NO177438B - Skjæremne - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår et skjæremne som angitt i ingressen til det etterfølgende krav 1. Skjæremner av denne art festes til innsatser som i sin tur innsettes i borkroner beregnet for gjennomskjæring av jordformasjoner, innbefattende fjellformasjoner, sement, ^plugger etc.

Rotasjonsboreoperasjoner i jordformasjoner utføres typisk ved bruk av en rotasjons-borkrone som samtidig roteres og fremføres i formasjonen. Skjæringen foregår ved hjelp av innsatsene som er montert på borkronen, og borkakset spyles til toppen av borehullet ved sirkulasjon av borefluid.

En konvensjonell innsats kan omfatte et skjæremne montert på en sementert karbidtapp eller -knast. Emnet kan omfatte en diamantskive anordnet på et karbidsubstrat. Emnet kan være fastloddet til en skråflate på tappen og tappen blir deretter festet, f.eks. ved presspasning, i en utsparing i borkronen. Innsatser av denne type er f.eks. vist i US-A-4 073 354, US-A-4 098 363 og US-A-4 156 329. Ved bruk av innsatser av denne type finner skjæringen sted ved hjelp av en del av emnets omkretskant som bringes i kontakt med formasjonen som skjæres. Selv om en slik innsats virker effektiv i forholdsvis bløte formasjoner, er den vesentlig mindre effektiv i forholdsvis harde formasjoner, f.eks. fjell, på grunn av det forholdsvis store parti av diamantlaget som kommer i kontakt med formasjonen. Et stort skjærparti fører også til forekomst av betydelig friksjonsforårsaket varme som fremmer nedbrytingen av innsatsen.

Innsats-utførelser er blitt foreslått i US-A-4 255 165 der en kloliknende skjærevirkning skal oppnås ved hjelp av "fingre" av diamantmateriale utformet ved hjelp av en teknikk som innebærer en diamantblanding-lagstruktur mellom karbonlag og anvendelse av høy temperatur og høyt trykk. Alvorlige problemer oppsto imidlertid når man forsøkte å anvende slike skjær i praksis. Antakelig var en hovedårsak til disse problemer forbundet med sammensetningen av diamantlagene mellom karbidlagene hvorved "koboltdriften" fra den sementerte karbid gjennom diamanten (som skyldtes smeltingen av kobolten ved de høye temperaturer) fant sted på en slik måte at også forurensninger fulgte med, og samlet seg ved et indre område av diamantlaget sammen med overskytende kobolt. Forurensninger og overskytende kobolt som hoper seg opp på denne måte kan føre til at diamantlaget fraskilles og skaper en svekket, dår-lig sintret sone som er særlig utsatt for oppsprekking under en skjæreoperasjon. Som ytterligere eksempler på kjent teknikk kan nevnes EP patentsøknad nr. 29 535, samt US patent-skrifter 4 128 136 og 4 255 165, hvorav ingen tilfredsstil-lende løser de ovennevnte problemer som hefter ved teknikkens stilling.

Det er derfor ønskelig å kunne fremskaffe innsatser med skjæremner som oppviser en kloliknende skjærevirkning og som likevel er bestandige og fast forankret.

Det er også ønskelig å fremskaffe innsatser med skjæremner der diamantlaget er bedre festet til substratet enn de konvensjonelle tilfeller der en diamantskive er festet til substratet.

Et ytterligere formål med oppfinnelsen er å tilveiebringe skjæremner som kan fremstilles under høye eller lave tempera-turforhold, og der den resulterende "koboltdrift" bevirker at i det minste størstedelen av forurensningene og overskytende kobolt drives ut av diamantlagets indre.

Endelig er det et formål å tilveiebringe et skjæremne som holder friksjonsutviklingen på lavest mulig nivå under bruk, og som kan fremstilles til lavest mulig kostnad ved betydelig reduksjon av diamantmengden i skjæremnet.

Disse formål oppnås ifølge oppfinnelsen ved et skjæremne av den innledningsvis angitte art, med de nye og særegne trekk som er angitt i karakteristikken til det etterfølgende krav 1. Fordelaktige utføringsformer av oppfinnelsen fremgår av de øvrige, etterfølgende krav.

Oppfinnelsen skal i det følgende beskrives nærmere under henvisning til de medfølgende tegninger der flere utførings-former er vist som eksempel. Det skal forstås at disse utfø-ringsformer bare er ment som en illustrasjon av oppfinnelsen og at forskjellige modifikasjoner av denne kan utføres innenfor rammen av kravene.

På tegningene er figur 1 et sideriss, delvis i lengde-snitt som viser en borkrone med innsats-skjæremner i henhold til foreliggende oppfinnelse. Figur 2 er et sideriss av en innsats med skjæremne ifølge foreliggende oppfinnelse. Figur 3 er et grunnriss av en form for innsats-skjæremne. Figur 4 er et sideriss av emnet vist i figur 3, og viser dessuten en avfasing av emnets omkretskant. Figur 5 er et utsnitt i større målestokk av et sideriss av skjæremnet på figur 3, og viser en ende av en diamantstrim-mel. Figur 6 er en strimmel lik figur 5, men viser en for-skjellig form på diamantstrimmelen, og Figur 7, 8, 9 og 10 er grunnriss av fire modifiserte former av en skjærskive ifølge foreliggende oppfinnelse.

Tilsvarende detaljer har samme henvisningstall i de forskjellige figurer.

Figur 1 viser en borkrone 10 der innsatser 12 med skjæremner i henhold til foreliggende oppfinnelse er montert på konvensjonell måte, f.eks. ved en presspasning.

Innsatsene 12 omfatter en tapp 14 som er utformet av et hardt materiale såsom sementert volframkarbid. Tappen har en skråflate 20 på hvilken et sirkulært, sylindrisk skjæremne 16 er montert. Skjæremnet 16 omfatter et substrat 18 som er utformet av et hardt materiale såsom sementert volframkarbid, hvis underside er loddet til tappens 14 forside eller front-flate 20 på konvensjonell måte.

På 'substratets 18 øvre overflate 21 er montert et diamantskjærarrangement i form av smale, tynne strimler 22 av et diamantmateriale beliggende i smale, grunne spor 24. Diamantmaterialet er fortrinnsvis i form av en termisk ustabil polykrystallinsk type som er sintret eller loddet i sporene ved hjelp av velkjente teknikker, eller en termisk stabil polykrystallinsk diamant som er festet i sporene ved konvensjonell lodding eller hurtig-presseteknikker. Det skal i denne forbindelse henvises til US-A-3 745 623 som omhandler metoder for befestigelse av et diamantlag til et karbidsubstrat.

Sporene 24 utformes fortrinnsvis ved at de skjæres ut direkte i substratets øvre overflate 21. Alternativt kan sporene formes på stedet under fremstilling av substratet. Sporenes bredde og dybde kan variere, men det foretrekkes at dybden er i området fra 2,0 til 3,5 mm, og at bredden er i området fra 0,5 til 4,0 mm.

Hvert spor 24 omgir en vesentlig del av strimmelen 22, sett i tverrsnitt, idet en ytre skjæreflate 32 på strimmelen er frilagt nær substratets 18 øvre skjæroverflate 21. Sporet 24 vist i figur 5 innbefatter motstående sidepartier 24S og et bunnparti 24B, slik at sporet omgir tre sider av strimmelen, mens den gjenværende side 32 er frilagt.

Sporene 2 4 kan anta hvilken som helst egnet tverrsnitts-form. F.eks. kan sporene være underskåret, f.eks. av svale-hale-underskjæring 2 6 som vist i figur 6, for å bedre diamantstrimmelens befestigelse i sporet.

Under en skjæreoperasjon blir et parti 28 av emnets 16 omkretskant 30 utsatt for en skjærvirkning, slik at karbid-materialet i dette parti hurtig nedslites (langs de brutte linjer i figur 3), for derved å frilegge spissene eller de ytre kanter på diamantstrimlene 2 2 som skjærer gjennom formasjonen på en skrape- eller kloreliknende måte. En slik skjaerevirkning er særlig effektiv i harde formasjoner, fordi skjærekreftene kan konsentreres ved diamantstrimlene. De partier av formasjonen som er beliggende mellom strimlene vil bryte sammen når strimlene skraper gjennom formasjonen. Skjæreeffektiviteten er høy i dette tilfelle fordi den nødven-dige energi for at diamantstrimlene skal kunne fjerne spon fra formasjonen er forholdsvis lav.

Utformingen av diamantstrimlene 22 kan oppnås ved hjelp av hvilken som helst for tiden kjent teknikk, for derved å lette fremstillingen av innsatsene. Videre er diamantstrimlene meget bestandige, selv når de formes på plass ved hjelp av en høytemperaturprosess, såsom sintring, ettersom der ikke forekommer noen sterkt svekkete innvendige soner. Dvs en har funnet at under en sintringsprosess skjer "koboltdriften" på en slik måte ved foreliggende oppfinnelse at i det minste størstedelen av forurensninger og overskytende kobolt drives mot strimmelens åpne eller frilagte flate 32 og ut av diamantlagets indre. Dvs, etterhvert som smeltet kobolt strømmer gjennom diamantlaget fra de omgivende partier 24S, 24B av sporet, blir kobolten drevet generelt mot den åpne flate 32 slik at forurensninger og overskytende kobolt fjernes fra diamantlagets indre. Gjenværende forurensninger og/eller overskytende kobolt på diamantstrimmelens frilagte flate 32 kan lett avmaskineres, eller slites av under en skjæreoperasjon. Slik utdriving av forurensninger og overskytende kobolt er vesentlig mer effektiv og hensiktsmessig enn i tilfeller der et diamantlag utsettes for en koboltstrømning fra bare to motsatte retninger, selv når begge de øvrige to sider er frilagt. I sistnevnte tilfelle kan betydelige mengder forurensninger og/eller overskytende kobolt akkumuleres innvendig i diamantlaget.

Befestigelsen av diamantstrimlene 22 i sporene oppnås uten at der oppstår problematiske innvendige spenninger i diamanten. Dvs ved sammenbindingen av lag av forskjellige materialer (f.eks. diamant og karbid) kan visse diverse egen-skaper ved materialene (såsom varmeutvidelseskoeffisient og elastisitetsmodul f.eks.) føre til at der oppstår innvendig spenning (lagret energi) mellom lagene, hvilken spenning kan føre til at bindingen mellom lagene til slutt bryter. Ved foreliggende opfinnelse, ettersom bare smale, tynne diamantstrimler anvendes, er det totale kontaktflateområde mellom diamant- og karbidmaterialene forholdsvis liten, sammenliknet f.eks. med de større konvensjonelle, skiveformete diamantlag. Følgelig minsker muligheten for tap av diamantmateriale. Videre er diamanten støttet på tre sider, dvs langs borets side- og bunnpartier, hvorved man får maksimal forsterkning av diamanten etterhvert som skjæringen skrider frem.

Under skjærearbeide, når diamantstrimlene 22 er blitt tilstrekkelig slitt, kan skjæremnet omstilles ved å bryte for-bindelsen mellom substratet 18 og tappen 14, og dreie emnet 180°. Når emnet 16 igjen er påloddet, vil det møte formasjonen med en ny skjæreggseksjon og nye diamantstrimmelender. Dersom man følger en slik praksis kan diamantstrimlene avbry-tes ved sine midtpunkter 4 0 som vist i figur 7, ettersom skjæremnet normalt vil bli omstilt før diamantstrimlene er slitt i en slik utstrekning.

Diamantstrimlene 22 trenger ikke innledningsvis strekke seg helt ut til emnets 16 omkretskant, ettersom karbidet hurtig vil slites bort i harde formasjoner for derved å bringe diamantstrimlene hurtig i virksomhet. Om ønskelig kan emnets 16 omkretskant være avfaset som vist ved 4 6 i figur 4.

Diamantstrimlene kan anta forskjellige størrelser, orien-teringer og former innenfor rammen av foreliggende oppfinnelse. F.eks. er strimlene 22A i figur 8 sammenføyet for å danne et fiskebensmønster. Strimlene trenger heller ikke være line-ære sett i retningen på figur 3, idet de også kan være krum-linjete. Videre kan strimlenes 22 ender være sammenføyet ved en buet strimmel 41 som vist i figur 9, hvorved den krumme strimmel 41 danner en forholdsvis stor skjæregg som er regnet til å skjære i bløte formasjoner, men som <y>ille slites bort i harde formasjoner for å frilegge de gjenværende strimler 22.

Som vist i figur 10 kan der være anordnet et antall strimler 22B som er innbyrdes forbundet ved sine ender via krumme strimler 22C for å danne et bølgemønster.

I henhold til foreliggende oppfinnelse er den totale mengde diamantmateriale som anvendes i emnet 16 forholdsvis lite, særlig sammenliknet med standard innsatser der diamant-skiver er anvendt. Innsatsene kan følgelig fremstilles mer økonomisk.

Et skjæremne som er utformet i henhold til foreliggende oppfinnelse gir en fingeraktig skjærvirkning ved hjelp av meget bestandige diamantstrimler. Diamantstrimlene kan være utformet ved hjelp av hvilken som helst egnet teknikk og kan omfatte termisk stabil eller ustabil polykrystallinsk diamant, etter ønske. Selv når den er sintret på plass er diamanten bestandig fordi urenheter og overskytende kobolt drives ut av diamantstrimmelens indre. Strimlene er støttet på tre sider for maksimal forsterkning. Under en skjæreoperasjon oppstår et minimum av friksjon og et minimum av energi er nødvendig fordi fingrene frembringer forholdsvis store spon og de gjenværende deler av formasjonen brytes opp når fingeren eller fingrene skraper gjennom formasjonen.

Claims (8)

1. Skjæremne omfattende et substrat (18) som er utformet av et hardt materiale og innbefatter en skjæroverflate (21) med en utsparing (24) som omfatter motstående sidepartier (24S) og et bunnparti (24B), idet det i utsparingen (24) er anordnet et diamantmateriale som fester til nevnte side- og bunnpartier og innbefatter en skjæreflate (32) som er frilagt ved substratets skjæroverflate (21), karakterisert ved at utsparingen (24) er i form av et antall langstrakte, grunne spor.

2. Skjæremne ifølge krav 1, karakterisert ved at strimler (22) av diamantmaterialet er anordnet i hvert spor.

3. Skjæremne ifølge krav 2, karakterisert ved at strimlene (22) strekker seg mot en omkretskant (30) på substratet, fortrinnsvis helt frem til omkretskanten.

4. Skjæremne ifølge krav 2 eller 3, karakterisert ved at strimlene (22) er innbyrdes forbundet, fortrinnsvis ved sine ytterender.

5. Skjæremne ifølge et av kravene 2-4, karakterisert ved at sporene (24) har en dybde i området fra 2,0 til 3,5 mm.

6. Skjæremne ifølge et av kravene 2-5, karakterisert ved at sporene (25) har en bredde i området fra 0,5 til 4,0 mm.

7. Skjæremne ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at substratet (18) er utformet i ett stykke, fortrinnsvis av en sementert karbid.

8. Skjæremne ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at diamantmaterialet er sintret på plass i sporene (24), eller loddet i sporene (24).