(12) PATENT (19) NO (11) (13) B1. (51) Int Cl. E21B 7/24 ( ) E21B 10/36 ( ) NORGE. Patentstyret

Transkript

1 (12) PATENT (19) NO (11) (13) B1 NORGE (1) Int Cl. E21B 7/24 (06.01) E21B /36 (06.01) Patentstyret (21) Søknadsnr (86) Int.inng.dag og søknadsnr PCT/GB07/ (22) Inng.dag (8) Videreføringsdag (24) Løpedag () Prioritet , GB, , GB, (41) Alm.tilgj (4) Meddelt (73) Innehaver UNIV Court of the UNIV of Aberdeen, Research and Innovation, UNIV Office Kings College, GB-AB243FX ABERDEEN, Storbritannia (72) Oppfinner Marian Wiercigroch, c/o College of Physical Sciences, UNIV of Aberdeen, Kings College, GB-AB243FX ABERDEEN, Storbritannia (74) Fullmektig Oslo Patentkontor AS, Postboks 7007 Majorstua, 06 OSLO, Norge (4) Benevnelse Fremgangsmåte, boreanordning og boresammensetning for boring og resonans (6) Anførte publikasjoner US A GB A (7) Sammendrag Foreliggende oppfinnelse vedrører boreapparatur omfattende en borekrone (1) i stand til rotasjonsmessig og høyfrekvent oscillatorisk belastning, og kontrollorganer for å kontrollere påført rotasjonsmessig og/eller oscillatorisk belastning av borekronen, hvor kontrollorganene har justeringsmidler for å variere den påførte rotasjonsmessige og/eller oscillatoriske belastning, idet nevnte justeringsmiddelet reagerer på forhold ved materialet som boret passerer igjennom. Kontrollorganene er ved bruk plassert på apparatet i en nedhullslokasjon og inkluderer sensorer for å ta nedhullsmålinger av materialkarakteristikker, hvorved apparatet kan opereres nedhulls under lukket sløyfe sanntids kontroll. Apparatet kan bestemme passende lastparametere for borekronen for å oppnå og opprettholde resonans mellom borekronen og det borede materialet i kontakt med denne.

2 1 Foreliggende oppfinnelse vedrører en boreinnretning, og nærmere bestemt en boreinnretning for å bore inn i materialer slik som en bergartsformasjon. Området boring inn i bergarter og andre materialer har drevet frem et antall utviklinger i boreteknologi. I denne henseende vil de ekstremt barske forhold involvert i denne type boring så vel som dens kostnad og de relaterte miljøspørsmål, alle sette strenge krav til effektiviteten, påliteligheten og sikkerheten ved boremetoder. Som en konsekvens er industrier som benytter nedhullsboring, slik som oljeindustrien, ivrig på å utvikle boreinnretninger og metodologier som møter disse krav og øker borehastigheter og minsker slitasje på verktøy. I denne forbindelse må oljeindustrien i økende grad bore avvikende eller horisontale langtrekkende brønner på jakt etter nye oljereserver. Slik boring vil imidlertid ytterligere involvere flere tema som utfordrer dagens boreteknologi slik som krav på lav vekt på borekronen, redusert krafttilgang, variable bergartsforhold over lengden av brønnen, fare for borehullskollapser/frakturer, øket kostnad for tripping, og øket slitasje på verktøy og svikt. Det er kjent at under bestemte forhold kan borehastigheter forbedres ved å påføre resiproke aksiale bevegelser til en borekrone når den passerer gjennom materiale som skal bores, såkalt perkusjonsboring. Dette er fordi påvirkningen av disse aksiale bevegelser fremmer frakturer i det borede materialet, og vil derved gjøre etterfølgende boring og fjerning av materiale enklere. 2 I konvensjonell perkusjonsboring er gjennomtrengingsmekanismen basert på frakturering av materiale ved borehullet ved store lavfrekvente ukontrollerte slag påført av borekronen. På denne måten kan borehastigheter for middels til harde bergarter økes sammenlignet med standard rotasjonsboring. Imidlertid er ulempen med dette at disse slag bringer borehullsstabiliteten i fare, reduserer borehullskvaliteten og forårsaker akselerert og ofte katastrofal verktøyslitasje og/eller svikt. US 3,990,22 beskriver et hydraulisk operert rotert perkusjonsbor som kombinerer effektene av rotasjon og perkusjon. Perkusjonen styres av en servo-ventil som kontrollerer flyten av trykksatt fluid til og fra en aktuator slik at en perkusjonskraft med variabel slaglengde og frekvens overføres til boret. Et styringsmiddel er tilveiebrakt for å aktivere servo-ventilen til å generere en forhåndsvalgt perkusjonshastighet.

3 2 GB 328,629 beskriver et perkusjonsbor som også kan roteres. Perkusjonsfrekvensen kan innstilles slik at den faller sammen med resonansfrekvensen til boreutstyret og eventuelt den naturlige resonansfrekvensen til bergartsformasjonen. En annen viktig utvikling av boreteknikker har vært anvendelsen av ultrasoniske aksiale vibrasjoner på en roterende borekrone. På denne måte blir ultrasonisk vibrasjon istedenfor isolerte kraftige slag benyttet til å fremme forplantning av frakturer. Dette kan tilby betydelige fordeler over konvensjonell perkusjonsboring idet lavere last kan påføres, hvilket tillater boring med lav vekt på kronen. Imidlertid er ikke forbedringene utvist ved ultrasonisk boring alltid konsistente og ikke som sådan direkte anvendelig til nedhullsboring. Det er en hensikt ved foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe en boreanordning og fremgangsmåte som søker å minske slike problemer. Ifølge et første aspekt ved foreliggende oppfinnelse er det tilveiebrakt en fremgangsmåte for styring av en borekrone for bruk med boreapparatur omfattende en borekrone i stand til oscillatorisk og rotasjonsmessig belastning og et kontrollorgan for å kontrollere påført rotasjonsmessig og/eller oscillatorisk belastning av borekronen, idet kontrollorganene har justeringsmidler for å variere den påførte rotasjonsmessige og/eller oscillatoriske belastning, idet nevnte justeringsmiddel reagerer på egenskaper av materialet gjennom hvilket boret passerer, idet justeringsmidlene videre kontrollerer den påførte rotasjonsmessige og oscillatoriske belastning av borekronen for å oppnå og opprettholde resonans ved borekronen og det borede materialet i kontakt med denne. 2 Fremgangsmåten omfatter videre å bestemme passende lastparametere for borekronen ifølge de etterfølgende trinn for å oppnå og opprettholde resonans mellom borekronen og det borede materialet i kontakt med denne: a) bestemme en grense for amplitude av borkronen når den er i resonans og samvirker med materialet som bores, b) estimere et egnet frekvenssveipende område for belastning av borekronen, c) estimere formen av resonanskurven,

4 3 d) velge en optimal resonansfrekvens på resonanskurven i et punkt mindre enn maksimum på resonanskurven, og e) drive borekronen basert på denne optimale resonansfrekvensen. Ifølge en utførelse av fremgangsmåten er borekronen konfigurert til å slå på materialet for å frembringe et første sett av makrosprekker, idet borekronen deretter roterer og slår på materialet en ytterligere gang, for å frembringe et ytterligere sett av makrosprekker, og hvor den rotasjonsmessige og oscillatoriske bevegelse av borekronen er synkronisert for å fremme sammenknytning av de slik frembrakte makrosprekkene for å frembringe en lokalisert dynamisk sone av sprekkeforplantning foran borekronen. Fortrinnsvis brukes fremgangsmåten ved boring av bergartsformasjoner, og makrosprekkene som dannes har en lengde av opptil mm. En slik maksimal lengde tillater at utstrekningen av sprekkeforplantningssonen kontrolleres nøyaktig. Med fordel påføres en høyfrekvent oscillasjon på borekronen, opptil 1 khz. Fortrinnsvis drives borekronen til å rotere opptil 0 rpm. Fortrinnsvis, blir den påførte rotasjonsmessige og oscillatoriske belastning på borekronen kontrollert for å opprettholde resonans mellom borekronen og det borede materiale i kontakt med denne. Det vil bli innsett at ved slike resonansforhold kreves mindre påført energitilførsel for å frembringe en fraktursone som forplanter seg. Fortrinnsvis vil den forplantende fraktursonen strekke seg radialt utover ikke mer enn 1/ del av diameteren av borekronen fra den ytre kanten av borekronen. Det vil innses at dette representerer sterkt kontrollerte lokale frakturteknikker som minimaliserer globalt stress i materialet som bores. 2 I sammenheng med boring av bergartsformasjoner er fortrinnsvis størrelsen av borede kaks opptil ti mm, fortrinnsvis mm. Disse er små sammenlignet med de som frembringes ved konvensjonelle boreteknikker og illustrerer størrelsesendringen i den anvendte metodologi.

5 4 Fortrinnsvis er foreliggende fremgangsmåte anvendelig i en eller flere av grunn gass, svak sone og frakturert høytrykkssone boreanvendelser. Dette oppstår som et resultat av evnen til fremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse til å bore hull ved bruk av høyt kontrollerte lokalfrakturteknikker som minimaliserer globalt stress i materiale som bores. Ifølge et andre aspekt av foreliggende oppfinnelse er det tilveiebrakt en boreanordning omfattende en borkrone i stand til rotasjonsmessig og høyfrekvent oscillatorisk belastning, og kontrollorganer for å kontrollere påført rotasjonsmessig og/eller oscillatorisk belastning av borekronen, idet kontrollorganene har justeringsmidler for å variere den påførte rotasjonsmessige og/eller oscillatoriske belastning, idet nevnte justeringsmidler reagerer på forhold ved materialet gjennom hvilket boret passerer, hvor kontrollorganene i bruk tilveiebringes på anordningen i en nedhulls lokasjon og inkluderer sensorer for å ta nedhulls målinger av materialkarakteristikker, hvorved apparatet kan opereres nedhulls under lukket sløyfe sanntids styring, hvor boreanordningen i tillegg omfatter: midler for å bestemme en grense for amplitude av borekronen når den er i resonans og samvirker med materialet som bores, midler for å etablere et egnet område for frekvenssveiping for å belaste borekrone, midler for å velge en optimal resonansfrekvens på resonanskurven i et punkt mindre enn maksimum på resonanskurven, og midler for å drive borekronen basert på denne optimale resonansfrekvensen. 2 Ifølge en utførelsesform av oppfinnelsen kontrollerer kontrollorganene borekronen til å slå på materialet for å frembringe et første sett av makrosprekker, i det kontrollorganene videre kontrollerer borekronen til å rotere og slå på materialet en gang til for å frembringe et ytterligere sett av makrosprekker, hvor kontrollorganene synkroniserer de rotasjonsmessige og oscillatoriske bevegelser av borekronen for å fremme sammenknytning av de slik frembrakte makrosprekker, for å skape en lokalisert dynamisk sone med sprekkeforplantning foran borekronen. 3 Ifølge et tredje aspekt av foreliggende oppfinnelse er det tilveiebrakt en borekronesammensetning omfattende: en borestreng som har et borerør og vektrør (collar), og en borekrone i stand til høyfrekvent oscillatorisk og rotasjonsmessig belastning, kontrollorganer tilveiebrakt i bruk nedhulls for å kontrollere påført rotasjonsmessig og/eller oscillatorisk belastning av borekronen, idet kontrollorganene har justeringsmidler for å variere den påførte rotasjonsmessige og/eller oscillatoriske belast-

6 ning, idet nevnte justeringsmidler reagerer på forhånd av materialet som boret passerer igjennom, hvor vekten av borestrengen per meter er opptil 70 % mindre enn en konvensjonell borestreng som opererer med den samme borehullsdiameter for bruk i de samme boreforhold. Fortrinnsvis er vekten av borestreng per meter mellom 40 og 70 % mindre enn konvensjonell borestreng som opererer med den samme borehullsdiameter for bruk i de samme boreforhold. Fortrinnsvis er vekten av borestreng per meter vesentlig 70 % mindre enn av en konvensjonell borestreng som opererer med den samme borehullsdiameter for bruk i de samme boreforhold. På denne måte kan boreanordningen justere den rotasjonsmessige og/eller oscillatoriske belastning av borekronen som svar på gjeldende boreforhold for å optimalisere boremekanismen og oppnå forbedrede borehastigheter. Fortrinnsvis kontrollerer justeringsmidlene den påførte rotasjonsmessige og oscillatoriske belastning av borekronen for å opprettholde resonans av systemet omfattende borekronen og det borede materialet. Resonansfenomenet fremmer sprekkforplantning i materialet foran borekronen og gjør borevirkningen lettere og vil derved øke borehastigheten. I denne henseende er den påførte rotasjonsmessige og oscillatoriske belastning basert på en predikert resonans av den borede formasjonen. 2 Fortrinnsvis er borekronen konfigurert til å slå på materialet for å frembringe et første sett av makrosprekker, idet borekronen deretter roterer og slår på materialet en ytterligere gang, for å frembringe et ytterligere sett av makrosprekker, og hvor kontrollorganene synkroniserer de rotasjonsmessige og oscillatoriske bevegelser av borekronen for å fremme sammenknytning av de slik frembrakte makrosprekker for å skape en sone med lokalisert dynamisk sprekkeforplantning foran borekronen. Fortrinnsvis bestemmer justeringsmidlene borekronens lastparametere for å etablere resonante forhold mellom borekronen og det borede materiale ved den etterfølgende algoritme: a) kalkulering av ikke lineær resonant respons av borekronen uten påvirk- ning av det borede materialet,

7 6 b) estimering av styrken av slag for å frembringe en forplantende fraktursone i det borede materialet, c) beregning av de ikke lineære stivhetskarakteristikker av det frakturerte borede materialet, d) estimering av en resonant frekvens av borekronen som samvirker med det borede materialet, og e) reberegning av verdien av resonansfrekvensen for en stabil tilstand ved å inkorporere de ikke lineære stivhetskarakteristikker av det frakturerte borede materialet. I denne henseende er den påførte rotasjonsmessige og oscillatoriske belastning basert på predikert resonans av den borede formasjonen. Fortrinnsvis bestemmer algoritmen den ukjente ikke lineære responsfunksjonen. Fortrinnsvis er algoritmen basert på en ikke lineær dynamisk analyse, hvor dynamiske samvirkninger mellom borekronen og den borede formasjonen under resonante forhold modelleres ved en kombinasjon av analytiske og nummeriske teknikker. Fortrinnsvis oppdaterer justeringsmidlene kontrollorganene for å endre de påførte boreparametere for å opprettholde resonans av bergartsformasjonen i umiddelbar kontakt med borekronen ettersom den går frem. 2 Fortrinnsvis kan justeringsmidlene selektivt deaktivere oscillatorisk belastning av borekronen for å bore igjennom bløte formasjoner. På denne måte kan vibrasjoner deaktiveres når det bores igjennom bløte formasjoner for å unngå skadelige effekter og derved tillate skjærmodus fra rotasjonsbevegelse å bore effektivt, og enda viktigere å eliminere behovet for å bytte borekroner mellom harde og bløte formasjoner. Et eksempel av foreliggende oppfinnelse vil nå bli beskrevet med henvisning til de vedføyde tegninger hvor: Figur 1 viser en boremodul ifølge en utførelse av foreliggende oppfinnelse, og

8 7 Figur 2 illustrerer grafisk hvordan parametere for å etablere resonante forhold i samsvar med foreliggende oppfinnelse blir funnet. I utviklingen av foreliggende oppfinnelse ble det innsett at særlig høye borehastigheter kunne oppnås ved boring gjennom materialer slik som bergartsformasjoner hvis belastningen av borekronen settes til å fremme resonans i systemet dannet av borekronen og den borede formasjonen. Mens det var mulig å oppnå denne resonans på en testrigg ved bruk av standardiserte prøver, var det imidlertid en annen sak ved boring gjennom naturlige bergartsformasjoner. Dette skyldes at borebetingelsene varierer fra lag til lag innen en formasjon. Følgelig varierer resonansforholdene gjennom formasjonen og derfor kan ikke resonansforholdene opprettholdes gjennom hele boreprosessen. Foreliggende oppfinnelse overkommer dette problem ved å gjenkjenne det ikke lineære resonansfenomen ved boring gjennom et materiale og søker opprettholder resonans i systemkombinasjonen av borkronen og det borede materialet. For å oppnå dette har søkerne, ved nøyaktig å identifisere parametrene og mekanismene som påvirker boring, utviklet en nøyaktig og robust matematisk modell av de dynamiske samvirkningene i borehullet. Denne matematiske modellen tillater foreliggende oppfinnelse å beregne og bruke tilbakekoplingsmekanismer for automatisk å justere boreparameterne for å opprettholde resonans ved borestedet. Ved å opprettholde resonans på denne måte blir virkningen av den forplantende sprekkesonen foran borekronen økt og borehastigheten blir sterkt forbedret, og derfor kan den beskrives som resonans fremmet boring (heretter RED for Resonance Enhanced Drilling). 2 Figur 1 viser et illustrativt eksempel av en RED boremodul ifølge en utførelse av foreliggende oppfinnelse. Boremodulen er utstyrt med en polykrystallin diamant (PCD) borekrone 1. En vibrooverføringsseksjon 2 knytter borekronen 1 til en piezoelektrisk transduser 3 for å sende vibrasjoner fra transduseren til borekronen 1. En kopling 4 knytter modulen til en borestreng og virker som en vibrasjonsisolerende enhet for å isolere vibrasjoner av boremodulen fra akslingen. Under en boreoperasjon roterer en DC motor boreakslingen, som sender bevegel- sen gjennom seksjonene 4, 3 og til borekronen 1. En relativt lav statisk kraft påført

9 8 borekronen 1 sammen med den dynamiske belastning genererer den forplantende fraktursonen, slik at borekronen beveger seg gjennom materialet. Samtidig med rotasjonen av borekronen 1, blir den piezoelektriske transduseren 3 aktivert til å vibrere ved en frekvens passende for materialet i borehullet. Denne frekvensen bestemmes ved å beregne de ikke lineære resonansforhold mellom borekronen og det borede materialet, skjematisk vist i figur 2, ifølge den etterfølgende algoritme: a) beregning av den ikke lineære resonante respons av borekronen uten påvirkning av det borede materiale, b) estimering av styrken av slag for å frembringe en forplantende frakturso- ne i det borede materiale, c) beregning av de ikke lineære stivhetskarakteristikker av det frakturerte borede materiale, d) estimering av en resonansfrekvens av borekronen som samvirker med det borede materiale, og e) reberegning av verdien av resonansfrekvensen for en stabil tilstand ved å inkorporere de ikke lineære stivhetskarakteristikker av det frakturerte borede materiale. 2 Vibrasjonene fra den piezoelektriske transduseren 3 sendes gjennom borekronen 1 til borestedet og frembringer en forplantende sprekkesone i materialet foran borekronen. Ettersom borekronen fortsetter å rotere og bevege seg fremover, skjærer den mot materialet i formasjonen og kutter inn i det. Imidlertid vil frembringelsen av den forplantende sprekkesone i formasjonsmaterialet foran borekronen svekke det betydelig, hvilket det betyr at den roterende skjærende virkning løsner mer materiale som deretter kan fjernes. Egenskapene av sprekkeforplantningsdynamikken kan avstemmes for å optimalisere for ROP, hullkvalitet og verktøylivslengde, eller ideelt en kombinasjon av alle tre. Sprekker startes som et resultat av at innfattede deler i borekronen slår på formasjonen. Andre boreteknikker opererer gjennom å skade eller skjære bergarten eller

10 9 gjennom genereringen av mye større sprekker. Det etterfølgende er hovedegenskapene av RED systemet når det gjelder operasjonsmidler og fokus på frembringelsen og forplantningen av makro sprekker i den umiddelbare nærhet foran borkronen. RED opererer gjennom en høyfrekvent aksial oscillasjon av et borehode som slår på materialet og den vinkelmessige geometri av de innsatte deler i borekronen initierer sprekker i materiale. Fortsatt drift av borekronen, dvs. fortsatt oscillasjon og rotasjon, etablerer en dynamisk sprekkeforplantingssone foran borekronen. Dette fenomen kan best beskrives som synkronisert kinematikk. Etablering av resonans i systemet (system omfattende det borede materiale, (oscillatoren) og borekronen) optimaliserer effektiviteten og ytelsen. Den dynamiske sprekkeforplantningssonen er lokal til borekronen og en lineær dimensjon måler typisk ikke mer enn 1/ av diameteren av borekronen. Lokal sprekkeforplantning er derfor kontrollerbar når det gjelder dens direksjonalitet og RED teknikken unngår sprekkeforplantning utenfor sonen umiddelbart foran borekronen. RED kan derfor resultere i høykvalitets hull med jevn diameter (high quality true gauge hole). Som et resultat av følsomheten av RED teknikken, dens evne til å bore hull ved bruk av nøyaktig kontrollert lokal frakturering og minimalisering av globalt stress i formasjonen, vil RED teknikken egnes seg meget godt til boring av følsomme formasjoner i utfordrende områder slik som grunn gass, svake soner, og frakturerte høytrykkssoner. 2 Ifølge det som er nevnt ovenfor kan foreliggende oppfinnelse opprettholde resonans gjennom hele boreoperasjonen, og tillate materiale å løsnes fra formasjonen ved borestedet hurtigere, og følgelig oppnås høyere borehastigheter. Videre vil utnyttelse av resonans bevegelse fra fremme frakturforplantning tillate at lavere vekt påføres borekronen som fører til minsket verktøyslitasje. Som sådan vil foreliggende oppfinnelse ikke bare tilby en øket gjennomtrengningshastighet (ROP) men også tillate øket livslengde for verktøyet, og derfor redusere nedtiden som kreves for vedlikehold eller utskiftning av verktøyet.

11 Når de mekaniske egenskaper av det borede materiale er kjent kan boreparametere modifiseres for å optimalisere ytelsen av boringen (ifølge ROP, hullkvalitet og levetid og pålitelighet av verktøy). Når det gjelder RED teknikken kan frekvens og amplitude av oscillasjonene modifiseres for å etablere den mest effektive og effektive ytelse. Etableringen av oscillasjonssystem resonans (mellom (oscillatoren), borekronene og den borede formasjonen) tilveiebringer den optimale kombinasjon av energieffektivitet og boreytelse. Figur 2 illustrerer grafisk hvordan parameterne for å etablere og opprettholde resonante forhold blir funnet. For det første må man bestemme en amplitudegrense av borekronen når den resonerer og samvirker med materialet som bores. I denne sammenheng blir grensen for amplituden av borekronen valgt ved en verdi hvor resonansen i borekronen ikke vil bli destruktiv. Utover denne grensen er det en mulighet for at resonans vil begynne å ha en ødeleggende effekt. Deretter blir det estimert et egnet frekvenssveipeområde for belastning av borkro- nen. Dette estimeres slik at et egnet smalt område kan evalueres som deretter kan brukes for å øke hastigheten av det gjenværende av fremgangsmåten. Formen av resonanskurven blir deretter estimert. Som det kan sees er dette en typisk resonanskurve hvis topp har blitt skjøvet over til høyre som en konsekvens av effekten av borekronen som samvirker med et materiale som bores. Legg merke til at som en konsekvens har grafen øvre og nedre greiner, i det konsekvensen av å beveges seg på kurven utover den maksimale amplitude er et dramatisk fall i amplituden fra den øvre greina til den lavere greina. 2 Som sådan, for å unngå slik dramatiske endringer, som er uønskede, er det neste trinnet å velge en optimal frekvens på resonanskurven i et punkt mindre enn maksimum av resonanskurven. I den utstrekning den optimale resonansfrekvens velges under maksimum vil essensielt sette en sikkerhetsfaktor for endrende (variable) borematerialer kan dette velges lengre fra det maksimale amplitudepunktet. Kontrollorganene kan i denne henseende endre sikkerhetsfaktoren, dvs. bevege seg vekk fra eller mot maksimalpunktet på resonanskurven, avhengig av de avfølte karakteristikker av materiale som bores eller progresjonen av boret. For eksempel

12 11 kan sikkerhetsfaktoren økes hvis ROP endres irregulært pga. lav jevnhet av materialet som bores. Endelig blir apparatet drevet ved den valgte optimale resonansfrekvensen, og prosessen oppdaterer periodisk kontrollorganenes lukket sløyfe driftssystem. Med foreliggende oppfinnelse kan vekten av borestreng per meter være opptil 70 % mindre enn ved en konvensjonell borestreng som opererer med den samme borehullsdiameter for bruk i de samme boreforhold. Fortrinnsvis er den i området % mindre, eller mer fortrinnsvis er den vesentlig 70 % mindre. For eksempel, under typiske boreforhold og en boredybde av 10 fot (3787 m), for en 12 ¼ (0,31 m) hullstørrelse, blir borestrengvekt redusert fra 38,4 kg/m (standard rotasjonsboring) til 11,7 kg/m (ved bruk av RED teknikk) - en reduksjon av 69,6 %. Under typiske boreforhold og en boredybde av 10 fot (3787 m), for en 17 ½ (0,44 m) hullstørrelse, blir borestrengens vekt per meter redusert fra 49,0 kg/m (standard rotasjonsboring) til 14,7 kg/m (ved bruk av RED teknikk) - en reduksjon av 70 %. Under typisk boreforhold og en boredybde av 10 fot (3787 m), for en 26 (0,66 m) hullstørrelse blir borestrengens vekt per meter redusert fra 77,0 kg/m (standard rotasjonsboring) til 23,1 kg/m (ved bruk av RED teknikk) - en reduksjon av 70 %. Som et resultat av den lave WOB og den dynamiske frakturen den frembringer, kan RED teknikken spare opptil 3 % av energikostnader på riggen og 7 % av vektrøret. 2 Det vil forstås at den illustrerte utførelse som her er beskrevet viser en anvendelse av oppfinnelsen bare med hensikt av illustrasjon. I praksis kan oppfinnelsen anvendes i mange forskjellige konfigurasjoner; de detaljerte utførelser er lett å implementere for fagfolk på område. For eksempel kan borekroneseksjonen av modulen modifiseres som det passer den bestemte boreanvendelse. For eksempel kan det brukes andre borekronegeometrier og materialer.

13 12 I et annet eksempel kan andre vibrasjonsorganer brukes som alternativ til den piezoelektriske transduseren for å vibrere boremodulen. For eksempel kan det brukes et magnetostriktivt materiale. Videre rådes det til at vibrasjonsorganene kan deaktiveres når det bores gjennom bløte formasjoner for å unngå skadelige effekter. For eksempel kan boremodulen ifølge foreliggende oppfinnelse deaktiveres for å funksjonere som en rotasjonsboremodul (alene) når det først bores gjennom en øvre bløt grunnformasjon. Boremodulen kan deretter aktiveres for å påføre resonansfrekvenser når det nås dypere harde bergartsformasjoner. Dette tilbyr betraktelige tidsbesparelser ved å eliminere nedtiden som ellers vil være nødvendig for å bytte boremoduler mellom disse forskjellige formasjonene. Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer de etterfølgende fordeler, nemlig boring med lavere energitilførsel, forbedret gjennomtrengningshastighet (ROP), forbedret hullstabilitet og kvalitet og forbedret levetid og pålitelighet av verktøyet.

14 13 P a t e n t k r a v 1. Fremgangsmåte for styring av en borekrone for bruk med boreapparatur omfattende en borekrone (1) i stand til oscillatorisk og rotasjonsmessig belastning og et kontrollorgan for å kontrollere påført rotasjonsmessig og/eller oscillatorisk belastning av borekronen (1), idet kontrollorganet har justeringsmidler for å variere den påførte rotasjonsmessige og/eller oscillatoriske belastning, idet nevnte justeringsmidler reagerer på forhold ved materialet som boret passerer gjennom, k a r a k t e r i s e r t v e d at justeringsmidlene videre kontrollerer den påførte rotasjonsmessige og oscillatoriske belastning av borekronen for å oppnå og opprettholde resonans ved borekronen og det borede materialet i kontakt med denne, hvor fremgangsmåten videre omfatter å bestemme passende lastparametere for borekronen (1) ifølge de etterfølgende trinn for å oppnå og opprettholde resonans mellom borekronen (1) og det borede materialet i kontakt med denne: a) å bestemme en grense for amplitude av borekronen (1) når den er i resonans og samvirker med materialet som bores, b) estimere et egnet frekvenssveipeområde for belastning av borekronen (1), c) estimere formen av resonanskurven, d) velge en optimal resonansfrekvens på resonanskurven i et punkt mindre enn maksimum på resonanskurven, og e) drive borekronen (1) basert på denne optimale resonansfrekvensen Fremgangsmåte ifølge krav 1, hvor borekronen (1) er konfigurert til å slå på materialet for å frembringe et første sett av makrosprekker, idet borekronen (1) deretter roterer og slår på materialet en gang til for å frembringe et ytterligere sett av makrosprekker, og hvor den rotasjonsmessige og oscillatoriske bevegelse av borekronen er synkronisert for å fremme sammenknytning av de slik frembrakte mikrosprekker for å skape en lokalisert dynamisk sone av sprekkeforplantning foran borekronen (1) Fremgangsmåte ifølge krav 2, hvor fremgangsmåten brukes i sammenheng med boring av bergartsformasjoner og hvor makrosprekkene som dannes har en lengde på opptil mm.

15 14 4. Fremgangsmåte ifølge krav 3, hvor en høyfrekvent oscillasjon påføres borekronen, opptil 1kHz.. Fremgangsmåte ifølge krav 3 eller 4, hvor borekronen drives til å rotere opptil 0 rpm. 6. Fremgangsmåte ifølge et av kravene 2 til, hvor den påførte rotasjonsmessige og oscillatoriske belastning på borekronen (1) kontrolleres for å opprettholde resonans ved borekronen (1) og det borede materialet i kontakt med denne. 7. Fremgangsmåte ifølge et av kravene 2 til 6, hvor den dynamiske sprekkeforplantningssonen strekker seg radialt utover ikke mer enn 1/ av diameteren av borekronen (1) fra den ytre kanten av borekronen (1). 8. Fremgangsmåte ifølge et av kravene 3 til 7, hvor størrelsen av borkaks er opptil mm. 9. Fremgangsmåte ifølge et av kravene 3 til 8 for bruk i en eller flere av grunngass, svak sone og frakturert høytrykkssone boreanvendelser Boreanordning omfattende: en borkrone (1) i stand til rotasjonsmessig og høyfrekvent oscillatorisk belastning, og kontrollorganer for å kontrollere påført rotasjonsmessig og/eller oscillatorisk belastning av borekronen (1), idet kontrollorganene har justeringsmidler for å variere den påførte rotasjonsmessige og/eller oscillatoriske belastning, idet nevnte justeringsmidler reagerer på forhold ved materialet gjennom hvilket boret passerer, k a r a k t e r i s e r t v e d at kontrollorganene i bruk tilveiebringes på anordningen i en nedhulls lokasjon og inkluderer sensorer for å ta nedhulls målinger av materialkarakteristikker, hvorved apparatet kan opereres nedhulls under lukket sløyfe sanntids styring, hvor boreanordningen i tillegg omfatter: midler for å bestemme en grense for amplitude av borekronen (1) når den er i resonans og samvirker med materialet som bores, midler for å etablere et egnet område for frekvenssveiping for å belaste borekronen (1), midler for å velge en optimal resonansfrekvens på resonanskurven i et punkt mindre enn maksimum på resonanskurven, og midler for å drive borekronen (1) basert på denne optimale resonansfrekvensen.

16 11. Anordning ifølge krav, hvor kontrollorganene kontrollerer borekronen (1) til å slå på materialet for å frembringe et første sett av makrosprekker, i det kontrollorganene videre kontrollerer borekronen (1) til å rotere og slå på materialet en gang til for å frembringe et ytterligere sett av makrosprekker, hvor kontrollorganene synkroniserer de rotasjonsmessige og oscillatoriske bevegelser av borekronen (1) for å fremme sammenknytning av de slik frembrakte makrosprekker, for å skape en lokalisert dynamisk sone med sprekkeforplantning foran borekronen (1). 12. Borkronesammensetning for bruk i boreanordningen ifølge krav eller 11 omfattende: en borestreng () som har et borerør og vektrør, og en borekrone (1) i stand til høyfrekvent oscillatorisk og rotasjonsmessig belastning, kontrollorganer tilveiebrakt for bruk nedhulls for å kontrollere påført oscillasjonsmessig og/eller oscillatorisk belastning av borekronen (1), i det kontrollorganene har justeringsmidler for å variere den påførte rotasjonsmessige og/eller oscillatoriske belastning, idet nevnte justeringsmidler reagerer på forhold av materialet som boret passerer gjennom, hvor vekten av borestrengen per meter er opptil 70 % mindre enn konvensjonell borestreng som opererer med den samme borehullsdiameter for bruk under de samme forhold. 13. Borekronesammensetning ifølge krav 12, hvor vekten av borestrengen per meter er vesentlig 70 % mindre enn av en konvensjonell borestreng som opererer med den samme borehullsdiameter for bruk i de samme forhold Borekronens sammensetning ifølge krav 12 eller 13, hvor justeringsmidlene kontrollerer den påførte rotasjonsmessige og oscillatoriske belastning av borekronen (1) for å opprettholde resonans ved borekronen (1) og det borede materialet i kontakt med denne.. Borekronesammensetning ifølge et av kravene 12 til 14, hvor justeringsmidlene bestemmer lastparametere for borekronen (1) for å etablere resonante betingelser mellom borekronen (1) og det borede materiale ved den etterfølgende algoritme: 3 a) beregning av den ikke lineære resonante respons av borekronen (1) uten påvirkning av det borede materiale,

17 16 b) estimering av styrken av slag for å frembringe en forplantende fraktursone i det borede materialet, c) beregning av de ikke lineære stivhetskarakteristikker av det frakturerte borede materialet, d) estimering av en resonansfrekvens av borekronen (1) som samvirker med det borede materialet, og e) reberegning av verdien av resonansfrekvensen for en stabil tilstand ved å inkorporere de ikke lineære stivhetskarakteristikker av det frakturerte borede materialet. 16. Borekronesammensetning ifølge krav, hvor algoritmen er basert på å bestemme en ikke lineær responsfunksjon. 17. Borekronesammensetning ifølge et av kravene 12 til 16, hvor justeringsmidlene kan selektivt deaktivere oscillatorisk belastning av borekronen (1) for boring gjennom bløte formasjoner.

18 1

19 2