SE516885C2 - Styrhylsarrangemang för bergborrning - Google Patents

Description

20 25 30 516 885 2 EP 95 905 256.4 förflyttas styrhylsan kontinuerligt tillsammans med kämröret under borrningens fortlöpande. Borrvätska tillförs vid borrningen under tryck från mark- planet genom borrörens inre ner till kärnröret. Detta borrvätsketryck åstadkommer en utskjutning av stödenhetema. De utskjutbara stödenhetema enligt känd teknik skjuts ut från styrhylsans kropp med hjälp av det av borrvätskan alstrade övertrycket. För att åstadkomma en tätning används enligt känd teknik en gummistrumpa eller liknande inuti styrhylsan för att åstadkomma en tätning med en av vattentrycket uttryckande funktion av stödenhetema. Uppfinningen enligt EP 95 905 256.4 fungerar mycket tillfredställande. Vid praktiska prov på stora djup har det dock visat sig att denna gummistrumpa inte alltid kan motstå den höga temperatur som förekommer på stora djup. Temperaturen nere i borrhålet på stort djup kan vara upp till +130 grader Celsius i extrema fall. Vid obefintligt borrvätsketryck trycks stödenhetema ut något mot bergväggen på grund av att gummistrumpan alltid ligger an mot stödenheterna och pressar dessa utåt. Det har också visat sig att vid upptagning av kärnrörets yttre hylsarrangemang kan det hända att stödenheterna trycks mot berghålsväggen under upptagningen av borrutrustningen. Detta innebär ett onödigt slitage på nånmda styrenheter och dess klackar/eggar.

Genomgående den icke roterande ytterhylsan skall en drivaxel med ett kåmrör på vilket en borrkrona är ansluten kunna rotera. Med lämplig placering av styrorganet (exempelvis ett centrumsidoförskjutande parti hos ytterhylsan) nedanför hylsarrange- manget enligt uppfinningen skall borrkronan kunna styras i önskad riktning genom en avvinkling av exempelvis det centrumsidotörskjutande partiet, det vill säga styr- organet. Det viktiga är att hylsarrangemanget vid borrning kan låsa ytterhylsan mot borrhålet, varvid styrorganet, som år placerat på ett avstånd nedanför hylsarrange- manget kan åstadkomma en avvinkling av kårnröret och därmed det icke roterande ytterröret, som kontinuerligt skall kunna följa med borranordningen i axiell led. Det är fördelaktigt om hylsarrangemanget är så litet skrymmande som möjligt.

Det är ett önskemål att borrningen kan fortgå i ett moment ända tills det nedersta borröret, kämröret, är fyllt med en borrkårna (även kallad produkt eller borrprov) och 10 15 20 25 30 516 885 3 därför måste tas upp för att tömmas. Såsom beskrivs i den ovan nämnda medlöpande svenska patentansökan håller styrhylsan enligt föreliggande uppfinning styrorganet i ett radiellt fixerat läge under själva borrningsförfarandet. Det är även önskvärt att styrhylsan kan hålla det icke roterande ytterröret i ett radiellt icke vridbart läge, under det att styrhylsan samtidigt kan föras nedåt i borrhålet under pågående borrnings- förfarande. Vid tömning av kärnröret kvarlärrmas praktiskt taget all borrutrustning utom kärnröret i sitt läge i borrhålet, när kämröret inneslutande ett bergprov etc. tas upp till markytan med exempelvis en så kallad Wire-IinemetodÅ Det är önskvärt att maximera innerdiameterns mått i förhållande till ytterdiametems, vilket mått är beroende av borrkronans diameter och önskad diameter hos borrhålet.

Det är således önskvärt att styrhylsan innefattar så få delar som möjligt och att stöd- enheten/ema kan göra ett direkt ingrepp i borrhålets vägg. Önskvärt är det även att stödenheten/ema har en fullgod tätning mot styrhylsans kropp och att denna tätning är vännebeständig. Ett annat önskemål är även att stödenheten/ema inte pressar mot borr- hålets vägg vid upptagning av hela borranordningen.

Ett huvudsyfie med uppfinningen är att åstadkomma ett hylsarrangemang för nämnda styrorgan, med hjälp av vilket hylsarrangemang borrningen skall kunna fortgå konti- nuerligt inriktat i borrhålet. Hylsarrangemanget skall kunna vara direktverkande fixer- bart radiellt mot berghålets vägg för att på sätt kunna hålla fast den icke roterande ytterhylsan samt vid icke existerande borrvätsketryck lätt kunna frigöras utan att stöd- enheten/stödenheterna ligger med tryck på borrhålets vägg.

Ett annat syfte med uppfinningen är att åstadkomma ett hylsarrangemang som består av så få delar som möjligt, det vill säga med så få stödenheter som möjligt, men som samtidigt ger ett tillfredställande ingrepp i borrhålets vägg för att förhindra en vridning av styrorganet. På så sätt ökas driftsäkerheten och slitaget minskar.

Ytterligare ett syfte är att åstadkomma ett hylsarrangemang som kan tåla den höga temperatur som föreligger på stora djup. 10 15 20 25 30 516 885 4 Ett syfie är också att åstadkomma ett hylsarrangemang som kan sitta kvar i borrhålet tillsammans med ytterröret i ett icke roterbart läge även under upptagandet av käm- röret.

Ovan nämnda huvudsyfle uppnås med ett hylsarrangemang, som erhållit de i patent- kravet 1 angivna kännetecknen. Ytterligare lösningar på syften med och egenskaper hos uppfinningen anges i de övriga patentkraven.

Med ett sådant hylsarrangemang åstadkommes styrhylsan fixerad mot borrhålsväggen, utan att dess stödenheter ligger an mot borrhålsväggen vid upptagning av hylsan och kan vidare användas med ett fåtal delar i arrangemanget. Stödenheten bringas i ingrepp direkt påverkat av borrvätsketrycket och är försedd med värmetålig tätningsanordning, vilket resulterar i att en okomplicerad och drifisäker styrhylsa har åstadkommits.

Uppfinningen beskrivs närmare nedan med två utfóringsexempel med hänvisning till de bifogade ritningarna, där, Fig. 1 schematiskt visar en översiktsbild i perspektiv på den nedre änden av en borr- anordning for bergborrning enligt uppfinningen med tillhörande hylsarrangemang samt styrorgan, Fig. 2 schematiskt visar ett längdsnitt genom ett parti av hylsarrangemanget anordnat vid borranordningen i fig.1, Fig. 3 schematiskt visar ett tvärsnitt av hylsarrangemanget i fig. 2 enligt ett första ut- fóringsexempel, Fig. 4 schematiskt visar ett tvärsnitt i förstorad skala av hylsarrangemanget i fig. 2 enligt ett andra utfóringsexempel, och 10 15 20 25 30 516 885 s Fig. 5 schematiskt visar en ovanvy av en stödenhet i fig. 1 - 4 i förstorad skala.

Såsom visas i fig. 1 sitter i ett borrhål 9 en del av ett borrör 11. Huvuddelarna i en bergborr kan sägas vara drivorgan (inte visat), ett antal borrör 11 anslutningsbara med en yttre hylsanordning 5 och ett kärnrör 6 med en borrkrona 4. Bergborren visad på figuren är styrbar. Kärnröret 6 har till uppgift att ta hand om urborrat material.

Borröret 11 löper från markytan m. Först sitter ett styrínstrument 15 anordnat vid borröret 1 1, vilket instrument 15 känner av ett vridningsläge för den längre ner i borrhålet 9 placerade yttre hylsanordningen 5 med en på kärnröret 6 placerad excenter 16, som tvingar den yttre hylsanordningen 5 åt borrhålsväggen 9, varvid en avvikelse uppstår och således en styrning kan ske av borrkronan 4 placerad vid kärnrörets 6 nedre ände. Denna exeenter 16 ingår som en del i ett styrorgan 14. Excentern 16 är överdrivet stort ínritad i figuren. Efter styrinstrumentet 15 sitter ett hylsarrangemang 1 enligt uppfinningen anordnat. På ett avstånd nedanför hylsarrangemanget 1 sitter styr- organet 14 anordnat. Varken styrinstrumentet 15, excentem 16 eller hur styrorganet 14 är anordnat att styra borrkronan 4, utgör någon del av uppfinningen och beskrivs där- för icke närmare. Ett lämpligt utförande på styrinstrumentet 15 för att rikta in ex- centern 16 i rätt vridningsläge beskrivs i det svenska patentet 8503 5 53-3. Ett exempel på styrorgan är beskrivet i EP 95 905 256.4. Enligt detta dokument följer styrorganet med borröret nedåt under borrning ända tills borröret måste tas upp och tömmas. Ett annat exempel på styrorgan är beskriven i en svensk patentansökan samlöpande med denna ansökan. Vid tömningen av kärnröret 6 tas en borrkäma (inte visad) upp, utan att den yttre hylsanordningen 5 behövs tas upp. Hylsarrangemanget 1 enligt uppfin- ningen beskriven i denna ansökan kan vara anordnad fór nämnda styrorgan. Inte heller styrorganet eller borrören behövs tas upp i samband med upptagning av borrkäman (inte visad). Borrarrangemanget enligt den med denna samlöpande svenska ansökan, innebär att i stort endast kärnröret 6 är avsett att bortkopplas och därmed kunna tas upp till markytan m. Kärnröret 6 utgör samtidigt som det kan inhysa borrkäman, ett styr- medel (ieke visat), som påverkar en anordning (inte visad) vid styrorganet 14 för avvinkling av den yttre hylsanordningen 5. Vid hylsarrangemanget 1 är schematiskt 10 15 20 25 30 516 885 6 _ illustrerat reglerbara stödenheter 7 anordnade. Stödenhetema 7 sträcker sig i borr- hålsriktningen och är anordnade i en styrhylsa 3 vid hylsarrangemanget 1.

Fig. 2 och 3 visar ett exempel på en utfóringsforrn av hylsarrangemanget, där med fördel tre anordnade reglerbara stödenheter 7 är anordnade i styrhylsans 3 vägg.

Stödenheterna 7 enligt denna utfóringsforrn är anordnade i styrhylsans 3 vägg och i ring med 120 graders vinkel mellan varandra.

Fig. 2 visar hylsarrangemanget 1 i genomskäming. Hylsarrangemanget 1 innefattar bland annat styrhylsan 3 med tre genomgående urtag 15 (endast ett urtag 15 och en stödenhet 7 är visade i figuren). Varje urtag 15 har en omkrets motsvarande stöd- enhetens 7 lcropp. I de genomgående urtagen 15 är stödenhetema 7 anordnade fiitt löpande. Hylsarrangemanget 1 är anordnat vid den under bonning icke roterande yttre hylsanordningen 5. Den yttre hylsanordningen 5 är försedd med en övre och en undre styrhylseanslutning Sa, 5b, exempelvis med gängade partier (inte visade) för fast- dragning av styrhylsan 3. En invändig för stödenhetema 7 rörelsebegränsande stopp- hylsa 20 är anordnad centralt i hylsarrangemanget 1. Stopphylsan 20 förhindrar stöd- enhetema 7 att falla in i hylsarrangemanget 1 när kärnröret 6 tas upp till markytan m (se fig. 1). Detta görs då och då för tömning av kärnröret 6 eller orientering av utrust- ningen etc. Rotationen av kärnröret 6 åstadkommes med en drivaxel 25. Tätnings- anordningar har anordnats vid övergången mellan den övre styrhylseanslutningen Sa och hylsarrangemanget 1 samt mellan den nedre styrhylseanslutningen 5b och hyls- arrangemanget 1. Dessa tätningsanordningar innefattar exempelvis tätningsringar 24 av ett keramiskt värmebeständigt material. Låsringar 26 har anordnats i spår 27 på styrhylseanslutningarnas Sa, Sb insida fór åstadkomma en fixering av tätningsringarna 24 mot hylsarrangemanget 1. Borrvätska används generellt vid bergborming för smörj- ning och kylning. Borrkronan 4 måste således förses med borrvätska eller vatten. En vattenkanal 29 har enligt utföringsexemplet anordnats i drivaxeln 25. Vid markytan m (se fig. 1) trycksatt borrvätska transporteras genom borrutrustningens borrör ll (se fig. 1) och vidare genom vattenkanalen 29 ner till borrkronan 4 via hylsarrangemanget 1.

Radiella tvärkanaler 30 for tillförsel respektive utströmning av borrvätska har även 10 15 20 25 30 516 885 7 åstadkommits i drivaxeln 25, vilka tvärkanaler 30 åstadkommer att borrvätsketryck kan uppnås mellan styrhylsans 3 insida och drivaxeln 25. Tätningsringarna 24 tillser att bonvätsketrycket i styrhylsan 3 kan bibehållas utan några tryckförluster. Ett tryck- höjande munstycke 32 har anordnats nedströms hylsarrangemanget 1 närslutande vattenkanalens 29 utmynning i området mellan det roterande kårnröret 6 och den under borrning icke roterande yttre hylsanordningen 5. På så sätt kan vattentrycket ökas i hylsarrangemanget 1. Det tryckhöjande munstycket 32 kan vara utbytbart och kan anpassas till olika förhållanden. Det kan också vara justerbart 'utifrån de rådande förhållandena, såsom borrdj up etc. Under själva borrningsförfarandet tillförs alltså borrvätska under tryck. Denna trycksatta borrvätska åstadkommer ett utskjutande av stödenhetema 7 i radiell riktning mot borrhålets vägg 9 (se fig. 1). Med hjälp av exempelvis O-ringar 17 av keramiskt material anordnade vid varje stödenhet 7 för tätning mot uttaget 15 kan borrvätsketrycket bibehållas utan några förluster. Varje stödenhet 7 är försedd med utskjutande element 13, som ger ingrepp i borrhålsväggen 9 (se fig. 1). I figurema 2-5 visas denna bestå av minst en utskjutande spets 13, exempelvis i förrn av ett prisma av hårt slitstarkt material. Prismat kan utgöras av hårdmetallskär (exempelvis volframkarbid) eller diamantskär etc. Hela Stödenheten, det vill säga en stödenhet innefattande ett utskjutande element 13 (se fig. 3), kan med fördel utgöras av hårdmetall etc. Ingreppet i borrhålsväggen 9 (se fig. 1) skall vara avpassat så att friktionen är tillräckligt låg för att vara övervinnbar i axiell riktning genom borrörens 11 (se fig. 1) tryck nedåt under borrning och tillräckligt hög för att friktionsspärra mot att vridas under inverkan av borröret 11 (se fig. 1), när det roterar.

Hylsarrangemanget 1 kan således under borrning hålla fast exempelvis den under borrning icke roterande yttre hylsanordningen 5 vid en borranordning såsom beskrivs i den samlöpande svenska patentansökan nr. 9902544-7, fast där med en arman hänvisningsbeteckning.

Fig. 3 visar ett tvärsnitt av hylsarrangemanget 1 i fig. 2 enligt ett första utförings- exempel efter tvärsnittslinjen A-A i fig. 2. Dock visas, för att tydliggöra ritningen, ej ett tvärsnitt av stödenhetema 7 med sina respektive utskjutande element 13 med en spets (utan hänvisningsbeteckning). Stödenhetema 7 är med fördel utsträckta i borr- 10 15 20 25 30 516 885 s hålsriktningen enligt ritningen, men kan ha en annan utfonnning. Stödenheterna 7 är fritt skjutbara inåt och utåt i hylsan 3. Centralt runt varje stödenhets 7 vägg har spår 15 anordnats för upptagande av en O-ring 17 av keramiskt material. Denna tätning kan även vara utformad som en manschett eller ha annan form. Med hjälp av tätningen bibehälles borrvätsketrycket utan att borrvätska, som är användbar vid borrkronan 4, går förlorad. I figuren visas ett arbetsläge. Det vill säga när borrningstörfarandet pågår och ett borivätsketryck råder. I detta arbetsläge är stödenhetema 7 utskjutna mot berg- hålsväggen 9 (se fig. 1), varvid de vid stödenhetema 7 arrangerade utskjutande ele- menten 13 griper in i borrhålsväggen 9 (se fig. 1). De utskjutande elementen 13 (endast ett är illustrerat i figuren) kan exempelvis utgöras utav diamantskär. Stav- fonni ga element av andra material eller vassa kanter kan också utgöra de utskjutande elementen 13. När borrningsförfarandet är avbrutet för upptagande av bonprov etc. eller en justering av styrorganet (inte visat) skall ske, upphör borrvätsketrycket och stödenhetema 7 blir fiitt skjutbara i urtaget 15. Styranordningen beskriven i den sam- löpande svenska patentansökan kan med fördel förses med ett hylsarrangemang 1 enligt föreliggande uppfinning beskriven i denna text. Den under borrning icke rote- rande yttre hylsanordningen 5 kan hållas i sitt läge genom att en viss avvikning av denna över ett styrorgan 14 (se fig. 1) finns, vilket således innebär att styrorganet 14 kan hållas i ett fixerat läge utan att hylsarrangemanget enligt uppfinningen behöver hålla fast den yttre hylsanordningen 5 under upptagning av kärnröret 6. Vid upptag- ning av hela borrutrustningen åsamkar borrhålsväggen 9 (se fig. 1) på grund av att stödenhetema 7 är frigjort skjutbara inåt, ej någon friktionsskada på diamantskären.

Stödenheternas 7 sidor vända mot borrhålsväggen 9 (se fig. 1) är i fig. 2 välvda utåt med en radie motsvarande styrhylsans 3 utsida. I figuren visas även ett tvärsnitt av den rörelsebegränsande stopphylsan 20 i ett läge mellan drivaxeln 25 och styrhylsan 3.

Den rörelsebegränsande stopphylsan 20 är anordnad med sina båda ändar mot tätningsringarna 24 (se fig. 2) och är försedd med genomgående hål (ej illustrerade) tvärs borrhålsriktningen så att borrvätsketrycket kan påverka hos stödenhetema 7 tryckupptagningsytor 7a (illustrerade med streckade linjer när stödenhetema 7 är i infállt läge). Drivaxeln 25 är belägen centralt i hylsarrangemanget 1 och har ett visst spel i detta. 10 15 20 25 516 885 9 F ig. 4 visar ett tvärsnitt i förstoring av hylsarrangemanget 1 i fig. 2 enligt ett andra utföringsexempel efter tvärsnittslinjen A-A i fig. 2. Dock visas, för att tydliggöra ritningen, ej ett tvärsnitt av Stödenheten 7 med sitt utskjutande element 13. Det som skiljer detta utföringsexempel från det första, är att endast en stödenhet 7 med ett diamantskär innefattas i hylsarrangemanget 1. Fler än ett diamantskär kan anordnas vid Stödenheten för att vid borrning gripa in i borrhålsväggen 9 (se fig. l). I övrigt motsvarar de i figuren betecknade delarna och partierna de i 3 visade och kommer således inte vidare beskrivas här. Det som ytterligare tillkommer i fig. 4 är de fast monterade utskjutande elementen 14. Dessa kan vara utformade och vara av samma material som de utskjutande elementen 13 i fig. 3. Vid borrningsförfarandet trycks på liknande sätt som stödenhetema 7 i fig. 3 Stödenheten 7a ut mot borrhålets vägg 9 (se fig. 1) och bringar det utskjutande elementet 13 i ingrepp med borrhålsväggen 9 (se fig. 1). De fast monterade utskjutande elementen 14 kommer således även de i ingrepp med borrhålsväggen 9 (se fig. 1) i och med att själva hylsarrangemanget 1 pressas mot ' borrhålsväggen 9 (se fig. 1) vid utskjutning av stödenheten 7a.

Fig. 5 visar en ovanvy av en av stödenhetema 7 anordnade vid hylsarrangemanget l i fig. 1 till 4. Den utskjutbara styrenheten 7, 7a är utfonnad med ett i borrhålets längs- riktning utsträckt element 13. En vass spets 40 utformas lämpligen av hårt slitstarkt material, såsom beskrivits ovan. Längden på denna spets 40 kan variera utifiån axiellt tryck på borren och vridmomentet hos denna för att uppnå fullgod styming av den yttre hylsanordningen 5. Företrädesvis är längden på det utsträckta elementet 13, 10 - 200 mm beroende på erforderligt tryck och typ av bergart. En fläns 60 (illustrerad med streckad linje) eller avsats är anordnad vid stödenhetens 7, 7a insida för att hindra stödelementet 7, 7a att falla ur hylsan 3 vid transport av hylsarrangemanget l ovan jord.

Den reglerbara stödenheten 7, 7a och det utskjutande elementet 13 är i figuren ut 516 885 10 sträckta i borrhålrikmingen. Stödenheten 7 och det utskjutande elementet 13 har företrädesvis en utsträckning av 10-200 mm. Exempelvis kan utsträckningen vara 50-100 mm.

Claims (8)

10 15 20 25 516 885 11 Patentkrav

1. Hylsarrangemang (1) för en bergborr innefattande en under borrning icke roterande styrhylsa (3), vilket hylsarrangemang (1) är anordnat vid en hos bergborren under borrning icke roterande yttre hylsanordning (5), vilket under intervall med borrning står under ett borrvätsketryck och skall hållas i ett vridsäkert läge med hjälp av regler- bara stödenheter (7), varvid stödenhetema (7) är anordnade att hållas mot en borrhåls- vägg (9) med en friktion tillräckligt låg for att vara övervinnbar i axiell riktning genom ett borrörs (11) tryck nedåt under borrning och tillräckligt hög för att friktionsspärra mot att vridas under inverkan av borröret (1 1), när det roterar, vari hylsarrangemanget (1) innefattar åtminstone en direkt av bonvätskan radiellt påverkad stödenhet (7, 7a) med utskjutande element (13) som kan gripa in i en borrhålsvägg (9) så att hyls- arrangemanget (1) är ovridbart i perifer riktning i förhållande till borrhålsväggen (9) och den åtminstone ena stödenheten (7) är anordnad i ett i styrhylsan (3) motsvarande urtag (15), kännetecknat av att stödenheten (7) vid icke existerande borrvätsketryck är fritt skjutbar i hylsarrangemangets urtag (15).

2. Hylsarrangemang enligt krav 1, kännetecknat av att en värmetålig tätnings- anordning (17) är anordnad mellan stödenheten (7) och urtaget (15).

3. Hylsarrangemang enligt krav 2, kännetecknat av att tätningsanordningen (17) utgörs av en tätningsring av värmetåligt material, exempelvis keramiskt material, vilken tätningsring är anordnad i ett motsvarande spår på stödenhetens (7) mot urtaget (15) vända sida.

4. Hylsarrangemang enligt något av föregående krav, kännetecknat av att den åt- minstone ena reglerbara stödenheten (7) och det utskjutande elementet (13) är ut- sträckta i borrhålsriktningen. 10 15 516 885 12

5. Hylsarrangemang enligt krav 4, kännetecknat av att den åtminstone ena reglerbara Stödenheten (7) och det utskjutande elementet (13) företrädesvis har en utsträckning av 10-200 mm, företrädesvis 50-100 mm.

6. Hylsarrangemang enligt något av föregående krav, kännetecknat av att hyls- arrangemanget (1) innefattar endast en reglerbar stödenhet (7a) med utskjutande ele- ment (13) och att hylsarrangemanget (1) innefattar åtminstone ett fast monterat ut- skjutande element (14).

7. Hylsarrangemang enligt något av föregående krav, kännetecknat av att hyls- arrangemanget (1) är fixerbart anslutet vid den under borming icke roterande yttre hylsanordningen (5).

8. Hylsarrangemang enligt något av föregående krav, kännetecknat av att hyls- arrangemanget (1) är anordnat i ett övre läge vid den yttre hylsanordningen (5), sett i riktning nedåt från markytan (m), vilken yttre hylsanordning (5) i ett nedre läge är centrumsidoförskjutbar eller ledbar för att åstadkomma en styrning av bergborren. - ; - n q.