NO810302L - Borkrone og anvendelse av samme. - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører rotasjonsborkroner

og en fremgangsmåte for anvendelse av slike, og har særlig be-fatning med borkroner som anvendes ved boring av hull i underjordiske lagformasjoner, for utvinning av olje, gass eller vann, eller i gruvedrift eller ved kjerneboring. Borkronen er montert i forenden av en borstreng.

Borkronene omfatter et kronehus med en innvendig kanal, eksempelvis for en væske såsom boreslam, som utmunner på yttersiden av borkronehuset, skjærelementer som er anordnet på kronehusets ytterflate, og en mengde væskekanaler som strekker seg langs borkronens forside, fra munningen av den innvendige kanal og forbi noen av skjærelementene og til periferien. Skjærelementene kan bestå av diamant, syntetiske diamanter og liknende,

og de kan trenge inn i lagformasjonen ved reell skjæreeffekt eller ved slipevirkning. Slike borkroner er f.eks. kjent fra US-patentskrift 2.371.489, 2.809.808, 3.709.308 og 3.727.704. Under anvendelse av en slik borkrone blir det gjennom kanalen

i borkronehuset pumpet borevæske-"slam" som løper ut gjennom åpningene og strømmer utad og oppad langs de mange væskekanaler på forsiden av kronehuset og til brønn-ringkanalen. Slammet spyler materialfragmenter bort fra borkronen og rengjør og avkjøler skjær- eller slipeelementene, foruten i viss grad å avkjøle formasjonen hvori det bores. Borkronen kan innbefatte mange skjærelementer men atskillig færre åpninger, slik at slam-strømmen fra en åpning må spyle løsmateriale bort fra flere skjærelementer. Dette skyldes at hver åpnings gjennomløpstverr-snitt må være tilstrekkelig stort, slik at tilfeldig forekommende fremmedlegemer i slammen kan passere, og det totale gjennomløps-tverrsnitt må være: tilstrekkelig lite til å sikre tilfreds-stillende utløpshastighet, slik at kanalene holdes åpne og forsiden av borkronen renspyles.

I idealtilfellet vil slamstrømmen som passerer gjennom kanalen og åpningene, løpe "ren" ut ved kronen, dvs. at de 'uoppløste, faste partikler bare er av mikroskopisk størrelse. 1 praksis vil imidlertid slammet inneholde tilfeldige fremmedlegemer såsom stykker av gummi, metall eller fjell. Eksempelvis kan stykker av gummi eller metall løsrives fra ventiler eller stempler i slampumpene som er tilknyttet boreriggen. Disse fremmedlegemer vil ofte forekomme i størrelser mellom 2 og 12 mm, og kan ofte forårsake blokkering av slamåpningene i borkronen.

Slike fremmedlegemer kan dessuten innvirke forstyrrende på den vellykkede funksjon av en borhullsmotor, f.eks. en slam-turbin, nær den nedre ende av borstrengen. Ved anvendelse av en slik turbin er det vanlig praksis å innkople en grovsil med ca. 6 mm hulldiameter umiddelbart under den såkalte kelly og ovenfor den øverste seksjon av borstrengen. Silen må skiftes: hver gang det tilkoples en ytterligere, 10-meters borstreng-seksjon. Silen rengjøres innen den neste tilkopling, for å gjenanvendes, slik at det er nødvendig å benytte to slike siler. Til tross for denne forsiktighetsforholdsregel har det vist

seg at fremmedlegemer fremdeles medføres til borkronen, og dette kan skyldes smussige borrør, uren tetningsmasse eller tilfeldig og utilsiktet utelatelse av silen.

En annen kilde til forurenset slam er avfall som er etter-latt i hullet fra tidligere boreprosesser og som inntrenger i borstrengen gjennom borkronen, mens denne nedføres til bunnen av hullet.

En annen, mulig årsak til blokkering av slike borkroner med små åpninger er den leilighetsvis forekommende men betyd-ningsfulle anvendelse under boring av såkalt "tapt sirkulasjonsmateriale" som tilsettes slammet for å tette en tilfeldig bruddannelse i den formasjon hvori det bores. Dette materiale kan bestå av store glimmerflak eller endog valnøttskall, og partikler av slik størrelse kan blokkere små åpninger med diameter av 6 mm eller mindre. Behovet for å anvende slikt materiale kan oppstå hurtig og uventet.

For å unngå denne blokkering av små åpninger i borkronen, har det vært foreslått å anordne en sil inne i selve kronen. Selv om en slik sil vil kunne forebygge blokkering av åpningene i borkronens ytterside, kan selve silen bli gjentettet av opp- samlet, tilbakeholdt materiale, og silen vil dessuten utelukke anvendelsen av tapt sirkulasjonsmateriale, da de større partikler i dette materiale ville oppfanges av silen.

Formålet ved oppfinnelsen er å frembringe en borkrone

av en konstruksjon som vil forebygge blokkering av små åpninger i kronen som følge av fremmedlegemer, og samtidig tillate anvendelse av tapt sirkulasjonsmateriale.

Det er ifølge oppfinnelsen frembrakt en rotasjonsborkrone for anvendelse i underjordiske lagformasjoner, som omfatter et borkronehus med en innvendig kanal for en borevæske, og skjærelementer som er montert på kronehusets yttervegg, for utfresing eller utskraping av formasjonen, hvor kanalen utmunner ved et antall dyser i tilgrensning til skjærelementene og er utstyrt med innvendig filter,karakterisert veden utskiller-anordning for utsortering av større partikler fra slammet og for avleding av slike partikler bort fra dysene og ut av borkronen.

Utskilleranordningen har som oppgave å hindre at fremmedlegemer i borevæsken føres til de mindre åpninger og blokkerer disse, og i stedet la dem passere eller lede dem til med borevæsken til den eller de større åpninger. Det er følgelig liten risiko for at de mindre åpninger skal blokkeres innvendig av fremmedlegemer i borevæsken. Hvis det viser seg nødvendig å anvende tapt sirkulasjonsmateriale, vil dette materiale kunne passere gjennom borkronen og avledes ut fra kronen ved hjelp av utskilleranordningen, uten å passere gjennom de mindre åpninger.

Utskilleranordningen kan være av forskjellig konstruksjon, og innrettet for å fungere på statisk eller dynamisk måte. I en enkel utforming består anordningen av en plate eller skive med perforeringer for tilbakeholding av fremmedlegemer, og større perforeringer, som er forbundet med rør som fører til yttersiden av borkronen og som er innrettet for å lede fremmedlegemer ut av kronen. I en annen, foretrukket, statisk versjon består utskilleranordningen av en kjegle eller sylinder som fortrinnsvis er plassert i kanalen i borkronen og som står i forbindelse med et utløp på yttersiden av borkronen,' uavhengig av dysene. Røret kan i stedet være anbrakt i en kanal i en annen del av borstrengen, f.eks. i stabilisatoren, og være forbundet med borkronens utløp.

Utskilleranordningen kan være konstruert og innrettet for å fungere som en hydrosyklon eller sentrifugalseparator. Idet borevæsken strømmer gjennom separatoren, blir partiklene i væsken akselerert med forskjellig hastighet, og fremmedlegemer med en annen egenvekt enn borevæsken, kan på den måte utskilles fra selve borevæsken.

Grunnet tilstedeværelsen av utskilleranordningen kan dysene utføres med mindre og stort sett samme diameter, hvorved dysetettheten og/eller slamutløpshastigheten økes.

Oppfinnelsen innbefatter en fremgangsmåte for boring under anvendelse av en borkrone som beskrevet i det ovenstående, hvorved eventuelle fremmedlegemer i borevæsken avledes til yttersiden av kronen og bort fra dysene. Oppfinnelsen innbefatter en fremgangsmåte som angitt, hvorved det benyttes

tapt sirkulasjonsmateriale i borevæsken.

Oppfinnelsen er nærmere beskrevet i det etterfølgende i forbindelse med de medfølgende tegninger, hvori: Fig. 1 viser et vertikalsnitt av en rotasjonsborkrone

som er utstyrt med et innvendig utskillerelement.

Fig. 2 viser et vertikalsnitt i likhet med fig. 1, hvor

utskillerelementet er anordnet i borstrengstabilisatoren.

Fig. 3 viser et vertikalsnitt av en rotasjonsborkrone som innbefatter et utskillerelement som fungerer som en hydrosyklon.

I den etterfølgende beskrivelse er like deler i de for-skjellige utførelsesformer så vidt mulig betegnet med samme henvisningstall.

En borkrone 10 av kjent form er forbundet med et antall ikke viste, prefabrikerte, skjærelementer av syntetisk, agglo-merert, polykrystallinsk materiale. Borkronen er fortrinnsvis av den type som er beskrevet i britisk patentsøknad 810075. En midtkanal 11 strekker seg fra den bakre ende av borkronen mot forenden. Kanalen 11 avsmalner ved den fremre ende av borkronen, og en ledning 12 med redusert diameter strekker seg fra kanalen 11 til borkronens ytterside. Utboringer 13 som utgår fra midtkanalen, ender i dyser 14 som er anordnet i væskekanaler 15.Tegningen viser bare tre utboringer 13, men dysene er anordnet i et stort antall.Dysene som normalt vil være sirkelformet, kan ha en diameter av 2 til 6 mm, mens ledningen 12 som regel er trekløverformet med 12 til 2 0 mm diameter .

Et utskillerelement 16 er montett i midtkanalen 11. Det viste element som er konisk og strekker seg langs midtkanalen, er i sin smale ende forbundet med et kort rør 17 i ledningen 12. Elementveggene innbefatter perforeringer 18 som i forhold til dysene 14 er slik dimensjonert, at de fortrinnsvis er mindre enn dysene, slik at eksempelvis diameteren av perforeringene kan være 1,5 mm og av dysene ca. 2 mm.. Elementet kan være frem-stilt av platemetall eller av strekkmetall. Perforeringene er fortrinnsvis sirkulære, men kan ha annen form.

Under drift pumpes borevæske nedad inn i midtkanalen 11 og inn i den øvre ende av elementet 16. En del av væsken strøm-mer gjennom elementet 16 og gjennom ledningen 12, hvorfra den strømmer ut og oppad gjennom væskekanalene 15. En viss del av væsken passerer gjennom perforeringene 18 og fortsetter gjennom utboringene 13 til dysene 14. Elementet 16 virker som en statisk separator, idet fremmedlegemer av tilstrekkelig størrelse til å blokkere dysene 14, ikke vil passere gjennom perforeringene 18 men medføres nedad gjennom den større åpning 12. Væsken som strømmer til dysene 14 vil følgelig være "ren" og det er liten sannsynlighet for at dysene 14 skal gjentettes innvendig.

Hvis det viser seg nødvendig å anvende tapt sirkulasjonsmateriale, vil dette passere gjennom den fulle lengde av utskillerelementet 16 og gjennom ledningen 12, uten å medføres til de trange dyser 14.

Under anvendelse av borkronen vil noen av perforeringene 18 kunne gjentettes, men i betraktning av deres store antall i forhold til antallet trange dyser 14, kan dette tolereres.

I versjonen ifølge fig. 2 er utskillerelementet 2 montert i en midtkanal 19 i en stabilisator 20 som er forbundet med borkronen. Røret 17 er lengre enn ifølge fig. 1 og strekker seg langs den fulle lengde av midtkanalen 11 i borkronehuset.

Versjonen ifølge fig. 3 innbefatter en hydrosyklonsepara-tor. En skive 30 er anordnet bakerst i borkronen 10. Skiven er utstyrt med innløpsåpninger 31 som står i forbindelse med ut-løpsåpninger 32 som peker i tangential retning. Skiven 30 be-finner seg ovenfor en kjégledel 33 (ikke perforert) og en kanal 34 forløper mellom undersiden av skiven 30 og overdelen av kjeglen 33. Overdelen av kjeglen 33 har mindre diameter enn hulrommet i borkronehuset, og det derved dannete ringkammer 35 står i forbindelse med utboringer 13 som leder til dyser 14.

Gjennom et rør 36 ledes boreslam til kanalen 34. Delene 30 til 34 samt røret 36 danner sammen den nevnte hydrosyklon.

Under drift strømmer boreslam nedad gjennom kanalen i borkronen og gjennom innløpene 31 i skiven 30. Idet slammet utstrømmer fra utløpsåpningene 32, økes hastigheten hvorved eventuelle, større partikler slynges til utsiden av kjeglen 33, mens det rene slam presses oppad gjennom røret 36 og langs kanalen 34 til dysene 14. De- større partikler løper ut gjennom ledningen 12 i forenden av borkronen. På denne måte vil separatoren utskille det rene slam fra fremmedlegemene som ledes ut av borkronen.

Oppfinnelsen er ikke begrenset til de beskrevne versjoner.

Elementet 16 kan f.eks. være sylinderformet i stedet for konisk. Utskillerelementet ifølge fig. 3 kan være utstyrt med spiral-formete kamre eller ledeskovler. Det kan være anordnet turbin-liknende blader som vil bringe boreslammet i rotasjon om bor-kroneaksen. Borkronen ifølge fig. 3 kan innbefatte et andre

utskillerelement for fjerning fra slammet av fremmedlegemer av mindre egenvekt enn slammet.

Claims (13)

1. Rotasjonsborkrone for anvendelse i underjordiske lagformasjoner, som omfatter et borkronehus med en innvendig kanal for borevæske, og skjærelementer, montert på yttersiden av borkronen, for utfresing eller utskraping av formasjonen, hvor kanalen utmunner i et antall dyser ved skjærelementene, og hvor kanalen opptar et filter, karakterisert ved at det er anordnet en utskiller for fjerning av større partikler fra boreslammet og avleding av disse fra dysene og ut fra borkronen.

2. Borkrone i samsvar med krav 1, karakterisert ved at utskilleren er innrettet for å fungere på statisk eller på dynamisk måte.

3. Borkrone i samsvar med krav 1 eller 2, karakter!- sert ved at utskilleren er statisk og består av et perforert element med et rørsystem for leding av fremmedlegemer mot utsiden av borkronen.

4. Borkrone i samsvar med krav 1 eller 2, karakterisert ved at utskilleren er statisk og består av et rør som er montert i borkronekanalen og innbefatter en perforert vegg hvor hoveddelen av perforeringene i veggen har mindre diameter enn dysene, og som i den ene ende er forbundet med et utløp på yttersiden av borkronen.

5. Borkrone i samsvar med krav 4, karakterisert ved en ledning som strekker seg fra enden av kanalen til utløpet, og en sylinder som er forbundet med et rør i ledningen.

6. Borkrone i samsvar med et av kravene 2, 4 eller 5, karakterisert ved en utskillersylinder som er anordnet i en kanal i en borstreng bak kronen, og et rør som strekker seg fra sylinderen, gjennom kanalen i borkronen og til et utløp på yttersiden av borkronen.

7. Borkrone i samsvar med krav 1, karakterisert ved at utskilleren er dynamisk og innrettet som en hydrosyklon eller en sentrifugalseparator.

8. Borkrone i samsvar med krav 7, karakterisert ved at det er anordnet en skive tvers over kanalen i borkronen, og at skiven er utstyrt med gjennomgående åpninger som er innrettet for fremdriving av borevæsken, og at det videre er anordnet en sperring som leder den fremstrømmende borevæske til dysene og de fremstrømmende, større partikler til et utløp på yttersiden av borkronen.

9. Borkrone i samsvar med krav 7 eller 8, karakterisert ved at skiven innbefatter et nedpresset parti, og at de gjennomgående åpninger er anordnet i sideveggene av dette parti.

10. Borkrone i samsvar med et av de foregående krav, karakterisert ved at samtlige dyser har stort sett samme diameter.

11. Fremgangsmåte for boring, karakterisert ved nedtvinging av en roterende borkrone i samsvar med et av de foregående krav i en underjordisk lagformasjon og nedpumping av en borevæske gjennom borkronen, idet eventuelle fremmedlegemer avledes til utsiden av borkronen og bort fra dysene.

12. Fremgangsmåte i samsvar med krav 11, karakter! - sert ved at det i borkronekanalen innpumpes tapt sirkulasjonsmateriale som ledes til utsiden av borkronen og bort fra dysene.

13. Borstreng eller stabilisator for anvendelse ved en borkrone i samsvar med krav 6, karakterisert ved at den omfatter en kanal som opptar en sylinder som er anordnet for å bringes i forbindelse med borkroneutløpet.