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    Chassis (31) für ein Bohrlochwerkzeug mit einem Bohrstrang (190), der wenigstens eine Schwerstange (26) aufweist, durch die Bohrflüssigkeit fließt, wobei das Chassis (31) einen ersten Abschnitt, der in der Schwerstange (26) positionierbar ist, einen Durchflußkanal (34) für den Fluß von Bohrflüssigkeit durch die Schwerstange (26) aufweist, aus gut bearbeitbarem Material hergestellt ist und wenigstens einen Hohlraum (40) zur Aufnahme von Komponenten (32a, 32b) aufweist, und einen zweiten Abschnitt umfaßt, der derart um den ersten Abschnitt positioniert ist, daß der erste Abschnitt gegenüber der Bohrflüssigkeit isoliert ist, und der aus einem Material hoher Festigkeit und/oder einem verschleißfesten Material gebildet ist.
    公开号:DE102004023862A1
    申请号:DE102004023862
    申请日:2004-05-12
    公开日:2004-12-02
    发明作者:Steven G. Houston Villareal
    申请人:Schlumberger Holdings Ltd；
    IPC主号:E21B17-16
    专利说明:
    [0001] Dievorliegende Erfindung betrifft ein Chassis für ein Bohrlochwerkzeug nachdem Oberbegriff des Anspruchs 1.
    [0002] Arbeitenim Bohrloch, wie sie beispielsweise beim Bohren und/oder beim Gewinnenvon Kohlenwasserstoffen durchgeführtwerden, finden üblicherweisein extremen Tiefen unter extremen Drücken und extremen Temperaturenstatt. Derartige Rahmenbedingungen können die Durchführung vonArbeiten im Bohrloch erschweren und führen häufig zu Beschädigungenvon Bohrlocheinrichtungen. Es ist daher erforderlich, daß Bohrlocheinrichtungenin der Lage sind, unter derart schwierigen Rahmenbedingungen betriebenzu werden.
    [0003] Werkzeugezur Verwendung in Bohrlöchern sindhohen äußeren Drücken ausgesetzt,die durch das Bohrloch und die umgebenden Formationen erzeugt werden.Zusätzlichsind diese Bohrlochwerkzeuge inneren Drücken ausgesetzt, die von Bohrflüssigkeitenunter hohem Druck herrühren,die während derBohrarbeiten durch das Bohrlochwerkzeug gepumpt werden. Bohrflüssigkeitwird dabei unter hohem Druck von der Oberfläche nach unten durch das Bohrlochwerkzeugzu einem Bohrer gepumpt. Die Bohrflüssigkeit durchquert den Bohrerund kehrt zur Oberflächezurück,wobei sie Bohrmehl aus der Formation trägt.
    [0004] 1 zeigt einen üblichenBohrturm und Bohrstrang. Ein Land-basierter Bohrturm 180 wird über einemBohrloch 110 positioniert, das eine unterirdische FormationF durchquert. Das Bohrloch 110 wird auf bekannte Weisedurch Rotationsbohren gebildet. Ein Bohrstrang 190 wirdin das Bohrloch 110 hinabgelassen und weist einen Bohrer 170 anseinem unteren Ende auf.
    [0005] DerBohrstrang 190 umfaßtferner eine Bohrlochbodenanordnung (bottom hole assembly, BHA) 150.Die BHA 150 kann verschiedene Module oder Vorrichtungenmit verschiedenen Eigenschaften, beispielsweise Messen, Verarbeitenund Speichern von Information und Kommunizieren mit der Oberfläche, aufweisen,wie ausführlicherin U.S. 6,230,557 beschrieben ist. Wie in 1 gezeigt, verfügt die BHA 150 über sichradial auswärtserstreckende Stabilisierungsflügel 195.
    [0006] DerBohrstrang 190 weist einen offenen inneren Kanal 100 auf,durch den Hochdruck-Bohrflüssigkeit/Schlamm 120 vonder Oberflächedurch den Bohrstrang 190 bis zum Bohrer 170 undaus diesem herausströmt.Die Bohrflüssigkeit 120 oderder Bohrschlamm 120 werden durch eine Pumpe 140 durch deninneren Kanal 100 gepumpt, wodurch die Bohrflüssigkeit 120 veranlaßt wird,nach unten durch den Bohrstrang 190 zu fließen. DieBohrflüssigkeit 120 trittdurch Öffnungenim Bohrer 170 aus dem Bohrstrang 190 aus und fließt durchden Ringraum 130 zwischen dem Äußeren des Bohrstrangs 190 undder Wand des Bohrlochs 110 wie durch die Pfeile gezeigt nachoben. Auf diese Weise schmiert die Bohrflüssigkeit 120 den Bohrer 170 undträgt Bohrmehlder Formation zur Oberflächehinauf, wenn es zur Rezirkulation zur Oberfläche zurückkehrt.
    [0007] DieSchlammsäuleim Bohrstrang 190 kann auch als Übertragungsmedium zum Übertragenvon Signalen, die Messungen von Bohrlochparametern enthalten, andie Oberflächedienen. Die Signalübertragungwird durch die bekannte Technik der Schlammpulserzeugung erzielt,bei der Druckimpulse in der Schlammsäule im Bohrstrang 190 erzeugt werden,die im Bohrloch 110 aufgenommenen Parametern entsprechen.Die Bohrlochparameter werden durch Instrumente aufgenommen, dieim BHA 150 nahe oder benachbart zum Bohrer 170 montiertsind. Im Schlammstrom im Bohrstrang 190 werden Druckimpulseerzeugt, die von einem Druckwandler empfangen und dann zu einerSignalempfangseinheit übertragenwerden, die die Signale aufnehmen, darstellen und/oder Berechnungenzugrunde legen kann, um Informationen über verschiedene Bedingungenim Bohrloch 110 bereitzustellen.
    [0008] Wegender widrigen Bedingungen fürArbeiten im Bohrloch wird der Entwurf von Bohrloch-Druckgehäusen üblicherweisedurch die Festigkeit vorgegeben, die erforderlich ist, um dem hohen Druck,der hohen Temperatur und den Erschütterungen beim Bohrvorgangzu widerstehen. Beim Entwurf werden Materialien typischerweise basierendauf den Belastungsanforderungen ausgewählt, die hohen Druck, axialeKompression und Materialschwächeinfolge der Temperatur, des Biegens und der Erschütterungwährenddes Bohrvorgangs umfassen. Materialien mit hoher Festigkeit können für dieseHochdruckanwendungen verwendet werden. Leider weisen diese Materialienim Vergleich zu üblichenMaterialien wie rostfreiem Stahl eine geringe Bearbeitbarkeit auf.
    [0009] Während derBohrarbeiten ist es üblich,daß sichdie Bohrlochanordnung in einer Umgebung befindet, in der der Außendurchmesserdes Werkzeugs einem niedrigen Druck und die inneren Teile des Bohrlochwerkzeugs(insbesondere dort, wo die Bohrflüssigkeit fließt) einemhohen Druck ausgesetzt sind. Daher ist es erforderlich, eine Strukturzu entwerfen, die, wenn sie währendBohrlocharbeiten gleichzeitig verschiedenen Drücken ausgesetzt ist, sowohldie innere als auch die äußere Integrität aufrechterhält. EineLösungbesteht darin, ein einziges Material hoher Festigkeit mit einergegebenen Dicke fürdiese Anwendung auszuwählen.Allerdings kann zusätzlich zuder Notwendigkeit, daß dasBohrlochwerkzeug den Drückenbeim Bohren widersteht, das Bohrlochwerkzeug auch potenziell empfindlicheKomponenten tragen, beispielsweise Instrumente mit Schaltkreisplatinen,die fürMessen-beim-Bohren-(measurement while drilling MWD)-Arbeiten verwendetwerden. Das Verfahren zum Installieren solcher Komponenten umfaßt aufwendigeBearbeitungsarbeiten. Beim Montieren solcher Komponenten kann eserforderlich sein, im Bohrlochwerkzeug tiefgefräste Taschen zu erzeugen undGewindelöcherzu bohren, um alle Komponenten adäquat zu sichern. In einer typischenMWD-Komponente kann es erforderlich sein, Hunderte von Löchern zubohren, um die Schaltkreisplatinen zu befestigen.
    [0010] Infolgeder verschiedenen Bedingungen, bei denen das Bohrlochwerkzeug arbeitenmuß, undder inneren Gestaltung des Bohrlochwerkzeugs, gibt es einander widersprechendeAnforderungen fürdie Konstruktion des Bohrlochwerkzeugs. Das Bohrlochwerkzeug istmit einem inneren Druckgehäuseoder Chassis versehen, das in einer Schwerstange oder im BHA entfernbarangeordnet ist. Um der Belastung durch die Umgebung zu widerstehen,ist es üblicherweiseerforderlich, ein Material hoher Festigkeit zu verwenden, um dasChassis zu bilden. Allerdings haben Materialien hoher Festigkeit üblicherweiseeine geringe Bearbeitbarkeit, da die Oberflächenhärte proportional zur Festigkeitist. Materialien, die einer Bearbeitung zugänglicher sind, weisen möglicherweisenicht die erforderliche Festigkeit auf, um den hohen Drücken zuwiderstehen, die währendder Bohrarbeiten auftreten. Infolge der Hochdruckumgebung, in derdas Bohrlochwerkzeug arbeitet, ist es in der Praxis üblich, Superlegierungsmaterialiengeringer Verarbeitbarkeit zu verwenden und Bearbeitungsverfahrenin Kauf zu nehmen, die zeitaufwendig und/oder wenig effizient sind,um Oberflächenzur Montage der Komponenten zu schaffen.
    [0011] ObwohlLegierungen hoher Festigkeit, wie vorstehend ausgeführt, für Hochdruckumgebungen erforderlichsind, benötigendiese Legierungen eine längereBearbeitungszeit. Die längereBearbeitungszeit ist oft das Ergebnis davon, daß die Zuführrate und die Drehgeschwindigkeitbei der Bearbeitung von Materialien mit hoher Oberflächenhärte verringertwerden, um die Abnutzung und Klappern von Schneidwerkzeugen zu minimieren.Eine Verwendung derartiger Legierungen für Teile, die erhebliches Fräsen erfordernund viele Gewindelöcheraufweisen, hat daher einen nachteiligen Einfluß auf die Herstellungskosten.Zudem wird das Material währenddes Fräsvorgangs,der zum Erzeugen der Taschen im Chassis des Bohrlochwerkzeugs verwendetwird, um eine bestimmte Dicke abgefräst, die erforderlich ist, umeine Komponente derart zu montieren, daß sie ordentlich in das Chassispaßt.Allerdings muß dasChassis üblicherweiseeine Mindestdicke und damit eine Höchstbearbeitungstiefe behalten.Der Entwurf erfordert eine Mindestdicke des Materials, um eine maximaleFestigkeit gegen die hohen Drückeder Bohrflüssigkeitsicherzustellen. Wenn diese Mindestdicke während der Bearbeitung unterschrittenwird, kann es erforderlich werden, das gesamte Chassis wegzuwerfenund den gesamten Bearbeitungsvorgang erneut zu starten. Ferner muß, wennwährenddes Bearbeitungsvorgangs Fehler auftreten, das gesamte Teil weggeworfenwerden, da nachfolgende Reparaturen typischerweise die Integrität des Chassisbeeinträchtigen.
    [0012] Eine Überprüfung derImplementation eines Bohrlochwerkzeugs in einer Bohrlochumgebung weistdarauf hin, daß dieBeanspruchung nicht gleichförmig über denDurchschnitt des Bohrlochwerkzeugs verteilt ist. Deshalb ist einMaterial hoher Festigkeit oder hoher Nachgiebigkeit nicht über den gesamtenQuerschnitt des Chassis erforderlich. Tatsächlich kann Material, das jenseitseines berechneten inneren Durchmessers von der Oberfläche, die hohemDruck ausgesetzt ist, angeordnet ist, eine geringere Streckgrenzeaufweisen und immer noch ausreichend strukturelle Unterstützung bereitstellen, umzuverlässigzu funktionieren. Die Bearbeitung eines Rohmaterials, das in seinemQuerschnitt optimale Eigenschaften aufweist, kann Kosten verringern undeine Gestaltungsspielräumeeröffnen,ohne die Zuverlässigkeitzu beeinträchtigen.Da verschiedene Abschnitte des Chassis verschiedenen Drücken ausgesetztsind, könnteeine Alternative darin bestehen, das Chassis aus mehreren Metallenbasierend auf den Druck- und Bearbeitungsanforderungen zu konstruieren.
    [0013] ZumBereitstellen von Materialien, die niedrigen Umgebungen ausgesetztsind, sind verschiedene Techniken entwickelt worden. Beispielsweisebeschreibt U.S. 6,309,762 einen bearbeiteten Artikel mit einer verschleißresistenten zylindrischenOberflächein einem sich durch den Artikel erstreckenden Kanal, und U.S. 4,544,523beschreibt ein Verfahren zum Herstellen eines Artikels aus einerLegierung durch Verdichten von Metallpartikeln entlang eines innerenKanals. Ein weiteres Beispiel, das eine Ölförderung von der Oberfläche betrifft,ist U.S. 6,148,866. Daraus ist ein aufrollbares Verbundrohr bekannt,das aus Polymerbasierten Materialien zur Verwendung in Rohren hoherFestigkeit gebildet ist, die als Druckgehäuse wirken. In diesen Beispielensind keine Komponenten an die Oberflächen der Materialien mit hoherVerschleißresistenzoder hoher Festigkeit montiert. Zudem sind diese Rohre nicht dazuausgestaltet, den vollständigenDifferenzialdruck aufzunehmen, sondern nur dazu, den Druckunterschiedzwischen dem Ring und dem inneren Durchmesser des Rohrs.
    [0014] Trotzder Entwicklung derartiger Techniken zur Bewältigung widriger Bedingungenverbleibt ein Bedürfnisnach Materialien, die in der Lage sind, Bedingungen im Bohrlochzu widerstehen und gleichzeitig die Schwierigkeiten zu verringern,die bei der Herstellung und/oder dem Bearbeitungsvorgang angetroffenwerden.
    [0015] BeiBohrarbeiten im Bohrloch ist nicht jeder Ort des Chassis des Bohrlochwerkzeugswährend derBohrarbeiten denselben Drückenausgesetzt. Tatsächlichist die äußere Oberfläche einesChassis, die zur Montage von Komponenten einer Bearbeitung bedarf,nur atmosphärischenDrückenausgesetzt. Typischerweise ist die innere Struktur des Bohrlochwerkzeugs,wo die Bohrflüssigkeitfließtund die verringerte Bearbeitungsanforderungen aufweist, den hohenDrückenausgesetzt. Dementsprechend besteht ein Bedarf für eine BHA, die mit Materialien konstruiertwerden kann, die sowohl der Umgebungsbelastung standhalten können alsauch eine gute Bearbeitbarkeit aufweisen. Es ist wünschenswert,daß einsolches Bohrlochwerkzeug einfacher herstellbar und wartbar ist,zu einer verringerten Abnutzung der Werkzeuge, die zu seiner Herstellung verwendetwerden, führtund die Lebenszeit der Herstellungsvorrichtungen (Fräsen, Gewindebohrer, etc.)verlängert.Es ist ferner wünschenswert,daß dasBohrlochwerkzeug einen oder mehrere der nachfolgenden Vorteile aufweist:Haltbarkeit selbst bei Bohrarbeiten unter hohem Druck, Kompatibilität mit Bohrflüssigkeiten,Widerstandsfähigkeitgegenüber Druck,einfache Herstellung und/oder einfacher Zusammenbau, einfache Reparaturund Erosionsbeständigkeit.
    [0016] DerErfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Chassis für ein Bohrlochwerkzeugnach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, das die vorgenanntenVorteile aufweist.
    [0017] DieseAufgabe wird entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Hierdurchwird ein Chassis fürein Bohrlochwerkzeug geschaffen, das einen ersten Abschnitt auseinem Metall hoher Festigkeit umfaßt, der sowohl als Führung für eine Bohrflüssigkeitals auch als ein inneres Druckgehäuse dient, um vor der Bohrflüssigkeitunter hohem Druck zu schützen.Das Bohrlochwerkzeug umfaßtferner einen zweiten äußeren Abschnittaus Metall hoher Bearbeitbarkeit, das den Metallkern hoher Festigkeit umgibt.Der äußere Abschnittumfaßtein Metall, das einer Bearbeitung zugänglicher ist, um Instrumente undandere Komponenten bei verringerten Herstellungskosten unterzubringen.Das Bohrlochwerkzeug kann als vollständig verdichtetes Teil ausgebildet werden,wodurch Belastungen verteilt werden.
    [0018] Somitwerden Kosten verringert, indem teure Materialien hoher Festigkeitnur in den Abschnitten des Chassis verwendet werden, wo die zusätzliche Festigkeiterforderlich ist.
    [0019] FernerkönnenMaterialien geringerer Festigkeit nunmehr in größeren Abschnitten des Chassis verwendetwerden, um die Bearbeitbarkeit zu erleichtern und/oder Schweißreparaturenzu ermöglichen, wobeijedoch die Festigkeit des gesamten Chassis nicht beeinträchtigt wird.
    [0020] Zudemkann verschleißfestesMaterial entlang der Oberflächenverwendet werden, die einem Flüssigkeitsfluß ausgesetztsind, um deren Abnutzung zu verringern.
    [0021] DieVerwendung von Material hoher Festigkeit im Inneren verkürzt denEntwurfszyklus fürein Chassis, das fürMaterial niedrigerer Nachgiebigkeit ausgelegt war, z.B. Nitronic-50,gegenüberInconel, wobei die Flächentiefer sein könnenund somit mehr Platz fürzu montierende Komponenten geschaffen wird.
    [0022] Dievorliegende Erfindung ist fürDruckgehäuseverwendbar, die am Außendurchmessereinem hohen Druck und am Innendurchmesser einem niedrigen Druck,und umgekehrt, ausgesetzt sind. Zudem können Materialschichten so ausgewählt werden,daß sieeine erhöhteWärmeleitfähigkeitaufweisen, um Wärmevon Komponenten, die im atmosphärischenDruck angeordnet sind, besser zur Bohrflüssigkeit abzuleiten.
    [0023] DieAbschnitte könnenmittels des HIP-Verfahrens oder eines anderen Verfahrens, beispielsweiseSchweißenoder Bonden, insbesondere metallurgisch verbunden miteinander verwendetwerden.
    [0024] WeitereAusgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibungund den Unteransprüchenzu entnehmen.
    [0025] DieErfindung wird nachstehend anhand von in den beigefügten Figurendargestellten Ausführungsbeispielennäher erläutert.
    [0026] 1 zeigt einen bekanntenBohrturm.
    [0027] 2 ist ein Längsschnitdurch die BHA der 1 undzeigt ein Chassis.
    [0028] 3 ist ein Querschnitt durchdie BHA und das Chassis der 2 entlangder Linie 3-3.
    [0029] 4 ist eine weitere Ausführungsformder BHA und des Chassis der 3 miteiner Schicht hoher Festigkeit.
    [0030] 5 ist eine weitere Ausführungsformder BHA und des Chassis der 3 miteinem verschleißfestenRing und einer Schicht hoher Festigkeit.
    [0031] 6 ist ein Querschnitt entlangder Linie 6-6 der 2.
    [0032] 7A ist ein Längsschnittdurch einen Container fürdie Verwendung in einem HIP Herstellungsverfahren.
    [0033] 7B ist ein Querschnitt durchden Container der 7A entlangder Linie 7B–7B.
    [0034] Diein 2 im Schnitt dargestellteBHA 150 ist als Teil eines Bohrlochwerkzeugs, beispielsweise desin 1 dargestellten,verwendbar. Die Pfeile geben die Flußrichtung einer Bohrflüssigkeitan, die durch die BHA 150 strömt. Die BHA 150 umfaßt eine Schwerstange 26 unddarin ein Chassis 31. An verschiedenen Abschnitten desChassis 31 sind Komponenten 32a, 32b montiert, z.B.Meßinstrumente, Elektronikeno.dgl.. Das Chassis 31, das auch als Druckgehäuse oderDruckfaß bezeichnetwird, weist einen Ringabschnitt 35 und einen Dornabschnitt 36 auf,die die Komponenten 32a bzw. 32b aufnehmen. Dichtungen 33 verhindern,daß Flüssigkeitin das Chassis 31 eindringt. Ein innerer Durchflußkanal 34 ermöglicht,daß Bohrflüssigkeitvon der Oberfläche durchdie BHA 150 zu einem Bohrer fließt.
    [0035] Beider Konstruktion des Chassis 31 werden die Komponenten 32a, 32b üblicherweisein verschiedene Abschnitte des Chassis 31 eingesetzt. DasChassis 31 wird dann in die Schwerstange 26 eingesetzt.Beim Einsetzen des Chassis 31 wird in der Anordnung zwischendem Chassis 31 und der Schwerstange 26 und imInneren des Dornabschnitts 36 des Chassis 31 atmosphärischerDruck eingeschlossen. In dieser Konfiguration sind die Komponenten 32a und 32b,die am bzw. im Chassis 31 montiert sind, atmosphärischemDruck ausgesetzt. Allerdings ist der Druck der Bohrflüssigkeit,die durch den inneren Durchflußkanal 34 fließt, sehrhoch und beträgtgrößenordnungsmäßig 138MPa (20.000 psi). Fürden Betrieb unter dieser extrem hohen Druckdifferenz ist das Chassis 31 üblicherweiseaus einem Material gebildet, das ausreichend fest ist, um diesen extremenFlüssigkeitsdrücken zuwiderstehen und die physikalische Integrität des Chassis 31 zuwahren.
    [0036] Inder Ausführungsformder 3 ist das Chassis 31 auseinem homogenen Material gebildet und in der Schwerstange 26 montiert.Der zur Schwerstange 26 benachbarte Ringabschnitt 35, auchBasis genannt, des Chassis 31 bildet Aussparungen 40.In den Aussparungen 40 können ein oder mehrere Komponenten 32a untergebrachtwerden. Die Komponenten 32a werden üblicherweise an der Oberfläche desChassis 31 montiert. Der innere Durchflußkanal 34 erstrecktsich durch den mittleren Abschnitt des Chassis 31, um einenBohrflüssigkeitsfluß durchdieses zu ermöglichen.
    [0037] DerRingabschnitt 35 des Chassis 31 in 3 umfaßt vorzugsweise ein Material,das den sehr hohen Drückender Bohrflüssigkeitim Durchflußkanal 34 widerstehenkann, die durch die Pfeile angedeutet sind. Vorzugsweise ist dasdas Chassis 31 bildende Material in der Lage, der Druckdifferenz zwischenden Aussparungen 40 und der Bohrflüssigkeit unter hohem Druckim Durchflußkanal 34 ohne plastischeDeformation zu widerstehen und noch in die Umhüllung durch die Schwerstange 26 zupassen. Vorzugsweise widersteht das Material Bedingungen, bei denendie Dicke zwischen dem Durchflußkanal 34 undden Aussparungen 40 verringert ist. Beispiele von Materialien,die benutzt werden können,um Bohrarbeiten zu überstehen,umfassen Materialien wie Stahl, rostfreien Stahl (z.B. 316), Nickel-basierteSuperlegierungen (z.B. Inconel), Kobaltlegierungen (z.B. NP35N),Kupfer-Nickel-Legierungen (z.B. Monel), Titan und andere Materialien hoherFestigkeit. Währendes wünschenswertist, daß dasMaterial so fest wie möglichist, ist es auch wünschenswert,daß dasMaterial ausreichend bearbeitbar ist, um eine einfache Herstellungund/oder Bearbeitung des Chassis 31 zu gestatten.
    [0038] Materialienmit einer Festigkeit, die ausreicht, den Belastungen durch die Umgebungstandzuhalten, sind oft schwierig bearbeitbar, insbesondere, wenndie Bearbeitung es erfordert, daß Aussparungen ausgebildetwerden, um Komponenten aufzunehmen. Beispielsweise ist unter denselbenBedingungen die Zeit, die erforderlich ist, um eine Dreh- und/oderFräsoperationunter Verwendung eines Materials hoher Festigkeit wie Inconel durchzuführen, vielgrößer, alsdie Zeit, die erforderlich ist, um ein Material geringer Festigkeitwie rostfreien Stahl zu bearbeiten. Ebenso ist die Zeit, die für Bohrarbeiten anInconel erforderlich ist, typischerweise viel größer als für rostfreien Stahl.
    [0039] Dasin 4 dargestellte Chassis 31a gleichtdem in 3 dargestelltenChassis 31 mit der Ausnahme, daß ein Futter- oder Mittelring 41 entlang desInnendurchmessers des Ringabschnitts 35 um den Durchflußkanal 34 angeordnetist. Vorzugsweise ist der Mittelring 41 metallisch mitdem Innendurchmesser des Ringabschnitts 35 verbunden. DerMittelring 41 ist so ausgestaltet, daß er der Bohrflüssigkeit, dieunter hohem Druck durch den Durchflußkanal 34 fließt, standhält. DerMittelring 41 umfaßtvorzugsweise ein Material mit einer hohen Streckgrenze und/oderKorrosionsbeständigkeit,wie z.B. eine Chrom-Nickel-Superlegierung.Ferner kann es wünschenswertsein, ein nicht-magnetisches Material zu wählen, da es sonst zu einerBeeinträchtigungvon Meßinstrumenten kommenkann. Diese Erwägung betrifftbestimmte Werkzeuge und Anwendungen dieser Werkzeuge.
    [0040] DerMittelring 41 kann verwendet werden, um eine zusätzlicheVerstärkunggegen den hohen Druck (angedeutet durch die Pfeile) im Durchflußkanal 34 bereitzustellen.Vorzugsweise ist der Mittelring 41 dick genug, um ohnenachzugeben den Druck im Durchflußkanal 34 zu halten.Der Außendurchmesserdes Ringabschnitts 35, der typischerweise Drücken ausgesetztist, die atmosphärischund/oder viel geringer als der Druck im Durchflußkanal 34 sind, kannaus Materialien geringerer Festigkeit gebildet sein. Materialiengeringerer Festigkeit könnenfür den Ringabschnitt 35 auchdeshalb verwendet werden, um die Bearbeitbarkeit des Chassis imHinblick auf das Ausbilden von Hohlräumen und/oder Montieren vonKomponenten 32a zu erhöhen.Der Ringabschnitt kann daher mit einem Material versehen sein, daseine geringe Festigkeit aufweist und besser bearbeitbar ist, alsdas fürden Mittelring 41 verwendete Material. Ein Material geringerFestigkeit reduziert die Bearbeitungszeit des Chassis 31a erheblich.Ein derartiges Material geringer Festigkeit kann beispielsweiseeine Stahllegierung oder rostfreien Stahl enthalten.
    [0041] DerRingabschnitt 35 des Chassis 31a wird bearbeitet,um die Aussparungen 40 auszubilden, die die Komponenten 32a aufnehmen.Die Aussparungen 40 könnenentsprechend der Größe der einzusetzendenKomponente 32a verschiedene Tiefen und Längen aufweisen.Je größer dieKomponente 32a, desto mehr Bearbeitung ist erforderlich,um die Aussparungen 40 auszubilden, die die Komponenten 32a aufnehmen.Jede Aussparung 40 erstreckt sich durch die äußere Oberfläche desRingabschnitts 35 nach innen in Richtung auf den Mittelring 41.Vorzugsweise erstreckt sich die Aussparung 40 ausreichendweit in das Chassis 31a hinein, damit die Komponenten 32a zwischendie Schwerstange 26 und das Chassis 31a in dieAussparung 40 eingesetzt werden können, ohne mit der Schwerstange 26 zu kollidieren.Die Aussparung 40 erstreckt sich vorzugsweise von dem Außendurchmesserdes Ringabschnitts 35 ein Stück in den Ringabschnitt 35 hinein. DieKomponenten 32a könnenin den Aussparungen 40 des Ringabschnitts 35 durchGewindeschrauben (nicht dargestellt) gesichert sein.
    [0042] 5 zeigt ein weiteres Chassis 31b.Diese Ausführungsformist ähnlichzu der in 4 gezeigtenmit dem Unterschied, daß derRingabschnitt 35 des Chassis 31b ferner mit einerzusätzlichenverschleißfestenSchicht 50 versehen ist, die im Inneren des Mittelrings 41 angeordnetist. Die Schicht 50 ist vorzugsweise metallurgisch mitder Innenseite des Mittelrings 41 verbunden. Die Schicht 50 stellteine zusätzlicheHürde für Verschleiß dar, derdurch den konstanten Fluß vonFlüssigkeitenmit Abtriebsmitteln bei hohem Druck verursacht wird, und dient dazu,die Abnutzung des Chassis 31b zu verhindern. Die verschleißfeste Schicht 50 kannaus verschiedenen Materialien gebildet werden, beispielsweise aus Wolfram-Legierungen,Kobalt-Legierungen oder anderen verschleißfesten Materialien. Die Materialien bildenzusätzlichenHalt und zusätzlicheFestigkeit fürdas Chassis.
    [0043] Inder Ausführungsformgemäß 6 ist der Dornabschnitt 36 desChassis 31 mittig in der Schwerstange 26 angeordnet,wobei sich der Durchflußkanal 34 dazwischenerstreckt. Eine oder mehrere Komponenten 32b sind in einerKammer 61 im Dornabschnitt 36 des Chassis 31 untergebracht.Der Durchflußkanal 34 erstrecktsich um den Dornabschnitt 36 des Chassis 31, umeinen Flüssigkeitsfluß zu ermöglichen.
    [0044] DerDornabschnitt 36 des Chassis 31 ist vorzugsweisemit einem verschleißfestenAußenring odereiner verschleißfestenAußenschicht 62 undeiner Schicht 64 hoher Festigkeit, die die Außenfläche desDornabschnitts 36 umgibt, versehen. Die Schicht 64 hoherFestigkeit ist so ausgestaltet, daß sie der Bohrflüssigkeit,die mit hohem Druck durch den Durchflußkanal 34 fließt, standhaltenkann. Die Schicht 64 umfaßt vorzugsweise ein Materialmit einer hohen Streckgrenze und Korrosionsbeständigkeit wie in Inconel, Nickel-Chrom-Legierungen und/oderKupfer-Nickel-Legierungen. Die Schicht 64 kann verwendetwerden, um eine zusätzlicheVerstärkunggegen den hohen Druck bereitzustellen, der durch den Durchflußkanal 34 fließt. In einigenFällen kannes erwünschtsein, ein nicht-magnetisches Material zu wählen, da sonst Meßinstrumentebeeinflußt werdenkönnen.
    [0045] DerAußenring 62 istvorzugsweise eine verschleißfesteSchicht wie z.B. die Schicht 50 aus 5. Die Schicht 62 kann verwendetwerden, um den Dornabschnitt 36 des Chassis 31 vonden hohen Drückenim Durchflußkanal 34 und/oderdem sich dadurch erstreckenden Fluß der Bohrflüssigkeitzu isolieren. Der Dornabschnitt 36 ist typischerweise bearbeitet,um Komponenten 32a darin zu montieren. Wie der Ringabschnitt 35,kann auch der Dornabschnitt 36 mit einem Material niedrigerFestigkeit und/oder einem Material, das besser bearbeitbar ist,als das Material, das fürden Außenring 62 und/oderfür die Schicht 64 verwendetwird, versehen sein. Ein Material niedriger Festigkeit kann für den Dornabschnitt 36 verwendetwerden, wodurch der Bearbeitungsvorgang erheblich vereinfacht wird.
    [0046] DerDornabschnitt 36 des Chassis 31 wird bearbeitet,um einen Hohlraum 61 zur Aufnahme der Komponenten 32b zubilden. Vorzugsweise erstreckt sich der Hohlraum 61 ausreichendtief in das Chassis 31 hinein, damit die Komponenten 32b beabstandet vonder Schicht 64 und dem Außenring 62 in dem Hohlraum 61 angeordnetwerden können.Die Komponenten 32b könnenim Hohlraum 61 durch Gewindeschrauben (nicht dargestellt)gesichert sein. Die Schicht 64 hoher Festigkeit ist imAußenring 62 angeordnet.Die Schicht 64 ist vorzugsweise aus einem Material mithoher Streckgrenze gebildet, beispielsweise aus dem Material, dasfür denMittelring 41 verwendet wird, um zusätzlichen Halt für den Dornabschnitt 36 zubilden.
    [0047] Während 3 bis 6 verschiedene Möglichkeiten zeigen, dem Chassis 31 zusätzlicheFestigkeit und/oder Verschleißfestigkeitzu verleihen, ist klar, daß derartigeverschleißfesteRinge und/oder Schichten je nach Anforderung an verschiedenen Stellendes Chassis 31 vorgesehen sein können. Vorzugsweise sind dieAbschnitte des Chassis 31, die bearbeitet werden müssen, miteinem Material geringer Festigkeit versehen, während die Abschnitte, die hohemDruck, Flüssigkeitenmit Abtriebsmitteln, Hitze und/oder Bedingungen im Bohrloch und damitAbnutzung und Verschleiß ausgesetztsind, mit einer derartigen Verstärkungund/oder einem derartigen Schutz versehen sind.
    [0048] Beider Herstellung des Chassis 31 unter Verwendung mehrererMetalle kann eine Technik verwendet werden, die als isostatischesWarmpressen oder Hot Isostatic Pressing (HIP) bekannt ist. HIP wirdoft verwendet, um Defekte wie Brüche,Poren oder andere Hohlräumein metallischen Materialien zu reparieren. HIP wird ebenfalls dazuverwendet, Defekte in Teilen aus teurem Material zu entfernen, beispielsweiseaus Gasturbinenteilen wie Turbinenflügeln aus Titanium oder sogenanntenSuperlegierungen. HIP wird üblicherweisein einer Druckkammer unter hohen Temperaturen mit einem inerten Gasals Druckmedium durchgeführt.
    [0049] DasHIP-Verfahren beginnt mit einem Container mit pulverförmigem Metall.In diesem Container wird ein Vakuum erzeugt. Der Container wird dannin einen Ofen eingebracht, in dem ein hoher Druck, beispielsweise97 MPa (14.000 psi), und eine hohe Temperatur, beispielsweise 1.400°C, abhängig vomMetalltyp, herrschen. Die Exposition des Materials zur Kombinationaus Druck und Temperatur verdichtet das Metallpulver in einen Festkörper. Anden Verbindungsstellen der Metalle entsteht eine metallurgischeVerbindung. Zur Konstruktion des hier geschaffenen Chassis 31 kannein Container mit einer oder mehreren Unter-teilungen verwendetwerden.
    [0050] Derin 7A und 7B dargestellte Container 70 istzur Herstellung eines Chassis, beispielsweise des Chassis 31b aus 5, unter Verwendung des HIP-Verfahrens geeignet.Der Container 70 weist drei Unterteilungen 71, 72 und 73 auf.Die drei Unterteilungen 71, 72, 73 sinddurch dünneStahlschichten 74, 75 getrennt. In dem Verfahrenwerden Berechnungen angestellt, um die geeignete Dicke jeder Schichtdes Bohrlochwerkzeugs vor der Herstellung des Bohrlochwerkzeugszu bestimmen. Der Container 70 wird dann entsprechend denBerechnungen fürjede Schicht in Unterteilungen geteilt. Anschließend wird Metallpulver in denContainer 70 eingebracht, und zwar in die der jeweiligenSchicht entsprechende Unterteilung.
    [0051] Beispielsweisewird das Material, das die verschleißfeste Schicht 50 bildet,beispielsweise Stellite, in die Unterteilung 73 eingebracht.Das Material, das den Innenring 41 hoher Festigkeit bildet, beispielsweiseInconel oder eine andere Nickel-Chrom-Legierung hoher Festigkeit,wird in Unterteilung 72 eingebracht. Das den Ringabschnitt 35 bildendeMaterial, beispielsweise Pulver aus 316er rostfreiem Stahl, wirdin die Unterteilung 71 eingebracht.
    [0052] Wennsich die Metalle im Container 70 befinden, wird der Containervakuumversiegelt und in eine HIP-Kammer eingebracht. Der Containerwird dann Hitze und Druck ausgesetzt, damit die Materialien sichmiteinander verbinden. Der Container 70 wird aus der Kammerherausgezogen und das äußere Kanistermaterialwird maschinell entfernt. Da sich das Teil etwas verformen kann,wird es oft überdimensioniert.
    [0053] Diehier verwendeten Materialien können hergestelltwerden, indem verschiedene Metallpulver mit dem HIP-Verfahren ineinem versiegelten Container 70 miteinander verbunden werden.Der Container 70 kann in der Mitte hohl oder massiv sein.Das HIP-Verfahren erhitzt die Außenflächen des Containers 70 undsetzt diese unter Druck, um das Metallpulver vollständig zuverfestigen. Das vollständigverdichtete Rohr oder die vollständigverdichtete Stange kann dann in die Länge geschnitten werden, diefür dasDruckgehäuseoder Chassis erforderlich ist.
    权利要求:
    Claims (17)
    [1] Chassis (31) für ein Bohrlochwerkzeug miteinem Bohrstrang (190), der wenigstens eine Schwerstange(26) aufweist, durch die Bohrflüssigkeit fließt, dadurchgekennzeichnet, daß dasChassis (31) einen ersten Abschnitt, der in der Schwerstange(26) positionierbar ist, einen Durchflußkanal (34) für den Fluß von Bohrflüssigkeitdurch die Schwerstange (26) aufweist, aus gut bearbeitbaremMaterial hergestellt ist und wenigstens einen Hohlraum (40)zur Aufnahme von Komponenten (32a, 32b) aufweist,und einen zweiten Abschnitt umfaßt, der derart um den erstenAbschnitt positioniert ist, daß dererste Abschnitt gegenüberder Bohrflüssigkeitisoliert ist, und der aus einem Material hoher Festigkeit und/odereinem verschleißfestenMaterial gebildet ist.
    [2] Chassis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,daß dererste Abschnitt aus einem Material geringer Festigkeit und/odereinem Material guter Bearbeitbarkeit gebildet ist.
    [3] Chassis nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,daß derzweite Abschnitt eine verschleißfesteSchicht (50) aufweist.
    [4] Chassis nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,daß dieverschleißfesteSchicht (50) aus einer Wolfram- und/oder Kobalt-Legierunggebildet ist.
    [5] Chassis nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,daß derzweite Abschnitt eine Schicht (64) hoher Festigkeit aufweist.
    [6] Chassis nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,daß dieSchicht (64) hoher Festigkeit aus einer Chrom-Nickel-Legierunggebildet ist.
    [7] Chassis nach Ansprüchen 3 und 5 oder 3, 5 und6, dadurch gekennzeichnet, daß dieSchicht hoher Festigkeit (64) und die verschleißfeste Schicht (50)fest miteinander verbunden sind.
    [8] Chassis nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,daß dererste Abschnitt nicht magnetisch ist.
    [9] Chassis nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,daß dererste und der zweite Abschnitt fest miteinander verbunden sind.
    [10] Chassis nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet,daß dererste und der zweite Abschnitt mittels eines HIP-Verfahrens miteinanderverbunden sind.
    [11] Chassis nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet,daß dasChassis (31) einen inneren und einen äußeren Abschnitt aufweist, der äußere Abschnittbenachbart zur Schwerstange (26) angeordnet ist, der innereAbschnitt mittig in der Schwerstange (26) angeordnet ist,und der Durchflußkanal(34) sich durch den äußeren Abschnittund um den inneren Abschnitt herum erstreckt.
    [12] Chassis nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,daß Komponenten(32a, 32b) im äußeren Abschnittund/oder inneren Abschnitt angeordnet sind.
    [13] Chassis nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet,daß mehrereChassis (31) in der Schwerstange (26) angeordnetsind.
    [14] Chassis nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet,daß dererste Abschnitt eine Basis und der zweite Abschnitt ein Futter ist.
    [15] Chassis nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet,daß dasMaterial hoher Bearbeitbarkeit rostfreier Stahl ist.
    [16] Chassis nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet,daß dasMaterial hoher Festigkeit Inconel ist.
    [17] Chassis nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet,daß dasverschleißfeste MaterialStellite ist.
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
    GB2401619A|2004-11-17|
    CA2465563A1|2004-11-12|
    US6880647B2|2005-04-19|
    US20040226753A1|2004-11-18|
    GB2401619B|2007-11-21|
    GB0410435D0|2004-06-16|
    CA2465563C|2011-08-02|
    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    2011-09-22| R005| Application deemed withdrawn due to failure to request examination|Effective date: 20110512 |
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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