NO179592B - Borkrone samt fremgangsmåte for fremstilling av denne - Google Patents

Description

OPPFINNELSENS OMRÅDE

Foreliggende oppfinnelse vedrører borkroner som benyttes for boring av hull gjennom et materiale og spesielt slike borkroner som benyttes ved leting etter og produksjon av hydrokarboner.

TEKNIKKENS STAND

Ved leting etter og produksjon av hydrokarboner benyttes en roterende borkrone for å danne et borehull gjennom jordskor-pens formasjoner. Brukerne av borkronene og fabrikantene av borkronene har funnet ut at ved å regulere nøyaktigere vekten på borkronen (WOB) og øke rotasjonshastigheten (RPM), kan det oppnås økede penetrasjonshastigheter. Når rotasjonshastigheten øker, synker imidlertid borkronens effektive levetid drastisk fordi kutteelementene eller skjærene på borkronen vil sprekke og fra tid til annen slites helt løs fra borkrone1egemet.

Mange studier er blitt utført for å fastslå hva som forårsaker slik ødeleggelse av kutteelementene. Oppfinnerne av foreliggende oppfinnelse har tidligere funnet at en hovedsakelig del av de destruktive krefter dannes av radiale ubalansekrefter som får borkronen til å rotere om et sentrum som er forskjøvet i forhold til det geometriske sentrum av borkronelegemet på en slik måte at borkronen har en tendens til bakoverrettet virvling i borehullet. Denne virvling bevirker at rotasjonssenteret endrer seg dynamisk når borkronen roterer rundt i borehullet. Således beveger kutteelementene seg raskere sideveis og bakover og utsettes for sterkt økede slagbelastninger slik at de ødelegges.

Ubalanserte cirkumferensielle borekrefter opptrer til en viss grad i enhver borkrone, og disse krefter søker å skyve borkronen mot siden av borehullet. Dersom borkronen har en normal skjærestruktur, er rand- eller kaliberskjaerene konstruert for å skjære kanten av borehullet. Under skjæreprosessen øker den effektive friksjon mellom skjærene nær kaliberområdet, og derved blir det momentane rota-sjonssenter et annet punkt enn det geometriske sentrum av borkronen. Når dette skjer, er det vanlige resultat at borkronen begynner å virvle bakover rundt i borehullet. Virvlingsprosessen skaper seg selv fordi det vil alltid dannes tilstrekkelig friksjon mellom borkronens kaliberom-råde og borehullets vegg - uansett borkronens orientering - på grunn av sentrifugalkreftene som skapes av den raske akselerasjon av borkronen.

Forskjellige fremgangsmåter og utstyr har vært foreslått for å eliminere eller redusere disse ubalansekrefter, inklusive bruk av dynamiske balanserte nedre borestrengsinnretninger og fornyet innretning av skjærene for å redusere ubalanse-kref tene .

SAMMENFATNING AV OPPFINNELSEN

Foreliggende oppfinnelse har til hensikt å avhjelpe de forannevnte mangler og ulemper og imøtekomme de behov som er beskrevet ovenfor. Dette oppnås ifølge oppfinnelsen ved en borkrone som angitt i krav 1 og en fremgangsmåte som angitt i krav 10.

Ved hjelp av foreliggende oppfinnelse blir de ubalansekrefter som eksisterer i en borkrone registrert og målt. Modifikasjoner utføres på borkronen for ikke nødvendigvis å redusere ubalansekreftene, men å dra fordel av disse krefter. Således blir ubalansekreftene målt for en eksisterende borkrone eller en ikke ferdig fremstilt borkrone ved hjelp av et romlig koordinatsystem. Ubalansekreftene løses opp for å danne en enkelt kraftretning, et punkt eller område på borkronelegemet som alltid vil beveges mot borehullets vegg. Ingen skjær plasseres i dette område slik at det dannes en relativt glatt lagersone. Når en således modifisert borkrone roteres, skyver ubalansekreftene lagersonen mot borehullets vegg, men det skapes ingen virvling fordi det i lagersonen ikke befinner seg noen skjær som kan grave seg inn i borehullets vegg og skape virvlingskrefter, dvs. at lagersonen alltid glir langs borehullets vegg.

KORT BESKRIVELSE AV TEGNINGENE

Fig. 1 er et perspektivisk riss av en borkrone ifølge foreliggende oppfinnelse. Fig. 2A, 2B og 2C viser et perspektivisk riss av et parti av en lagersone på en borkrone med forskjellige utførelser av sliteflater på denne. Fig. 3A og 3B viser et riss sett nedenifra av en borkrone og de opptredende krefter ved tidspunktet t (fig. 3A) og tidspunktet t+A (fig. 3B). Fig. 4 er et perspektivisk riss som viser en koordinatmålemaskin bg en borkrone.

Fig. 5 er et riss av en PCD skjæreflate uten slitasje.

Fig. 6 er et riss i likhet med fig. 5 og viser en slitt PCD skjæreflate. Fig. 7 er et grunnriss av borkronen med et bestemt skjær ennå ikke installert. Fig. 8 er et flytskjema som illustrerer den foretrukne måte for implementering av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen. Fig. 9 er et skjematisk diagram av en PCD skjæreflate som viser sidesponvinkelen. Fig. 10 er et skjematisk diagram av en PCD skjæreflate som viser baksponvinkelen. Fig. 11 er et diagram over skjæreflåtene på en borkrone. Fig. 12 er et sideriss av et skjær som biter inn i en fjelloverflate. Fig. 13 er et riss av en PCD skjæreflate langs linjen 14-14 på fig. 12. Fig. 14 er et diagram av et skjær som biter inn i en fj elloverflate. Fig. 15 er et riss av en borkrone sett nedenifra som viser skjær som skal fjernes for å danne en lagersone. Fig. 16 er en grafisk fremstilling av moment og vibrasjon i forhold til tid for en borkrone uten lagersone som borer gjennom Kartago-materiale. Fig. 17 er en grafisk representasjon av moment og vibrasjon i forhold til tid for borkronen på fig. 16 som borer gjennom dolomittmateriale. Fig. 18 er en grafisk representasjon av vibrasjon og moment i forhold til tid for borkronen på fig. 16 som borer gjennom Kartago-materiale ved øket WOB. Fig. 19 viser et sideriss som gir en sammenligning mellom det forventede og reelle mønster i borehullet for en borkrone ifølge fig. 16, men med visse skjær fjernet for å danne en lagersone. Fig. 20 er en grafisk representasjon av moment og vibrasjon i forhold til tid for borkronen på fig. 16 som borer gjennom Kartago-materiale ved høy RPM. Fig. 21 er en grafisk representasjon av moment og vibrasjon i forhold til tid for borkronen på fig. 16 med skjær fjernet for å danne en lagersone, ved boring under de samme forhold som for fig. 20. Fig. 22, 23 og Zer grafisk fremstilte resultater av prøver med borkronen it /lge foreliggende oppfinnelse og en umodifisert bor> rone for å vise forbedringene i penetrasjonshastighet ROP) .

DETALJERT BESKRIVELSE AV DET FORETRUKNE UTFØRELSESEKSEMPEL

Foreliggende oppfinnelse er en ubalansekompensert borkrone og vedrører fremgangsmåter for fremstilling av en slik borkrone fra begynnelsen av eller fra en eksisterende borkrone. Borkronen omfatter et kronelegeme som kan forbindes med en rotasjonskilde og som har i det minste én definert lagersone på et sideparti og i det minste én definert skjæresone. En flerhet kutteelementer eller skjær rager ut fra nevnte minst ene skjæresone og er anordnet rundt et forutbestemt rotasjonssentrum som er adskilt fra kronelegemets geometriske senter. Skjæreelementene bevirker at nevnte minst ene lagersone skyves mot borehullets vegg. Siden lagersonen er relativt glatt, glir den langs borehullets vegg og graver seg ikke inn i denne for å skape skadelig virvelbevegelse.

Fremgangsmåtene for konstruksjon og fremstilling av borkronen ifølge foreliggende oppfinnelse kan kort oppsum-meres som følger. En rekke romlige koordinater som representerer valgte overflatepunkter på borkronelegemet og på skjærene montert på denne, opprettes. Denne rekke benyttes til å beregne posisjonen av hver skjæreflate i forhold til kronelegemets lengdeakse, og et vertikalt referanseplan som inneholder lengdeaksen etableres. Koordinatene som definerer hver skjæreflate roteres om kronelegemets lengdeakse og projiseres på referanseplanet for derved å danne en projisert skjæreflateprofil. Ved fremstilling av borkronen monteres et forutbestemt antall av skjærene på borkronen. En modell av borkronens geometri dannes som beskrevet ovenfor. Deretter beregnes de ubalansekrefter som vil oppstå i borkronen (under definerte boreparametre). Ubalansekraften og modellen benyttes til å beregne posisjonen av ett eller flere ytterligere skjær, som når de monteres på borkronen i de beregnede posisjoner vil bevirke at ubalansekraften rettes mot nevnte i det minste ene definerte lagersone på kronelegemet. Skjærene monteres deretter i beregnet posisjon. Borkronen kan også ha en ubalansekraft som fastslås ved inspeksjon, slik at når skjærene plasseres på borkronelegemet, vil borkronen få den forønskede ubalansekraft. I tilfellet av modifisering av en eksisterende borkrone, blir ett eller flere skjær fjernet fra de beregnede posisjoner for å danne i det minste én lagersone mot hvilken ubalansekrefter er rettet.

Følgende omtale skal deles i tre deler: Selve borkronen, fremgangsmåten for fremstilling av borkronen, og boreprøve-resultater.

BORKRONEEGENS KAPER

Som vist på fig. 1, omfatter en borkrone 10 et hovedsakelig sylindrisk legeme 12 og kan være av Stratapac, PDC, diamantmatrise, rullekonus eller annen lignende type borkronekonstruksjon og -form. I utførelsen vist på fig. 1 omfatter legemet 12 et gjenget tappformet skaft 14 for tilkobling til en rotasjonskilde, såsom en borkronemotor eller en roterende borestreng på velkjent måte. I én utførelse rager en flerhet skjærebladorganer 16 ut fra legemet 12 og innbefatter en flerhet skjæreelementer 18 montert på disse på konvensjonell måte. Bladene 16 og skjærene 18 danner i det minste én skjærsone på kronelegemet 12. På kronelegemet 12 er det anordnet i det minste ett relativt glatt, herdet puteområde 20, som kan rage ut fra kronelegemet 12 og mot hvilket den netto ubalansekraft er rettet. Puteområdet 20 kan som vist på fig. 2A, 2B og 2C innbefatte et slitasjebelegg 22, en flerhet diamantforsynte innsatser 24 eller tynne diamantputer 26. Videre har puteområdet 2 0 fortrinnsvis tilstrekkelig overflateareal til at når puteområdet 20 presses mot borehullets vegg, vil den påførte kraft pr. flateenhet være mye mindre enn trykkstyrken til den omgivende formasjon. Dette foretrukne krav søker å forhindre at puteområdet 20 graver seg inn i og knuser borehullets vegg, noe som ville resultere i uønsket virvelbevegelse.

Puteområdet 20 som danner en lagersone kan være to eller flere puteområder med lik avstand fra sidekreftenes senterlinje. En slik utførelse kunne omfatte to relativt glatte seksjoner som stikker litt ut fra kronelegemet 12 på hver sin side og med lik avstand fra sidekraftens senterlinje. Puteområdet 20 som danner en lagersone kan omfatte skjær av forskjellig størrelse, form, skjærdybde og/eller sponvinkel enn skjærene i skjæresonen. Disse forskjellige skjær vil danne mindre skjærekrefter enn skjærene i skjæresonen, slik at disse forskjellige skjær kan betraktes som relativt glatte i forhold til skjæresonen. En annen alternativ utførelse vil kunne innbefatte én eller flere sylindriske ruller eller lagerkuler som med en rulleflate rager ut fra borkronelegemet 12 for at lagersonen lettere skal kunne rulle langs borehullets vegg.

Lagersonen kan strekke seg over et så stort eller lite område av kronelegemet som ønskelig innenfor de rammebeting-elser at det må være tilstede tilstrekkelig mange skjær og skjærarrangementer i skjæresonen til å oppnå effektiv materialfjerning. Videre kan lagersonen strekke seg henover sidepartiet av kronelegemet og ned i det avrundede frontpar-ti av kronelegemet dersom dette er ønskelig.

Kronelegemet 12 kan innbefatte en skjæresone med mindre diameter, vanligvis betegnet som "pilotseksjon", som strekker seg koaksialt ut fra en skjæresone med større diameter. En eller flere lagersoner eller puteområder 20 kan være plassert på den mindre skjæresone, den større skjæresone eller begge disse soner. Fortrinnsvis befinner puteområdet 20 seg inntil skjæresonen med mindre diameter fordi puteområdet 20 da vil være så nær sentrum av kronelegemet 12 som mulig, noe som kan redusere momentet som søker å

få borkronen til å rulle i skjæresonen og derved virvle.

I funksjon forhindrer puteområdet 2 0 virvelbevegelsen i å starte på følgende måte. På fig. 3A er det vist et borkronelegeme 12 som roterer i et borehull 28. En flerhet skjær 18 som er plassert rundt borkronelegemet 12, danner en ubalansekraft som er rettet mot et område av borkronen hvor skjærene er fjernet og/eller erstattet med en relativt glatt lagersone. Som vist på fig. 3B, er kronelegemet 12 blitt rotert til en ny stilling ved tidspunkt t+A. På grunn av puteområdet 20, foreligger det et sterkt redusert antall eller ingen midler med hvilke borkronelegemet 12 kan bite seg inn i borehullets vegg 28 og derved skape virvelbevegelse, fordi puteområdet 20 glir langs borehullets vegg uten å skape tilstrekkelig kraft til å påvirke rotasjonssenteret av borkronen. Bemerk at de resulterende kraftpiler oppstår i samme punkt, dvs. rotasjonssenteret, og ikke det geometriske senter av borkronen. Borkronens rotasjonssentrum befinner seg således mellom sentrum av borehullet og lagersonen.

Bruken av puteområdet 20 har den fordel at det er relativt ufølsomt for borkroneslitasje, inhomogeniteter i formasjonen og funksjonsbetingelsene. Ubalansekraften som skapes av skjærene, endrer seg med slitasje, formasjon og funksjonsbe-tingelser, men retningen av ubalansekraften endrer seg ikke i særlig grad. Således kan denne type arrangement benyttes til å forhindre borkronevirvling for nesten alle borkroneut-formninger.

Borkronen kan konstrueres slik at den har større masse på den side som befinner seg inntil puten 20, slik at sentrifugalkreftene skyver mot puten 20 selv når borkronen roterer om sin sentralakse. En annen fordel er at dersom borkronen borer et overkalibrert hull (et hull med større diameter enn ytterdiameteren av selve borkronen), vil sentrifugalkraften som skapes av den roterende ubalanserte masse virke som en stabiliseringskraft. Eventuelle forstyrrelser, såsom inhomogeniteter i formasjonen, som vil søke å motvirke ubalansekraften som holder puteområdet 20 mot borehullets vegg, vil motstås av sentrifugalkraften som skapes under den normale boreoperasjon.

FREMGANGSMÅTE FOR FREMSTILLING AV BORKRONEN

Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen benytter en geometrisk modell av skjæreflåtene på en borkrone for å beregne de krefter som virker på hver av skjæreflåtene. I ett aspekt av oppfinnelsen benyttes en modell til å bygge en borkrone. Herunder installeres størsteparten av skjærene på borkronen, en geometrisk modell av borkronen dannes, og kreftene som virker på hvert av skjærene for gitte borebetingelser beregnes. Deretter beregnes de nøyaktige posisjoner for de gjenværende skjær slik at de beregnede posisjoner mini-maliserer den radiale komponent av de krefter som virker på skjærene. De gjenværende skjær installeres så i de beregnede posisjoner.

Det skal så vises til fig. 4, hvor det med 64 er betegnet en kommersielt tilgjengelig koordinatmålemaskin som er plassert inntil en borkrone 40. Koordinatmålemaskinen innbefatter en peker 66, som er fast montert på en glidbar arm 68. Den nedre ende av pekeren 66 er utformet som et punkt som er fast i forhold til armen 68.

Armen 68 er montert på en sideveis glidbar ramme 7<0. Rammen 70 innbefatter parallelle stenger 71, 73, langs hvis akse rammen 70 kan gli. En måler 72 angir den laterale stilling av rammen 70 i forhold til en opprettstående sokkel 74.

Rammen 70 er også vertikalt bevegelig langs parallelle stenger 76, 78, idet høyden av rammen angis av en måler 80.

Parallelle stenger 82, 84 er montert på et nedre fast sokkelparti 86. Stengene 82, 84 bærer den opprettstående sokkel 74 for glidende bevegelse langs aksen av stengene 82, 84. En måler (ikke synlig) angir den relative stilling av sokkelen 74 på stengene 82, 84. Stengene 82, 84 er orientert i rommet vinkelrett på stengene 76, 78 og stengene 71, 73. Likeledes er stengene 76, 78 og stengene 71, 7 3 hver vinkelrett på hver av de andre to sett stenger.

Avlesningene på målerne angir de relative posisjoner av stengene som benyttes til å definere et punkt i rommet som opptas av den spisse ende av pekeren 66. Posisjonen av spissen av pekeren kan således refereres til et tredimensjonalt koordinatsystem definert ved X-, Y- og Z-akser, idet hver måler representerer en relativ posisjon langs én av aksene. En digital måler 88 gir en avlesning av koordinatene X, Y og Z for spissen av pekeren 66 og overfører også slike koordinater til hukommelsen av en kommersielt tilgjengelig datamaskin (ikke vist) på operatørens kommando.

Borkronen 40 er montert på et roterende dreiebord 90, hvis vinkelposisjon kontrolleres ved hjelp av et håndtak 92. En vinkelskala, som ikke er synlig, viser vinkelposisjonen av dreiebordet og således borkronen 40 som bæres av dette med sin akse innrettet med dreiebordets akse.

I foreliggende utførelse av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen posisjoneres pekeren 66 mot flere punkter på overflaten av borkronen, og koordinatene for hvert enkelt punkt lagres i datamaskinen. Ut fra disse data konstrueres det en datamaskinmodell av borkronen. Når disse målinger tas, utføres et første sett målinger rundt siden av borkronen, slik at datamaskinen har data hvorav borkronens lengdeakse kan bestemmes. Et andre sett målinger utføres på periferien av hver skjæreflate. Ved utførelse av disse målinger blir vinkelposisjonen av dreiebordet 90 registrert og assosieres med de tre verdier som registreres ved hjelp av målemaskinen 64 for alle målinger som tas for denne bestemte vinkel av dreiebordet. Dette gjør det mulig å foreta alle målinger stort sett perpendikulært på hvert målepunkt og øke nøyaktigheten av målingene.

v

Etter at borkronen er rotert 3 60° og flere punkter er målt langs omkretsen av denne og registrert, blir hver skjæreflate på skjærerne målt.

For en beskrivelse av den måte som disse målinger utføres på, skal det vises til fig. 5 og 6. Hver skjæreflate innbefatter en vertikal akse 94, som er hovedsakelig parallell med skjæreflaten og strekker seg fra det øverste parti av denne til det nederste parti. Den innbefatter også en horisontal akse 96, som strekker seg mellom det venstre og høyre parti av skjæreflaten og er parallell med denne. Ved utførelse av målingene med koordinatmålemaskinen blir spissen av pekeren 66 på fig. 4 først plassert ved skjæringen mellom aksen 94 og omkretsen av skjæreflaten 62, idet denne skjæring danner det første målepunkt 98. Et andre målepunkt 100 er plassert ved skjæringen mellom aksen 94 og den nedre kant av skjæreflaten 62. Et tredje målepunkt 102 befinner seg på venstre side og dannes av skjæringen mellom aksen 96 og den ytre periferi av skjæreflaten 62, mens et fjerde målepunkt 104 befinner seg på høyre side ved

skjæringen mellom aksen 96 og periferien av skjæreflaten 62.

Tallene og pilene vist i det sentrale parti av skjæreflaten 62 på fig. 5 og 6 angir rekkefølgen som benyttes til å ta de fire første målinger på hver skjæreflate på borkronen: langs skjæreflatens vertikalakse først og deretter langs skjæreflatens horisontalakse. Når spissen av pekeren 66 er plassert i det første punkt 98, overføres koordinatene og vinkelposisjonen av dreiebordet til datamaskinen, og det samme gjøres for hvert av de andre fire målepunkter.

Fig. 6 er et riss av skjæreflaten 62 etter at borkronen er benyttet til å bore et hull og innbefatter således en

slitasjeflate 105 på sin ene side oppstått ved at skjæret er blitt tvunget mot bergformasjonen under boringen. Når slike uregelmessigheter opptrer på periferien av skjæreflaten som vist på fig. 6, tas et femte og sjette målepunkt 106, hhv.

108 for fullstendig å definere periferien av skjæreflaten.

Når hver måling tilføres datamaskinen, gis den et nummer som angir rekkefølgen målingen ble tatt i. På fig. 5 er målepunktene 98, 100, 102 og 104 nummerert hhv. 1, 2, 3 og 4, og på fig. 6 er målepunktene 106 og 108 gitt nummerne 5, hhv. 6. Hver skjæreflate måles i en bestemt vinkel av dreiebordet, som også registreres. I tillegg til det foregående registreres en verdi for å angi den generelle form av skjæreflatens kant mellom tilstøtende målinger. Dersom formen er hovedsakelig en rett linje, registreres et null, og dersom formen er en hovedsakelig sirkulær bue, registreres et ettall. Således tilføres datamaskinens hukommelse et tall som angir den generelle form mellom de påfølgende målepunkter på fig. 5.

På fig. 6 blir en nummerverdi på én registrert mellom første og fjerde måling, mellom fjerde og andre måling, mellom andre og tredje måling, mellom tredje og femte måling og mellom sjette og første måling, mens et null registreres mellom femte og sjette måling for å angi den hovedesakelig rettlinjede kant som dannes av det slitte parti 105. Således definerer hvert av de registrerte målepunkter periferien av en skjæreflate som har en fast vinkelorienter-ing i forhold til borkronens lengdeakse. Dertil blir forbindelsesmåten mellom påfølgende punkter lagret i datamaskinens hukommelse. Forbindelsesmåten er ganske enkelt en indikasjon på formen av skjæreflatens periferi mellom tilstøtende målinger. Slik det vil fremgå tydeligere i det følgende, benyttes forbindelsesmåten mellom påfølgende målinger til å interpolere ytterligere koordinater ved bruk av sirkulær interpolasjon når forbindelsesmåten er lik én, og lineær interpolasjon når forbindelsesmåten er null.

Det skal så vises til fig. 7, hvor det er vist en borkrone 40 på et punkt i fremstillingsprosessen. Det vil ses at skjærene alle er montert på borkronelegemet 41 bortsett fra skjæret 8. En boring 114 er utformet i legemet 41 for å oppta tappen på skjæret 8. Hvert av de andre skjær har sin tapp presspasningsmontert i en tilhørende boring i borkronelegemet. Før montering av skjæret 8 på borkronelegemet, blir dimensjonene av borkronelegemet langs omkretsen av dette og skjæreflåtene på hvert av skjærene installert på borkronelegemet registrert og innført i en datamaskins hukommelse som tidligere beskrevet. Datamaskinen har således data som vedrører omkretsen av borkronelegemet (fra hvilke borkronens akse 42 kan bestemmes) og posisjonen av hver skjæreflate (bortsett naturligvis fra skjæret 8, som ennå ikke er installert) i rommet i forhold til borkronens akse.

Det skal så vises til fig. 8, som er et flytskjema for et datamaskinprogram for bruk i forbindelse med fremstilling av en borkrone. Selv om flytskjemaet som helhet vedrører fremstilling av borkronen, vedrører en betydelig del av datamaskinprogrammet kun generering av en modell av en borkrone. Slik det vil fremgå tydeligere i det følgende, begynner den del av programmet som vedrører modellering av borkronen ved boks 110 med trinnet "Lokaliser borkronens sentrum" og slutter med boks 112, "Skriv: Målte og interpolerte koordinater i to-dimensjonal rekke".

For å starte programmet, tilveiebringes det data om styrken av berget som borkronen skal benyttes i, borkronens rotasjonshastighet og penetrasjonshastigheten, dvs. hastigheten hullet bores med. Borkronelegemets koordinater (de som ble tatt langs omkretsen av borkronelegemet) blir også lest fra datamaskinens hukommelse.

Deretter benyttes borkronelegemets koordinater til å lokalisere aksen 42 ved hjelp av minste kvadrats regresjon. Et underprogram som kan utføre dette kan skrives av en person med vanlige kunnskaper på området.

Som det vil erindres, er hver av de tre koordinater for hvert punkt målt på borkronelegemet relatert til koordinatmålemaskinen istedenfor borkronelegemets lengdeakse. Etter at borkronelegemets lengdeakse er lokalisert i koordinatsystemet som målingene ble tatt i, kan koordinatsystemet oversettes slik at den vertikale Z-akse innrettes med borkronens sentrum. Deretter blir datafilen for et bestemt skjærnummer og den tilhørende rotasjonsvinkel lest fra datamaskinens hukommelse. I neste omgang blir hvert målingsnummer, f.eks. ett i en serie påfølgende nummer som identifiserer rekkefølgen målingene ble tatt i, lest sammen med koordinatene til angjeldende målingsnummer. Deretter blir forbindelsesmåten mellom tilstøtende målinger lest, hvilken forbindelsesmåte som nevnt definerer den generelle form mellom tilstøtende målinger, enten en rett linje eller en generelt sirkulær bue.

Derpå blir sidesponvinkelen for hver skjæreflate beregnet. Sidesponvinkelen defineres i forhold til et vertikalt referanseplan som inneholder aksene 44, 46. Planet strekker seg gjennom sentrum av borkronelegemet og deler det i like halvdeler. Koordinatene som definerer den horisontale skjæreflateakse for et bestemt skjær, såsom målepunktene 102, 104 på fig. 5, roteres om omkretsen av borkronesenteret langs banen koordinatene ville bevege seg under borkronens virkelige rotasjon. Når senterpunktet av skjæreflaten skjærer det vertikale referanseplan, definerer vinkelen mellom aksen 96, som er horisontalaksen, og det vertikale referanseplan sidesponvinkelen. Det vil ses at koordinatene lokalisert i senterpunktet av hver skjæreflate lett kan beregnes da dette defineres av skjæringen mellom aksene 94, 96, hvis posisjon er kjent.

På lignende måte defineres baksponvinkelen som vinkelen mellom referanseplanet 116 og vertikalaksen 94 etter at koordinatene som definerer horisontal- og vertikalaksene er rotert inntil deres skjæring skjærer referanseplanet. Med andre ord, for beregning både av sidesponvinkelen og baksponvinkelen blir koordinatene som definerer skjæreflaten først rotert inntil skjæringen mellom aksene 94, 96 opptas i det vertikale referanseplan. Deretter måles vinklene mellom horisontalaksen 96 og referanseplanet (sidesponvinkel) og mellom vertikalaksen 94 og referanseplanet (baksponvinkel). Det vil forstås at et underprogram som kan rotere koordinatene og måle vinklene som beskrevet ovenfor lett kan skrives av en person med vanlige kunnskaper på området.

Eksempelvis er rig. 9 et grunnriss av borkronelegemet og viser et vertik-: it referanseplan 116 som inneholder aksene 42, 46. En skj.' ~eflate 62, som er representativ for én av skjæreflåtene p: borkronen 40, er blitt rotert inntil dens sentrum skjærer flanet 116 som vist. Det vil ses at da flaten 62 er pai :.llell med lengdeaksen 42 av borkronelegemet, er det null ..rader baksponvinkel. Således er vinkelen vist på fig. 9 u ;.desponvinkelen.

Fig. 10 er et r\ *s av en skjæreflate fra siden av borkronen. Skjæref laten 62 ~. t blitt rotert inntil dens sentrum skjærer planet 116. Fl.- ;,sn 62 på fig. 10 har null grader sidesponvinkel siden fi. -en er parallell med aksen 42, og den viste vinkel er derfo: baksponvinkelen.

Det vil forstås? -:t i de fleste tilfeller har skjæref låtene både litt baksr- -vinkel og litt sidesponvinkel. Rissene på fig. 9 og 10 t;; .er således det formål å illustrere hvorledes baksp..vinkelen og sidesponvinkelen måles.

Det skal på nyt., vises til fig. 8. Etter beregning av sidesponvinkeler og baksponvinkelen for en bestemt skjæreflate, velger p:. grammet et målepunkt på omkretsen av skjæreflaten og ndersøker forbindelsesmåten mellom dette punkt og det nei. a målepunkt i retning med urviserne. Dersom forbinde.', ssmåten er null, utføres en lineær interpolasjon mt lom de tilstøtende koordinater for å etablere en rekl koordinater langs en rett linje mellom de tilstøtende mål;, unkter. Programmet fortsetter til neste målepunkt i retr...ng med urviserne, undersøker forbindelsesmåten mellom de tilstøtende eller påfølgende punkter, og dersom denne er lik én, danner den en rekke koordinater ved sirkulær interpolasjon mellom de tilstøtende punkter. Programmet fortsetter med urviserne langs skjæreflaten inntil flere koordinater er dannet ved interpolasjon mellom tilstøtende målepunkter som definerer periferien av skjæreflaten. En sløyfe 118 fortsetter inntil koordinatene er blitt interpolert mellom alle målepunkter, for derved å definere skjæreflatens periferi. Deretter projiserer programmet både de målte og interpolerte koordinater på referanseplanet 116. Således kan hver koordinat i den projiserte skjæreflateprofil betegnes med to tall, og de målte og interpolerte koordinater som definerer periferien av skjæreflaten lagres i en todimensjonal rekke. Som eksempel skal det vises til fig. 11, som er en plan av hver av skjæreflåtene på borkronen 40 på fig. 7 projisert på referanseplanet 116. Med vertikalaksen tilsvarende borkronelegemets akse 42, kan hver koordinat i periferien av skjæreflateprofilen angis med en avstand langs en radial akse og en avstand over den radiale akse. På den horisontale akse er f.eks. null ved sentrum av borkronelegemet, og 108 mm er ved periferien av borkronelegemet da borkronen 40 i dette eksempel er en 216 mm borkrone.

Profilen på fig. 11 innbefatter en øvre profil, betegnet med "alle skjær", som er slik skjæreflåtene opptrer projisert på referanseplanet. For klarere å identifisere skjæreflåtene i hver av de tre spiraler, er en projeksjon på referanseplanet for hver spiral vist nedenfor projeksjonen av alle skjærene. Det kan ses i spiral nummer 1 at det ikke er noen profil for skjæret 8, nemlig fordi dette ennå ikke er installert.

Det skal på nytt henvises til flytskjemaet på fig. 8. Etter at skjæreflåtene i skjærene 1-7 og 9-36 er angitt i en to-dimensjonal rekke som beskrevet ovenfor, fortsetter programmet til boks 119 og beregner de krefter som virker på hvert skjær. Det skal nå vises til fig. 12 og 13. Generelt sett kan kreftene som virker på et enkelt av skjærene på borkronen defineres som en normal eller penetrerende kraft, som er betegnet Fn på fig. 12 og 13, og en skjærekraft betegnet med Fc på fig. 12. Normalkraften er kraften som er nødvendig for at skjæret skal trenge inn i berget og er gitt ved formelen:

I ovennevnte formel er alfa skjærets vinkel i forhold til X-aksen på fig. 7, som tjener som en tilfeldig referanseakse som er parallell med aksen 46 og, i likhet med aksen 46, inneholdes i planet 116. EBR er den effektive baksponvinkel, som er en funksjon av den virkelige baksponvinkel og den virkelige sidesponvinkel, som begge har vært omtalt tidligere, og er den vinkel som Fn virker med.

Det skal så vises til fig. 14, som skjematisk viser skjæreflaten 62 trengt inn i en bergformasjon 120. Selv om det ikke er vist på fig. 14, vil de fleste av de øvrige skjæreflater på borkronelegemet i større eller mindre grad ha trengt inn i formasjonen 120. Den effektive baksponvinkel (EBR) kan betraktes som vinkelen mellom skjæreflaten 62 på skjæret og et skjæreplan 122. Skjæreplanet 122 er parallelt med en akse som dannes mellom punktene 124 og 126 på skjæreflaten og er vinkelrett på Fn. Punktene 124 og 126 er de punkter hvor overflaten av formasjonen 120 skjærer skjæreflaten 62. Med andre ord, det skraverte område på flaten 62 definerer tverrsnittet av det kutt i formasjonen 120 som gjøres av skjæreflaten 62.

Planet 122 er ytterligere definert ved at en vinkelrett akse 128 på planet 122 passerer gjennom lengdeaksen av hullet som

bores. Dersom borkronen ikke slingrer under boringen, vil hullets lengdeakse og borets lengdeakse naturligvis falle

sammen.

Den effektive baksponvinkel er altså vinkelen mellom skjæreflaten 62 og skjæreplanet 122 slik det er vist på fig. 14. Den effektive baksponvinkel kan beregnes når reell sidesponvinkel og baksponvinkel er kjent, og det vil erindres at disse ble beregnet av programmet når skjæreplan-ets 122 stilling er kjent. Stillingen av skjæreplanet 122 er avhengig av kuttets dybde, som i sin tur er avhengig av penetrasjonshastigheten og borkronens rotasjonshastighet. Det vil erindres at disse verdier tilføres programmet som forutbestemte parametre som er indikative av borebetingel-sene for borkronens bruk.

Bf er borkronefaktoren, en variabel som ligger i området mellom omtrent 0,75 og omtrent 1,22 og som i foreliggende utførelse av oppfinnelsen er valgt for å ta hensyn til små forskjeller mellom simuleringene på datamaskinmodellen for borkroneslitasje for en gitt borkrone, og reell borkroneslitasje som i virkeligheten opptrer. Borkronefaktoren Bf tar hensyn til uforklarlige effekter for en bestemt borkrone. Dersom denne faktor er større enn 1,0, angir dette at borkronen borer langsommere enn forventet, og en verdi mindre enn 1,0 angir at borkronen borer raskere enn forventet. En vanlig fagmann på området kan empirisk bestemme verdien av Bf for en bestemt borkrone.

Bredden av kuttet som skjæret utfører er betegnet dw. I foreliggende utførelseseksempel på oppfinnelsen danner datamaskinmodellen et gitter av parallelle vertikale linjer over hver skjæreflate, og dw er lik bredden mellom påfølg-ende linjer. Ligningen beregnes så for hvert gitter for å gi den totale kraft for skjæret.

Den effektive dybde av kuttet er betegnet med dce, og C^ er en dimensjonsløs konstant, som i foreliggende utførelse av oppfinnelsen er lik 1.100. Den måte C-j bestemmes på skal beskr ives i det følgende, og d^g kan variere litt fra den virkelige dybde av kuttet. Måten som verdien av dce velges på vil være kjent av den vanlige fagmann.

Når det gjelder det andre ledd i ligningen for F, er Aw slitasjeflatearealet, RS er igjen en konstant avhengig av styrken av bergformasjonen, og C2 er en konstant lik 2.150.

Det første ledd i ligningen for Fn er lik størrelsen av den nedadrettede kraft som er nødvendig for å forhindre at skjæreflaten glir opp og ut av kuttet for en valgt kuttdybde og -bredde. Det andre ledd av ligningen for Fn innbefatter en faktor for et sløvt skjær som har et slitasjeflateareal Aw. Denne del av normalkraften er nødvendig for å kompri-mere berget under et sløvt skjær for at det skal kunne trenge inn i berget. C-] og C2 kan bestemmes empirisk ved først å benytte en ny borkrone slik at Aw blir lik null og derfor får det andre ledd til å bli lik null. En kjent normalkraft kan så utøves, og med hver av de andre faktorene kjent kan C-\ bestemmes. Deretter blir verdien for C-| , som er 1.100 i foreliggende tilfelle, innsatt i ligningen, og borkronen benyttes inntil det opptrer slitasjeflater. Deretter blir slitasjeflatearealet målt og innsatt i ligningen, som så løses for C2, som i foreliggende tilfelle er lik 2.150.

Periferiskjærekraften Fc på fig. 12 er nødvendig for å fremføre skjæret langs kuttet etter at den normale kraft har trykket skjæret inn i formasjonen. En pil som angir retningen av Fc er også vist på fig. 7. Periferiskjærekraften er avhengig av glidende friksjon mellom skjæret og berget og kraften som er nødvendig for å bryte berget i stykker. Følgende ligning kan benyttes for å beregne periferiskjærekraften:

Det første ledd i periferiskjærekraftligningen er skjære-kraften, dvs. den kraft som er nødvendig for å bryte berget i stykker, og det andre ledd er den ikke-produktive friksjon mot et skjærs slitasjeflate. Variablene i ligningen er som beskrevet ovenfor, og i tillegg er dw den midlere dybde av kuttet. I foreliggende utførelseseksempel er de dimensjons-

løse konstanter C3 og C4 lik hhv. 3.000 og 0,3.

C3 og C4 kan bestemmes empirisk ved å bore med to kjente periferikrefter virkende på borkronen og innsette alle kjente variabler i periferiskjærekraftligningen for hver verdi av periferikraften og løse begge ligninger for C3 og C4.

I foreliggende eksempel, dvs. med borkronen 40 på fig. 7, beregnes verdien av periferikraften og normalkraften som vist på fig. 12 for hvert skjær. Som nevnt ovenfor, er kuttdybden en funksjon av penetrasjonshastigheten og borkronens rotasjonshastighet, som begge tilføres datamaskinen som forutbestemte verdier. Da skjærene på borkronen kan skjære i en flate som er skrådd i forhold til vertikalen med en vinkel beta, som vist på fig. 14, kan normalkraften oppløses i en vertikal og en radial komponent, og periferikraften kan dekomponeres i radiale komponenter og et moment om borkronens sentrum. De radiale komponenter av normalkraften, betegnet som Fr på fig. 14, er lik Fn • sin(P).

Komponentene av normalkraften og periferikraften som virker på borkronen i planet normalt på borkronens rotasjonsakse, kan oppløses i en enkelt kraft som virker i borkronens sentrum og et enkelt par som begge ligger i normalplanet. Paret er dreiemomentet som kreves for å rotere borkronen, og kraften er ubalansekraften, dvs. den kraft som søker å skyve borkronen mot borehullets side.

Det er nyttig ved beregning av størrelsen og retningen av ubalansekraften å oppløse skjærekreftene i komponenter langs X- og Y-retningene som vist på fig. 7. Som nevnt, er disse akser valgt vilkårlig, men er faste i forhold til enhver spesiell identifiserende detalj på borkronen. Den vertikale penetrasjonskraft Fv har ingen komponent i disse retninger. Den radiale penetrasjonskraft Fr av normalkraften Fn kan oppløses i komponenter langs X- og Y-aksene ved hjelp av følgende ligninger:

Da periferikraften virker i rett vinkel med radialkraften for hvert skjær, kan den oppløses i komponenter i X- og Y-retningene ved hjelp av følgende ligninger:

Det vil forstås at ved hvert skjær er det ingen radial komponent av Fc. Når verdien av Fc ved hvert skjær løses i komponenter langs X- og Y-aksene på fig. 7 og disse vektorer summeres, kan det imidlertid være en total radial komponent av periferikraften. De totale X- og Y-komponenter av ubalansekraften oppnås deretter ved å summere komponentene fra de enkelte skjær som følger:

Etter summeringen gis størrelsen av den radiale ubalanse-kraf t av:

Det skal på nytt henvises til flytskjemaet på fig. 8. Det vil ses at det trinn som er angitt i boksen 130 utføres ved å oppløse skjærekreftene i et plan vinkelrett på borkronens akse i en enkel ubalansekraft som beskrevet ovenfor. På lignende måte kan et moment som søker å bikke borkronen i et plan parallelt med sentralaksen beregnes.

Det siste trinn i flytskjemaet er betegnet som "Beregn skjærenes posisjon". I foreliggende eksempel er det kun ett skjær, nemlig skjæret 8, som det gjenstår å montere på borkronelegemet. En iterativ prosess kan benyttes til å beregne posisjonen av skjæret 8 slik at ubalansekraften rettes mot lagersonen. Først vil det ses at skjæret kan posisjoneres radialt om skjærtappens lengdeakse i boringen 114, og videre skjæret installeres i dybder som varierer fra fullstendig innsatt, dvs. med tappen hvilende mot den nedre ende av boringen 114, til en eller annen stilling over dette. I utgangspunktet tilordnes skjæret 8 en tilfeldig baksponvinkel, sidesponvinkel og vertikal stilling av skjæreflaten innenfor forutvalgte områder, og programmet som lager en modell av borkronen og beregner skjærekreftene kjøres på nytt med skjæret 8 i den valgte posisjon. Programmet kjøres gjentatte ganger med flaten av skjæret 8 plassert i nye stillinger i en retning som søker å øke og

rette ubalansekraften i riktig retning. Programmet gir til slutt et sett koordinater som identifiserer en posisjon for skjærets 8 skjæreflate. Deretter installeres skjæret 8 slik at dets skjæreflate kommer i den beregnede posisjon.

Følgende Tabell I angir resultatet etter plassering av skjæret 8. De beregnede verdier innbefatter volumet av kuttet (volumet fjernet pr. omdreining) og hastigheten av hvert skjær. Den gitte rotasjonshastighet og penetrasjonshastighet er vist under tabellen. Slitasjeflatearealet er beregnet på kjent måte for 5,0 timers boring. Prosent ubalanse er ubalansekraften uttrykt som en prosent av vekten på borkronen (WOB), som er totalen av Fvt for hvert skjær.

Bemerk at ligningene er endret til vektorstørrelser.

hvor:

Rs = resultantkraftvektoren mot puten

F^ = skjærekraftvektoren pa blad i

Fn = aksialkraftvektor på blad i

B = skjæreflatens helning

n = antall blader

Ved bruk av et eksempel på en borkroneprofil som vist i vedføyede tegning ble Osmans kraftligninger og søkerens viste kraftligninger benyttet til å konstruere to borkroner. Som vist i vedføyede datamaskinutskrifter, benytter Osman kun to kraftkomponenter, mens søkeren benytter fire krairtkomponenter, noe som gir borkroner med lagersoner plassert omtrent 180° fra hverandre.

Det vil forstås at fremgangsmåten ikke er begrenset til ganske enkelt å posisjonere et skjær i en forboret boring. Programmet kan benyttes til å velge posisjonen av boringene i borkronelegemet for ett eller flere skjær etter at et forutbestemt antall skjær er installert og programmet er kjørt for å bestemme ubalansekraften. En iterativ prosess i likhet med den som er beskrevet ovenfor, kan benyttes til å plassere to eller flere gjenværende skjær, enten i forborede boringer som i angjeldende eksempel, eller programmet kan benyttes til å bestemme posisjonen av boringer som skal bores for disse.

Videre er programmet ikke nødvendigvis begrenset til skjær av den type som har tapper som strekker seg fra disse og opptas i boringer i borkronelegemet. Samme program kan benyttes til å posisjonere skjær som er direkte festet til borkronelegemet ved lodding eller andre kjente teknikker.

Det vil ses at programmet tillater fremstilling av borkronen med det opprinnelige sett skjær installert med relativt store fremstillingstoleranser hva gjelder plasseringen av skjærflatene. Når posisjonen av det eller de balanserende skjær er bestemt, noe som innretter ubalansekraften på rikti-3 måte, kan det deretter tas nøyaktige forholdsregler ved 5 :>sisjonering av de siste skjær for at det forønskede resultat skal kunne oppnås. Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen gjør det således mulig å installere de aller fleste skjærene med relativt store toleranser, for således å spare tid og penger i fremstillingsprosessen. Dertil beregner programmet en lokalisering for det eller de siste skjær som på nøyaktig måte innretter ubalansekraften i den således fremstilte borkrone. Den gjennomsnittlige kvalitet av borkroner fremstilt på denne måte er derfor øket i betydelig grad i forhold til gjennomsnittlig kvalitet av borkroner fremstilt ved tidligere kjente metoder.

Videre kan foreliggende oppfinnelse lett brukes til å modifisere en eksisterende borkrone slik at den kommer til å innbefatte en passende lagersone med riktig plassering. Denne modifikasjon kan oppnås ved å bestemme retningen av ubalansekraften som beskrevet ovenfor og deretter eliminere skjær på et område som ubalansekraften er rettet mot. De fjernede skjær kan erstattes med en oppbygget pute, en flerhet tapper eller puter. Et antall slike gjentatte eller iterative trinn kan måtte tas for å sikre at størrelsen av ubalansekraften er akseptabel og rettet mot riktig sted. Slike iterative trinn kan innbefatte erstatning, fjerning og reposisjonering av skjær for å gi det forønskede resultat.

BORETESTRESULTATER

En kommersielt tilgjengelig PDC-borkrone ble valgt fordi den har en meget ubalansert konstruksjon og borer dårlig. For å sikre at denne dårlige ytelse var representativ, ble tre forskjellige borkroner av samme fabrikat, modell og størrelse testet, og alle oppførte seg likt. Den primære årsak til den dårlige ytelse skyldes borkronevirvling, som får borkronen til å bore et urundt hull, nærmere bestemt et hull med utragende partier. For å teste foreliggende oppfinnelse, ble én av de valgte PDC-borkroner modifisert slik at den kom til å innbefatte en lagersone med lav friksjon. Dette resulterte i en borkrone som passet til å teste lavfriksjonskaliberkonseptet, men som ikke var en

optimalisert konstruksjon.

Fig. 15 viser borkronens skjærmønster og den beregnede retning av den ca. 93,4 kN store ubalansekraft. Størrelsen og retningen av denne ubalansekraft ble beregnet ved hjelp av det ovenfor beskrevne simuleringsprogram for PDC-borkronen. For å definere lagersonen, ble skjær fjernet som vist på siden av borkronen for å gi en relativt glatt glideflate istedenfor en skjæreflate. Selv om lagersonen sies å ha lav friksjon, vil den spesielle geometri av denne borkrone likevel gi ganske høy friksjon.

Det vil være nyttig å betrakte ytelsen av PDC-borkronen før skjærene ble fjernet for å kunne vurdere fordelen av fjerning av skjærene. Mønsteret ved bunnen av hullet viste virvling. Fig. 16 og 17 viser typiske diagrammer av vibrasjonene som opptrådde med borkronen ved 120 RPM og boring gjennom Kartago-materiale og dolomitt. Fig. 18 viser også at PDC-borkronen virvlet ved 80 kN WOB og 120 RPM.

Etter fjerning av bestemte skjær for å danne en lagersone plassert hvor ubalansekreftene var rettet, ble borkronen kjørt på nytt i Kartago-materiale og dolomitt ved betingelser som var identiske med foregående tester før fjerning av skjærene. Mønstrene i bunnen av hullet for prøvene i Kartago-materiale og dolomitt ble svært jevne. Kartago-hullet var helt i kaliber, og dolomitt-hullet var kun 1,6 mm over kaliber. Fig. 19 viser en sammenligning av hullbunn-mønstrene forutsagt av datamaskinprogrammet beskrevet i det foregående og det som ble målt ved Kartago-testen. Den meget gode overensstemmelse mellom beregningene og de reelle funn angir at borkronen var belastet som forutsagt av modellen og skulle gi meget lang slitasjelevetid.

Den samme PDC borkrone ble testet på en turbindrivanordning ved høye rotasjonshastigheter før skjærene ble fjernet. Bunnhullmønsteret i Kartago-materiale viste meget tydelige virvelmønstre, og fig. 20 viser vibrasjonsdata som ble registrert under disse prøver. Fig. 21 viser sterkt reduserte vibrasjonsdata for borkronen etter fjerning av skjærene. Videre var borehullet kun 3,2 mm over kaliber,

og det var absolutt ingen antydning av virvelmønstre.

Bergmel ble pløyet opp av avrundede karbidslitasjeknapper plassert der hvor skjærene var fjernet på "lavfriksjonsfla-ten" . Mere mel samlet seg under dolomitt-testen (bløtere fjell) enn under Kartago-testen. Det faktum at bergmel bare kunne ses på knappene på det område hvor skjærene var fjernet, er en ytterligere indikasjon på at det riktige sted var valgt på borkronen for fjerning av skjærene for å gi en lavfriksjons lagersone.

Penetrasjonshastigheter ROP oppnådd med PDC borkronen før og etter fjerning av skjærene er ikke lett å kvantifisere fordi normale kapasitetstester kunne ikke kjøres med borkronen i sin opprinnelige tilstand på grunn av høye vibrasjoner. Fig. 22 viser en sammenligning mellom borkronen i dolomitt ved 120 RPM før og etter at den lavfriksjons lagersone ble dannet. Penetrasjonshastigheten er omtrent den samme for begge tilstander, men under de første tester (uten fjernede skjær) ble 23 av ialt 42 skjær skadet ved at det ble slått skall av dem. Disse skadede skjær kan ha resultert i redusert ROP i påfølgende tester. Fig. 23 viser to tester i Kartago-materiale som antyder at ROP kan ha vært litt høyere før den lavfriksjons lagersone ble dannet, men de opprinnelige tester ble utført før skjærene ble skadet i dolomit-ten. Ved disse tester har den lavfriksjons lagersone ikke gitt særlig forbedret penetrasjonshastighet, men den har definitivt ikke skadet penetrasjonshastigheten. Fig. 24 viser en sammenligning mellom penetrasjonshastigheten oppnådd ved 1050 RPM med borkronen etter at den lavfriksjons lagersone ble utformet og ytelsen ved 60 RPM før den ble utformet. Opprinnelig ble rotasjonshastigheten begrenset til 60 RPM på grunn av høye vibrasjoner, men etter at borkronen ble modifisert, kunne man lett kjøre 1050 RPM. I realiteten var vibrasjonene lavere ved 1050 RPM enn de hadde vært ved 60 RPM før borkronen ble modifisert. Den kombinasjon av høy ROP og lave vibrasjoner som ble oppnådd med en grovt modifisert borkrone demonstrerer potensialet til det foreliggende konsept som et middel til å tilveiebringe en meget akseptabel høyhastighets borkrone som ikke oppviser noen destruktiv virvling.

Selv om foreliggende oppfinnelse er blitt beskrevet i forbindelse med de vedføyede tegninger, vil det forstås at andre og ytterligere modifikasjoner, i tillegg til de som er vist eller foreslått i det foregående, kan utføres innenfor rammen av foreliggende oppfinnelse.

Claims (19)

1. Borkrone for boring i grunnen for å danne et borehull som har en borehullsvegg, hvilken borkrone (10) omfatter et borkronelegeme (12) som har et skaftparti (14) anordnet rundt en langsgående borkroneakse (42) for tilkobling til en rotasjonsdrivkilde, et rand- eller kaliberparti som er anordnet rundt den langsgående borkroneakse og strekker seg nedad fra skaftpartiet, og et endeparti som er anordnet rundt den langsgående borkroneakse og strekker seg nedad fra kaliberpartiet, idet en flerhet skjæreelementer (18) er fast anordnet på og rager frem fra endepartiet og kaliberpartiet og er anordnet i avstand fra hverandre, hvor hvert skjæreelement er anbragt for å rotere i et plan som er hovedsakelig perpendikulært på den langsgående borkroneakse, karakterisert ved at skjæreelementene (18) er plassert slik at de danner en netto radial ubalansekraft under boringen langs en netto radial ubalansekraftvektor som forløper hovedsakelig perpendikulært på den langsgående borkroneakse (42), at et hovedsakelig kontinuerlig, skjæreelementfritt område er anbragt på endepartiet og kaliberpartiet rundt et plan som dannes av den langsgående borkroneakse (42) og den netto radiale ubalansekraftvektor, og at i det minste en hovedsakelig glatt lagersone (20) er anbragt i det skjæreelementløse område rundt planet for kontakt med borehullsveggen under boringen.

2. Borkrone ifølge krav 1, karakterisert ved at den netto radiale ubalansekraft er summen av radialkomponentene av normalkraften og periferikraften for hvert skjæreelement.

3. Borkrone ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at skjæreelementene består av kompaktert polykrystallinsk diamant.

4. Borkrone ifølge et av kravene 1 - 3, karakterisert ved at lagersonen (20) omfatter i det minste én hovedsakelig glatt slitasjemotstandsdyktig glideflate anbragt på kaliberpartiet.

5. Borkrone ifølge krav 4, karakterisert ved at glideflaten omfatter slitasjebelegg (22).

6. Borkrone ifølge krav 4, karakterisert ved at glideflaten omfatter diamantinnsatser (24).

7. Borkrone ifølge krav 4, karakterisert ved at glideflaten omfatter diamantputer (26).

8. Borkrone ifølge et av kravene 4-7, karakterisert ved at glideflaten har tilstrekkelig overflateareal til at når glideflaten presses mot borehullsveggen under boringen vil den påførte kraft være mindre enn trykkstyrken av overflatematerialet som utgjør borehullsveggen.

9. Borkrone ifølge krav 1, karakterisert ved at lagersonen (20) omfatter i det minste én sylindrisk rulle anbragt på et borkronelegeme (12) slik at rullen kan rulle mot borehullsveggen under boringen.

10. Fremgangsmåte for fremstilling av en borkrone for boring i grunnen for å danne et borehull som har en borehullsvegg, hvilken borkrone (10) omfatter et borkronelegeme (12) som har et skaftparti (14) anordnet med en langsgående borkroneakse (42) for tilkobling til en rotasjonsdrivkilde, et rand- eller kaliberparti som er anordnet rundt den langsgående borkroneakse og strekker seg nedad fra skaftpartiet, og et endeparti som er anordnet rundt den langsgående borkroneakse (42) og strekker seg nedad fra kaliberpartiet, en flerhet skjæreelementer (18) som er fast anbragt på og rager ut fra endepartiet og er adskilt fra hverandre, idet hvert skjæreelement er anbragt slik at det roterer i et plan som er hovedsakelig perpendikulært på den langsgående borkroneakse, karakterisert ved de trinn å anbringe skjæreelementene slik at de danner en netto radial ubalansekraft under boringen langs en netto radial ubalansekraftvektor som forløper hovedsakelig vinkelrett på den langsgående borkroneakse (42) ved å danne en modell av geometrien av borkronelegemet (12) og skjæreelementene (18), beregne den netto radiale ubalansekraft under definerte boreparametre, benytte den netto radiale ubalansekraft og modellen til å beregne endringer i posisjonen av i det minste ett skjæreelement (18) som når skjæreelementet er montert på endepartiet ville danne en netto ubalansekraft langs en netto radial ubalansekraftvektor og montere skjæreelementer (18) på endepartiet i de stillinger som således er beregnet, anbringe et hovedsakelig skjæreelementløst område på endepartiet og kaliberpartiet rundt et plan dannet av den langsgående borkroneakse (42) og den netto radiale ubalansekraftvektor, og anbringe i det minste én hovedsakelig glatt slitasjemotstandsdyktig glideflate i det skjæreelementløse område på kaliberpartiet rundt planet for glidende kontakt med borehullsveggen under boringen, idet den netto radiale ubalansekraftvektor har tilstrekkelig størrelse til hovedsakelig å holde glideflaten i kontakt med borehullsveggen under boringen.

11. Fremgangsmåte ifølge krav 10, karakterisert ved at den netto radiale ubalansekraft er summen av radialkomponentene av normalkraften og periferikraften av hvert skjæreelement (18).

12. Fremgangsmåte ifølge krav 10 eller 11, karakterisert ved at det trinn å danne en modell av geometrien av borkronelegemet (12) og skjæreele mentene (18) omfatter det trinn å bestemme romkoordinatene for en flerhet punkter på borkronelegemet og på hvert av skjæreelementene.

13. Fremgangsmåte ifølge krav 12, karakterisert ved det ytterligere trinn å beregne sponvinkelen for skjæreflaten av hvert skjæreelement (18) ved bruk av nevnte romlige koordinater.

14. Fremgangsmåte ifølge krav 13, karakterisert ved det ytterligere trinn å tilveiebringe ytterligere romlige koordinater for hver skjæreflate ved å interpolere mellom de romlige koordinater bestemt for skjæreelementene.

15. Fremgangsmåte ifølge et av kravene 10 - 14, karakterisert ved at hvert skjæreelement (18) innbefatter en skjæreflate og at det trinn å beregne den netto ubalansekraft for en forutbestemt borkronerota-sjonshastighet, penetrasjonshastighet og bergstyrke, omfatter de trinn å beregne den relative stilling av skjæreflåtene på skjæreelementene, beregne kraften som virker på hvert skjæreelement for den forutbestemte rotasjonshastighet, penetrasjonshastighet og bergstyrke, og summere radialkreftene som virker på hvert skjæreelement for å bestemme ubalansekraften.

16. Fremgangsmåte ifølge krav 10 eller 11, karakterisert ved de trinn å definere et tredimensjonalt koordinatsystem hvori borkronelegemet inngår, bestemme koordinatene for en flerhet punkter på borkronelegemet og på hvert av skjæreelementene montert på dette, lagre de således bestemte koordinater i et minne, beregne posisjonen av hver skjæreflate i forhold til den langsgående akse (42) av borkronelegemet (12) ved bruk av de lagrede koordinater, beregne kreftene som virker på hvert skjæreelement montert på borkronelegemet basert på beregning av hver skjæreflates stilling for de gitte boreparametre, danne en enkelt radial ubalansekraft ut fra de radiale skj ærekra ftkomponenter, benytte ubalansekraften til å beregne koordinatene av i det minste én ytterligere skjæreflate som, dersom den forelå, ville danne en netto ubalansekraft rettet mot lagerflaten, og montere et ytterligere skjæreelement på borkronelegemet i en stilling som plasserer skjæreflaten på dette i således beregnede koordinater.

17. Fremgangsmåte ifølge krav 10 eller 11, karakterisert ved de trinn å danne en rekke romkoordinater som er representative for valgte overflatepunkter på borkronelegemet (12), benytte rekken til å beregne posisjonen av hver skjæreflate i forhold til den langsgående akse (42) av borkronelegemet, forhåndsvelge verdier for valgte boreparametre som er representative for de betingelser under hvilke borkronen vil bli benyttet, benytte skjæreflateposisjonene og de forhåndsvalgte verdier til å beregne krefter som virker på hvert skjæreelement montert på borkronelegemet, kombinere de radiale komponenter av de således beregnede krefter til en enkelt radial ubalansekraft, lokalisere et område på borkronelegemet mot hvilket den radiale ubalansekraft er rettet, og fjerne skjæreelementene fra området for å danne det skjæreelementfrie område.

18. Fremgangsmåte ifølge krav 17, karakterisert ved at det trinn å benytte skjæreflateposisjonene og de forutvalgte verdier til å beregne kreftene som virker på hvert skjæreelement montert på borkronelegemet, omfatter de trinn å beregne penetrasjonskreftene, og beregne skjærekreftene.

19. Fremgangsmåte ifølge krav 17 eller 18, karakterisert ved at det trinn å benytte rekken til å beregne posisjonen av hver skjæreflate i forhold til borkronelegemet omfatter de trinn å beregne skjæreelementenes skjæreflates baksponvinkel, og beregne skjærerens skjæreflates sidesponvinkel.