NO326453B1 - Borkrone - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en borkrone, spesielt som benyttet innen oljeindustrien, og innbefattende:

En midtre hoveddel,

kniver som stikker frem i forhold til hoveddelen, både i fronten av

denne hoveddelen i forhold til en boreretning og på sidene av den

samme hoveddelen, og

skjære-elementer fordelt over en ytre frontoverflate og over en ytre sideoverflate, der de ytre sideoverflatene av knivene er en del av en i

det vesentlige sylindrisk overflate,

idet det er tilveiebragt følgende skjære-elementer på den ytre frontoverflaten av bladene: I et midtre område på den ytre frontoverflaten på minst ett blad er det anbragt

minst én syntetisk polykrystallinsk diamant-skj ærende skive, og

i et gjenværende område på den ytre frontoverflaten av dette bladet,

plassert rundt nevnte midtre område, og på de andre bladene er det anbragt termisk stabile syntetiske diamanter og/eller impregnerte diamantpartikler.

Borkroner som benyttes nå til dags kan være utstyrt med ulike typer av skjære-elementer. Blandt disse elementene kan det skilles generelt mellom syntetiske polykrystallinske diamantskiver eller PDC (Polycrystalline Diamond Compact), såkalte impregnerte naturlige eller syntetiske diamanter, slipende partikler generelt og såkalte termisk stabile (syntetiske) diamanter, agglomerater av slipepartikler eller agglomererte slipepartikler.

Av tidligere kjent teknikk skal spesielt nevnes EP 0822318 Al som beskriver en frontoverflate som kan ha kuttere laget av stabilt polykrystallinsk diamant og/eller syntetisk diamant og andre superharde materialer.

Hver type av skjære-element oppviser selvfølgelig fordeler og ulemper som fremkommer blandt annet ut fra funksjon og posisjon på borkronen.

Den foreliggende oppfinnelse er et resultat av en sammenlignende studie av fordeler og ulemper ved skjære-elementer ut fra disses plassering på borkronen, spesielt på frontsiden av denne. I tilfellet med en borkrone som innbefatter bare impregnerte diamantpartikler på frontsiden, fremgår det blandt annet at partiklene på rotasjonsaksen eller svært nær denne, har en liten perifer hastighet under rotasjonen av borkronen. I tillegg er skjæredybden i en formasjon som skal bores svært lav fordi disse partiklene har små dimensjoner (maksimalt 0,6 til lmm) og er mekanisk festet i borkronen ved hjelp av festeinnretning, slik at de generelt stikker maksimalt 0,4 mm ut fra festeinnretningen. Følgelig blir borhastigheten (ROP målt i meter pr. time) svært liten, i det minste på grunn av partiklene på eller svært nær rotasjonsaksen. En liten perifer rotasjonshastighet for diamantpartiklene kan også føre til et øket trykk, og derfor en høyere risiko for avskalling eller bortrivning av partiklene som er svært nær aksen.

I en avstand fra aksen blir det imidlertid oppnådd en svært høy verdi i karat av diamanter i forhold til det som kan bli oppnådd i en borkronekonfigurasjon med PDC-skiver på grunn av de impregnerte partiklene.

En borkrone med PDC-skiver er imidlertid svært fordelaktig på eller nær rotasjonsaksen fordi verdien målt i karat-diamanter er tilfredsstillende der, der eksponeringen av skjæreskivene som stikker ut i forhold til resten av borkronen sikrer skjæredybder pr. omdreining som er betraktelige, og disse skivene gir en høyere trykkmotstand enn diamantpartikler.

I henhold til oppfinnelsen, er det gjenværende område delt i to i det vesentlige sirkulære områder, som er koaksiale i forhold til nevnte midtre område, og der en av de sirkulære områdene innbefatter termisk stabile syntetiske diamanter som skjære-elementer, mens det andre sirkulære området innbefatter impregnerte diamantpartikler.

Andre detaljer og særegenheter ved oppfinnelsen vil fremgå fra de underordnede kravene og fra beskrivelsen og de vedlagte tegninger, som ved hjelp av ikke-begrensende eksempler viser en foretrukket utførelsesform av oppfinnelsen. Figur 1 er et skjematisk snittriss langs linjen I-l i figur 2 for en borkrone i henhold til oppfinnelsen. Figur 2 er et riss av frontsiden (i henhold til boreretningen) av borkronen i figur 1. Figur 3 er et skjematisk perspektivriss av en skiveknott og en skive som kan bli benyttet i borkronen i henhold til oppfinnelsen. Figurene 4 og 5, 6 og 7, og 8 og 9 er henholdsvis snittriss og frontriss av tre ulike borkroner i henhold til kjent teknikk, som det her sammenlignes med for å demonstrere den tekniske fordelen ved borkronen i henhold til oppfinnelsen. Figur 10 er et riss som ligner det i figur 1, men i større målestokk og som vedrører en borkrone der noen av bladene har en konstant bredde og andre har en variabel bredde som øker fra disses ytterpunkter nærmest rotasjonsaksen.

I de ulike figurene henviser de samme henvisningsnummerne til identiske eller overensstemmende elementer.

Borkronen 1 i henhold til oppfinnelsen kan innbefatte en i det vesentlige sylindrisk

midtre hoveddel 2 og skjæreblader 3 til 8 som stikker ut i forhold til hoveddelen 2, både i fronten av denne i forhold til en boreretning og på sidene av den samme hoveddelen 2. Skjære-elementene 9 er delt over den ytre frontoverflaten 10 i forhold til boreretningen, og over de ytre sideoverflatene 11 for å kalibrere hullet, for eksempel oljekilden som

skal bores, der bladene 3 til 8 innbefatter disse ytre overflatene 10,11. De ytre sideoverflatene 11 er del av en i det vesentlige sylindrisk overflate som har en akse som faller sammen med rotasjonsaksen til borkronen 1. Den ytre fronten 10 og sideoverflatene 11 for hvert blad 3 til 8 passer fortrinnsvis sammen i henhold til en gradvis kurve.

I henhold til oppfinnelsen er det tilveiebragt på den ytre frontoverflaten 10 på minst én av bladene 3 til 8 (figur 1 og 2) som kutte-elementer 9, minst en syntetisk polykrystallinsk diamantskj ærende skive 12 (PDC) i en plassering i det midtre området 13 av nevnte ytre frontoverflate 10, og i det gjenværende området 14 på denne frontoverflaten 10, utenfor det midtre området 13, termisk stabile syntetiske diamanter og/eller impregnerte diamantpartikler, både på bladene 3 til 8 som er tilveiebragt med skjæreskive(r) 12 og på de andre bladene 3 til 8.

For det øvrige kjenner en fagperson til hvordan man lager denne borkronen 1, for eksempel ved innfiltrering av smeltet metall i en matrise av wolframkarbidpulver plassert i en karbonform og tilveiebragt før innfiltrering med diamantpartikler og/eller termisk stabile syntetiske diamanter hvor ønskelig. Så kan skjæreskiven eller skivene 12 bli loddet til sine plasser som er tilveiebragt under støpingen, og den innfiltrerte og avkjølte matrisen kan bli festet (figur 1) med skruing (i 15) og/eller sveising (i 16) til et metallegeme 17 som har en gjenge 18 for å koble borkronen 1 til en borrørsstreng (ikke vist). En slik lodding av skjæreskiven 12 kan bli gjort praktisk talt til sist, og den ferdiggjorte borkronen 1 ved hjelp av en sølvloddingslegering med et lav smeltetemperatur.

I tilfellet vist i eksemplet i figurene 1 og 2, har det blitt valgt å anbringe på bladet 3 (figur 2) to skjæreskiver 12 som har henvisningene A og D, på bladet 5, en skjæreskive 12 med henvisningsnummer C og på bladet C en skjæreskive 12 som har henvisningsnummer B. skjæreskivene 12 (A, B, C og D) stikker ut (figur 1) ved rotasjon rundt rotasjonsaksen i det samme aksielle planet for å oppvise respektive posisjoner på sine spor under boring. Bladene 4, 6 og 8 har ikke skjæreskiver 12.

Som skjematisk vist i figur 2, er hver skjæreskive 12 festet til en knott 20, som i seg selv er kjent, der formen av denne kan bli modifisert i henhold til dens ønsker (se også figur 3), som kan bli festet til det korresponderende bladet, parallelt med rotasjonsaksen og som kan bli anbragt slik at den aktive flaten på hver skjæreskive 12 kan bli skrånet under en skjærevinkel (sponvinkel) for eksempel i størrelsesorden 30° i forhold til et korresponderende aksielt plan. I henhold til figur 2 og 3, er skråningen av denne vinkelen rettet slik at den bakre skjærekanten 12A på hver skive 12 (i henhold til en ensrettet bevegelsesretning for verktøyet 1) er bak (i henhold til rotasjonsretningen R under boring) i forhold til den fremre skjærekanten 12B på den samme skiven 12 i borkronen 1. Knottene 20 er fordelaktig laget av wolframkarbid.

For å klargjøre tegningene, er de impregnerte diamantpartiklene og/eller de termisk stabile syntetiske diamantene eller ytterligere andre ikke vist i figur 1. I figur 2 er de bare vist skjematisk på bladet 4 i form av triangler.

Bladene 3, 5 og 7 kan i praksis bare skille seg ad i antall og plassering av skjæreskivene 12. Bladene 4, 6 og 8 kan være lik hverandre. Andre arrangementer av disse bladene 3 til 8 kan også bli foretrukket, som for eksempel de i figur 10 som blir forklart heretter.

En praktisk talt midtre gjennomgang 21 kan være tilveiebragt for borvæske på en slik måte at den munner ut mellom de ytre frontoverflatene 10 og sammen med fragmentene forårsaket av boringen forsvinner gjennom kanalene som strekker seg mellom bladene 3 til 8 og langs sidene av hoveddelen 2.

Nevnte gjenværende område 14 (figur 1) kan selv bli delt i to i det vesentlige sirkulære områder 25,26 som har samme akse som det midtre området 13. Et sirkulært område 25 eller 26 kan derfor innbefatte praktisk talt bare termisk stabile syntetiske diamanter, mens det ytre sirkulære området 26 eller 25 kan innbefatte praktisk talt bare impregnerte diamantpartikler.

Det kan foretrekkes at de termisk stabile syntetiske diamantene er anbragt i det sirkulære området 26 plassert direkte rundt det midtre området 13.

Det kan også være ønskelig at et (ikke vist) mellomliggende ringformet område plassert mellom de to sirkulære områdene 25 og 26 er delvis utstyrt med impregnerte diamantpartikler og delvis med termisk stabile syntetiske diamanter.

De termisk stabile syntetiske diamantene kan ha en sirkulær form og/eller en kubisk form og/eller en prisme form med et fortrinnsvis trekantet tverrsnitt.

Minst en av skjæreskivene 12 kan bestå av flere lag, det vil si for eksempel:

Et lag 27 for å angripe formasjonen som skal bores, og som er laget av syntetisk

polykrystallinsk diamant,

et mellomliggende lag 28 av wolframkarbid som bærer dette angrepslaget 27, og et lag 29 av wolframkarbid komprinert med diamantpartikler som er

båret av knottene 20 og som holder dette mellomliggende laget 28.

Bladene 3 til 8 har fortrinnsvis hver en tykkelse som er i det vesentlige konstant over en viktig del av deres ytre frontoverflate 10, og over deres ytre sideoverflate 11. Tykkelsen av de ulike bladene 3 til 8 kan være lik. Et borhode 1 hoveddel 2 kan innbefatte for eksempel seks blader 3 til 8. Langs den sylindriske overflaten av hoveddelen 2, kan bladene 3 til 8 strekke seg på en rett måte (figurene 1 og 2) eller på en spiralformet måte (ikke vist).

De ytre sideoverflatene 11 på bladene 3 til 8 som fører til en i det vesentlige sylindrisk overflate, kan i en utførelsesform på denne overflaten oppvise en tykkelse som er i størrelsesorden av inntil halve den sirkulære avstanden mellom to påfølgende blader 3 til 8, målt på denne i det vesentlige sylindriske overflaten.

Den ytre frontoverflaten 10 på bladene 3 til 8 er anbragt for å bestemme en konisk overflate for innføring av borkronen 1 ved hjelp av skjære-elementene 9 i formasjonen på bunnen av et borhull (ikke vist). Den koniske overflaten har fortrinnsvis en vinkel mellom 10° og 55°, aller helst i størrelsesorden 45°, i forhold til rotasjonsaksen for borkronen 1.

Valget av midtre 13 og gjenværende områder 14 og/eller 25,26 kan avhenge av formasjonene som skal bores. Så for svært hardt fjell viser det seg fordelaktig å velge en liten diameter for det midtre området 13 og øke dette området i den utstrekning at fjellet er mindre hardt. For leiraktige formasjoner, viser det seg at PDC skjæreskiver 12 er bedre takket være deres kapasitet til å fjerne disse materialene. Det er derfor mindre klumpdannelse for borkronen 1 plasseringen av disse skivene 12.

Den kombinerte bruken av PDC skjæreskiver 12 og impregnerte diamantpartikler og/eller termisk stabile syntetiske diamanter i henhold til oppfinnelsen gjør det i tillegg mulig å modifisere tettheten i diamantkarat i henhold til områdene 13 og 14 og/eller 25, 26. Som et eksempel involverer en vanlig borkrone med bare PDC skiver 12 med nominell diameter opptil 8 1/2" (ca. 216 mm) og der det er 60 til 80 skiver med ca. 3 karat hver, en investering med en total verdi fra 200 til 250 karat i denne borkronen. En vanlig borkrone som har samme størrelse, men med impregnerte naturlige eller syntetiske diamantpartikler involverer en investering med en total verdi fra 1000 til 1200 karat. Selvfølgelig blir denne sistnevnte borkronen vanligvis benyttet for hardere og mere slipende formasjoner enn borkronen med skivene 12, og involverer derfor et høyere diamantforbruk enn i tilfellet med denne sistnevnte borkronen.

Den vedlagte tabell 1 viser ved sammenligning av inntrengningshastighetene (RPO i meter pr. time) for ulike vanlige borkroner og for borkronen 1 i henhold til oppfinnelsen, og også gjennomtrengningshastigheten for en kjerneborkrone. Disse bor-og kjerneborkronene har en sammenlignbar størrelse med hensyn til frontoverflaten som angriper formasjonen i fronten derav. De blir utsatt for et trykk i bunnen av et hull i samme størrelsesorden (WOB = vekt på borkronen i størrelsesorden 40.5 til 46.6 kg/cm<2>). Kraften som blir påført borkronen 1 er indikert i kolonnen HK (hestekrefter) i tabell I, og denne kraften er indikert pr. overflate-enhet y i kolonnen HK pr. cm<2>. Borkronen benyttet for sammenligningen er skjematisk fremstilt i figurene 4 til 9. Borkronen i figurene 4 og 5 innbefatter tolv smale blader som er merket slik at like komponenter har like betegnelser, A, F og G, og ved å tegne inn en halv-torisk nedsenking ved hjelp av impregnerte diamantpartikler mens midten blir boret ved hjelp av termisk stabile syntetiske diamanter plassert i et drillvæskeutløp. Borkronen i figurene 6 og 7 innbefatter tolv trange blader, A, B, C, D og E og boring av en konus i størrelsesorden 60° i forhold til rotasjonsaksen. Borkronen i figurene 8 og 9 innbefatter seks tykke blader merket A, B og C og boring av en konus i størrlesesorden 45° i forhold til rotasjonsaksen. Kjerneboret valgt for sammenligning (ikke vist) er bare utstyrt med PDC skjæreskiver i en såkalt myk forbindelse på dens fremre angrepsoverflate. Under sammenligningstesten, har det samme fjellet blitt boret eller kjerneboret med disse ulike verktøyene. Bindingen benyttet for borkronene i figurene 4 til 9 er også av den såkalte myke typen.

Fra tabell 1 fremgår det at borkronen 1 i forhold til oppfinnelsen har en gjennomtrengningshastighet (ROP) som er vesentlig høyere enn andre vanlige borkroner.

Det skal forstås at oppfinnelsen ikke på noen måte er begrenset til de beskrevne utførelsesformer, og at mange modifikasjoner kan bli utført uten å gå utover omfanget av den foreliggende oppfinnelse.

Som vist i figur 10, kan bladene 5 med avkortet triangelformet fremspring 5A i tegningsplanet bli innskutt mellom bladene 3,4, der disses bredde er praktisk talt konstant over hele deres ytre overflate. Bruken av disse bladene 5 A gjør det for eksempel mulig å redusere spalten mellom to etterfølgende blader 3,4.

I lys av det ovenfor nevnte, vil det klart fremgå at oppfinnelsen også kan innbefatte borkroner hvorved alle bladene oppviser et avkortet triangulært utformet fremspring lik bladet 5A ovenfor.

Claims (10)

1. Borkrone spesielt benyttet innen oljeboring, innbefattende: En midtre hoveddel (2), skjæreblader (3 til 8) som stikker ut i forhold til hoveddelen (2), både i fronten av denne hoveddelen i henhold til en boreretning og i sidene av denne samme hoveddelen (2), og skjære-elementer (9) fordelt over en ytre frontoverflate (10) og over en ytre sideveis brønnkallibreringsoverflate (11) innbefattet av hvert blad (3 til 8), der de ytre sideoverflatene av bladene (3 til 8) er en del av en i det vesentlige sylindrisk overflate, idet det på den ytre frontoverflaten (10) av bladene (3 til 8) er anbragt følgende som skj ære-elementer: minst en syntetisk polykrystallinsk diamantskjæreskive (12) i et midtre område (13) av den ytre frontoverflaten (10) på minst et blad (3 til 8), og termisk stabile syntetiske diamanter og/eller impregnerte diamantpartikler i et gjenværende område (14) av den ytre frontoverflaten (10) på dette bladet, plassert utenfor nevnte midtre område (13) i forhold til rotasjonsaksen for borkronen (1), karakterisert ved at nevnte gjenværende område (14) er oppdelt i to i det vesentlige sirkulære områder (25,26) som har samme akse som nevnte midtre område (13), og ved at en av de sirkulære områdene (25 eller 26) som skjære-element (9) innbefatter termisk stabile sysntetiske diamanter, mens det andre sirkulære området (26 eller 25 henholdsvis) innbefatter impregnerte diamantpartikler.

2. Borkrone i henhold til krav 1, karakterisert ved at termisk stabile syntetiske diamanter er plassert i det sirkulære området (26) plassert direkte rundt det midtre området (13).

3. Borkrone i henhold til et hvilket som helst av kravene 1 til 2, karakterisert ved at de termisk stabile syntetiske diamantene har en sirkulær form og/eller en kubisk form og/eller en prismeform, fortrinnsvis med et triangulært tverrsnitt.

4. Borkrone i henhold til et hvilket som helst av kravene 1 til 4, karakterisert ved at de syntetiske polykrystallinske diamantskivene (12) blir holdt av orienteringsknotter (20) av wolframkarbid.

5. Borkrone i henhold til et hvilket som helst av kravene 1 til 4, karakterisert ved at minst en av nevnte skiver (12) er et flerlagselement, der et av lagene (27) i fronten av platen (12) i henhold til rotasjonsretningen under kjerneboring, er av såkalt syntetisk polykrystallin-diamant (PDC), at et neste (28) er av wolframkarbid, og at et siste (29) er av wolframkarbid kombinert med diamantpartikler.

6. Borkrone i henhold til et hvilket som helst av kravene 1 til 5, karakterisert ved at minst et av bladene (3 til 8) har en i det vesentlige konstant tykkelse over en viktig del av sin ytre frontoverflate (10) og over sin ytre sideoverflate (11), ved at alle bladene (3 til 8) har i det vesentlige samme tykkelse, og ved at det fortrinnsvis er seks blader (3 til 8) rundt hoveddelen (2).

7. Borkrone i henhold til et hvilket som helst av kravene 1 til 6, karakterisert ved at på nevnte i det vesentlige sylindriske overflate, har hvert blad (3 til 8) en tykkelse i størrelsesorden opptil maksimalt halvparten av den sirkulære avstanden mellom to påfølgende blader (3 til 8).

8. Borkrone i henhold til et hvilket som helst av kravene 1 til 5, karakterisert ved at minst et blad (5 A) i henhold til en projeksjon inn i et plan normalt med rotasjonsaksen for borkronen (1) har formen av et avkortet triangel som peker mot denne aksen.

9. Borkrone i henhold til krav 8, karakterisert ved at det alltid mellom to blader (3, 4) med en i det vesentlige konstant tykkelse over disses ytre front- (10) og sideoverflater (11), er anbragt et blad (5A) med et avkortet triangulært fremspring.

10. Borkrone i henhold til et hvilket som helst av kravene 1 til 9, karakterisert ved at den ytre frontoverflaten (10) av bladene (3 til 8) er anbragt for i bunnen av et borehull å bestemme en konisk overflate som kommer inn i borkronen (1) og som oppviser en konusvinkel mellom 10° og 55°, og fortrinnsvis i størrelsesorden 45°, i forhold til borkronens (1) rotasjonsakse.