NO305916B1 - Sprededyse for boreverktöy, og boreverktöy med slik dyse - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse angår dyser eller utløpsåpninger for et boreverktøy som skal bore ut grunnfjell ved utskraping eller skjærvirkning, f.eks. et såkalt monoblokkverktøy som har skjær eller tenner av diamant, krystallinsk polydiamantstruktur, wolfram-karbid etc. Slike dyser må ha gode egenskaper når det gjelder gjennomstrømning, rensevirkning, kjølevirkning av tennene og skjærene, og god evne til å føre ut utskrapet materiale (borekaks).

Det er kjent at dyser med sylindrisk eller utad konvergerende tverrsnitt har utmerkete egenskaper når det gjelder destruksjon av grunnfjellet, ved at de konsentrerer væskeutstrøm-ningen til en mindre bearbeidingsflate. Man bruker slike dyser av denne grunn i trikonusverktøy.

Når det gjelder monoblokkverktøy er imidlertid hoved-formålet ikke destruksjon av grunnfjellet ved hydraulisk støt, men heller jevn overrisling (irrigasjon) over hele verktøyets aktive flate. Et slikt resultat vil ganske sikkert kunne oppnås ved å utruste verktøyet med store dyser som følgelig gir en fluid-utstrømning via store tverrsnitt og som følgelig heller ikke vil være så lett å stoppe til av borekaks, men i det tilfelle hvor en tilstopping finner sted, hvilket er fullt mulig, selv om det ikke vil forekomme ofte, vil tilstoppingen være vanskelig å utbedre, siden trykktapet i en stor og vid dyse er lite. Hvis verktøyet har flere øvrige vide dyser som ikke er tilstoppet vil det vanligvis ikke være nok differansetrykk disponibelt for å frigjøre den tilstoppede dyse fra det som hindrer den.

En løsning for å favorisere rensing av tilstoppede dyser kunne være å velge dyser med et lite passasjetverrsnitt, siden differansetrykket da ville bli høyere og lettere kunne bevirke automatisk rensing, men derved er man tilbake igjen i problem-stillingen ved at trange dyser lett vil kunne tilstoppes.

Fra patentskriftet US 4 703 814 er kjent dyser som kan monteres på og frigjøres fra boreverktøy ved hjelp av spesialnøkler med sekskantet tverrsnitt (ofte kjent under benevnelsen Allen-eller Umbrakonøkler), hvilket gir plassgevinst og overlegent tilstrammingsmoment i forhold til standarddyser. Dysene ifølge patentskriftet løser imidlertid ikke det problem som er skissert innledningsvis og som gjelder å løse problemkomplekset: god irrigasjon, autorensing og god kjøleeffekt, såvel som automatisk

hindring av tilstopping.

Videre dekker US 4 185 706 anvendelse av kaviterende dyser beregnet for å grave ut grunnfjellet ved kaviteringsvirkning. Kavitasjon er et nedbrytningsfenomen som baserer seg på "mini-eksplosjoner" som frembringer destruktive støtbølger. Imidlertid gir heller ikke slike dyser noen løsning på det problem som_er omtalt ovenfor.

EP-A-0146252 gjelder en elementsammenstilling for å frembringe en dyse som er motstandsdyktig overfor meget store trykk, men denne dyse har ingen oppbygging som gjør den særlig egnet til å forbedre rensevirkningen, fluidfordelingen eller kjølevirkningen overfor boreverktøyet.

Fra US 4 185 706 kjennes et boreverktøy med ruller som har divergerende dyser, og verktøyet er av monoblokktypen.

US 4 723 612 gjelder også et monoblokkverktøy, og dette verktøy har flere kuttere og tilhørende påfestede dyser. Hver dyse har en utløpsåpning som fører en siderettet fluidstrøm mot en kutter eller flere slike anordnet i grupper, for kjøleformål. Utføringen av det utborede materiale er i et slikt verktøy avhengig av fluidfordelingen, og i dette tilfelle går fluidstrømmen fra dysene tilnærmet i et plan og med vifteform. Derved oppnås en betydelig hastighetsgradient på begge sider av fluidstrømmens midtplan.

Endelig er det i NO 140 640 beskrevet et boreverktøy med en rekke konvergerende dyser som strekker seg over en endeflate på verktøyet. Når verktøyet støter på meget hardt materiale som skal bores ut, aktiveres hardmetallinnsatser, men ellers utføres utboringen av dysene alene.

På denne bakgrunn er det et mål med oppfinnelsen å foreslå en dyse med gode egenskaper når det gjelder irrigasjon, autorensing og kjøling, som i praksis ikke vil,kunne tilstoppes, men som, hvis tilstopping likevel skulle skje, lett vil kunne renses.

Dette mål er nådd med oppfinnelsens dyse for innmontering ytterst i en borefluidkanal i et boreverktøy av den type som er i ett stykke, omfattende: et innløp som etter innmonteringen rager inn i boreverk-tøyet s indre, et utløp inne i dysen og som etter innmonteringen tilnærmet kommer til å flukte med boreverktøyets ytre overflate, og en innvendig omløpende dysevegg som divergerer ned til utløpet. Dysen, som kan kalles sprededyse og hvis åpningstverrsnitt gradvis øker utover fra det indre av verktøyet og mot dets og dysens ytterflate, er særlig kjennetegnet ved at dyseveggen, for å sikre at borefluidet kommer til å strømme laminært langs denne som følge av Coandaeffekten og uten å danne virvler og motstrømmer, og for å sikre at borefluidet videre fortsetter i en laminær, divergerende stråle gjennom dysen og ut gjennom utløpet, er konisk og med en toppvinkel - som fastlegger dysens divergensvinkel (a) - høyst på ca. 30°.

En slik sprededyse har følgelig en geometri som ikke vil holde tilbake materiale og danne tilstopping, siden åpningstverrsnittet gradvis øker utover. Hvis tilstopping skulle finne sted vil trykkfallet som dannes være det som gjelder ved dysens inn-løpsende hvor åpningstverrsnittet er minst, og her er altså trykket størst, hvilket gir tendens til utstøting av en eventuell propp av materiale, og denne utstøting lettes stadig etter hvert som materialet føres utover i dysen langs de divergerende dysevegger. Videre vil en slik divergerende "sprededyse" gi utmerket overrisling eller irrigasjon av verktøyet ved at strålen også divergerer utover og følgelig vil kunne dekke større område. Energien i fluidstrålen fordeles følgelig over en relativt bred diffu-sjonskonus og minsker anslagsstøtvirkningen.

Som konklusjon vil en slik dyse ifølge oppfinnelsen kombinere de gode egenskaper som brede dyser har, nemlig ved at de ikke lett tilstoppes og at de har en god irrigasjonsevne, med egenskapene for trangere dyser, nemlig tilstedeværelsen av et relativt høyt differansetrykk som tilsier en eventuelt lettere utstøting av materiale som kan tenkes å tilstoppe dysen.

Det er en kjennsgjerning at det borefluid som benyttes ved boring av oljebrønner har en meget stor gjennomstrømning og at det derfor vil kunne oppstå områder med turbulent væske- eller fluidbevegelse. Hvis boreverktøyet har en divergerende dyse vil det også kunne dannes en turbulent motstrøm inne ved de divergerende dysevegger, hvilket betyr at fluidet ikke vil strømme i riktig retning langs disse.

Dette problem løses ved å begrense den totale divergensvinkel til den angitte maksimalverdi på omkring 30°.

Man har faktisk lagt merke til at fluidet opp til en divergensvinkel av denne størrelse fremdeles vil holde seg inn mot dyseveggene som følge av Coandaeffekten, selv om man har noe turbulens, men såsnart vinkelen overstiger 30° vil motstrømmer dannes i stadig større grad. Ønsker man en rent laminær strømning må divergensvinkelen holdes på maksimalt ca. 15°.

Ifølge en utførelsesvariant av oppfinnelsen har dyseveggene nærmest innløpet, der hvor åpningstverrsnittet er minst, et mindre, omløpende innsnitt hvor tverrsnittet brått økes i strømningsretningen, og en slik tverrsnittsutvidelse fastlegger en "kontrakavitet" hvor det oppstår et lett undertrykk og hvor Coandavirkningen gjør seg ytterligere gjeldende og trekker fluidet mot de divergerende dysevegger i området utenfor.

Nå skal to utførelseseksempler av oppfinnelsen beskrives, med støtte i de tilhørende tegninger, hvor fig. 1 viser et lengdesnitt gjennom en divergerende dyse ifølge oppfinnelsen, fig. 2 viser et lengdesnitt gjennom en tilsvarende dyse, men nå med større divergensvinkel enn den maksimale, fig. 3 viser et lengdesnitt gjennom en tilsvarende dyse hvor tverrsnittet endrer seg brått utover, og fig. 4 viser et forstørret utsnitt av denne tverrsnittsutvidelse. Fig. 1 viser altså et boreverktøy 10 med en dyse 12 med utover divergerende dysevegger 16 og hvis divergensvinkel a er under 30°. Det borefluid som føres gjennom dysen og har en viss turbulens vil i en slik dyse følge dyseveggene ganske godt som følge av Coandaef fekten og strømmer ut av dysen i en divergerende stråle 18 uten dannelse av turbulente motstrømmer. Fig. 2 viser situasjonen i en dyse som divergerer ganske kraftig utover og hvor divergensvinkelen overstiger 30°. Fluidet hefter ikke lenger til dyseveggene 16, og det dannes i stedet turbulerende motstrømmer 20 som hindrer f luidstrømmen i å divergere særlig.

Dysen vist på fig. 1 vil ikke lett tilstoppes siden diver-geringen følger fluidretningen, og dysen kan derfor tilnærmet ekvi-valeres med en dyse med stort tverrsnitt. Samtidig representerer dysen et stort trykkfall, tilsvarende en dyse med lite gjennom-strømningstverrsnitt. Videre har dysen på grunn av den divergerende fluldstrøm et stort irrigasjonsfelt, slik at verktøyet med en slik dyse ikke vil gi bestemte soner dårligere gjennomspyling enn andre.

I den utførelsesform som er vist på fig. 3 har man i dysens innløpsområde utført en tverrsnittsendring for det ut- strømmende fluid, i form av en utsparing 22, slik at det dannes et lett trykkfall i et område 24 som danner et hulrom. Undertrykket gjør at fluidet tiltrekkes og presses ut mot de divergerende dysevegger 16.

Dysen kan ha vilkårlig tverrsnittsform, f.eks. sirkulær, kvadratisk eller rektangulær. Dyseveggene kan ha rettlinjet gene-ratrise slik som vist på fig. 1 eller konveks. Det divergerende parti av dyseveggene kan ved dysens innnløp gå over i et konvergerende parti 26 eller et tilsvarende sylindrisk slik som antydet på fig. 4.

Dysen ifølge oppfinnelsen er særlig egnet for boreverktøy av monoblokktypen, men i bestemte utførelser kan slike dyser også passe til boreverktøy av trikonustypen.

Claims (3)

1. Dyse (12) for innmontering ytterst i en borefluidkanal i et boreverktøy (10) av den type som er i ett stykke, omfattende: et innløp som etter innmonteringen rager inn i boreverk-tøyets indre, et utløp inne i dysen og som etter innmonteringen tilnærmet kommer til å flukte med boreverktøyets ytre overflate, og en innvendig omløpende dysevegg (16) som divergerer ned til utløpet, KARAKTERISERT VED at: dyseveggen (16), for å sikre at borefluidet kommer til å strømme laminært langs denne som følge av Coandaef fekten og uten å danne virvler og motstrømmer (20), og for å sikre at borefluidet videre fortsetter i en laminær, divergerende stråle (18) gjennom dysen (12) og ut gjennom utløpet, er konisk og med en toppvinkel - som fastlegger dysens divergensvinkel (a) - høyst på ca. 30°.

2. Dyse ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at det mellom innløpet og den koniske dysevegg (16) er et sylindrisk parti eller et nedover konvergerende område (26).

3. Dyse ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at den koniske dysevegg (16) ved innløpet har en omløpende ringformet avtrapping (22) som avgrenser et utsparingsområde (24) for å etablere undertrykk .