NO169735B - Kombinasjonsborekrone - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører en konmbinasjonsborekrone utformet for boring av hull ved hjelp av ringskjæring og kontinuerlig kjerneknusing som angitt i krav l<*>s innledning.

Den nye kombinasjonsborekorone er utformet for gjennomføring av en fremgangsmåte ved boring under anvendelse av ringskjæring og kontinuerlig kjerneknusing. Forsøk med dette er utført med jetstråler som ringskjærer ut en kjerne som kontinuerlig knuses av en rulleborekrone, ref. Maurer, W.C.Heilhecker, J.K. og Love, W.W., "High Pressure Drilling" - Journal of Petroleum Technology, juli 1973. Disse forsøkene resulterte i at borehastigheten økte med 2-3 ganger. Problemet ved bruk av jetstråle er at det kreves en nedihullspumpe som kan produsere det meget høye trykket, som er nødvendig for at væskestrålen skal kunne skjære formasjonen.

Tidligere er PDC-skjær og rullekroner med tenner kombinert, men da hovedsakelig i den hensikt å begrense borefremskrittet i bløte formasjoner, for å unngå tilpakking av skjærene, se US-PS 4.006.788.

I dag benyttes hovedsakelig to typer borekroner, nemlig PDC-borekroner og rulleborekroner. PDC-borekronene skjærer formasjonen med en egg, som utgjøres av et antall PDC-skjær (polycrystalline diamond compact). Fordi skjærene roterer med samme omdreiningstall rundt en felles akse, vil skjærhastig-heten variere fra null i sentrum og til maksimum ytterst ute på periferien av borekronen. Dette gjør det umulig å oppnå optimal skjærhastighet for alle skjærene samtidig.

De spon som dannes ved bruk av PDC-skjær er ofte svært små, noe som gjør at den geologiske informasjonsmengden som kan hentes ut av disse, er svært begrenset. Det er laget PDC-borekroner som skjærer ut en liten kjerne til bruk ved geologisk tolkning, se US-PS nr. 44.440.247. Fra bore-personell er det rapportert at effekten av slik med hensyn til å få opp større biter er svært liten.

Eggen på dagens PDC-skjær er 90" og skarp. Dette gjør den relativt svak, noe som lett fører til avskalling av eggen.

Rulleborekronene knuser formasjonen ved at tenner montert på rullekroner presses mot formasjonen med en så stor kraft at formasjonen sprekker opp under og rundt tennene. På grunn av hullbunnens relativt plane flate, er sprekkforplantningen for hver tanninntrengning relativt lite effektiv med hensyn på det volum som skal bores ut. Dersom det volumet som skal knuses frembringes i form av en ustabilisert kjerne vil hver tanninntrengning bli betydelig effektivisert.

Konvensjonelt benyttes i dag ikke prinsippet ringskjæring med kontinuerlig kjerneknusing til boring av hull. Det finnes flere eldre patenter på dette prinsippet. Et patent har benyttet diamanter innbakt i en matriks. Dette prinsippet er mer slipende enn skjærende, hvilket krever et høyt turtall for å oppnå et tilfredsstillende borefremskritt. Rullekonene i sentrum, som benyttes til knusing av kjernen, vil da måtte kjøres med et for høyt turtall, se US-PS nr. 3.055.443. Et annet patent benytter seg av egger av wolframkarbid, hvilket gir en svært begrenset levetid for borekronen på grunn av for liten abrasivitetsmotstand hos eggene. Denne borekronen frembringer ikke noe hulrom rundt kjernen før knusing dvs. at innerveggen av kjerneborekronen vil virke stabiliserende på kjernen, se US-PS nr. 3.075.592. Et tredje patent benytter seg av skjærende egger hvor det må være kanaler/spor foran/bak disse. Kanalene/sporene må være store nok til at bitene fra den knuste kjernen kan passere på vei ut til utsiden av borekronen. Kjernen brytes ved hjelp av en fortannet rull som på grunn av sin geometri får en alt for stor skrapende effekt. Dette vil medføre en rask nedsliting av rullens tenner. Dyser benyttes til spyling av den fortannede rullen og til fuktig av kjernen for å svekke denne, se US-PS 2.034.073.

Med oppfinnelsen tar man sikte på å benytte skjærende egger av polykrystallins-diamant og/eller av et keramisk materiale til å ringskjære ut en kjerne som så kontinuerlig knuses. Det er i denne forbindelse vesentlig å oppnå en kjerne som er relativt lett å knuse, men samtidig må kjernens proporsjoner stå i riktig forhold til det totale volum som til enhver tid skal avvirkes for å lage hullet. Det vil si at det bør tilveiebringes en ustabilisert kjerne med riktig høyde og diameter sett i forhold til borehullets diameter. De i kjernen innebyggede skjærspenninger kan da bringes til virkning på gunstig måte under knusingen, samt at ringskjæringen for frembringelse av kjernen er utført med et verktøy og et omfang som gjør boringen totalt sett mer effektiv enn ved konvensjonell boring.

Ifølge oppfinnelsen foreslås det derfor en kombinasjonsborekrone som nevnt innledningsvis, med de trekk som går frem av krav l's karakteristikk.

Det er av betydning at rulleborekronen er dimensjonert for å dekke hele det underskårne endehulrom-tverrsnitt, det vil si at rulleborekronen vil virke også i det ringareal som i tverrsnittet vil foreligge mellom innerveggen i endehulrommet og sylinderveggen til den dannede, ustabil iserte kjerne. Løsbrutt masse som legger seg i dette område vil knuses av rulleborkronen og bringes til å gå ut gjennom veggåpningene. De i ringform plasserte polykristallinske eller keramiske skjær gir en utmerket ringskjæring på en effektiv måte for frembringelse av kjernen.

Den dannede ustabil iserte kjerne vil brytes opp under påvirkning av knusemidlene og kjernemassen vil på fordelaktig måte kunne gå ut gjennom de relativt lavttrukkede vegg-åpninger.

Det er ønskelig med god stabilisering av borekronen i hullet med samtidig god massetransport opp forbi borekronen og det oppnås med den spesielle utforming av borekronens utside, med brede stabiliserende veggpartier som veksler med kanaler for transport av utboret masse oppover. Kanalene dimensjoneres slik at de tillater relativt store biter å passere. Veggåpningene og kanalene bør stå i forhold til hverandre, slik at de biter som passerer gjennom åpningene også kan gå via kanalene.

Teoretisk sett vil brudd i et materiale oppstå der hvor skjærspenningen er størst. Det vil si at bruddet vil oppstå i et plan 45° i forhold til største hovedspenning. I bergarter spiller materialets indre friksjon en vesentlig rolle for hvilke bruddvinkler materialet får. Bruddvinkelen kan skrives på følgende måte:

Bruddvinkel = 45" - 1/2 indre friksjonsvinkel.

Den indre friksjonsvinkel hos bergarter varierer fra nesten null til mer enn 60° . Dette gir bruddvinkler fra nesten 45° til mindre enn 15°. Når brudd initieres vil dette alltid utvikle seg langs minste motstandsvei. Ved kontinuerlig kjerneknusing vil bruddet normalt ikke krysse senterlinjen til kjernen. På basis av dette viser beregninger at den ustabiliserte kjernehøyden fordelaktig bør ligge mellom 2 og 0,5 ganger dens diameter. Retningen for største hovedspenning er da forutsatt å være parallel med boreretningen. Forsøk har vist at den nedre kan være helt nede i 0,2, noe som til-skrives kjernetoppens form under den kontinuerlige knuse-prosessen og variasjon i hovedspenningsretningen.

Ut i fra energibetraktninger bør kjernen være så stor som mulig, men for at kjerneborekronen skal kunne inneha tilstrekkelig fysisk styrke må diameteren på kjernen reduseres i forhold til hulldiameter. Med hensyn til variasjon i skjærhastighet over kjerneborekronen bør ikke kjernediameteren være mindre enn 0,4 ganger borehullsdia-meter. Det vil si, skal ringskjæring med kontinuerlig kjerneknusing være hensiktsmessig, bør kjernediameteren være minst 0,4 ganger borehullsdiameteren. Dette gjør det mulig å finne et turtall som er tilnærmet optimalt for alle skjærene.

Særlig fordelaktig ifølge oppfinnelsen kan en eller flere høytrykksdyser tilknyttet spylekanaler rettet i endehulrommet.

For å øke skjærenes levetid kan man fordelaktig bedre eggens mekaniske styrke ved å la den være avrundet med en liten synlig radius.

Oppfinnelsen skal forklares nærmere under henvisning til tegningene, hvor: Fig. 1 viser et halvvsnitt gjennom en borekrone ifølge

oppfinnelsen sett fra siden,

fig. 2 viser borekronen sett fra enden,

fig. 3 viser et PDC-skjær, hvor eggen er gitt en synlig

radius,

fig. 4 viser profilen av hullbunnen som dannes av

borekronen i fig. 1 og 2, og

fig. 5 viser et snitt etter linjen V-V i fig. 1.

I fig. 1 og 2 ser man en ordinær borekrone 11, med rullekoner 3. Videre er det vist PDC-skjær 4, hvor eggen er gitt en synlig radius, som nærmere vist i fig. 3.

Skjærene 4 er festet til en sylinder 1 og virker mot borehullsringflaten 15, se fig. 4.

Rullekonene 3 vil med sine tenner 5 virke mot toppen 14 av den utskårne kjerne 13 og knuse denne toppen. Rullekonen 3 utgjør deler av en vanlig rulleborekrone 11. Rulleborekronen II er som vist i fig. 1 innfestet i et borekronefeste 2 som på sin side er skrudd sammen med sylinderen 1, med et gjengeparti 19.

Borekronen roterer om senteraksen 17, og samtidig roterer rullekonene 3 om sin egen senterakse 16. Dette gjør at beveg-elsen mellom rullekonene 3 og underlaget, her kjerneflaten 14, kan bli ren rulling. Bitene fra den knuste delen av kjernen 13 transporteres med en borevæske ut til utsiden av kjerneborekronen gjennom hull 6 i dennes vegg. Over rullekonene 3 og i enden av kjerneborekronen, ved roten av kjernen 13 som utbores, munner dyser 7 for boreslam. Kjerneborekronen og rulleborekronen er som nevnt forbundet med hverandre ved hjelp av et borekronefeste 2, som her også utnyttes for fordeling av borevæsken til dysene 7.

Tilkoplingen av borekronen med det resterende boreutstyr skjer via gjengepartiet 8. Med henvisningstallet 9 er det antydet kanaler for transport av utboret masse ved hjelp av borevæsken. Plugger 10 av et hårdt materiale vil forebygge diameter-reduksjon (under gange).

Av fig. 1 vil det gå frem at endehulrommet 18 er underskåret relativt kjernediameteren. Derved oppnås det et fritt ringrom rundt kjernen, slik at kjernen 13 blir ustabilisert, noe som er av vesentlig betydning i forbindelse med den etterfølgende knusing og fjerning av kjernematerialet. Det oppnås med oppfinnelsen en svak og relativt lett utborbar kjerne ved hjelp av knusing, sett i forhold til boring av rene hull. Dette skyldes som nevnt at kjernens geometri medfører en mer effektiv sprekkforplantning og at kjernen på grunn av r ingsk jaer ingen vil være spenningsavlastet radielt fra de omliggende bergmasser. I sum oppnås et høyere borefremskritt enn om de to anvendte metoder ble anvendt hver for seg.

Fig. 5 viser en gunstig utforming av veggåpningene 6. Tangenten til bakveggen til veggåpningene 6 i hvert punkt, med unntak av en avrunding ved innløpet, er dreid mot borkronens operative dreieretning med en vinkel a i forhold til borkronens sektorlinje gjennom det samme punktet sett i fra innløpet av åpningen 6 mot dens utløp, idet a = >0° og <90° . Med åpningens bakvegg menes den siden av åpningen som sist passerer en fast sektorlinje når borekronen dreies oi operativ dreieretning. Med sektorlinje menes en rett linje som går normalt ut fra dreieaksen til borekronen. Med innløp til åpningen (6) menes fra den siden som utboret masse strømmer inn gjennom åpningen 6.

Som vist i fig. 5 er det innmontert polykristallinske skjær 10 som tangerer overflaten til borkronetoppen.

Claims (5)

1. Kombinasjonsborekrone (1) omfattende en ringborkrone med på et fortykket endeparti plasserte skjær (4) og som avgrenser et sylindrisk hulrom (18), en i hulrommet (18) plassert rulleborkrone for knusing av den av ringborkronen utborede kjerne og som har koniske, med tenner forsynte ruller (3) og med en diameter tilnærmet lik hulrommets diameter, åpninger (6) i hulrommets (18) sylindervegg, i høyde med rulleborkronen, og spylekanaler (7) som munner ut i hulrommet og i det fortykkede endeparti, karakterisert ved at de i ringform plasserte skjær (4) er PDC-skjær eller keramiske skjær, at de nevnte åpninger (6) strekker seg oppover fra den øvre avslutning av det fortykkede endeparti, og ved at sylinderveggens ytterside er utformet med veks-lende, som stabiliseringsflater virkende sylinderveggpartier som avgrenser for transport av utboret masse virkende langsgående kanalutsparinger (9) fra borekronekroppens ringende og opp langs borekronekroppen (1), idet borekronen er dimensjonert slik at det oppnås en utstabilisert kjerne-høyde på mellom 2 og 0,5 ganger kjernediameteren, og kjernediameteren er minst 0,4 ganger borehullsdiameteren.

2. Kombinasjonsborekrone ifølge krav 1, karakterisert ved at spylekanalene i endehulrommet munner med dyser (7) for avvirking av kjernen.

3. Kombinasjonsborekrone ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at skjærenes egger (4) er avrundet med en liten, synlig radius.

4. Kombinasjonsborekrone ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at stabiliseringsflåtene på borekronekroppen (1) er forsynt med polykristallinske diamantskjær (20) innmontert slik at skjærets overflate tangerer overflaten til borekronekroppen (1).

5. Kombinasjonsborekrone ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at tangenten til bakveggen til veggåpningene (6) i hvert punkt, med unntak av en avrunding ved innløpet, er dreiet mot borekronens operative dreieretning med en vinkel (a) i forhold til borekronens sektorlinje gjennom det samme punktet sett i fra innløpet av åpningen (6) mot dens utløp, idet a er >0° og <90°.