NO163028B - Skjaerelement for en borkrone. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår et skjærelement for en borkrone, omfattende en i vinkel orientert støtteflate på hvilken er festet et skiveformet element som omfatter en hardmetallskive med en skjæreflate fremstilt av polykrystallinsk diamant, hvor de skiveformete elementer er utformet med et hovedparti med en forholdsvis stor krumningsradius og et andre, noe avspisset parti med en avrundet skjæregg med vesentlig mindre krumningsradius, og et overgangsparti som forbinder hovedpartiet og det noe avspissete parti.

Rotasjons-borkroner som anvendes ved grunnboring er stort sett av to hovedtyper. Den ene borkrone-hovedtype er rulle-meiselkronen som består av tre ben som rager ut fra en borkronekropp og opptar tre koniske ruller som bærer wolframkarbid-tenner for oppbryting av berg- og andre grunnformasjoner. Den andre hovedtype av rotasjons-borkroner er diamant-borkronen som har faste tenner av industrielt fremstilte diamanter opplagret på borkronekroppen eller på metall- eller karbidstifter som er forankret i borkronekroppen.

Forskjellige typer diamant-borkroner er kjent i boreindus-trien. I en type er diamantene meget små og vilkårlig fordelt i en bærematriks. En annen type omfatter større diamanter som er anordnet i et forutbestemt mønster på overflaten av et boreskaft. En tredje type anvender et skjær som er utformet av en polykrystallin-diamant festet til en støtte av hardmetall. Foreliggende oppfinnelse er av sistnevnte type.

Noen av de siste publikasjoner eller patenter som omhandler diamant-borkroner av avansert konstruksjon, av interesse i forbindelse med denne oppfinnelse, er US-A.4 073 354 og US-A-4 098 363. Et eksempel på skjær-innsetninger hvor polykrystallinske diamantskjær anvendes samt en illustrasjon av en borkrone hvor slike skjær anvendes, finnes i US-A-4 156 329. Som eksempel på et skjærelement av den innledningsvis nevnte

art kan også nevnes US-A-4 359 335.

De diammantskjær som finnes i vanlig handel består av skiveformet, polykrystallinsk diamant som er loddet på en sylindrisk stift av wolframkarbid. Vanligvis anvendes to typer. Den ene er en skjærskive av forholdsvis stor diameter, som anvendes i bløte og middels harde formasjoner og i en viss utstrekning i harde formasjoner. Den annen type har en skjærskive av forholdsvis liten diameter, som anvendes i harde og meget harde formasjoner. Ulempene med de små skjær er at de er festet til metall-bærestiften på et forholdsvis lite overflateareal, med den følge at disse skjær utsettes for meget høyere skjærkreftei: ved skjæring i harde formasjoner. Dessuten er de små skjær ikke meget effektive når de anvendes i bløtere formasjoner.

Ett av formålene med denne oppfinnelse er å tilveiebringe et nytt og forbedret skjærelement av den innledningsvis angitte art, med en form som gir en bedre skjærevirkning i harde formasjoner uten tap av skjærevirkning i bløtere formasjoner samtidig som formen er tilbøyelig til å forbli skarp under drift, og som gir en bedre skjære- og synkéhastighet enn konvensjonelle skjærelementer for samme pålagte vekt ved boreoperasj on.

Et annet formål med denne oppfinnelse er å tilveiebringe et slikt skjærelement med hardmetallskjær som har en bedre binding til støtteflaten og forholdsvis stor diameter, men mindre skjæreflate på den del av skiven som trenger gjennom formasjonen.

Andre formål og trekk ved denne oppfinnelse vil fremgå av etterfølgende beskrivelse og krav.

Disse formål oppnås ifølge oppfinnelsen ved et skjærelement av den innledningsvis nevnte art, ved at den andre krumningsradius er større en 30 % av den første krumningsradius» idet vinkelen for skjæreggen med den andre krumningsradius er større enn 90°, og at skjærelementets ytre ende er skåret eller formet slik at den danner;en flate som er en fortsettelse av overflaten på det skiveformeté elements skjæregg.

På tegningene;viser fig. 1 et oppriss, delvis i snitt, av en for grunnboring beregnet borkrone med diamantinneholdende skjærinnsetninger, i henhold til en foretrukket utføringsform av denne oppfinnelse.

Fig. 2 viser et grunnriss av undersiden av borkronen vist

i fig. 1, idet halve borkronen er vist med skjærinnsetninger på plass og halve uteri innsetningene, idet bare utsparingene er vist. Fig. 3 viser et snitt normalt på borkronens overflate gjennom en av utsparingene i hvilke skjærinnsetningene er plassert, og figuren viser innsetningen i oppriss.

Fig. 4 er et plansnitt som viser hullet eller utsparingen

i hvilken skjærinnsetningen er plassert.

Fig. 5 viser e1 it sideriss av én av skjærinnsetningene.

Fig. 6 er et grunnriss av én av skjærinnsetningene sett i forhold til den flåte på hvilken skjærelementet er montert. Fig. 6A er et riss i større målestokk av skjærinnsetningen vist i fig. 6, og viser skjærskivens form mer detaljert. Fig. 7 er et grunnriss av skjærinnsetningen vist i fig. 5.

Tegningene viser en borkrone 1 med forbedrete skjærelementer 1 en foretrukket utføringsform av denne oppfinnelse. Denne forbedrete borkrone omfatter en rørformet kropp 2 som er innrettet til å tilkoples, for eksempel ved en skrukopling 3,

et vektrør 4 i en konvensjonell borestreng. Borkronens 1 kropp 2 har et gjennomløp 5 som ender i et hulrom 6 som dannes av endeveggen 7 som eir borkronens skjæreflate. Borkronen 1 har en perifér stabiliseringsflate 8 som møter skjæreflate 7 ved kaliber-skjærkantpartiet 9.

Stabiliseringspartiet 8 har et antall spor eller løp 10

som sørger for strømning av boreslam eller annet borefluid rundt borkronen under boreoperasjonen. Stabiliseringsflaten 8 har også et antall sylindriske hull eller utsparinger 11 i hvilke er plassert hardmetall-innsetninger 12. Disse hardmetall-innsetninger 12 er fortrinnsvis av en sintret karbid og har sylindrisk form og holdes på plass i utsparingene 11 ved hjelp av en presspasning med innsetningenes flate ende stort sett i flukt med stabiliseringsflaten 8.

Borkronekroppens 2 skjæreflate 7 er fortrinnsvis en kronflate som avgrenses av skjæringslinjen mellom den ytre koniske flate 13 og den indre negativt koniske flate 14. Kronflatene 13 og 14 har et antall fordypninger eller utsparinger 15 anordnet med innbyrdes avstand i et valgt mønster. Det fremgår av fig. 2 at fordypningen eller utsparingen 15 og skjær-innsetningene som er plassert i disse er anordnet stort sett i et spiralmønster.

I fig. 3 og 4 er fordypningene eller utsparingene 15 vist

i større detalj sammen med skjær-innsetningene. Hver av utsparingene 15 er 'utformet med en utfreset sideforskjøvet utsparing 16 som bare strekker seg over en del av utsparingens 15 dybde. Utsparingene 15 i kronflåtene 13 og 14 opptar et antall skjærelementer 18 som er synlige i fig. 1 og 2 og er vist i større detalj i fig. 3, 5, 6 og 7.

Skjærelementene 18 som tidligere ble brukt var STRATAPAX-skjærene fremstilt av General Electric Company og beskrevet i US-A 4 156 329 og US-A-4 073 354. STRATAPAX-skjærelementene 18 består av en sylindrisk støttestift av hardmetall. Støttestiften er avfaset ved bunnen, har avsmalnende kantflater, en avsmalnende toppflate og en skrått orientert støtteflate. Et lite sylindrisk spor er utformet langs en side av den kjente støttestift for samvirke med en kile for å hindre omdreining. Et skiveformet skjærelement er festet på skrå-støtteflaten, fortrinnsvis ved lodding eller liknende. Det skiveformete skjærelement er en hardmetallskive med en skjæreflate av polykrystallinsk diamant. Selv om skjærelementer av typen STRATAPAX er omtalt, kan liknende skjærelementer fremstilt av andre produsenter anvendes.

Tidligere har !skjærelementskivene bare vært å få i to størrelser. Den største har en diameter på 13,31 mm og anvendes for boring i bløte, middels og middels harde formasjoner. Den minste har en diameter på 8,38 mm, og anvendes for boring i harde og ekstra harde formasjoner. De minste skjærskivene kan skjære gjennom harde formasjoner på grunn av den mindre skjæreflatebue som griper inn i formasjonen som bores.

De mindre skiver har imidlertid den ulempe at de ikke er særlig effektive ved boring i bløtere formasjoner. De mindre skiver har en ytterligere ulempe som skyldes at større skjær-krefter opptrer ved boring i harde formasjoner og de mindre skiver er festet til støttestiftene over en meget mindre flate. Følgelig er de mindre skiver mer effektive ved boring gjennom harde formasjoner, men de skyves av støttestiftene meget hyppigere enn de store skiver. Følgelig har der vært et vesentlig behov for skjærskiver som arbeider bra i harde formasjoner og i bløtere formasjoner, og som ikke lett går tapt ved at de skyves av.

I den foretrukne utføringsform (se fig. 5-7) av denne oppfinnelse, har metallstiftene 19 diamant-skjærelementer 26 som er loddet på, slik som i de konvensjonelle skjær av STRATAPAX-typen. Skjærelementene 26 er imidlertid skåret til en form som gir en buet skjæreflate med kort radius for skjæring i harde formasjoner og har et hoved-kroppsparti med vesentlig større radius som danner en større festeflate for befestigelse av skiven til støttestiften 19. Dessuten danner overgangsflaten fra skjæreflaten med kort radius til hoved-kroppspartiet en skjæreflate som arbeider bra i bløtere formasjoner. Støttestif-ten 19 er også utformet slik at flaten bak skjærelementet 26 har en kontur som er en fortsettelse av denne flate. Som nedenfor beskrevet virker denne kontur på skjærelementet samt støttestiftens endeparti til å motvirke sløvhet og brudd på skjærene.

Fig. 5, 6 og 7 viser forskjellige riss av skjærelementene og støttestiftene. Fig. 6A er et riss i større målestokk av fig. 6 som innbefatter visse mer eller mindre kritiske dimen-sjoner på de forbedrete skjær. Støttestiftene 19 for skjærene har typisk en diameter på 15,9 mm og en lengde på 26,4 mm ved den lengste dimensjon. Skråflaten 24 er ca. 20°, i forhold til lengdeaksen eller til et element av stiftens sylindriske overflate. Side-avfasingene 123 er ca. 30° på hver side og har en jevn kontur som er en forlengelse av skjærskivens 26 kontur. Endeklaringsformen 23 danner en vinkel på ca. 20° med et normalt skjæringsplan og har samme form som skjærskivens skjærendeflate. Denne skjærelementkonstruksjon gjør det unødvendig med kantsporet i støttestiften for en anti-rotasjons-kile, ettersom skjæret ikke har noen tendens til å rotere.

Skjærskivene 26 har en tykkelse på ca. 3,53 mm og et overflatelag av polykrystallinsk diamant som er minst 0,51 mm tykk. De forbedrete skjærskiver ifølge denne oppfinnelse kan konstrueres i den ønskete form opprinnelig eller kan utskjæres til ønsket form fra en større skive. Skjærskiven 26 vist i fig. 6A er fortrinnsvis utformet av en av skjærskivene med stor diameter og har en radius R<1> på 6,65 mm for dens nedre halvdel (bakre halvdel med hensyn til skjærefunksjonen).

Skjæreggen 126 har en radius som svarer til radien i en av de små skjærskiver som er blitt brukt for boring av harde formasjoner. Skjæreggen i den foretrukne utføringsform har en radius R<2> på 4,19 mm (samme radius som de små skjærskiver) fra et senter som er forskjøvet med en avstand 0<1> på 2,46 mm fra skivens sanne senter. Mellomliggende buer 127 og plane tangentflater 128 forbinder skjæreflaten 126 med hoveddelen eller den ikke-skjærende del av skjærskiven. Buene 127 har radier på R<3> på 5,16 mm fra senteret som er forskjøvet en avstand 0<2> på 1,50 mm fra skivens sanne senter.

Denne skive har derfor en nedre halvdel eller hoved-kroppsparti med stor radius (6,65 mm) som avsmalner langs buene 127 og tangentlinjer 128 til en noe avspisset ende med en skjæregg 126 med liten radius (4,19 mm).

Den samme form som er vist på skjæreggen 126, mellombuene 127 og planene 128 fortsetter for støttestiften 19 som vist i fig. 7. Dette gjør det mulig å opprettholde en skarp skjæregg etterhvert som skjæret slites.

De forskjellige gitte radier er basert på de størrelser av skjærskiver som for tiden er i handelen. Selvsagt kunne andre størrelser anvendes etterhvert som materialer de kan konstrueres av kommer i handelen. Det antas imidlertid at en mindre radius R<2> bør være større enn 30 % av den store radius R<1>. Fortrinnsvis bør radien R<2> være større enn 50 % av radien R<1>, helst verdier mellomn 60 % og 65 %. Den vinkel skjæregg 126 danner er større enn 90°, fortrinnsvis mellom 100° og 120°. I den foretrukne utføringsform er skjæreggvinkelen a definert som vinkelen mellom de plane flaters 128 utstrekning.

Skjærelementenes 18 støttestifter 19 og diametrene i utsparingene 15 er slik dimensjonert at skjærelementene 18 får en trang presspasning i utsparingene 15. Utsparingene 15 er slik orientert at når skjærelementene er riktig plassert i disse vil de skiveformete diamantflateskjær 26 være beliggende med skjæreflåtene vendt i borkronens omdreiningsretning. Når skjærelementene 18 er riktig plassert i hullene eller utsparingene 15 er skjærelementene 26 på støttestiften 19 innrettet på linje med de utfreste utsparinger 16 på kanten av hullet eller utsparingen 15. Selv om bruken av utsparinger eller hull 15 med utfreste, forskjøvne utsparinger 16 foretrekkes, kan skjærelementene 18 anvendes i hvilken som helst type utsparing eller hull som vil holde dem fast på plass.

Borkronekroppen 2 har en sentralt beliggende dysekanal 30 og et antall med lik innbyrdes avstand anordnete dysekanaler 31 mot borkronekroppens ytre del. Dysekanalene 30 og 31 sørger for strømning av borefluid, det vil si boreslam eller liknende, for å holde borkronen klar for stenpartikler og kaks under drift. Dysekanalen 31 omfatter en kanal som strekker seg fra borkronekropp-hulrommet 6 med en forsenkning som danner en skulder 43. Forsenkningen er utstyrt med et rundtløpende spor i hvilket der er anordnet en 0-ring 35. Forsenkningen er innvendig gjenget og munner ut i et utvidet, glatt boringsparti som munner ut gjennom nedre endeparti eller flate på borkronekroppen. Dyseelement 36 er fastskrudd i forsenkningen mot skulderen 43 og har en kanal 37 som danner en dyse for utstrøm-ning av borefluid. Dyseelementet 36 er et løsbart og utskiftbart element som kan fjernes for vedlikehold eller utskifting eller for å byttes med en dyse av en annen størrelse eller form,

etter behov.

Når borkronen er i drift under normal belastning, er borkronens inntrengningsdybde pr. omdreining vanligvis ikke mer enn 1,59 mm. Under disse forhold var det bare skjæreggen 126 med liten radius (4,19 mm) som trengte inn i formasjonen. Ved en inntrengningshastighet (borsynk) på 1,59 mm pr. omdreining har skjærskiven et inntrengningsareal i formasjonen på 0,0317 cm<2>, hvilket er 63 % av inntrengningsarealet for skivene med større (6,65 mm) radius. Selv om disse skiver har en avsmalnende og avrundet skjæregg 126 for boring i harde formasjoner, har de stort sett det samme overflateareal som skjærskivene med større radius (6,65 mm) for befestigelse til støttestiftene 19. Som følge av denne konstruksjon har skjærskivene mindre tendens til å skyves av under drift og oppviser også den større avsmalnende skjæreflate for å danne overgangen mellom hardere og bløtere formasjoner. Som tidligere nevnt gir bruken av en kontur i enden av støttestiften 19 som er tilpasset skjærskivens 2 6 kontur vesentlig mindre slitasje på skjærene. I tillegg er der mindre avvik og mindre dreiemoment som folge av at kravet til borkronevekt er lavere.

Selv om denne oppfinnelse er utførlig beskrevet med speiell vekt på en enkelt foretrukket utføringsform, skal det forstås at innenfor rammen av de medfølgende krav kan oppfinnelsen utøves på annen måte enn slik det her er spesielt beskrevet.

Claims (4)

1. Skjærelement for en borkrone, omfattende en i vinkel orientert støtteflate (24) på hvilken er festet et skiveformet element (26) som omfatter en hardmetallskive med en skjæreflate fremstilt av polykrystallinsk diamant, hvor de skiveformete elementer (26) er utformet med et hovedparti med en forholdsvis stor krumningsradius og et andre, noe avspisset parti med en avrundet skjæregg med vesentlig mindre krumningsradius, og et overgangsparti som forbinder hovedpartiet og det noe avspissete parti, karakterisert ved at den andre krumningsradius (R<2>) er større en 30 % av den første krumningsradius (R<1>), idet vinkelen for skjæreggen med den andre krumningsradius (R<2>) er større enn 90°, og at skjærelementets ytre ende er skåret eller formet slik at den danner en flate som er en fortsettelse av overflaten på det skiveformete elements skj æregg.

2. Skjærelement ifølge krav 1, karakterisert ved at den andre krumningsradius (R<2>) er større enn 50 % av den første krumningsradius (R<1>), fortrinnsvis mellom 60 - 65 %.

3. Skjærelement ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at vinkelen (a) for skjæreggen med mindre radius har en verdi mellom 100° og 120°.

4. Skjærelement ifølge krav 1, karakterisert ved at hovedpartiet har en buelengde som svarer til en sentrumvinkel på ca. 180° for den første krumningsradius (R<1>), og at avsmalnende flater (127) med mellomliggende radier og plane tangentielle flater (127) forbinder hovedpartiet og skjæreggen med mindre radius.