NO314670B1 - Boreverktöy med stötdempere - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse gjelder et boreverktøy med en borkrone som i tillegg til skjæreelementer også har støtdempere for å beskytte mot de rystelser som oppstar under boring. Rystelsene blir særlig frembrakt når verktøyet møter ujevne eller harde formasjoner, og de kan i blant føre til destruksjon eller annen skade av visse partier som er mer utsatte på verktøyet, særlig skjærestrukturen.

Fra patentskriftet US 4 253 533 kjenner man et boreverktøy hvis borkrone er utrustet med skjær og to sko av elastomert materiale anordnet diametralt for støtdempning. Mellom skoene har borkronen skjæreelementer av diamant eller liknende. Skoene har mindre høyde enn de utstikkende skjæreelementene, slik at det bare er den ytterste del av disse som rager frem i forhold til ytterflaten på skoene, og inntregningen av skjæreelementene i formasjonen blir derved begrenset til en dybde som høyst blir den høyde de overstiger skoene med. Følgelig får skjæreelementene ikke særlig store påkjenninger, i forhold til hva de ville ha fatt hvis de ikke hadde hatt mellomliggende sko.

Imidlertid er slike skinner helt ueffektive for å dempe de støt som boreverktøyet og borkronen utsettes for under boringen.

Fra patentskriftet EP 0 532 869 kjenner man videre et boreverktøy som har et hulrom hvor en kanal munner ut for et spylefluid, og hulrommet har en vegg med liten tykkelse og med en åpning som fluidet kan strømme ut til det ytre gjennom. En annen åpning tjener som opplagring for en flat sylindrisk stopper av elastomert materiale. Under virkningen av fluidtrykket i hulrommet deformeres dette stopperelement slik at det far membranform, og ytterflaten blir liggende i kontakt med veggen i den boring som er i ferd med å bores, på tettende måte mot denne. Dette har som virkning at hvis formasjonen det bores i, er plastisk vil formasjonsveggen presses sammen og beskytte mot fluidstøt fra fluidet. Det elastomere materialet er imidlertid heller ikke her tilstrekkelig eller særlig egnet til å dempe verktøyets støtvirkninger under arbeidet.

Den foreliggende oppfinnelse foreslår på denne bakgrunn et boreverktøy som har støtdempere som er effektive for å dempe verktøyvibrasjoner og beskytte skjæreelementene mot ødeleggelse under boring i vanskelig materiale.

Boreverktøyet ifølge oppfinnelsen er særlig slik det fremgår av karakteristikken i patentkrav 1 på side 5.

På overraskende måte har det også vist seg at støtdempere av elastomert materiale har en god slitestyrke under bruken, selv om de må arbeide i ekstreme forhold, så som ved høye temperaturer og under store kraftpåvirkninger av trykk- og skjærtypen. Denne kvalitet, paret med den naturlige elastisitet av støtdemperne tillater at de blir effektive ved dempning av vibrasjoner i boreverktøyet under dettes bruk.

Andre karakteristiske trekk ved demperne vil fremgå av den beskrivelse som følger nedenfor, idet denne bør leses i sammenheng med et studium av illustrasjonene,

hvor fig. 1 i perspektiv viser et typisk boreverktøy som er utrustet med støtdempere ifølge oppfinnelsen,

fig. 2 viser et snitt i større målestokk i henhold til linjen II-II på fig. 1,

fig. 3 viser i perspektiv et boreverktøy av trikonustypen, også med støtdempere ifølge oppfinnelsen, mens det første boreverktøy vist på fig. 1 var av monoblokktypen,

fig. 4 viser et utsnitt i større målestokk av en elastomer knast som er satt inn i boreverktøyet, ifølge en første utførelsesform,

fig. 5 viser et snitt av en tilsvarende knast av elastomert materiale, med en aksial kanal,

fig. 6 viser en tilsvarende knast som er forsterket med en skruefjær,

fig. 7 viser en tilsvarende knast av elastomert materiale og beskyttet av et slitelag, fig. 8 viser en tilsvarende knast med en slitehette,

fig. 9 viser en knast med en ringvuJst ved bunnen for å holde denne på plass i et hulrom i boreverktøyets borkrone,

fig. 10 viser en elastomer knast anordnet i en hylse som på sin side er holdt i et bunnhull i borkronen, ved hjelp av en elastisk splittring,

fig. 11 viser en knast som er festet i en hylse som er skrudd på plass i et bunnhull, fig. 12 viser en støtdemper i form av en knast i to stykker,

fig. 13 viser en variant av utførelsen vist på fig. 12, med en ytre kule, og fig. 14 viser en annen utførelsesform av støtdemperen i to stykker.

Oppfinnelsen skal gjennomgås for det tilfelle hvor boreverktøyet 10 vist på fig. 1 har langsgående lameller 16 og av monoblokktypen, og med en utførelse av trikonustypen vist på fig. 3, men valget mellom den ene eller den andre type borkrone vil ikke påvirke oppfinnelsen, og borkroner med koniske roterende skjærruller innbefattes også, vel anvendelige for oppfinnelsens støtdempere.

På i og for seg kjent måte omfatter boreverktøyet 10 på fig. 1 en borkrone 12 med en gjengestuss for å feste den til en rørstreng (ikke vist), og over omkretsen av borkronen er det langsgående lameller 16 som er atskilt med et mellomrom 18.

På ytterflaten 20 av lamellene 16 er lagt inn en rekke skjæreelementer (bits) 26 av kjent type og f.eks. av naturlig eller syntetisk diamant av materialet PDC eller termostabil diamant. Skjæreelementene kan sitte i en innfatning i borkronen eller være montert på en basis av et annet materiale, f.eks. wolfrarnkarbid.

Ifølge oppfinnelsen har boreverktøyet flere støtdempere 28 for å dempe de rystelser og støt som det blir utsatt for under boring. Støtdemperne 28 kan være festet på bestemte partier på verktøyet, f.eks. på ytterflatene 20 på lamellene, eller på en beskyttelsesanordning (fr. "garde") på verktøyet.

Dersom borkronen er av den type som er vist på fig. 3, av trikonustypen er støtdempere 28 festet på de koniske skjærruller 30, f.eks. mellom skjæreelementene 26 eller mellom de enkelte rekker av disse. Alternativt kan støtdemperne være festet langs omkretsen av skjærrullene eller på armene 32 som bærer disse.

Hver støtdemper 28 er i form av en knast av elastomert materiale og som kan ha en vilkårlig form, f.eks. sylindrisk, prismatisk, kubisk, pyramidisk, avkortet kjegleformet eller sfærisk. Knasten er innsenket over en del av lengden i et bunnhull eller leie ved borkronens eller verktøyets overflate, og den ytterste del rager følgelig ut i forhold til ytterflaten.

Fig. 2 viser i et første eksempel hvordan knastene 28 er lagt inn i hylser 34 med lukket bunn, idet hylsene er festet i bunnhull 36 som er maskinert inn fra overflaten av verktøyet. Knastene kan også være ført direkte inn i slike bunnhull 36 uten mellomliggende hylse (fig. 4).

Knastene har en høyde som rager såvidt mye utenfor verktøysoverflaten at dette kan tilsvare høyden av skjæreelementene eller være større eller mindre enn denne høyde.

I den utførelsesform som er vist på fig. 5 er støtdemperen i form av knasten 28 over størsteparten av sitt tverrsnitt hevet i forhold til bunnen i bunnhullet 36, slik at det dannes et hulrom 38 innerst. For å gi hydrostatisk likevekt og fri deformasjon av knasten bør hulrommet 38 stå i forbindelse med omgivelsen utenfor, og dette kan skje via en ytre aksial kanal 42 tvers gjennom knasten eller via en indre kanal 44 gjennom verktøyet. Alternativt kan begge disse kanaler være anordnet. På denne måte bedres den elastiske virkningen av knasten og dermed dens støtdempevirkning.

Fig. 6 viser en utførelse hvor en knast er innspent i en skruefjær 46 som styrker knasten og gir bedre elastisitet.

Knasten vist på fig. 7 er på tuppen pålagt et slitelag 48 med relativt hard konsistens, f.eks. av wolframkarbid eller av et polykrystallinsk diamantkomposittmateriale (PDC), og levetiden på en slik knast vil derfor øke. Slitelaget 48 er festet ved hjelp av en ringkant 49 som faller inn i et tilsvarende ringspor i den øvre del av knasten, men laget kan også være festet på annen måte, f.eks. ved klebing.

I den utførelsesform som er vist på fig. 8 er knasten konisk og beskyttet på tuppen av en slitehette 50 av wolframkarbid. Denne hette kan på sin side være dekket av en kuppelplate 51 av komposittmaterialet PDC. Den nedre del av knasten 28 er presset i en kjegleformet utsparing som tilsvarer den indre form av knasten, i f.eks. en hylse 34.

Den knast som er vist på fig. 9, har en indre ringvulst 52 nederst for innfelling i et komplementært ringformet spor i den innerste del av bunnhullet 36, og på denne måte holdes knasten på plass og vil ikke så lett kunne trekkes ut.

I den variant som er vist på fig. 10 er hylsen 34 holdt på plass i bunnhullet 36 av en elastisk splittring 54 som faller inn i et spor rundt omkretsen av bunnhullet, nær dets munning.

En annen måte å holde knasten 28 i sitt leie eller bunnhull er illustrert på fig. 11. Knasten har i dette tilfellet innerst en indre ringvulst 52 og er ført inn i en gjengehylse 56 med utvendige gjenger og med en ringformet utmaskinering nederst for opptak av vulsten 52. Monteringen skjer ved å føre knasten inn i gjengehylsen 56 fra undersiden, og deretter skrus hylsen inn i bunnhullet. Deretter kan knasten ikke føres ut fra dette igjen.

I den utførelsen som er vist på fig. 12 består støtdemperen av to deler, en blokk 28 som utgjør knasten og er av elastomert materiale, med sylindrisk eller prismatisk form, og i tillegg en ytterligere knast 58 av hardt materiale, f.eks. wolframkarbid, for anlegg mot den første knast 28. Sistnevnte har halvveis oppe en hals 60 som gir bedre kompresjonsmulighét ved utvendig trykk. Den er opptatt i det indre av en omslutning 62 med boksform og hvis høyde er noe større enn den blokk som utgjør den første knast 28.

Den andre knast 58 har en basisplate 66 med samme tverrsnittsflate som den første blokk og med den oppstikkende finger 68 med mindre tverrsnitt, midt på. Under monteringen fører man blokken ned i omslutningen inntil den får kontakt med bunnen, og deretter legger man inn den andre knast 58 og feller inn den øvre kant 69 rundt basisplaten 66. Denne blir altså klemt fast mellom kanten 69 og den første knast 28 i form av den elastomere indre blokk. Fingeren 68 rager ut gjennom en åpning 70 med noe større tverrsnitt enn fingerens, og det hele festes deretter til boreverktøyet.

I den utførelsesform som er vist på fig. 13 er omslutningen eller boksen utført i to deler, nemlig med en hylse 72 som er gjenget utvendig og en bunn 74 som er skrudd inn nederst i hylsen, nedenfra. Først føres knasten 28 av elastomert materiale ned i hylsen, og deretter presses en kule 78 av stål, wolframkarbid eller sintret diamant inn på oversiden. En noe mindre del enn halvparten av kulen rager ut utenfor verktøyoverflaten, og den ytre del av knasten 28 har en utsparing som passer til kulens indre del. Kulen holdes på plass av en kant 80 som er noe innbøyd over midten av kulen.

I de to foregående utførelsesformer er ingen del av selve støtdemperen 28 i kontakt med formasjonen eller fjellet det bores i. Verktøyvibrasjonene overføres via den ytre harde del av f.eks. wolframkarbid og innover til den blokk av elastomert materiale som utgjør støtdemperen og kan ha mer eller mindre form av en knast 28.

Den støtdemper som er vist på fig. 14, er bygget opp med tre deler, nemlig med en hylse 82 som er festet i bunnhullet 36, en mansjett 84 av elastomert materiale og som danner en utforing inne i hylsen 82, og en midtdel 86 av stål eller wolframkarbid, som er holdt ubevegelig inne i mansjetten. Mansjetten strekker seg over hele hylsens høyde og rager noe ut i forhold til den øvre del av denne, og midtdelen 86 rager ut noe i forhold til både hylsen og mansjetten, mens dens indre del er trukket noe opp fra bunnen av bunnhullet, på tilsvarende måte som vist på fig. 5 slik at det dannes et hulrom 38. Forbindelsen utad til dette hulrom er som tidligere ved hjelp av en ytre aksial kanal 42 eller en indre kanal 44 som vist.

Til forskjell fra de utførelsesformer som er vist frem til fig. 13, er utførelsesformen vist på fig. 14 skråstilt i forhold til boreverktøyets 10 og borkronens 12 fremdritfsretning f under boringen, og fordelen med en slik utførelse er at man får redusert svingebevegelsene av midtdelen 86, siden den motkraft F som virker på denne del i motsatt retning av fremdriftsretningen f gir en aksial komponent F] langs midtdelens 86 midtakse, slik at dreietendenser ikke blir så fremtredende.

Under skjæringen/utgravingen med boreverktøyet 10 får således midtdelen 86 en vekslende bevegelse i retning av midtaksen i bunnhullet, og mansjetten 84, som er klemt fast mellom et fast element (hylsen 82) og et bevegelig element (midtdelen 86) vil derved utsettes for betydelige skjærekrefter som demper boreverktøyets vibrasjonsamplituder.

Claims (19)

1. Boreverktøy (10) med en borkrone (12) utrustet med skjæreelementer (26) og en rekke støtdempere (28; 68; 78; 84, 86) av hvilke i det minste et parti er av elastomert materiale, karakterisert ved at hver av støtdemperne består av en knast som omfatter en del som er fattet inn i det indre av et bunnhull (36) maskineri inn fra overflaten av boreverktøyet, og en del som rager ut fra bunnhullet (36) og er innrettet for å kunne deformeres slik at boreverktøyets vibrasjoner og støt opptas og dempes.

2. Boreverktøy ifølge krav 1, karakterisert ved at den fremstikkende del av støtdemperne (28) har større høyde enn den oppstikkende del av skjæreelementene (26).

3. Boreverktøy ifølge krav 1, karakterisert ved at den fremstikkende del av støtdemperne (28) har lik høyde med den oppstikkende del av skjæreelementene.

4. Boreverktøy ifølge krav 1, karakterisert ved at den fremstikkende del av støtdemperne (28) har mindre høyde enn den oppstikkende del av skjæreelementene.

5. Boreverktøy ifølge krav 1, karakterisert ved at støtdemperne (28) har sylindrisk, halvsfærisk, pyramidisk, prismatisk eller konisk form eller har form som en avkortet kjegle.

6. Boreverktøy ifølge krav 2, karakterisert ved at støtdemperne (28) er fattet inn i en hylse (34; 72) som på sin side er festet i bunnhullet (36), f.eks. ved innskruing eller ved hjelp av en splittring.

7. Boreverktøy ifølge ett av kravene 1-6, karakterisert ved at støtdemperne (28) er anordnet på steder på verktøyet, så som den fremste del, på lameller (16) på borkronen (12) eller på en beskyttelsesanordning på et boreverktøy av monoblokktypen, eventuelt på roterbare koniske skjærruller (30), deres armer (32) eller på beskyttelsesanordningen på en borkrone med skjærruller.

8. Boreverktøy ifølge krav 1, karakterisert ved at det i støtdemperen (28) i form av en knast er innstøpt et element med forsterkende elastiske egenskaper, så som en trykkfjær (46) og innrettet for å være forhåndssammenpresset.

9. Boreverktøy ifølge krav 1, karakterisert ved at den del av støtdemperne (28) som stikker opp utenfor verktøyets overflate fra bunnhullet (36) er pålagt et slitelag (48) eller en slitehette (50), f.eks. av wolframkarbid eller et materiale som det er innlagt diamantmasse i.

10. Boreverktøy ifølge krav 9, karakterisert ved at slitelaget eller slitehetten selv er dekket av kuppelplate (51) av materialet PDC.

11. Boreverktøy ifølge krav 1,karakterisert ved at støtdemperne er forsterket ved at det i deres elastomere materiale er innført fine diamantpartikler.

12. Boreverktøy ifølge krav 1, karakterisert ved et hulrom (38) lagt inn på undersiden av hver støtdemper (28) i form av en knast, mellom bunnen av denne og bunnen i bunnhullet (36).

13. Boreverktøy ifølge krav 12, karakterisert ved at støtdemperne (28) er gjennomboret over hele sin lengde med en ytre aksial kanal (42) som forbinder kammeret (38) innenfor med det ytre.

14. Boreverktøy ifølge krav 12, karakterisert ved at det i bunnen av bunnhullet er boret eller maskinert en indre kanal (44) for overføring av et irrigasjonsfluid under trykk for å presse ut spon som kan ha blitt samlet opp i den ytre aksiale kanal (42).

15. Boreverktøy ifølge krav 1, karakterisert ved at støtdemperne (28) danner knaster som kan opptas i bunnen av en omslutning (62), en hylse (72) e.l. og med større høyde enn støtdemperne selv, slik at det i tillegg er lagt inn en knast (58) eller en kule (78) av hardt materiale, f.eks. wolframkarbid, idet knasten eller kulen har en basisplate (66) eller generelt en indre del som opptar den øvrige del av den omslutning som hver støtdemper er ført inn i, og en ytre del (68) med et mindre tverrsnitt som rager opp fra hylsen e.l., idet en øvre kant (69) av denne er innbøyd over den indre del for å hindre knasten (58) eller kulen (78) i å føres ut.

16. Boreverktøy ifølge krav 15, karakterisert ved at knasten (58) av hardt materiale har en indre basisplate (66) med samme tverrsnitt som støtdemperen (28), og at en finger (68) som strekker seg opp fra basisplatens midte har mindre tverrsnittsflate enn denne.

17. Boreverktøy ifølge krav 15, karakterisert ved at kulen (78) har størstedelen av sitt volum opptatt i hylsen (72), mens den resterende del av dens volum rager ut av denne.

18. Boreverktøy ifølge krav 1, karakterisert ved at støtdemperne (28) omfatter en mansjett (84) av elastomert materiale og trangt innpasset i en hylse (82), og en midtdel (86) holdt ubevegelig i det indre av en innvendig kanal i mansjetten (84), idet det mellom bunnen av bunnhullet (36) for opptak av støtdemperen er lagt inn et hulrom (38) for å tillate at støtdemperen kan bevege seg noe opp og ned, idet en del av støtdemperen rager ut utenfor mansjetten.

19. Boreverktøy ifølge krav 15, karakterisert ved at støtdempernes (28) hovedakse er skrådd i forhold til boreverktøyets fremdritfsretning (f) slik at den motkraft (F) som virker på støtdemperen (28) gir en aksial komponent (F|) langs dens akse.