NO844770L - Borkrone - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse har befatning med roterbare borkroner for anvendelse ved boring eller neddriving av dype huller i undergrunnsformasjoner, og vedrører særlig håndteringen av enkeltskjær på slike kroner.

Roterbare borkroner av den type som har tilknytning til oppfinnelsen, omfatter en kronesokkel med et mellomstykke og en innvendig kanal for fremføring av borevæske til kronens ytter-flate. Kronesokkelen er forbundet med et antall såkalte "prefabrikerte" enkeltskjær. Hvert enkeltskjær omfatter et tynt, hardt ytterlag som danner skjærets fremre skjæreflate og som er forbundet med et mindre hardt støttelag. Det harde ytterlag kan f.eks. bestå av polykrystallinsk diamant eller annet, superhardt materiale og støttelaget av sementert wolframkarbid. Det vil ved disse tolags-skjær oppnås en viss grad av selvsliping, da det mindre harde støttelag under drift vil bortslites hurtigere enn det hardere skjærelag.

Ved mange kjente borkroner av denne type blir de prefabrikerte enkeltskjær montert på kronesokkelen ved å forankres, eksempelvis ved slaglodding, til en bæredel som kan bestå av en tapp som opptas i stilling i en forsenkning i kronesokkelen. Slike tapper kan fremstilles av ulike materialer.

Ved en borkrone av kjent type er disse tapper tilvirket av herdet stål. Slike anordninger har imidlertid den store ulempe at blottlagte partier av ståltappen under drift vil utsettes for erosjon som i hovedsak skyldes borevæsken som strømmer langs borkronens ytterside under medføring av boreavfall. En slik erosjon kan oppstå meget raskt og kan fortsette til det stadium hvor enkeltskjærenes forankring er så svekket av erosjonen at borkronen blir ubrukelig, selv om enkeltskjærene i seg selv ikke har nådd slutten av sin levetid som følge av påført slitasje under boring.

Denne mangel ved stålbæredelene har hittil vært forsøkt avhjulpet ved å belegge bæredelens blottlagte partier med et hardt dekkmateriale, eksempelvis et lag av metallbundet wolframkarbid. Det er imidlertid ikke bare en vanskelig og kostbar prosess å belegge bæredelene på denne måte, men metoden er heller ikke særlig effektiv, da det i praksis har vist seg at det harde belegg, selv om det er mer erosjonsbestandig enn det underlig-gende stålmateriale, fremdeles eroderer temmelig raskt i slik grad at borkronen blir ubrukbar selv om enkeltskjærene i seg selv ikke er utslitt. For å løse dette problem har det vært vanlig å tilvirke selve bæredelene eller tappene helt ut av et erosjonsbestandig materiale, såsom sementert wolframkarbid.

Selv om slike bæredeler er bestandig mot erosjon, vil de under anvendelse medføre andre ulemper. Foruten at bæredeler av wolframkarbid er betydelig kostbarere og vanskeligere å frem-stille enn stålbæredeler, vil slitasjen av skjærene og bæredelene under bruk resultere i en størrelsesøkning av den hardkarbidflate som gnies mot formasjonsoverflaten bak enkeltskjærets skjæregg. Derved økes borebelastningen samtidig som den tidligere omtalte, selvslipende effekt hos skjærene avtar, i betraktning av den større flate som må nedslites bak skjæreggen.

Den foreliggende oppfinnelse har som formål å avhjelpe ved de ovennevnte, kjente anordninger.

Det er ifølge oppfinnelsen frembrakt en roterbar borkrone for anvendelse ved boring eller neddriving av dype huller i undergrunnsformasjoner, som omfatter en kronesokkel med et mellomstykke for fastkopling til en borstreng, et antall enkeltskjær som er montert på borkronens ytterside, og en innerkanal i kronesokkelen, for fremføring av borevæske til kronesokkelens ytterside, for avkjøling og/eller rengjøring av skjærene, hvor i hvert fall noen av enkeltskjærene innbefatter et tynt, hardt ytterlag som danner en fremre skjæreflate og er forbundet med et mindre hardt støttelag, og hvor skjæret et montert på en bæredel som opptas i en forsenkning i kronesokkelen på slik måte at bæredelen, i hvert fall innen borkronen er påført noen slitasje, er praktisk talt fullstendig omgitt av materialet i kronesokkelen, og hvor bæredelen er tilvirket av materiale som er mindre hardt enn støttelaget for enkeltskjæret.

Bæredelen er fra begynnelsen omgitt av materialet i kronesokkelen, og er derfor ikke direkte utsatt for erosjon under drift av borkronen. Når enkeltskjærene nedslites, vil imidlertid støttelaget og kronesokkelen bakenfor skjæreflaten nedslites og til sist blottlegge et parti av bæredelen, men da bæredelen blottlegges bare grunnet slitasje og ikke på grunn av erosjon, vil bæredelens blottlagte flateparti under boring bringes i gnidende berøring med formasjonsytterflaten og følgelig ikke påføres erosjon av borevæsken. Da dette blottlagte parti av bæredelen består av mindre hardt materiale enn støttelaget for enkeltskjæret, vil selve enkeltskjærets selvslipende evne for-bedres, da den bløtere bæredel bortslites hurtigere enn både det harde ytterlag og støttematerialet.

Ifølge oppfinnelsen kan hver bæredel være tilvirket av stål, og slike stålbæredeler er, som tidligere nevnt, billigere i fremstilling enn bæredeler av hardere materiale, såsom sementert wolframkarbid. For å oppnå den økete, selvslipende effekt, vil det være fordelaktig at materialet i bæredelen er mindre hardt enn det materiale hvorav kronesokkelen er tilvirket, selv om dette er uten avgjørende betydning.

Det harde ytterlag på hvert enkeltskjær kan på kjent måte være tilvirket av polykrystallinsk diamant, og støttelaget kan bestå av sementert wolframkarbid.

Støttelaget for hvert enkeltskjær kan ha en varierende tykkelse som er større ved ytterlagets skjæregg enn over ytterlagets øvrige flateparti. Støttelagets tykkelse kan eksempelvis variere kontinuerlig og jevnt langs skjæreflatepartiet. I en foretrukket versjon er støttelagets bakside stort sett plan slik at støttelaget har stort sett kileformet tverrsnitt.

Hvert enkeltskjær kan på kjent måte ha stort sett sirkelformet tverrsnitt, selv om skjær av andre former også kan komme til anvendelse. Bæredelen kan ha samme tverrsnittsform som det tilhørende enkeltskjær, og kan utgjøre en aksial forlengelse av dette. Bæredelen kan alternativt være anordnet i form av en stort sett sylindrisk tapp med en endeflate som heller mindre enn 90° i forhold til tappens midtakse og som er forbundet med baksiden av støttelaget.

Skjærsokkelen kan bestå av en sementert wolframkarbidmatrise, stål eller stål med et hardt ytterbelegg, eller enhver konvensjonell kombinasjon av slike materialer.

Hver bæredel kan være forankret i den tilhørende forsenkning ved slaglodding eller ved presspasning.

Oppfinnelsen er nærmere beskrevet i det etterfølgende under henvisning til de medfølgende tegninger, hvor: Fig. 1 viser et sideriss av en typisk borkrone hvor den foreliggende oppfinnelse kan komme til anvendelse.

Fig. 2 viser et enderiss av borkronen ifølge fig. 1.

Fig. 3-6 viser skjematiske snitt av enkeltskjær som er montert på en bæredel i en borkronesokkel.

Sokkelen 10 av en borkrone som typisk består av en wolframkarbidmatrise som er infiltrert med en bindelegering, er vist i fig. 1 .og 2, og er i den ene ende utstyrt med et gjenget mellomstykke 11 for fastkopling til borstrengen.

Kronesokkelens virksomme endeflate 12 innbefatter et antall blader 13 som utgår fra kronens midtparti og er forbundet med enkeltskjær 14 som er fordelt i bladenes lengderetning.

Borkronen omfatter en styreseksjon 15 med knaster 16 som bringes i anlegg mot borehullveggen, for stabilisering av borkronen i borehullet. Fra en gjennomgående midtkanal (ikke vist) i kronesokkelen og mellomstykket fremføres borevæske gjennom dyser 17 i endeflaten 12, på kjent måte.

Det bør bemerkes at dette bare er et eksempel på de mange mulige variasjoner av den borkronetype hvor oppfinnelsen kan komme til anvendelse, med innbefatning av borkroner hvor sokkelen består av stål.

Hvert enkeltskjær 14 omfatter et prefabrikert skjærelement som er montert på en bæredel i form av en tapp som er innmontert i en forsenkning i kronesokkelen. Hvert prefabrikert enkeltskjær er vanligvis sirkelformet og omfatter et tynt ytterlag av polykrystallinsk diamant som er forbundet med et tykkere støttelag av wolframkarbid. Baksiden av hvert enkeltskjærs støttelag er forbundet, eksempelvis ved slaglodding, til et hensiktsmessig anordnet flateparti på tappen.

Fig. 3-6 viser, utelukkende som eksempel, fire typiske montasjer av enkeltskjæret ifølge oppfinnelsen. I hvert tilfelle er tappen tilvirket av et materiale som er mindre hardt enn materialet, vanligvis wolframkarbid, i støttelaget.

Som det fremgår av fig. 3, er selve enkeltskjæret 18 sirkelformet og omfatter et tynt, hardt ytterlag 19 av polykrystallinsk diamant og et tykkere støttelag 20 av sementert wolframkarbid. Ytterlaget 19 forløper vinkelrett mot enkeltskjærets midtakse.

Baksiden 21 av støttelaget 20 er forbundet med endeflaten av en stort sett sylinderformet tapp 22, fremstilt av stål, som er anordnet koaksialt med enkeltskjæret 18 og av samme tverrsnittsform, og derved danner en aksial forlengelse av enkelt-sk jæret. Hele skjæret 14 opptas i en sylindrisk forsenkning 23 i bladet 13 på kronesokkelen, hvor bladet er tilvirket av en wolframkarbidmatrise. Tappen 22 kan være forankret i forsenkningen ved slaglodding eller ved presspasning. Det fremgår imidlertid av fig. 3 at sokkelen 23 har en slik dybde i forhold til aksiallengden av tappen 22 at enkeltskjærets tappseksjon er fullstendig opptatt i forsenkningen, hvorved materialet i tappen omsluttes fullstendig av matrisematerialet som danner kronesokkelen. Som tidligere omtalt vil ståltappen på denne måte beskyttes mot den erosjon som tappen ellers ville utsettes for. Når enkeltskjæret 18 nedslites under bruk, vil imidlertid det tynne matriselag ved den nedre del av forsenkningen bortslites slik at materialet i selve tappen 22 vil beveges gnidende mot formasjonen. Derved fremmes den selvslipende effekt hos enkeltskjæret, idet det bløtere materiale i tappen 22 vil bortslites hurtigere enn det hardere materiale i støttelaget 20 som, i sin tur, bortslites hurtigere enn ytterlaget 19. Da bare det blottlagte parti av tappen 22 befinner seg i gnidende anlegg mot formasjonen, vil samtidig den øvrige del av tappen fremdeles være beskyttet mot erosj on.

Ved den alternative utførelsesform ifølge fig. 4 er ikke støttelaget 20 av ensartet tykkelse, men dets bakside 21 heller i en vinkel av mindre enn 90° mot enkeltskjærets midtakse. Støtte-laget 20 er følgelig stort sett kileformet og har derved øket tykkelse ved enkeltskjærets skjæregg, som vist ved 24.

Forsiden av ståltappen 22 heller på tilsvarende måte mot tappens midtakse og sammenfaller derved med baksiden av støtte-laget 20, og de to flatepartier sammenføyes, eksempelvis ved LS-heftforankring i en høytemperaturprosess, innen tappen inn-føres i forsenkningen 23. Som det fremgår av fig. 4, er forsenkningen 23 slik dimensjonert at den fullstendig opptar tappen som derved beskyttes mot erosjon under drift av borkronen.

Fig. 5 og 6 viser andre, alternative versjoner med for-skjellige tapputforminger, hvor tappen i hvert enkelt tilfelle igjen er fullstendig omsluttet av materialet i kronesokkelen.

I de ovennevnte tilfeller vil enkeltskjærene, hvert for seg med det prefabrikerte skjærelement 18 og bæredelen 22, nor-malt være sammenføyet på forhånd ved heftforankring av skjærelementene til bæredelene, innen de innføres i forsenkningene i kronesokkelen. Det ligger imidlertid innenfor oppfinnelsens ramme at bæredelene innmonteres i kronesokkelen innen skjærelementene forankres til bæredelene. Bæredelene kan eksempelvis innstøpes i kronesokkelen under tilvirkningen av denne, eller forankres ved påfølgende slaglodding, idet skjærelementene i hvert tilfelle deretter forankres, eksempelvis ved hjelp av laser, til bæredelene som derved befinner seg i stilling.

Claims (13)

1. Roterbar borkrone som er bestemt for anvendelse ved boring eller neddriving av dype huller i undergrunnsformasjoner, og som omfatter en kronesokkel (10) med et mellomstykke (11) for fastkopling til en borstreng, et antall enkeltskjær (14) som er montert på kronesokkelens ytterside, og en kanal i kronesokkelen, for fremføring av borevæske til kronesokkelens ytterside, for avkjøling og/eller rengjøring av enkeltskjærene, hvor i hvert fall noen av enkeltskjærene (14) innbefatter et tynt, hardt ytterlag (19) som danner en fremre skjæreflate og som er forbundet med et mindre hardt støttelag (20), og hvor enkeltskjærene er montert på en bæredel (22) som opptas i en forsenkning (23) i kronesokkelen, karakterisert ved at bæredelen (22), i hvert fall innen borkronen er påført noen slitasje, er stort sett fullstendig omsluttet av materiale (13) i kronesokkelen, og tilvirket av et materiale som er mindre hardt enn støttelaget (20) for enkeltskjæret.

2. Borkrone i samsvar med krav 1, karakterisert ved at hver bæredel (22) er fremstilt av stål.

3. Borkrone i samsvar med et av kravene 1 eller 2, karakterisert ved at det harde ytterlag (19) på hvert enkeltskjær består av polykrystallinsk diamant.

4. Borkrone i samsvar med et av kravene 1-3, karakterisert ved at støttelaget (20) for hvert enkeltskjær (14) består av sementert wolframkarbid.

5. Borkrone i samsvar med et av kravene 1-4, karakterisert ved at hvert enkeltskjærs (14) støttelag (20) er av varierende tykkelse og tykkere ved ytterlagets skjære-kant (19) enn over den øvrige del av ytterlagsflaten.

6. Borkrone i samsvar med krav 5, karakterisert ved at støttelagets (20) tykkelse varierer kontinuerlig og jevnt langs skjæreflaten.

7. Borkrone i samsvar med krav 6, karakterisert ved at støttelagets (20) bakside er stort sett plan slik at støttelaget har stort sett kileformet tverrsnitt.

8. Borkrone i samsvar med et av kravene 1-7, karakterisert ved at hvert enkeltskjær (14) har stort sett sirkelformet tverrsnitt.

9. Borkrone i samsvar med et av kravene 1-8, karakterisert ved at bæredelen (22) har samme tverrsnittsform som hvert enkeltskjær (14) og danner en aksial forlengelse av dette.

10. Borkrone i samsvar med et av kravene 1-8, karakterisert ved at bæredelen (22) har form av en stort sett sylindrisk tapp med en endeflate som heller mindre enn 90° mot tappens midtakse og som er forbundet med støttelagets bakside.

11. Borkrone i samsvar med et av kravene 1-10, karakterisert ved at kronesokkelen er fremstilt av sintret wolframkarbidmatrise, stål eller stål med et hardt ytterbelegg.

12. Borkrone i samsvar med et av kravene 1-11, karakterisert ved at hver bæredel (22) er forankret i den tilhørende forsenkning (23) ved slaglodding.

13. Borkrone i samsvar med et av kravene 1-11, karakterisert ved at hver bæredel er forankret ved presspasning i den tilhørende forsenkning.