NO830532L - Borkrone. - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører roterbare borkroner, særlig borkroner for boring eller kjerneboring av dype hull fra overflaten i formasjoner som befinner seg under jordens overflate.

I britisk patentskrift 1.239.074 er det omtalt en roterbar borkrone med skiveformete skjæreelementer, som kan rotere fritt, montert i hylser i borkronens hoveddel eller legeme.

Et formål med oppfinnelsen har vært å komme frem til en roterbar borkrone med roterbare skjæreelementer som har lang levetid og er ytterst effektive ved boring.

I overensstemmelse med oppfinnelsen har en roterbar borkrone for boring eller kjerneboring av dype hull fra overflaten i formasjoner som befinner seg under jordens overflate, f.eks.

for olje, gass, avfallsfjerning eller geotermisk energiutvinning, et legeme eller hoveddel med et skaft som er utformet med en boring for passasje av borefluidum til borkronens ytterflate,

idet hoveddelens diameter overskrider 100 mm, mens et antall roterbare skjæreelementer har en skjæreflate, som omfatter et agglomerat av diamantpartikler, og som er således montert på hoveddelen at de kan rotere fritt når borkronen er i bruk.

Det at de roterbare skjæreelementenes skjæreflate omfatter et agglomerat av diamantpartikler gjør det mulig å oppnå betyde-lige fordeler gjennom rotasjonen av skjæreelementene. Rotasjonen gir især skj æreelementene lang levetid og jevnere slitasje samt kan bidra til å fjerne borekutt. Ved borkroner som generelt er av den nå aktuelle type har det i praksis sjeldent eller ikke i det hele tatt vært benyttet roterbare skjæreelementer, idet ulempene med tidligere foreslåtte konstruksjoner synes å oppveie eventuelle fordeler. Selv om det er kjent borkroner med skjæreelementer som omfatter et agglomerat av diamantpartikler og at slike elementer kan gi en meget effektiv skjærevirkning, ble det imidlertid antatt at skjæreelementene måtte være faste.

Borkronene ifølge oppfinnelsen medfører mange forskjellige fordeler og en særlig fordel eller kombinasjon av fordeler kan være spesielt fordelaktig i en bestemt situasjon. Etter en gitt brukstid kan borkroner ifølge oppfinnelsen gi høyere gjennom-trengningshastighet enn kjente borkroner. Borkronene har dess-uten forlenget nyttig levetid. Dersom det ikke er behov for lengre levetid, kan antallet av skjæreelementer reduseres, slik at omkostningene minskes. Borkronene ifølge oppfinnelsen tillater også økonomisk boring i hardere eller mer slipende formasjoner. En ytterligere fordel består i at det ved borkronene ikke kreves at skjæreelementenes skjæreflate må være et i høyeste grad hardt sjikt, slik at skjæreflaten kan bestå av et materiale som er mindre tilbøyelig til skaving og skade ved støt og slag.

Skjæreelementene kan monteres på borkronen på mange forskjellige måter slik at de kan rotere fritt, men det blir fore-trukket å utstyre skjæreelementet med en spindel som er roterbart montert i et hull i borkronelegemet for rotasjon av skjæreelementet. Alternativt kan skjæreelementet være roterbart montert på en fast aksel som skyter frem fra borkronelegemet.

Den ytre dvs. skjærende delen av de roterbare skjæreelementene består fortrinnsvis av en skive, og det er svært fordelaktig at diameteren av skjæreelementets spindel eller av den aksel, som skjæreelementet er montert på, er minst 45% av skivens diameter. På denne måten er det mulig å oppnå fordelene ved-rørende roterbarheten av skjæreelementene og på samme tid ha roterbart monterte skjæreelementer som oppviser god-motstands-dyktighet mot å bli brutt av fra borkronen under bruk.

Som allerede angitt omfatter de roterbare skjæreelementenes skjæreflate et agglomerat av diamantpartikler, som kan være naturlige eller syntetiske. I tillegg til diamantpartiklene kan det finnes sekundærpartikler og et metallisk bindemiddel. Skjæreflaten består fortrinnsvis av et sjikt, som kan være forholdsvis tynt, av agglomerert polykrystallinsk diamant og som er under-støttet av et tykkere lag av hardwolframkarbid. Når skjæreelementet er utstyrt med spindel, kan denne bestå f.eks. av hard-wolf ramkarbid eller annet materiale, idet den fortrinnsvis er utformet i ett stykke med skjæreelementets understøttende lag. Skjæreelementer av den type som kan benyttes i borkroner ifølge oppfinnelsen blir enkelte ganger kalt for for-formeskjæreele-menter .

Diameteren av hoveddelen av borkronene ifølge oppfinnelsen overskrider vanligvis 160 mm etter som borkronene er beregnet på dyphullsboring og for dette formål kreves det normalt slike diametre. Borkronens legeme eller hoveddel kan være av stål,

men fortrinnsvis består hele eller en del av borkronelegemets ytterflate av såkalt grunnmasse, f.eks. wolframkarbidpartikler infiltrert med en metallegering. Fortrinnsvis består hoveddelen av grunnmasse i hvert fall i de områdene hvor skjæreelementene er montert.

De roterbare skjæreelementene er fortrinnsvis montert på borkronelegemet ved en sideskråning. Dette bidrar til å iverk-sette rotasjon av skjæreelementene når borkronen er i bruk.

Borkronene ifølge oppfinnelsen omfatter i alminnelighet minst fire roterbare skjæreelementer, fortrinnsvis minst ni. Borkronen kan imidlertid også omfatte ett eller flere ikke-roterbare skjæreelementer. Når det gjelder borkroner for boring i motsetning til borkroner for kjerneboring kan ethvert skjæreelement nær borkroneaksen være fast, etter som skjæreelementer i dette området er utsatt for betydelig mindre slitasje enn skjæreelementer i nærheten av borkronens omkrets. Borkronen kan ved sin ytterflate være forsynt med et antall blader eller kniver, som skjæreelementene kan være festet på, men slike blader eller kniver kan også sløyfes.

Boringen for borefluidum i borkronen fører til én eller flere kanaler som munner ut ved borkronens ytterflate, idet kanalens eller kanalenes munninger ved borkroneflaten er fortrinnsvis fremstilt i hardmetall såsom infiltrert wolframkarbid-grunnmasse eller er utstyrt med et munnstykke eller munnstykker av hardwolframkarbid eller keramikk eller annet passende hardt materiale.

En fremgangsmåte ifølge oppfinnelsen til boring eller kjerneboring av et dypt hull fra overflaten i en formasjon som befinner seg under jordens overflate består i å gjøre borkronen fast til en borestreng og rotere borestrengen mens borefluidum bringes til å strømme gjennom boringen i borkronen til dens ytterflate, idet borkronens rotasjon i nevnte formasjon er slik at den forårsaker rotasjon av de roterbare skjæreelementene.

Borefluidet eller "slammet" pumpes gjennom borkronen, kommer ut ved borkronens ytterflate og strømmer oppover forbi skjæreelementene. Slammet stryker borekuttet bort samt renser og kjøler skjæreelementene. Borkronen blir fortrinnsvis rotert ved 50 til 150 omdreininger pr. minutt.

Borkronen ifølge oppfinnelsen kan benyttes i forbindelse med mange forskjellige formasjoner som befinner seg under jordens overflate, f.eks. harde bergarter, leirstein, skifer, kalkstein, sandstein, kvarts, leirer, kritt og dolomitt.

De roterbare skjæreelementene danner selv en ytterligere aspekt ved oppfinnelsen.

Oppfinnelsen forklares nærmere i det etterfølgende under henvisning til de medfølgende skjematiske tegninger, hvor: Fig. 1 viser et perspektivriss av en borkrone ifølge oppfinnelsen . Fig. 2 viser et forstørret snitt gjennom et av de roterbare skjæreelementene i borkronen ifølge fig. 1. Fig. 3 viser et snittriss etter linjen 3-3 i fig. 2 i for-minsket målestokk i forhold til fig. 2. Fig. 4 viser et enderiss av en annen borkrone ifølge oppfinnelsen .

Fig. 5 viser et sideriss av borkronen ifølge fig. 4.

Fig. 6 viser et forstørret snitt gjennom et av de roterbare skjæreelementene i borkronen ifølge fig. 5.

I overensstemmelse med fig. 1 omfatter borkronen en gjenget tappforbindelse 1 og et mellomstykke eller skaft 2, som er utformet med en (ikke vist) boring. Gjennom boringen kan det via åpningen 15 tilføres borefluidum til ytterflaten 3 på borkronens hoveddel 4, som har en diameter på ca. 165 mm. Ved sin ytterflate har borkronen syv blader 5 som bærer skjæreelementene 6 (bare vist for tre av bladene) som er montert ved en sideskråning.

Bortsett fra skjæreelementene i det midtre området av borkronens ytterflate, er skjæreelementene roterbart montert som vist i fig. 2. For hvert av de roterbare skjæreelementene finnes det et hull eller en lomme 7 i bladet 5, idet det i lommen er satt inn en bøssing 8 av f.eks. hardwolframkarbid.

Bøssingen 8 kan bli holdt på plass ved slaglodding eller, dersom bladene 5 består av grunnmasse, ved å være satt inn i formen under dannelsen av bladet, idet det infiltrerende bindemiddel av metallegering som blir benyttet i denne prosessen tjener til å forbinde bøssingen med den tilstøtende grunnmassen. Bladene 5 består fortrinnsvis av grunnmasse eller er belagt med et materiale som er ytterst motstandsdyktig overfor erosjon mens resten av borkronens hoveddel kan bestå av grunnmasse eller av stål.

Det roterbare skjæreelementet 6 (fig. 2) har en skiveformet skjæreflate i form av et tynt sjikt 9 av agglomerert polykrystallinsk diamant. Sjiktet 9 er understøttet av et tykkere lag 10

av hardwolframkarbid, idet sjiktet 9 er for-formet med laget 10. Laget 10 har ved sin bakre ende en spindel 11 av hardwolframkarbid, som er utformet i ett stykke med laget 10.

Spindelen 11 er lagret i bøssingen 8 og er i nærheten av sin indre ende utformet med et omkretsspor 12. En fjærende splitt-ring 13 er passet inn i sporet før spindelen ble satt inn i bøs-singen, idet splittringen blir trykket sammen i sporet under innføringen av spindelen i bøssingen, slik at den etter at inn-føringen er fullført ekspanderer til den stillingen som er vist i fig. 2, hvor den ligger delvis mot en innvendig skulder 14

i bøssingen og delvis fremdeles inne i sporet 12. På denne måten blir skjæreelementet holdt på plass under alle forhold selv om det vil forstås at skjæreelementet når borkronen befinner seg i bunnen av hullet, som er i ferd med å bores, i alle tilfeller blir holdt på plass ved at det blir trykket mot formasjonen som det bores i. Sporet og splittringen kan ha mange forskjellige tverrsnittsformer istedenfor de som er vist i fig. 2. Det kan benyttes andre midler, f.eks. tapper eller stifter for å holde skjæreelementene på plass.

Ved den borkronen som er vist i fig. 4 og 5 er hoveddelen fortrinnsvis av stål og som ved borkronen ifølge fig. 1 finnes det en gjenget tappforbindelse 1 og et skaft 2, som er utformet med en boring (ikke vist). Gjennom boringen kan det tilføres borefluidum til ytterflaten på borkronens hoveddel. I dette til-fellet kommer borefluidum ut ved borkroneflaten gjennom tre munnstykker 15 av hardkarbid istedenfor gjennom en enkelt sentral åpning. Ved sin ytterflate har borkronen et antall blader 5 som hver bærer ett eller flere skjæreelementer 6, som er montert ved en sideskråning.

Bortsett fra skjæreelementene i det midtre området av borkronens ytterflate er skjæreelementene roterbart montert som vist i fig. 6. Selve skjæreelementene likner stort sett de som er benyttet i borkronen ifølge fig. 1, men istedenfor å være lagret i en bøssing er de lagret i en boring 16 i en tapp eller propp 17 som er festet i en lomme 7 i bladet 5. Skjæreelementene kan bli holdt på plass ved hjelp av de samme midler som er benyttet i borkronen ifølge fig. 1. Tappen eller proppen 17 består fortrinnsvis av hardwolframkarbid, men det kan også brukes stål.

Bøssingens eller tappens trykk- og bærelagerflater og til-svarende flater på skjæreelementet er ved borkronene nøyaktig dimensjonert samt har liten overflate-ruhet, for å lette rotasjon av skjæreelementene uten utilbørlig slitasje på lagerflåtene.

Om ønskes kan borkronen innbefatte organ for tilførsel av smøre-middel til lagerflatene og/eller for å hindre inntrengning av støv mellom lagerflatene. For å begunstige lagrenes funksjon kan bøssingens boring være forsynt med en hylse av et materiale med lav friksjon eller overtrukket med et slikt materiale, idet spindelen kan være belagt med et slikt materiale, mens en brikke av materiale med liten friksjon kan være montert på spindelen mellom skivens innerflate og bøssingens ytterflate og den ene av disse flater eller begge kan være overtrukket med et materiale med lav friksjonskoeffisient.

Når en borkrone ifølge oppfinnelsen er i bruk, forårsaker kontakten med formasjonen at de roterbare skjæreelementene rote-rer, og på denne måten blir hele skjærekanten utnyttet for skjære-virkningen. Slitasjen på skjærekanten av hver av de roterbare skjæreelementene blir følgelig mer regelmessig enn den ellers ville ha blitt, og skjæreelementene får derved ikke bare lengre levetid, men det oppnås også en lengre boreperiode med skarpe skjæreelementer.

Claims (12)

1. Roterbar borkrone for boring eller kjerneboring av dype hull fra overflaten i formasjoner som befinner seg under jordens overflate, og av den type som omfatter et legeme eller hoveddel med et skaft, som er utformet med en boring for passasje av borefluidum til borkronens ytterflate, og hvor hoveddelens diameter overskrider 100 mm, idet et antall roterbare skjæreelementer er således montert på hoveddelen at de kan rotere fritt når de er i bruk, karakterisert ved at skjæreflaten på de roterbare skjæreelementene omfatter et agglomerat av dia-

mantpartikler.

2. Borkrone i samsvar med krav 1, karakterisert ved at agglomeratet består av polykrystallinsk diamant.

3. Borkrone i samsvar med krav 2, karakterisert ved at agglomeratet av polykrystallinsk diamant har form av et sjikt som er understøttet av et tykkere lag av hardwolframkarbid .

4. Borkrone i samsvar med krav 1, karakterisert ved at agglomeratet består av et agglomerat av diamantpartikler, sekundærpartikler og et metallisk bindemiddel.

5. Borkrone i samsvar med et av kravene 1-4, karakterisert ved at hvert roterbart skjæreelements skjæreflate er dannet av en skive som er montert for rotasjon rundt sin akse.

6. Borkrone i samsvar med krav 5, karakterisert ved at hver skive har en spindel som er roterbart montert i et hull i borkronens hoveddel.

7. Borkrone i samsvar med krav 6, karakterisert ved at spindelens diameter er minst 45% av skivens diameter.

8. Borkrone i samsvar med et av kravene 1-7, karakterisert ved at borkronens diameter overskrider 160 mm.

9. Borkrone i samsvar med krav 8, karakterisert ved at det finnes minst ni skjæreelementer.

10. Roterbart skjæreelement for anvendelse i en borkrone i samsvar med krav 1, karakterisert ved at ele-mentet omfatter en skive med en skjæreflate som omfatter et agglomerat av diamantpartikler og på sin motsatte ytterflate og i ett stykke med skiven, en spindel som er koaksial med skiven.

11. Element i samsvar med krav 10, karakterisert ved at spindelens diameter er minst 45% av skivens diameter.

12. Roterbart skjæreelement for anvendelse i en borkrone i samsvar med krav 1, karakterisert ved at ele-mentet omfatter en skive med en skjæreflate som omfatter et agglomerat av diamantpartikler og utformet med en aksial åpning for skivens montering på organ for rotasjon av skiven omkring dens akse.