlertid også bolter eller tapper 36 som er fast festet til og strekker seg gjennom borkronen 32. Boltene 36 går inn i langsgående spor 37 på tangen 31, for derved å muliggjøre en dreiemomen-toverføring fra tangen 31 til borkronelegemet 32. Det er imidlertid tilstrekkelig klaring mellom boltene 36 og sporene 37, slik at tilstedeværelsen av det elastomere avstandselement 35 muliggjør at borkronelegemet 32 kan vippe eller dreie seg opptil 10° i forhold til tangen 31. Figur 3B viser et snitt AA i figur 3A og viser den relative stilling for boltene 36 som går inn i sporene 37 i tangen 31. Den i figurene 3 A og 3B viste klaring mellom boltene 36 og sporene 37 muliggjør en liten sidebevegelse av borkronen 32 i forhold til tangen 31. En borkroneenhet som i figurene 3A/3B med en diameter på 40 mm har i laboratorieforsøk vist seg å kunne utføre boringer på en mer jevn og konsentrisk måte enn et tilsvarende stivt utstyr av den type som er vist i figur 1. Under forsøkene ble vektbelastningen på borkronen (WOB) langsomt øket mens borkronen ble rotert med konstant hastighet. Når vektbelastningen kom over et visst nivå vibrerte borkronen så mye at den ikke lenger forble i kontakt med den borede flate. Under forsøkene var denne vektbelastningsgrense for utstyret ifølge figurene 3A/3B omtrent 3,7 ganger den for et utstyr ifølge figur 1. Dessuten ble det oppnådd en mer jevnere boring med utstyret ifølge figurene 3 A/3B enn ifølge figur 1.

Den i figur 4 viste enhet har en hul tange 41 som holdes i en avstand fra et hult borkronelegeme 42 ved hjelp av et fleksibelt begerformet element 45, bestående av to radielt forløpende deler 45A, 45B som er forbundne med hverandre ved hjelp av en aksialt forløpende del 45C. På borkronelegemet 42, på den siden som vender fra tangen 41, er det anordnet et sett av skjær 43. Tangen 41 har et gjengeparti 48 for samvirke med en ikke vist borestreng. I en avstand fra gjengepartiet 48 har tangen 41 en omløpende, innoverrettet skulder 49, inn mot en nese 410 hvor det er anordnet 6 rundt omkretsen fordelte utsparinger 47 (bare én er vist). Legemet 42 har en åpning 44 beregnet for opptak av nesen 410, med en skulder 411 mot skulderen 49, med mellomlegg av avstandselementet 45. Bolter eller tapper 46 er fast innpasset i borkronelegemet 42 og samvirker med utsparingene 47 for derved å sikre tangen 41 relativt til legemet 42 og muliggjøre en overføring av dreiemoment mellom disse komponenter (på samme måte som i figur 3B), samtidig som avstandselementet 45 muliggjør en vippebevegelse av legemet 42 i forhold til tangen 41. Tappene eller boltene 46 kan være sikret på plass ved hjelp av et ikke vist sveisebelte.

Legemet 42 har på samme måte som tangen 41 en aksial passasje 412 for borefluidum, og legemet 42 har også utløp 413 for slikt fluidum. Skjærene 43 er plassert på borkronelegemet 42 på i og for seg kjent måte, eksempelvis på en dobbel parabolsk profil.

Klaringen mellom de motliggende flater på legemet 42 og tangen 41 kan være den samme over alt, men vil fortrinnsvis være større mellom de aksiale flater enn mellom de radielle(som vist). Figur 5 viser en enhet som i figur 4, men med en plugg 514 i den aksiale passasje 512, hvilken plugg stenger mot avstandselementet 55 mellom legemet 52 og tangen 51. Rundt legemet 52, like under avstandselementet 55, er det utformet en kantring eller et trau 515. Dette brukes temporært under oppbyggingen av enheten, for retting av en flytende elastomer inn mellom legemet 52 og tangen 51 før herdingen in situ for dannelse av et elastomert tetnings- og avstandselement 55. Figur 6A viser en enhet med et alternativ for de separate bolter eller tapper 46 i figur 4, og figur 6B viser et snitt gjennom enheten i figur 6A. I figur 6A finnes en tange 61, et borkronelegeme 62, skjær 63, et gjengeparti 68, en nese 610, en åpning 64 og en sentral passasje 612, tilsvarende komponentene 41,42,43,48,410, 44 og 412 i figur 4. Istedenfor separate tapper 46 som går gjennom legemet 42 og inn i utsparinger 47 har utførelsen i figur 6A innoverrettede tenner 616 utformet i ett med legemet 62 (maskinert der) og innoverrettede utsparinger 617 i legemet 62, i løst inngrepssamvirke med korresponderende utsparinger 67 og tenner 616 utformet på tangen 61. Mellom samtlige tenner og utsparinger er det lagt inn et elastomert avstandselement 65. En låsering 619 omgir tangen 61 og har et utoverrettet gjengeparti 620 som er skrudd sammen med innergjenger 621 på legemet 62. Ringen 619 går mot avstandselementet 65 for derved å låse legemet 62 på tangen 61 med mulighet for vipping. I denne utførelsen har borkronelegemet 62 og tangen 61 direkte kontakt på den ene siden av tennene 618 i en aksialretning, men ikke på den andre siden, selv om avstandselementet 65 på ikke vist måte eventuelt kan skille borkronelegemet 62 og tangen 61 fra enhver felleskontakt.

I figur 7A er det også vist en tange 71, et borkronelegeme 72, skjær 73, et gjengeparti 78, en nese 710, en åpning 74 og en sentral passasje 712, en ring 719 og gjenger 720 og 721, ekvivalent med komponentene 61, 62,63,68,610, 64, 612, 619,620,621 i figur 6. I denne utførelsen er det istedenfor tenner 618 på tangen 61 utformet en omløpende rygg 722 på tangen 71. Denne rygg kan ha gradvis økende diameter (som vist) og holdes i en avstand fra låseringen 719 ved hjelp av et avstandselement 75. Dette avstandselement muliggjør en vipping av borkronelegemet 72 i forhold til tangen 71. Som vist i figurene 7B og 7C, innbefatter dreiemomentoverføringsmekanismen et antall relativt løst samvirkende tenner 723 og 724. Disse tenner kan være avskrådd som vist i figur 7B eller rettvinklede som vist i figur 7C og være utformet i henholdsvis åpningen 74 og på nesen 710 i legemet 72 henholdsvis på tangen 71. Rommet mellom tennene 723 og 724 er i det minste delvis fylt med et ytterligere elastomert element 75. Figur 8 viser en modifisering av enheten i figur 7.1 den sentrale passasje 812 er det anordnet et fleksibelt armert, elastomert slangelegeme 825 som innbefatter en utvendig gjenget nedre del 826 og en oppragende øvre del 827. Den øvre del 827 går mot en skulder i passasjen 812 og holdes på plass på tett måte ved hjelp av en gjenget ring 828 som samvirker med gjenger 829 i passasjen 812. Den nedre delen 826 til slan-gearrangementet 825 er skrudd tettende sammen med gjenger i legemets 82 åpning 84. Fluidum som går gjennom passasjen 812, tvinges således til å gå gjennom røret 825 og ikke lekke forbi de elastomere avstandselementer 85 i åpningen 84. En slik utførelse er av nytte når borefluidet har høy hastighet og/eller høyt trykk, og vil hindre "wash out". Det er ikke vist, men arrangementet med det fleksible rør 825 kan benyttes i en modifisert utførelse av enheten i figurene 4 til 6,10 eller 11. Figur 9 viser en modifisert versjon av utførelsen i figur 8, beregnet til å hindre store fluidumkrefter på det nedre element 3002. Selv for større borkroner kan fluidstrømmen bli så kraftig at den utøver en for sterk kraft på det nedre element 3002 så vel som på den fleksible pakning 3003.1 denne utførelsen har det øvre element 3001 en aksial blindpassasje 3004 for fluidum, med utløpsboringer 3005 i den nedre enden. På det øvre element 3001 er det anordnet rør 3006 som danner nedadrettede forlengelser av utløpsboringene 3005. Disse rør 3006 går gjennom hull 3007 i det nedre element 3002 for fordeling av fluidet under det nedre element 3002. Hullene 3007 er utformet slik i det nedre element 3002 at det blir god klaring mellom rørene 3006 og det nedre element 3002, slik at det nedre element kan vippe i forhold til det øvre element. Figur 10 viser en alternativ måte for tilveiebringelse av vippeegenskapene, og denne kan også overføre dreiemoment. Kronelegemet 92 har to innoverrettede omkretsutsparinger 930 øverst i åpningen 94. Utsparingene 930 er forbundet med utsiden av kronelegemet 92 ved hjelp av en ledning 131, som er forsynt med en ventil 931 A. Samvirkende tenner og utsparinger 916 og 97 er anordnet og virker på samme måte som komponentene 616 og 67 i figur 6.1 hver utsparing 930 er det et kontinuerlig fleksibelt bånd 932 som er lukket i retning innover, men er åpent i retning utover og derved danner en toroid med en utadrettet åpning eller ende. Dette bånd kan om nød-vendig være armert, eksempelvis ved hjelp av en ikke vist omløpende stålarmering. Båndets 932 innadrettede flate ligger an mot tangen 91 når utstyret er i bruk. For oppbyggingen av enheten plasseres båndene 932 i de respektive utsparinger 930, limes på plass, og så blir tangen 91 ført inn i åpningen 94. Komprimert gass, eksempelvis luft eller inertgass, føres inn i båndet 932 gjennom ledningen 931, hvoretter ventilen 93 IA lukkes. Det trykksatte bånd 932 muliggjør at kronen 92 kan vippes i forhold til tangen 91. Om så ønskes (ikke vist) kan båndet 932 erstattes av et oppblåsbart rør som danner en toroid. I begge tilfeller kan trykket og friksjonskoeffisienten mellom båndet 932 og tangen 91 tilpasses slik at båndet 932 kan benyttes for overføring av dreiemoment. Da vil det være mulig å redusere antall tenner og utsparinger 916 og 97, eller å utelate dem helt. Figur 11 viser skjematisk en modifikasjon av utførelsen i figur 6, hvor en låsering 1019 ligger an mot en øvre ytre flate 1034 på en flerlagsmansjett 1035 som har ytre og indre metallringer eller hullskiver 1036 atskilt av elastomere lag 1037. En øvre indre flate 1038 på mansjetten 1035 ligger an mot en innoverragende flate 1039 på tangen 101. Mansjetten 1035 er låst på plass på nesen 1010 på tangen 101 ved hjelp av en tange-låsering 1040 som ligger an mot den nedre indre flaten 1041 på mansjetten 1035. Mansjettens 1035 nedre ytre flate 1042 ligger an mot en skulder 1044 i kronelegemets 102 åpning 104. Tetningsringer, eksempelvis O-ringer, 1043 er anordnet over og under de øvre og nedre ytre flater 1039 og 1042. Dreieoverføringsmidler (ikke vist) kan være som i figurene 4 til 10, men da med et samvirke mellom hver av de motliggende flater og den korresponderende tange 101 og kronelegemet 102 istedenfor eksempelvis tangen 41 og kronelegemet 42. Istedenfor horisontale ringer 1036 som forsterker elastomere lag 1037 kan det benyttes vertikale metallrør (ikke vist) atskilt av elastomere lag 1037,

men i så tilfelle strekker det seg intet rør fullstendig mellom mansjettens motliggende flater, slik at det foreligger elastomere lag mellom røret og de ytre flater 1034,1038, 1041 og 1042.

Figurene 12A og 13 viser en ytterligere utførelse i form av en underenhet for inkorporering i en bestemt stilling i en borkrone eller en borestreng. Underenheten innbefatter et øvre legeme 2001 med et gjengeparti 2009 for innfesting av underenheten direkte eller indirekte i en borestreng, og et nedre legeme 2002 med en konnektordel 2010.

Underenheten kan innsettes i borkronen som en integrert del av denne, slik det er vist i figur 12B. I denne utførelsen er borkronen 2020 utført som en integrert del av den nedre enden til det nedre legeme 2002, mens det øvre legeme 2001 utgjør borkronens drivtange. Figur 12C viser en utførelse hvor den nedre enden til det nedre legeme 2002 er utformet med en konisk gjenget utsparing 2021 for opptak av den koniske gjengede tange 2023 på en egnet krone 2022. Figur 12D viser enheten i figur 12C, men nå satt inn i borestrengen på et sted i en avstand over borkronen 2020 under utnyttelse av et mellomelement 2024, slik det er kjent fra ulike boreutstyr og -applikasjoner.

De øvre og nedre legemer er anordnet koaksialt og med fluktende sentrale boringer 2011,2012, som er avtettet mot hverandre ved hjelp av en ringformet fleksibel pakning 2003. Som vist i figur 13, har det øvre legeme 2001 ved sin nedre ende radielle tenner 2013 som går med klaring i tilsvarende utsparinger eller tannlommer 2014 i en ringvegg 2015 i det nedre legeme 2002. Hver tann 2013 har en tønneformet endeflate 2016, som vist i lengdesnittet i figur 12A, hvilket muliggjør en relativ vipping av de øvre og nedre legemene 2001,2002 samtidig som det dannes en dreiemomentoverførende forbindelse mellom de to legemer.

Over tennene 2013 har ytterveggen i det øvre legeme 2001 en ringskulder 2017. En trykkring 2007 er plassert på skulderen 2017.1 noen utførelser kan trykkringen 2017 være todelt for å lette monteringen. De samvirkende flater på trykkringen 2007 og skulderen 2017 er krummet for å tillate den foran nevnte relative vipping mellom de øvre og nedre legemer.

En låsering 2006 er skrudd inn i den øvre delen av veggen 2015 i det nedre legeme 2002 og hviler mot trykkringen 2007.

En øvre elastomer vibrasjonsring 2005, som har L-formet snittform, som vist i figur 12, er anordnet mellom både de omløpende og de radielt motliggende flater på det øvre legeme 2001 og låseringen 2005. En nedre elastomer vibrasjonsring 2004 er anordnet i en ringutsparing 2018 i det nedre legeme 2002 for samvirke med ytterveggen på det øvre legemes 2001 nedre ende. Figur 14 viser skjematisk og i større målestokk et forhold mellom et kronelegeme 112, et skjær 114 og en fleksibel matrise 113. Kronelegemet 112 har et hull 1150 for opptak av skjæret 114 (en tapp), men med et mellomlegg i form av en elastomer matrise 113. Skjæret 114 har en PDC-bit 1151 som er montert på en avskrådd kantflate 1152, idet skjæret 114 har en flat ende 1153 (sliteflate) og en skrå side 1154. Ved bruk presses PDC-bitene 1151 mot bergformasjonen 1155, og derved vippes skjæret 114 med urviseren slik at sliteflaten 1153 løftes fra formasjonen 1155. Derved økes frivinkelen med tilhørende økning av evnen til å gjennomtrenge formasjonen, noe som er en fordel i tillegg til reduksjonen av vibrasjonsnivået. Gapet mellom skjæret 114 og kronelegemet 112 er fortrinnsvis så stort at det tillater en maksimal vipping opp til 10°. Dette gap vil være avhengig av hvor dypt skjæret 114 er stukket inn i kronelegemet, av skjærbredden og av den skjærkraft som utøves på skjæret. Eksempelvis vil gapet mellom skjæret 114 og kronelegemet 112 være minst 1 mm, vanligvis 2 til 4 mm, når innstikningslengden i hullet 1150 er 10 til 30 mm og skjærets 114 bredde er 10 til 25 mm. Figur 15 viser en forbedring av arrangementet i figur 14. Hullet 1250 har et stort omkretsspor 1256 og et antall mindre omkretsspor 1257 i hullveggen 1268 samt i hullets 1250 flate bunn 1269.1 sporet 1256 er det plassert to kuler eller sylindere 1259 som spennes fra hverandre ved hjelp av fjærer 1260.1 sporene 1257 er det lagt inn elastomere O-ringer 1261. Skjæret 124 holdes i hullet 1250 ved hjelp av fjær-/kulearrangementet 1259/1260, men kan vippe mot de elastomere ringer 1261. Kulene 1259 danner et svingepunkt. Laboratorieforsøk har vist at et slikt arrangement vil tåle belastninger opptil 4000 kg. Figur 16 viser en modifikasjon av figur 15 hvor skjæret 134 er opptatt i en preformet fatning 1362, som har sporene 1356 og 1357 etc., tilsvarende sporene etc. 1256 og 1257 i figur 14, men fatningen 1362 er i seg selv plassert i et hull 1363 i kronelegemet 132. Fatningen 1362 kan være av et hardere materiale enn kronelegemet 132, eksempelvis kan fatningen være av sintret karbid mens kronelegemet er av stål eller et matrisemateriale. Figur 17 viser en modifikasjon av figur 15, hvor hullet 1450 har underskåret form. I det i hovedsak stumpkoniske hull 1450 er det satt inn en hul, stumpkonisk elastomer tappfanger 1463 som griper rundt sk jæret 144. Skjæret 144 holdes i avstand fra hullets 1450 bunnflate 1464 under påvirkning av en fjær 143 eller en ettergivende komponent, eksempelvis et elastomert avstandselement (143), som presser skjæret 144 mot den omgripende fanger 1463. Om så ønskes kan et klebemiddellag (ikke vist) foreligge mellom fangeren 1463 og skjæret 144 for derved å øke fastholdingen av skjæret i fatningen. Fangeren 1463 kan holdes i hullet 1450 ved hjelp av en innvendig rettet leppe 1465 rundt hullkanten. Figur 18 viser fatningsutførelsen i figur 16 i kombinasjon med den underskårne hullutforming i figur 17 og trenger ingen nærmere forklaring. Figurene 19A/19B viser en modifikasjon av arrangementet i figur 15, med et skjær 164 fastholdt i et kronelegeme 162 og holdt i avstand fra dette ved hjelp av elastomere O-ringer 1661. Figur 19A viser et arrangement med et skjær 164 som har en ytre plan ende 1653 og en PDC-bit 1651. Den plane enden 1653 kan være maskinert eller formstøpt, i et nytt skjær, eller kan være nedslitt til flat form som i et brukt skjær. Figur 19B viser arrangementet i figur 19A under belastning ved bruk av utstyret og viser PDC-bitens 1651 kontakt med formasjonen samt den vipping som muliggjør at frivinkelen øker. Denne innretning egner seg særlig for harde formasjoner.

I figurene 14 til 19A/19B står skjæret i hovedsak perpendikulært på kronelegemet, men det kan være skråstilt enten mot eller fra borkronens bevegelsesretning, slik det er vist i figurene 20A-E, som viser fire varianter av arrangementet i figurene 19A/19B. I figur 20A kan det være nødvendig med tiltak for å hindre at skjæret 174 trekkes ut under bruk. Et eksempel på et slikt tiltak er vist i figur 20D, hvor skjæret 174 har en skulder 1766 som holdes i avstand fra en leppe 1765 i hullet 1750 ved hjelp av et elastomert avstandselement 173.1 figur 20E er vist hvordan hullet 1750 for skjæret 174 kan ligge i et fremspring 1767 på kronelegemet 172, som i en vinge-krone. Arrangementet i figur 20C kan være av betydning ved boring fra en hard mot en myk formasjon, eksempelvis fra sandsten og til skifer. En senking av vekten på borkronen vil øke frivinkelen og således muliggjøre at av den harde sandsten nedslitte skjær kan virke aktivt i den mykere skifer.

I utførelsene i figurene 14 til 20 er hvert skjær montert slik på borkronelegemet at det muliggjøres en vipping og/eller relativ sidebevegelse av skjæret i forhold til kronelegemet. Slike arrangementer kan benyttes i de utførelser ifølge oppfinnelsen, eksempelvis som vist i figurene 2 til 11, hvor kronelegemet også er vippbart og/eller sideveis bevegbart i forhold til tangen, eller i konstruksjoner hvor kronelegemet og tangen er stivt forbundne med hverandre eller er utformet i ett med hverandre.

Man vil forstå at et antall av de foran beskrevne vippbare utførelser kan inkorporeres i en spesifikk borestreng og borkroneapplikasjon. Eksempelvis kan en underenhet som vist i figur 12D inkorporeres i borestrengen, eksempelvis mellom 0,3 og 1 m over borkronehodet i kombinasjon med minst én ytterligere vippbar enhet i samsvar med de andre beskrevne utførelser, plassert umiddelbart over eller inkorporert i borkronen.

Borkronene ifølge oppfinnelsen er mindre utsatt for vibrasjon og kan gi fordeler som beskrevet foran, fordeler som kan påvises under bruk. For mange formål er det imidlertid ønskelig å kunne prøve borkroner i laboratoriet, og hittil har slik utprøving vært utført med et utstyr som innbefatter en stiv borkrone, en kort borestreng eller et vektrør og en motor. Man har funnet at de boreegenskaper som blir observert med slikt laboratoireutstyr, ofte ikke stemmer overens med de egenskaper man vil ha nede i hullet, slik at borkronene brytes mer ofte nede i hullet enn forsøkene skulle tilsi. Ifølge oppfinnelsen har man derfor tilveiebrakt et laboratorieboreutstyr som kan gi resultater som er sterkere tilpasset de observerte hullforhold.

Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer en laboratorieanordning for simulering av boring, hvilken anordning innbefatter (a) i det minste ett stivt roterbart legeme som er forbundet direkte eller indirekte med (b) en borkrone for kontakt med en simulert bunnhullflate, samt (c) med midler for rotering av legemet og borkronen, idet i det minste én av komponentene (a) og (b), og (a) og (c), og (a) og en annen (a), hvis en sådan komponent forefinnes, er atskilt ved hjelp av en fleksibel konnektor.

Denne anordning kan etterligne et stort område av dynamiske fenomener som man finner i felten. Hvert stive roterbare legeme behøver bare veie opptil 10-20 kg, noe som letter håndteringen.

I anordningen simulerer det stive roterbare legeme en del av eller hele borestrengen. Legemet er vanligvis en sylinder, og fremstilt av stål eller andre materialer, eksempelvis andre metaller så som aluminium eller termoherdede syntetiske materialer eller wolframkarbid, dersom det er nødvendig for å endre legemets treghet. Legemene har koblingsmidler, eksempelvis gjenger i hver ende og har vanligvis et innvendig løp for

fluidum eller gass.

Anordningen omfatter også minst én fleksibel konnektor som forbinder rotasjonsmidlet med det stive roterbare legeme og/eller forbinder dette legeme med borkronen og/eller forbinder et stivt roterbart legeme med et annet stivt roterbart legeme. Fortrinnsvis er det en separat fleksibel konnektor mellom rotasjonsmidlet og legemet, og mellom hvert legeme og neste legeme henholdsvis mellom det siste legeme og borkronen. En borkrone kan være stivt eller fleksibelt forbundet med det siste legeme, alt avhengig av den situasjon som undersøkes. Når en referansesituasjon er tilveiebrakt, enten med en stiv eller en fleksibel borkrone, kan man studere borkronekonstruksjonene og særlig egenskapene til den målestokkreduserte fleksible konnektor. Egenskapene til en borkrone som man på denne måten oppnår i laboratoriet, kan relateres til den virkelige borkrone.

Hver fleksibel konnektor kan festes til legemet, rotasjonsmidlet eller borkronen, men fortrinnsvis er den tilkoblet ved hjelp av skruegjenger. Hver konnektor har derfor fortrinnsvis et ytre gjengeparti på hver flate av et par motliggende radielle flater beregnet for samvirke med gjenger på legemet, rotasjonsmidlet eller borkronen. Hensiktsmessig har platene i et par plater som har gjenger som strekker seg aksialt ut derfra, en aksial avstand tilveiebrakt av et elastomert materiale i form av et lagdelt legeme. Det lagdelte legeme kan om nødvendig være sammenklebet, eller kan alternativt holdes sammen ved hjelp av en pinne eller bolt mellom platene på en slik måte at laglegemet allikevel kan flekse i en tverretning. Det er også mulig å ha én eller flere innvendige plater som skiller de elastomere legemene i en flerlagsstruktur, idet de elastomere legemer om nødvendig kan ha ulike kompresjonsmoduler. Det elastomere materiale kan være som beskrevet foran.

Den andre essensielle ingrediensen i anordningen er rotasjonsmidlet, eksempelvis en elektrisk motor, særlig en med variabel hastighet, og også borkronen, hvis utførelse skal prøves.

Ved bruk går borkronen mot et prøvematerialstykke som skal bores. For å kunne variere kontaktvinkelen mellom borkronen og prøvestykket, og for å kunne simulere borehullmotstanden, går de stive roterbare legemer fortrinnsvis gjennom en simulert borehullvegg. Denne vegg kan innbefatte ringer, særlig en serie av ringer som danner en bane hvor de stive legemene roterer, for å tilveiebringe en simulert brønnhullprofil. Disse ringene kan variere med hensyn til innerdiameter, ytterdiameter, høyde, masse, stivhet, irmerflatefriksjonskoeffisient, og kan være av ulike materialer, eksempelvis stål, betong, syntetisk polymer, termoherdende termoplast eller elastomer, eller sten. Alternativt til ringene kan det benyttes et antall i flateberøring værende fliser fremstilt eksempelvis av sten, betong, syntetisk polymer, sammensetninger som innbefatter betong, polymer, metall, sand eller sand med polymer, og et hull kan bores gjennom flisene for å tilveiebringe det simulerte borehull.

Det prøvestykke som borkronen virker på, er det simulerte bunnhullmateriale som kan innbefatte naturlig fjell, betong, eller sammensetninger som innbefatter disse eller sand eller metallpulver. Simulert fjell med variable fysikalske egenskaper kan fremstilles av blandinger av leire og kornformet materiale, eksempelvis sand, silikat eller karbonat i ulike proporsjoner og med ulike komprimeringsgrader.

Hele prøveanordningen kan være 1 til 15 m høy, hensiktsmessig 1 til 4 m høy, idet de stive sylinderne er 50 til 500 mm lange og 2 til 200 mm brede, eksempelvis 300 mm lange og med diametere på eksempelvis 5,10 eller 100 mm. Fleksible konnektorer kan ha en lengde på 10 til 60 mm og en diameter på fra 5 til 100, eksempelvis 10 til 90, mm. Anordningen har fortrinnsvis minst én av sine naturlige frekvenser (aksialt og tors-jonsmessig) ikke større enn 10 til 5 Hz, eksempelvis 0,05 til 10 Hz, og eksempelvis ikke større enn 1 Hz. Anordningen kan være veggmontert eller montert i en ramme som kan være bærbar. De stive legemene (a), borkronen (b) og rotasjonsmidlene (c) med de fleksible konnektorer ifølge oppfinnelsen kan ha et ekvivalent stivhets-Anasseforhold på opptil 1000 sek"<2>, eksempelvis 100 til 0,01 sek-<2>, særlig 60 til 0,1 sek-<2>.

Om så ønskes kan anordningen også innbefatte midler for føring av fluidum, eksempelvis vann eller gel, rundt bunnhullutstyret eller ned gjennom den sentrale borepassasje i sylinderne og de fleksible konnektorer.

Laboratorieanordningen ifølge oppfinnelsen kan tilveiebringe borkronebetingelser som er mer realistiske relativt dem man finner i et borehull sammenlignet med det man har funnet mulig med tidligere kjente laboratorieboreanordninger med meget stive tanger og ingen fleksible konnektorer. Man har således tidligere ofte funnet at når borkroner har vært prøvet i slikt utstyr, opplever man at borkronene brytes i stykker oftere nede i hullet (dvs. har kortere levetid) enn den man skulle forvente ut fra laboratorie-resultatene. Anordningen ifølge oppfinnelsen kan derfor benyttes for å oppnå en bedre prøvemetode for en borkrone. Videre kan ringene eller platene av andre materialer som definerer simulerte borehullvegger, beveges i forhold til hverandre for å tilveiebringe ulike grader av borehullsamvirke for således å kunne studere endringenes innvirkning på borkronens dynamiske oppførsel.

Dette inventive aspekt er vist i figurene 21 og 22, hvor figur 21 viser en skjematisk tegning av en komplett prøveanordning og figur 22 viser et skjematisk snitt gjennom en borkrone for bruk i anordningen, idet borkronen er vist under oppbygging.

Som vist i figur 21, har anordningen en motor 191, eksempelvis en asynkron vekselstrømsmotor eller en styrt likestrømsmotor. Motoren driver en rekke stive sylindere 192 og 193 som er sammenføyd med hverandre ved hjelp av respektive fleksible konnektorer 194. Til den nederste sylinder 193 er det knyttet en ytterligere fleksibel konnektor 194, som i sin tur er tilknyttet en borkrone 195. Konnektoren 194 og/eller borkronen 195 kan hver for seg være stiv eller fleksibel. De stive sylinderne 192, konnektorene 194 og borkronen 195 har en ikke vist kontinuerlig gjennomgående boring som muliggjør passasje av et borefluidum. De stive sylinderne 192 og 193 er anordnet til å rotere i boringer 198 i plater 199. Det kan benyttes enkeltplater, eksempelvis en metallring, eller en serie av plater 1910 som kan være i form av fliser eller andre platelegemer, som helt enkelt legges på hverandre eller lamineres sammen. Boringene 198 simulerer borehullet som går gjennom berg og omgir borestrengen. Boringene 198 kan ha en vinkel i forhold til vertikalen for derved å simulere ikke-vertikal boring, og vinkelen kan være ulik i de ulike roterbare legemer for derved å kunne simulere en krummet borehullprofil. På toppen av samlingen av stive sylindere 192 og 193 og konnektorer 194 er det anordnet to sylindere 192 og en konnektor 194 inne i et rør 1911 for derved på en enda bedre måte kunne simulere foringsrør- og friksjonsvirkninger. Borkronen 195 har kontakt med et prøvestykke 1912 som bores. Prøvestykket 1912 og platene 199 er montert i en ramme 1913. Motoren 191 kan også være montert på ramme 1913 eller på en annen bærer, eller kan være separat opplagret, eksempelvis på en vegg. I begge sistnevnte tilfeller er motoren montert enten stivt eller med en viss fri aksialbevegelse. Hele anordningen kan være 1,5,3, 5 eller 10 m høy. Sylinderne kan ha en vekt på 1 til 10 kg og kan være av ferrometall, eksempelvis stål. De kan hensiktsmessig ha en lengde på 300 mm og en bredde på 5,10 eller 100 mm. De fleksible konnektorene 194 har vanligvis to metallplater som er atskilt med et elastomert legeme, og hver plate har vanligvis en tilknytningsanordning, eksempelvis en utvendig gjenge for sammenføying av sylinderne henholdsvis sylinderen og borkronen. Konnektoren har en gjennomgående boring for fluidet. Om så ønskes kan det elastomere legeme erstattes av en fjær.

Om ønskelig kan sylinderne 192 og/eller 193 inneholde sensorer eller annet måleutstyr. Kombinasjonen av sylindernes treghet og konnektorenes fleksibilitet kan innstilles for å tilveiebringe en simulert borestreng med en vibrasjonsfrekvens eksempelvis på 0,2 Hz, vanligvis lik den man finner i en borestreng som kan ha en variabel lengde, vanligvis flere kilometer.

Figur 22 viser en sylinder 201 med en innerdiameter svarende til borkronediameteren i anordningen. Innsiden av sylinderen 201 har en rekke vinger 202, eksempelvis av metall eller hard syntetisk plast, eksempelvis termoherdet harpiks, særlig med et avlangt avsnitt 203 og et skarpt krummet avsnitt 204 (som en landhockeykølle). Vingene 202 er lett limt på plass for å danne en borkrone med en kjent profil. Sylinderen 201 er delvis fylt med støpeleire 205 eller et annet inert bearbeidbart materiale, slik at vingene 202 rager delvis opp over leiren. En tange 206 med en skjøtgjenge 207 er plassert i sylinde-rens lengdeakse. Mellom leiren 205 og tangen 206 er det herdet harpiks 208. Hele enheten med unntagelse av sylinderen og støpeleiren danner en målestokkredusert borkrone. Denne borkrone kan settes sammen i den foran antydede rekkefølge, idet den herdbare harpiks settes til til slutt. Så snart harpiksen er herdet, kan borkronen tas ut fra sylinderen 201 og renses for å fjerne leiren. Derved fremkommer vingene 202, som vil være innleiret i herdet harpiks 208 i borkronen. Om nødvendig kan tangen 206 eller den herdede harpiks 208 bores for å tilveiebringe fluidumkanaler for rengjøring av borkronen.

Ved bruk av prøveanordningen i figurene 21 og 22 kan ulike parametere og dimensjoner i anordningen velges selektivt for reproduksjon av virkelige tilstander i et spesielt felt som skal undersøkes. Ved bruk av anordningen kan man således nøyaktig simulere borebetingelser på prøvestedet, slik at man kan optimalisere trekk ved boreanordningen, eksempelvis en anordning ifølge oppfinnelsen, og/eller andre nede i hullet-anordninger, eksempelvis utformingen og profilen til borkronen. Så snart dette er mulig, behøver man bare å målestokkforstørre den valgte utstyrsutførelse for derved å kunne oppnå en raskere feltoptimalisering av slikt utstyr. Anordningen kan også benyttes for å spesifisere kjøreprosedyrene for nede i hullet-utstyret.

Claims (37)

1. Anordning ved en borkrone, som egner seg for boring, kjernetaging eller fjerning av materiale fra en geologisk underjordisk formasjon, innbefattende et første element (21) for fastgjøring direkte eller indirekte til en borestreng, og et andre element (22) som bærer eller utgjør minst ett middel (23) for boring, hvilket første element har et dreiemoment- og vektoverførende forhold til det andre element (22), idet elastisk eller ettergivende deformerbare forbindelsesmidler er anordnet mellom første og andre element (21, 22) for å tillate at det første og andre element (21, 22) kan vippe i forhold til hverandre, karakterisert ved at det andre element (22) ved hjelp av de nevnte forbindelsesmidler er forbundet med det første element (21) på en fri, flytende måte, slik at det andre element (22) tillates å vippe og bevege seg sideveis i forhold til det første element (21) under påvirkning av utelukkende reaksjonskrefter som boremidlet (23) utsettes for under bruk.

2. Anordning ifølge krav 1, karakterisert ved at den er i form av en underenhet (2001,202) for inkorporering i en borkrone.

3. Anordning ifølge krav 2, karakterisert ved at en borkronekropp (2020) er utformet i ett med det andre element (2002), idet det første element (2001) utgjør en drivtange for borkronen.

4. Anordning ifølge krav 1, karakterisert ved at det første element (21) utgjør tangen til en borkrone, og at det andre element (22) utgjør en borkronekropp som bærer minst ett middel (23) for boring.

5. Anordning ifølge et av kravene ltil4, karakterisert ved midler (46) for holding av det første og andre element (41,42) sammen og for overføring av dreiemoment og vekt fra det første til det andre element.

6. Anordning ifølge krav 1, karakterisert ved at det andre element (32) er vippbart eller sideveis bevegbart i forhold til det første element (31), mot elastisk eller ettergivende komprimerbare midler (35) mellom det første og andre element.

7. Anordning ifølge krav 1, karakterisert ved at det første og andre element (41, 42) har en samvirkende intern passasje (412).

8. Anordning ifølge krav 7, karakterisert ved komprimerbare tetningsmidler (45) mellom det første og andre element for å hindre unnslipping av fluidum fra nevnte passasje (412) mellom elementene.

9. Anordning ifølge krav 5, karakterisert ved at de nevnte holde- og dreiemomentoverføringsmidler sammen innbefatter minst ett avlangt element (36) som går gjennom det andre element (32) og til inngrep i minst én utsparing eller et spor (37) i det første element (31).

10. Anordning ifølge krav 5, karakterisert ved at dreiemomentoverføringsmidlene innbefatter spor eller utsparinger (617) i ett av de første og andre elementer (61,62), i inngrepssamvirke med korresponderende tannkomponenter (618) i det andre av de første og andre elementer.

11. Anordning ifølge krav 10, karakterisert ved at holdemidlene innbefatter en gjenget låsering (619) som omgir det første element (61) og har samvirke med gjenger (620) på det andre element (62).

12. Anordning ifølge krav 7, karakterisert ved at den innbefatter et første element med en første avlang ledning (812) derigjennom og i samvirke med ledningsmidler i det andre element (82), idet den første ledning og de nevnte andre ledningsmidler har fluidumkontakt ved hjelp av et fleksibelt rør (825).

13. Anordning ifølge krav 7, karakterisert ved fluidumpassasjemidler (3004, 3005) gjennom det første element (3001), idet ledningsforlengelsesmidlet (3006) er anordnet ved utløpsendene til de nevnte fluidumpassasjemidler (3005) på det første element for forløp gjennom det andre element, for derved å kunne la fluidum strømme ut under det andre element uten å utøve en nedadrettet fluidumkraft på dette.

14. Anordning ifølge krav 1, karakterisert ved at det første element danner en borkronekropp (112) og det andre element danner minst ett middel (114) for skjæring, båret av borkronekroppen (112).

15. Anordning ifølge krav 14, karakterisert ved at skjæremidlet innbefatter minst ett skjær (114) som er vippbart i forhold til borkronekroppen (112).

16. Anordning ifølge krav 15, karakterisert ved at skjæret (114) er festet til borkronekroppen (112) ved hjelp av et elastomert avstandselement (113).

17. Anordning ifølge krav 15, karakterisert ved at skjæret (124) innbefatter en tapp, som er plassert i en fatning (1250) i borkronekroppen med midler (1259, 1260) som motvirker fjerning av tappen fra fatningen, og minst ett avstandselement (1261) som tillater en vipping av skjæret i forhold til borkronekroppen.

18. Anordning ifølge krav 17, karakterisert ved at fatningen (1362) er i et separat element relativt borkronekroppen (132), hvilket element i seg selv er i et hull (1363) i borkronekroppen (132).

19. Anordning ifølge krav 17, karakterisert ved at hindringsmidlene innbefatter en elastomer tappfanger (1463) i en fatning (1450) som har en i retning utoveravtagende diameter.

20. Anordning ifølge krav 6 eller 8, karakterisert ved at de komprimerbare midler innbefatter et elastomert avstandselement (35,45) mellom i det minste en del av det første og andre element (31,32; 41,42).

21. Anordning ifølge krav 20, karakterisert ved at elastomeren er i det minste en valgt blant en hydrogenert nitrilgummi, en nitrilgummi og et polyuretan, og har en Shore A-hardhet på minst 80.

22. Anordning ifølge krav 20, karakterisert ved at avstandselementet innbefatter en elastomer dannet av en herdbar væske som er herdet in situ.

23. Anordning ifølge krav 20, karakterisert ved at avstandselementet er en preformet ring eller mansjett.

24. Anordning ifølge krav 20, karakterisert ved at avstandselementet er et lagdelt legeme med minst ett lag av elastomer og minst ett lag av metall.

25. Anordning ifølge krav 16 eller 20, karakterisert ved at avstandselementet har en tykkelse på minst 0,3 mm.

26. Anordning ifølge krav 6 eller 8, karakterisert ved at de nevnte komprimeringsmidler innbefatter et hult legeme (932) beregnet til å inneholde et komprimerbart fluidum.

27. Anordning ifølge krav 26, karakterisert ved at de komprimerbare midler (932) er beregnet til å danne dreiemomentoverføringsmidlene mellom det første og andre element (91,92).

28. Anordning ifølge et av kravene 1 til 4 eller krav 13, karakterisert ved at det andre element er vippbart i forhold til det første element mot en hul sylinder eller fjær.

29. Anordning ifølge krav 1, karakterisert ved at de nevnte midler (25) er beregnet til å tillate en vipping på opptil 15 grader.

30. Borkrone innbefattende en anordning ifølge et av kravene 1 til 5 eller krav 14.

31. Borkrone innbefattende minst én anordning ifølge et av kravene 2 til 4 sammen med en anordning ifølge krav 14.

32. Underenhet for inkorporering i en borestreng, hvilken underenhet innbefatter et første element (2001) og et andre element (2002), hvert for dreiemomentoverførings-tilknytning til respektive deler av borestrengen for å tilveiebringe en rotasjonsdrivforbindelse mellom disse deler av borestrengen, midler (2007,2013, 2014,2017) for overføring av vekt og dreiemoment mellom første og andre element (2001, 2002), og forbindelsesmidler (2004, 2005, 2016) mellom første og andre element (2001, 2002) for å muliggjøre at det første og andre element kan vippes i forhold til hverandre, karakt e r i s e r t ved at det andre element (2002) er koblet til det første element (2001) på en fri, flytende måte ved hjelp av elastisk eller ettergivende deformerbare koblingsmidler (2004,2005, 2016) for å tillate at det andre element (2002) kan vippe og bevege seg sideveis i forhold til det første element (2001) under påvirkning utelukkende av en belastning fra borestrengen på en dreven borkrone.

33. Underenhet ifølge krav 32, karakterisert ved at de vekt- og dreiemoment-overførende midler innbefatter en rekke radielle tenner (2013) på det første element (2001) med løsbart inngrepssamvirke med korresponderende utsparinger (2014) i det andre element (2002), med de radielt ytre flater (2016) på tennene (2013) og de motliggende bunnflater i utsparingene (2014) utformet til å muliggjøre den nevnte relative vipping eller sidebevegelse av første og andre element (2001,2002).

34. Underenhet ifølge krav 32, karakterisert ved at det andre element (2021) er utformet med konnektormidler (2021) for tilknytning av det til en tange (2023) på en borkrone (2022).

35. Borestreng, karakterisert ved at den innbefatter minst én underenhet ifølge et av kravene 32 til 34.

36. Kombinasjon av en borestreng ifølge krav 35 og en borkrone, karakterisert ved at minst én underenhet er anordnet på et sted i en avstand over borkronen (2020).

37. Kombinasjon av en borestreng ifølge krav 35 og en borkrone ifølge krav 30 eller 31.