NO333749B1

NO333749B1 - Coupling unit for converting mechanical torque to hydraulic fluid pressure in a drill bit for use in boreholes

Info

Publication number: NO333749B1
Application number: NO20074106A
Authority: NO
Inventors: Per Olav Haughom
Original assignee: Wellbore Solutions As
Priority date: 2007-08-08
Filing date: 2007-08-08
Publication date: 2013-09-09
Also published as: WO2009020397A1; NO20074106L

Abstract

Anordning ved en mekanisk koblingsenhet 2 av det slaget som benyttes i et kjøreverktøy med mekanisk drivverk for bruk i borehull der verktøyet er sammensatt av moduler 6, tilordnet vippearmer 5 med drivhjul 4 som går i inngrep mot borehullsveggen 1, og hvor den mekaniske koblingsenheten 2 er anbrakt for å regulere et hydraulisk væsketrykk i forhold til vrimomentet 10. For dette formålet er koblingsenheten bygget opp av en inngående og utgående aksel 12,15 opplagret i huset 11 gjennom lager 13 og 14. Inngående aksel er forsynt med skråflater 25 som gar mot ruller 24. Et påtrykt vrimoment 10 vil gi relativ rotasjonsbevegelse mellom inngående og utgående aksel ved rotasjon av rullene 24 på skråflaten 25. Derigjennom oppnås aksial forskyving av utgående aksel 12 og adapteret 23 mot fjæren 20. Aksialbevegelsen overføres via akselen 21 til fjæren 26 slik at kulen 27 forspennes mot setet 28, derved økes trykket fra pumpen 29 proporsjonalt med vrimomentet 10 slik at stemplene 31 og forspenningen av hjulene 4 mot borehullsveggen 1 står i direkte relasjon til vrimomentet 10.Device for a mechanical coupling unit 2 of the type used in a driving tool with mechanical drive for use in boreholes where the tool is composed of modules 6, assigned rocker arms 5 with drive wheels 4 which engage the borehole wall 1, and where the mechanical coupling unit 2 is arranged for regulating a hydraulic fluid pressure relative to torque 10. For this purpose, the coupling unit is made up of an incoming and outgoing shaft 12,15 stored in housing 11 through bearings 13 and 14. Incoming shaft is provided with inclined surfaces 25 against rollers 24. An applied torque 10 will provide relative rotational movement between the incoming and outgoing shaft by rotating the rollers 24 on the inclined surface 25. This provides axial displacement of the output shaft 12 and the adapter 23 against the spring 20. The axial movement is transmitted via the shaft 21 to the spring 26 27 is biased against the seat 28, thereby increasing the pressure from the pump 29 proportionally with the torque 10 so that piston The bores 31 and the bias of the wheels 4 against the borehole wall 1 are in direct relation to the torque 10.

Description

Denne oppfinnelsen angår en omformerenhet som benyttes til å omforme mekanisk rotasjonsmoment til hydraulisk vesketrykk. This invention relates to a converter unit which is used to convert mechanical rotational torque into hydraulic bag pressure.

Nærmere bestemt dreier det seg om en innretning av det slaget som kan benyttes i en mekanisk fremdriftsmekanisme, der hensikten er å transformere et mekanisk dreiemoment til hydraulisk vesketrykk som igjen kan benyttes til å utøve radiell skyvekraft på drivhjul mot borehullsveggen. More specifically, it concerns a device of the kind that can be used in a mechanical propulsion mechanism, where the purpose is to transform a mechanical torque into hydraulic bag pressure which can in turn be used to exert radial thrust on drive wheels against the borehole wall.

I forbindelse med vedlikehold og inspeksjoner i rørledninger og horisontale borehull for oljeutvinning er det ofte nødvendig å benytte et trekkeverktøy for å komme tilstrekkelig langt inn i borehullet med verktøy og utstyr for vedlikehold eller inspeksjoner. In connection with maintenance and inspections in pipelines and horizontal boreholes for oil extraction, it is often necessary to use a pulling tool to get sufficiently far into the borehole with tools and equipment for maintenance or inspections.

Spesielt i olje- og gassbrønner med mye avansert utstyr for optimal oljeutvinning, utføres det nå avanserte vedlikeholdsoperasjoner. Slike operasjoner har behov for pålitelige og kostnadseffektive verktøybærere. Especially in oil and gas wells with a lot of advanced equipment for optimal oil extraction, advanced maintenance operations are now carried out. Such operations need reliable and cost-effective tool carriers.

I dag benyttes trekkeverktøy av forskjellig utførelse. Det mest brukte er elektro- / hydrauliske anordninger, der fremdriftsmekanismen på transportinnretningen drives av hydrauliske motorer plassert direkte i hjulene. Alternativt overføres kraften gjennom gear- eller girsystemer av forskjellig utførelse. Pulling tools of various designs are used today. The most commonly used are electro-/hydraulic devices, where the propulsion mechanism of the transport device is driven by hydraulic motors located directly in the wheels. Alternatively, the power is transmitted through gear or gear systems of different designs.

US 5,184,676 angir et eksempel på et selvdrevet verktøy for bevegelse langs et rør-formet legeme, hvilket verktøy omfatter motordrevne hjul for å drive dette, en styre-innretning for å sette drivhjulene i kontakt med den indre overflaten av det rørformede legemet, og en tilbaketrekkingsinnretning for å trekke tilbake drivhjulene fra drivposisjonen, slik at verktøyet kan trekkes ut fra det rørformede legeme. Tilbake-trekkingsinnretningen omfatter en innretning for automatisk å trekke tilbake drivhjulene fra drivposisjonen når strømforsyningen til verktøyet koples ut. US 5,184,676 sets forth an example of a self-propelled tool for movement along a tubular body, which tool comprises motor-driven wheels for driving it, a steering device for bringing the drive wheels into contact with the inner surface of the tubular body, and a retracting device to retract the drive wheels from the drive position so that the tool can be withdrawn from the tubular body. The retraction device comprises a device for automatically retracting the drive wheels from the drive position when the power supply to the tool is disconnected.

I borehull/rør med liten diameter (ca 70 mm) blir dimensjonene på hjul og motorer svært begrenset. Dette medfører små komponentdimensjoner med derav følgende store strømningstap i hydraulikkmotorer og lite robuste konstruksjoner. In boreholes/pipes with a small diameter (approx. 70 mm), the dimensions of wheels and motors are very limited. This results in small component dimensions with consequent large flow losses in hydraulic motors and less robust constructions.

For å oppnå tilstrekkelig kraft og fleksibilitet benyttes ofte hydraulisk vesketrykk til å frembringe tilstrekkelig friksjon gjennom presskraft på hjul eller belter som går mot borehullsveggen. In order to achieve sufficient power and flexibility, hydraulic bag pressure is often used to produce sufficient friction through pressing force on wheels or belts that run against the borehole wall.

I fremdriftsmekanismer med direkte mekaniske gir-overføringer mellom drivmotor og hjul/belter, er det nødvendig med en omformerenhet til regulering av det hydrauliske væsketrykket som frembringer skyvekraft på drivhjul/belter mot borehullsveggen. Skyvekraften på drivhjul/belter mot borehullsveggen, må reguleres i forhold til påført mekanisk vri moment fra motoren, slik at det oppnås tilstrekkelig friksjon mellom hjul/belter og borehullsveggen. In propulsion mechanisms with direct mechanical gear transmissions between the drive motor and wheels/belts, a converter unit is required to regulate the hydraulic fluid pressure that produces thrust on the drive wheels/belts against the borehole wall. The pushing force on the drive wheels/belts against the borehole wall must be regulated in relation to the applied mechanical torque from the engine, so that sufficient friction is achieved between the wheels/belts and the borehole wall.

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en koblingsenhet for omforming av mekanisk dreiemoment til hydraulisk væsketrykk i et kjøreverktøy til bruk i borehull. Verktøyet består av et antall moduler forbundet med motor og koblingsenheten. Til modulene er det tilordnet vippearmer med drivhjul. Koblingsenheten omfatter videre et hus med en inngående aksel, en utgående aksel og en ventilaksling. Akslene er konsentriske og roterbare i forhold til huset, roterbare i forhold til hverandre og forspent aksialt mot hverandre av en fjær. Ventilakslingen er glidbart forspent mot en anleggsflate langs omkretsen av den utgående akselen ved sin ene ende, og ved sin andre ende er forbundet med et stempel i en hydraulisk ventilenhet. Den inngående akselen har heliske skråflater langs en omkrets av en endeflate. Den utgående akselen er utstyrt med ruller langs en omkrets, hvilke ruller ligger an mot skråflatene. Et dreiemoment som påføres den inngående akselen medfører at rullene beveges langs skråflatene og forskyver den utgående akselen og dermed ventilakslingen aksialt, slik at trykket i den hydrauliske ventilenheten økes. Videre vil trykket i den hydrauliske ventilenheten overføres gjennom hydrauliske ledninger til hydrauliske sylindre. Stempelet i den hydrauliske ventilenheten består av en fjær og en kule. The present invention relates to a coupling unit for converting mechanical torque into hydraulic fluid pressure in a driving tool for use in boreholes. The tool consists of a number of modules connected to the motor and the coupling unit. Rocker arms with drive wheels are assigned to the modules. The coupling unit further comprises a housing with an input shaft, an output shaft and a valve shaft. The shafts are concentric and rotatable relative to the housing, rotatable relative to each other and axially biased against each other by a spring. The valve shaft is slidably biased against a bearing surface along the circumference of the output shaft at one end, and at its other end is connected to a piston in a hydraulic valve unit. The input shaft has helical bevels along a circumference of an end face. The output shaft is equipped with rollers along a circumference, which rollers abut against the inclined surfaces. A torque applied to the input shaft causes the rollers to move along the inclined surfaces and displace the output shaft and thus the valve shaft axially, so that the pressure in the hydraulic valve unit is increased. Furthermore, the pressure in the hydraulic valve unit will be transferred through hydraulic lines to hydraulic cylinders. The piston in the hydraulic valve assembly consists of a spring and a ball.

Med foreliggende oppfinnelse har en kommet frem til en koblingsenhet som på en funksjonell og praktisk gjennomførbar måte setter relasjon mellom mekanisk dreiemoment og hydraulisk væsketrykk som aktiverer drivhjulene mot borehullsveggen, slik at kraften på drivhjulene mot borehullsveggen reguleres proporsjonalt med mekanisk dreiemomentet. With the present invention, a coupling unit has been arrived at which, in a functional and practically feasible way, establishes a relationship between mechanical torque and hydraulic fluid pressure which activates the drive wheels against the borehole wall, so that the force on the drive wheels against the borehole wall is regulated proportionally to the mechanical torque.

I det etterfølgende beskrives et eksempel på en foretrukket utførelsesform som er anskueliggjort på medfølgende tegninger, hvor: Fig. 1 viser hjulgående modulært oppbygget kjøreverktøy i et borehull; Fig. 2 viser mekanisk drivmekanisme for overføring av vrimoment til drivhjul; Fig. 3 viser snitt av koblingsenheten; Fig. 4 viser detalj av koblingsenhet; Fig. 5 viser prinsipp av ventilfunksjon for hydraulisk trykk på utskyver mekanisme for drivhjul/belter. In what follows, an example of a preferred embodiment is described which is visualized in the accompanying drawings, where: Fig. 1 shows a wheeled, modularly constructed driving tool in a borehole; Fig. 2 shows a mechanical drive mechanism for transferring torque to drive wheels; Fig. 3 shows a section of the coupling unit; Fig. 4 shows a detail of the coupling unit; Fig. 5 shows the principle of valve function for hydraulic pressure on the pusher mechanism for drive wheels/belts.

Det henvises først til figur 1, hvor henvisningstallet 1 angir et borehull for produksjon av olje eller gass. I borehullet 1 er det anbrakt et kjøreverktøy bestående av moduler 6 tilordnet drivhjul 4 festet til vippearmer 5 for radiell forskyvning av hjulene 4 mot borehullsveggen. Reference is first made to figure 1, where the reference number 1 indicates a borehole for the production of oil or gas. In the borehole 1, a driving tool is placed consisting of modules 6 assigned to drive wheels 4 attached to rocker arms 5 for radial displacement of the wheels 4 against the borehole wall.

Kjøreverktøyet drives av en elektromotor 3 med kraft- og signaltilførsel gjennom kabel 7. Mellom motoren 3 og drivmodul 6, er det anordnet en mekanisk koblingsenhet 2 som omhandler oppfinnelsen og som vil bli nærmere beskrevet. The driving tool is driven by an electric motor 3 with power and signal supply through cable 7. Between the motor 3 and drive module 6, there is arranged a mechanical coupling unit 2 which deals with the invention and which will be described in more detail.

Figur 2 viser hovedprinsipp for mekanisk drivverk i kjøreverktøyet. Figure 2 shows the main principle of the mechanical drive in the driving tool.

Fra motoren 3 overføres vrimoment gjennom den mekaniske koblingsenheten 2, videre gjennom gear- eller girhjulene 8, akslingen 9, vinkelgearet eller -giret 36 og gir- eller gearhjulene 35 til drivhjulene 4. From the motor 3, torque is transmitted through the mechanical coupling unit 2, further through the gear or gear wheels 8, the shaft 9, the bevel gear or gear 36 and the gear or gear wheels 35 to the drive wheels 4.

Drivhjulene 4 presses mot borehullsveggen ved hjelp av vippearmen 5 og hydrauliske sylindere 31 med fortanning som går i inngrep med tannhjulet 32 festet til vippearmen 5. The drive wheels 4 are pressed against the borehole wall by means of the rocker arm 5 and hydraulic cylinders 31 with teeth which engage with the gear wheel 32 attached to the rocker arm 5.

Koblingsenheten 2 sin funksjon er å regulere det hydrauliske trykket på stemplene 31 slik at dette blir proporsjonalt med vrimomentet på motoren 3. Ved stort vri moment øker det hydrauliske trykket og derved presses drivhjulene 4 hardere mot borehullsveggen 1. Denne funksjonaliteten er nødvendig for at kjøreverktøyet skal kunne til-passe seg, og forsere forskjellige diametre i borehullet. Figur 2 viser hovedprinsipp for overføring av vrimoment 10, fra motoren 3 gjennom koblingsenheten 2, videre gjennom akselen 9, vinkeldrevet 35 til drivhjulene 4. Figur 3 viser snitt gjennom koblingsenheten 2 med inngående aksel 12 og utgående aksel 15. Inngående aksel 12 er opplagret til huset 11 i kulelager 13 og forsynt med skråflater 25 som går i inngrep mot ruller 24 opplagret om bolten 34 på ansatsen 33 på utgående aksel 15. Utgående aksel 15 er opplagret på kulelager 14. The function of the coupling unit 2 is to regulate the hydraulic pressure on the pistons 31 so that this is proportional to the torque on the motor 3. At high torque, the hydraulic pressure increases and thereby the drive wheels 4 are pressed harder against the borehole wall 1. This functionality is necessary for the driving tool to could adapt, and force different diameters in the borehole. Figure 2 shows the main principle for the transmission of torque 10, from the motor 3 through the coupling unit 2, further through the shaft 9, the angular drive 35 to the drive wheels 4. Figure 3 shows a section through the coupling unit 2 with input shaft 12 and output shaft 15. Input shaft 12 is stored to housing 11 in ball bearing 13 and provided with inclined surfaces 25 which engage rollers 24 supported on bolt 34 on shoulder 33 on output shaft 15. Output shaft 15 is supported on ball bearing 14.

Et adapter 17 er forsynt med splines 23 i inngrep mot tilsvarende splines på huset 11, slik adapteret bare kan forskyves aksielt. An adapter 17 is provided with splines 23 in engagement with corresponding splines on the housing 11, so that the adapter can only be displaced axially.

Fjæren 20 presser adapteret 23 mot lageret 14 og ansatsen 33, slik at rullene 24 alltid ligger i inngrep mot skråflatene 25. The spring 20 presses the adapter 23 against the bearing 14 and the shoulder 33, so that the rollers 24 are always in engagement with the inclined surfaces 25.

Nar det så påføres moment 10 på inngående aksel 12, vil det, avhengig av fjærkraften 20, oppstå en vridning mellom inngående og utgående aksel, 12 og 15. Vridningen oppstår ved at rullene 24 beveges på skråflatene 25. Denne vridningen gir en aksial forskyvning av adapteret 23 og videre til akslingen 21 som går i anslag med adapteret 23 gjennom anleggsflaten 22. When moment 10 is then applied to the input shaft 12, depending on the spring force 20, a twisting will occur between the input and output shafts, 12 and 15. The twisting occurs when the rollers 24 are moved on the inclined surfaces 25. This twisting gives an axial displacement of the adapter 23 and on to the shaft 21 which abuts the adapter 23 through the contact surface 22.

Forskyvningen 29 av akselen 21 overføres til en fjær 26 inne i ventilenheten 16. Kraften fra fjæren 26 presser kulen 27 mot anlegget 28, slik at det hydrauliske trykket fra pumpen 29 øker og gir derved økt skyvekraft på sylindrene 31. Skyvekraften fra sylindrene 31 overføres til vippearmen 5 gjennom tannhjulet 31 i inngrep med fortanning på sylindrene 31. The displacement 29 of the shaft 21 is transferred to a spring 26 inside the valve unit 16. The force from the spring 26 presses the ball 27 against the plant 28, so that the hydraulic pressure from the pump 29 increases and thereby gives increased thrust on the cylinders 31. The thrust from the cylinders 31 is transferred to the rocker arm 5 through the gear 31 in engagement with the teeth on the cylinders 31.

Claims

1. Coupling unit (2) for converting mechanical torque into hydraulic fluid pressure in a driving tool for use in boreholes where the tool consists of a number of modules (6) connected to the motor (3) and the coupling unit (2), where the modules (6) is assigned rocker arms (5) with drive wheels (4), and where the coupling unit (2) comprises a housing (11) with an input shaft (12), an output shaft (15) and a valve shaft (21), where the shafts (12,15) are concentric and rotatable in relation to the housing (11), rotatable in relation to each other and biased axially towards each other by a spring (20), and where the valve shaft (21) is slidably biased against a contact surface (22 ) along the circumference of the output shaft (15) at one end, and at its other end is connected to a piston in a hydraulic valve unit (16), characterized by the input shaft (12) has helical inclined surfaces (25) along a circumference of an end surface, and that the output shaft (15) is equipped with rollers (24) along a circumference, which rollers (24) abut against the inclined surfaces (25) , whereby a torque (10) applied to the input shaft (12) causes the rollers (24) to move along the inclined surfaces (25) and displace the output shaft (15) and thus the valve shaft (21) axially, so that the pressure in the hydraulic valve unit ( 16) is increased.

2. Coupling unit according to claim 1, where the pressure in the hydraulic valve unit (16) is transferred through hydraulic lines (30) to hydraulic cylinders (31).

3. Coupling unit according to claim 1, where the piston in the hydraulic valve unit (16) consists of a spring (26) and a ball (27).