NO148082B

NO148082B - TOOL FOR USE IN A DRILL STRING FOR ABSOLUTE SHOCK LOADS.

Info

Publication number: NO148082B
Application number: NO752074A
Authority: NO
Inventors: Leonard Mason; Clifford Anderson
Original assignee: Mason Tools Ltd Lee
Priority date: 1974-07-10
Filing date: 1975-06-11
Publication date: 1983-04-25
Also published as: NL8101939A; FR2277969A1; NL7508248A; CA1037464A; GB1504918A; AU499070B2; SU917704A3; CA1014140A; NO752074L; DE2530501A1; DE2530501C3; FR2277969B1; AU8221175A; NO148082C; DE2530501B2

Description

Oppfinnelsen vedrører et verktøy for bruk i en borestreng for absorbsjon av sjokkbelastninger som oppstår ved oppoverrettet aksiell forskyvning av borkronen under boring, hvilket verktøy innbefatter en rørformet spindel som er teleskopisk anordnet i en rørformet sylinder og forbundet til denne med en aksiell kileforbindelse hvor et ringformet rom innbefattende et kammer er tildannet mellom spindel og sylinder, en ettergivende innretning plassert i kammeret, hvilken ettergivende innretning innbefatter en stabel med adskilte, faste og deformerbare elementer, et par av motsatte kompresjonsskuldre, hvorav en bæres av spindelen og utstrekker seg inn i kammeret hosliggende en ende av dette, og den andre bæres av sylinderen og utstrekker seg inn i kammeret hosliggende til den andre ende av kammeret, hvilke skuldre virker mot enden til den ettergivende innretning. The invention relates to a tool for use in a drill string for absorbing shock loads arising from upward axial displacement of the drill bit during drilling, which tool includes a tubular spindle that is telescopically arranged in a tubular cylinder and connected to this by an axial wedge connection where an annular space including a chamber is formed between the spindle and the cylinder, a compliant device located in the chamber, which compliant device includes a stack of discrete, fixed and deformable elements, a pair of opposed compression shoulders, one of which is carried by the spindle and extends into the chamber adjacent a end thereof, and the other is carried by the cylinder and extends into the chamber adjacent to the other end of the chamber, which shoulders act against the end of the yielding device.

Når en borkrone roterer på bunnen av et borehull When a drill bit rotates at the bottom of a borehole

vil den være i kontinuerlig bevegelse opp og ned. En vanlig akseptert forklaring på dette er at det trekonede skjær danner tre forhøyninger på bunnen av borehullet, og når skjæret beveges over disse forhøyninger, blir det aksielt forflyttet tre ganger under rotasjon. it will be in continuous up and down motion. A commonly accepted explanation for this is that the three-cone bit forms three elevations at the bottom of the borehole, and when the bit is moved over these elevations, it is moved axially three times during rotation.

Akselerasjon av borkronen bort fra bunnområdet bevirker en høy belastning på borestrengen. Mer spesielt er skjæret utsatt for en belastning på grunn av borestrengens vekt. F. eks. kan strengen veie 54432 kg hvorav halvparten kan holdes oppe av boreriggen og den resterende halvpart holdes oppe av borkronen. Når det belastede skjær blir aksele-rert vekk fra bunnen under en forflytning på kanskje 1,27 - 2,54 cm, blir den i alt vesentlig stive borestreng over borr kronen utsatt for en meget høy sjokkbelastning som øyeblikke-lig oppheves når borkronen begynner å returnere til bunnen. Acceleration of the drill bit away from the bottom area causes a high load on the drill string. More specifically, the cutting edge is subjected to a load due to the weight of the drill string. For example the string can weigh 54432 kg, half of which can be held up by the drilling rig and the remaining half held up by the drill bit. When the loaded cutting is accelerated away from the bottom during a displacement of perhaps 1.27 - 2.54 cm, the essentially rigid drill string above the drill bit is subjected to a very high shock load which is instantly canceled when the drill bit begins to return to bottom.

F. eks. kan denne sykliske belastning på borestrengen variere mellom 0 og 45360 kg eller mer fra ett øyeblikk til det neste. For example can this cyclic load on the drill string vary between 0 and 45360 kg or more from one moment to the next.

Det er flere ødeleggende virkninger som oppstår på grunn av den voldsomme sykliske belastning som borestrengen utsettes for. F. eks. er den en primær faktor for slitasje og feil i borestrengen. Riggen får også en hard medfart, og spesielt ved grovboring blir hele riggkonstruksjonen rystet kraftig, og den eneste mulighet som er tilgjengelig for å redusere vibrasjonen er å redusere rotasjonshastigheten av og/eller vekten på borkronen. Dette bevirker en reduksjon i borehastigheten. There are several destructive effects that occur due to the severe cyclical stress to which the drill string is subjected. For example is it a primary factor for wear and failure in the drill string. The rig also gets a hard drift, and especially during rough drilling, the entire rig construction is shaken violently, and the only option available to reduce the vibration is to reduce the rotation speed of and/or the weight of the drill bit. This causes a reduction in the drilling speed.

Det er vanlig praksis å sette inn et verktøy, kjent som en vibrasjonsdemper eller sjokkabsorbator, i borestrengen over borkronen med det formål å isolere strengen fra borkronen . It is common practice to insert a tool, known as a vibration damper or shock absorber, into the drill string above the drill bit for the purpose of isolating the string from the drill bit.

Generelt vil en vibrasjonsdemper innbefatte en indre, rørformet spindel festet ved sin øvre ende til borestrengen og en ytre rørformet sylinder festet i sin nedre ende til borkronen eller vektrørene som er direkte over borkronen. Spindelen glir i sylinderen. De to deler er kileforbundet med hverandre, slik at de blir låst for samtidig rotasjon, men kan bevege seg i lengderetning i forhold til hverandre. Det benyttes også innretninger for å begrense utstrekningen av den langsgående bevegelse av delene, slik at de ikke kan adskilles fra hverandre. Ved en hovedtype av verktøy har en del av spindelen redusert utvendig diameter, slik at det blir dannet et ringformet kammer mellom spindelen og sylinderen. Det er sørget for O-ringer mellom spindelen og sylinderen ved hver ende av kammeret for å hindre at boreslam skal kunne trenge inn. Spindelen og sylinderen har motstående øvre og nedre kompresjonsskuldre, og disse skuldre utstrekker seg i tverr-retning og inn i det ringformede kammer nær kammerets øvre og nedre ender. Et deformerbart element er anordnet inne i kammeret mellom kompresjonsskuldrene. In general, a vibration damper will include an inner tubular spindle attached at its upper end to the drill string and an outer tubular cylinder attached at its lower end to the drill bit or weight pipes directly above the drill bit. The spindle slides in the cylinder. The two parts are wedge-connected to each other, so that they are locked for simultaneous rotation, but can move longitudinally in relation to each other. Devices are also used to limit the extent of the longitudinal movement of the parts, so that they cannot be separated from each other. In one main type of tool, part of the spindle has a reduced external diameter, so that an annular chamber is formed between the spindle and the cylinder. O-rings are provided between the spindle and the cylinder at each end of the chamber to prevent drilling mud from penetrating. The spindle and cylinder have opposing upper and lower compression shoulders, and these shoulders extend transversely into the annular chamber near the upper and lower ends of the chamber. A deformable element is arranged inside the chamber between the compression shoulders.

Under drift, når borkronen akselereres oppover, virker sylinderkompresjonsskulderen mot basisen til det deformerbare element. Elementet blir hindret i å bevege seg aksielt av spindelkompresjonsskulderen som er plassert ved dets andre ende. Ettersom skulderen presses sammen, blir elementet deformert. Teoretisk skulle det deformerbare element absorbere det aksiale trykk på borkronen og hindre sjokkover-føringer. I praksis viser det seg imidlertid at et deformerbart element som er "bløtt" ved grunne dyp kan bli "hardt" ved store operasjonsdybder. During operation, as the drill bit is accelerated upward, the cylinder compression shoulder acts against the base of the deformable element. The element is prevented from moving axially by the spindle compression shoulder located at its other end. As the shoulder is compressed, the element is deformed. Theoretically, the deformable element should absorb the axial pressure on the drill bit and prevent shock transmission. In practice, however, it turns out that a deformable element that is "soft" at shallow depths can become "hard" at large operating depths.

Et sjokkabsorberende verktøy har rørformede deler som teleskoperer i vertikal retning. Det omfatter vanligvis en indre rørformet spindel som ved sin øvre ende er festet til den øvre del av borestrengen og en ytre rørformet sylinder som er festet ved sin nedre ende til den nedre del av borestrengen (og, mer spesielt, til borkronen, som er dén kompo-nent som konstant støter opp og ned når den roterer mot bunnen) . Det er vanlig å anordne et ringrom mellom spindel og sylinder og delvis å fylle dette rom med en ringformet søyle av deformerbare, ettergivende elementer. En skulderdannende del av spindelen lukker den ene ende av ringrommet, og en skulderdannende del av sylinderen lukker den andre ende av ringrommet. Søylen av ringformede elementer utstrekker seg mellom de to skuldre. Når således Kronen støter oppover fra bunnen, vil sylindersknlderen sammenpresse elementene mot den stasjonære spindelskulder. Elementene deformeres og blir stive når de blir sammenpresset. Som et resultat vil de i økende grad motvirke ytterligere sammenbringing av spindel-og sylinderskuldre og således bryte oppoverrettet bevegelse for sylinderen og den dertil festede krone. Sagt på en annen måte vil elementene absorbere sjokkbelastninger som skriver seg fra bevegelsen til borkronen. Verktøy av denne type er vist i US patentene nr. 3383126 og 3406537. A shock-absorbing tool has tubular parts that telescope in a vertical direction. It usually comprises an inner tubular spindle which is attached at its upper end to the upper part of the drill string and an outer tubular cylinder which is attached at its lower end to the lower part of the drill string (and, more particularly, to the drill bit, which is component that constantly bumps up and down as it rotates towards the bottom). It is common to arrange an annular space between spindle and cylinder and to partially fill this space with an annular column of deformable, yielding elements. A shoulder-forming part of the spindle closes one end of the annulus, and a shoulder-forming part of the cylinder closes the other end of the annulus. The column of annular elements extends between the two shoulders. Thus, when the Crown hits upwards from the bottom, the cylinder head will compress the elements against the stationary spindle shoulder. The elements deform and become rigid when they are compressed. As a result, they will increasingly counteract further bringing together of spindle and cylinder shoulders and thus break upward movement of the cylinder and the crown attached thereto. In other words, the elements will absorb shock loads that arise from the movement of the drill bit. Tools of this type are shown in US patents no. 3383126 and 3406537.

Det er også vanlig å anordne O-ringpakninger mellom de rørformede deler i hver ende av ringrommet og å fullføre" fyllingen av rommet med et legeme av lett olje. Olje smører elementene, og elementene blir beskyttet mot borehullslam som utelukkes av pakningene. Et verktøy i samsvar med denne beskrivelse er vist i US patent nr. 3774731. It is also common to provide O-ring seals between the tubular members at each end of the annulus and to "completely" fill the space with a body of light oil. Oil lubricates the elements, and the elements are protected from borehole mud that is excluded by the seals. A tool in compliance with this description is shown in US Patent No. 3,774,731.

Imidlertid vil i dypere brønner faste O-ringpakninger ha en tendens til å lekke og vaskes ut på grunn av det høye hydrostatiske trykk i brønnhullet. Det er således i US patent nr. 3406537 foreslått at en av de faste pakninger blir erstattet med en "flytende tetning". Denne flytende tetning påvirkes av søylen av slam i borestrengen og glir oppover for å presse opp oljen i ringrommet for å tilveiebringe en utligning. Således er det ikke noe trykkdifferensial over avtet-ningene, og utvaskingsproblemet blir betydelig redusert. However, in deeper wells, solid O-ring seals will tend to leak and wash out due to the high hydrostatic pressure in the wellbore. It is thus proposed in US patent no. 3406537 that one of the fixed seals be replaced with a "floating seal". This floating seal is acted upon by the column of mud in the drill string and slides upward to push up the oil in the annulus to provide equalization. Thus, there is no pressure differential across the seals, and the leaching problem is significantly reduced.

Verktøy av den type som er beskrevet i de ovenfor nevnte US patenter er generelt utformet med kort slag på grunn av anordningen av deler og valg av materialer. I US patent nr. 3774731 ville brønnhullets hydrostatiske trykk svinge sylinderen oppover og sammenpresse elementene før borkronen blir beveget i det hele tatt, og denne belastning opptrer på grunn av at verktøyet ikke kombinerer en flytende avtetning og et oljebad for hurtig utjevning av trykket før sammentryk-ningen av elementene begynner. Elementene ble således belastet og i det vesentlige stive før verktøyet begynte å arbeide. Tools of the type described in the above-mentioned US patents are generally designed with a short stroke due to the arrangement of parts and choice of materials. In US Patent No. 3,774,731, the hydrostatic pressure of the wellbore would swing the cylinder upward and compress the elements before the bit is moved at all, and this stress occurs because the tool does not combine a liquid seal and an oil bath to quickly equalize the pressure before compression- ning of the elements begins. The elements were thus loaded and essentially stiff before the tool began to work.

I US patentene nr. 3383126 og 3406537 er elementene utformet In US patents no. 3383126 and 3406537, the elements are designed

av stålgitter, og de vil hurtig bli sammenpresset til en stiv form. Elementene ville også danne bro mellom den ytre flate på spindelen og- den indre flate på sylinderen og ville selv overført deler av sjokkbelastningen fra sylinderen til spindelen i steden for å absorbere belastningen. Trådgitterelementet har en relativt høy stivhet med det resultat at verktøyet ikke er i stand til å absorbere vesentlig borkronebevegelse. Med andre ord har verktøyet bare et relativt kort slag med det resultat at større borkronebevegelser vil overføre vesentlige krefter til borstrengen. of steel grids, and they will quickly be compressed into a rigid form. The elements would also form a bridge between the outer surface of the spindle and the inner surface of the cylinder and would themselves transfer parts of the shock load from the cylinder to the spindle instead of absorbing the load. The wire mesh element has a relatively high stiffness with the result that the tool is unable to absorb significant drill bit movement. In other words, the tool only has a relatively short stroke with the result that larger drill bit movements will transfer significant forces to the drill string.

Hensikten med foreliggende oppfinnelse er å unngå The purpose of the present invention is to avoid

de ulemper og problemer man har ved de ovenfor nevnte utførel-ser . the disadvantages and problems one has with the above-mentioned designs.

Denne hensikt oppnås ved et verktøy av den innled-ningsvis nevnte art, som er kjennetegnet ved at stabelen av deformerbare elementer ved begynnende avfjæring har en fjærkonstant på mindre enn 17860 kp/cm, og at hele stabelen er fri for kontakt med hosliggende sidevegger på spindelen og i sylinderen, hvorved stabelen under bruk utsettes for i det vesentlige den totale aksiale sjokkbelastning over hele sin lengde. This purpose is achieved by a tool of the type mentioned at the outset, which is characterized by the stack of deformable elements having a spring constant of less than 17,860 kp/cm when springing begins, and that the entire stack is free from contact with adjacent side walls of the spindle and in the cylinder, whereby the stack in use is exposed to essentially the total axial shock load over its entire length.

Den frie anbringelse som er angitt ovenfor er et meget vesentlig trekk ved verktøyet ifølge oppfinnelsen sammen med den spesielle oppbygging av stabelen på i og for seg kjent måte, sammen med valg av fjærkonstant for den begynnende avfjæring. Derved unngås de brodannelser eller kraftover-føringer via fjærelementene som utgjør en klar ulempe ved de ovenfor omtalte tidligere kjente patenter. The free placement indicated above is a very important feature of the tool according to the invention, together with the special construction of the stack in a manner known per se, together with the choice of spring constant for the initial suspension. Thereby, the bridge formations or power transmissions via the spring elements are avoided, which constitute a clear disadvantage of the above-mentioned previously known patents.

For å oppnå et sjokkabsorberende boreverktøy som vil arbeide forholdsvis mykt ved alle boredybder og ved for-skjellige borevekter og pumpetrykk, er det nødvendig å anvende et mykt deformerbart element i kombinasjon med en verktøyenhet som, når den utsettes for det hydrostatiske trykk i borehullet, gir en lav "forbelastning" på det deformerbare element. In order to achieve a shock-absorbing drilling tool that will work relatively smoothly at all drilling depths and at different drilling weights and pump pressures, it is necessary to use a soft deformable element in combination with a tool unit which, when exposed to the hydrostatic pressure in the borehole, gives a low "preload" on the deformable element.

Det deformerbare element er utformet for å tillate en forholdsvis stor teleskopvirkning av verktøyet. Mer spesielt må elementet som velges ha en forholdsvis lav fjærkonstant, dvs. en fjærkonstant som er mindre enn 17860 kp/cm. I en foretrukket utførelse er elementet, når det er i bruk, tilpasset slik at det tillater i det minste 5,08 cm teleskopbevegelse av verktøyet når dette blir belastet med 36288 kg. Verktøyenheten utformes fortrinnsvis for å tillate i det minste at det oppstår 5,08 cm bevegelse av verktøyet. Imidlertid kan verktøyet også utformes for kortere bevegelse før dets teleskopdeler går i inngrep for å begrense ytterligere bevegelse. F. eks. kan verktøybevegelsen begrenses til 4,81 cm, selv om elementtypen som benyttes burde oppfylle det kriterium at den er i stand til å tillate i det minste 5,08 cm bevegelse av verktøyet med 36288 kg belastning. The deformable element is designed to allow a relatively large telescoping effect of the tool. More particularly, the element chosen must have a relatively low spring constant, i.e. a spring constant which is less than 17860 kp/cm. In a preferred embodiment, the member, when in use, is adapted to allow at least 5.08 cm of telescoping movement of the tool when it is loaded with 36288 kg. The tool assembly is preferably designed to allow at least 5.08 cm of movement of the tool to occur. However, the tool can also be designed for shorter travel before its telescoping parts engage to limit further travel. For example the tool movement can be limited to 4.81 cm, although the element type used should meet the criterion of being able to allow at least 5.08 cm of tool movement with 36288 kg load.

Fortrinnsvis benyttes et relativt langt element A relatively long element is preferably used

som består av en stabel av elementsegmenter. Verktøyet kan være omkring 101,6 cm langt. De deformerbare segmenter holdes borte fra kontakt med veggene i det ringformede elementkammer, hvis vegger beveges relativt hverandre. Stabelen består fortrinnsvis av alternerende elastiske ringer og stål-ringer med kanter. Stålringene fordeler belastningen til de elastiske elementer, mens kantene på stålringene i det vesentlige hindrer deformasjon av det elastiske materiale ved kon-taktoverflaten med stålringene. Denne anordning tjener til å hindre det elastiske materiale fra å komme i kontakt med kammerveggene etter hvert som deformasjon og resulterende which consists of a stack of element segments. The tool can be about 101.6 cm long. The deformable segments are kept away from contact with the walls of the annular element chamber, the walls of which are moved relative to each other. The stack preferably consists of alternating elastic rings and steel rings with edges. The steel rings distribute the load to the elastic elements, while the edges of the steel rings essentially prevent deformation of the elastic material at the contact surface with the steel rings. This device serves to prevent the elastic material from coming into contact with the chamber walls as deformation and resulting

utbuling av de elastiske segmenter inntreffer. Man har funnet at dersom de elastiske deformerbare segmenter av elementene får anledning til å komme i kontakt med kammerveggene under driften av verktøyet, opptrer det hurtig destruksjon av det elastiske materiale i kontaktarealet. Verktøyets karakteristika blir også endret på grunn av friksjonen som'oppstår ved det elastiske materiales kontakt med de bevegelige kammer-vegger. Stålringene blir også utformet med en innvendig diameter som er vesentlig større enn spylerørsdiameteren og en utvendig diameter som er vesentlig mindre enn sylinderdiamete-ren, slik at hverken stålringene eller de elastiske ringer kommer i kontakt med veggene av det ringformede kammer i noen vesentlig utstrekning. bulging of the elastic segments occurs. It has been found that if the elastic deformable segments of the elements are allowed to come into contact with the chamber walls during operation of the tool, rapid destruction of the elastic material in the contact area occurs. The characteristics of the tool are also changed due to the friction that occurs when the elastic material comes into contact with the movable chamber walls. The steel rings are also designed with an internal diameter that is substantially larger than the flush pipe diameter and an external diameter that is substantially smaller than the cylinder diameter, so that neither the steel rings nor the elastic rings come into contact with the walls of the annular chamber to any significant extent.

Andre konfigurasjoner av elementer og elementsegmenter kan naturligvis benyttes. Other configurations of elements and element segments can of course be used.

Et problem som oppstår med sjokkabsorberende verk-tøy for borestrenger er at når de blir benyttet i en borestreng over borkronen bevirker de at borehullet blir boret slik at det oppstår avvik fra vertikallinjen. Ofte blir dette problem bevirket av mangel på sidestivhet ved verktøyet som et resultat av at teleskopelementene ikke opptrer som en sam-let enhet. A problem that arises with shock-absorbing tools for drill strings is that when they are used in a drill string above the drill bit, they cause the drill hole to be drilled so that a deviation from the vertical line occurs. Often this problem is caused by a lack of lateral stiffness at the tool as a result of the telescoping elements not acting as a unified unit.

Verktøyet bør derfor stabiliseres, noe som kan oppnås ved kontakt mellom spindelen og sylinderen ved tre opplagringssteder avstandsplassert langs verktøyet. Da verktøyet benytter et relativt langt elementkammer, befinner to av disse opplagringssteder seg umiddelbart over og under kammeret for å stabilisere spindelen. Denne stabilitet oppstår på grunn av presspasningen mellom spindel og sylinder ved lag-ringsstedene. Fortrinnsvis benyttes kombinasjonen av en klaring på ca. 0,005 cm mellom ståloverflåtene og anbringelse av en hard elastisk ring i en av overflatene for å danne den nød-vendige væsketette tilpasning. Denne anordning er effektiv med hensyn til å minimalisere siderettet differensialbevegelse mellom teleskopdelene ved-opplagringsstedene. I verktøyet er det passasjer i eller mellom teleskopdelene hvor dette er nød-vendig for å tillate at driftsfluidum kan passere forbi den avtettende elastiske ring. Disse spor kan gis begrensede di-mensjoner, slik at driftsfluidumet som strømmer frem og tilbake virker til å dempe teleskopbevegelsen. Stabilisserings-ringen kan også utformes av andre materialer, slik som fosfor-bronse eller berylliumskobber, for i det vesentlige å hindre siderettede differansialbevegelser. Forbipasseringsinnretnin-ger kan være spor eller hull. The tool should therefore be stabilized, which can be achieved by contact between the spindle and the cylinder at three storage locations spaced along the tool. As the tool uses a relatively long element chamber, two of these storage locations are located immediately above and below the chamber to stabilize the spindle. This stability occurs due to the press fit between spindle and cylinder at the storage locations. Preferably, the combination of a clearance of approx. 0.005 cm between the steel surfaces and placing a hard elastic ring in one of the surfaces to form the necessary liquid tight fit. This arrangement is effective in minimizing lateral differential movement between the telescopic parts at the storage locations. In the tool, there are passages in or between the telescopic parts where this is necessary to allow operating fluid to pass past the sealing elastic ring. These grooves can be given limited dimensions, so that the operating fluid that flows back and forth acts to dampen the telescope movement. The stabilization ring can also be made of other materials, such as phosphor bronze or beryllium copper, to essentially prevent lateral differential movements. Bypass facilities can be tracks or holes.

Ytterligere et problem som henger sammen med sjokkabsorberende verktøy for borestrenger angår rotasjonslåsemeka-nismen som vanligvis er et blokerende rillesystem av typen tapp og hylse. Rillesystemene i tidligere kjente verktøy har vist seg å bli utslitt raskt som et resultat av den kontinuer-lige relative bevegelse mellom drivoverflåtene. Disse flatene blir utsatt for relative glidebevegelser av størrelsesorden 10.000 - 20.000 ganger pr. time. Man har funnet at vanlige stålriller slites raskt selv om de arbeider i en oljeatmosfære og utsettes for relativt små differensialbevegelser. Another problem associated with shock absorbing drill string tools concerns the rotation lock mechanism which is usually a locking groove system of the pin and sleeve type. The groove systems in previously known tools have been shown to wear out quickly as a result of the continuous relative movement between the driving surfaces. These surfaces are exposed to relative sliding movements of the order of 10,000 - 20,000 times per hour. It has been found that ordinary steel grooves wear quickly even if they work in an oil atmosphere and are subjected to relatively small differential movements.

På grunn av den forholdsvis store teleskopbevegelse som tillates i verktøyet, og for å redusere den hurtige slita-sjen av rillene, er hylsedelen av rillesystemet utstyrt med et forholdsvis hardt slitasjemotstandsdyktig elastisk materiale på systemets drivoverflater og tilbakestøtsoverflater og i dets rillefordypninger og kammer. I de elastiske drivoverfla-tene av hylsedelen er det anordnet oljelommer og spor for å sikre smøring av rilleoverflåtene i de tilpassede tapper og hylser under deres bevegelse relativt hverandre. De elastiske drivoverflater og tilbakestøtsoverflater kan imidlertid be-finne seg på tappdelen av rilleenheten. Det er også anordnet kanaler i fordypningene i tappdelen for å tillate fri bevegelse av.driftsvæsken. Due to the relatively large telescoping movement allowed in the tool, and to reduce the rapid wear of the grooves, the sleeve part of the groove system is equipped with a relatively hard wear-resistant elastic material on the system's drive surfaces and rebound surfaces and in its groove recesses and chambers. Oil pockets and grooves are arranged in the elastic drive surfaces of the sleeve part to ensure lubrication of the grooved surfaces in the adapted pins and sleeves during their movement relative to each other. The elastic drive surfaces and rebound surfaces can, however, be located on the pin part of the groove unit. Channels are also arranged in the depressions in the tap part to allow free movement of the operating fluid.

På grunn av at trykket i kammeret er utlignet med det hydrostatiske trykk i bunnen av hullet, finner det ikke sted noen vesentlig forbelastning av det deformerbare element. Det fulle omfang av deformerbarheten av elementet er derfor tilgjengelig for å oppta og absorbere den aksiale bevegelse av sylinderen, forårsaket av borkronen. Da den største grad av deformasjon som er innebygget i elementene, er tilgjengelig i belastningsområdet fra 0 - 18144 kg, er verktøyet i stand til å absorbere mesteparten, om ikke hele den aksiale bevegelse av sylinderen før elementet stivner i en i det vesentlige fast tilstand, med det resultat at borestrengen blir ubeskyttet mot store sjokkbelastninger. Because the pressure in the chamber is equalized with the hydrostatic pressure at the bottom of the hole, no significant preloading of the deformable element takes place. The full extent of the deformability of the element is therefore available to accommodate and absorb the axial movement of the cylinder, caused by the drill bit. As the greatest degree of deformation built into the elements is available in the load range from 0 - 18144 kg, the tool is able to absorb most, if not all, of the axial movement of the cylinder before the element hardens into a substantially solid state, with the result that the drill string is unprotected against large shock loads.

Oppfinnelsen skal i det følgende forklares nærmere ved hjelp av utførelseseksempler som er fremstilt på tegningen, som viser: fig. la, lb og lc utsnitt av et vertikalriss av en utførelse av en vibrasjonsdemper for en borestreng i ubelastet eller utstrakt tilstand, In the following, the invention will be explained in more detail with the help of exemplary embodiments which are shown in the drawing, which shows: fig. la, lb and lc sections of a vertical view of an embodiment of a vibration damper for a drill string in an unloaded or extended state,

fig. 2a, 2b, og 2c et vertikalriss svarende til fig. fig. 2a, 2b, and 2c a vertical view corresponding to fig.

1 av demperen i en sammentrykt eller belastet tilstand, 1 of the damper in a compressed or loaded condition,

fig. 3aet vertikalriss av den nedre del av en fig. 3aet vertical view of the lower part of a

annen utførelse av vibrasjonsdemperen i ubelastet tilstand, different design of the vibration damper in unloaded condition,

fig. 3b et vertikalriss som viser utførelsen på fig. 3a i belastet tilstand, fig. 3b a vertical view showing the embodiment in fig. 3a in loaded condition,

fig. 4a et vertikalriss av den nedre del av enda en annen utførelse av en vibrasjonsdemper i ubelastet tilstand, fig. 4a a vertical view of the lower part of yet another embodiment of a vibration damper in an unloaded state,

fig. 4b et vertikalriss av utførelsen på fig. 4a i belastet tilstand, fig. 4b a vertical view of the embodiment in fig. 4a in loaded condition,

fig. 5 et snitt langs linjen 5 - 5 på fig. 2a, fig. 5 a section along the line 5 - 5 in fig. 2a,

fig. 6 et snitt langs linjen 6 - 6 på fig. 2b, fig. 6 a section along the line 6 - 6 in fig. 2b,

fig. 7 et snitc langs linjen 7 - 7 på fig. 2b, fig. 7 a section along the line 7 - 7 in fig. 2b,

fig. 8 et snitt langs linjen 8 - 8 på fig. 2c, fig. 8 a section along the line 8 - 8 in fig. 2c,

fig. 9 et planriss av en utførelse av et sammen-trykningselement benyttet i demperen, fig. 9 a plan view of an embodiment of a compression element used in the damper,

fig. 10 et snitt langs linjen 10 - 10 på fig. 9, fig. 10 a section along the line 10 - 10 in fig. 9,

fig. 11 et planriss av en annen utførelse av sammen-trykningselementet, fig. 11 a plan view of another embodiment of the compression element,

fig. 12 et snitt langs linjen 12 - 12 på fig.' 11, fig. 12 a section along the line 12 - 12 in fig.' 11,

fig. 13 et planriss av enda en utførelse av sammen-trykningsélementet, fig. 13 a plan view of yet another embodiment of the compression element,

fig. 14 et snitt langs linjen 14 - 14 på fig. 13, fig. 14 a section along the line 14 - 14 in fig. 13,

fig. 15 et diagram som viser fjærkonstantkarakteri-stika av "bløte", "moderate" og "harde" deformerbare element-ter. fig. 15 a diagram showing the spring constant characteristics of "soft", "moderate" and "hard" deformable elements.

Vibrasjonsdemperen for en borestreng i overensstemmelse med oppfinnelsen innbefatter en teleskopisk spindel og en sylinder med et mellomliggende element. Det deformerbare element er utformet for å gi en sjokkabsorbsjonsinnretning med lav fjærkonstant. Spindelen og sylinderen danner i kombinasjon en rekke sammenbundne kamre eller et rom fylt med en mengde av et relativt ikke-kompresibelt driftsfluidum. Kamrene er skilt med godt tilpassede lageroverflater som sørger for aksial stabilitet mellom spindelen og sylinderen. Lagerover-flatene er utstyrt med passasjer for bevegelse av fluidum fra ett kammer til et annet. Spindelen og sylinderen er innbyrdes forseglet ved hver ende av kammersystemet med væsketette for-seglinger, hvor en ende er utstyrt med et bevegelig forsegl-ingselement for å hindre borehullsfluidum fra å komme inn i kammersystemet og for å sette driftsvæsken i kammersystemet under trykk for' å utligne dette med det hydrostatiske bunn-trykk i hullet. The vibration damper for a drill string in accordance with the invention includes a telescopic spindle and a cylinder with an intermediate element. The deformable element is designed to provide a shock absorption device with a low spring constant. The spindle and cylinder in combination form a series of interconnected chambers or a space filled with a quantity of a relatively incompressible operating fluid. The chambers are separated by well-matched bearing surfaces that ensure axial stability between the spindle and the cylinder. The bearing surfaces are equipped with passages for the movement of fluid from one chamber to another. The spindle and cylinder are mutually sealed at each end of the chamber system with liquid-tight seals, one end of which is equipped with a movable sealing element to prevent borehole fluid from entering the chamber system and to pressurize the operating fluid in the chamber system to balance this with the hydrostatic bottom pressure in the hole.

Mer spesielt innbefatter utførelsen som er vist på fig. 1, en rørformet sylinder 10 og en rørformet spindel 12. Spindelen 12 er anordnet inne i og er bevegelig i forhold til sylinderen 10. Den øvre ende av spindelen 12 har form av en tappformet rilledel 13 som er utstyrt med en muffeforbindelse 14 av hensiktsmessig koblingskonstruksjon for verktøy for sam-menbinding til borestrengen (ikke vist). Under muffeforbindelsen 14 er det en seksjon 16 med mindre diameter og under denne er det en lengde av kamformede riller 18 skåret inn i overflaten av spindelen. Rillene 18 er krombelagt og over-flatebehandlet for tett tilpasning. Under rillene 18 er det en del 20 med mindre diameter som har en tett tilpasset krombelagt overflate som har en rekke kanaler eller spor 22 som er skåret inn i delens overflate. Kanalene strekker seg langs fordypningene av de kamformede riller. Som vist er sporene 12 lineære og parallelle med hverandre selv om andre utform-inger kan benyttes. Ved den nedre ende av rilledelen 13 er det en utvendig gjenget del 24 (fig. lb). Langs den midtre del av rilledelen er det et sentralt hull 2 5 beregnet for å føre boreslam gjennom verktøyet til boreskjæret (ikke vist). More particularly, the embodiment shown in FIG. 1, a tubular cylinder 10 and a tubular spindle 12. The spindle 12 is arranged inside and is movable in relation to the cylinder 10. The upper end of the spindle 12 has the form of a spigot-shaped groove part 13 which is equipped with a sleeve connection 14 of suitable coupling construction for tools for connection to the drill string (not shown). Below the sleeve connection 14 there is a section 16 of smaller diameter and below this there is a length of comb-shaped grooves 18 cut into the surface of the spindle. The grooves 18 are chrome-plated and surface-treated for tight fit. Beneath the grooves 18 is a smaller diameter part 20 having a closely fitted chrome plated surface having a series of channels or grooves 22 cut into the surface of the part. The channels extend along the depressions of the comb-shaped grooves. As shown, the tracks 12 are linear and parallel to each other, although other designs can be used. At the lower end of the groove part 13 there is an externally threaded part 24 (fig. 1b). Along the middle part of the groove part there is a central hole 25 intended to pass drilling mud through the tool to the drill bit (not shown).

Den neste lavere del av spindelen 12 er et spyle-rør 26 hvis øvre ende er utstyrt med en muffe 28 utformet i samsvar med den utvendig gjengede del 24 på rilledelen 13. Spylerøret 2 6 har en del 32 med redusert diameter under muffen 28, og sammen danner de en kompresjonsskulder 27. Muffen 28 er utstyrt med en O-ring 30 for forsegling til den utvendig gjengede tappdel på rilledelen 13. Muffen 28 er avstandsplassert fra sylinderen 10 for dannelse av en ringformet passasje 31. Skulderen 27 er utstyrt med radialt forløpende spor 110, som er nærmere omtalt senere. The next lower part of the spindle 12 is a flush pipe 26, the upper end of which is provided with a sleeve 28 formed in accordance with the externally threaded part 24 of the groove part 13. The flush pipe 26 has a part 32 of reduced diameter below the sleeve 28, and together they form a compression shoulder 27. The sleeve 28 is equipped with an O-ring 30 for sealing to the externally threaded pin part on the groove part 13. The sleeve 28 is spaced from the cylinder 10 to form an annular passage 31. The shoulder 27 is equipped with radially extending track 110, which is discussed in more detail later.

Spylerørets del 32 med redusert diameter har gjen-ger 34 (fig. lc) ved den nedre ende for samvirke med mutteren 36. Delen 32 har en størrelse slik at den kan mottas i og understøtte en rekke deformerbare ringer 38 som utgjør et deformerbart element 40. Overflaten av delen 32 er også utstyrt med lineære kanaler eller spor 37, hvis formål er forklart nedenfor. Delen 32 er også utstyrt med en sentral boring 33, som står i forbindelse med hullet 25 for å føre boreslam tii borkronen. The reduced diameter portion of the flush pipe 32 has threads 34 (Fig. 1c) at the lower end for engagement with the nut 36. The portion 32 is sized so that it can be received in and support a series of deformable rings 38 which form a deformable element 40 The surface of the part 32 is also provided with linear channels or grooves 37, the purpose of which is explained below. The part 32 is also equipped with a central bore 33, which is in connection with the hole 25 for feeding drilling mud into the drill bit.

Sylinderen 10 er ved den øvre ende utstyrt med en forseglingshylse 4 2 som har en aksial boring eller lageroverflate 44, som er dimensjonert for å motta delen eller den tilpassede lageroverflate 16 av den med kileriller utformede del 13 i tett tilpasning, dvs. med en klaring på ca. 0,005 cm. Den innvendige flate av forseglingsboringen 44 er utstyrt med fire periferispor 45, og i disse er det plassert væske-pakningsringer 45a og harde stabiliseringsringer 45b. Forseglingshylsen 42 sørger for en væsketett forsegling med den av krom utførte seksjon 16 av den kileformede rilledel og sta-biliserer sylinderen 10 på spindelen 12. Det er også anordnet en rensering 45c. Delen 16 er presstilpasset i stabiliseringsringene 45b. Den nedre ende av forseglingshylsen 42 er utstyrt med en tapp 46 som er tilpasset til en muffe 48 på den øvre ende av den hylseformede sylinderseksjon 50, som er utstyrt med riller. En O-ring 52 forsegler gjengeforbindel-sen. Den hylseformede sylinderseksjon 50 som er utstyrt med riller, har en innvendig boring 54 som har riller 56 som er skåret inn i kantflaten av boringen. Rillene 56 er dimensjonert slik at de griper inn i rillene 18 på den med kileriller utformede del 13. The cylinder 10 is provided at the upper end with a sealing sleeve 42 having an axial bore or bearing surface 44, which is dimensioned to receive the part or the fitted bearing surface 16 of the splined part 13 in close fit, i.e. with a clearance of approx. 0.005 cm. The inner surface of the sealing bore 44 is equipped with four peripheral grooves 45, and in these are placed liquid packing rings 45a and hard stabilization rings 45b. The sealing sleeve 42 ensures a liquid-tight seal with the chromium-made section 16 of the wedge-shaped groove part and stabilizes the cylinder 10 on the spindle 12. A cleaning ring 45c is also provided. The part 16 is press-fitted in the stabilization rings 45b. The lower end of the sealing sleeve 42 is provided with a pin 46 which is adapted to a sleeve 48 on the upper end of the sleeve-shaped cylinder section 50, which is provided with grooves. An O-ring 52 seals the threaded connection. The sleeve-shaped cylinder section 50 which is provided with grooves has an internal bore 54 which has grooves 56 cut into the edge surface of the bore. The grooves 56 are dimensioned so that they engage in the grooves 18 on the part 13 designed with wedge grooves.

Som vist på fig. 5, er rillene 56 fortrinnsvis utstyrt med en stålkjerne 56a, og på denne er det presset et syntetisk dekklag 58 som er motstandsdyktig mot slitasje, og som gir en støtputevirkning ved vridning. Et egnet dekklag 58 er dannet av en molybdendisulfidfylt uretanblanding som har en overflatehardhet "D" på 50. Materialet blir anvendt i form av et 0,635 cm tykt lag 60 på forkantene (dvs. driv-kantene) av rillene og et 0.318 cm tykt lag 62 på bakkantene. As shown in fig. 5, the grooves 56 are preferably equipped with a steel core 56a, and on this is pressed a synthetic cover layer 58 which is resistant to wear and which provides a shock cushion effect when twisted. A suitable cover layer 58 is formed from a molybdenum disulfide-filled urethane compound having a surface hardness "D" of 50. The material is used in the form of a 0.635 cm thick layer 60 on the leading edges (ie, driving edges) of the grooves and a 0.318 cm thick layer 62 on the back edges.

Den nedre ende av den hylseformede sylinderseksjon 50 med riller er utstyrt med en tappdel 64 (fig. lb) som har en O-ring 65 som virker som pakning. Det nedre område 66 ved boringen 54 har redusert diameter og danner en skulder 68 som utgjør en forsegling og lagerflate 68a, i hvilken den nedre endedel av kilerilledelen 13 er opplagret. Det er anordnet flere stabiliseringsringer 67 i boringen ved området 66. The lower end of the sleeve-shaped cylinder section 50 with grooves is provided with a pin part 64 (fig. 1b) which has an O-ring 65 which acts as a gasket. The lower area 66 at the bore 54 has a reduced diameter and forms a shoulder 68 which constitutes a seal and bearing surface 68a, in which the lower end part of the wedge groove part 13 is stored. Several stabilization rings 67 are arranged in the bore at the area 66.

Man ser at tappdelen 64 av sylinderseksjonen 50 passer til en muffe 70 på den øvre ende av den deformerbare sylinderseksjon 72. Den nedre ende av tappdelen 64 begrenser den oppad forløpende langsgående bevegelse for spindelen 12 ved kontakt med den øvre ende av muffen 28. Det er anordnet en indre boring 74 i sylinderseksjonen 72. Boringen 74 strekker seg nesten til den nedre ende av sylinderseksjonen 72 hvor det er en boring 76 med redusert diameter for dannelse av en kompresjonsskulder 77. Denne skulder 77 begrenser den nedadgående langsgående bevegelse for spindelen 12. Spindelen bevirker via skulderen 27 en sammenpressing av de deformerbare segmenter 38 mot skulderen 77. Boringen 76 er dimensjonert for å motta den nedre ende av spylerøret 32 i et dreibart og stabilisert forhold inne i bæreflaten 76a. Sta-bilisatorringene 78 er montert i spor og skåret inn i veggen, til sylinderseksjonen 72 for å danne en væsketett presstil-pasning om spindelen 12. It is seen that the pin part 64 of the cylinder section 50 fits a sleeve 70 on the upper end of the deformable cylinder section 72. The lower end of the pin part 64 limits the upward longitudinal movement of the spindle 12 by contact with the upper end of the sleeve 28. It is provided an internal bore 74 in the cylinder section 72. The bore 74 extends almost to the lower end of the cylinder section 72 where there is a bore 76 of reduced diameter to form a compression shoulder 77. This shoulder 77 limits the downward longitudinal movement of the spindle 12. The spindle causes via the shoulder 27 a compression of the deformable segments 38 against the shoulder 77. The bore 76 is dimensioned to receive the lower end of the flush pipe 32 in a rotatable and stabilized relationship inside the bearing surface 76a. The stabilizer rings 78 are mounted in grooves and cut into the wall of the cylinder section 72 to form a liquid tight press fit about the spindle 12.

Den nedre ende av sylinderseksjonen 72 ender i en tapp 80 (fig. lc), som er tilpasset til en muffe 82 som er utformet i den øvre ende av en trykkringenhet 84. Det er anordnet en O-ring 86 i tappen 80 for å forsegle gjengeforbind-elsen. The lower end of the cylinder section 72 terminates in a pin 80 (Fig. 1c), which is adapted to a sleeve 82 formed in the upper end of a pressure ring assembly 84. An O-ring 86 is provided in the pin 80 to seal the threaded connection.

Trykkringenheten 84 er utstyrt med en forkrommet aksial boring 88 med en diameter som er størrre enn den nedre ende av spylerøret 26. En ring 90 er utstyrt med O-ringer 92 og 94 for å gi en væsketett forsegling av overflaten til boringen 88 i trykkringenheten 84 og den ytre overflate av delen 32 med redusert diameter av spylerøret 26. Ringen 90 avstøt-tes mot spylerøret 26 ved hjelp av mutteren 36. Den nedre ende av trykkringenheten 84 er utstyrt med en tappdel 96 for forbindelse tilbake til den nedre ende av borestrengen (ikke vist). Boringen 88 har en del 98 med redusert diameter i det nedre område, hvis funksjon skal forklares nedenfor. The pressure ring assembly 84 is provided with a chrome-plated axial bore 88 having a diameter greater than the lower end of the flush tube 26. A ring 90 is provided with O-rings 92 and 94 to provide a liquid-tight seal to the surface of the bore 88 in the pressure ring assembly 84 and the outer surface of the reduced-diameter part 32 of the flushing pipe 26. The ring 90 is pushed against the flushing pipe 26 by means of the nut 36. The lower end of the pressure ring assembly 84 is equipped with a pin part 96 for connection back to the lower end of the drill string ( not shown). The bore 88 has a portion 98 of reduced diameter in the lower region, the function of which will be explained below.

Det er anordnet en åpning 97 i veggen til den deformerbare sylinderseksjon 72. Åpningen 97 er lukket med en plugg 99 som kan bli fjernet for å tillate at det føres hy-draulisk fluidum eller lignende til det indre av verktøyet, som forklart nedenfor. Det er anordnet en lignende åpning 101 og plugg 103 i den øvre ende av den hylseformede sylinderseksjon 50 med riller. An opening 97 is provided in the wall of the deformable cylinder section 72. The opening 97 is closed by a plug 99 which can be removed to allow hydraulic fluid or the like to be supplied to the interior of the tool, as explained below. A similar opening 101 and plug 103 are arranged in the upper end of the sleeve-shaped cylinder section 50 with grooves.

På fig. 5 er det vist et spor 22 som forløper i lengderetning i området ved annenhver kilerille, slik det og-så er vist på fig. 6. Fig. 6 viser også oljepassasjespor 108 gjennom tappen 64. På fig. 7 er sporene 110 vist tvers over skulderen 27 til muffeforbindelsen 28 for spylerøret 26. Man vil se at ringene 45 mellom rilledelen 16 og forseglingshylsen 42 danner et stabiliseringspar. Ringene 67 mellom rillesek-sjonen 50 og rilledelen 13 danner et annet stabiliseringspar. Ringene 78 mellom den nedre ende av sylinderseksjonen 72 og spylerøret 26 danner en tredje stabiliseringssone, mens for-seglingsringen 90 danner ytterligere en stabilisator mellom trykkringenheten 84 og den nedre ende av spylerøret 26. Alle disse stabiliseringskonstruksjoner vil binde sylinderen 10 In fig. 5, a groove 22 is shown which extends in the longitudinal direction in the area of every other wedge groove, as is also shown in fig. 6. Fig. 6 also shows oil passageway 108 through pin 64. In fig. 7, the grooves 110 are shown across the shoulder 27 of the sleeve connection 28 for the flush pipe 26. It will be seen that the rings 45 between the groove part 16 and the sealing sleeve 42 form a stabilizing pair. The rings 67 between the groove section 50 and the groove part 13 form another stabilizing pair. The rings 78 between the lower end of the cylinder section 72 and the flush tube 26 form a third stabilization zone, while the sealing ring 90 forms a further stabilizer between the pressure ring assembly 84 and the lower end of the flush tube 26. All these stabilization structures will bind the cylinder 10

og spindelen sammen i sideretning og gjøre verktøyet stivere. and the spindle together laterally and make the tool more rigid.

Et ringformet rom 107a blir definert' mellom den ytre overflate av spindelen 12 og den indre overflate av sylinderen 10. Endene av dette rom 107a er lukket ved de væsketette pakninger 45, 92, 94. Stabiliseringsringene 67, 78 deler opp det ringformede rom 107a i henholdsvis et indre rillekammer 107, kammer 109 for deformerbare elementer og kammer 111 for flytende forsegling. I rommet 107a er anbragt de deformerbare ringer 38 og driftsfluidum. Fluidumet kan bevege seg fritt mellom kamrene 107 og 109 via spor 22, 108 og 31 og mellom kamrene 109 og 111 via den ringformede passasje 31 og spor 110 og 37. An annular space 107a is defined between the outer surface of the spindle 12 and the inner surface of the cylinder 10. The ends of this space 107a are closed by the liquid-tight seals 45, 92, 94. The stabilization rings 67, 78 divide the annular space 107a into respectively an inner groove chamber 107, chamber 109 for deformable elements and chamber 111 for liquid sealing. The deformable rings 38 and operating fluid are arranged in the space 107a. The fluid can move freely between chambers 107 and 109 via grooves 22, 108 and 31 and between chambers 109 and 111 via the annular passage 31 and grooves 110 and 37.

Fig. 9 og 10 illustrerer henholdsvis i plan og snitt en form som de deformerbare ringer kan ha. Den deformerbare ringenhet 38 innbefatter en utspart metallskive 100 som har et par oppstående ribber 102 og 104 som definerer en ringformet utsparing 112 mellom seg. En ring 114 av et elastisk materiale som har en tykkelse som er større enn den oppstående dimensjon av ribbene 102 og 104, er plassert innenfor utsparingen 112. Den elastiske ring 114 deformeres under trykk, men på grunn av elastisiteten går den tilbake til sin originale form når trykket frigjøres. Fig. 9 and 10 respectively illustrate in plan and section a shape that the deformable rings can have. The deformable ring unit 38 includes a slotted metal disk 100 which has a pair of upright ribs 102 and 104 which define an annular recess 112 between them. A ring 114 of an elastic material having a thickness greater than the upright dimension of the ribs 102 and 104 is placed within the recess 112. The elastic ring 114 deforms under pressure, but due to its elasticity it returns to its original shape when the pressure is released.

Den deformerbare ring på fig. 11 og 12 innbefatter en flat metallskive 116, og til denne er det på egnet måte festet en ring 118 av elastisk materiale som har et trapes-formet tverrsnitt med hovedflaten i kontakt med metallskiven 116. The deformable ring in fig. 11 and 12 includes a flat metal disk 116, and to this a ring 118 of elastic material having a trapezoidal cross-section with the main surface in contact with the metal disk 116 is suitably attached.

Den deformerbare ring på fig. 13 og 14 innbefatter metallskiver 120 og 121 hvor hver skive har en ytre ribbe 122 og en indre ribbe 126, som henholdsvis definerer ringformede utsparinger 130 og 132. En ring 134 av et elastisk materiale er plassert i hver utsparing og befinner seg mellom nærliggende skiver. Sideoverflaten 136 til de elastiske ringer 134 har en konkav form for å lette plassering og fasthold-else innenfor utsparingene av skivene. The deformable ring in fig. 13 and 14 include metal discs 120 and 121 where each disc has an outer rib 122 and an inner rib 126, which respectively define annular recesses 130 and 132. A ring 134 of an elastic material is placed in each recess and is located between adjacent discs. The side surface 136 of the elastic rings 134 has a concave shape to facilitate placement and retention within the recesses of the discs.

Konstruksjonen av hver av disse deformerbare ringer er slik at ved lave belastninger vil avbøyning av verk-tøyet bli større enn ved store belastninger. Arbeidskarak-teristika for det deformerbare element faller fortrinnsvis innenfor det skraverte felt som er vist på fig. 15. The construction of each of these deformable rings is such that, at low loads, deflection of the tool will be greater than at high loads. The performance characteristics of the deformable element preferably fall within the shaded area shown in fig. 15.

Andre elastiske materialer, slik som gummi, silisi-umgummi og neopren, såvel som uretan, kan også benyttes til det deformerbare element. En hard ikke-metallisk skive kan benyttes i stedet for metallskiver, eller en enkelt deformer-bar del kan anvendes i stedet for en stabel av alternerende metalliske og elastiske elementer. Other elastic materials, such as rubber, silicon rubber and neoprene, as well as urethane, can also be used for the deformable element. A hard non-metallic disc may be used instead of metallic discs, or a single deformable part may be used instead of a stack of alternating metallic and elastic elements.

Av fig. lb fremgår at skulderen til muffen 28 på spindelen 12 er i kontakt med skulderen til den sylindriske tapp 64 for å begrense teleskopvirkningen av spindelen og sylinderen og forhindre delene i å frigjøres fra hverandre. From fig. lb appears that the shoulder of the sleeve 28 on the spindle 12 is in contact with the shoulder of the cylindrical pin 64 to limit the telescoping effect of the spindle and cylinder and prevent the parts from being released from each other.

Ved bruk av demperen blir tappdelen 96 av trykkringenheten 84 skrudd inn i borkronen, mens muffen 14 på den tappformede rilledel 16 skrus inn i hylser eller stabilisato-rer ved enden av borestrengen. Verktøyet er konstruert for å kunne brukes under de forhold man møter i boreoperasjoner i grunne eller dype borehull. Når demperen f. eks. blir benyttet direkte over borkronen i et dypt hull under en vanskelig boreoperasjon under følgende forhold: When using the damper, the pin part 96 of the pressure ring unit 84 is screwed into the drill bit, while the sleeve 14 on the pin-shaped groove part 16 is screwed into sleeves or stabilizers at the end of the drill string. The tool is designed to be used under the conditions encountered in drilling operations in shallow or deep boreholes. When the damper e.g. is used directly over the drill bit in a deep hole during a difficult drilling operation under the following conditions:

vil dette virke som følger: this will work as follows:

Det fullt utstrakte verktøy blir senket ned i borehullet på borestrengen inntil borkronen har nådd bunnen. Det indre trykk i det ringformede rom 107a utlignes med trykket på 703 kp/cm 2 ved bunnen av borehullet og som oppstår fra fluidummengden som befinner seg der etter.-som trykket i bunnen av hullet forspenner den flytende forseglingsring 90 oppover. Det blir deretter utøvet en vektbelastning på borkronen og derved belastes verktøyet. Ringelementene 38 blir deformert ved kompresjonsskuldrene 27, 77 når spindelen 12 og sylinderen 10 teleskopisk går sammen. Riggens slampumpe blir deretter satt i gang og vil øke det indre trykk i borestrengen ved verktøyet med 70,3 kp/cm 2. Når dette inntreffer, blir belastningen på ringelementene 38 redusert på grunn ay trykket fra pumpen og som virker mot tverrsnittet av spylerøret 26 og kilerilledelen 13. Dette trykk kan åpne verktøyet på grunn av pumpevirkningen. I det typiske tilfelle hvor arealet er 193,5 cm 2, vil pumpekraften være 13608 kp for de forhold som er angitt ovenfor. Således vil belastningen på ringelementene bli redusert fra 24948 kg til 11340 kg, selv om kronen fortsatt er belastet med 24948 kg. The fully extended tool is lowered into the drill hole on the drill string until the bit has reached the bottom. The internal pressure in the annular space 107a is balanced by the pressure of 703 kp/cm 2 at the bottom of the borehole and which arises from the quantity of fluid which is located there after - as the pressure at the bottom of the hole biases the floating sealing ring 90 upwards. A weight load is then exerted on the drill bit and thereby loads the tool. The ring elements 38 are deformed at the compression shoulders 27, 77 when the spindle 12 and the cylinder 10 telescopically join. The rig's mud pump is then started and will increase the internal pressure in the drill string at the tool by 70.3 kp/cm 2. When this occurs, the load on the ring elements 38 is reduced due to the pressure from the pump and which acts against the cross section of the flush pipe 26 and the keyway part 13. This pressure can open the tool due to the pumping action. In the typical case where the area is 193.5 cm 2 , the pumping power will be 13608 kp for the conditions stated above. Thus, the load on the ring elements will be reduced from 24948 kg to 11340 kg, even though the crown is still loaded with 24948 kg.

Borestrengen blir deretter satt i rotasjon. Når rotasjonen inntreffer og borkronen beveges vertikalt, f. eks. pluss eller minus 1,27 cm i forhold til et midtpunkt med en frekvens på 3 hertz, blir det deformerbare element 4 0 trykket sammen og strukket 1,27 cm, noe som gir en total bevegelse på 2,54 cm ved denne frekvens. Mer spesielt blir uretanringene 114 deformert, og driftsvæsken blir presset gjennom kanalene 37 i seksjonen 3 2 og spylerøret med redusert diameter og inn i kammeret 111 med flytende forsegling og forårsaker derved nedovergående forspenning av den flytende forseglingsring 90. Da fjærkonstanten til elementet ved denne belastning fortrinnsvis er ca. 3572 kp/cm, vil belastningen på det deformerbare element 40 under disse forflytninger variere mellom ca. The drill string is then put into rotation. When the rotation occurs and the drill bit is moved vertically, e.g. plus or minus 1.27 cm relative to a center point at a frequency of 3 hertz, the deformable element 40 is compressed and stretched 1.27 cm, giving a total movement of 2.54 cm at this frequency. More specifically, the urethane rings 114 are deformed, and the operating fluid is forced through the channels 37 of the section 3 2 and the reduced diameter flush tube into the liquid seal chamber 111, thereby causing downward biasing of the liquid seal ring 90. As the spring constant of the element at this load preferably is approx. 3572 kp/cm, the load on the deformable element 40 during these movements will vary between approx.

6804 kg og 15876 kg. Nettoeffekten blir at belastningen på borkronen vil variere fra ca. 20412 kg til 29484 kg. Når verktøyet presses sammen og ekspanderer, blir driftsoljen pumpet frem og tilbake mellom kamrene og absorberer således energi. 6804 kg and 15876 kg. The net effect is that the load on the drill bit will vary from approx. 20412 kg to 29484 kg. As the tool compresses and expands, the operating oil is pumped back and forth between the chambers and thus absorbs energy.

Konstruksjonen av vibrasjonsdemperen som er beskrevet, er slik at den: 1) sørger for utligning av trykket inne i kamrene med deformerbare elementer med det hydrostatiske trykk i bunnen av hullet for å eliminere problemet med forbelastning, 2) sørger for et differensielt forseglingsområde, slik at riggens pumpetrykk, som avspeiler seg ved verktøyet, virker til å pumpe spindelen og sylinderen fra hverandre for derved å bevirke de mest fleksible deler av verktøyet for absorbsjon av de aksielle krefter fra boreskjæret, 3) sørger for et "bløtt" deformerbart element som fortrinnsvis har fjærkonstant-karakteristika, slik at verktøyet vil bevege seg teleskopisk i det minste 5,08 cm under en belastning med 36288 kg og ikke mer enn 5,08 cm under en belastning med 4 53 6 kg for å sikre at den største del av den sykliske belastning som kommer fra bor-kronebevegelsen blir tatt opp av verktøyet, 4) sørger for stabilisering av verktøyet i den hensikt å minimalisere av-vikelser i hullet, 5) danner deformerbare segmenter som er avstandsplassert fra de bevegelige vegger av elementkammeret i en tilstrekkelig avstand til å tillate at deformering av uretanringene vil oppstå uten kontakt med veggene, 6) sørger for demping av de teleskopiske bevegelser ved at det anordnes driftsolje som må passere frem og tilbake tvers over de væsketette lagersoner gjennom begrensede kanaler som har et på for-hånd valgt tverrsnittsareal og 7) sørger for en forbedret rilleenhet tilpasset for å klare det relativt lange slag og The construction of the vibration damper described is such that it: 1) provides equalization of the pressure inside the deformable element chambers with the hydrostatic pressure at the bottom of the hole to eliminate the preload problem, 2) provides a differential sealing area so that the rig's pumping pressure, which is reflected in the tool, acts to pump the spindle and cylinder apart to thereby cause the most flexible parts of the tool to absorb the axial forces from the drill bit, 3) provides a "soft" deformable element which preferably has spring constant characteristics so that the tool will telescope at least 2 inches under a 36,288 kg load and no more than 2 inches under a 4,536 kg load to ensure that the greater part of the cyclic load that comes from the drill bit movement is taken up by the tool, 4) ensures stabilization of the tool with the intention of minimizing deviations in the hole, 5) forms def ormable segments which are spaced from the movable walls of the element chamber at a sufficient distance to allow deformation of the urethane rings to occur without contact with the walls, 6) provide damping of the telescopic movements by providing operating oil which must pass back and forth across over the liquid-tight bearing zones through limited channels having a pre-selected cross-sectional area and 7) provides an improved groove unit adapted to cope with the relatively long stroke and

I høyfrekvent teleskopbevegelse av verktøyet. In high-frequency telescopic movement of the tool.

På fig. 3a og 3b er det vist en annen utførelse hvor utformingen av den nedre ende av spylerøret 26 og trykkringenheten 84 er modifisert. Boringen 88 i trykkringenheten 84 er forbundet med en boring 14 0 med mellomliggende diameter med en størrelse for å motta delen 3 2 av spylerøret 26 med redusert diameter med tett tilpasning. Det er anordnet et par pakninger 142 ved den øvre ende av boringen 140. Det er videre anordnet en eller flere åpninger 144 gjennom sideveggene av trykkringenheten 84 for å danne kommunikasjon mellom utsi-den av denne og den nedre del av boringen 88. Gjengene 34 og mutteren på den nedre ende av spylerøret 26 er eliminert, og delen 32 med redusert diameter er utstyrt med en forlengelse 14 5 som blir opptatt i boringen 140 og som blir omgitt av pakninger 142 i den ubelastede tilstand. Fig. 3b viser demperen under belastet tilstand. I denne utforming blir trykkringen 90 utsatt for trykket i borehullet i stedet for det indre strengtrykk. Resultatet av dette er at fluidumet i de indre kamre av demperen blir holdt ved et trykk lik trykket i borehullet, og følgelig virker differansialtrykket over borkronen bare på tverrsnittsarealet av spylerørsforlengelsen 145. Således blir kraften som åpner demperen ved pumpevirkningen vesentlig redusert i forhold til hva som er nødvendig ved en utførelse i overensstemmelse med fig. 1 og 2, mens trykkutlig-ningsegenskapen opprettholdes. Denne utførelse er spesielt gunstig i verktøy med stor diameter og som benyttes i grunne hull hvor•borkronevekten ikke kan være vesentlig større enn kraften som dannes av differansialtrykket på trykkringområdet. In fig. 3a and 3b, another embodiment is shown where the design of the lower end of the flushing pipe 26 and the pressure ring unit 84 has been modified. The bore 88 in the pressure ring assembly 84 is connected to an intermediate diameter bore 140 sized to receive the reduced diameter flush tube 26 portion 32 with a tight fit. A pair of seals 142 are provided at the upper end of the bore 140. One or more openings 144 are further provided through the side walls of the pressure ring unit 84 to form communication between the outside of this and the lower part of the bore 88. The threads 34 and the nut on the lower end of the flush tube 26 is eliminated, and the reduced diameter portion 32 is provided with an extension 145 which is received in the bore 140 and which is surrounded by gaskets 142 in the unloaded condition. Fig. 3b shows the damper under load. In this design, the pressure ring 90 is exposed to the pressure in the borehole instead of the internal string pressure. The result of this is that the fluid in the internal chambers of the damper is kept at a pressure equal to the pressure in the borehole, and consequently the differential pressure across the drill bit only acts on the cross-sectional area of the flush pipe extension 145. Thus, the force that opens the damper by the pumping action is significantly reduced in relation to what is necessary in an embodiment in accordance with fig. 1 and 2, while the pressure equalization property is maintained. This design is particularly advantageous in tools with a large diameter and which are used in shallow holes where the weight of the drill bit cannot be significantly greater than the force generated by the differential pressure in the pressure ring area.

Fig. 4a og 4b viser en demperutførelse uten trykkringen 90 og sporene 37 og som ikke tillater utligning av indre og ytre trykk. Ved denne utførelse er demperen ikke helt Fig. 4a and 4b show a damper design without the pressure ring 90 and the grooves 37 and which does not allow equalization of internal and external pressure. In this embodiment, the damper is not completely

fylt med fluidum og er spesielt anvendbar i grunne hull med stor diameter. Tilleggsstabilisering blir oppnådd ved bruk av stabilisatorringer 78 både over og under pakningene 79. filled with fluid and is particularly applicable in shallow holes with a large diameter. Additional stabilization is achieved by the use of stabilizer rings 78 both above and below the gaskets 79.

I utførelsen på fig. 1 og 2 er det vist hvordan den flytende pakningsring 90 utlignet fluidumtrykket i de indre kamre med slamtrykket. Videre er det vist at differansialtrykket over borkronen virker på den flytende pakningsring 90 og spindelen for ved pumpevirkning å åpne med en kraft lik differansialtrykket ganger arealet som innelukkes av den utvendige diameter av trykktetningsringen. In the embodiment in fig. 1 and 2 it is shown how the floating sealing ring 90 equalizes the fluid pressure in the inner chambers with the mud pressure. Furthermore, it is shown that the differential pressure above the drill bit acts on the floating sealing ring 90 and the spindle to open by pumping action with a force equal to the differential pressure times the area enclosed by the outer diameter of the pressure sealing ring.

I noen tilfeller kan det hende at arealet som innelukkes av den utvendige diameter av trykktetningsringen ganger differansialtrykket kan være større enn belastningen som mottas av borkronen. I dette tilfelle vil demperen forbli åpen ved pumpevirkningen og vil ikke fungere etter hensikten. I slike tilfeller tillates det ikke at trykktetningsringen er flytende. Dette oppnås ved å plassere en elastisk avstands-innretning 146, som er vist ved stiplet strek, mellom trykktetningsringen og tappen 80 til sylinderseksjonen 72 i sammen-trykket tilstand. I tillegg er demperen bare delvis fylt med fluidum. Således holder det hydrostatiske trykk trykktet- In some cases, the area enclosed by the outside diameter of the pressure seal ring times the differential pressure may be greater than the load received by the drill bit. In this case, the damper will remain open during the pumping action and will not function as intended. In such cases, the pressure seal ring is not allowed to be liquid. This is achieved by placing a resilient spacer 146, shown in dashed line, between the pressure seal ring and the pin 80 of the cylinder section 72 in the compressed state. In addition, the damper is only partially filled with fluid. Thus, the hydrostatic pressure keeps the pressure

i ningsringen mot avstandsinnretningen 146, mens spylerøret beveges aksialt gjennom forseglingene 92 på innsiden av forseg-lingsringen 90. Resultatet er at ingen trykkutligning finner sted i det ringformede kammer av demperen, noe som resulterer i at det hydrostatiske trykk bringer demperen til lukket tilstand. Differansialtrykket tvers over borkronen virker imidlertid på arealet av spindelen 32. og forsøker å åpne verktøyet ved pumpevirkning. Således, kan demperen bli modifisert for in the sealing ring towards the spacer 146, while the flush tube is moved axially through the seals 92 on the inside of the sealing ring 90. The result is that no pressure equalization takes place in the annular chamber of the damper, which results in the hydrostatic pressure bringing the damper to a closed state. However, the differential pressure across the drill bit acts on the area of the spindle 32 and tries to open the tool by pumping action. Thus, the damper can be modified too

bruk i grunne hull ganske enkelt ved å tilføye avstandsinnretningen 14 6 og ved ikke å fylle det indre kammer. use in shallow holes simply by adding the spacer 14 6 and by not filling the inner chamber.

En karakteristisk egenskap med de fleste sjokkabsorberende elementer som benytter seg av deformasjon av et materiale for å absorbere sjokk, er at fjærkonstanten av elementet øker etter hvert som belastningen på elementet blir øket. Med andre ord er det slik at med lav belastning på et element, blir elementet mye bløtere enn med høy belastning. Diagrammet som er illustrert på fig. 15, viser karakteristika for avbøyning eller defleksjon som funksjon av belastning i kurveform for tre elementer A, B og C. Noe som er tydelig av diagrammet, er at fjærkonstanten av elementene (dvs. hellin-gen av kurven) varierer kontinuerlig etter hvert som belastningen på elementet endres. Følgelig kan fjærkonstanten be-traktes som en gjennomsnittsverdi for en viss størrelse på sammentrykning som er nødvendig for å forflytte verktøyet 2,54 cm. A characteristic feature of most shock-absorbing elements that make use of deformation of a material to absorb shock is that the spring constant of the element increases as the load on the element is increased. In other words, with a low load on an element, the element becomes much softer than with a high load. The diagram illustrated in fig. 15, shows deflection or deflection characteristics as a function of load in curve form for three elements A, B and C. Something that is clear from the diagram is that the spring constant of the elements (ie the slope of the curve) varies continuously as the load on the element is changed. Accordingly, the spring constant can be considered an average value for a certain amount of compression required to move the tool 2.54 cm.

Element A på diagrammet kan bli klassifisert som Element A on the diagram can be classified as

et hardt element som har eh fjærkonstant for de første 2,54 a hard element having eh spring constant for the first 2.54

cm bevegelse på omkring 53 58 0 kp/cm. Dersom elementet ved operasjonsdybden var forbelastet (operasjonspunkt X i diagrammet) med 136080 kg, er det klart at elementet ville være ekstremt hardt. cm movement of about 53 58 0 kp/cm. If the element at the operating depth was preloaded (operation point X in the diagram) with 136080 kg, it is clear that the element would be extremely hard.

Element B på diagrammet kan bli klassifisert som et "moderat" element som har en fjærkonstant på 9823 kp/cm for de første 2,54 cm bevegelse. Dersom elementet ved operasjonsdybden var forbelastet (operasjonspunkt X på diagrammet) med 136080 kg, er det klart at elementet vil være ekstremt hardt, dvs. det vil kreve en enorm belastning for ytterligere å de-formere elementet. Dersom elementet ved operasjonsdybden bare ble forbelastet med 13608 kg (operasjonspunkt Y på diagrammet), så ville elementet være moderat bløtt og ha en fjærkonstant på omkring 10716 kp/cm. Det kan ytterligere bli deformert med en forholdsvis liten belastning. Element B on the diagram can be classified as a "moderate" element having a spring constant of 9823 kp/cm for the first 2.54 cm of travel. If the element at the operating depth was preloaded (operation point X on the diagram) with 136080 kg, it is clear that the element will be extremely hard, i.e. it will require an enormous load to further deform the element. If the element at the operating depth was only preloaded with 13608 kg (operating point Y on the diagram), then the element would be moderately soft and have a spring constant of around 10716 kp/cm. It can be further deformed with a relatively small load.

Element C på diagrammet kan bli klassifisert som et bløtt element som har en fjærkonstant på 2679 kp/cm for de første 2,54 cm bevegelse. Ved operasjonspunkt X på diagrammet vil fjærkonstanten være høy, og elementet vil være ekstremt hardt. Ved operasjonspunktet Y vil imidlertid elementet ha en fjærkonstant på omkring 3572 kp/cm. Element C on the diagram can be classified as a soft element having a spring constant of 2679 kp/cm for the first 2.54 cm of travel. At operating point X on the diagram, the spring constant will be high and the element will be extremely hard. At the operating point Y, however, the element will have a spring constant of around 3572 kp/cm.

Claims

1. Tool for use in a drill string for absorbing shock loads arising from upward axial displacement of the drill bit during drilling, which tool includes a tubular spindle (12) telescopically arranged in a tubular cylinder (10) and connected thereto by an axial wedge connection (18, 56) where an annular space (107a) including a chamber (109) is formed between the spindle and the cylinder, a compliant device (38, 40) placed in the chamber, which compliant device includes a stack (40) of separated , fixed and deformable elements (38), a pair of opposing compression shoulders, one of which (27) is carried by the spindle and extends into the chamber adjacent one end thereof, and the other (77) is carried by the cylinder and extends into the chamber adjacent to the other end of the chamber, which shoulders act against the ends of the yielding device (38, 40), characterized in that the stack (40) of deformable elements at the beginning of spring ring has a spring constant of less than 17860 kp/cm, and that the entire stack is free from contact with adjacent side walls of the spindle (12) and in the cylinder (10), whereby the stack during use is exposed to essentially the total axial shock load over the entire its length.

2. Tool according to claim 1, characterized in that the stack of elements is calculated to allow a movement of at least 5.08 cm for the telescoping tool's movement when the tool is axially loaded with 36288 kg and no more than 5.08 cm when the telescoping tool tool is loaded with 10536 kg.