NO151168B - Borkrone - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en borkrone omfattende

en hoveddel som er innrettet til å roteres ved hjelp av en bor-kronedel, hvilken hoveddel er utformet med et hulrom som kan tilføres trykkfluid gjennom borkroneholderen, et antall rotasjonselementer som er opplagret i hoveddelen og utstyrt med organer for å kutte formasjonen i bunnen av borehullet, spyleorganer for avgivelse av minst én spylestråle rettet mot borehullbunnen, hvilke spyleorganer omfatter minst én første kalibrert åpning som er utformet i hoveddelen med direkte kommunikasjon til hulrommet, og munner ut i et første rom mellom to til-støtende rotasjonselementer, sugeorganer for borefluidet innrettet til å avgi minst én oppadrettet fluidstråle, hvilke sugeorganer omfatter minst én annen åpning som er utformet i hoveddelen og beliggende over et annet rom mellom to tilstøtende rotasjonselementer. Rotasjonselementene kan f.eks. være i form av skjære- eller kutteruller montert på rullelagre med omdrei-ningsakser som er skråttliggende i forhold til borkronens midt-akse.

Tidligere har man søkt å øke ytelsen til slike borkroner som benyttes til boring av jordformasjoner ved samtidig på-virkning ved hjelp av fluidstråler som støter mot bunnen av borehullet i hvert av de .frie rom mellom rullene i borkronen. I borkronens nivå er dette borefluid hovedsakelig ansvarlig for avkjøling av borkronen, samt for rensing av borkronen og borehullbunnen og rask føring av borekuttet mot ringrommet mellom borestrengen og veggen i borehullet.

I en første type kjente borkroner avgis fluidstrålene

i betydelig avstand over kutterullene. Før de når bunnen i hul-let strømmer således strålene gjennom det borekutt-inneholdende borefluid som fyller hullbunnen. Følgelig vil strålenes strøm-ningshastighet i dette nivå bli betydelig redusert slik at de får mindre virkning. Dessuten strømmer strålene langs et parti av det borekutt-inneholdende borefluid mot borehullbunnen hvor dette borekutt males pånytt av borkronen hvis ytelse derved re-duseres. Videre danner fluid-strålene et overtrykk på hullbunnen som sammenpakker jordformasjonene, og det viser seg at kontaktsonen mellom borkronen og hullbunnen der borekuttet dannes, ikke blir tilstrekkelig spylt av borefluidet.

Det har vært foreslått forskjellige modifikasjoner, særlig har det vært foreslått å modifisere ovennevnte borkroner slik at de avgir borefluidstrålene så nær hullbunnen som mulig, og i visse tilfeller har man sørget for en ytterligere stråle langs borkronens akse. Slike forbedringer har imidlertid ikke vist seg tilfredsstillende, idet man hverken har unngått om-maling av borekuttet eller overtrykk i nivå med borehullbunnen.

I en annen kjent type borkroner har det vær foreslått

å kombinere spyleorganene som utgjøres av fluidstrålene med suge-eller aspiratororganer for det borekuttinneholdende fluid, hvilke organer omfatter en stråle som strømmer i retning mot-satt borkronens fremføringsretning.

Således omfatter borkronen beskrevet i US-patent 3.111.179 dyser for dannelse av spylestråler mellom rullene i borkronen, og suge- eller aspiratorstråler som mates fra kanaler som er anordnet gjennom borkronens flenser eller ben som bærer kjeglene. I en slik borkrone vil ikke bare spylestrålene strømme ut for langt fra hullbunnen, hvilket medfører ovennevnte ulemper, men dessuten vil sugestrålenes stilling være slik at det utstrøm-mende fluid støter mot borehullets vegg, hvilket kan føre til

ødeleggelse av denne og således i høy grad nøytralisere strålens sugevirkning. Videre vil den innbyrdes avstand til sugestrålenes og spylestrålenes respektive åpninger langs borkroneaksens retning være liten, og dette innebærer en betydelig reduksjon av spylestrålenes virkning.

US-patent 2.776.115 beskriver en rulleborkrone som benytter én spylestråle og to sugestråler. Spylestrålen skråner mot midten av borehullbunnen, dvs. mot rullaksenes konvergerings-sone og mot de frie rom mellom rullene. Som en følge av dette strømmer størstedelen av spylefluidet fra det ene til det andre frie rom, uten å rense kontaktsonen mellom rulltennene og jord-formasjonen.

Ytelsen til borkronene ifølge de ovenfor beskrevne US-patenter er derfor ikke vesentlig høyere enn for borkroner av førstnevnte type, hvilket forklarer at slike borkroner ikke er blitt utviklet i industriell målestokk.

Fransk patent 2.277.968 tilhørende søkeren beskriver en borkrone av den andre type, som har god ytelse, men som benytter et skjørt som skiller rommet nær borehullbunnen fra ringrommet som avgrenses mellom borehullveggen og borestrengen. En slik utføringsform er spesielt hensiktsmessig ved visse anvendelser, som f.eks. boring av hull med stor diameter, luftboring etc. men fremstillingen kan by på problemer med visse ytterligere ulemper i forbindelse med den omstendighet at borkronen over en temmelig stor lengde har en ytterdiameter som ikke er vesentlig forskjellig fra borehulldiameteren, hvilket medfører risiko for fastkjøring av borkronen i visse jordformasjoner, særlig i bløte formasjoner. Dessuten har også denne kjente borkrone den vesent-lige mangel at fluid-innløpsdysenes åpninger blir beliggende for nær brønnens bunn, hvilket medfører en utilstrekkelig bortspyling av borekaks fra borkronens frontparti.

Også US-patentskrift 3.207.241 viser en borkrone med spyledyse plassert nærmest mulig brønnbunnen, med de ulemper dette medfører som ovenfor nevnt.

Foreliggende oppfinnelse tar sikte på å frembringe en borkrone av den innledningsvis nevnte art, som ikke er belemret med ovennevnte, og som samtidig oppviser en betydeiig øket virk-ningsevne i forhold til tidligere kjente borkroner.

Dette siktepunkt oppnås ifølge oppfinnelsen ved at den første kalibrerte åpning er orientert i en retning vesentlig parallell med borkronens akse og munner ut i en avstand fra borehullbunnen på mellom 1/3 H og 4/5 H, hvor H er rotasjonselementenes høyde målt parallelt med borkroneaksen.

Oppfinnelsen, slik den gjenspeiles i ovennevnte nye og særegne trekk, er basert på den erkjennelse at borefluidstrømmen fra spyledysen mot borkronens frontflate bør ha en størst mulig horisontal komponent med høyest mulig kinetisk energi for mest effektiv fjerning av borekaks. Det er nettopp dette som oppnås ved det spesielle verdiområde som ifølge oppfinnelsen er angitt for spyleåpningens avstand fra borehullbunnen. Derved vil nemlig borefluidstrålen som opprinnelig har en vertikal retning vesentlig parallell med borkronens akse, gradvis gå over til en stort sett horisontal retning som bevirker spyling av borkronens frontparti .

Dersom fluidstrålen avgis for nær hullbunnen slik det f.eks. er tilfelle ,i ovennevnte franske patentskrift 2.277.968 og US-patentskrift 3.207.241, vil den ikke få tilstrekkelig kraft før den når borkronefronten, og horisontalkomponentens be-vegelsesenergi blir utilstrekkelig på dette nivå.

Riktignok er det fra US-patentskrift 3.115.200 kjent en borkrone hvor spyledysens avstand fra hullbunnen er regulerbar, men patentskriftet gir ingen som helst antydning, hverken i tekst eller figurer, om det spesielle verdiområde som er karakteristisk for foreliggende oppfinnelse.

Oppfinnelsen samt de fordeler den innebærer vil fremgå av følgende nærmere beskrivelse i forbindelse med tegningen, hvor: Fig. 1 er et riss sett nedenfra av en borkrone ifølge oppfinnelsen,

fig. 2 og 3 viser snitt av denne borkrone langs henholdsvis linjene X'X og Y'Y på fig. 1,

fig. 4 viser skjematisk en alternativ utføringsform

av sugeorganene,

fig. 5 illustrerer skjematisk en alternativ utførings-form av en spyledyse,

fig. 6 er et snitt av et stabilisatorelement som kan anbringes over borkronen, og

fig. 7 viser i lengdesnitt en utføringsform av et stabilisatorelement med en venturi anordnet i et av sine blad.

Borkronen illustrert på tegningen omfatter en hoveddel forsynt med tre flenser eller ben, 2, 3 og 4, hvorav bare to er vist i fig. 2 og 3. Benene bærer skjære- eller kutte-elementer, f.eks. i form av ruller eller kjegler 5, 6 og 7 som er dreibart montert på lageret (ikke vist) og hvis akser danner vinkel med borkronens vertikale akse. Hver av disse rotasjonselementer kan være av hvilken som helst kjent type og er forsynt med tenner eller innsatser, som vist i fig. 1, eller med hvilke som helst andre organer for bearbeiding av jordformasjonene på borehullbunnen .

Det øvre parti 8 av hoveddelen 1 (fig. 2 og 3) er

gjenget for å muliggjøre fastskruing av borkronen til en borkroneholder som dreier borkronen.

Borkroneholderen som er angitt ved henvisningstallet 9, kan utgjøres av borestrengen når rotasjonsboring anvendes. Dersom borkronen roteres direkte ved hjelp av en motor på bunnen, utgjøres borkroneholderen av motorens rotor.

Innvendig i borkronens hoveddel 1 er utformet et hulrom la som direkte kommuniserer med den innvendige kanal i borestrengen.

Hoveddelen er forsynt med kalibrerte åpninger eller dyser 10, 11 og 12 som kommuniserer med hulrommet la. De to første åpninger er slik plassert at ved bruk av borkronen strømmer fluid som tilføres hulrommet la, ut gjennom disse åpninger 10 og 11

slik at der i to av de frie rom mellom rotasjonselementene 5, 6 og 7 dannes to stråler for spyling av borehullbunnen, hvilke stråler er vesentlig parallelle med borkronens akse og nedadrettet, dvs.

i borkronens fremføringsretning.

En tredje kalibrert åpning 12 er slik plassert at under bruk av borkronen vil fluid strømme ut over det tredje frie rom mellom rotasjonselementene 5, 6 og 7, slik at det dannes en oppadrettet stråle med suge- eller aspiratorvirkning. Denne oppadrettede stråle skaper et undertrykk i ringrommet mellom borkronens øvre kobling og borehullveggen.

Videre er de kalibrerte spyleåpninger 10 og 11

plassert i en slik avstand h fra borehullbunnen at dersom H angir størrelsen av rotasjonselementene 5, 6 og 7 målt parallelt med borkronens rotasjonsakse, får man:

Spesielt har man oppnådd utmerkede resultater ved

0,4 H <*> h ^ 0,5 H

Sugeåpningen 12 er beliggende i en avstand L fra borehullbunnen, som er større enn ovennevnte verdi H.

Avstanden L bør fortrinnsvis være minst lik 1,4 H.

Dette skaper en trykkforskjell mellom borehullbunnen

og det område hvor sugestrålen opptrer. Denne trykkforskjell øker i vesentlig grad den oppadrettede strøm av borekutt-inneholdende slam som med stor hastighet strømmer fra høytrykks-sonen til lavtrykkssonen.

Borekuttet føres således bort fra borehullbunnen straks det dannes og under disse forhold vil borkronen holdes permanent ren, hvorved man oppnår øket borehastighet og lenger levetid for de forskjellige deler i borkronen (kuttetenner, lågere, etc).

Som illustrert på fig. 2 og 3 kan det være fordelaktig

å tilføre de kalibrerte åpninger 10, 11, 12 borefluid fra hulrommet la gjennom kanaler som er slik konstruert at de i størst mulig grad minsker trykkfallet i fluidstrømmen, særlig ved en tangentiell forbindelse med veggen i hulrommet la.

I den på fig. 1 til 3 viste utføringsform dannes de kalibrerte åpninger 10 til 12 av sirkulære åpninger eller dyser henholdsvis 10a, lia og 12a, hvis akser er tilnærmet parallelle med borkroneaksen.

Fig. 4 viser et grunnriss av en alternativ utføringsform av sugeorganene som her utgjøres av minst én gruppe innbyrdes nærliggende dyser 12a^, 12a^, -^a^, eller mer generelt av sugeorganer som er fordelt over et bredt vinkelintervall, idet disse dyser om ønskelig kan erstattes av en enkelt dyse med et langstrakt tverrsnitt som strekker seg over et bredt vinkelintervall. Tre dyser er vist, men dette er ikke å anse som begrensende.

Dysene er selvsagt løsbart montert og kan velges av brukeren under hensyn til strømningshastighet og trykk for spylefluidet.

Endringer kan imidlertid utføres uten å avvike fra opp-finnelsens ramme. F.eks. kan, sorn vist i fig. 5, spyledysene så som 10a være anordnet på en forlengelse 13 som er festet til borkronens hoveddel på hvilken som helst kjent måte, f.eks.

ved hjelp av gjenger 14, slik at forlengelsen lett kan utskiftes for regulering av avstanden h, innenfor grensene av det ovenfor angitte intervall, til den verdi som velges av brukeren under hensyn til karakteren av de geologiske formasjoner som bores.

Det er også mulig å plassere en innretning over sugestrålen for å øke hastigheten til det oppadstrømmende borekutt-inneholdende fluid i ringrommet som avgrenses mellom borestrengen og borehullveggen.

En slik innretning for å øke hastigheten til det oppad-strømmende borefluid kan omfatte en venturi-kanal som danner en hydro-ejektor med fluidsugestrålen.

I en utføringsform som illustrert på fig. 6 er et stabilisatorelement 16 plassert like over borkronen, idet dette element omfatter et antall blad som mellom seg danner rom 15

som direkte kommuniserer med ringrommet mellom borehullveggen og borestrengen.

I slike tilfeller kan det være fordelaktig å oppta en venturi-kanal 18 i et av bladene 21 til stabilisatorelementet 16, som illustrert på fig. 7, idet elementet 16 da monteres, ved hjelp av hvilke som helst hensiktsmessige organer så som f.eks. skruer 17, i en slik stilling at venturi-kanalen 18 er vesentlig koaksial med ejektorstrålen. I denne utføringsform er venturien 18 fordelaktig i kommunikasjon med ovennevnte ringrom gjennom to kanaler som munner ut på de to radiale vegger til bladet 21 gjennom åpninger 20 som er skråstilt i forhold til borkronens akse, for å hindre at borekutt skal falle tilbake i venturien når borefluid-strømmen avbrytes.

Skråvinkelen til åpningenes 20 kanter i forhold til

aksen til venturien 18 er fortrinnsvis mindre enn 45°.

Claims (3)

1. Borkrone omfattende en hoveddel (1) som er innrettet til å roteres ved hjelp av en borkroneholder (9), hvilken hoveddel er utformet med et hulrom (la) som kan tilføres trykkfluid gjennom borkroneholderen, et antall rotasjonselementer (5, 6, 7) som er opplagret i hoveddelen og utstyrt med organer for å kutte formasjonen i bunnen av borehullet, spyleorganer (10, 11) for avgivelse av minst én spylestråle rettet mot borehullbunnen, hvilke spyleorganer omfatter minst én første kalibrert åpning (10, 11) som er utformet i hoveddelen med direkte kommunikasjon til hulrommet (la), og munner ut i et første rom mellom to til-støtende rotasjonselementer, sugeorganer (12) for borefluidet innrettet til å avgi minst én oppadrettet fluidstråle, hvilke sugeorganer omfatter minst én annen åpning (12) som er utformet i hoveddelen og beliggende over et annet rom mellom to tilstø-tende rotasjonselementer, karakterisert ved at den første kalibrerte åpning (10, 11) er orientert i en retning vesentlig parallell med borkronens akse og munner ut i en avstand fra borehullbunnen på mellom 1/3 H og 4/5 H, hvor H er rotasjonselementenes (5, 6, 7) høyde målt parallelt med borkroneaksen.

2. Borkrone ifølge krav 1, karakterisert ved at den første kalibrerte åpning (10, 11) er beliggende en avstand fra borehullet på mellom 0,4 H og 0,5 H.

3. Borkrone ifølge krav 1, karakterisert ved at den første kalibrerte åpning (10, 11) kommuniserer med hulrommet (la) gjennom en kanal som ér tangentialt forbundet med veggen i hulrommet.