NO180551B - Rotasjonsborkrone for boring gjennom klebrige formasjoner - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en rotasjonsborkrone for boring gjennom klebrige formasjoner, omfattende et borkronelegeme på hvilket det er montert et antall skjærevinger, idet vingene strekker seg langs borkronelegemet fra en sentral akse av borkronen i retning mot dennes ytterkontur, og et antall kanaler for transport av borefluidum og steinmel til borkronens ytterkontur, idet hver kanal er dannet mellom to innbyrdes tilgrensende vinger og i hvert punkt langs sin lengde har et tverrsnittsareal A målt i et plan normalt på en sentral linje gjennom kanalen, idet størrelsen av de nevnte tverrsnittsarealer A av hver kanal øker i retning fra den sentrale akse mot borkronens ytterkontur.

I forbindelse med boring gjennom klebrige formasjoner, såsom kritt eller mergel, er det kjent at steinmel som produse-res, har en sterk tendens til å henge fast ved borkronens overflate. For boring gjennom slike klebrige formasjoner benyttes vanligvis fiskehale-borkroner, hvilke borkroner har brede kanaler mellom skjærevingene.

Felterfaring har lært at det på tross av tilstede-værelsen av brede kanaler ofte forekommer at steinmel samler seg foran skjærevingene, slik at bare små kanaler etterlates åpne for å tillate borefluidum å strømme fra dysene til borkronens ytre omkrets. Iblant har det forekommet at bevegelsen av det oppsamlede steinmel gjennom kanalene er blitt hindret og at steinmelet er blitt komprimert i kanalene og har begynt å utgjøre størstedelen av borkronens vekt, og dermed har resultert i en fullstendig tilklint borkrone og dårlig boringsytelse.

US patent 4 696 354 viser en borkrone som er forsynt med kanaler med økende tverrsnittsareal i radialt utadgående retning.

US patent 4 655 303 viser en borkrone med et antall kanaler som er slik utformet at det oppnås en i hovedsaken lineær reduksjon av borefluidumtrykk med økende borkroneradius.

US patent 4 554 986 viser en borkrone med sett av parallelle rygger som avgrenser vannbaner mellom disse.

GB-A-2 185 506 og EP-A-0 284 238 angår borkroner med dyser som munner ut i kanaler.

Formålet med oppfinnelsen er å tilveiebringe en rotasjonsborkrone hvor forekomsten av steinmelkomprimering i

kanalene unngås.

Ovennevnte formål oppnås med en rotasjonsborkrone av den innledningsvis angitte type som ifølge oppfinnelsen er kjennetegnet ved at størrelsen av de nevnte tverrsnittsarealer øker på en slik måte at forholdet mellom et tverrsnittsareal Aj av kanalen i et første plan normalt på den nevnte sentrale linje og et tverrsnittsareal A2 av den samme kanal i et andre plan normalt på den nevnte sentrale linje tilfredsstiller likningen

idet rx er den midlere radius ved hvilken det første plan krysser spissene av innbyrdes tilgrensende skjærevinger, idet radien er målt fra borkronens sentrale akse, idet r2 er den midlere radius ved hvilken det andre plan krysser spissene av innbyrdes tilgrensende skjærevinger, idet radien er målt fra borkronens sentrale akse og r2 er større enn rx.

Borkronen ifølge oppfinnelsen er konstruert slik at den midlere hastighet av steinmelet i kanalene forblir konstant eller avtar kontinuerlig i retning fra borkronens sentrum i retning mot borkronens ytterkontur, slik at det tilveiebringes fyllest-gjørende rengjøring i tilfelle den hydrauliske rengjøring ikke lenger er tilstrekkelig.

En spesiell utførelse av borkronen ifølge oppfinnelsen skal i det følgende beskrives som eksempel under henvisning til tegningen, der fig. 1 viser et bunnriss av et utsnitt av en borkrone ifølge oppfinnelsen, og fig. 2 viser et snittriss av borkronen på fig. 1 etter linjen II-II og sett i retning av de viste piler. Fig. 1 og 2 viser en borkrone ifølge oppfinnelsen. Fig. 2 viser videre et første plan 1 og et andre plan 2. Hvert av planene 1 og 2 er orientert perpendikulært på en sentral linje 3 gjennom en kanal 4 som er dannet mellom to innbyrdes tilgrensende skjærevinger 5 og 6 av borkronen.

Borkronen har åtte regelmessig fordelte skjærevinger av hvilke to er vist på fig. 1. Skjærevingene 5 og 6 strekker seg langs borkronelegemet 8 fra borkronens sentrale akse 10 i retning mot borkronens ytterkontur 11. Skjærevingene 5 og 6 har en i hovedsaken radial orientering i forhold til den sentrale akse 10, og de er nær sine spisser 12 utstyrt med en rekke skiveformede, kompakte skjæreelementer 13 av polykrystallinsk diamant.

Hver av kanalene 4 er dannet mellom borehullets bunn 15, borkronens overflate 16, frontsiden av én skjærevinge 6 og baksiden 17 av en annen skjærevinge 5.

Den sentrale linje 3 gjennom hver kanal 4 er dannet av sentrum av den fluidumpassasje som er tilveiebrakt av kanalen, slik at hvert punkt på linjen 3 er beliggende på like avstander fra frontsiden av én skjærevinge 6 og baksiden 17 av en annen skjærevinge 5, og også på like avstander fra borehullets bunn 15 og borkronens overflate 16.

I betraktning av den rektangulære form på kanalene kan tverrsnittsarealet av kanalen 4 defineres som:

der h er kanalens 4 høyde definert som avstanden mellom borkronens overflate 16 og skjærevingenes spisser 12, idet den nevnte avstand måles i et plan normalt på den sentrale linje 3, og w er kanalens 4 bredde definert som avstanden mellom frontsiden av én skjærevinge 6 og baksiden 17 av en annen skjærevinge, idet den nevnte avstand måles i et plan normalt på den sentrale linje 3.

Slik det fremgår av fig. 1 og 2, er kanalens 4 tverrsnittsareal Ax i det nevnte første plan 1 definert ved Al = v/j/h^ mens kanalens 4 tverrsnittsareal A2 i det andre plan 2 er definert ved A2 = w2-h2.

I borkronen ifølge oppfinnelsen øker størrelsen av kanalenes 4 tverrsnittsarealer A i retning fra den sentrale akse 10 mot borkronens ytterkontur 11 på en slik måte at økningen i størrelse av de nevnte arealer A i den nevnte retning er i det minste i hovedsaken proporsjonal med kvadratet på radien r til et spesielt areal A fra den sentrale akse 10. Radien r til et spesielt areal A er definert som den midlere avstand mellom den sentrale akse 10 og de steder hvor et plan i hvilket det nevnte areal A er målt, krysser spissene 12 av innbyrdes tilgrensende skjærevinger 5, 6.

Implikasjonen eller den underforståtte betydning av borkronekonstruksjonen ifølge oppfinnelsen med hensyn til tverrsnittsarealene Ax og A2 for det første og andre plan 1 og 2 som er vist på fig. 2, er at forholdet mellom de nevnte arealer A1 og A2 tilfredsstiller likningen eller ulikheten:

idet rx er den midlere radius ved hvilken planet 1 krysser spissene 12 av innbyrdes tilgrensende skjærevinger 5, 6, idet radien er målt fra den sentrale akse 10, r2 er den midlere radius ved hvilken planet 2 krysser spissene 12 av innbyrdes tilgrensende skjærevinger 5, 6, idet den nevnte radius er målt fra borkronens sentrale akse, og r2 er større enn rx.

I den utførelse av oppfinnelsen som er vist på tegningen, har skjærevingene 5 og 6 en radial orientering i forhold til den sentrale akse 10. I denne utførelse skjærer planet 1 spissene 12 av de innbyrdes tilgrensende vinger 5 og 6 på omtrent like avstander fra den sentrale akse 10, og det samme gjelder for skjæringen mellom planet 2 og de nevnte spisser. Planet 1 skjærer derfor spissene 12 ved en radius rl7 mens planet 2 også skjærer spissene 12 ved en radius r2. I en alternativ utførelse av oppfinnelsen kan imidlertid skjæringene ha en spiraloriente-ring i forhold til en sentrale akse. Et plan som er tverraksialt i forhold til den sentral linje gjennom en kanal, vil da skjære spissene av innbyrdes tilgrensende vinger med forskjellige radier, idet den midlere verdi av disse radier må tas i betraktning for å definere forholdet mellom tverrsnittsarealene Ax og A2.

Da hver kanal i den på tegningen viste utførelse videre har et i hovedsaken rektangulært tverrsnittsareal A, og tykkelsen av skjærevingene 5 og 6 er liten sammenliknet med bredden w av kanalene 4, kan forholdet mellom bredden w2 og bredden wx av kanalene i de nevnte plan 1 og 2 beregnes ved:

hvor a er vinkelen mellom innbyrdes tilgrensende skjærevinger.

Kombinasjon av likningene (2) og (3) gir:

I den viste utførelse, hvor borkronen har radiale skjærevinger og rektangulære kanaler, vil følgelig høyden h av hver kanal øke i radial retning bort fra den sentrale akse, slik at variasjonen av den nevnte høyde h er i det minste i hovedsaken proporsjonal med økningen av radien r ved hvilken det plan i hvilket den nevnte høyde h måles, skjærer eller krysser spissene 12 av innbyrdes tilgrensende skjærevinger 5 og 6.

Borkronekonstruksjonen ifølge oppfinnelsen er basert på den innsikt at steinmelets hastighet ikke må øke langs sin strømningsbane gjennom hver kanal. En økning av steinmelhastighet er en indikasjon på en relativ reduksjon av kanalens tverrsnittsareal sammenliknet med det steinmelvolum V som passerer gjennom kanalen. En øket steinmelhastighet langs den nevnte strømningsbane kan følgelig føre til steinmelkomprimering og således til gjentetting av kanalen. For å unngå steinmelkomprimering under alle forhold foretrekkes det å utforme kanalene slik at steinmelhastigheten avtar gradvis i nedstrøms-retningen gjennom kanalene.

Borkronekonstruksjonen ifølge oppfinnelsen er videre basert på den innsikt at volumet V av steinmel som passerer gjennom kanalene ved borkronens ytterkontur 11 under én full omdreining av borkronen, er lik volumet av en sylinder av stein som fjernes fra jordskorpen under den nevnte omdreining. Dette volum kan uttrykkes som:

V er det steinmelvolum som fjernes av borkronen, R er den ytre radius av skjærespissene 12, og ROP er den inntrengningshastighet (ROP = rate of penetration) med hvilken borehullet fordypes under én full omdreining av borkronen.

I den borkrone som er vist på tegningen, ledes dette steinmelvolum V gjennom åtte kanaler. Det steinmelvolum V som passerer gjennom én kanal i løpet av én omdreining av borkronen, er følgelig lik V = 1/8 • Tt • r<2> • ROP.

Det steinmelvolum som passerer gjennom tverrsnittsarealet Ax under en omdreining av borkronen, er lik 1/8 av volumet av den sylinder av stein som fjernes fra jordskorpen innenfor en radius rx under den nevnte omdreining, eller:

Ved å følge det samme resonnement for det steinmelvolum V2' som passerer gjennom tverrsnittsarealet A2, får man:

Innføring av steinmelhastigheten v x en kanal som forholdet mellom det steinmelvolum V som passerer ved et visst tverrsnittsareal A gjennom kanalen, og størrelsen av det nevnte tverrsnittsareal A, gir følgende uttrykk for hastighetene v1 og v2 i de nevnte plan 1 og 2:

Idet det nå tas i betraktning at steinmelhastigheten ikke skal øke i nedstrømsretningen langs strømningsbanen i hver kanal, eller med andre ord at den nevnte hastighet skal forbli konstant eller avta i nedstrømsretningen, får man:

Kombinasjon av likningene (6) og (7) gir:

Likning (8) er lik likning (2), og likningene (2) og (8) er basert på det prinsipp at steinmelhastigheten v skal avta eller i det minste forbli den samme i nedstrømsretningen i hver kanal. På denne måte unngås oppsamling og komprimering av steinmel i kanalene, og fyllestgjørende rengjøring av kanalene oppnås. Evnen til fyllestgjørende rengjøring er av betydning dersom den hydrauliske rengjøring som tilveiebringes av strømmen av borefluidum, ikke lenger er tilstrekkelig.

Borkronekonseptet ifølge oppfinnelsen kan benyttes i en fiskehale-borkrone eller i hvilken som helst annen borkrone hvor kanaler er dannet mellom skjærevinger. Borkronelegemet kan være kuppelformet og borkronens skjærevinger kan ha radial eller spiraldannende orientering i forhold til borkronelegemets sentrale akse. Det vil følgelig være klart at den utførelse som er vist på tegningen, bare er illustrerende.

Claims (5)

1. Rotasjonsborkrone for boring gjennom klebrige formasjoner, omfattende

et borkronelegeme (8) på hvilket det er montert et antall skjærevinger (5, 6), idet vingene (5, 6) strekker seg langs borkronelegemet (8) fra en sentral akse (10) av borkronen (8) i retning mot dennes ytterkontur (11), og et antall kanaler (4) for transport av borefluidum og steinmel til borkronens ytterkontur (11), idet hver kanal (4) er dannet mellom to innbyrdes tilgrensende vinger (5, 6) og i hvert punkt langs sin lengde har et tverrsnittsareal A målt i et plan normalt på en sentral linje (3) gjennom kanalen (4), idet størrelsen av de nevnte tverrsnittsarealer A av hver kanal (4) øker i retning fra den sentrale akse (10) mot borkronens ytterkontur (11), KARAKTERISERT VED at størrelsen av de nevnte tverrsnittsarealer øker på en slik måte at forholdet mellom et tverrsnittsareal Ax av kanalen (4) i et første plan (1) normalt på den nevnte sentrale linje (3) og et tverrsnittsareal A2 av den samme kanal (4) i et andre plan (2) normalt på den nevnte sentrale linje tilfredsstiller likningen idet r1 er den midlere radius ved hvilken det første plan (1) krysser spissene (12) av innbyrdes tilgrensende skjærevinger (5, 6), idet radien er målt fra borkronens sentrale akse (10), idet r2 er den midlere radius ved hvilken det andre plan (2) krysser spissene av innbyrdes tilgrensende skjærevinger (5, 6), idet radien er målt fra borkronens sentrale akse (10) og r2 er større enn rx.

2. Borkrone ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at skjærevingene (5, 6) har en i hovedsaken radial orientering i forhold til borkronens sentrale akse (10), og hver kanal (4) i hvert punkt langs sin lengde har et i hovedsaken rektangulært tverrsnittsareal A, og at forholdet mellom høyden hx av kanalens (4) tverrsnittsareal Ax i det nevnte første plan (1) og høyden h2 av kanalens (4) tverrsnittsareal A2 i det nevnte andre plan (2) tilfredsstiller likningen: idet hx er arealets A1 høyde definert ved avstanden mellom spissen (12) av en tilgrensende skjærevinge (5, 6) og borkronelegemet (8) målt i det første plan (1), og h2 er arealets A2 høyde definert ved avstanden mellom spissen (12) av en tilgrensende skjærevinge (5, 6) og borkronelegemet (8) målt i det andre plan (2).

3. Borkrone ifølge krav 1 eller 2, KARAKTERISERT VED at skjærevingene (5, 6) nær sine spisser (12) er utstyrt med en rekke skiveformede, kompakte skjæreelementer (13) av polykrystallinsk diamant.

4. Borkrone ifølge ett av de foregående krav, KARAKTERISERT VED at den er en fiskehale-borkrone.

5. Borkrone ifølge ett av kravene 1-3, KARAKTERISERT VED at den har et kuppelformet borkronelegeme (8) på hvilket et antall skjærevinger (5, 6) er montert med likt fordelte vinkel-mellomrom.