NO852510L

NO852510L - Hydraulisk drevet broennbor.

Info

Publication number: NO852510L
Application number: NO852510A
Authority: NO
Inventors: Per Staffan Goete Gustafsson
Original assignee: Atlas Copco Ab
Priority date: 1984-06-25
Filing date: 1985-06-21
Publication date: 1985-12-27
Also published as: AU4415785A; SE444127B; SE8403370D0; JPS6114392A; SE8403370L; US4660658A; EP0171374A1

Description

Oppfinnelsen angår et hydraulisk drevet brønnbor

for fjell omfattende et hus som danner en sylinder, en borkrone glidende opptatt og holdt av frontenden i nevnte hus og med en styrepassasje som leder til dets frontende, en stempelhammer frem- og tilbakegående i nevnte sylinder for repete-rende avlevering av slag mot nevnte borkrone, idet stempelhammeren har en gjennomgående sentralkanal og en frontdrivover-flate i et fronsylinderkammer for å drive stempelhammeren bakover i sitt returslag og en bakre drivoverflate i et bakre sylinderkammer for å drive stempelhammeren forover i sitt arbeidsslag, bakre drivoverflate er mindre enn nevnte front-drivoverflate, en ventil følsom for stillingen av stempelhammeren for styring av tilførelsen av trykkvæske til kanalen i stempelhammeren, og en utløpsventil for styring av utløpet fra nevnte frontsylinderkammer til nevnte spylepassasje.

Slågdrevne brønnbor for fjell eller bor-nede i brønnhullet (downhole drills) som de også kalles er montert på frontenden av et borerør. Borerøret overfører rotasjon og tilførselskraft fra en innretning på utsiden, av borehullet. Derfor roterer hele boret i hullet mens dets hammerstempel ham-rer på borkronen. Borerøret overfører drivfluidumet under overtrykk til boret.

Slagkraften for brønnbor er vanligvis liten sammenlignet med slagkraften for topphammere fordi maksimumsradiusen for boret er begrenset og derved drivarealet for stempelhammeren. Vanligvis er brønnhammere pneumatisk drevet og driv-trykket er derfor forholdsmessig lavt. Kvotientene mellom drivarealene og borehullarealene vil være mindre jo mindre hullarealet er, og derfor er ikke brønnbor med liten diameter særlig kraftig. Vanligvis anvendes brønnbor for borehull større enn 75 - 100 mm.

I US patent 4 450 920 er det beskrevet et hydraulisk fjellbor som kan anvendes som et brønnbor. Det har ingen utløpsventil og vannforbruket vil derfor være uønsket høyt.

En alternativ utforming er vist som har en utløps-ventil. Utløpsventilen er styrt av trykket i et styrekammer.

Da trykket i styrekammeret må tilføres gjennom en styrepassasje vist på tegningen, er utformingen ikke passende for et brønnbor. Styrepassasjen må strekke seg gjennom huset som ville gjøre huset komplisert og redusere stempelhammerens diameter og slagkraften.

Formålet med oppfinnelsen er å tilveiebringe en kraftig, rimelig, enkel, grov, effektiv brønnhammer som er hydraulisk drevet og i hvilken det anvendte drivfluidum anvendes som et spylefluidum, og det er et særlig formål å tilveiebringe et brønnbor med liten diameter av denne type.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere i det følgende under henvisning til tegningene, der fig. 1 er et sideriss av et brønnbor i drift, fig. 2 er et skjematisk lengdesnitt gjennom brønnboret vist på fig. 1, fig. 3 - 6 er snitt tilsvarende fig. 2 men som viser forskjellige deler i andre stillinger i forhold til hverandre, fig. 7 er et skjematisk lengdesnitt som fig. 2 men som viser alternative utforminger av noen av borets elementer, fig. 8 er et snitt etter linjen 8-8 på fig. 7, fig. 9 er et lengdesnitt av en alternativ utforming av noen av elementene på fig. 1.

På fig. 1 er et brønnbor 11 koblet til et borerør 1.2 ved påskruing, og en kjoks 13 er anordnet for å rotere borerøret 12 og tilføre en tilførselskraft til det. Kjoksen 13 ér del av en borerigg 14. Boret 11 omfatter en slagbor-krone 15 med innsettinger i form av karbidknotter, som bryter bunnen i borehullet 16. Borerøret 12 fører hydraulisk fluidum under overtrykk, vanligvis vann til boret 11.

På fig. 1 er boret vist i et lengdesnitt. Det omfatter et hus 20 som danner en sylinder for en stempelhammer 21 som har hulrom i form av et sentralt langsgående bor 23.

Et mellomstykke 22 i borkronen 15 strekker seg inn i huset 20 og holdes av huset på en slik måte at det er begrenset glid-bart. Mellomstykkets 22 endeflate 39 danner en amboltover-flate på hvilken stempelhammeren 21 slår. Huset 20 har en bak-dokke 30 som er skrudd på borerøret 12. Omtrent halve lengden av stemplet er skåret vekk på fig. 2-7 som vist på figurene.

Stempelhammeren 21 danner tre sylinderkammere med huset, nemlig et bakre sylinderkammer 24 som er under kontinuerlig overtrykk fra borerøret 12 ved hjelp av en passasje 19, et mellomliggende sylinderkammer 25 som kontinuerlig dreneres gjennom et hull 27 som fører gjennom huset 20 til rommet mellom huset 20 og borehullets 16 vegg, og et fremre sylinderkammer 26 nær borkronens 15 mellomstykke 22. Stempelhammeren 21 har en drivoverflate 47 i det bakre sylinderkammer 24, en overflate 48 i det mellomliggende sylinderkammer 25 og en avtrappet drivoverflate 49 i det fremre sylinderkammer 26. På grunn av overflaten 48 er overflatens 49 virksomme areal større enn det virksomme areal for overflaten 47. Da det ikke er noen aksiale passasjer på utsiden av stempelhammeren 21 og det bare er en eneste kanal 23 i stempelhammeren 21, er de virksomme arealer større enn sammenlignet med borehullet i konvensjonelle brønnbor. Derfor gjør denne utforming det mu-lig å lage et kraftig bor for hull med mindre diametere.

En innløpsventil 28 føres glidende i et sentralt hull 29 i bakdokken 30, og den er anordnet for å passe til mot stempelhammeren 21 som kan ses på fig. 3. Innløpsventilen 28 har en passasje 33. Hullet 29 er avtrappet og et tilførsels-stempel 34 er anordnet i den øvre videre del 35 av hullet 29. Et mellomliggende kammer 36 er dannet mellom innløpsventilen 28 og dens støtte 34 og dette kammer 36 er kontinuerlig åpent til borehullet 16. gjennom en passasje 37 og derved kontinuerlig drenert slik at støttestemplet 34 er forspent mot dets fremre endestilling og innløpsventilen 28 er forspent for å hvile mot støttestemplet 34 som vist på fig. 2.

Borkronen 15 har en passasje 38 som leder fra den bakre endeflate 39 av dens mellomstykke til den fremre ende av borkronen. Passasjen 38 er koaksial med mellomstykket, og den kan på passende måte todeles på konvensjonell måte slik at den har to åpninger mot den fremre ende av borkronen.

Sentralhullet 23 i stempelhammeren 21 har et ut-videt fremre parti 41 som danner en sylinder for en utløps-ventil 42 som er anordnet for å styre utløpet fra det fremre sylinderkammer 26 til passasjen 38 i borkronen 15. Utløps-ventilen 42 er i form av et avtrappet rør 40 som har fire sidehull 44 og en rørformet forlengelse 43 som er anordnet for å strekke seg med en glidende tilpasning inn i passasjen 38

i borkronemellomstykket mens randen av en ringformet overflate 51 er anordnet for å ta støtte mot borkronemellomstyk-kets endeflate 39. Små hull 52 sikrer at trykket i det fremre sylinderkammer 26 overføres til den ringformede overflate 51 mens overflatens 51 ytre rand støter mot overflaten 39. Det

virksomme areal utsatt for passasjen 38 er derfor mindre enn det virksomme areal utsatt for trykket i hullet 23. En tilbakeslagsventil 45 er anordnet for å passe til mot en skulder 46 i utløpsventilen 42 for derved å tillate en strøm ut av sentralhullet 23 til sylinderkammeret 26, men å forhindre en strøm i den motsatte retning.

Tilbakeslagsventilen 45 er vist skjematisk som en fjærforspent plate. I stedet for å være en plate, kan den ha en aksial lengde som overskrider dens diameter og den kunne ha en fast føring. Ingen fjær ville være nødvendig.

Driften av brønnboret skal nå beskrives. På fig. 2 har stempelhammeren 21 nettopp slått på mellomstykket 22. Ventilen 42 er lukket og ventilen 28 er åpen. Hydraulisk trykkfluidum, f.eks. vann, med et trykk på 200 bar, tilføres fra det indre av borerøret 12 gjennom passasjen 19 til det bakre sylinderkammer 24. Derfra føres trykkfluidumet gjennom sentralhullet 23 i stempelhammeren 21 til det fremre sylinderkammer 26. Da drivarealet for stempelhammeren 21 for retur av stempelhammeren 21 er større enn drivarealet for å bevege stempelhammeren 21 forover, vil stempelhammeren 21 akselerere bakover. Når stempelhammeren 21 når ventilen 28, som vist på fig. 3, avbryter innløpsventilen 28 tilførselen av fluidum til stempelhammerens sentralhull 23.

På grunn av sin kinetiske energi fortsetter stempelhammeren 21 sin bevegelse bakover og løfter innløpsventilen 28 og ventilstøtten 34 mot kraften fra trykkfluidumet som virker på støtten mens vannet i sentralhullet 23 i stempelhammeren 21 fortsetter å bevege seg forover inn i det fremre sylinderkammer 26 på grunn av dets kinetiske energi. Den kinetiske energi for vannet i hammerstemplet og den kinetiske energi for hammerstemplet er av den samme størrelsesorden på grunn av vannets større hastighet, den kinetiske energi kan f.eks. være omtrent den samme. Derfor skapes det et vakuum i den bakre ende av sentralhullet 23. Hullet må ha så stort volum at vakuumet ikke kan tømme det fullstendig. Når stempelhammeren 21 vender og begynner sitt slag forover, stenges tilbakeslagsventilen 45 som kan ses på fig. 4. Når tilbakeslagsventilen 45 er stengt,øker trykket i det fremre sylinderkammer 26 over trykket i den nedre del av hullet 23, og da den ringformede overflate 47 er i trykkammeret 26 på grunn av hullene 48, beveges utløpsventilen 42 bakover og åpne en utløpspassasje fra det fremre sylinderkammer 26 til spylepassasjen 38 som kan ses på fig. 5 slik at vannet i det fremre sylinderkammer 26 strømmer ut inn i passasjen 38 og spyler vekk bruddstykkene (debris) foran borkronen 15. Derfor er tilbakeslagsventilen 45 en styreventil for å bevirke at ut-løpsventilen 42 stenger. Slik det fremgår av fig. 6 forlater ventilen 28 sitt støttestempel og fortsetter å blokkere hullet 23 i stempelhammeren 21 under hele eller nesten hele stempelhammerens 21 slag forover på grunn av vakuum i hullet 23.

Da styrepassasjen 38 er begrenset sammenlignet med stempelhammerens areal, og hullets 23 areal er omtrent det samme som spylepassasjens 38 areal, strømmer en del av vannet flyttet av stempelhammeren 21 under dens slag forover inn i spylepassasjen, mens den andre del av det flyttede vann driver utløpsventilen 42 bakover. Derfor driver utløpsventilen 42 vannet som blir igjen i hullet 23 bakover og når stempelhammeren er tett ved sin slagposisjon, skal vakuumet i den bakre del av hullet 23 fylles slik at vannet i hullet løfter ventilen 28. Når innløpsventilen 28 åpner, begynner vann med høyt trykk å strømme inn i hullet 23 fra det bakre sylinderkammer 24 og driver utløpsventilen 42 forover slik at den når sin lukkede stilling omtrent samtidig som, eller fortrinns-vis umiddelbart etter, hammerstemplet 21 slår på amboltover-flaten 39. På grunn av vannets bevegelsesmengde i spylepas-sas jen 38, vil det være et vakuum i den øvre del av spylepassasjen 38 når utløpsventilen 42 har tatt opp sin stengte stilling, og utløpsventilen 42 blir faktisk holdt i sin stengte stilling. Alle delene av boret er nå tilbake i sine posisjoner på fig. 2 og en ny syklus som beskrevet vil starte.

Passasjen 33 i innløpsventilen 28 åpner til det bakre sylinderkammer 24 like før stempelhammeren 21 slår på borkronen 15 og trykkfluidumet tilført gjennom passasjen 33 til sentralhullet 23 i stempelhammeren 21 vil gjør at ventilen 28 forlater sitt sete dersom ventilen 28 ikke allerede er åpnet av utløpsventilens 42 bevegelse bakover som beskrevet ovenfor. Derfor sikrer passasjen 33 starting av drif ten, men det er sannsynligvis ikke nødvendig når driften først er startet.

Fig. 9 viser en modifisert utforming av utløpsven-tilen 42 og tilbakeslagsventilen 45. Tilbakeslagsventilen 45 som er laget av plast er ført inn i utløpsventilen 42 og den har en flens som er ført i hullet 41. Hodet av en skrue 60 danner sete for tilbakeslagsventilen. Tilbakeslagsventilen 45 er vist i sin åpne stilling i hvilken den hviler på ventilen 45.

På fig. 7 er det vist en alternativ utforming av boret. Deler som svarer til deler beskrevet med hensyn til utformingen vist på fig. 2-6 har de samme henvisningstall som på disse figurer. Innløpsventilen 28 på fig. 7 er anordnet for å bli stoppet mekanisk av en skulder 55 i huset umid-. delbart før stempelhammeren 21 når sin slagposisjon. Derfor erstatter skulderen 56 passasjen 33 på fig. 2-6. Utløps-ventilen 42 på fig. 7 er forskjellig fra utløpsventilen 42 på fig. 2-6 ved at den ikke har noen hull 44 og ingen tilbakeslagsventil 45. Strømmen fra hullet 21 til kammeret 26 passe-rer gjennom tre fordypninger 57 i stempelhammeren 21 på utsiden av utløpsventilen 42. Det totale areal av fordypningene 57 må være forholdsmessig lite slik at fordypningene fremkaller trykkdifferensial mellom den fremre ende av hullet 23 og kammeret 26 når stempelhammeren 21 vender og starter med å drive en strøm fra kammeret 26 gjennom fordypningene 57 til hullet 23. Dette trykkdifferensial vil gjøre utløpsventilen 42 åpen.

Ovenfor er to alternative utforminger av innløps-ventilen 28 beskrevet. Isteden for å være en seteventil som beskrevet, kan den også være en spoleventil. Den kunne anord-nes tverrgående i bakdokken 30 og den kunne bli styrt av en eller to styrepassasjer med stempelhammerstyrte porter i sylinderen.

Tre alternative utforminger av utløpsventilen 42

er beskrevet ovenfor. I to av utformingene fremkaller en én-veisventil 45 et trykkdifferensial som åpner utløpsventilen, og i en annen utforming forårsaker en begrenset passasje 57 trykkdifferensialet. Anvendelsen av en tilbakeslagsventil er fordelaktig ved at den gjør det totale vannforbruk mindre for

en gitt støtkraft, som betyr at energiforbruket pr. boret meter vil bli mindre. Tilbakeslagsventilen 45 trenger ikke bli montert i utløpsventilen 42 som vist, men den kan monteres i huset på utsiden av stempelhammeren. Det må da være passasjer fra hullet 25 radialt gjennom stempelhammeren. De alternative utforminger av ventilene 28 og 42 kan anvendes i et bor i andre kombinasjoner enn som vist. Også andre alternative utforminger er mulige innenfor rammen av kravene.

Claims

1. Hydraulisk drevet brønnbor for fjell omfattende et hus (20) som danner en sylinder, en borkrone (15) glidende opptatt og holdt av den fremre ende av nevnte hus (20) og med en spylepassasje (38) som fører til dets fremre ende, en stempelhammer (21) frem- og tilbakegående i nevnte sylinder (20) for gjentagende levering av slag mot nevnte borkrone, nevnte stempelhammer (21) har en gjennomgående sentralkanal (23) og har en fremre drivoverflate (49) i et fremre sylinderkammer (26) for føring av stempelhammeren bakover i dets returslag og en bakre drivoverflate (47) i et bakre sylinderkammer (24) for føring av stempelhammeren forover i dens arbeidsslag, nevnte bakre drivoverflate (47) er mindre enn nevnte fremre drivoverflate (49), en ventil (48) følsom for stillingen av stempelhammeren for styring av tilførselen av trykkvæske til kanalen (23) i stempelhammeren (21), og en utløpsventil (42) for styring av utløpet fra nevnte fremre sylinderkammer (26) til nevnte spylepassasje (38), karakterisert ved at det er anordnet innretninger (45, 47) for å fremkalle et trykkdifferensial mellom den fremre ende (41) av kanalen (23) i stempelhammeren (21) og det fremre sylinderkammer (26) og nevnte utløpsventil (42) er anordnet for å bli styrt av nevnte trykkdifferensial.

2. Brønnbor for fjell ifølge krav 1, karakterisert ved at nevnte innretninger for fremkalling av et trykkdifferensial mellom kanalen i stempelhammeren og det fremre sylinderkammer omfatter en tilbakeslagsventil (45) som tillater strømning bare i retningen fra kanalen (23) i stempelhammeren (21) til det fremre sylinderkammer (26) .

3. Hydraulisk drevet brønnbor for fjell omfattende et hus (20) som danner en sylinder, en borkrone (15) glidende opptatt og holdt av den fremre ende av nevnte hus (20) og med en styrepassasje (38) som fører til dets fremre ende, en stempelhammer (21) frem- og tilbakegående i nevnte sylinder (20) for gjentagende levering av slag mot nevnte stempelhammer (21) har en gjennomgående sentralkanal (23) og har en fremre drivoverflate (49) i et fremre sylinderkammer (26) for føring av stempelhammeren bakover i dens returslag og en bakre drivoverflate (47) i et bakre kammer (24) for føring av stempelhammeren forover i dens arbeidsslag, nevnte bakre drivoverflate (47) er mindre enn nevnte fremre drivoverflate (49), en ventil (28) følsom for stillingen av stempelhammeren 'for styring av tilførelsen av trykkvæske til kanalen (23) i stempelhammeren (21), og en utlø psventil (42) for styring av utløpet fra nevnte fremre sylinderkammer (26) til nevnte spylepassasje (38), karakterisert ved at nevnte utløpsventil (42) er følsom for strømningen mellom kanalen (23) i stempelhammeren (21) og det fremre sylinderkammer (26) og anordnet til å bli stengt når det er en strøm fra kanalen (23) til det fremre trykkammer (26) og til å bli åpnet når det ikke er noen strøm ut av kanalen (23) til det fremre trykkammer (26).

4. Brønnbor for fjell ifølge krav 1, karakterisert ved at nevnte utløpsventil (42). strekker seg inn i nevnte kanal (23) i stempelhammeren (21) og har et virksomt tverrsnittsareal utsatt for trykket i nevnte kanal (23) som er større enn det virksomme tverrsnittsareal utsatt for trykket i spylepassasjen (38) i borkronen (15) når utløpsventilen (42) er stengt slik at det vil være et virksomt differensialareal som er utsatt for trykket i det fremre sylinderkammer (23) og strever for å åpne utløpsventilen.