NO140640B - Roterende borkrone for hydraulisk boring av hull i undergrunnsfjell - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en roterende borkrone

for boring av hull i undergrunnsformasjoner og gjennomtrengning inn i dyptliggende underlag med det formål å gjenvinne derfra verdifulle materialer, såsom hydrokarboner.

Foreliggende oppfinnelse er særlig rettet på en ro-' terende borkrone egnet for å bryte opp bunnen av det hull som er boret med væskestråler med stor hastighet og høyt trykk og som er rettet mot bunnen av hullet ved hjelp av dyser. Høytrykks-væsken fra dysene trenger inn i porene i underlaget og/eller sprekkene i dette og bryter følgelig opp formasjonen. Fragmen-

ter av bunnen av hullet føres oppover ved hjelp av væsken som vender tilbake til jordoverflaten.

Munnstykkene eller dysene er fordelt over den del av borkronen som vender mot bunnen av hullet når borkronen er i funk-sjon. Da borkronen dreies omkring sin sentrale akse, beveger disse dyser seg over sirkler som er konsentriske med den sentrale akse. I kjente borkroner etterlater dysene når disse er i drift konsentriske forhøyninger på bunnen av hullet, hvilke forhøy-

ninger brytes opp av mekaniske organer anordnet mellom dysene. Slike organer kan være staver eller kileformede elementer som knuser forhøyningene, hvoretter fragmentene føres oppover gjennom hullet ved hjelp av den væskestrøm som vender tilbake til jordoverflaten. Det vil være klart at slike mekaniske organer er utsatt for meget stor slitasje og følgelig forkorter borkronens operasjonslevetid be-tydelig.

Oppfinnelsens formål er en roterende borkrone som

angitt i innledningen til krav 1 og oppfinnelsen utmerker seg ved de trekk som fremgår av karakteristikken i krav 1.

Oppfinnelsen vil i det følgende bli beskrevet mer de-taljert under henvisning til tegningene som i form av eksempler viser noen utførelser av oppfinnelsen,idet fig. 1 skjematisk viser et snitt av en borkrone i samsvar med oppfinnelsen med en enkelt rekke dyser, fig.2 viser et sideriss av borkronen på fig.l sett i pilens II retning, fig.3 viser et bunnriss av borkronen på fig.1, fig. 4 viser skjematisk et snitt av en borkrone av typen vist på fig. 1, men med en delvis f lat bunndel hvori dysene er anbragt, f ig. 5 viser skjematiske sideriss av en borkrone i samsvar med oppfinnelsen, idet borkronen har en sfærisk bunndel, fig. 6 viser et bunnriss av borkronen på fig. 5j fig. 7 er et sideriss av en borkrone i samsvar med oppfinnelsen, hvor borkronens hoveddel bærer diamanter for skjæring av de formasjonsdeler som har ekstrem1 hardhet, fig. 8 er et bunnriss av borkronen på fig. 7 og fig. 9 viser i storre målestokk et lengde-

i

snitt av en dyse som kan anvendes i bbrkroner i samsvar med oppfinnelsen.

En borkrone i samsvar med oppfinnelsen og som vist på

fig. 1 til 3 omfatter en borkrone-hoveddel 1 med en midtakse 2. Den ovre ende av borkronens hoveddel 1 er'forsynt med skruegjenger 3 for tilkobling av borkronen til en borerorstreng (ikke vist). Det innvendige 4 av borkronens hoveddel 1 står i forbindelse med en åpning 5 beregnet for kommunisering med det indre av borerorstrengen når hoveddelen 1 er skrudd inn på denne streng.

Dyser 7 er anbrakt i den nedre ende 6 av hoveddelen 1, idet disse dyser gjor det mulig for væske som er fort fra det indre av borerorstrengen inn i det innvendige 4 av hoveddelen 1, å unn-slippe fra hoveddelen 1 i form av et antall stråler 8. Retningen av strålene 8 er antydet ved midtaksene 9 for dysene 7- I denne spesielle utforelse av oppfinnelsen ligger aksene 9 i et felles plan og alle akser skjærer midtaks en 2 for borkronens hoveddel 1 i et felles punkt. Sentrene for avlopsåpningene av dysene 7 befinner seg på sirkler A, B, C, D, J, hvilke sirkler1 er konsentriske om midtaksen 2 for hoveddelen 1. Avstanden mellom skjæringspunktene for tilstotende sirkler med et plan gjennom midtaksen 2 er tre ganger diameteren "d" for avlopet fra dysene 7- Disse skjæringspunkter er antydet på fig. 1 ved punkter A', B<1>, C', D<1>, J'. Da dysene anbrakt på sirkler med tiltagende diameter, er'avvekslende anbrakt på den ene eller den annen side av midtaksen 2, er avstanden mellom sentrene forio tilstøtende dyser 7 seks ganger diameteren d. Dysen 7' som er nærmest midtaksen 2, er anbrakt på en sirkel med radius 1,5 d.

Det vil være klart at ved dreining av borkronen om dennes midtakse 2 vil væskestrålene bevege seg i baner med senterlinjer som faller sammen med sirklene A, B, C, .„.'...., J, og angripe bunnen av det hull som bores. De relative posisjoner av væskestrålene under dreining av borkronen er indikert med pilene 8 og 8A (idet sistnevnte er bare antydet). Pilene 8A viser posisjonen av strålene 8 i forhold tii bunndelen 6 av borkronens hoveddel når borkronen er dreid l8o°.

Som det vil fremgå av fig. 1<:>, er strålene 8 ikke parallelle med hoveddelens 1 midtakse, men er hver anordnet i en viss vinkel til samme. Vinkelen mellom hvert par tilstotende piler 8 og 8A er 5°. Således er vinkelen mellom midtaksen 9 for tilstotende dyser 7 i bunndelen 6 av borkronens hoveddel 10°. Midtaksene 9 er anbrakt på matematiske kjegler med midtakser som faller sammen med midtaksen 2 for hoveddelen 1. Toppvinklene for tilstotende kjegler avviker 10°.

Denne anordning av dysene bringer den ytre stråle 8" i en vinkel på 47)5° i forhold til sideveggen av borehullet som bores, hvilken vinkel er tilstrekkelig stor til å fjerne en del av sideveggen umiddel-bart over bunnen av hullet for å tillate passering av hoveddelen 1 gjennom hullet. Vinkelen mellom aksen 9" og strålen 8" og midtaksen 2 for hoveddelen 1 er temmelig stor (dvs. storre enn 45°)) men vink-lene mellom de forskjellige akser 9 for strålene 8 er forholdsvis liten og denne i kombinasjon med avstanden mellom sentrene for avlopene fra dysene 7 er lik seks ganger diameteren for disse avlop, og tillater således gjennomgang av hoveddelen 1 gjennom hullet og samtidig hindre dannelsen av ringformede forhøyninger på bunnen av hullet, hvilke forhoyninger måtte brytes opp ved hjelp av mekaniske organer så som staver eller kileformede elementer.

Det vil bemerkes at under slik boreoperasjon er der ingen fysikalsk kontakt mellom borkronens hoveddel 1 og bunnen av det hull som bores.

Bunndelen 6 av hoveddelen 1 eller dysene 7 er laget av slitefast materiale. Forskjellige dyseformer kan anvendes. En dyse-konstruksjon skal beskrives i det folgende med henvisning til fig. 9.

Fig. 4 viser et snitt av en borkrone i likhet med den som er vist på fig. 1, men som har en delvis flat bunndel 10 buet ved sine ender 11. På samme måte som borkronen vist på fig. 1 til 3, omfatter borkronen ifolge fig. 4 en enkelt rekke dyser 12 i bunndelen. Avstanden mellom senter for avlopene av tilstotende dyser 12 er fem ganger diameteren av disse avlop. Folgelig er avstandene mellom skjæringspunktene for tilstotende sirkler, på hvilke dysene befinneru) seg, med et plan gjennom midtaksen 13 2,5 ganger diameteren av dysenes avlop. Midtaksene 14 for dysene 12 er anordnet på matematiske kjegler med toppvinkler som avviker mellom 8° og 13° for hvert tilstotende par kjegler. Den storste toppvinkel for kjeglene er 98°.

Midtaksene 9 og 14 for dysene 7 hhv. 12 vist på fig. 1 og 4 er alle i et felles plan som går gjennom midtaksene 2 hhv. 13 for de viste borkroner. Imidlertid er oppfinnelsen ikke begrenset til dette som det kan sees av fig. 5 og 6 som viser et sideriss hhv. et bunnriss av en borkrone i samsvar med1 oppfinnelsen og som har dyser 15 fordelt over bunndelen 16 av borkronens hoveddel 17} hvilken bunndel er sfærisk utformet. Midtaksene (ikke vist) for alle dyser 15 skjærer midtaksen 18 for borkronens hoveddel 17- Hver av disse akser ligger i overflaten av en matematisk kjegle med sin midtakse sammen-, fallende med midtaksen 18 for hoveddelen 17- Toppvinklene for tilstotende kjegler avviker 14° og avstanden mellom skjæringspunktene for tilstotende sirkler på hvilke dysene 15 befinner seg, med et plan gjennom midtaksen 18, er 2,5 ganger avlopsdiameteren for dysene 15-Den storste toppvinkel er 104°.

Ytterst harde undergrunnslåg kan motstå den virkning som utoves på samme av væskestrålene og hindre gjennomgang av den roterende borkrone i samsvar med oppfinnelsen. For å eliminere dette problem kan dyseanordningen i samsvar med oppfinnelsen være kombinert med en roterende borkrone egnet for boring av et hull i slike harde lag ved hjelp av mekanisk virkning. For dette formål velges fortrinnsvis en diamantborkrone. En kombinasjon av en diamantborkrone og dyseanordningen ifolge oppfinnelsen er vist som et eksempel på fig. 7 og 8. Borkronens hoveddel 20 omfatter en |Sintret masse 21 med diamanter 22 innleiret i overflaten på en måte som tillater skjæring eller skraping av veggen og bunnen av et hull hvori borkronens hoveddel roterer. Hoveddelen omfatter videre en skruekobling 23 for tilkobling av hoveddelen 20 til en ikke vist borerorstreng. Diamantene er anordnet i rekker, idet disse rekker er ligjen anbrakt mellom vannkanaler 24> gjennom hvilke væske tilfores rommet mellom borkronens hoveddel 20 og veggen og bunnen av hullet hvorii denne borkrone drives. Hoveddelen 20 omfatter dessuten væskestråledyser 25 montert i bunndelene av vannkanalene 24 slik at dysene 25 ikke er i kontakt med veggen og bunnen av borehullet når borkronen drives i hullet for mekanisk å bryte opp harde undergrunnslåg ved virk<1>ningen av diamantene. Under slik operasjon er diamantene i kontakt1 med veggen og bunnen av borehullet og væske for kjoling og renseformål tilfores vannkanalene 24 gjennom dysene 25 .

Dysene 25 kommuniserer med det indre (ikke vist) av borkronens hoveddel 20 og er fordelt over| overflaten av denne på den måte som er vist på fig. 8. Dysene er fordelt over sirkler som er konsentriske med midtaksen 26 for hoveddelen 20. Hver sirkel (unntatt sirkelen med den minste diameter) omfatter 4 dyser anbrakt på denne. Avstanden mellom skjæringspunktene for'tilstotende sirkler med et plan gjennom midtaksen 26 er lik avstanden mellom tilstotende dyser

I

som er anbrakt i en enkelt rekke. Denne avstand er to ganger avlopsdiameteren for dysene 25. Videre er midtaksene for dysene (eller de stråler som strommer ut fra samme) anbrakt på matematiske kjegler med sine midtakser sammenfallende med midtaksen 26 for borkronens hoveddel 20, idet forskjellen mellom toppvinklene for tilstotende kjegler er mellom 10 og 14°• Den storste toppvinkel er 110°.

Når borkronen som vist på fig. 7 og 8, drives i et hull

for å bryte opp bunnen i dette ved væskestrålevirkning, behover diamantene 22 ikke være i kontakt med bunnen og veggen av hullet. I det tilfelle at man stoter på ytterst harde undergrunnslåg, senkes borkronen ned mot dette lag som deretter brytes eller skrapes opp ved hjelp av diamantene 22. Det vil være klart at strålene kan bibeholdes under operasjonen med diamantene enten med full eller redusert kraft.

Den spesielle form av borkronens hoveddel på fig. 7 og 8 såvel som anordningen av vannkanalene 24 og av diamantene 22 i rekker, er vist som et rent eksempel. En hvilken som helst annen konstruksjon kan anvendes forutsatt at der er tilstrekkelig rom disponiblet for dysene 25.

T alle de borkroneutfdreiser som er beskrevet med henvisning til tegningene, har de matematiske kjegler sine toppunkter i et felles punkt på hoveddelens midtakse. Imidlertid er oppfinnelsen ikke begrenset til dette og kan også anvendes for borkroner hvor topp-punktene for de matematiske kjegler ikke er i et felles punkt på hoveddelens midtakse. Videre behover midtaksene for dysene ikke være

i kjegleoverflåtene. De samme resultater vil bli oppnådd når disse midtakser er anordnet tangensialt til kjegler og danner en spiss vinkel med et plan som går gjennom utløpsåpningen og hoveddelens midtakse. De stråler som strømmer ut fra dysene, skjærer da i eller motsatt retningen av dysenes bevegelse over sporene av samme når borkronen roteres under boreoperasjonen.

De deler av borkronens hoveddel, hvori dysene er utformet, kan være av et slitefast materiale. I en annen utførelse av oppfinnelsen er dysene adskilt utformet som innsatsstykker av slitefast materiale, hvilke stykker anbringes i veggen av borkronens hoveddel, fortrinnsvis ved slaglodding.

Diameteren av dysene er mellom 0,8 og 8 mm. Fortrinnsvis er diameteren av dysenes avløp mellom 1,5 og 4 mm. Dyseformen kan være av en hvilken som helst utførelse som er egnet for formålet.En slik konstruksjon er vist på fig. 9. Dysen 30 er utformet i en inn-satsdel 31. Avløpet 32 har en diameter "d" og innerveggen 33 er kjegle-formet og har en ..toppvinkel på 10°. inntaket 34 for dysen har en bueform R=d og dysens lengde L=3,l di

Dysene som er vist i de forskjellige ovenfor beskrevne borkroner, har samme diameter for hver borkrone. Imidlertid er oppfinnelsen ikke begrenset til dette. Hvis det i en enkelt borkrone anvendes dyser med forskjellig diameter, arrangeres avstanden mellom skjæringspunktene for tilstøtende sirkler, på hvilke dysene er anordnet, med et plan gjennom hoveddelens midtakse slik at den ikke er større enn 3/2(d^ + d,J) når avløpets eller avløpenes diameter i dysene anordnet på en av de tilstøtende sirkler er d1 og diameteren av avløpet eller avløpene for dysene anordnet på

den annen av de tilstøtende sirkler er & 2•

Avstanden mellom de ovennevnte skjæringspunkter be-høver ikke nødvendigvis være lik hverandre. En eller flere dyser kan være anbragt på hver sirkel.

Midtaksene for dysene (eller de stråler som strømmer ut fra samme) er hver anordnet i overflaten eller tangensialt (forutsatt at midtaksen for en dyse ligger i eller danner en spiss vinkel med et plan som går gjennom utløpsåpningen og hoveddelens sentrale akse)til overflaten av en matematisk kjegle hvis midtakse faller sammen med midtaksen for borkronens hoveddel. Forskjellen mellom toppvinklene for tilstøtende kjegler er høyst 14°. Den største toppvinkel for kjeglene må være mer enn 90°. Fortrinnsvis er den største toppvinkel mindre enn 125°.

Forskjellene mellom toppvinklene for de forskjellige par tilstøtende kjegler behøver ikke nødvendigvis være lik hverandre . !

Det vil være klart at dysene med avløpsåpningenes sen-tre anordnet på den konsentriske sirkel som har den største diameter, kan bringes tilstrekkelig nær kanten av bunndelen av borkronen til at hullet kan skjæres med én diameter som er større enn borkronens hoveddels største diameter. Som allerede forklart ovenfor, har disse dyser midtakser som er rettet i en vinkel på mer enn 4 5° i forhold til hoveddelensjmidtakse. De relativt små avvikelser mellom toppvinklene for de:matematiske kjegler, på hvilke de øvrige dyser befinner seg, såvel som de relativt små avstander mellom skjæringspunktene for sirklene, på hvilke avløps-åpningene for dysene er anordnet, med hoveddelens midtakse, gjør det mulig for bunnen av det hull som blir boret å bli brutt opp uten at- der blir stående igjen noen vesentlig ringformede forhøy-ninger. Bare de borkroner som må drives i formasjoner, hvor der foreligger ytterst harde lag med begrenset tykkelse, kan kreve skjæreorganer for å bryte opp disse lag. Disse skjæreorganer er konstruert for skjæring av hele overflaten i bunnen av hullet og behøver ikke hjelp av hydrauliske stråler for annet formål enn kjøling og rensing.

Claims (7)

1. Roterende borkrone for hydraulisk boring av hull i undergrunnsformasjoner, hvilken borkrone omfatter en borkrone-

hoveddel med en midtre akse og et antall dyser, idet alle dyser er utformet i eller båret av den ene ende av hoveddelen, og hver dyse har en utløpsåpning med en sentral akse som ligger i eller danner en spiss vinkel med et plan som går gjennom senter av ut-løpsåpningen og hoveddelens sentrale akse, idet aksene for dysenes utløpsåpninger er anordnet på sirkler som er konsentriske i forhold til hoveddelens sentrale akse, karakterisert ved at avstanden mellom skjæringspunktene for tilstøtende sirkler med et plan som går gjennom den nevnte sentrale akse, ikke er større enn 3/2 (d^ + d2> , hvor d^ og å.^ er diametrene for dyse-åpningene på disse tilstøtende sirkler, idet aksen for hver dyse ligger i eller er anordnet tangensialt til en tenkt kjegle som har en sentral akse som faller sammen med hoveddelens sentrale akse, hvilken kjegle har et toppunkt over den ende av hoveddelen, hvor dysene er anbragt, og toppvinklene for £Llstøtende kjegler ikke avviker mer enn 14° og den største toppvinkel er større enn 90° og mindre en 180°, fortrinnsvis mindre enn 12 5°.

2. Borkrone ifølge krav 1, karakterisert ved at sirklene er anordnet i et felles plan.

3. Borkrone ifølge krav 1, karakterisert ved at sirklene er anordnet i adskilte plan.

4. Borkrone ifølge et av kravene 1-3, karakterisert ved at diametrene av avløpsåpningene for alle dyser er like.

5. Borkrone ifølge et av kravene 1-4, karakterisert ved at diameteren av avløpsåpningene er mellom 1,5 og 4 mm.

6. Borkrone ifølge et av kravene 1-5, karakterisert ved at toppunktene for de tenkte kjegler ligger i et felles punkt på midtaksen for den roterende borkrone.

7. Borkrone ifølge krav 6, k, arakterisert ved at sentrene for avløpsåpningene på dysene er anordnet på en sfærisk flate.