DK170866B1 - Borekrone - Google Patents

Description

i DK 170866 B1

Denne opfindelse vedrører en roterende borekrone til boring gennem klæge eller klæbrige formationer.

Det er kendt, at stenstøv, som frembringes under boring gennem klæge eller klæbrige formationer, såsom kridt eller 5 mergel, har en udtalt tilbøjelighed til at hæfte fast til borekronens forside. Ved boring gennem sådanne klæge eller klæbrige formationer benyttes der normalt borekroner med fiskehaleform, hvilke borekroner har brede vandveje eller -passager mellem de skærende vinger.

10 Forsøg og erfaringer har vist, at det til trods for tilstedeværelsen af sådanne brede passager sker, at stenstøvet samles foran de skærende vinger og kun efterlader små kanaler åbne for at lade borevæsken strømme fra dyserne til borekronens yderflade. Det sker undertiden, at bevægelsen af det akkumu-15 lerede stenstøv gennem passagerne blokeres, og at stenstøvet komprimeres i passagerne og begynder at optage størstedelen af vægten på borekronen, hvorved der sker en fuldstændig sammenklumpning på borekronen, hvilket medfører dårlig bore-ydelse.

20 I US patent nr. 4.696.354 beskrives en borekrone med et borekronelegeme, der har flere skærevinger og flere vandpassager, idet hver vandpassage er dannet mellem to tilgrænsende vinger, hvori størrelsen af tværsnitsarealet af hver vandpassage øges i en retning fra midteraksen til yderfladen 25 for borekronen.

Formålet med den foreliggende opfindelse er at tilvejebringe en roterende borekrone, med hvilken forekomsten af sammenklumpning af stenstøv i passagerne undgås.

DK 170866 B1 2

Borekronen ifølge opfindelsen har:

Et borekronelegerne på hvilket, der er monteret flere skærende vinger, der strækker sig langs borekronens legeme fra en midterakse af borekronen mod borekronens 5 yderflade, og flere vandpassager til transport af borevæske og stenstøv til borekronens yderflade, idet hver vandpassage er udformet mellem et par tilgrænsende vinger og i hvert punkt i sin længderetning har et tværsnitsareal A, der 10 målt i et plan vinkelret på vandpassagens midterkorde forøges i en retning fra borekronens midterakse mod borekronens yderflade, kendetegnet ved, at størrelsen af tværsnitsarealerne forøges på en sådan måde, at forholdet mellem et tværsnitsareal Ai af vandpassagen i et første 15 plan 1 vinkelret på vandpassagens midterkorde og et tværsnitsareal A2 af samme vandpassage i et andet plan 2 vinkelret på korden opfylder ligningen: Αλ/Α2 s r12/r22 idet rx er den middelradius, ved hvilken planet 1 krydser 20 spidserne af de tilgrænsende vinger, hvilken radius måles fra borekronens midterakse, r2 er den middelradius, i hvilken planet 2 krydser spidserne af de tilgrænsende skærende vinger, hvilken radius måles fra borekronens midterakse, og 25 r2 er større end r1.

Borekronen ifølge opfindelsen er konstrueret på en sådan måde, at middelhastigheden af stenstøvet i passagerne forbliver konstant eller aftager kontinuerligt i en retning fra borekronens centrum mod borekronens yderflade og derved 30 frembringer en mekanisk rensning i det tilfælde, at den hydrauliske rensning ikke længere er tilstrækkelig.

DK 170866 B1 3 I det følgende vil en specifik udførelsesform for borekronen ifølge opfindelsen blive beskrevet under henvisning til tegningen, på hvilken fig. l viser et snit gennem en borekrone ifølge opfindelsen 5 set nedefra, og fig. 2 et snit gennem den i fig. 1 viste borekrone efter linjen II-II og set i pilenes retning.

I fig. 1 og 2 er vist en borekrone ifølge opfindelsen. Fig. 2 viser endvidere et første plan 1 og et andet plan 2. Planerne 10 1 og 2 er begge orienteret vinkelret på en midterkorde 3 for en passage 4, der er udformet mellem et par tilgrænsende skærende vinger 5 og 6 af borekronen.

Borekronen har otte med regelmæssig afstand fordelte skærende vinger, af hvilke der i fig. 1 er vist to. De skærende vinger 15 5 og 6 strækker sig langs borekronens legeme fra borekronens midterakse 10 mod borekronens yderflade eller diameter 11. De skærende vinger 5 og 6 har en i alt væsentligt radial orientering i forhold til midteraksen 10 og er tæt ved deres spidser 12 udstyret med flere skiveformede polykrystallinske 20 komprimerede diamantskær (PDC, "polycrystalline diamond compact cutter") 13.

passagerne 4 er alle udformet mellem den hule bund 15, bore-kronens forside 16, forsiden af hver skærende vinge 6 og bagsiden af en anden skærende vinge 5.

25 Midteraksen for hver passage 4 dannes af centrum for den væskepassage, der frembringes af passagen, så at hvert punkt på midterkorden 3 er placeret i samme afstand fra forsiden af den ene skærende vinge 6 og bagsiden 17 af en anden skærende vinge 5 og ligeledes i samme afstand fra den hule bund 15 og 30 borekronens forside 16.

DK 170866 B1 4

Som følge af passagernes rektangulære form kan tværsnits -arealet af passagen 4 defineres som: A = w*h (1) hvor h er højden af passagen 4 defineret som afstanden mellem 5 borekronens forside 16 og vingernes spidser 12, idet denne afstand måles i et plan vinkelret på midterkorden 3, og hvor w er bredden af passagen 4 defineret som afstanden mellem forsiden af én skærende vinge 6 og bagsiden 17 af en anden skærende vinge, hvilken afstand måles i et plan vinkelret på 10 midterkorden 3.

Som det fremgår af fig. 1 og 2 defineres tværsnitsarealet A af passagen 4 i det første plan l som Ax = wx · h1( medens tværsnitsarealet A2 af passagen 4 i det andet plan 2 defineres som A2 = w2 · h2.

15 I borekronen ifølge opfindelsen forøges størrelsen af tværsnitsarealet A af passagen 4 i en retning fra borekronens midterakse 10 mod borekronens yderflade eller diameter 11 på en sådan måde, at forøgelsen i arealet A's størrelse i denne retning er i det mindste i alt væsentligt proportional med 20 kvadratet på radius r af et givet areal A fra midteraksen 10. Radius r for et givet areal A defineres som middelafstanden mellem midteraksen 10 og de steder, hvor et plan, i hvilket arealet A måles, krydser spidserne 12 af de tilgrænsende skærende vinger 5 og 6.

25 Følgen heraf er for borekronens udformning ifølge opfindelsen, at det for tværsnitsarealerne Ax og A2 i det første og det andet plan vist i fig. 2 gælder, at forholdet mellem arealerne Ax og A2 opfylder ligningen: A2/A! i r22ir12 (2) 30 hvor rx er middelradius på det sted, hvor planet 1 krydser spidserne 12 af de tilgrænsende skærende vinger 5 og 6, DK 170866 B1 5 hvilken radius måles fra midteraksen 10, og hvor r2 er middelradius på det sted, hvor planet 2 krydser spidserne 12 af de tilgrænsende skærende vinger 5 og 6, hvilken radius måles fra midteraksen, idet r2 er større end r1.

5 I den på tegningen viste udførelsesform for borekronen ifølge opfindelsen har de skærende vinger 5 og 6 en radial orientering i forhold til midteraksen. I denne udførelsesform skærer planet 1 spidserne 12 af de tilgrænsende vinger 5 og 6 i tilnærmelsesvis samme afstand fra midteraksen 10, idet det 10 samme gælder for skæringen mellem planet 2 og spidserne.

Planet 1 skærer følgelig spidserne 12 i en radius rlf medens planet 2 også skærer spidserne i en radius r2. I en alternativ udførelsesform for opfindelsen kan de skærende vinger imidlertid have en spiralformet orientering i forhold til 15 midteraksen. I en sådan udførelsesform vil et plan, der er placeret krydsende passagens midterakse, skære spidserne af de tilgrænsende vinger i forskellige radier, idet middelværdien for disse radier skal tages med i betragtning ved definition af forholdet mellem tværsnitarealerne Ax og A2.

20 Lige som i den på tegningen viste udførelsesform har hver passage endvidere et i alt væsentligt rektangulært tværsnits-areal A, og tykkelsen af de skærende vinger 5 og 6 er lille sammenlignet med bredden w af passagerne 4, hvorfor forholdet mellem bredden w2 og bredden v1 af passagerne i planerne 1 og 25 2 kan estimeres på følgende måde:

Wi/W2 * r2 sin a/r2 sin α (3) hvor a er vinklen mellem de tilgrænsende skærende vinger.

Ved kombination af ligningerne 2 og 3 fås: hi/h2 s r1/r2 (4) 30 I overensstemmelse med den på tegningen viste udførelsesform, hvor borekronen har radiale skærende vinger og rektangulære DK 170866 B1 6 passager, vil højden h af hver passage forøges i radial retning bort fra midteraksen, så at variationen i højden h er i det mindste i alt væsentligt proportional med forøgelsen af radien r, hvormed planet, i hvilket højden h måles, skærer 5 spidserne 12 af tilgrænsende skærende vinger 5 og 6.

Borekronekonstruktionen ifølge opfindelsen er baseret på den erkendelse, at hastigheden af stenstøvet ikke bør forøges langs stenstøvets strømningsvej gennem hver passage. En forøgelse af stenstøvets hastighed udgør en indikation af en 10 relativ reduktion af passagens tværsnitsareal i forhold til et stenstøvsvolumen V, der passerer gennem passagen. En forøgelse af stenstøvets hastighed i strømvejen kunne følgelig føre til en sammenklumpning af stenstøv og dermed til en blokering af passagen. For at undgå sammenklumpning af sten-15 støv under alle forhold foretrækkes det at udforme passagerne på en sådan måde, at stenstøvets hastighed gradvist reduceres i nedstrøms retning gennem passagerne.

Borekronekonstruktionen ifølge opfindelsen er endvidere baseret på den erkendelse, at volumenet V af stenstøv, der 20 passerer gennem passagerne ved borekronens yderflade 11 i løbet af én hel omdrejning af borekronen er lig med volumenet af en stencylinder, der fjernes fra jordbunden i løbet af den nævnte omdrejning. Dette volumen kan angives som: V = 7T*R2*ROP (5) 25 hvor V er stenstøvsvolurnenet, som fjernes af borekronen, hvor R er den ydre radius af de skærende spidser 12, og hvor ROP er indtrængningsgraden, hvormed borehullet gøres dybere i løbet af én hel omdrejning af borekronen.

I den på tegningen viste borekrone skal dette stenstøvs-30 volumen V ledes gennem otte passager. Stenstøvsvolumenet V', der passerer gennem én passage i løbet af én omdrejning af borekronen, skal følgelig opfylde: V' = l/8*7r*r2»ROP.

DK 170866 B1 7

Stenstøvsvolumenet V', der passerer gennem tværsnitsarealet A af passagen i løbet af én omdrejning af borekronen, er følgelig = 1/8 af volumenet af den stencylinder, der fjernes fra jordbunden eller jordformationen inden for en radius rx i 5 løbet af omdrejningen eller: V1' = l/8»rer12eROP.

På basis af tilsvarende overvejelser vedrørende stenstøvsvolumenet V2', der passerer gennem tværsnitsarealet A2 fås: v2' = l/8»7r*r22*ROP.

Ved indførelse af stenstøvshastigheden V for stenstøvets 10 passage i en passage defineret som forholdet mellem stenstøvsvolumenet V, der passerer et givet tværsnitsareal A af passagen og størrelsen af tværsnitsarealet A, giver for hastighederne Vx og V2 i planerne 1 og 2: vx = 7r*r12*ROP/8*A1, og (6) 15 v2 = 7T«r22*ROP/8«A2.

Idet der yderligere tages hensyn til, at stenstøvshastigheden ikke skal forøges i nedstrøms retning efter strømningsvejen i hver passage eller med andre ord, at hastigheden skal forblive konstant eller reduceres i nedstrøms retning fås: 20 v2 s vi (7)

Ved kombination af ligningerne 6 og 7 fås: r22/A2 s r^/A^ eller A2/Ax a r22/r12 (8)

Ligning (8) svarer til ligning (2), og ligningerne (2) og (4) er baseret på det princip, at stenstøvshastigheden v ikke 25 skal reduceres eller i det mindste forblive uændret i nedstrøms retning i hver passage. På denne måde undgås opsamling og sammenklumpning af stenstøv i passagerne, og der frembringes en mekanisk rensning af passagerne. Den mekaniske rensningsevne er vigtig, hvis den hydrauliske rensning, der DK 170866 B1 8 frembringes af ordstrømmens strømning ikke længere er tilstrækkelig.

Borekronekonceptet ifølge opfindelsen kan benyttes i en borekrone med fiskehaleform eller en vilkårlig anden borekro-5 ne, i hvilken passagen er udformet mellem skærende vinger. Borekronens legeme kan være kuppelformet, og de skærende vinger i borekronen kan have radial- eller spiralformet orientering i forhold til borekronens midterakse. Det skal således understreges, at den på tegningen viste udførelses-10 form kun tjener til beskrivelse af opfindelsen.

Claims (5)

1- Roterende borekrone til boring gennem klæge eller klæbrige formationer, hvilken borekrone har: Et borekronelegerne (8) på hvilket, der er monteret flere 5 skærende vinger·(5, 6), der strækker sig langs borekro nens legeme (8) fra en midterakse (10) af borekronen (8) mod borekronens yderflade (11), og flere vandpassager (4) til transport af borevæske og stenstøv til borekronens yderflade (11), idet hver vand-10 passage (4) er udformet mellem et par tilgrænsende vinger (5, 6) og i hvert punkt i sin længderetning har et tværsnitsareal A, der målt i et plan vinkelret på vandpassagens (4) midterkorde (3) forøges i en retning fra bore-kronens midterakse (10) mod borekronens yderflade (11), 15 kendetegnet ved, at størrelsen af tværsnits- arealerne forøges på en sådan måde, at forholdet mellem et tværsnitsareal Ax af vandpassagen (4) i et første plan 1 vinkelret på vandpassagens (4) midterkorde (3) og et tværsnitsareal A2 af samme vandpassage (4) i et andet 20 plan 2 vinkelret på korden (3) opfylder ligningen: Ax/A2 £ r12/r22 idet rx er den middelradius, ved hvilken planet 1 krydser spidserne (12) af de tilgrænsende vinger (5, 6), hvilken radius måles fra borekronens midterakse (10), 25 r2 er den middelradius, i hvilken planet 2 krydser spidserne af de tilgrænsende skærende vinger (5, 6), hvilken radius måles fra borekronens midterakse (10), og r2 er større end r^ DK 170866 B1 10

2. Borekrone ifølge krav l, kendetegnet ved, at de skærende vinger (5, 6) har en i alt væsentligt radial orientering i forhold til borekronens midterakse (10), og at hver vandpassage (4) i hvert punkt i sin længderetning har et 5. alt væsentligt rektangulært tværsnitsareal A, og at forholdet mellem højden h^ af tværsnitsarealet Ax af vandpassagen (4) i det første plan 1 og højden h2 af tværsnitsarealet A2 af vandpassagen (4) i det andet plan opfylder ligningen: hi/h2 < rx/r2 10 idet hx er arealet Aj/s højde, som er defineret ved afstanden mellem spidsen (12) af en tilgrænsende skærende vinge (5, 6) og borekronens legeme (8) målt i planet 1, og h2 er arealet A2's højde, som er defineret ved afstanden mellem spidsen (12) af en tilgrænsende skærende vinge (5, 6) 15 og borekronens legeme (8) målt i planet 2.

3. Borekrone ifølge et hvilket som helst af de foregående krav, kendetegnet ved, at de skærende vinger (5, 6. tæt ved deres spidser (12) har flere skiveformede poly-krystallinske komprimerede diamantskær (13).

4. Borekrone ifølge et hvilket som helst af de foregående krav, kendetegnet ved, at borekronen er en fiske-haleformet borekrone.

5. Borekrone ifølge et hvilket som helst af kravene 1-3, kendetegnet ved, at borekronen har et kuppelformet 25 borekronelegeme (8), på hvilket der med samme indbyrdes vinkelafstand er monteret flere skærende vinger (5, 6).