NL9302146A - Boorkop uitgerust met wervelmondstukken en wervelmondstuk voor gebruik in de boorkop. - Google Patents

Description

Korte aanduiding : Boorkop uitgerust met wervelmondstukken en wervel-mondstuk voor gebruik in de boorkop.

De huidige uitvinding heeft algemeen betrekking op het boren van een boorgat en meer in het bijzonder op een met wervelmondstukken uitgeruste boorkop en op een wervelmondstuk voor gebruik in de boorkop.

De uitvinding is het nuttigst indien toegepast voor het draaiend boren van boorgaten van willekeurige diepte.

Daarnaast is de uitvinding toepasbaar voor het gereedmaken van boorfluTda en cementbrij, gebruikt in het boren van boorgaten.

Gedurende de handelingen van het draaiend boren wordt gebruikelijk boorfluïdum afgeleverd aan de boorkop via een centrale doortocht in de boor streng en wordt naar buiten uitgeworpen bij de bodem van het gat via straalmondstukken, die zijn aangebracht in in het boorlichaam aangebrachte boringen. Hoge straal snelheid van het boorfluïdum uit het mondstuk draagt bij aan een beter vernielen van de grond of rots, die wordt doorboord, evenals aan een beter reinigen van de bodem van het gat van boorspanen en aan het beter koelen van de elementen van de boorkop.

Een nadeel samenhangend met dergelijke constructies is er in gelegen, dat het boorfluïdum, indien het uit de mondstukken wordt uitgeworpen en over de bodem van het gat wordt verspreid, samenkomt met de uit het naburig mondstuk uittredende straal, met het resultaat, dat stagnerende zones worden gevormd, waaruit boorafval niet doelmatig wordt verwijderd, waardoor dit wordt onderworpen aan een intens verder snijden. Het nuttig effect van het vernielen van de grond of rots is dus niet hoog genoeg om geschikte hoge boorprestatiekenmerken te verkrijgen. Bovendien dringt een een hoge snelheid bezittende vloeistofstraal de boorresten tegen de bodem van het gat, hetgeen in conflict komt met het tijdig verwijderen van de boorspaanders en formatiefragnenten vanaf de bodem van het gat, hetgeen resulteert in een opnieuw malen van de spaanders en in een hogere vermogens invoer voor het uiteenbreken van de rots.

Om dit nadeel te overwinnen is het noodzakelijk, dat het boorfluïdum wordt verdeeld over een groot oppervlak van de bodem van het gat en/of het vlak van de beitel kop, zodat geen stagnerende zones optreden bij de plaats van samenwerking van twee naburige fluïdumstralen.

In de techniek is een boorkop (US-A-4.739.845) bekend, die is voorzien van wervelmondstukken, die draaibaar zijn gezeten in boringen van het boorkop!ichaam en die zijn uitgerust met hellende doortochten voor af te leveren boorfluïdum. Het stromende fluïdum laat de mondstukken om hun langsassen draaien. Een met een dergelijke mondstukconstructie samenhangend nadeel is erin gelegen, dat de draaibare mondstukken zeer gevoelig zijn voor slijtage tijdens bedrijf. Daarnaast is de doelmatigheid van het wervelen van de fluïdumstralen zeer laag.

Een andere boorkop is bekend (US-A-4.687.066), waarin een wervelstroom van boorfluïdum, uitgeworpen uit het wervelmondstuk, tot stand wordt gebracht tengevolge van het feit, dat het mondstuk bij zijn omtrek schroeflijnvormige groeven heeft. Een dergelijke constructie is nadelig omdat de schroeflijnvormige groeven gemakkelijk verstopt kunnen raken door vaste resten meegesleurd door het boorfluïdum.

Het meeste overeenkomst met de hierin geopenbaarde boorkop wat betreft het technische wezen en bereikte resultaat is een boorkop (GB-A-2.224.054) voorzien van een lichaam met een centrale leiding, elementen voor het breken van rots en een wervelmondstuk. Het wervelmondstuk is in hoofdzaak een wervel kamer, coaxiaal opgesteld ten opzichte van de langsas van het mondstuk, een aantal inlaatopeningen, die in verbinding staan met de centrale leiding voor aflevering van het boorfluïdum aan de kamer en een uitlaatopening. De inlaatopeningen zijn op een vooraf bepaalde afstand geplaatst van de langshartlijn. De uitlaatopeningen door welke het boorfluïdum wordt uitgeworpen· uit de kamer, hebben een coaxiale oriëntatie ten opzichte van de langsas van het mondstuk. De inlaatopeningen zijn gevormd door turbulentie-elementen, welke met een schuine oriëntatie verlopen door het schijfvormige bovenste gedeelte van de wervelkamer, symmetrisch ten opzichte van draaiing ten opzichte van de langshartlijn van het mondstuk. De uitlaatopening van het wervelmondstuk neemt geleidelijk in stroomafwaartse richting toe. In zijn langsdoorsnede is de wervelkamer gebogen bij zijn boveneinde en taps verlopend bij zijn onderste gedeelte, waarbij beide kamergedeelten een gesloten paddestoel vormige in het mondstuklichaam begrensde ruimte vormen.

Een aan de boven besproken constructie klevend nadeel is erin gelegen, dat de hellende oriëntatie van de inlaatopeningen niet geschikt doelmatig is uit het oogpunt van wervelen van de fluïdumstroom. Hoe groter de stroomwervelsnelheid en de verhouding tussen de omtreks- en axiale massatraagheidsmomenten van de fluïdumstroom, des te hoger de fluïdum-drukgradiënt tussen de axiale en wandzones van de wervel kamer en dus hoe hoger de amplitude van drukpulsering van het de mondstuk uittredende fluïdum en het nuttig effect van de fijnmaking van voorafgaande rotsbreek-zones en losbreken van de afgebroken rots van de bodem van het gat, zoals algemeen bekend is. Bovendien heeft de wervel kamer, die turbulentie-elementen bij de inlaatopeningen heeft, te ingewikkelde vormgeving uit het oogpunt van productietechniek en economie.

Het is een ander oogmerk van de huidige uitvinding een eenvoudigere boorkopconstructie te verkrijgen.

De bovenstaande en andere oogmerken worden bewerkstelligd tengevolge van het feit, dat in een boorkop voorzien van een lichaam met een centrale leiding, van rotsafbreekelementen, en van ten minste een wervelmondstuk, die een coaxiaal tot de langshartlijn van het mondstuk opgestelde wervelkamer omvat en uitgerust is met inlaatopeningen voor aflevering van het boorfluïdum, waarbij de inlaatopeningen in verbinding staan met de centrale leiding, en een uitlaatopening om het fluïdum af te voeren in overeenstemming met de uitvinding de inlaatopeningen van de wervelkamer zijn opgesteld in zijn zijwand en tangentieel en loodrecht op de langshartlijn daarvan zijn opgesteld.

De bovengenoemde opstelling van de inlaatopeningen maakt het mogelijk gelijkmatige toelating te verschaffen van de stroom van boorfluïdum in de wervelkamer en doelmatige regeling van de draaiende stroombeweging in de wandzone van de kamer. Met de inlaatopeningen loodrecht opgesteld is de verhouding tussen de omtreks en axiale momenten van hoeveelheid van beweging groter dan die in het geval van een hellende opstelling van de openingen, hetgeen het gevolg is van het feit, dat in het laatste geval de axiale component van de fluïdumstroomsnelheidsvector die in het geval van normale opstelling van de openingen overschrijdt. Dit maakt het mogelijk een hogere waarde van fluïdumstroomwerveling te verkrijgen dan in het geval van hellende oriëntatie van de inlaatopeningen en een lagere afleverdrukwaarde, hetgeen van het hoogste belang is onder werkelijke booromstandigheden, waarin een fluïdumafleverdruk beperkt is.

De huidige uitvinding is dus in staat tot het verkrijgen van een hoge mate van fluïdumstroomwerveling, met de resulterende hogere gradiënt van fluïdumdruk tussen de axiale en wandzones van de wervel kamer. Dit voorziet in zijn beurt in een grotere amplitude van drukfluctuaties van het door het mondstuk uitgeworpen fluïdum.

Om nog hogere fluïdumdrukgradiënten te verkrijgen tussen de axiale en wandzones van de wervel kamer is voorzien in ten minste een uit-werpeenheid vervaardigd uit twee coaxiale hydraulische straalmondstukken met een daartussen opgestelde mengkamer, welke kamer in verbinding staat met het wervelmondstuk via een leiding en de hydraulische straalmondstukken tesamen met de mengkamer een doortocht te vormen, die verbinding tot stand brengt tussen de centrale leiding van de boorkop en de atmosfeer. Aanbrenging van een uitwerpeenheid draagt bij aan de boorkopcapaciteit tengevolge van een lagere druk in de axiale zone van de wervel kamer en vandaar een hogere gradiënt van fluTdumdruk tussen de axiale wandzones van de wervel-kamer, hetgeen op zijn beurt de amplitude van fluïdumdrukschommelingen vergroot. Dit op zijn beurt maakt het mogelijk een doelmatiger breken van de gebroken rots los van het gat van de bodem te bewerkstelligen, hetgeen voorziet in een tijdige verwijdering van de resten van de bodem van het gat, opnieuw doorsnijden van het afval uitsluit en vermogensinvoer van het proces voor het fijnbreken van rots vermindert.

Het feit dat de wervel kamer cylindervormig is maakt het mogelijk de constructie van de wervelmondstuk wat betreft zijn productietechniek en besparing te vereenvoudigen.

Het is doelmatig dat dat gedeelte van de leiding, welke de wervel kamer aansluit, coaxiaal tot de langshartlijn van de laatstgenoemde wordt opgesteld. Een dergelijke constructie maakt de meest doelmatige werveling van de fluïdumstroom in de wervel kamer mogelijk.

Daar het mondstuk gescheiden van de boorkop kan worden vervaardigd heeft de huidige uitvinding ook betrekking op een wervelmondstuk voor gebruik in een boorkop.

Het wervelmondstuk voor gebruik in een boorkop volgens de huidige uitvinding omvat : een wervel kamer coaxiaal tot de langshartlijn van het mondstuk opgesteld en voorzien van een aantal inlaatopeningen voor het boorfluïdum voor aflevering aan de kamer, en een uitlaatopening voor het afvoeren van het fluïdum daaruit, waarbij de uitlaatopening een in hoofdzaak coaxiale oriëntatie heeft ten opzichte van de langshartlijn van het mondstuk, waarbij in overeenstemming met de uitvinding de in zijn zijwand vervaardigde inlaatopeningen van de wervel kamer tangentieel en haaks ten opzichte van de langsas van de kamer zijn opgesteld.

Verdere oogmerken en voordelen van de huidige uitvinding zullen worden begrepen uit de hieronder volgende gedetailleerde beschrijving van een mogelijk uitvoeringsvoorbeeld ervan onder verwijzing naar de bijgaande tekeningen.

Figuur 1 is een langsdoorsnede-aanzicht van een boorkop volgens de uitvinding;

Figuur 2 is een langsdoorsnede-aanzicht van een wervelmondstuk; en

Figuur 3 is een doorsnede genomen langs lijn III-III in figuur 2.

Hieronder is als een verklarend uitvoeringsvoorbeeld van de huidige uitvinding een beschrijving gegeven van de constructie van een snij-afschuiftype boorkop.

Nu verwijzend naar figuur 1 omvat de boorkop van de huidige uitvinding een lichaam 1 (figuur 1), dat een centrale leiding 2 heeft en is versterkt met rots brekende elementen 3. Het lichaam 1 omvat wervelmond-stukken 4 die symmetrisch zijn opgesteld ten opzichte van de langshartlijn van de boorkop. Ieder van de wervelmondstukken 4 omvat een wervelkamer 5, die cylindervormig is en coaxiaal ten opzichte van de langshartlijn van het mondstuk 4 is opgesteld. Inlaatopeningen 6 (figuur 2) zijn vervaardigd in de zijwand van kamer 5, waarbij de openingen tangentieel zijn opgesteld ten opzichte van de binnenwand van de kamer 5 en haaks ten opzichte van de langshartlijn van het mondstuk ( = 90°). Het wervelmondstuk 4 heeft een uitlaatopening 7, taps verlopend in vorm, die in stroomafwaartse richting breder wordt. De opening 7 heeft een nauw gedeelte 8 en een breed gedeelte 9 en heeft een coaxiale oriëntatie ten opzichte van de langshartlijn van de kamer 5.

In aanvulling omvat de boorkop van de huidige uitvinding een uitwerpeenheid 10 (figuur 1), die is opgesteld in het bovenste gedeelte van het lichaam 1 en vervaardigd uit twee coaxiale hydraulische straalmond-stukken 11, 12 met een daartussen opgestelde mengkamer 13, waarbij de mengkamer in verbinding staat met de wervelmondstukken 4 via een leiding 14, een verdeelstuk 15, en leidingaansluitingen 15. Hydraulische straal-mondstukken 11, 12 vormen tesamen met de mengkamer 13 een doorgang 17, die de centrale leiding 2 van de boorkop in verbinding brengt met de atmosfeer. Ieder van de wervelmondstukken 4 kan zijn uitgerust met zijn eigen uitwerp-eenheid 10. Die gedeelten van de pijpaansluitingen 16, die aansluiten op de mondstukken 4 zijn opgesteld langs de langshartlijnen van de laatstgenoemden.

Het is van belang op te merken dat in sommige gevallen, indien het niet langer noodzakelijk is de amplitude van drukfluctuaties van het uit de mondstuk 4 uittredende fluïdum te vergroten, de boorkop van de huidige uitvinding kan worden gebruikt zonder de uitwerpeenheid 10.

De hierin geopenbaarde boorkop werkt als volgt.

Indien de boorkop 1 draait wordt daarop een axiale belasting aangebracht en wordt het boorfluïdum afgeleverd, welk boorfluïdum beweegt door de centrale leiding 2 en de inlaatopeningen 6 naar de kamers 5 onder het daarin tot stand brengen van een wervelende omtreksstroom van de fluïdumstroming, hetgeen resulteert in een lagere fluïdumdruk in de axiale zone, waarbij de drukwaarde onder die van het omgevend medium is. Het is onder genoemde verschildruk, dat het fluïdum uit het omgevend medium periodiek stroomt in de axiale zone van het wervelmondstuk 4, met het resultaat, dat een recirkulatiezone is gevormd (dat wil zeggen de axiale toroïdale zone van achterwaartse stromen).

Het resultaat is de vorming van aanzienlijke snelheids-fluctuaties van wervel stromen, die periodieke fluïdumdrukvariaties veroorzaken. De vorming van een recirkulatiezone maakt het mogelijk, dat de spaanders en fragmenten van de formatie doelmatig los worden gebroken van de bodem van het gat en dan onder de werking van centrifugaal krachten worden geworpen naar de omtrek van de toroïdale zone, waarin de resten worden meegesleurd door een wervel stroom en worden weggevoerd naar de ringvormige ruimte van het boorgat, zoals afgebeeld in figuur 2.

De wervel aard van de fluïdumstroom bij de taps verlopende uit-laatopening 7 van het mondstuk 4 sluit iedere mogelijkheid van vorming van stagnerende (dode) zones bij de plaatsen van samenwerking van twee of meer fluïdumstromen uit, voorziet in verdeling van de boorfluïdumstroom over een breed gebied van de bodem van het gat en/of boorkopvlak tengevolge van centrifugaal krachten, hetgeen op zijn beurt tijdige verwijdering waarborgt van de spaanders en frapenten van de formatie vanaf de bodem van het gat en opnieuw snijden van boorresten uitsluit, hetgeen allemaal bijdraagt aan een omlaag brengen van vermogensinvoer van het rots brekende proces.

Periodieke fluTdumdrukfluctuaties dragen bij aan het losbreken van de vernielde rots van de bodem van het gat en bevorderen de doelmatigheid van het breken van rots in de bodem van het gat.

Een deel van het aan de centrale leiding 2 van het lichaam 1 van de boorkop afgeleverde boorfluïdum wordt toegestaan te bewegen naar de hydraulische straalmondstukken 11, 12 van de uitwerpeenheid 10. De inwendige diameter van het straalmondstuk 11 is daarbij kleiner dan die van het straalmondstuk 12. Een onderdruk wordt tot stand gebracht in de mengkamer 13 (gebaseerd op het werkingsprincipe van een straalpomp), gericht op een drukdaling in de axiale zone van de wervel kamer 5, welke bijdraagt aan een hogere vermogens afvoer van het wervelmondstuk 4 en een hogere fluïdum-drukfluctuatie-amplitude, evenals in een beter schoonvegen van de bodem van het gat van boorresten en vandaar een hogere prestatiedoelmatigheid van de boorkop.

De huidige uitvinding is dus in staat tot hogere mechanische boorsnelheid, indringsnelheid per boorkop, en nuttig effect van het boren als geheel.

Het verdient aanbeveling op te merken, dat aangezien het huidige wervelmondstuk afzonderlijk van de boorkop kan worden vervaardigd, de huidige uitvinding ook betrekking heeft op een wervelmondstuk voor gebruik in boorkoppen van zowel snij-afschuif en rol types.

Claims (5)

1- Boorkop voorzien van een boorkop!ichaam uitgerust met een centrale leiding, van een aantal rots brekende elementen en van ten minste een wervelmondstuk, welke een wervel kamer omvat met een coaxiale oriëntatie ten opzichte van de langsas van het mondstuk, en uitgerust is met een aantal inlaatopeningen voor af te leveren boorfluïdum, waarbij de openingen in verbinding staan met de centrale leiding en de wervel kamer ook een uitlaatopening heeft voor het boorfluïdum dat moet worden afgevoerd waarbij de opening coaxiaal is ten opzichte van de langsas van het mondstuk, met het kenmerk, dat de inl aatopeningen (6) van de wervelkamer (5) in zijn zijwand zijn vervaardigd en tangentieel zijn opgesteld ten opzichte daarvan en haaks op de langshartlijn daarvan.

2. Boorkop volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de wervelkamer (5) cylindervormig is.

3. Boorkop volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat daarin voorziening is gemaakt voor ten minste een uitwerpeenheid (10), die in de boorkop (1) is opgenomen en gevormd is als twee coaxiale hydraulische straalmondstukken (11, 12), uitgerust met een daartussen opgestelde mengkamer (13) en in verbinding staande met de wervelkamer (5) via een leiding (14), terwijl de hydraulische straalmondstukken (11, 12) tesamen met de mengkamer (13) een doortocht (17) begrenzen, welke verbinding tot stand brengt tussen de centrale leiding (2) en de atmosfeer.

4. Boorkop volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat dat gedeelte van de leiding (14), dat aansluit op de wervelkamer (5) een coaxiale oriëntatie heeft ten opzichte van de langshartlijn daarvan.

5. Wervelmondstuk voor gebruik in een boorkop, voorzien van een wervelkamer (5) met een coaxiale oriëntatie ten opzichte van de langshartli jn van het mondstuk en uitgerust zijnde met een aantal inlaatopeningen (6) voor het af te leveren fluïdum en met een uitlaatopening (7) voor het af te voeren boorfluïdum, waarbij de uitlaatopening coaxiaal is ten opzichte van de langshartli jn van de wervelkamer (5), met het kenmerk, dat de in de zijwand daarvan gemaakte inlaatopeningen (6) van de wervelkamer (5) tangentieel zijn opgesteld ten opzichte van de binnenwand van de kamer (5) en haaks op de langshartlijn van het mondstuk.