NO851740L - Skjaerenhet. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår generelt boring og mer be-stemt borkroner.

Boring av borehull i fjell, malm, kull og betong (i det følgende "fjell"), er en oppgave som utføres under operasjoner felles for gruve-, konstruksjons- og petroleumsindustrien. Typisk anvendelse av borehull innbefatter plassering av spreng-stoff, plassering av forankringsbolter og utvinning av avset-ninger av naturgass og petroleum. Typiske boremaskiner frem-bringer borehull i fjell ved å trykke en langstrakt hul verktøy-stang (borestang, borestål, borerør) som har en arbeidsflate med herdete skjær (borkrone) mot fjellet under påføring av ro-tasjons- og/eller støtkrefter på borkronen. Skjæreggene på borkronen bryter løs steinpartikler og skraper dem bort, slik at borkronen gradvis kan trenge inn i fjellet under dannelse av et borehull. Steinpartiklene blir normalt spylt bort fra arbeidsflaten og ut av borehullet rundt den fremmatede borestang ved hjelp av et fluid (vanligvis vann) som pumpes gjennom borestangen og strømmer ut nær arbeidsflaten gjennom fluidkanaler i borkronen. Hastigheten til fluidet som strømmer ut gjennom borkronekanalene er normalt mindre enn 244 m/sek. og kanalene har normalt en diameter større enn 2,54 mm. Borkronens skjæregger blir hurtig sløve under påvirkning av fjellet og de høye mekaniske spenninger som overføres til fjellet gjennom skjæreggene. Sløve skjæregger virker i vesentlig grad til å minske den hastighet hvormed borehullet skrider frem. Av denne grunn benyttes ofte borestenger med løsbare borkroner som enkelt kan fjernes fra borestangen. Derved vil det være praktisk for bore-maskinoperatøren å ha flere borkroner tilgjengelig på arbeids-stedet, der de hurtig kan utskiftes når de blir sløve og slipt når det passer operatøren uten å forsinke boreoperasjonen.

En typisk borkrone-enhet består av en kort kropp med organer for å feste den til borestangen. Enheten omfatter videre fluidkanaler som er forbundet med borestangens fluidkanal. Skjærene på arbeidsflaten er.vanligvis konstruert av herdet stål, volframkarbid, diamant eller lignende slipefaste materialer. Når slitasjegrensene er nådd, blir vanligvis hele bor-kroneenheten kassert.

Omfattende forsøk i laboratorium og i felten har vist at borsink (borehastighet) kan bli vesentlig forbedret dersom boringen utføres under medvirkning av hurtigstrømmende fluid-skjærestråler. Disse stråler dannes ved å øke fluidtrykket i borestangen i sammenheng med håndtering av spesielle fluidkanal-åpninger (dyser) i borkronen. Disse dyser skaper konsentrerte fluidstrømmer (stråler) som rettes mot borehull-arbeidsflaten og skjærer inn i denne samtidig som den påvirkes av borkrone-skjærene. Fluidstråleskjæring gjør det lettere for borkrone-skjærene å bryte opp fjellet, slik at borsinken økes samtidig som skjærslitasjehastigheten minker. For å oppnå tilstrekkelig strålehastighet for å muliggjøre innskjæring i fjell-arbeidsflaten vil trykkforskjellen over dysene i borkronen ligge i et område fra ca. 34,5 MPa-413,7 MPa eller høyere avhengig av hardheten og typen av den aktuelle bergart. Strålehastighetene må normalt være større enn ca. 244 m/sek. og fluidkanalåpningenes (dysenes) diametre vil normalt være mindre enn ca. 1,5 mm, idet dyser som omtrent har så liten diameter som ca. 0,07 mm anvendes i enkelte tilfeller.

For å dra full fordel av de fordelaktige virkninger av fluid-skjærstrålemedvirkning er det ofte nødvendig å anordne et antall dyseåpninger i en enkelt borkrone, med dysene rettet mot forskjellige partier på borehullets arbeidsflate. Som et ikke-begrensende eksempel har en funnet det fordelaktig å benytte fire dyseåpninger i en borkrone for 2,,54 cm diameter borehull. Hull med større diameter krever gradvis større antall dyseåpninger.

Nødvendigheten av å maskinere flere fluidkanaler og dyseinnretninger i borkronekroppen fører til en vesentlig øking av borkronen fremstillingskostnader. Når slitasjegrensene er nådd på borkronens ytre arbeidsflate er fluidkanalene fremdeles bruk-bare. Men den dyre enheten må kasseres ettersom fluidkanalene er utført i ett med borkronens arbeidsflate.

Det er gjort flere forsøk på å løse slitasjeproblemet, hvorav de fleste faller innenfor en av følgende kategorier, enten a) forbedre slitefastheten for et enkelt stykke borkrone-skjær/dyseenhet, eller b) adskille skjærenheten fra dysehuset. Når det gjelder forbedring av slitefastheten til et enkelt stykke skjær/dyseenhet har man bare oppnådd begrenset suksess. Skjærenes levetid er blitt forbedret ved øking av antall skjærestråler pr. borehulldiameter-enhet, og ved å bruke spesielle herdete skjærinnsatser som er beskyttet med diamantbelagte overflater. Den totale omkostning pr. øking i borehulllengde er imidlertid fremdeles høy ettersom borkronekroppen har en tendens til å slites hurtig på grunn av det eroderende slam-tilbakeslag som blir resultatet når hurtigstrømmende fluidstråler treffer slitasjefremmende steinflater. Mange hardere materialer som kan motstå stråle-tilbakeslagserosjon er ikke metallurgisk eller konstruksjonsmessig forenelige med høytrykksfluidkanaler og dyseinnretninger.

Forskjellige måter å adskille skjærenheten fra dysekroppen har tidligere vært forsøkt. Felles for alle kjente forsøk er tre hoved-ulemper som klart skiller dem fra oppfinnelsestanken som her beskrevet og patentsøkt.

I enkelte av de tidligere forsøk er dysehusene og skjær-enhetene sammenfestet på en slik måte at en sløv skjærenhet ikke kan fjernes uten å løsne eller fjerne dysehuset. Derved kan smusspartikler trenge inn i fluidtilførselskanalene og gjen-tette de små åpninger som er nødvendige for å danne fluid-bærestrålene. Erfaringen har vist at utilsiktet forurensning av fluidkanaler som forårsaker gjentetting av dyseåpninger er et av de vanligste problemer med fluid-stråleapparater. Den patentsøkte idé muliggjør hurtig fjerning av skjærenheten uten å løsne noen fluidkanalforbindelse eller tillate mulighet for inntrengning av smuss i fluidkanalene.

Ved de fleste av de tidligere forsøk anvendes en skjærenhet med stort (store) hull gjennom hvilket én eller flere stråler strømmer. Følgelig er en betydelig del av dysehuset ut-satt for hurtig slitasje fra stråle-tilbakeslagserosjon samt erosjon fra omdreining av dysehuset mens det er neddykket i steinpartikkelslammet som strømmer bort fra borehullets arbeidsflate. Ifølge den patentsøkte idé blir hver enkelt stråle av-gitt gjennom forholdsvis små hull i skjærenheten hvorved dysehuset er fullstendig beskyttet fra stråle-tilbakeslagserosjon. Dessuten vil skjærenheten beskytte dysehusets sider, slik at slitasje på grunn av steinpartikkelslam blir sterkt redusert.

Ved enkelte av de tidligere forsøk anvendes små dysehus

som må plasseres ved skjærenhetens sentrum. Når borehulldia-meteren øker må fluid-skjærestrålene strømme over stadig lengre strekninger for å nå de ytre deler av borehullets arbeidsflate.

Derved synker skjæreeffekten vesentlig som følge av fluid-strålenes tendens til å fryses ned i kort avstand fra dyse-åpningen når de strømmer inn i slammet som omgir arbeidsflaten i et borehull. Dessuten vil dysehusenes geometri begrense mengden av skjærestråler som kan innpasses i huset. Disse faktorer gjør de tidligere forsøk meget uegnet for borehull med større diameter. Ved løsningen ifølge foreliggende oppfinnelse anvendes flere dyseåpninger som ligger i ensartet liten avstand fra borehullets arbeidsflate over hele arbeidsflate-diameteren hvilket muliggjør vesentlig bedre fluidstråle-skjæreeffekt i borehull med større diameter.

Ifølge oppfinnelsen tilveiebringes en borkrone med flere fluidstråle-skjæredyser som er slik konstruert at borkronens arbeidsflate omfattende skjærene er en del som er adskilt fra borkronekroppen som opptar fluidstråle-dyseåpningsinnretningene. I det følgende vil den adskilte eller separate arbeidsflate-delen betegnes som en "skjærenhet", og borkronekroppen med fluidkanaler og dyseinnretninger vil bli betegnet som et "dysehus". Skjærenheten beskytter dysehuset mot hurtig slitasje og den kan lett fjernes fra dysehuset uten å forstyrre eller fjerne noen av dyseåpningsinnretningene. Skjærenheten er fast festet til dysehuset ved hjelp av et gjenge-element som strekker seg mellom disse. Skjærene kan om ønskelig slipes på nytt og skjærenheten kan kasseres når slitasjegrensene er nådd, uten at det er nødvendig å fjerne eller kassere dysehuset. Dysehusets effektive levetid .forlenges i vesentlig grad, hvilket fører til vesentlig redusering av omkostningene ved boring av borehull under medvirkning av fluid-sk^æcestråler.

Oppfinnelsen skal i det følgende beskrives nærmere under henvisning til tegningen, hvor:

Figur 1 er et oppriss, sett i snitt, av en utføringsform

av oppfinnelsen.

Figur 2 er et perspektivriss av- en utføringsform av oppfinnelsen.

Det fremgår av figur 1 og 2 at bare enden av en borestang

1, et dysehus 3 og skjærenhet 8 er vist, ettersom utførelsen av en borehull-boremaskin som anvender fluid-skjærestråler er velkjent og ikke trenger å beskrives her.

Borestangen 1 er festet til en passende anordning som kan rotere borestangen 1 eller rotere og støte borestangen 1 under aksielt trykk mot borestangen 1 i den ønskede retning for ut-boring av borehullet. En fluidkanal 2 i borestangen 1 er forbundet med en fluid-pumpekilde (ikke vist) via en roterende fluidtilførsels-svivelforbindelse (ikke vist) som tillater fluid fra pumpen å trenge inn i kanalen 2 i den roterende borestang 1. Dysehuset 3 omfatter borestang-festeorgan 4 med fluidkanal-tetningsforbindelse 5 som gjør det mulig å forbinde dysehus-fluidkanalen 6 med borestang-fluidkanalen 2 uten noen fluid-lekkasje. Dysehus-fluidkanalen 6 har et antall grener 12 som tilfører fluid til dyseåpningsinnretningene 7 som er beliggende nær den overflate på dysehuset 3 som ligger nærmest borehulelts arbeidsflate.

Skjærenheten 8 omfatter én eller flere herdede skjæregger 9 og et antall små kanaler 10 gjennom hvilke fluidstrålene av-gis etter utstrømning fra dyseåpningene 7. Hver kanal 10 er slik plassert at den er konsentrisk innrettet på linje med en tilsvarende dyseåpning 7. Skjærenheten 8 er festet til og innrettet koaksialt med dysehuset 3 ved hjelp av et festeorgan 11 som er konstruert til å motstå vridnings- og trykk-krefter som kunne føre til forskyvning av kanalene 10 i forhold til dyseåpningene 7 eller bevirke utilsiktet løsgjøring av skjærenheten 8. Festeorganet 11"er i den viste utførelse en forsenket sett-skrue som strekker seg gjennom skjærenheten 8 og er innskrudd i dysehuset 3.

De herdede skjæregger 9 strekker seg sideveis en tilstrekkelig avstand forbi skjærenhetens 8 sider til å danne klaring for bortstrømning av steinkaks og slam fra borehullets arbeidsflate.

Som et ikke-begensende eksempel kan nevnes at når skjærenheten 8 anvendes for forholdsvis små borehull (med en diameter mindre enn ca. 3 tommer (76,2 mm) kan fluidkanalens diameter ligge i området fra ca. 2 ganger åpningens 7 diameter til et maksimum på ca. 2,5 mm.

Det skal forstås at den viste og beskrevne oppfinnelse kan anvendes for borehullboring i gruvekonstruksjons- og petroleumsindustrien. Videre kan borkronen anvendes ved høytrykks-industrirensing, rissing i betong, utskjæring av dype brede slisser i stein, fjell og betong, samt som en skjærflate for retningsbor som anvendes i installasjonsrom og kullindustrier.

Sammenfatningsvis er der vist og patentsøkt en skjære-anordning for borehullboring under fluidstrålemedvirkning, som virker til å beskytte dysehuset mot hurtig slitasje og: 1) hurtig og enkelt kan fjernes fra dysehuset uten å løsne eller forstyrre noen av dyseåpningsinnretningene, 2) gjør det mulig å anordne et antall fluidstråledyser uten å utsette dysehuset for eroderende slitasje fra fluidstråle-tilbakeslags- eller slamstrøm rundt skjærenheten, 3) hurtig kan festes til dysehuset uten problemer med skjevhet eller forskyvning mellom fluidstråleåpnings-innretningene og de små fluidstråle-utløpshull i skjærenheten, og 4) muliggjør innsikting av et antall fluidstråler nær ytterdiameteren til store borehulls arbeidsflater uten vesentlig øking av avstanden som skiller dyseåpningene fra arbeidsflatene sammenlignet med dyser som er inn-siktet ved borehull-arbeidsplatens midtparti, hvorved det blir praktisk mulig å utføre borehull med stor diameter under medvirkning av fluidstråleboring.

Selv om der her er vist og beskrevet spesielle utførings-former av oppfinnelsen vil fagmenn på området forstå at endring-er kan utføres i formen av oppfinnelsen som dekkes av kravene og at visse trekk ved oppfinnelsen enkelte ganger med fordel kan anvendes uten tilsvarende bruk av andre av trekkene.

Claims (10)

1. Dysehus-skjærenhet for boring under strålemedvirkning karakterisert ved at den omfatter: a) et dysehus med en proksimal ende som er innrettet til å monteres fiksert i et avtettet, aksielt forhold på en hul borestang, en distalende med et antall dyser, hvilken distale ende er slik innrettet på linje at den gjør det mulig for fluid som med stor hastighet ledes gjennom sistnevnte ende å bevirke bedre material-oppbryting foran den distale ende, samt en rør-formet seksjon som forbinder den proksimale ende og den distale ende, idet boringen i den rørformede seksjon kommuniserer mellom boringen i den hule borestang og hver av nevnte antall dyser, b) en skålformet skjærenhet omfattende en distal ende med minst ett skjæreorgan som er montert på dens utside og strekker seg radielt utenfor grensen av nevnte side, hvilken distale ende har hull som strekker seg gjennom nevnte side i aksiell flukt med dysenes posisjoner i nevnte side av dysehusets distale ende, hvilke hull har en diameter som er større enn dysenes diameter, hvilken diameter ligger i området fra ca.

2 ganger dysens diameter til ca. 2,5 mm, samt en rørseksjon som strekker seg til en åpen proksimalende, idet rørseksjonens innside er slik at den skålformede skjærenheten danner en tett, forskyvbar pasning over dysehuset, og c) organer som er forbundet med dysehusets rørseksjon og skjærenhetens rørseksjon for å fiksere dysene og nevnte fluktende hull samt for å opprettholde nevnte montering og fluktende innstilling under boretilstander.

2. Borkrone karakterisert ved at den omfatter et hus, en rørledning anordnet i huset, hvilken rørledning kommuniserer med minst én åpning som strekker seg uten huset, en dyse som er forbundet med åpningen, organer for tettende å feste huset til en borestang, en løsbar skjærenhet som om-slutter husets fremre parti, hvilken skjærenhet har minst én gjennomløpende kanal som er konsentrisk med åpningen, idet minst ett skjær er festet til skjærenheten, og et feste-element som strekker seg gjennom skjærenheten og huset for å opprettholde kanalens, dysens og åpningens konsentrisitet.

3. Borkrone ifølge krav 2, karakterisert ved at skjærenheten omfatter en første gjennomløpende akseltapp for å oppta festeinnretningen.

4. Borkrone ifølge krav 2, karakterisert ved at huset omfatter en andre akseltapp som strekker seg i huset for å oppta festeinnretningen.

5. Borkrone ifølge krav 2, karakterisert ved at feste-elementet omfatter en gjenge og er innskrudd i huset for å opprettholde et sikkert forhold mellom huset og enheten.

6. Borkrone ifølge krav 5, karakterisert ved at feste-elementet er en sett-skrue.

7. Borkrone ifølge krav 2, karakterisert ved at feste-innretningen er forsenket i skjærenheten.

8. Borkrone ifølge krav 2, karakterisert ved at kanalens diameter ligger i området fra to ganger dysedia-meteren til ca. 2,5 mm.

9. Borkrone ifølge krav karakterisert ved at skjærenhetens skjæreflate er spiss.

10. Borkrone ifølge krav 9, karakterisert ved at skjæret strekker seg fra siden av skjæreenheten til forbi spissen.