NO149181B - Borkrone - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en borkrone med et stålskaft med en gjennomgående spylekanal, hvor stålskaftets ene ende er forsynt med et med skaftenden fast forbundet, boreflatedannende hardmetallbelegg som har vesentlig større slitefasthet enn stålskaftet og bærer skjærelementer som er anordnet i utsparinger i hardmetallbelegget og oppviser en fra hardmetallbelegget utstikkende, i borkronens omdreiningsretning vendende skjæreflate og en ryggflate som ligger an mot en motsvarende, som mothold utformet stotteflate på hardmetallbelegget.

Fra US patent 3 709 308 er det kjent en borkrone av ovennevnte art, der skjærelementene utgjøres av diamanter som for å forbindes med borkroneskaftet innsettes i et bestemt mønster i en form ved hjelp av hvilken hardmetallbelegget anbringes på borkroneskaftet, hvoretter matriks- og infiltrasjonsmaterialet som danner hardmetallbelegget innføres i formen. Formen blir så oppvarmet til en temperatur på ca. 1180°C, hvorved der ved smelting av infiltrasjonsmaterialet oppnås en fastbinding av matriksmaterialet og en innstøping av diamant-skjærelementene i de utsparinger som derved dannes i hardmetallbelegget. Skjærelementenes bakside får derved god støtte i hardmetallbelegget, men på grunn av den høye temperatur som anvendes for innstøpingen av elementene i hardmetallbelegget, blir de så svekket, særlig dersom syntetiske diamanter benyttes som skjærelementer, at de bare får en begrenset effektiv levetid.

Videre er det fra tidsskriftet "Journal of Petroleum Technology, mai 1975, side 543 til .551, kjent en borkrone med. skjærelementer som består av et antall innbyrdes forbundne slipepartikler. Her er imidlertid skjærelementene ikke inn-støpt i et hardmetallbelegg på borskaftet ved dettes fremstilling i henhold til infiltrasjonsteknikken, men isteden montert på en bæreplugg av hardmetall som innsettes i motsvarende hull i borkrone-stålskaftet. Forbindelsen mellom de av et antall slipepartikler bestående, prefabrikerte skjærelementer og deres tilhørende bæreplugg er her utført ved hjelp av en loddeforbin-delse. Denne befestigelse av de kjente skjærelementer på bære-pluggene som skal innsettes i borkroneskaftet tilfredsstiller imidlertid ikke de krav som i praksis stilles ved drift av borkroner, hvilket medfører at man særlig ved boring i harde og heterogene bergartformasjoner får en hurtig nedsliting av borkronen ved tap eller ødeleggelse av de prefabrikerte skjærelementer.

For å forbedre holdbarheten til disse kjente borkroner, særlig med sikte på å bedre befestigelsen av de prefabrikerte skjærelementer, er det tidligere foreslått (DE-OS 2 723 932)

å utforme skjærelementene som langstrakte stifter med et tynt polykrystallinsk slipematerialsjikt, idet stiftene ved friksjon fastlåses i utsparinger i borkronens stålskaft.

Formålet med oppfinnelsen er å fremskaffe en borkrone av den innledningsvis nevnte art, med skjærelementer som kan mon-teres på en særlig enkel, materialbesparende måte og som er særlig holdbare under drift.

Dette formål oppnås ifølge oppfinnelsen ved at skjærelementene består av et antall innbyrdes forbundne slipepartikler og er anbrakt i på forhånd utformede utsparinger i hardmetallbelegget først etter at hardmetallbelegget er anbrakt på bor-kroneskaf tet . Derved unngår man de høye temperaturer som opp-trer ved innstøping av skjærelementer i hardmetallbelegg ved fremstilling av dette etter infiltrasjonsteknikken, og som særlig ved bruk av syntetiske diamanter som skjærelementer, uguns-tig påvirker disse. Som følge av de nye og særegne trekk ved foreliggende oppfinnelse kan skjærelementene f.eks. ved press-pasning eller ved en sveiseforbindelse med tilsvarende lave temperaturer, festes i utsparingen i hardmetallbelegget. De av sammenbundne.slipepartikler bestående, prefabrikerte skjærelementer kan dessuten ved skader etter lang tids bruk fjernes fra utsparingene i hardmetallbelegget og erstattes av nye skjærelementer, idet skjærelementer som f.eks. er festet i borkronen ved hjelp av en sveiseforbindelse oppvarmes til en temperatur som bare ligger noe over loddeternperaturen, og ikke innvirker på hardmetallbelegget. Dette, sammen med den bakre oppstøtting av skjærelementene mot en motsvarende, som mothold utformet støtteflate i hardmetallbelegget. som sikrer at skjærelementene under drift av borkronen bare utsettes for trykk og ikke bøyepåkjenning, gjør at borkronen ifølge foreliggende oppfinnelse får en meget høy levetid.

Skjærelementene kan være fremstilt som beskrevet i US patent 3 745 623 eller ved å støpe blandinger av diamantpartik-ler, sekundære slipemiddelpartikler, samt partikler av et metall-bindemiddel under anvendelse av de teknikker som er beskrevet i ovennevnte patenter i hensiktsmessige former,

f.eks; ved hjelp av de varmpressmetoder som er beskrevet i US patenter 3 841 852 og 3 871 840. Der foretrekkes et prefabrikert skjaerelement som angitt i US patent 3 745 623.

Konstruksjon av en diamantborkrone i henhold til oppfinnelsen er særlig hensiktsmessig ved bruk av syntetiske diamanter, av den type som anvendes ved utforming av skjærelementene beskrevet i US patent 3 745 623. Slike diamanter svekkes i vesentlig større grad enn naturlige diamanter ved temperaturer som vanligvis anvendes ved produksjon av borkroner ved fremstillingsmåter som beskrevet i US patenter nr. 3 709 308, 3 824 083 og 3 757 879. Slike fremstillingsmåter innebærer at diamanter utsettes for temperaturer som benyttes ved infiltra-sjonen eller varmpressprosessene i ovennevnte patenter. De temperaturer som anvendes under slike prosesser er i størrelses-orden over ca. 1093°C, f.eks. 1177°C. Selv om slike temperaturer er hensiktsmessige for naturlige diamanter, er de for høye for syntetiske diamanter og svekker disse i betydelig grad.

Ved konstruksjon av borkronen ifølge foreliggende oppfinnelse kan man bruke syntetiske såvel som naturlige diamanter, idet de prefabrikerte skjærelementer i hvilke syntetiske eller naturlige diamanter anvendes kan tildannes ved temperaturer som er hensiktsmessige for syntetiske diamanter, slik det er beskrevet i nevnte US patent 3 745 623.

Konstruksjonen ifølge oppfinnelsen muliggjør således tildanning av borkronekroppen ved høye temperaturer og tildanning av de prefabrikerte skjærelementer ved hjelp av de tidligere beskrevne høytemperaturmetoder når naturlige diamanter, anvendes, eller tildanning ved lavere temperaturer når syntetiske diamanter anvendes, f.eks. som beskrevet i US patent 3 745 623. Således kan f.eks. skjærelementer der naturlige diamanter anvendes, tildannes ved hjelp av den varmpressemetode som er angitt i US patent 3 871 840, under anvendelse av hensiktsmessige former for tildanning av skjærelementet til den ønskede geometriske skikkelse.

Utsparingene som opptar skjærelementene er hensiktsmessig anordnet med lik innbyrdes avstand i flere, i lengderetningen forløpende og over skjæreflaten fordelte rader, idet.skjærelementene i én rad er forskjøvet i forhold til skjærelementene i en naborad. Derved oppnås at når borkronen dreier om sin akse vil praktisk talt hele den formasjonsoverflate som gjennomskjæ-res av borkronen under dens omdreining komme i kontakt med skjærelementene.

Der er innretninger for å fjerne borkaks fra skjærelementene. Borefluid føres gjennom en sentral boring for å frem-bringe en spylevirkning. I denne hensikt er kanaler anordnet ,i fluidkommunikasjon med boringen foran skjærelementene. Kanalene strekker seg over borkronens arbeids- eller boreflate fra den sentrale boring til borkronens diameterflate. Kanalene kan ved visse anvendelser utelates, men i de foretrukne utførings-former bidrar kanalene i borkronens hydraulikksystem for rensing av borkronens arbeidsflate. Skjærelementene kan være plassert med en skråvinkel lik null, men har fortrinnsvis en negativ side-skråvinkel, slik at de tilveiebringer en plogvirkning for å føre borkaksen til borkronens diameterflate. I den foretrukne utføringsform er kanalene utformet foran skjærelementene som er orientert som ovenfor beskrevet. Skråvinkelens orientering og fluidet gjennom kanalene fører borkaksen til ringrommet mellom borkronen og borehullet, slik at det føres opp gjennom ringrommet til overflaten. Ved å anordne skjærelementene i et mønster og anordne spylefluidkanalene foran skjærelementene får man et strømningsmønster over borkronens skjæreflate umiddelbart inn-til skjærelementene, hvilket i vesentlig grad bidrar til å fjerne kaks og spyle dette bort fra skjærelementene.

Ytterligere trekk og fordeler ved oppfinnelsen vil fremgå av patentkravene, samt av følgende beskrivelse av en utførings-form av oppfinnelsen i tilknytning til tegningen, hvor: Fig. 1 er et vertikalsnitt gjennom en borkrone ifølge oppfinnelsen,

Fig. 2 er et riss langs linjen 10-10 på figur 1,

Fig. 3 er et detaljutsnitt langs linjen 11-11 på figur 2, Fig. 4 er et snitt langs linjen 12-12 på figur 3,

Fig. 5 er et snitt langs linjen 13-13 på figur 4.

Som vist i figur 1 og 2 er borkronen utformet med et skaft 101 som er dekket av et hardmetallbelegg 102. Borkronens front- eller boreflate 103 har stort sett konisk form som leder inn i midtåpningen 104. Som vist i figur 2 kan midtåpningen være utformet med tre grener 104. Grenene har forbindelse med kanalene 105 som strekker seg ut til diameterflaten 106. De er forbundet med spor 107 i stabilisatorseksjonen 108.

På borkronens boreflate er utformet utspring 109 som er anordnet med innbyrdes avstand i langsgående rader rundt boreflaten. Hvert utspring bærer en ansats 110 og en utsparing 111 i hvilken er montert et prefabrikert skjærelement 112 av den ovennevnte sammensetning. Som vist i figur 3, 4 og 5 er skjærelementene plassert i utsparingene 111 ved ansatsene 110 som er utformet på boreflaten og som virker som holdere. Hele skjær-elementets bakside støttes av utsparingen og ansatsen 110 som virker som en holder som opptar det prefabrikerte<J>skjærelement.

Utsparingene eller holderne avstøtter skjærelementene

med både vertikale og horisontale skråvinkler. Som vist i figur 4 er skjærelementet montert med en vertikal negativ skråvinkel 120 og, som vist i figur 3, med en horisontal negativ skråvinkel 136. Den negative skråvinkel kan være fra ca. 4° til ca. 20°, mens den negative horisontale skråvinkel kan være f.eks. mellom 1° og 10°, fortrinnsvis ca. 2°.

Frempringene er anordnet med innbyrdes avstand i en langsgående rekke nær kanalene 105, rundt borkronens boreflate. Fremspringene med sine utsparinger er anordnet med innbyrdes avstand i radene, slik at skjærelementene blir fordelt i et forskjøvet overlappende arrangement i forhold til skjærelementene i fremspringene i tilstøtende langsgående rader. Skjærelementenes skjæreflater vender i samme vinkelretning som borkronens omdreiningsretning. Fluidkanaler 105 er anordnet foran raden av skjærelementer. Spylefluidet, som mates gjennom midt-boringen i det rørformede borskaft 101, strømmer inn i midtåpningen 104 og således gjennom kanalen 105 for å spyle borkaksen som føres mot diameterflaten, oppover inn i ringrommet mellom borestrengen og borehullveggen.

Skjærelementene er prefabrikerte deler som kan utskiftes

etterhvert som de skades eller mistes. De kan plasseres'i utsparinger eller holdereutformet ihardmetallbelegget på diamant-borkronen, i et forutbestemt mønster som gir en sammenhengende utboret overflate. I de prefabrikerte skjærelementer kan være anvendt finkornet primær-slipemiddel såsom diamanter eller tilsvarende harde slipepartikler i et skjærelement som er anordnet i et forutbestemt mønster på borkronen. Bruken av slik pre-

fabrikerte skjærelementer montert i et mønster for å dekke stort sett hele overflaten som skal skjæres, og som tillater utskifting av enkelte, ødelagte skjærelementer, har den fordel at en slitt borkrone enkelt kan repareres og ikke trenger å kasseres.

Claims (6)

1. Borkrone omfattende et stålskaft med en gjennomgående spylekanal, hvor stålskaftets ene ende er forsynt med et med skaftenden fast forbundet, boreflatedannende hardmetallbelegg som har vesentlig større slitefasthet enn stålskaftet og bærer skjærelementer som er anordnet i utsparinger i hardmetallbelegget og oppviser en fra hardmetallbelegget utstikkende, i borkronens omdreiningsretning vendende skjæreflate og en ryggflate som ligger an mot en motsvarende, som mothold utformet støtte-flate på hardmetallbelegget, karakterisert ved at skjærelementene (112) består av et antall innbyrdes forbundne slipepartikler og er anbrakt i på forhånd utformede utsparinger (111) i hardmetallbelegget (102) først etter at hardmetallbelegget er anbrakt på borskaftet (101).

2. Borkrone ifølge krav 1, karakterisert ved at hardmetallbelegget (102) er utformet med utspring (109) som danner en del av støtteflaten mot skjærelementenes bakside ved utsparingene (111) .

3. Borkrone ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at de innbyrdes sammenbundne slipepartikler består av diamanter.

4. Borkrone ifølge et av kravene 1 til 3, karakterisert ved at skjærelementene (112) er anordnet i rader og orientert i samme vinkel i hver rad.

5. Borkrone ifølge et av kravene 1 til 4, karakterisert ved at utsparingene (111) som opptar skjærelementene (112) er anordnet i flere i lengderetningen forløpende og over boreflaten (103) fordelte rader med lik innbyrdes avstand, og at skjærelementene i en rad er sideveis forskjøvet i forhold til skjærelementene i en naborad.

6. Borkrone ifølge et av de foregående krav, der hardmetallbelegget strekker seg fra et midtparti på borkronen til dennes diameterflate, og der flere spylefluidkanaler som står i forbindelse med borskaftets (101) gjennomgående boring er utformet i boreflaten frem til diameterflaten, karakterisert ved at spylefluidkanalene (105) er anordnet foran skjærelementene (112).