NO172301B - Borkrone for rotasjonsboring - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en borkrone for dyp rotasjonsboring i jordformasjoner under sjøoverflaten, og særlig en borkrone som omfatter et borkronehode eller -legeme egnet for forbindelse med den nedre ende av en borestreng og med en rekke hardmetall- eller diamantinnsatser (skjær, bits), her kalt skjæreelementer.

Borkroner av denne type er kjent og beskrevet f.eks. i US-PS 4 098 362 og 4 244 432, med skjæreelementer med sylinderform og festet i fordypninger, f.eks. ved hjelp av slag- eller hardlodding til en bolt som på sin side innpasses i et tilsvarende hull i borkronelegemet. Under boring vil de støt og påkjenninger som skjærelementene utsettes for være særdeles kraftige, og for å hindre unødvendig store påkjenninger på elementene anordnes disse slik at deres frontflate orienteres med en negativ skjærvinkel på mellom null og 20°.

Skjæreelementene omfatter vanligvis et skjærende frontsjikt av partikler av syntetisk diamant eller av kubiske bornitridpartikler, og partiklene er sintret til en kompakt polykrystallinsk masse. Hvert skjæreelements frontsjikt kan ha et indre parti av sementert wolframkarbidsubstrat for å oppta de påkjenninger som oppstår mot frontsjiktet under boringen. Formede skjæreelementer av denne type er beskrevet i US-PS 4 194 790 og i EP nr. 29187. Slike skjæreelementer kalles ofte komposittplugger eller - dersom skjæreflaten er av diamant - polykrystallinske diamantplugger (PDC).

Skjæreelementene på borkroner av den ovennevnte type er vanligvis utstyrt med et skjærende frontsjikt med en tykkelse som velges slik at det oppnås et kompromiss mellom de forskjellige ønskede boreparametre.

F.eks. vil en liten tykkelse av det skjærende frontsjikt gi et skjæreelement som holder seg forholdsvis skarpt over hele levetiden slik at det oppnås en stor borkroneaggressivitet (angitt som forholdet mellom borkronemomentet og den påtrykte vekt). Imidlertid har en stor borkroneaggressivitet konsekvensen av at det ved boring i visse formasjoner risikeres en relativt stor fastkilingstendens for borkronen, i avhengighet av borkronevekten. Spesielt dersom borkronen drives av en drivinnretning nede i borehullet, såsom en borvæskedrevet turbin, kan denne fastkilingstendens føre til fluktuasjoner i borkroneturtallet og en dårlig borefremdrift.

Et formål med den foreliggende oppfinnelse er å skaffe til veie en borkrone hvor aggressivitetsfaktoren kan bestemmes slik at det oppnås en stor boreinntrengnings-hastighet uten at fastkilingstendensen for borkronen økes.

Et ytterligere formål med oppfinnelsen er å skaffe til veie en borkrone med god retningsstabilitet og tilnærmet konstant boreytelse over hele levetiden.

Dette er oppnådd med en borkrone av den type som fremgår av den innledende del av det etterfølgende krav 1, og hvor borkronen er kjennetegnet ved de trekk som fremgår av den karakteriserende del av dette krav.

Ytterligere formål og fordeler ved oppfinnelsen fremgår av de etterfølgende uselvstendige krav.

Oppfinnelsen skal nå forklares nærmere i detalj og med henvisning til ledsagende tegninger, hvor fig. 1 viser et vertikalsnitt av en borkrone i samsvar med oppfinnelsen, og fig. 2 viser et av skjæreelementene i det sentrale parti av borkronen på fig. 1, vist i samsvar med en snittlinje II - II.

Borkronen som er vist på fig. 1 omfatter et borkronelegeme 1 av krone typen og som ved sin øvre ende har et gjenget skaft 2 for å kunne skrus fast til den nedre ende av en borestreng.

Borkronelegemet 1 omfatter en sentral boring 3 for å gi anledning til at borevæske eller -slam kan strømme fra borestrengens indre via en rekke dyser 4 til radiale strømningskanaler 5 utformet i den fremre ende av borkronen og fremover til foran skjæreelementene 8, 9 som er anordnet på borkronelegemets overflate, for kjøling av disse og for å spyle ut borekaks fra boreflaten og oppover til det omliggende ringrom.

Skjæreelementene er arrangert i radiale rekker slik at hvert elements frontflate 10 (fig. 2) ligger i flukt med en av sideveggene i strømningskanalene 5. De radiale rekker av skjæreelementer 8, 9 er fordelt med regelmessig vinkelavstand rundt borkronens frontflate 6 og slik at elementene 8, 9 i én rekke blir liggende forskjøvet og overlappende i forhold til de tilsvarende elementer i en naborekke, hvorved samtlige skjæreelementer 8, 9 bidrar til at det skjæres ut konsentriske spor i borehullets bunn under boringen, slik at denne kan skride jevnt fremover i formasjonen.

Skjæreelementene 8, 9 (se fig. 2) er i det viste tilfelle i form av polykrystallinske diamantplugger (PDC) med et polykrystallinsk frontsjikt 11 av diamant og forøvrig av sintret wolframkarbid 12.

Fronts jiktet kan i stedet for å være sintrede diamantpartikler omfatte andre harde elementer eller partikler egnet for skjæring, såsom av bornitrid.

I samsvar med oppfinnelsen er tykkelsen T av skjæreelementets 8 frontsjikt 11 i det sentrale parti 14 av borkronens frontflate 6 større enn den tilsvarende tykkelse av skjæreelementets 9 frontsjikt i det ytre parti 15 av samme. I den utførelse av en borkrone som er vist på fig. 1 er det sentrale parti 14 partiet mellom en sentral akse 1 for borkronen og det nederste parti 16 av frontflaten 6, mens det ytre parti 15 er partiet utenfor, avgrenset fra det nederste parti 16 og ut til den ytre periferi 17 av borkronen.

Som det videre fremgår av fig. 2 har samtlige skjæreelementer 8 i det sentrale parti 14 et avfaset diamantsjikt 11. Fasevinkelen (3 og den såkalte skjærvinkel y er tilpasset slik at det dannes en fri klaringsvinkel a mellom den nedre, avfasede skjærekant 19 på et nytt skjæreelement 8 og borehullets bunn. Verdien av a bør være tilnærmet lik den nedslitningsvinkel som etter hvert dannes når skjæreelementene slites. Som angitt i vårt EP nr. 155026 blir denne nedslitningsvinkel holdt tilnærmet konstant over hele borkronens levetid. Nedslitningsvinkelen kan være mellom 10 og 15°, uavhengig av tykkelsen T av frontsjiktet 11, vekten på borkronen og hastigheten v av skjæreelementet 8 i forhold til borehullets bunn. Den avfasede fasong av diamantsjiktet fører i dette tilfelle til at skjæreelementet 10 får tilnærmet samme skjærevirkning når det er slitt som når det er nytt. Dette betyr at aggressiv!tetsfaktoren for borkronen (definert tidligere) holdes konstant over hele borkronens levetid, og denne faktor kan bestemmes ved valg av passende tykkelse på diamantsjiktet for skjæreelementene 8 og 9 i borkronens sentrale og ytre parti. Et tykkere diamantsjikt forutsetter en høyere vekt på borkronen for å føre denne fremover i fjellet. Dreiemomentet må likeledes økes, men siden skjæreelementene 8 med det relativt tykke diamantsjikt befinner seg i det sentrale parti, vil det ekstra dreiemoment som forutsettes utgjøre en mindre del av det totale dreiemoment for hele borkronen. Derfor kan aggressivitetsfaktoren reduseres ved å øke diamantsjiktets tykkelse for skjæreelementene 8 i det sentrale parti i forhold til de elementer som befinner seg i det ytre parti. At aggressiviteten av borkronen holdes konstant på en lavere verdi over hele borkronens levetid er av stor betydning for boringen når det benyttes drivanordninger i selve brønnen, såsom hydrauliske motorer drevet av borevæsken. Den reduserte fastkilingstendens som dette medfører for borkronen under drift fra en nedsenket drivenhet fører til en vesentlig reduksjon av fluktuasjonene under boringen.

Vanligvis er det foretrukket å velge forholdet mellom tykkelsen T av diamantsjiktet 11 på skjæreelementene 8 i det sentrale parti 14 og tykkelsen av diamantsjiktet på skjæreelementene 9 i det ytre parti 15 innenfor omfanget 1,1 til 10.

Det er videre foretrukket å velge tykkelsen T av diamantsjiktet 11 på skjæreelementene 8 i det sentrale parti 14 mellom 0,55 og 3 mm og det tilsvarende diamantsjikt på elementene 9 i det ytre parti 15 mellom 0,3 og 0,5 mm.

Når skjæreelementene 8 har et tykkere diamantsjikt 11 i det sentrale parti 14, blir det borede borehull svakt konisk, angitt med vinkelen 6, og retningsstabiliteten av borkronen bedres siden de siderettede kraftkomponenter av de relativt store normalkrefter som virker på skjæreelementene vil utbalansere hverandre og tvinge borkronen til å trenge dypere ned i hullet i samme retning som den sentrale akse I.

Det vil være klart at i borehull boret med awiksboring vil de siderettede krefter som forårsakes av vekten av boreutrustningen nede i hullet reduseres i forhold til de siderettede skjærkrefter slik at større avvik av borkronen under boring ved awiksboring også reduseres som følge av det ovenstående. Siden de siderettede skjærkrefter er proporsjonale med vekten på borkronen, vil retningsstabili teten bedres med denne vekt, og dette er gunstig for den kontinuerlige styring som benyttes ved drivenheter som befinner seg nede i borehullet, f.eks. som beskrevet i vårt EP nr. 109699.

Fordelene med den borkrone som nå er beskrevet og vist på tegningene er at dens boreparametre holdes konstant over hele levetiden, og dette bidrar til å fastlegge de egentlige boreproblemer, at borkronens aggressivitetsfaktor kan bestemmes slik at det kan utføres en optimalisering av boringen med drivenhet nede i borebrønnen, og at retningsstabiliteten av borkronen er forbedret.

I stedet for den sylindriske form av skjæreelementene, vist på tegningene, kan elementene også ha en annen passende form for benyttelse i borkronen i samsvar med oppfinnelsen, så lenge de i det sentrale parti av borkronen har et skjærende frontsjikt med større tykkelse enn den tilsvarende tykkelse av frrontsjiktet på elementene i det ytre parti. Det vil videre være klart at skjæreelementene kan bestå av kun ett frontsjikt som er sintret direkte på borkronens hardmetallegeme. Dessuten er det innenfor oppfinnelsens ramme at skjæreelementene kan være fordelt på andre måter, også kjente innenfor borkroneteknikken, over borkronens overflate.

Claims (8)

1. Borkrone for rotasjonsboring av dype borehull, omfattende et borkronelegeme (1) anordnet for tilkopling av den nedre ende av en borestreng, og en rekke skjæreelementer (8, 9) som rager ut fra borkronelegemet (1) og omfatter et sintret frontsjikt (11) med harde partikler, og hvor borkronelegemet (1) videre har et sentralt parti (14) innenfor et ytre parti (15), KARAKTERISERT VED at det sentrale partis (14) skjæreelementer (8) har en frontsjikttykkelse (T) som er større enn den tilsvarende tykkelse av frontsjiktet (11) på skjæreelementene (9) i borkronelegemets (1) ytre parti.

2. Borkrone ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at borkronelegemet (1) har kronefasong, med sitt sentrale parti (14) mellom borkronens og borkronelegemets (1) omdreiningsakse (I) og det nederste parti (16) av borkronens ytterflate (6), mens det ytre parti (15) er det parti som strekker seg radialt fra det sentrale parti (14) og ut til borkronens ytre periferi (17).

3. Borkrone ifølge krav 2, KARAKTERISERT VED at skjæreelementene (8, 9) er fordelt hovedsakelig i radiale rekker langs borkroneoverflaten.

4. Borkrone ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at forholdet mellom tykkelsen (T) av frontsjiktet (11) på kutte-elementene (8) i det sentrale parti (14) og den tilsvarende tykkelse av frontsjiktet på elementene (9) i det ytre parti (15) er over 1,1.

5. Borkrone ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at tykkelsen (T) av frontsjiktet (11) på skjæreelementene (8) i det sentrale parti (14) er over 0,55 mm, og at den tilsvarende tykkelse av frontsjiktet på elementene (9) i det ytre parti (15) er under 0,5 mm.

6. Borkrone ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at minst ett skjøreelement (8) i det sentrale parti (14) er utstyrt med et skjørende frontsjikt (11) med avfaset fasong.

7. Borkrone ifølge krav 6, KARAKTERISERT VED at den avfasede fasong er slik at skjærekanten for et nytt skjære element ved den ytre kant av det skjærende frontsjikt (11) har en slik orientering at det dannes en spiss, fri klaringsvinkel (a) mellom skjærekanten og borehullets bunn.

8. Borkrone ifølge krav 7, KARAKTERISERT VED at den spisse klaringsvinkel (a) ligger mellom 10 og 15°.