NO316856B1 - Fremgangsmåte ved boring og slagborekrone for utførelse av denne - Google Patents

Abstract

I en fremgangsmåte for slagboring av dype hull i grunnen,.f.eks. geotermiske brønner, blir det benyttet vann som borevæske og en slagborekrone (1) som er innrettet til å knuse borkakset til så små partikler at borevannet kan føre dem med seg opp til overflaten til tross for sin lave viskositet og densitet i forhold til vanlig boreslam. For dette formål er borekronens tilbakeløpskanaler (9) gitt så liten dybde at kun små nok partikler kan passere. Borekronen er forsynt med flere rader hardmetallstifter (5-8),hvorav de ytterste (5) er relativt tettstilt og dertil forsynt med et diamantbelegg. Innenforliggende stifter (6 og 7) har ikke slikt belegg, slik at de vil slites fortere enn. de ytre stifter (5) og varsle om at borekronen bør skiftes ut før de ytre og dimensjonsbestemmende stifter (5) har fått særlig stor slitasje. Et utløp (10). for borevæske er anbragt så sentralt i borekronen at det overlapper med dennes sentralakse (11).

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte ved boring av dype hull i grunnen ved hjelp av en borestreng, fortrinnsvis av kveilerørtypen, en slagborehammer ved den nedre ende av borestrengen, og en slagborekrone med en diameter på minst 75 mm forbundet med slagborehammeren, hvor en borevæske tilføres slagborehammeren og borekronen gjennom borestrengen og returneres med en gitt hastighet gjennom et ringrom dannet mellom borestrengen og hullet. Oppfinnelsen omfatter også en slagborekrone som angitt i inn-ledningen av krav 4.

En slik fremgangsmåte og slagborekrone er kjent fra US 6105693.

Ved brønnboring ved hjelp av en slagborehammer benyttes det vanligvis en borekrone som på sin fremre flate er forsynt med innsatser eller stifter av hardmetall. Når borekronen slår mot bunnen av borehullet, slår stiftene løs stykker av grunnmaterialet av varierende størrelse. Noen av disse kan være over 10 mm store, noe avhengig av bergarten det bores i. På grunn av boreslammets densitet og viskositet, vil li-kevel disse store partikler av borekakset bli ført med av borevæsken opp til overflaten gjennom ringrommet mellom brønnveggen og borestrengen, hvor strømningshastigheten ty-pisk kan ligge i området 0,4-2 m/sek. Borekakset passerer opp forbi borekronens hode gjennom kanaler i hodets sideflate. Borevæsken tilføres vanligvis gjennom to eller flere åpninger i den fremre flate av borekronen, som i det minste delvis retter strømmen radialt utad mot borekronens periferi for å spyle borekakset ut til ovennevnte kanaler.

Boreslam har vanligvis en rekke tilsetninger som gjør dette både dyrt og miljøskadelig. Det blir derfor nødvendig å gjenvinne boreslammet, hvilket medfører en renseprosess som i sin tur medfører plasskrevende og dyrt utstyr for siling og sentrifugering av boreslammet før det kan anvendes på nytt.

Formålet med foreliggende oppfinnelse er derfor å unngå, eller i det minste redusere, ulempene og omkostningene forbundet med bruk av vanlig boreslam.

Dette oppnås ifølge oppfinnelsen ved en fremgangsmåte av den innledningsvis nevnte type, hvor det karakteristiske er at det som borevæske benyttes vann, og at borekaks som slås løs av borekronen, knuses til en forutbestemt maksimal dimensjon på 6 mm før det tillates å passere opp forbi borekronen til ringrommet mellom borehullets vegg og borestrengen, hvilken maksimale dimensjon gir borekakset en lavere synkehastighet i vann enn vannhastigheten i ringrommet .

Ved å bruke vann som borevæske, noe som i og for seg er kjent fra for eksempel US 5215151 i forbindelse med avviks-boring med roterende borekrone, behøver man ikke noe gjen-vinningsutstyr fordi vannet vanligvis er tilgjengelig i ubegrensede mengder og til en meget lav pris. Da vannet som strømmer opp gjennom ringrommet stort sett bare vil in-neholde knuste bergarter som ikke vil ha noen forurensende virkning på miljøet, kan dette i de aller fleste tilfeller slippes ut uten noen behandling.

Da vann har betydelig lavere viskositet og egenvekt enn vanlig boreslam, vil imidlertid borekakset også ha en mye større synkehastighet i vann enn i boreslam. Dette medfører at de tyngre partikler i borekakset ikke vil kunne medføres av vannet i ringrommet med mindre strømningshastigheten økes tilsvarende. Spesielt ved boring på større dyp, f.eks. ved hjelp av kveilerør, vil imidlertid strømnings-motstanden i borestrengen og andre trykktap medføre at det ikke er praktisk mulig å tilveiebringe den nødvendige strømningsmengde for å bringe de største partikler opp til overflaten. Resultatet blir derved at borekakset pakker seg i ringrommet og umuliggjør videre boring.

Oppfinnelsen har løst dette problem ved å sørge for at borekakset, før det slippes forbi borekronen og opp i ringrommet, er knust i en slik grad at det ikke forekommer partikler av en slik størrelse at vannstrømmen i ringrommet ikke greier å føre disse til overflaten. Denne maksimale partikkelstørrelse vil variere med typen bergart det bores i. I skiferbergarter vil de store partikler gjerne ha form av flak, som bør knuses til en lengde på maksimalt 6 mm. Er bergarten gneis eller granitt, har kornene gjerne en runde-re form og bør i slike tilfeller knuses til en største dimensjon på omtrent 4 mm.

For å besørge den nødvendige knusing av borekakset, blir ifølge oppfinnelsen dybden av tilbakeløpskanalene i borekronens sideflate begrenset som angitt ovenfor. Derved slipper ikke kakset forbi borekronen før det er knust i nødvendig grad. Denne maksimale dybde vil naturligvis også være avhengig av kakspartiklenes form, men vil for borekroner over en viss størrelse vanligvis ligge i området 1,5 - 4 mm.

Borekronen ifølge oppfinnelsen er nærmere definert i krav 4.

Ved slagboring er det ikke bare grunnmaterialet som slås løs i biter. Det hender også at det slås løs biter av borekronens hardmetallstifter eller -innsatser. Hardmetallbitene er meget tunge og har derfor en tendens til å samle seg på bunnen av borehullet. Da spylehullene på eksiste-rende borekroner gjerne er plassert i radial avstand fra borekronens sentralakse og dertil er delvis rettet radialt utad, blir spylevirkningen sentralt i borehullet dårlig, slik at hardmetallbitene har en tendens til å hope seg opp der og ødelegge det sentrale parti av borekronen slik at de nærmeste stifter etter hvert løsner og borekronen slutter å bore.

Foreliggende oppfinnelse har også en løsning på dette problem. Denne går ut på å anordne en spylekanalåpning, fortrinnsvis som den eneste sådanne, nær inntil eller til like delvis overlappende med borekronens sentralakse. Dermed oppnås effektiv spyling også av det sentrale parti av borehullets bunn, slik at eventuelle hardmetallbiter blir spylt ut til siden og følger med borevæsken opp gjennom sidekana-lene i borekronen. Hardmetalibitene vil gjerne være for tunge til å kunne bli med videre opp gjennom ringrommet, men da de vil være av et relativt lite antall, kan de tillates å forbli på oversiden av borekronens videste parti uten å gjøre nevneverdig skade.

Ved nær sagt all boring er borekostnadene i sterk grad avhengig av borekronens levetid. Hyppig utskifting av borekronen er meget kostnadskrevende både på grunn av den høye pris på borekronene og den tid det tar å kjøre borestrengen ut av brønnen og inn igjen ved hver utskifting. Spesielt ved boring av geotermiske brønner, f.eks. slike som er beskrevet i WO 98/22760, er økonomien i anlegget helt avhengig av at dype brønner kan bores i hardt fjell på en effektiv måte. Her er det derfor ønskelig å kunne bore relativt langt før borekronen må skiftes, og dertil er det meget ønskelig at borehullets diameter opprettholdes i størst mulig grad selv i den senere fase av borekronens levetid.

Ved tidligere kjente slagborekroner har det gjerne vært slik at hardmetallstiftene langs kronens periferi har vært de første til å slites, slik at borehullets diameter har minsket gradvis før borekronen er så slitt at dette kan de-tekteres ved redusert fremdrift. Det resulterende svakt koniske parti i den nedre del av brønnen vil da lett kunne føre til at den nye borekrone kiler seg fast og eventuelt ødelegges før den når ned til bunnen av brønnen.

For å unngå dette problem, og samtidig oppnå betydelig økt levetid på borekronen, foreslås det ifølge oppfinnelsen å øke tettheten av stiftene i den ytterste rekke langs kronens periferi. Videre foreslås det å forsyne disse ytterste stifter med et diamantbelegg som øker deres levetid, mens i det minste de fleste av de innenforliggende stifter ikke gis et slikt belegg. Derved sikrer man at de innenforliggende stifter slites ut og stopper kronens fremdrift før stiftene langs periferien er slitt så mye at hullets diameter er blitt redusert i nevneverdig grad.

Ytterligere fordelaktige trekk ved oppfinnelsen vil fremgå av patentkravene og av den påfølgende beskrivelse av det utførelseseksempel på en slagborekrone ifølge oppfinnelsen som skjematisk er vist på vedføyede tegning, hvor fig. 1 er et riss av borekronen sett forfra, og fig. 2 er et partielt snitt langs linjen Il-ll på fig. 1. Slagborekronen 1 ifølge oppfinnelsen vist på tegningen omfatter et hode 2 og en periferiell sideflate 4, hvor det i hodets fremre flate 3 er innsatt hardmetallinnsatser eller -stifter 5, 6, 7, 8. Stiftene 5 er anordnet i en ytre rekke inntil sideflaten 4 av borekronens hode 2. Antallet av stifter 5 er så stort at den gjennomsnittlige avstand mellom stiftene blir mindre enn stiftenes diameter. Stiftene 5 er også belagt med et diamantmateriale, noe som på tegningen er antydet ved en skravering av kryssende linjer. Stiftene 6 i rekken innenfor har mye større innbyrdes avstand og er ikke forsynt med diamantbelegg. Innenfor stiftene 6 befinner det seg nok en rekke bestående av to diametralt motstående stifter 7, og aller innerst foreligger det en enkelt stift 8, som eventuelt kan ha et diamantbelegg.

I hodets sideflate 4 er det lagret aksialt forløpende fordypninger som danner kanaler 9 som boreslam, i dette til-felle vann, medførende borekaks kan strømme gjennom opp langs borekronen til ringrommet mellom veggen av det hull borekronen har laget og borestrengen (ikke vist). Kanalene 9 kan ha noe varierende form og dybde, men dybden, målt i forhold til en tenkt forlengelse av sideflaten 4, må ikke overskride en gitt verdi bestemt av bl.a. bergarten det bores i, ringrommets tverrsnittsareal og borevannets strøm-ningsmengde. Et praktisk område for denne maksimale dybde er 1,5 - 4 mm, idet den øvre grense bør være mindre enn 5 mm, fortrinnsvis maksimalt 3,5 mm for å holde strømnings-mengden av borevann på et rimelig nivå.

Av tegningen vil det også fremgå at borekronens fremre flate 3 har en utløpsåpning 10 for borevann som er så sentralt plassert i borekronen at den overlapper med borekronens sentralakse 11. Derved sikres effektiv spyling av hele bunnområdet av borehullet.

Selv om oppfinnelsen har vært beskrevet i det foregående under henvisning til et foretrukket utførelseseksempel, vil det forstås at oppfinnelsen kan varieres og modifiseres på en rekke måter innenfor rammen av de påfølgende krav. F.eks. er det ikke nødvendig å ha en kanal 9 mellom hvert par av de ytre stifter 5. Videre kan kanalenes 9 bunnform avvike fra den elliptisk krummede som tegningen viser, og bredden i sideflatens tangentialretning kan naturligvis og-så variere. Fagmannen vil også forstå at slagborekronen ifølge oppfinnelsen vanligvis vil være forsynt med et skaft for befestigelse i en slagborehammer, som i sin tur kan væ-re drevet i rotasjon av en boremotor eller lignende.

Claims (7)

1. Fremgangsmåte ved boring av dype hull i grunnen ved hjelp av en borestreng, fortrinnsvis av kveilerørtypen, en slagborehammer ved den nedre ende av borestrengen, og en slagborekrone (1) med en diameter på minst 75 mm forbundet med slagborehammeren, hvor en borevæske tilføres slagborehammeren og borekronen (1) gjennom borestrengen og returne-rer med en gitt hastighet gjennom et ringrom dannet mellom borestrengen og hullet, karakterisert ved at det som borevæske benyttes vann, og at borekaks som slås løs av borekronen, knuses til en maksimal dimensjon på 6 mm før det tillates å passere opp forbi borekronen til ringrommet mellom borehullets vegg og borestrengen, idet knusningen til nevnte maksimale dimensjon sikres ved å begrense dybden av tilbake-løpskanaler (9) for borevæsken i borekronen (1) til mindre enn 5 mm målt i forhold til en tenkt forlengelse av sideflaten (4) av borekronen (1).

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at nevnte maksimale dimensjon holdes under 4 mm.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at nevnte dybde begrenses til en verdi i området 1,5 - 4 mm.

4. Slagborekrone for bruk i en fremgangsmåte ifølge et av de foregående krav, omfattende et hode (2) som har en diameter på minst 75 mm og som innbefatter en fremre flate (3) og en periferiell sideflate (4), hvor hodets (2) fremre flate (3) er forsynt med hardmetallinnsatser (5-8) anordnet i flere rekker med forskjellig radial avstand fra borekronens (1) sentralakse (11) og med i det minste ett utløp (10) for borevæske, og hvor hodets (2) sideflate (4) er forsynt med hovedsakelig aksialt forløpende fordypninger som danner kanaler (9) for passasje av den borevæske som under borekronens bruk tilføres gjennom nevnte utløp (10) , karakterisert ved at den største dybde av kanalene (9) er mindre enn 5 mm, fortrinnsvis mindre enn 3,5 mm, målt i forhold til en tenkt forlengelse av borekronens (1) sideflate (4), og at den gjennomsnittlige avstand mellom hardmetallinnsåtsene (5) i den radialt ytterste rekke er mindre enn innsatsenes diameter i det minste innenfor grupper av innsatsene (5).

5. Slagborekrone ifølge krav 4, karakterisert ved at antallet av kanaler (9) er tilnærmet like stort som antallet av hardmetallinnsatser (5) i den radialt ytterste rekke på hodets (2) fremre flate (3).

6. Slagborekrone ifølge krav 4 eller 5, karakterisert ved at hardmetallinnsatsene (5) i den radialt ytterste rekke har et belegg av diamantmateriale mens i det minste noen av de innenforliggende innsatser (6-8) er uten slikt materiale.

7. Slagborekrone ifølge et av kravene 4-6, karakterisert ved at utløpet (10) for borevæske ligger inntil eller overlapper med nevnte sentralakse (11) .