NO20130633A1

NO20130633A1 - Bormotordrivenhet for hoy temperatur med sykloidalt reduksjonsgir

Info

Publication number: NO20130633A1
Application number: NO20130633A
Authority: NO
Inventors: Olof Hummes
Original assignee: Baker Hughes Inc
Priority date: 2010-12-22
Filing date: 2013-05-06
Publication date: 2013-05-13
Also published as: US8602127B2; WO2012087752A2; BR112013014769A2; US20120160569A1; WO2012087752A4; GB201308446D0; AU2011349637A1; AU2011349637B2; WO2012087752A3; GB2500505A

Abstract

En bunnhullsammenstilling har en borkrone som drives av en borehullturbin. Turbinhastigheten reduseres ved hjelp av sykloidal utveksling som ikke krever noen temperatursensitive forseglinger når driftstemperaturene i noen anvendelser overstiger 350 grader F. Den utgående akselen på det sykloidale reduksjonsgiret går gjennom et lager før forbindelse med borkronen eller tilhørende opprømmer. Det drivende fluidet kan være boreslammet. Boret kan drives ved ønskede hastigheter som 50-300 o/min, mens hastighetsreduksjonsforholdet kan være i størrelsesordenen 10 til 1 eller mer. Denne drivenhetsammenstillingen kan erstatte borehullplasserte motordrivenheterav Moineau- type som har temperaturbegrensninger på grunn av at det brukes gummi i statorene.

Description

BORMOTORDRIVENHET FOR HØY TEMPERATUR MED SYKLOID ALT

REDUKSJONSGIR

Oppfinner: Olof Hummes

OMRÅDET FOR OPPFINNELSEN

[0001] Området for oppfinnelsen er drivenheter for borkroner og mer spesielt de som kombinerer en høyhastighetsturbin med sykloidal hastighetsreduksjonsutveksling.

BAKGRUNNEN FOR OPPFINNELSEN

[0002] Borkroner av roterende eller PDC-type dreies typisk omkring 50-300 o/min. Når boret drives med en borehullplassert motor, brukes typisk en Moineau-design til å rotere det. Denne motoren av typen progresserende hulrom oppviser en gummistator med en metallisk rotor som dreier inne i den og der det sirkulerende fluidet forårsaker akselrotasjon etter som det progresserende hulrommet får rotoren som er festet til borkronen, til å rotere med en hastighet som er bestemt av motorkonfigurasjonen og det strømmende fluidets parametere. Problemet med slike borehullplasserte motorer er en temperaturgrense for bruk på omkring 380 grader F på grunn av at det brukes gummikomponenter. Mange brønnmiljøer har høyere temperatur, slik at det trengs en alternativ måte å drive borkronen på ved anvendelse i slike høye temperaturer.

[0003] I borehullanvendelser er det brukt turbiner som snur borkroner med en girkasse for at borkronen skal få riktig ytelseshastighet En slik design er illustrert i USP 4 434 862. Anvendelser med girkasser har liknende problemer med høy temperatur når det gjelder girkassens forseglingsmaterialer og smøremiddelets yteevne. Andre referanser som bruker turbiner i borehullanvendelser er USP 4 678 045, 5 394 951, 5 517 464 (drift av en generator), 7 140 444 (drift av en rotasjonsskjærer) og 7 066 284 (turbin som et drivenhetalternativ for en bunnhullsammenstilling av en borkrone og tilhørende opprømmer.

[0004] Tidligere turbinanvendelser har enten ikke vært forbundet med borkroner, eller dersom de har vært forbundet med borkroner, så har de tatt i bruk mekaniske drivenhet som hadde innkapslede hus og krevde forseglinger som hadde temperaturgrenser for bruk liknende de for pumpene med progresserende hulrom som kunne rotere ved ønsket borkronehastighet uten hastighetsreduksjon.

[0005] Sykloidale hastighetsreduksjonsanordninger er blitt brukt i bilindustrien for differensialer som illustrert i USP 7 749 123. Prinsippet er blitt tatt i bruk som en borehullplassert motordesign i USP 7 226 279 og som del av en roterende, styrbar bunnhullsammenstilling i USP 7 467 673. Et sykloidalt reduksjonsgir i en kjent design er illustrert i fig. 2. En drivaksel 10 er forbundet med en motor eller drivenhet 12. Akselen 10 er forbundet med navet 14 eksentrisk. Et drev 16 dreier med navet 14 på en eksentrisk måte. Drevet 16 har en rekke eksterne neser 18. En stator 20 holdes fast rundt nesene 18 og har mellomrom 22 som nesene 18 går inn og ut av etter som drevet 16 roterer eksentrisk. Drevet 16 har en rekke hull 24 hvorigjennom det går stenger 26 som er forbundet med akselen 28. Etter som drevet 16 roterer eksentrisk ved høy hastighet, definerer stengene 26 et bevegelsesmønster som følger de sirkulære kantene på hullene 24. Som en følge av dette roterer akselen 28 i motsatt retning av akselen 10 og ved en lavere hastighet. Reduksjonshastigheten for den sykloidale drivenheten fås fra følgende formel, der P er antall ringdrevtapper 30 og L er antall tapper 32 på den sykloidale skiven.

[0006] Fordelen ved en sykloidal drivenhet er at det er et åpent transmisjonssystem som egner seg godt til bruk ved høy temperatur ettersom det ikke krever temperatursensitive forseglinger. Ettersom turbiner typisk opererer ved hastigheter godt over den typiske borkronehastigheten, gjør den forbindelsen til en turbindrivenhet for å unngå temperaturbegrensningene ved en Moineau-pumpe med progresserende hulrom som egner seg godt til bruken av sykloidal utveksling for å få en passende ytelseshastighet for borkronen. Turbinutblåsingen kan også løpe gjennom reduksjonsgiret for å åpne for større designfleksibilitet i komponentutformingen i et plassbegrenset miljø. Selv om det er noen problemer med sykloidale reduksjonsgir, for eksempel vibrasjon, finnes det enkle løsninger på disse problemene samtidig som totaldesignen holdes enkel og kompakt. Fagpersoner vil lettere forstå den foreliggende oppfinnelsen ved å gå gjennom beskrivelsen av den foretrukne utførelsesformen og de tilhørende tegningene, samtidig som det innses at oppfinnelsens fulle omfang finnes i de vedlagte kravene.

SAMMENDRAG AV OPPFINNELSEN

[0007] En bunnhullsammenstilling har en borkrone som drives av en borehullplassert turbin. Turbinhastigheten reduseres ved hjelp av sykloidal utveksling som ikke krever temperatursensitive forseglinger når driftstemperaturene i noen anvendelser overstiger 350 grader F. Den utgående akselen på det sykloidale reduksjonsgiret går gjennom et lager før forbindelse med borkronen eller tilhørende opprømmer. Det drivende fluidet kan være boreslammet Borkronen kan drives ved ønskede hastigheter som 50-300 o/min, mens hastighetsreduksjonsforholdet kan være i størrelsesordenen 10 til 1 eller mer. Denne drivenhetsammenstillingen kan erstatte borehullplasserte motordrivenheter av Moineau-type som har temperaturbegrensninger på grunn av at det brukes gummi i statorene.

KORT BESKRIVELSE AV TEGNINGENE

[0008] Fig. 1 er et utsnittsriss av drivenhetsystemet som viser turbinen og det sykloidale reduksjonsgiret;

[0009] Fig. 2 viser hvordan kjente sykloidale reduksjonsgir opererer for å få til en hastighetsreduksj on.

DETALJERT BESKRIVELSE AV DEN FORETRUKNE UTFØRELSESFORMEN

[0010] Fig. 1 viser et drivenhethus 40 som har en øvre ende 42 forbundet med en rørstreng som ikke er vist. Bortenfor den nedre enden 44 av huset 40 er en borkronesammenstilling eller andre kjente bore- og måleverktøy skjematisk representert som 46. For boring kan sammenstillingen 46 være en hvilken som helst av en rekke borkronedesigner, inkludert en tilstøtende opprømmer. Selv om den foretrukne anvendelsen er å dreie en borehullplassert borkrone, kan andre anordninger roteres av drivenheten som skal beskrives. Inne i huset 40 er det en turbin 48 som kan kjøres på en rekke fluider 63, som gasser eller damp, eller væsker som boreslam. Selve turbinen er en kjent design og oppviser en utgående aksel 50 som har en endeeksentrisk komponent 52 som er ekvivalent til aksel 10 vist i fig. 2. Akselstubben 52 er faktisk også navet for det eksentriske drevet 54 som er ekvivalent til ring 16 i fig. 2. Den utgående akselen 56 er ekvivalent til aksel 28 i fig. 2.1 utførelsesformen i henhold til fig. 1 er aksel 56 bygd som en fleksibel aksel for å akkomodere den eksentriske bevegelsen av drev 54 og overføre den tilbake til sentrisk rotasjon for å drive borkronen 46. Dette eliminerer mengden tapper sett som gjenstand 26 i fig. 2, noe som fordelaktig reduserer antallet kontaktflater i relativ bevegelse. Det alternative prinsippet vist i fig. 2, som bruker aksel 28 og tappene 26 og tilsvarende modifisering av drev 54, kan imidlertid brukes til å spare sammenstillingslengde og oppnå en mer kompakt design. Lager 60 støtter aksel 56 og kan være én av en rekke lagertyper som er kjent teknikk, som friksjons-/bærelager eller rullelager. Én av stator 58 eller drev eller rotor 54 kan lages av et hardt materiale som stål eller keramikk, eller ha en karbid- eller diamantbelagt overflate, og den andre kan lages av et elastisk materiale som en ekstorner. Alternativt kan begge lages av et hardt materiale, eller begge kan lages av det elastiske materialet. Kontaktflatene mellom 54 og 58 kan ha en prisme- eller spiraldesign. Rotor 54 har en sykloidal profil, og stator 58 omfatter et sirkulært mønster av bolter satt i avstand fra hverandre som er av keramikk, stål, karbid- eller diamantbelagt materiale.

[0011] Utblåsingen av drivenhetfluid 63 som kommer inn i turbinen 48 fra den øvre enden 42 av hus 40, kan dirigeres til å gå ut lateralt før den sykloidale utvekslingsreduksjonssammensetningen 62, eller i tilfelle boreslam kan utblåsingen gå gjennom sammenstillingen 62 eller gjennom lageret 60 og ned til borkronesammenstillingen 46 samtidig som den fjerner avskjær fra boreoperasjonen.

[0012] De store toleransene som kan brukes i en sykloidal utvekslingsreduksjonssammenstilling, betyr at den kan forbli funksjonell selv etter at den er blitt noe slitt av bruk. Ettersom det ikke er noe behov for å forsegle fluidtrykk i dette systemet, kan komponentene være av slitesterke materialer, og toleransene og klaringene hos de bevegelige delene kan være relativt større enn i tidligere systemer.

[0013] Andre anordninger i et boremiljø kan være turbindrevne gjennom en sykloidal reduksjonsutveksling som beskrevet ovenfor. Selv om det sykloidale utvekslingssystemet presenterer noen tekniske utfordringer, kan det også brukes som en hastighetsøker, slik at en positiv forflytningsmotor ved lav hastighet vil drive en aksel som 56, og den resulterende raskere ytelsen vil oppnås ved en aksel som 50, som kan festes til en generator som trenger høyere rotasjonshastighet enn en borkrone.

[0014] Beskrivelsen ovenfor illustrerer den foretrukne utførelsesformen, og mange modifiseringer kan gjøres av fagpersoner uten at det avviker fra oppfinnelsen, hvis omfang må bestemmes ut ifra det bokstavlige og ekvivalente omfanget av kravene nedenfor.

Claims

1. Drivenhet for et underjordisk verktøy eller komponent som kan brukes i miljøer med høy temperatur, som omfatter: et hus som har en endeforbindelse for å forbindes med en rørstreng; en turbin i huset som har en utgående aksel med en eksentrisk endekomponent; et sykloidalt reduksjonsgir som drives av endekomponenten og har en utgående aksel som roterer verktøyet eller komponenten; turbinen som opereres av fluid som leveres til huset fra strengen.

2. Drivenhet i henhold til krav 1, der: turbinen kjører på boreslam som leveres til huset.

3. Drivenhet i henhold til krav 2, der: boreslammet flyter gjennom det sykloidale reduksjonsgiret etter å ha kommet ut av turbinen.

4. Drivenhet i henhold til krav 3, der: boreslammet flyter til verktøyet etter å ha kommet ut av det sykloidale reduksjonsgiret.

5. Drivenhet i henhold til krav 5, der: verktøyet omfatter en borkrone.

6. Drivenhet i henhold til krav 1, der: den utgående akselen ytterligere omfatter et lager i huset.

7. Drivenhet i henhold til krav 1, der: det sykloidale reduksjonsgiret har et hastighetsreduserende forhold på opptil 10:1.

8. Drivenhet i henhold til krav 5, der: den utgående akselen ytterligere omfatter et lager i huset.

9. Drivenhet i henhold til krav 8, der: det sykloidale reduksjonsgiret har et hastighetsreduserende forhold på opptil 10:1.

10. Drivenhet i henhold til krav 2, der: boreslammet går forbi det sykloidale reduksjonsgiret etter å ha kommet ut av turbinen.

11. Drivenhet i henhold til krav 10, der: boreslammet flyter til verktøyet etter å ha kommet ut av det sykloidale reduksjonsgiret.

12. Drivenhet i henhold til krav 6, der: lageret omfatter én av friksjons-/bære- eller rullelager.

13. Drivenhet i henhold til krav 1, der: det sykloidale reduksjonsgiret omfatter en rotor og en stator som er laget av samme eller ulike materialer.

14. Drivenhet i henhold til krav 13, der: de ulike materialene omfatter på én side et hardt materiale som stål eller keramikk, eller har en karbid- eller diamantbelagt overflate, og på den annen side kan lages av et elastisk materiale som en elastomer.

15. Drivenhet i henhold til krav 13, der: de identiske materialene omfatter et hardt materiale som stål eller keramikk, eller en karbid-eller diamantbelagt overflate, eller et elastisk materiale som en elastomer.

16. Drivenhet i henhold til krav 13, der: kontaktflatene mellom rotoren og statoren har en prismeformet eller spiralformet design.

17. Drivenhet i henhold til krav 13, der: rotoren har en sylindrisk profil og statoren omfatter et sirkulært mønster av bolter satt i avstand fra hverandre som er av keramikk, stål, karbid- eller diamantbelagt materiale.