NO162352B - Innretning for boring av dype hull i berg. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører en innretning for boring av dype hull

i berg, som angitt i innledningen til patentkrav 1.

I dag benyttes hovedsakelig såkalt rotasjonsboring for boring av hull av den foran nevnte type, hvilket betyr at en spesielt utformet borkrone trykkes ned i grunnen, med samtidig rotasjon. Som følge av at borkronen er forsynt med innsatser av ulike former vil berg- eller jordmaterialet knuses eller males i stykker. Vanligvis er borkronen montert på en rørformet borestreng hvis diameter er mindre enn diameteren til borkronen. Borestrengen gis en rotasjonsbevegelse ved hjelp av en maskinenhet som er plassert over grunnoverflaten. Denne maskinenhet innbefatter også midler for holding, av borestrengen. Berg- og jordmateriale (kaks) som knuses av borkronen trans-porteres til marknivået ved spyling med vann eller et spesielt sammensatt vaske- eller spylef luidum, såkalt boreslam. •, Spyl-ingen gjennomføres ved å trykke boreslammet ved hjelp av en pumpe ned gjennom et sentralt løp i borestrengen og ut gjennom spyleåpninger i borkronen i bunnen av borehullet, hvoretter bores lammet strømmer opp til overflaten på utsiden av borestrengen og tar med seg kaksen. På overflaten separeres en hovedandel av kaksen fra boreslammet, eksempelvis ved" sedimentering av slammet i bassenger, hvoretter boreslammet pumpes ned igjen gjennom borestrengen.

Det er også kjent å utføre rotasjonsboring under utnyttelse

av en maskin som senkes ned i borehullet og festes til den nedre enden av borestrengen som da ikke roterer. Maskinen drives direkte av boreslammet.

Rotasjonsboring av den ovenfor nevnte type benyttes stort sett for løse sedimentære bergarter. Ved boring i hårdere krystall-insk berg er metoden dyr, fordi borehastigheten er meget lav og slitasjen på borkronen er stor. For slike bergarter benyttes en helt annen boremetode, kalt slagboring, hvilket betyr at et slagstempel bringes til å slå mot borestrengen og/eller borkronen med høy frekvens, samtidig som borestrengen roteres langsomt.

De maskiner som benyttes herfor drives vanligvis av trykkluft, dvs. at slagstempelet drives av trykkluft. Trykkluften benyttes også vanligvis for bortspylingen av kaksen. Ved boring av dype og store hull (ned til ca. 200 m) benyttes en såkalt senkborhammer, dvs. at borhammeren med slagstempelet monteres på en rørformet borestreng og senkes ned i borehullet ved hjelp av en rotasjonsmaskin som i hovedsaken har samme utfør-else som den som er beskrevet ovenfor i forbindelse med rotasjonsboring.

Ved slagboring tas trykkluften fra en luftkompressor på marknivået og blåses ned gjennom borestrengen og driver slagstempelet. Slagstempelet slår direkte mot borkronen, og trykkluften spyler kaksen opp til marknivået på utsiden av borestrengen. En ulempe ved denne metode er at den har begrenset kapasitet med hensyn til dypboring. Metoden er imidlertid betydelig raskere enn rotasjonsboring, særlig i hårdt berg.

I de senere år har det vært utviklet hydraulisk drevne slag-bergboremaskiner som i prinsippet adskiller seg fra de trykkluftdrevne derved at slagstempelet betjenes av hydraulisk olje under høyt trykk. Bortspylingen av kaksen skjer separat ved hjelp av trykkluft eller boreslam. Slike hydraulisk drevne slag-bergboremaskiner har hittil bare forekommet i form av overflatemaskiner, dvs. at borhammeren arbeider i en maskinenhet plassert på marknivået. Disse maskiner har derfor en begrenset kapasitet med hensyn til boring av dype og store hull. Deres borkapasitet er imidletid vesentlig høyere enn kapasiteten til de trykkluftdrevne ved samme energiforbruk.

Det er ønskelig å benytte en nedsenkbar hydraulisk drevet slag-bergboremaskin for boring av dype og store hull med høy hastighet. Dette har imidlertid hittil ikke vært mulig, fordi bruk av lange hydrauliske ledninger til boremaskinen i dype hull gir for store tap.

Som nevnt må borkaksén alltid fjernes fra hullet, og når det gjelder dype hull skjer dette alltid ved hjelp av boreslam fordi det hydrostatiske trykk i hullet er for stort til at man kan benytte trykkløft. Det vil kunne være mulig å kunne benytte boreslammet for å drive en hydraulisk slag- bergboremaskin, men dette er utenkbart for en fagmann. Uansett hvor omhyggelig boreslammet sedimenteres før det resirkuleres vil boreslammet alltid inneholde store mengder av sand og slite-partikler som raskt vil slite ned og ødelegge ventilmekanismen i slag-bergboremaskinen. En slik slag-bergboremaskin må drives med ren hydraulisk olje, og særlig når man ønsker å drive slag-bergboremaskinen med høye trykk, i området 150 bar, må den hydrauliske olje være av meget høy kvalitet.

Ifølge foreliggende oppfinnelse foreslås det derfor en innretning som nevnt innledningsvis, med de i krav l's karakteristikk angitte kjennetegn.

Ifølge foreliggende oppfinnelse driver boreslammet en robust hydraulisk maskin som er plassert direkte i forbindelse med borkronen i borehullet. Maskinens utgangsaksel benyttes for å drive en slaginnretning som slår mot borkronen, dvs. såkalt slagboring. Er slaginnretningen hydraulisk drevet kan maskinens utgangsaksel være utformet for å drive en hydraulisk pumpe for tilveiebringelse av det hydrauliske høytrykks-fluidum til slaginnretningen. Det hydrauliske fluidum går således i en lukket krets og det kan benyttes meget ren hydraulisk høykvalitetsolje for garantering av en sikker drift.

Den nedsenkede slag-bergboremaskin ifølge oppfinnelsen kan bringes til å rotere ved hjelp av en maskinenhet plassert på marknivået, eller alternativt kan den hydrauliske maskins utgangsaksel også tilveiebringe rotasjonen av borkronen.

Det er en fordel at borkronen barg^.bærer belastningen fra den hydrauliske maskin og slaginnretningen og er uavhengig av lengden til borestrengen i hullet, hvilket enkelt kan skje ved hjelp av servostyring.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere nedenfor under henvisning til tegningene, hvor: fig. 1 viser et lengdesnitt av en utførelse av oppfinnelsen,

og

fig. 2-7 viser tverrsnitt av utførelsen i fig. 1 etter de respektive snittlinjer av II-II, III-III, IV-IV, V-V, VI-VI og VII-VII.

Innretningen består i hovedsaken av syv innbyrdes forbundne eller integrerte enheter som i fig. 1 er benevnt A-G.

Enheten A er en rørformet borestreng av kjent utførelse, sammensatt av deler som er forbundne med hverandre ved hjelp av koniske gjengeskjøter. Borestrengen går opp til overflaten. Borestrengen bringes til å rotere ved hjelp av en maskinenhet på overflaten, hvilken maskinenhet også innbefatter anordning-er av kjent type for innføring og uttaging av, borestrengen i .. borehullet. Borestrengen er dimensjonert til å kunne tåle ikke bare oppstående dreie-eller aksialkrefter, men også et forholds-messig høyt innvendig hydraulisk trykk fra boreslammet.

Enhet B består av en mate- eller servostyreenhet som sikrer at borkronen trykkes mot bunnen av borehullet med en hensiktsmes-sig kraft.

Enheten C består av en hydraulisk maskin av kjent type, hvilken maskin kan drives med akseptabel levetid ved hjelp av den hydrauliske energi i boreslammet. Boreslammet kan være vann eller en hvilken som helst annen boreslamm eller- væske og er blandet med jordpartikler. Den hydrauliske maskin har en lengde som er

stor i forhold til diameteren.

Enheten D består av en hydraulisk pumpe av kjent type, men

med en spesiell utførelse. Den hydrauliske pumpe leverer ren hydraulisk olje under høyt trykk.

Enheten E består av en oljetank med et oljefilter. Oljetank-ens lengde er stor sammenlignet med diameteren, og oljetanken har passasjer i tankveggen for boreslammet og den hydrauliske olje.

Enheten F består av en hydraulisk drevet slag- bergboremaskin hvis prinsipielle virkemåte med hensyn til slagmekanismen ikke adskiller seg fra kjente utførelser. I dette tilfellet er slag-bergboremaskinen utført for å.' kunne arbeide som en nedsenket maskin i borehullet, og den er derfor bl.a. forsynt med spylepassasjer for boreslammet og med en overgangsanordning for overføring av dreiemoment, aksialkrefter og slag direkte til borkronen.

Enheten G består av en borkrone av kjent type, med innsatser eller tapper av hårdkarbidstål, og med spylepassasjer for boreslammet .

Innretningen ifølge oppfinnelsen innbefatter en borestreng 1, som består av et antall sammenkoblede borestrengseksjoner. Borestrengen 1 danner forbindelsen med markoverflaten. Servoenheten B er forbundet med borestrengen. Servoenheten består av en toppdel 2, et sylinderrør 3 og en bunndel 4. Disse kom-ponenter er sammenkoblet ved hjelp av gjengeskjøter. Den nedre delen av sylinderrøret 3 er forsynt med fire langs omkretsen avstandsplasserte åpninger 5. Bunndelen 4 er forsynt med en firkant passasje 6. Et stempel 7 er bevegbart anordnet inne i sylinderrøret 3 og tetter mot dette. Stemplet er fast forbundet med en stempelstang 8 som har rørform og kvadratisk ytterform. Stempelstangen 8 går med en liten eller løs klar-ing i den kvadratiske passasje 6 i bunndelen 4. Den øvre delen av stempelstangen er forsynt med en ventilmekanisme 9, bestående av et sylindrisk rør med en ventilåpning 10. Dette sylindriske rør er lukket i toppen og passer nøyaktig inn i et sylindrisk hull 11 i toppdelen 2.

Boreslam trykkes ned gjennom borerøret 1, og strømningsret-ningen til boreslammet er vist med fullt opptrukne piler i fig. 1. Vanligvis går boreslammet gjennom ventilåpningene 10, gjennom stempelstangen 8 som er hul, og gjennom en hydraulisk maskin 12. Samtidig trykker boreslammet stemplet 7 nedover fordi fluidumtrykket er lavere i sylinderrøret 3 under stemplet 7, hvilket rom står i forbindelse med borehullet på utsiden av sylinderrøret.

Den hydrauliske maskin 12 har en innløpsåpning 13 og en ut-løpsåpning 14 for boreslammet og er også forsynt med en utgangsaksel 15 som bringes til å rotere når boreslammet går gjennom maskinen. Maskinen er av velkjent type og skal ikke beskrives nærmere her. Det kan benyttes en hvilken som helst maskin som kan drives av boreslammet uten å bli ødelagt iløp-et av kort tid.

Utgangsakselen 15 i den hydrauliske maskin er forbundet med innløpsakselen 17 til en hydraulisk pumpe 16. Når boreslammet når frem til den hydrauliske maskin dreies denne og derved og-så den hydrauliske pumpe. Dette betyr at den hydrauliske pumpe leverer høytrykks- hydraulikkolje (15-20MPa) til en dempeakku-mulator 19, som inngår i slag-bergboremaskinen 18. Den hydraui-liske olje overføres til en sleidemekanisme 20 i slag- bergboremaskinen. Sieidemekanismens konstruksjon er slik at et slagstempel 21 gis en rask resiproserende slagbevegelse. Slagstemplet 21 slår med sin nedre del mot en overgang 22, på hvilken borkronen 23 er skrudd godt fast. Slaget fra slagstemplet over-føres således til borkronen som knuser jord- eller bergmateriale i bunnen av borehullet. Den hydrauliske olje går tilbake fra sleidemekanismen 20 til en oljetank 24 og deretter tilbake til den hydrauliske pumpe 16. Strømningsbanen til den hydrau-

liske olje er vist med stiplede piler i fig. 1.

Når boreslammet forlater den hydrauliske maskin 16 føres det

gjennom passasjene 26 forbi oljetanken 24 og slag- bergboremaskinen 18 og til overgangen 22 og ut gjennom et spylehull 25 i borkronen 23. Borehullsbunnen spyles således for knust.mate-riale (kapp) som tas med av boreslammet opp langs utsiden av

innretningen, mellom innretningen og veggen 27 i borehullet, og opp til marknivået, hvor boreslammet samles i separate bassenger hvor en hovedandel av kaksen skilles fra boreslammet, hvoretter boreslammet pumpes ned igjen gjennom borestrengen.

Dreiemomentet fra en ikke vist rotasjonsmaskin som er plassert på marknivået, overføres gjennom borestrengen 1 og servoenheten B via firkant passasjen 6 og firkant stempelstangen 8 til de andre integrerte enheter C-F. Fra slag- bergboremaskinen F overføres dreiemomentet tii overgangen 15 og til borkronen 26 fordi overgangen er forsynt med låsekiler 28.

Innretningen ifølge oppfinnelsen arbeider på følgende måte.

Når boringen skal startes forbindes innretningen ved hjelp av de gjengekoblinger med en rotasjonsmaskin som er plassert på marknivået, hvoretter innretningen senkes ned i borehullet helt til borkronen når markflaten eller bunnen av borehullet. Ved fortsatt nedsenking av borestrengen 1 vil toppdelen 1 bevege seg mot ventilmekanismen 9 hvis ytre sylindriske del er stukket inn og samvirker med det øvre sylindriske hull 11

i toppdelen, med god pasning. På denne måten tettes det indre løp, dvs. det sylindriske hull 11, i borestrengen, slik at boreslammet hindres i å gå videre gjennom stempelstangen 8. Deretter løftes borestrengen 1 litt helt til toppkanten av ventilmekanismen 9 frigjør det sylindriske hull 11 i toppdelen og gir fri passasje for boreslammet. Samtidig starter rotasjonsmaskinen borestrengens rotasjon og derved også rotasjonen av innretningen. Samtidig startes også pumpen for boreslammet på overflaten. Deretter vil den hydrauliske maskin og

den hydrauliske pumpe sette slagstemplet igang, og slag- bergboremaskinen beveges nedover etter som borkronen knuser jord-og bergmateriale. Borestrengen 1, toppdelen 2 og sylinderrøret 3 roterer uten å bevege seg vertikalt. Matetrykket på borkronen 26 består således bare av dødvekten til enhetene C-G, stemplet 7 og stempelstangen 8, og det hydrauliske differensial-trykk på toppen av stemplet 7.

Når borkronen og således stempelet 7 er senket så dypt i borehullet at stemplet går under åpningene 5 i siden på sylinder-røret 3, vil boreslam strømme ut gjennom disse åpningene og opp til marknivået på utsiden av innretningen. Dette medfører at den hydrauliske maskin 12 og således slagstemplet 21 stop^ per, hvilket betyr at boreslammets mottrykk synker som følge av den lavere strømningsmotstand, da boreslammet ikke må gå gjennom den hydrauliske maskin 12. Dette kan man overvåke ved hjelp av f.eks. manometer på pumpen på overflaten. Når dette er skjedd senkes borestrengen 1 nedover igjen i borehullet ved hjelp av rotasjonsmaskinen. Når borkronen kommer til hvile mot bunnen av borehullet vil stemplet 7 igjen dekke åpningene 5 i sylinderrøret 3. og boreslammet må da gå gjennom stempelstangen 8 og til den hydrauliske maskin 12, og slagstemplet begynner å slå mot overgangen og borkronen. Når borestrengen er sunket så langt at ventilmekanismen 9 tetter det sylindriske hull 11 i toppdelen 2 vil det hydrauliske trykket i boreslammen stige med engang, på dette tidspunkt vil borestrengen 1 løftes litt helt til passasjenfor boreslammet blix' fri, hvoretter borestrengen holdes vertikalt stille og bare roterer helt til borkronen og derved stemplet 7 nok engang er kommet under åpningene 5 og syklusen kan gjentas.

Den trinnvise nedsenking av borestrengen i borehullet, en strekning svarende til stempelslaget, kan utføres automatisk eksempelvis ved hjelp av mekanismen i rotasjonsmaskinen som gir de vertikale bevegelser til borestrengen (niateenheten) . Denne mekanisme kan utformes for nedsenkning av borestrengen når det hydrauliske trykk momentant avtar i boreslammet og stopper borestrengen når trykket momentant øker i forhold til en bestemt verdi. Borestrengen kan også mates med en konstant innstilt matehastighet som modifiseres av følersignaler som ovenfor angitt.

Innretningen tilveiebringer således et forholdsvis konstant

og begrenset trykk på borkronen under boringen, hvilket er ønskelig f.eks. for å redusere slitasjen på borkronen og det nødvendige dreiemoment. Videre forhindres at slagstemplet slår mot borkronen når denne ikke hviler mot bunnen av borehullet, hvilket er vesentlig for å unngå skader på borkronen.

Videre gjør servostyringen det mulig at borestrengen kan bevege seg vertikalt en begrenset strekning under boringen dersom pumpen for boreslammet er forsynt med en overstrømnings-ventil, slik at boreslammet strømmer over ved pumpen på marknivået når trykket i boreslammet overskrider en bestemt verdi. Dette gjør det mulig f.eks. å utføre boringer med en borema-skin montert på en flåte som beveger seg vertikalt i sjøen.

Ovenfor er det beskrevet en foretrukken utførelsesform. Ulike modifikasjoner og endringer kan naturligvis tenkes for den beskrevne innretning, innenfor oppfinnelsens ramme. Eksempelvis kan den hydrauliske pumpe være en hvilken som helst kjent pumpetype, eksempelvis en membranpumpe. Alternativt kan den hydrauliske maskin og den hydrauliske pumpe erstattes av to mekaniske forbundne hydrauliske sylindre, hvorav den ene virker som en maskin og drives av boreslammet, mens den andre arbeider som en pumpe for den hydrauliske olje. Ved egnet for-holdsvalg for tverrsnittsarealene til de to hydrauliske syl-inderne, eksempelvis 3:1, kan man oppnå det ønskede trykk i den hydrauliske olje. Sleide- og ventilmekanismen for de hydrauliske stempler kan være forbundne med hverandre for felles bevegelse.

Innretningen ifølge oppfinnelsen er beregnet for boring av meget dype hull, eksempelvis for boring etter olje. Særlig ved boring etter olje i sjøen er driftsomkostningene pr. dag meget store. Av denne grunn behøver innretningen ifølge oppfinnelsen bare å utføres på en slik måte at man kan gjennom-føre boring av et komplett borehull, hvoretter innretningen kan kastes. Dersom imidlertid innretningen stopper eller setter seg fast ved halvveis ferdig boring av hullet, kan kostnadene for opptaging av innretningen eller eventuelt boring av et skråhull ved siden av innretningen som har satt seg fast, kunne bli meget høye. Som følge av at innretningen ifølge oppfinnelsen er i stand til å arbeide med en bore-hastighet som er omtrent to ganger bcrehastigheten til kjente boremaskiner for boring av oljebrønner, kan det oppnås betyde-lige besparelser ved boring av slike dype hull, særlig ved boringen etter olje i sjøen.

Den foran beskrevne oppfinnelse vedrører således en innretning for tilveiebringelse av borehull i jord eller berg, hvor boreslammet har en dobbelt funksjon, nemlig drift av en hydraulisk slag-bergboremaskin i bunnen av borehullet og bort-spyling av knust jord- eller bergmateriale fra borehullet. Med oppfinnelsen er det nå teknisk mulig å bore hull på opp-til flere tusen meters dyp med en slag-bergboremaskin hvor et slagstempei slår mot en borkrone som samtidig roteres. Dette betyr at borekapasiteten (borehastigheten) dobles i forhold til kjente metoder og i noen tilfeller blir ti ganger så stor, bl.a. avhengig av bergets hårdhet.

Claims (6)

1. Innretning for boring av dype hull i berg og lignende, inn-befattende en borkrone (23) anordnet på enden av en borestreng (1) hvorigjennom et boreslam strømmer for transport av borkaks ut av hullet, en hydraulisk motor (12), som er anordnet til a drives av energien i boreslammet og er anordnet umiddelbart i tilknytning til borkronen (23), og en slaginnretning (21), som drives av den hydrauliske motor (12) og slår mot borkronen (23), karakterisert ved en servoenhet (B) som for-hindrer at slaginnretningen kan slå mot borkronen når denne ikke hviler mot borehullets bunn, og som medfører at borkronen holdes med et begrenset og konstant trykk mot borehullets bunn, hvilken servoenhet (B) innbefatter en toppdel (2), et sylinderrør (3) og en bunndel (4) som er sammenkoblet ved hjelp av gjengeforbindelser, idet sylinderrøret (3) er forsynt med langs omkretsen avstandsplasserte åpninger (5), bunn-stykket er utført med et gjennomgående hull (6), idet inne i sylinderrøret (3) og i tettende samvirke med dette et stempel (7) kan bevege seg, fast forbundet med en stempelstang (8), hvilken stempelstang (8) går med lett pasning i hullet (6) i bunndelen (4), idet stempelstangens (8) øvre del er forsynt med en ventilmekanisme (9) bestående av et rør med en ventilåpning (10), hvilket rør er tett oventil og passer med god pasning inn i et hull (11) i toppstykket (2).

2 . Innretning ifølge krav I,karakterisert ved at den hydrauliske motor (12) er anordnet til å drive en hydraulisk pumpe (16) som pumper hydraulisk væske under høyt trykk til slaginnretningen (21), som er en hydraulisk drevet slagbergboremaskin.

3 . Innretning ifølge krav 2,karakterisert ved en trykkakkumulator (19) forbundet med den hydrauliske pumpes (16) utløp (14) for utjevning av den hydrauliske væskes trykk, og en anordning plassert på overflaten fer rotasjon av borestrengen og derigjennom borkronen, eller alternativt at den hydrauliske motors utgang er anordnet til å drive en i innretningen anordnet rotasjonsanordning for rotasjon av borkronen relativt den i rotasjonshenseende stillestående borestreng.

4. Innretning ifølge et av kravene 1-3, karakterisert ved at servoenheten (B) er anordnet til å belaste borkronen ved boring hovedsakelig bare med tyngden av den hydrauliske motor (12), slaginnretningen samt eventuelt den hydrauliske pumpe med trykkakkumulator.

5. Innretning ifølge krav 4,karakterisert ved at servoenheten (B) muliggjør at borestrengen kan bevege seg vertikalt under boring uten i vesentlig grad å påvirke trykket på borkronen.

6 . Innretning ifølge krav 4 eller 5, karakterisert ved at servoenheten (B) er anordnet til å mate borestrengen (1) med en hastighet som er avhengig av den hastighet hvormed borkronen beveger seg nedover, idet matingen kan skje intermitterende og/eller kontinuerlig.