NO342521B1 - Boreinnretning spesielt tilrettelagt for opprømming av borehull i en fjellformasjon, samt en framgangsmåte for opprømming av et borehull i en fjellformasjon - Google Patents

Abstract

Det beskrives en anordning ved en boreinnretning (2') til bruk ved opprømming av et pilothull (13) i en fjellformasjon (1), hvor en boreenhet (2) omfatter en roterbar borkronestruktur (15) hvorpå det er montert rulleskjær (12) som er innrettet til å kunne bryte opp fjellformasjonen (1), hvor borkronestrukturen (15) og et tilknyttet hus (16) er opplagret på en borstamme (21) som er rotasjonsstivt tilkoplet en ikke-roterbar borstreng (4). Det beskrives også en framgangsmåte for opprømming av et pilothull (13) i en fjellformasjon (1).

Description

BOREINNRETNING SPESIELT TILRETTELAGT FOR OPPRØMMING AV BOREHULL I EN FJELLFORMASJON, SAMT EN FRAMGANGSMÅTE FOR OPPRØMMING AV ET BOREHULL I EN FJELLFORMASJON

Oppfinnelsen vedrører en boreinnretning til bruk ved opprømming av et pilothull i en fjellformasjon, hvor en boreenhet omfatter en roterbar borkronestruktur hvorpå det er montert rulleskjær som er innrettet til å kunne bryte opp fjellformasjonen. Oppfinnelsen vedrører også en framgangsmåte for opprømming av et pilothull i en fjellformasjon.

Senere års utvikling har ført til økt behov for utbygging av småkraftverk og ny infrastruktur anlagt i fjellformasjoner. I begge tilfeller er det stort behov for kostnadseffektive og miljøriktig løsninger.

For småkraftverk er det viktig at inngrep i naturen blir minimert og at kostnader til bygging og fremtidig drift er lave. Ny infrastruktur med kloakk, strømkabler og vannforsyning gjennom etablerte boligområder og sensitive naturområder blir nå vanskelig å gjennomføre. En nærliggende løsning er å etablere infrastrukturen i borehull i fjellformasjoner under de nevnte områdene. Under etablering av slike borehull kan det være aktuelt først å etablere et lite pilothull som deretter opprømmes til endelig hulldiameter.

Det er kjent flere tekniske løsninger for gjennomføring opprømmingen. Metodene er imidlertid kostbare og har tekniske begrensninger i rekkevidde. En opprømmingsenhet roteres typisk ved hjelp av en roterende borstreng gjennom et forboret hull. Borstrengen utsettes for store torsjonskrefter som medfører materialutmatting og kort levetid. Oppnåelig hullengde er begrenset på grunn av at torsjonsvridningene blir for store ved stor borstrenglengde. Torsjon i en lang, roterende borstreng gir dessuten store vibrasjoner og varierende påkjenninger på boreinnretningen med derav redusert levetid.

US 3399738 beskriver en selvgående boremaskin for boring av pilothull og opprømming av pilothullet. En fiksert maskinenhet driver i en innledende fase en borstreng for boring av et pilothull i en fjellformasjon. Deretter stilles maskinenheten om til opprømming av pilothullet ved at maskinenheten forsynes med en opprømmingsborkrone som roteres mens maskinenheten gradvis forskyves langs borstrengen i pilothullet.

US2011/0079443 beskriver en hullåpner omfattende en opprømmingsseksjon som er tilkoplet og følger rett etter en pilotborkrone. Det beskrives særlig kutteelementdetaljer i opprømmingsseksjonen.

US4117895 A beskriver en hullåpner og et hullåpnerapparat for opprømming av et invertert, bueformet pilothull som omgår et hinder, idet pilothullet har en inngang og en avslutning som begge er vanligvis tilgjengelige med et overflateboreutstyr. Under opprømming av et rett parti roteres et rør med en hullåpner montert i rørets fremre ende av en boremotor anordnet på en rampe. Et svivellegeme roterer med hullåpneren og er forsynt med en pilotnese som rager ut fra hullåpneren og bærer i sin fremre ende en svivelsammenstilling fastskrudd på pilotnesen. Svivelen kan tilkoples et rørlegeme og et borerør eller til en kabel anordnet i pilothullet. Fremdriften av den roterende hullåpneren oppnås ved å skyve det roterende rørlegemet og/eller ved å trekke i borerøret eller kabelen, og rotasjonen av hullåpneren tilveiebringes av boremotoren anordnet utenfor inngangen til det utvidede (opprømte) borehullet.

US4401170A beskriver et apparat for boring av underjordiske bueformede baner og installering av fôringer, ledninger eller strømningsrør deri. En retningsborer festet til en borestreng føres i en invertert bueformet bane for å danne et pilothull under en hindring. Et større konsentrisk spylerør følger forboringen med litt avstand bak boret for å danne et konsentrisk ringrom rundt borestrengen og forstørre pilothullet ved hjelp av skjæreblad. Dette gir et ringrom mellom det forstørrede pilothullet og spylerøret. Under fremføringen av spylerøret tilføres boreslam gjennom det indre ringrommet mellom spylerøret og borestrengen for å ta med seg materialet som har blitt løsnet av skjærebladene gjennom det ytre ringrommet mellom det forstørrede pilothullet og spylerøret.

US3301581A beskriver en seksjonert rotasjonsborestreng innrettet til overføring av et stort dreiemoment til ei borkrone anordnet i borestrengens ende, hvor borestrengseksjonene er innbyrdes dreiestivt forbundet uten bruk av gjengeforbindelser.

US3894402 A beskriver en fremgangsmåte for å anbringe et rør eller annen ledning under en overflatehindring, som for eksempel en vannvei. En borestreng tilveiebringer et pilothull langs en invertert, bueformet bane under overflatehindringen fra en side til den andre siden av hindringen, slik at borestrengen strekker seg gjennom pilothullet. En utrømmer med en relativt mindre ledende ende og en større bakre ende festes med sin ledende ende til en av endene av borestrengen, og en ende av røret festes til den bakre ende av utrømmeren. Røret presses inn i pilothullet. Utrømmeren drives ved å rotere røret samtidig som røret skyves inn i pilothullet for å løsne jorden som omkranser pilothullet. Pilothullet forstørres til en diameter som er litt større enn produksjonshuset for å gi et ringrom mellom røret og det utrømmede hullet. Boreslam injiseres gjennom borestrengen og ut av utrømmeren hvor den tar med seg jord gjennom ringrommet.

Oppfinnelsen har til formål å avhjelpe eller å redusere i det minste én av ulempene ved kjent teknikk, eller i det minste å skaffe til veie et nyttig alternativ til kjent teknikk.

Formålet oppnås ved trekkene som er angitt i nedenstående beskrivelse og i de etterfølgende patentkravene.

Det er frembrakt en boreinnretning med en elektrisk drevet borkrone der borkronens rotasjon tilveiebringes av elektromotorer uten at en borstreng som trekker borkronen i aksial retning, roterer.

Det er overraskende funnet at et opprømmingsutstyr med elektrisk drevet borhode og ikkeroterende borstreng gjennom et forboret hull har store fordeler i forhold til kjent teknikk.

En boreinnretning som anvendes ved gjennomføring av opprømmingen, omfatter en roterende borkrone med roterende rulleskjær som presses mot en fjellformasjon og derigjennom bryter løs partikler. Rotasjonen drives av én eller flere motorer, typisk elektromotorer, gjennom egnede giroverføringer. Energitilførselen skjer via ledninger gjennom det forborede hullet fra overflaten. Nødvendig trykk på borkronen tilveiebringes av borstrengen som er satt sammen av borstrengseksjoner og forskyves i borehullets aksiale retning av en aksialdrivanordning, typisk en hydraulisk aksialdrivanordning plassert på overflaten. Rotasjonsdreiemomentet som oppstår ved rotasjon av borkronen, overføres til fjellformasjonen gjennom støttelabber som presses mot en omkringliggende borehullsvegg ved hjelp av hydrauliske sylindre.

Utborede partikler blir transportert ut gjennom borehullet bak boreinnretningen, for eksempel ved hjelp av tyngdekraften gjennom et tilstrekkelig bratt borehull, eller de blir spylt ut med vann dersom borehullet har lite fall bak boreinnretningen.

I et første aspekt vedrører oppfinnelsen mer spesifikt en boreinnretning til bruk ved opprømming av et pilothull i en fjellformasjon, hvor en boreenhet omfatter en roterbar borkronestruktur hvorpå det er montert rulleskjær som er innrettet til å kunne bryte opp fjellformasjonen, idet den roterbare borkronestrukturen er fastgjort på en ikke-roterbar borstreng som strekker seg gjennom pilothullet og er forbundet med en aksialdrivanordning anordnet utenfor pilothullet og fjernt fra boreenheten, kjennetegnet ved at den ikke-roterbare borstrengen er aksielt forskyvbar, og borkronestrukturen og et tilknyttet hus er opplagret på en borstamme som er tilkoplet et endeparti av nevnte borstreng fjernt fra aksialdrivanordningen på ikke-roterbart vis, og hvor rotasjon av huset og borkronestrukturen er tilveiebrakt av drivmotorer tilknyttet huset og borkronestrukturen via et girsystem som omfatter girhjul som står i inngrep med en tannkrans, og hvor aksialdrivanordningen omfatter en vogn som er forskyvbar langs en vognføring som er dreibart tilkoplet en bunnramme, idet vognen er innrettet til å kunne koples til et inngrepsparti på en borstrengseksjon.

Borstrengen kan være seksjonert, idet borstrengseksjoner er forsynt med rotasjonsstive koplinger.

Ledninger innrettet til framføring av energi og styringssignaler kan være anordnet langs borstrengen.

Et parti av ledningene kan være kveilet opp på én eller flere ledningstromler anordnet ved en ak sialdrivanordning anordnet ved borstrengen utenfor pilothullet og fjernt fra boreenheten.

I et andre aspekt vedrører oppfinnelsen mer spesifikt en framgangsmåte for opprømming av et pilothull i en fjellformasjon, kjennetegnet ved at framgangsmåten omfatter følgende trinn:

- å anbringe en seksjonert, ikke-roterbar borstreng i pilothullet med første og andre endepartier av borestrengen, idet endepartiene rager ut fra pilothullet;

- å tilveiebringe en boreenhet som omfatter en roterbar borkronestruktur og et tilknyttet hus som er opplagret på en borstamme, drivmotorer som er tilknyttet huset og borkronestrukturen via et girsystem som omfatter girhjul som står i inngrep med en tannkrans;

- å anordne en aksialdrivanordning utenfor pilothullet, idet aksialdrivanordningen omfatter en vogn som er forskyvbar langs en vognføring som er dreibart tilkoplet en bunnramme, idet vognen er innrettet til å kunne koples til et inngrepsparti på en borstrengseksjon;

- å kople det første endepartiet av borstrengen til en boreenhet ved en ende av pilothullet; - å kople det andre endepartiet av borstrengen til aksialdrivanordningen ved en motsatt ende av pilothullet;

- å sette en borkrone anordnet i boreenheten i rotasjon ved hjelp av drivmotorene; og - å forskyve boreenheten mot aksialdrivanordningen ved å forskyve aksialdrivanordningen langs vognføringen for derved å presse borkronen mot fjellformasjonen som skal brytes opp.

Framgangsmåten kan omfatte det ytterligere trinnet:

- å sentrere boreenheten i et opprømmet borehull ved hjelp av flere støttelabber anordnet på boreenhetens periferi.

I boreoperasjoner som utføres med en boreinnretning og en framgangsmåte av den art som er beskrevet ovenfor, påføres borstrengen typisk en trekkraft på ca.80 tonn, mens dreiemomentet som skal opptas av støttelabbene typisk er ca.2,5 tonnmeter. Med en diameter på et opprømmingshull på 1 meter og en friksjonskoeffisient på ca.0,5 i støttebeinas anlegg mot en borehullsvegg, kreves det ca.10 tonns trykkraft mot borehullsveggen for å oppta et dreiemoment på ca.2,5 tonnmeter. Den aksiale trekk-kraften som påføres borstrengen av aksialdrivanordningen, vil dermed kunne trekke boreenheten i aksial retning mens støttelabbene ligger an mot og glir langs borehullsveggen. Alternativ kan støttelabbene være anordnet på en struktur som er dreiestivt, men aksialt forskyvbart sammenkoplet med boreenheten, slik at støttelabbene ikke må gli langs borehullsveggen under boreenhetens aksiale forskyvning, men frigjøres, trekkes aksialt mot boreenheten og settes igjen under et opphold i boreoperasjonen. I et ytterligere alternativ kan det anvendes to sett av støttelabber som virker uavhengig av hverandre og alternerer mellom anlegg mot borehullsveggen og aksial forskyvning. Dermed kan boreoperasjonen gå uten avbrudd mens dreiemomentet kontinuerlig opptas av et sett stillestående støttelabber. Fordelen med dette er at aksialdrivenheten ikke må overvinne friksjonskraften mellom støttelabbene og borehullsveggen. Støttelabbene utsettes dessuten for mindre slitasje.

I det etterfølgende beskrives et eksempel på en foretrukket utførelsesform som er anskueliggjort på medfølgende tegninger, hvor:

Fig.1 viser et sideriss av en boreinnretning med en boreenhet og en aksialdrivanordning tilordnet en borstreng;

Fig.2 viser boreinnretningen sett i retning B ifølge figur 1;

Fig.3 viser boreinnretningen sett i retning A ifølge figur 1;

Fig.4 viser i perspektiv boreenheten med en borkrone og et parti av en borstreng;

Fig.5 viser et sideriss av boreenheten;

Fig.6 viser et aksialsnitt A-A ifølge figur 5 gjennom boreenheten;

Fig.7 viser et radialsnitt B-B ifølge figur 6 gjennom et girsystem;

Fig.8 viser i perspektiv en detalj av en låseanordning for borstrengen;

Fig.9 viser i perspektiv aksialdrivanordningen;

Fig.10 viser i perspektiv et parti av låseanordningen for borstrengen; og

Fig.11 viser et sideriss av aksialdrivanordningen.

På figurene 1 - 3 betegner henvisningstallet 1 en fjellformasjon hvor det er boret et pilothull 13 som blir opprømmet til et større borehull 8 ved hjelp av en boreinnretning 2’. En boreenhet 2 drives frem i borehullets 8 aksialretning ved hjelp av en seksjonert borstreng 4 som strekker seg gjennom pilothullet 13 og er koplet til en aksialdrivanordning 11. Overføring av energi og styresignaler til boreenheten 2 skjer via ledninger 14 klamret til borstrengen 4. Ledningene 14 kveiles opp på en ledningstrommel 3 plassert på overflaten. En styreenhet 7 omfatter nødvendig utstyr for å kontrollere og operere boreinnretningen 2’.

Det henvises nå særlig til figurene 4 – 7. Boreenheten 2 omfatter en roterbar borekrone 12’ som på i og for seg kjent vis er forsynt med rulleskjær 12 med slitebelegg og som presses mot fjellformasjonen 2 samtidig som de settes i rotasjon ved borkronens 12’ dreining. Rulleskjærene 12 er festet til en borkronestruktur 15 som igjen er forbundet med et ytre hus 16 opplagret med lager 22 på en indre borstamme 21. Borstammen 21 rager ut fra en senteråpning i borkronen 12’ og er rotasjonsstivt forbundet med borstrengen 4 gjennom en kopling 45. Rotasjon av borkronestrukturen 15 og det ytre huset 16 tilveiebringes med drivmotorer 18, typisk elektromotorer, fastgjort i borstammen 21 og forbundet med girsystem 17 omfattende girhjul 20 som går i inngrep med en tannkrans 19 koplet til det ytre huset 16. Ledningene 14 er ført i utsparinger gjennom borstammen 21 fram til drivmotorene 18.

For å hindre at boreenheten 2 roterer og samtidig er sentrert i borehullet 8, er det anbrakt støttelabber 23 som ved hjelp av kneleddlenker 24, 29, en første og en andre støttestruktur 25, 26 og en første lineæraktuator 27 kan presses mot borehullets 8 vegg.

Kneleddlenkene 24, 29 er forbundet til den første og den andre støttestrukturen 25, 26 via dreieledd 46. Den første støttestrukturen 25 er tilknyttet den første lineæraktuatoren 27, typisk en hydraulikksylinder, som gjennom den første strukturen 25, som er forskyvbar i retning mot den andre støttestrukturen 26, og kneleddlenkene 24, 29 kan bevirke en klemkraft på støttelabbene 23. Det er anbrakt en fjær 28 mellom støttestrukturene 25, 26 slik at hvis hydraulikktrykket blir borte ukontrollert, trekker støttelabbene 23 seg tilbake for å hindre at støttelabbene 23 presses mot fjellformasjonen 1 og hemmer uttrekkingen av boreenheten 2 fra borehullet 8.

Borstrengen 4 er tildannet av flere borstrengseksjoner 4a som hver er sammenkoplet med en tilstøtende borstrengseksjon ved hjelp av et første koplingsparti 39 og en korresponderende koplingsbolt (se særlig figurene 4 – 6 og 8) til et andre, tilstøtende koplingsparti 40. Hver borstrengseksjon 4a er i et endeparti forsynt med et inngrepsparti 31 innrettet til låsende inngrep med en låsinnretning 36 anordnet i vognføringsrammen 10 (se figur 10).

Det henvises så til figurene 8 – 11. Til å drive boreenheten 2 i borehullets 8 aksiale retning er det anordnet en aksialdrivanordning 11 bestående av en bunnramme 9 forbundet gjennom dreieledd 43 til en vognføringsramme 10. Til vognføringsrammen 10 er det videre anordnet en vognføring 33 som er innrettet til å tildanne en føringsbane for en vogn 5. Vognføringsrammen 10 er forsynt med et utragende rammeparti 41 som er tilknyttet bunnrammen 9 fjernt fra dreieleddene 43 via andre lineæraktuatorer 34, typisk hydraulikksylindre, slik at vognføringsstrukturen 10 med vognføringen 33 kan settes i ønsket vinkel i forhold til bunnrammen 9.

Til å forskyve vognen 5 langs vognføringen 33 er det anordnet to tredje lineæraktuatorer 6, typisk hydraulikksylindre, i øvre ende koblet til vognen 5 og i nedre ende koblet til vognføringsrammen 10. Vognen 5 kan kobles til borstrengen 4 via borstrengseksjonens 4a koplingsparti 39.

Når en seksjon 4a av borstrengen 4 er ute av pilothullet 13, låses borstrengen 4 av ved hjelp av en låsinnretning 36 anordnet i vognføringsrammen 10 og som går i låsende inngrep i inngrepspartiet 31 i den tilstøtende, neste borstrengseksjon i borestrengen 4. Låsinnretningen 36 forskyves ved hjelp av en fjerde lineæraktuator 35, typisk en hydraulikksylinder.

Når låsinnretningen 36 er i låst posisjon, tas den øvre seksjonen 4a av borstrengen 4 ut, og vognen 5 kjøres ned og koples på nytt til borstrengen 4 som er låst. Låsinnretningen 36 frigjøres og borstrengen 4 kan forskyves videre sammen med boreenheten 2.

Sekvensen gjentas i motsatt rekkefølge når boreenheten 2 skal forskyves i motsatt retning ut av borehullet 8.

Claims (6)

P a t e n t k r a v

1. Boreinnretning (2’) til bruk ved opprømming av et pilothull (13) i en fjellformasjon (1), hvor en boreenhet (2) omfatter en roterbar borkronestruktur (15) hvorpå det er montert rulleskjær (12) som er innrettet til å kunne bryte opp fjellformasjonen (1), idet den roterbare borkronestrukturen (15) er fastgjort på en ikke-roterbar borstreng (4) som strekker seg gjennom pilothullet (13) og er forbundet med en aksialdrivanordning (11) anordnet utenfor pilothullet (13) og fjernt fra boreenheten (2), k a r a k t e r i s e r t v e d at den ikke-roterbare borstrengen (4) er aksielt forskyvbar, og borkronestrukturen (15) og et tilknyttet hus (16) er opplagret på en borstamme (21) som er tilkoplet et endeparti av nevnte borstreng (4) fjernt fra aksialdrivanordningen (11) på ikke-roterbart vis, og hvor rotasjon av huset (16) og borkronestrukturen (15) er tilveiebrakt av drivmotorer (18) tilknyttet huset (16) og borkronestrukturen (15) via et girsystem (17) som omfatter girhjul (20) som står i inngrep med en tannkrans (19), og hvor aksialdrivanordningen (11) omfatter en vogn (5) som er forskyvbar langs en vognføring (33) som er dreibart tilkoplet en bunnramme (9), idet vognen (5) er innrettet til å kunne koples til et inngrepsparti (31) på en borstrengseksjon (4a).

2. Anordning i henhold til krav 1, hvor borstrengen (4) er seksjonert, idet borstrengseksjoner (4a) er forsynt med rotasjonsstive koplinger (39, 40).

3. Anordning i henhold til krav 1, hvor ledninger (14) innrettet til framføring av energi og styringssignaler er anordnet langs borstrengen (4).

4. Anordning i henhold til krav 3, hvor et parti av ledningene (14) er kveilet opp på én eller flere ledningstromler (3) anordnet ved aksialdrivanordningen (11).

5. Framgangsmåte for opprømming av et pilothull (13) i en fjellformasjon (1), k a -r a k t e r i s e r t v e d at framgangsmåten omfatter følgende trinn:

- å anbringe en seksjonert, ikke-roterbar borstreng (4) i pilothullet (13) med første og andre endepartier av borstrengen (4), idet endepartiene rager ut fra pilothullet (13); - å tilveiebringe en boreenhet (2) som omfatter en roterbar borkronestruktur (15) og et tilknyttet hus (16) som er opplagret på en borstamme (21), drivmotorer (18) som er tilknyttet huset (16) og borkronestrukturen (15) via et girsystem (17) som omfatter girhjul (20) som står i inngrep med en tannkrans (19);

- å anordne en aksialdrivanordning (11) utenfor pilothullet (2), idet aksialdrivanordningen (11) omfatter en vogn (5) som er forskyvbar langs en vognføring (33) som er dreibart tilkoplet en bunnramme (9), idet vognen (5) er innrettet til å kunne koples til et inngrepsparti (31) på en borstrengseksjon (4a);

- å kople det første endepartiet av borstrengen (4) til borstammen (21) i boreenheten (2) ved en ende av pilothullet (13);

- å kople det andre endepartiet av borstrengen (4) til aksialdrivanordningen (11) ved en motsatt ende av pilothullet (13);

- å sette en borkrone (12’) anordnet i boreenheten (2) i rotasjon ved hjelp av drivmotorene (18); og

- å forskyve boreenheten (2) mot aksialdrivanordningen (11) ved å forskyve aksialdrivanordningen (11) langs vognføringen (33) for derved å presse borkronen (12’) mot fjellformasjonen (1) som skal brytes opp.

6. Framgangsmåte ifølge krav 5, hvor framgangsmåten omfatter det ytterligere trinnet:

- å sentrere boreenheten (2) i et opprømmet borehull (8) ved hjelp av flere støttelabber (23) anordnet på boreenhetens (2) periferi.