NO871189L - Borkrone og fremgangsmaate for dens fremstilling. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en borkrone av skavetypen, med skjære-elementer av diamant eller andre hårde materialer. Nærmere bestemt angår oppfinnelsen en borkrone av bladtypen med skjære-elementer av diamant, idet blandene slites ved boring i en formasjon, mens elementene av diamant forblir effektive for å arbeide i formasjonen.

Det er velkjent å benytte borkroner for boring i underjordiske formasjoner ved leting etter olje eller mineraler. En borkrone av skavtypen er en borkrone uten roterende konuser, og borkronen roteres enten fra overflaten ved hjelp av en borestreng med vektrør eller ved hjelp av en motor nede i bore-hullet. Derimot har borkroner med roterende konuser flere lager som hvert danner opplagring for en fritt roterbar konus. Uansett om det benyttes en borkrone med roterende konuser eller en borkrone av skavetypen for boring i en formasjon sirkuleres et borefluid eller boreslam kontinuerlig fra overflaten og gjennom borestrengen, ned til borkronen og fra denne opp til overflaten igjen. Det er velkjent at det sirkulerende boreslammet har flere viktige funksjoner, omfattende kontinuerlig kjøling av borkronen og fjernelse av borkaks som dannes ved boringen.

Det er kjent mange typer borkroner av skavetypen, slik som fiskehale-borkroner, spiral-borkroner og mere konvensjonelle borkroner som ikke har store blader, men som kan være utstyrt med hårde skjære-elementer av diamant, wolframkarbid eller lignende. Det er også kjent borkroner av bladtypen som har hårde skjære-elementer av diamant eller andre hårde materialer innleiret i eller festet til bladene. Slike borkroner er f.eks. beskrevet i US-4.440.247 og 4.499.958.

Generelt er et alvorlig problem som oppstår i forbindelse med borkroner av skavetypen som har elementer av diamant eller lignende hårde materialer at elementene overopphetes pga. utilstrekkelig spyling og kjølevirkning fra borefluidet. Det er kjent at varme, dersom den ikke bortledes ved hjelp av tilstrekkeliglig kjøling med borefluid, kan omdanne diamanten til grafitt, slik at hårdheten og boreevnen avtar. Et annet alvorlig problem som oppstår i forbindelse med borkroner med diamant er at diamantene løsner fra borkronen. Et ytterligere problem, som er særlig alvorlig når det gjelder borkroner av bladtypen er den forholdsvis hurtige slitasje eller erosjon av bladene. Erosjonen kan naturligvis også hurtig føre til at diamantene eller lignende hårde elementer løsner fra bladene.

Generelt er det tidligere gjort forsøk på å løse de nevnte problemer ved å anordne kanaler eller hull for borefluid nær elementene av diamant eller lignende materialer, og ved å ut-forme borkronene slik at spylingen og kjølevirkningen til borefluidet på elementene optimaliseres.

Tidligere patenter viser at det har vært gjort mange forsøk på å utvikle borkroner generelt, og særlig borkroner med hårde skjære-elementer av diamant eller lignende, som har øket brukstid og forbedret motstandsevne mot slitasje. Til tross for de tidligere forsøk er det allikevel et behov for forbed-ringer på dette område. Særlig er det et behov for borkroner av bladtypen med hårde elementer av diamant eller lignende som forblir festet til bladet selv om en stor del av bladet eroderes eller slites bort under boring. Den foreliggende oppfinnelse angår en slik borkrone av bladtypen.

En borkrone i henhold til oppfinnelsen har en tappende beregnet til løsbart å festes til en borestreng, samt et hode som er festet til tappenden. Hodet har et indre hulrom i fluidkommunikasjon med borestrengen, for å tilføres borefluid fra denne. I det minste et boreblad er festet til borkronen. Bladet har en fremre kant utformet for å komme i kontakt med formasjonen under boring. Flere kanaler eller åpninger i fluidkommunikasjon med det indre hulrom i hodet er anordnet i bladet. Kanalene ender i utløpsåpninger på den fremre kant av blandet. Flere hulrom eller åpninger av en annen type er anordnet i bladet og inneholder langstrakte staver av diamant eller et annet hårdt borematerial. De langstrakte diamantstaver er anordnet i et slikt mønster at når bladet eroderes og når små diamantbiter løsner under boringen vil andre deler av stavene komme i kontakt med formasjonen for å bore i denne.

I en alternativ utførelse av oppfinnelsen inneholder bladet også andre langstrakte staver som langs sine lengdeakser vekselvis har biter av hårde og myke materialer. Under boring dannes det ribber i formasjonen når de myke materialer er blottlagt for boring. Når de myke materialer eroderes blottlegges de øvrige lag av hårdt materiale for å fjerne ribbene.

Fig. 1 viser i perspektiv en første utførelse av en borkrone i

henhold til oppfinnelsen.

Fig. 2 viser, sett mot enden, et blad på borkronen vist i fig. 1 .

Fig. 3 er et snitt etter linjen 3-3 i fig. 1.

Fig. 4 viser i større målestokk området 4 i fig. 3.

Fig. 5 er et snitt etter linjen 5-5 i fig. 4.

Fig. 6 viser, sett mot enden, et parti av et blad i henhold

til en annen utførelse av borkronen.

Fig. 7 er et snitt etter linjen 7-7 i fig. 6.

Fig. 8 er et snitt gjennom den første utførelse av borkronen,

festet til en borestreng.

Fig. 9 viser skjematisk den første utførelse av borkronen i

henhold til oppfinnelsen når den arbeider i et borehull Fig. 10 viser skjematisk den annen utførelse av borkronen når den arbeider i et borehull. Fig. 11 viser skjematisk en tredje utførelse av borkronen i

henhold til oppfinnelsen.

Fig. 12 viser, sett mot undersiden, den tredje utførelse.

I forbindelse med denne beskrivelse skal det bemerkes at borkronen i henhold til oppfinnelsen også omfatter noen konvensjonelle trekk i tillegg til nye trekk. Slike konvensjonelle trekk beskrives bare i den grad det er nødvendig for å for-klare de nye trekk ved borkronene i henhold til oppfinnelsen.

Fig. 1 - 5 og 8 viser en fiskehaleborkrone 20 i henhold til en første utførelse av oppfinnelsen. Borkronen 20 omfatter en tappdel 22 som har en gjenget ende 24, med hvilken borkronen 20 festes til en borestreng. Et nedre parti 26 av borestrengen er vist i fig. 8. Tappdelen 22 har en annen gjenget ende 28 med utvendig gjenger, festet til et hovedsakelig konisk hode 30. Hode 30 er hult, slik at det indre hulrom 32 er i fluidkommunikasjon med borestrengen 26 via den hule tappdelen 22. Følgelig tilføres det indre hulrom 32 borefluid eller boreslam under trykk fra overflaten, og i henhold til vanlig praksis pumpes boreslam kontinuerlig ned til borkronen 20. Borefluidet eller boreslammet er ikke vist i figurene, men i fig. 3 er strømningsretningen gjennom den første utfør-else av borkronen 20 vist med piler 34.

Et vesentlig trekk ved oppfinnelsen er konstruksjonen av bladene 36, som er festet ved sveising eller andre passende midler til hodet 30. På den beskrevne fiskehale-borkronen 20 er det tre blader 36 som er anbragt med en innbyrdes vinkel-avstand på 120°. Hver blad 36 er fastsveiset i et passende spor (ikke vist) som er dannet i konusflaten 38 til hodet 30. Det vil naturligvis forstås at i andre utførelser kan ferre eller flere enn tre blader 36 som er konstruert i henhold til oppfinnelsen være festet til hodet 30.

Hver blad 36 omfatter en fremre kant 40 som er beregnet til å komme i kontakt med formasjonen 42 under boring. Formasjonen 42 er vist skjematisk i fig. 9 og 10. Flere hovedsakelig jevnt fordelte kanaler eller åpningene 44 forløper gjennom bladet 36, med lengdeaksen til bladene 44 hovedsakelig i rett vinkel med den fremre kant 40 på bladet 36. Åpningene eller kanalene 44 er i fluidkommunikasjon med det indre hulrom 32 i hodet 30. Dette fremgår best av fig. 3. I den fremre kant 40 på bladet 36 ender kanalene 44 i utløpsåpninger 46. Det vi fremgå at under boring strømmer borefluid eller boreslam ut fra hver av åpningene 46.

I fig. 3 er vist et annet sett hovedsakelig jevnt fordelte åpninger eller hull 48 i bladene 36, anordnet hovedsakelig parallelt med åpningene eller kanalene 44 for borefluidet.

Det annet sett hull 48 er imidlertid blinde, idet de ender noe over den linjen der bladet 36 er festet til konusflaten 38 på hodet 30. I fig. 2 er åpningene eller hullene 48 i det annet sett vist som hullene med minst diameter, og utløpsåpningene 46 for borefluidet har størst diameter. I denne utførelses-form er diameteren til utløpsåpningene 46 omtrent 20 mm, mens diameteren til de blinde hullene 48 er omtrent 13 mm. Det vil naturligvis forstås at diameteren til utløpsåpningene 46 og hullene 48 kan varieres fritt innen rammen av oppfinnelsen.

I henhold til oppfinnelsen er en stav av et hårdt material festet i hver av åpningene eller hullene 48, slik det fremgår best av fig. 3, 4 og 5. Det best egnede material for dette formål er diamant, men også andre materialer slik som kubisk bornitrid eller wolframkarbid i en passende grunnmasse av metall kan benyttes. Fordi det foretrekkes å benytte elementer av diamant, og fordi diamant primært antas å ville bli benyttet som de hårde elementer i borkroner i henhold til oppfinnelsen, vil elementene hovedsakelig bli kalt diamanter. Imidlertid kan andre hårde materialer som i og for seg er kjent for dette formål benyttes i forbindelse med oppfinnelsen Diamantstavene 50 som inngår i borkronene i henhold til oppfinnelsen kan omfatte naturlige eller syntetiske diamanter eller komposittdiamanter. Komposittdiamanter er syntetiske diamanter i et passende grunnmaterial av metall utformet på hvilken som helst måte. I de utførelser som her skal beskrives benyttes syntetiske,polykrystallinske diamanter, som er kommersielt tilgjengelige i USA fra flere leverandører, slik som General Electric Company og fra Megadiamond, en divisjon av Smith Inc. Som kjent kan syntetiske, polykrystallinske diamanter også formes til praktisk talt hvilken som helst form slik som staver, kubuser, sylindre og lignende. F.eks. leveres kubuser av syntetiske, polykrystallinske diamanter av General Electric Company under varenavnet GEOSET.

I den første utførelse av borkronen 20 vist i fig. 3, 4 og 5 er diamantstavene 50 dannet av flere likt utformede, syntetiske, polykrystallinske diamantkubuser 52. Disse kan ganske enkelt være anbragt i en stabel i blindhullene 48. Deretter'fylles det gjenværende hulrom i hullene 48 med et passende wolframkarbid-pulver, og diamantkubusene 52 sammenføyes med pulveret i hullene 48 ved hjelp av et passende kobber-nikkel-loddemetall eller lignende. Alternative måter for å feste diamantene i forskjellige stillinger i hullene 48 omfatter at diamantene anbringes i en grunnmasse av wolframkarbid og at enheten deretter loddes fast i hullene 48. Fastgjøring av diamanter i hull eller hulrom i boreverktøy og lignende er imidlertid kjent teknologi, og andre metoder for å feste diamantene eller for å danne diamantstaver i hullene 48 i borkronen 20 i henhold til oppfinnelsen vil være kjent for fag-folk på dette området.

Bladene 36 kan bestå av stål av kvalitet 4130 eller lignende, som vanligvis benyttes for fremstilling av fiskehalebor-kroner. Dessuten kan sidene til bladene 36 oppkulles eller herdes på annen måte, for å hindre slik erosjon av sidene at det kan skje gjennombrytning til strømningskanalene 44 for borefluid. Fig. 8 viser borkronen 20 mintert på nedre enden 26 av en borestreng. Fig. 9 illustrerer skjematisk borkronen 20 under bruk. På kjent måte slites eller eroderes stålbladene på fiskehale-borkroner forholdsvist hurtig, og erosjonshastigheten<*>øker med kvadratet av avstanden fra sentrum. Med andre ord eroderes bladet betydelig hurtigere radialt utenfor sentrum enn i sentrum. Når borkronen er brukt i flere timer er det ikke uvanlig at flere cm er fjernet fra bladet, særlig i de radialt ytre partier, slik at bladet får den form som er vist skjematisk i fig. 9. Erosjonshastigheten avhenger naturligvis i stor grad avhvilken type formasjon som bores. For konvensjonelle fiskehale-borkroner utstyrt med diamanter vil erosjon eller slitasje vanligvis medføre at diamantene løsner fra den fremre skjærekanten til bladene, slik at borkronens arbeidsevne i høy grad nedsettes. På borkronen 20 i henhold til den foreliggende oppfinnelse vil imidlertid, etter hvert som bladene 36 slites og små biter av diamantstavene 50 brytes løs eller slites ned, suksessive partier av diamantstavene 50 blottlegges for boring i formasjonen 42. Således har borkronen 20 i henhold til oppfinnelsen betydelig øket brukstid sammenlignet med tidligere kjente fiskehale-borkroner med diamanter.

På borkronene 20 i henhold til oppfinnelsen befinner enden av hver diamantstav 50 seg umiddelbart inntil i det minste en utløpsåpnihg 46 for borefluidet, slik at det oppnås optimal bortspyling av borkaks og kjøling av diamantene. Etterhvert som bladene 36 og diamantstavene 50 eroderes endres ikke stillingen til utløpsåpningene 46 i forhold til endene av diamanstavene 50, slik at den optimale spyling og kjøling opprettholdes i hele brukstiden til borkronene 20.

Fig. 6, 7 og 10 viser en borkrone 54 i henhold til en annen utførelse av oppfinnelsen, av fiskehale-typen. Konstruksjonen til den annen utførelse ligner på mange måter konstruksjonen til den første utførelsen 20 med det unntak at hårde og myke materialer vekselvis er anbragt i blindhullene, som i den første utførels bare inneholder diamantstavene 50. Dette særegne trekk ved den annen utførelse fremgår best av fig. 7.

Som vist i fig. 7 inneholder et første blindhull 56 i borkronen 54 langs lengdeaksen til hullet vekselvis biter av hårdt material, fortrinnsvis diamantkubuser 52 av den type som er beskrevet; i forbindelse med første utførelsen 20, og stål-kubuser 58. Som det skal beskrives mere detaljert i det følg-ende oppfører stålet seg under boring som mykt material. De vekselvise biter av diamanter 52 og stål 58 kan festes i blindhullet 56 på mange kjente måter. F.eks. og fortrinnsvis, kan bitene av diamant og stål være innleiret i en grunnmasse av wolframkarbid og deretter fastloddet i hullet 56.

Et annet, nabo-blindhull 56 inneholder en diamantstav 50 som kan være festet i blindhullet på samme måte som i den ovenfor beskrevne, første utførelse 20.

Et tredje blindhull 62 inneholder vekselvise biter av hård diamant og mykt stål. Dette vekselvise arrangment gjentas fortrinnsvis i hele bladet 36, eller i det minste i en del av dette.

Hver blad 36 i den annen utførelse 54 omfatter også kanalene 44 og utløpsåpningene 46 for borefluidet nær hvert blindhull, som i denne utførelse inneholder enten diamantstaver 50 eller vekselvis diamantbiter 52 og stålbiter 58.

Virkemåten og fordelene til den annen utførelse av borkronen 54 i henhold til oppfinnelsen fremgår best av fig. 10. Etterhvert som bladene 36 på borkronen 54 eroderes under boring blottlegges diamantene 52 og stålbitene 58 vekselvis i kontakt med formasjonen 42 . Fig. 10 viser skjematisk virkemåten til borkronen 54 når stålbitene 58 er blottlagt. I denne tilstand dannes det hovedsakelig konsentriske ribber 64 i formasjonen 42 , i de områder der de myke bitene 58 er blottlagt. Dette skyldes naturligvis det faktum at det myke stålet 58 er vesentlig mindre effektivt for boring enn det hårde stål et i blandene 36 og de enda hårdere diamantstavene 50 . Når en blottlagt, myk del 58 eroderes eller slipes bort under boringen blotlegges en hård diamantdel 52 i stedet. Den hårde diamanten sliter hurtig bort ribben 64. Følgelig fremmes hele boreprosessen.

Fig. 11 og 12 viser en borkrone 66 av spiraltypen, i henhold til oppfinnelsen. De prinsipper som er beskrevet detaljert i forbindelse med den første utførelsen 20 av en borkrone i henhold til oppfinnelsen gjelder også for den tredje utførelsen 66. Denne omfatter flere kanaler 44 i bladene 68, i kommuni-kasjon med et indre hulrom (ikke vist) i hodet 30 til borkronen. Kanalene 44 ender i utløpsåpningen 46 i den fremre kant 70 på bladet 68. Som ved de øvrige utførelser strømmer borefluid eller boreslam ut fra utløpsåpningene 46 under boring. Nær hver utløpsåpning 46 er en diamantstav 50 eller et lignende hårdt material montert i et hull 48 i bladet 68. Når bladet 68 slites eller eroderes under boring i formasjonen 42, og når små biter av diamanter brytes av, vil følgelig andre diamante blottlegges for å bore i formasjonen. Som ved de øvrige utførelser strømmer dessuten borefluid fra en ut-løpsåpning 46 nær hver diamantstav 50, slik at bortspylingen av borkaks og kjøling av diamantstavene 50 optimaliseres. Også borkronen 60 av spiraltypen i henhold til oppfinnelsen har vesentlig forlenget brukstid i forhold tidligere kjente borkroner av spiral typen.

Claims (11)

1. Borkrone for boring i underjordiske formasjoner og lignende omfattende et hode som har en tappende beregnet til løsbart å festes til en borestreng, et indre hulrom som er i fluidkommunikasjon med borestrengen for å tilføres borefluid og i det minste to boreblader som er festet til hodet på den ende som er motsatt av tappenden, idet hvert blad har en fremre kant beregnet til å være i kontakt med formasjonen under boring, karakterisert ved at hvert blad omfatter flere langstrakte staver som omfatter et hårdt borematerial, idet stavene er festet til bladet i hulrom og blottlegges for boring i formasjonen ve den fremre kant av bladet, idet lengdeaksene til stavene hovedsakelig er vinkelrett på rota-sjonsretningen til bladet, slik at når bladet og stavene av hårdt borematerial eroderes under boring vil stavene fortsette å bli blottlagt på den fremre kant av bladet, samt flere kanaler og midler for å lede borefluid fra det indre hulrom i hodet til hver av kanalene og frem til utløpsåpninger, slik at når bladet eroderes under boring fortsetter borefluidet å strømme ut av utløpsåpningene i den fremre kant av bladet, idet i det minste en utlø psåpning befinner seg nær den blott-lagte enden av hver stav.

2 . Borkrone som angitt i krav 1, karakterisert ved at de langstrakte staver omfatter diamanter.

3. Borkrone som angitt i krav 2, karakterisert ved at de langstrakte staver omfatter flere likt utformede elementer av polykrystallinsk diamant.

4. Borkrone som angitt i hvilket som helst av kravene 1-4, karakterisert ved at diamantene befinner seg i en grunnmasse som er fastloddet i åpninger i bladet ved hjelp av et loddemetall.

5. Borkrone som angitt i hvilket som helst av kravene 1-4, karakterisert ved at kanalene forløper gjennom bladet parallelt med de langstrakte staver, og at hver utløpsåpning for fluid befinner seg ved siden av en stav.

6. Borkrone som angitt i hvilket som helst av kravene 1-4, karakterisert ved at omfatter tre blader av fiskehale-typen.

7. Borkrone somangitt i krav 1, karakterisert ved ati det minste en del av de langstrakte staver omfatter hårde og myke materialer anordnet vekselvis langs lengdeaksen, slik at når et mykt material blottlegges mot formasjonen dannes det ribber i formasjonen, og slik at ribbene slites bort når hårdt material i stavene blottlegges mot formasjonen.

8. Borkrone som angitt i krav 7, karakterisert ved at det hårde material i stavene omfatter diamanter.

9. Borkrone som angitt i krav 8, karakterisert ved at det myke material i stavene omfatter stål.

10. Borkrone som angitt i hvilket som helst av kravene 1- 4, karakterisert ved at flere langstrakte staver av en annen type er montert i hulrom i bladene, hovedsakelig parallelt med de langstrakte, første staver, og har, langs lengdeaksene, vekselvis hårde og myke materialer, idet stavene av den annen type er beregnet til å blottlegges ved de fremre kanter av stavene, for å komme i kontakt med formasjonen under boring, slik at når mykt material i stavene av en annen type blottlegges mot formasjonen dannes det ribber i formasjonen, og når hårdt material i stavene av den annen type blottlegges mot formasjonen slites ribbene bort.

11. Borkrone somangitt i krav 10, karakterisert ved at stavene av den annen type hovedsakelig befeinner seg regelmessig vekselvist med stavene av hårdt material.