NO161870B - Boreanordning. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en jord- og fjellbore-anordning for slag-rotasjonsboring eller bare rotasjonsboring, under samtidig foring av borhullet med et fSringsrør.

Boring under samtidig foring med foringsrør er et meget kom-plisert foretagende bl.a. av den grunn at de formasjoner man vil bore i er så varierende og kompliserte. Ved boring av f.eks. vannbrønner ønsker man oftest å kle inn hullene til betydelige dybder, og alle typer av formasjoner må kunne penetreres, eksempelvis: løs flytende sand, hard, seig og svellende leire, alluviale konglomerater med avrundede små-stener, morener med små og store stenblokker, sprekksoner i fjell osv. Det er også ønskelig med gode boreegenskaper i hardt fjell, da det forekommer at hull må fores vesentlige lengder gjennom fjell i f.eks. slike områder hvor leirsjikt på grunn av geologiske forskyvninger kan forekomme derunder.

Boreanordninger for det angitte ønskemål bør oppfylle et flertall krav eller ønskemål. Boreanordningen bør således kunne knuse fjell og Stener effektivt og med minimal egen slitasje, og/eller kunne skjære i harde svellende leirer. Videre bør boreanordningen være utformet for å gi en effektiv transport av det utborede materiale, borkakset, opp gjennom f oringsrøret, men samtidig være skånsom mot foringsrøret. Spesielt bør påkjenningene på foringsrørets nedre ende begren-ses, slik at det også kan anvendes plastrør. Foringsrørets nedre ende er spesielt utsatt for påkjenninger, dels ved sidekrefter fra styringen som er tilbøyelig til å brekke røret og styre hullet skrått, dels ved slitasje forårsaket av knusing av grovere borkaks eller ved erosjon av finere borkaks mellom styringen og røret. Endelig bør boreanordningen være letthåndterlig, ukomplisert og fremfor alt pålitelig,

slik at borkronen f.eks. ikke setter seg fast i sin eksentriske borestilling eller skrus løs og mistes ved boreanord-ningens innføring i eller uttrekking av hullet.

Tidligere foreslåtte boreanordninger for anvendelse sammen

med f6ringsrør har vanligvis krevet en i foringsrørets midte sentrert, sirkulær styring, og ofte også krevet en spesiell

pilotborkrone for å gi tilstrekkelig styring av boreanordningen. Et eksempel på en slik anordning gis i svensk patent nr. 377 706. Andre tidligere foreslåtte boreanordninger for dette formål har hatt en i forhold til borstangen fast borkrone,

og i stedet hatt en begrenset dreibar eksentrisk styring. Eksempel på anordninger av dette slag gis i de svenske patenter 188 739 og 212 006. Slike dreibare eksentriske styringer kan imidlertid lett låses av borkaks slik at borkronen ikke kan svinges inn etter avsluttet boring. Alternativt har styringen måttet utformes slik at det overhodet ikke har vært mulig å transportere borkaks opp gjennom foringsrøret, se foran nevnte svenske patent 212 006.

Oppfinnelsen har til formål å oppfylle de tidligere nevnte krav og ønskemål bedre enn tidligere foreslåtte boreanordninger, hvorved bl.a. boreomkostningene kan reduseres.

Boreanordningen ifølge oppfinnelsen, som er nærmere definert i de etterfølgende patentkrav, omfatter et energioverførende organ i form av en senkeborhammer, en borstang eller lignende, en styring i forbindelse med nevnte organ, samt en ved det energioverførende organs ene ende festet eksentrisk borkrone som er begrenset bevegelig mellom to stillinger i forhold til styringen. Den ene endestilling for borkronens dreining utgjør en utfelt bore- eller arbeidsstilling, i hvilken borkronens skjærforsynte del befinner seg foran foringsrørets munning for boring av et hull med større diameter enn foringsrørets ytterdiameter. Den andre endestilling utgjøres av en innfelt stilling i hvilken borkronen sammen med styringen opptas i forings-røret og kan uttrekkes gjennom dette. Boreanordningen kan kobles til en streng av borstenger som formidler rotasjonen og

i forekommende tilfellerslagenergien fra et slagverk plassert utenfor hullet, eller den kan kobles direkte til en senkeborhammer plassert i hullet.

i

Boreanordningen ifølge oppfinnelsen utmerker seg i forhold

til tidligere kjente boreanordninger av denne type først og fremst ved at styringen for borkronen er ikke-dreibart forbundet med det til borkronen energioverførende organ (borstrengen),

samt at borkronen er begrenset dreibart lagret på det til borkronen energioverførende organs nevnte ende med en dreiningsvinkel i lagringen på minst 90°, fortrinnsvis 180°. Den spe-sielle utformning av styringen gir bl.a. plass for en stor eksentrisk forskyvning av borkronen, hvilket i sin tur mulig-gjør en ekstra fordelaktig utformning av borkronens skjæregeometri.

Ytterligere trekk og fordeler ved oppfinnelsen vil fremgå av følgende beskrivelse av det utførelseseksempel som er vist på vedføyede tegninger, hvor: Fig. 1 er et aksialt snitt av boreanordningen gjennom borkronens mest eksentriske del, vist i boringsstilling; Fig. 2 er samme snitt som på fig. 1, men med boreanordningen vist i innfelt stilling, dvs. med borkronen dreiet 180° og inntrukket i foringsrøret;

Fig. 3 er et radialt snitt av styringen langs linjen 3-3

på fig. 1;

Fig. 4 er et radialt snitt gjennom borkronens skaftdel og styringens eksentriske aksel, langs linjen 4 - 4 på fig. 1; Fig. 5 er et enderiss av borkronens borehode og foringsrøret i retningen 5 - 5 på fig. 1; og Fig. 6 er et enderiss av borkronens borehode og foringsrøret i retningen 6 - 6 på fig. 2 og dreiet en halv omdreining for lettere å kunne sammenlignes med stillingen på fig. 5.

På figurene betegner 7 den teoretiske hullkontur for borehullet, 8 foringsrøret, 9 den nedre del av borstangen, 10 styringen og 11 borkronen.

Som det fremgår av fig. 1, har styringen 10 en oppad utragende aksel som er smalere enn styringens hoveddel. Denne aksel er forsynt med utvendige skruegjenger som passer sammen med tilsvarende skruegjenger i en utboring i borstangen 9, gjennom hvilken styringen 10 og den påsittende borkrone 11 ved behov kan fjernes fra borstangen 9. Denne skrueforbindelse er under normale driftsforhold ikke dreibar, dvs. at forbindelsen kan kun løsnes ved hjelp av verktøy etter at boreanordningen er trukket opp fra borehullet. Styringen 10 har videre en nedad utragende sylindrisk aksel, som likeledes er smalere enn styringens hoveddel. Borkronen 11 er forsynt med et hult skaft som omgir akselen og er festet på denne på en slik måte at borkronen kun blir begrenset dreibart lagret om akselen.

Styringen 10 er som det fremgår av fig. 1 utformet slik at borstangen 9 i boringsstillingen ikke er sentrert midt i foringsrøret 8, men er forskjøvet i retning mot borkronens mest eksentriske del. Denne forskyvning av borstangen gir bl.a. en jevnere fordeling av kraften på borkronens borehode ved slagboring.

Pilene 12 på fig. 3-5 angir rotasjonsretningen under boring. På fig. 3 angir pilen 13 den kraft som styringen presses med mot foringsrøret på grunn av dreiemomentet som fordres for borkronens rotasjon. Pilen 14 angir den kraft som styringen presses mot foringsrøret med på grunn av borkronens trykk mot hullets periferi. Pilen 15 angir resultanten av 13 og 14. 16 angir en sirkelbueformet sektor av styringen som har en anleggsflate mot foringsrøret under boring. 17 og 18 angir sektorer av styringen som under boring har en jevnt bred spalte mot fSringsrøret. 19 angir en sirkelbueformet sektor av styringens periferi som har en varierende og på sitt midtparti bredere spalte mot foringsrøret enn ved 17 og 18 og hvis kontur slutter seg til foringsrørets innside når borkronen er i sin innfelte stilling i foringsrøret.

På fig. 4 angir 20 og 21 sektorer av borkronens skaft som under boring har jevnt brede spalter lik 17 og 18 på styringen mot foringsrøret. 22 angir en sirkelbueformet sektor av skaf-tets periferi som under boring gir en kompletterende styring mot foringsrøret. 23 angir en sirkelbueformet sektor av skaf-tets periferi som har en varierende og på sitt midtparti bredere spalte mot foringsrøret enn ved 20 og 21 og hvis kontur slutter til foringsrørets innside når borkronen er i sin innfelte stilling i foringsrøret. 24 angir et låseelement i form av en sirkulærsylindrisk pinne som er montert i borkronens skaft. 25 angir spor i styringens eksentriske aksel for låseelementet 24 som er slik utformet at borkronen kan dreies 180°, dvs. mellom borestilling og innfelt stilling, men er sikret i sin aksiale stilling. Låseelementet kan ved monter-ing festes i borkronens skaft ved hjelp av sveising. 26 angir en spyleluftkanal som forbinder den sentrale spyleluftkanal 27 med sporet 25 og lagerspaltene mellom borkronens skaft og styringen for smøring og renhold av disse.

Som det fremgår av fig. 1, er to ytterligere spor tilsvarende sporet 25 anordnet nedenfor dette, hvilke spor er beregnet for på tidligere nevnte måte å samvirke med tilsvarende ytterligere låseelementer i borkronens skaft for av styrkemessige hensyn å fordele påkjenningene på flere låseelementer og tilsvarende spor.

Som det fremgår av fig. 1, løper ovennevnte sentrale spyleluft-kanai 27 gjennom borkronen, styringen og borstangen. En ikke vist tilbakeslagsventil er med fordel anordnet ved borkronen 29. Spor 28, 28' for tetningsringer med utadvendende lepper er anordnet hhv. i borkronens skaft og borstangen. Disse tet-ninger tillater i likhet med tilbakeslagsventilen, passasje av spyleluft i retning ut fra den sentrale spyleluftkanal,

men forhindrer innlekking av vann og borekaks.

På fig. 5 angir 30 - 35 de hardmetallinnsatser i den ikke-sirkulære borkrones borehode som utfører selve borings- og stenknusningsarbeidet. 36 angir den sirkel innenfor hvilken det sentrale skjær 30 arbeider. 37 angir den sirkel innenfor hvilken, men utenfor sirkelen 36, de to skjær 31 og 32 arbeider. Mellom 37 og periferien 7 arbeider de tre skjær 33, 34 og 35. Antall skjær står altså omtrent i proporsjon til fla-tene mellom sirklene, hvilket gir en jevn slitasje og følge-lig best mulig utnyttelse av hårdmetallene. 38 angir den maksimale eksentriske utstrekning som borehodet i og for seg skulle kunne gis og likevel romi<p>.es i foringsrøret i innfelt stilling (se fig. 6). Denne store maksimalt mulige eksentri-sitet er ikke utnyttet, men istedenfor har man kunnet skjære bort et halvmåneformet segment slik at borehodets mest eksentriske periferidel gir et passende stort hull i forhold til foringsrørets ytterdiameter og fremfor alt gir en lang periferien del av borehodet som arbeider mot hullets periferi og gir mulighet for å anordne et større antall hårdmetallskjær på periferien for derved, til tross for borehodets slitasje,

å kunne bibeholde hullets diameter i betydelig lengre tid, dvs. borkronen får en lengre levetid.

Den diametrale slitasje er oftest det som begrenser borkronens anvendbare levetid. En lengre periferidel og flere peri-feriskjær gir også en jevnere og rykkfriere rotasjon. 39 angir en frontknast som forbinder borehodets mest eksentriske del med hullets ytterdiameter i rotasjonsretningen. Ved den diskontinuerlige overgang ved frontknasten unngås en kilefor-met ansmygning til borehullet, som ville gi en "knusningssone". Unngåelsen av denne "knusningssone,: bidrar i stor grad til å minske borehodets periferielle slitasje og minsker dreiemomentet som borkronens rotasjon krever og gir mindre fastkilingstendenser, dvs. en mere rykkfri gang.

De tre skjær 30, 31 og 32 er plassert på den ene side av borehodet og er skråstilt slik at de danner en kon i borehullets sentrum. Dette gir reaksjonskrefter som hjelper til å presse de horisontale skjær 33, 34 og 35 på den andre side av borehodet mot hullets periferi og gir en styring av borkronen. Dette reduserer kreftene 13, 14 og 15, avlaster dermed styringen, reduserer slitasjen og gir en jevnere rotasjon. Styringens anleggsflate 16 behøver derfor ikke være særlig stor. Den bør dog ha en periferien utstrekning omtrent frem til kraftrefningene 13 og 14 i respektive retninger fordi store variasjoner kan forekomme i disse krefters størrelse. Denne periferidel av styringen kan med fordel utgjøres av en smal bom, som er skråstilt eller spiralformet på en slik måte at den under boringen skrur borekakset bort fra borkronen. Den styrende periferidel 22 på borkronens skaft er egentlig over-flødig ved boring i homogent materiale, men på grunn av de uregelmessigheter som kan forekomme i de aktuelle formasjoner gir den en forsikring for en rolig og jevn rotasjon. Av ovennevnte grunner utgjøres likeledes denne periferidel med fordel av en smal, skråstilt eller spiralformet bom. Når borkronen er i borestilling, danner spaltene 20 og 21 på borkronens skaft, samt spaltene 17 og 18 på styringen sammenheng-ende spaltelengder som begrenser størrelsen av de partikler som kan passere. Det er for øvrig ønskelig med så stort åpent rom som mulig rundt styringen og borkronens skaft for å øke transportkapasiteten for borekakset, og derfor kan bom-mene 16 og 22 med fordel gjøres smale.

Den beskrevne prinsipielle konstruksjon med styringsorgan 16

og 22 fordelt på hhv. styringen og borkronens skaft muliggjør en stor eksentrisk forskyvning av borkronen, noe som i sin tur muliggjør den tidligere beskrevne fordelaktige utformning av skjærgeometrien uten å svekke den av styrkemessige grunner nødvendige dimensjonering av styringens eksentriske aksel eller borkronens skaft.

Vinkelavstanden mellom midtd- '. en av den mot foringsrørets innside anliggende periferidel av styringen og midtdelen av borkronens mest eksentriske del, målt fra den førstnevnte til den sistnevnte i borkronens rotasjonsretning under boring,

kan som det fremgår av det foregående angående retningen av kreftene 13 og 14, med fordel være mindre enn 180°, og fortrinnsvis mellom 100° og 170°. Videre kan styringen fortrinnsvis være utformet til i borestilling å ligge an mot forings-rørets innside langs en sektor som tilsvarer en sentrumvinkel i området 50 - 150°. Endelig kan de periferideler på styringen og borkronens skaft som i borkronens innfelte stilling ligger diametralt motsatt borkronens mest eksentriske del under boringen, fortrinnsvis være utformet til å muliggjøre en så stor radial forskyvning mellom borkronens borestilling og borkronens innfelte stilling at borkronens mest eksentriske del i borestillingen kan ha en periferidel som ligger an mot borehullets innside langs en sektor som tilsvarer en sentrums-vinkel på mer enn 30°, idet borkronen og styringen i innfelt

stilling likevel rommes i foringsrøret.

I den ovenfor beskrevne utførelsesform er borkronen forsynt med seks hårdmetallskjær. De tre skjær 33, 34 og 35 ved periferien kan være plassert i noe forskjellig høyde for å gi jevnt fordelt belastning og avvirkningsvolum mellom disse skjær ved deres nedadgående spiralformede bevegelse under boring. Borkronen kan forsynes med hårdmetallstifter istedenfor hårdmetallskjær, og da med fordel i noe større antall enn hårdmetallskjærene i den beskrevne utførelsesform. Ved ren rotasjonsboring kan skjærene gis en form mere lik hø^elskjær, såkalt "dragbit"-utførelse eller erstattes med en eller flere tannforsynte ruller, såkalt "roller-bit"-utførelse.

Claims (7)

1. Anordning for boring i jord og fjell under samtidig utforing av borehullet (7) med et foringsrør (8), hvilken anordning omfatter et energioverførende organ (9) i form av en senkeborhammer, en borstang eller lignende, en styring (10) i forbindelse med nevnte organ, samt en ved det energi-overf ørende organs (9) ene ende festet eksentrisk borkrone (11) som er begrenset bevegelig mellom to stillinger i forhold til styringen, hvor den ene utgjør en utfelt bore- eller arbeidsstilling i hvilken borkronens skjærforsynte del befinner seg foran foringsrørets munning for boring av et hull med større diameter enn foringsrørets ytterdiameter, og hvor den andre utgjøres av en innfelt opptrekkings- eller nedførings-stilling i hvilken borkronen sammen med styringen får plass i foringsrøret, karakterisert ved at styringen ei ikke-dreibart forbundet med det til borkronen energioverførende organ, og at borkronen er begrenset dreibart lagret på det til borkronen (1) energioverførende organs (9) nevnte ende med en dreiningsvinkel i lagringen på minst 90°, fortrinnsvis omtrent 180°.

2. Anordning ifølge krav 1= karakterisert ved at styringens (10) periferi er utformet med en anleggsflate (16) som ved boring ligger an mot foringsrørets (8) innside kun ved den del som ligger diametralt motsatt borkronens (11) mest eksentriske del i dennes utfelte stilling, og at den del av styringens periferi som ligger diametralt motsatt denne anleggsflate under boring danner en spalte (19) mot foringsrøret, som under borkronens innfelte stilling tillater en eksentrisk forskyvning av det energioverførende organ (9) i retning mot denne spalte.

3. Anordning ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at senteraksen for styringens anleggsflate (16) er forskjøvet slik at det energioverførende organs (9) senterakse ved boring inntar en eksentrisk stilling mellom foringsrørets (8) senterakse og borkronens (11) mest eksentriske del. AfMASlb000 6 84

4. Anordning ifølge et av kravene 1-3, karakterisert ved at styringens anleggsflate (16) mot forings-røret er utformet som en skruelinjeformet bom med slik stig-ningsretning at den under boring med normal rotasjonsretning skrur borekakset oppad i foringsrøret.

5. Anordning ifølge et av kravene 1-4, karakterisert ved at borkronen (11) er forsynt med et skaft som er utformet med en i borestilling mot foringsrørets (8) innside styrende periferidel (22) på den side av skaftet som i borkronens innfelte stilling ligger på samme side som an-leggsflaten (16) på styringen.

6. Anordning ifølge et av kravene 1-5, karakterisert ved at borkronen (11) har sentralt anord-nede skjær (30, 31, 32) på den del av borkronen som ligger diametralt motsatt dens mest eksentriske del, hvilke skjær er skråstilte slik at de forreste deler av skjærene ligger mot borehullets sentrum, hvorigjennom de under boring gir en styrende kraft som presser borkronens mest eksentriske del mot det borede hulls periferi (7).

7. Anordning ifølge et eller flere av kravene 1-6, karakterisert ved at borkronens (11) under boring mest eksentriske del er utformet slik at dens periferi ligger på en sirkel hvis sentrum sammenfaller med det borede hulls sentrum, og at flere skjær (33, 34, 35) er anordnet til å bore ved hullets periferi (7) .