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Messerkopf für drehend arbeitende Tiefbohrvorrichtungen.
Die Erfindung betrifft einen Messerkopf für drehend arbeitende Tiefbohrvorrichtungen, insbesondere für solche nach den amerikanischen Patentschriften Nr. 1, 859. 948, 1, 758. 773 und 1,758. 814. Bei Bohrvorrichtungen dieser Art ist am Bohrschaft ein Messerkopf mit äusseren Schneidrippen um
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rippen nacheinander in Eingriff mit dem Boden gebracht werden.
Beim Bohren von Ölschächten ist ein rasches Entfernen der Erde ohne unzulässige und übermässige Abnutzung der Schneidrippen äusserst wünschenswert, da hiedurch die Bohrkosten gesenkt und die Ölproduktion rascher begonnen werden kann als bei Verwendung eines langsam arbeitenden Messerkopfes. Gewisse Schwierigkeiten bei der Erzielung einer maximalen Bohrgeschwindigkeit ergaben sich bei Bohrvorrichtungen, die in weichem Boden verwendet werden. Ein solcher Boden wird am besten durch eine ein-bzw. abschneidende Bewegung der Schneidrippen entfernt, u. zw. eher als durch
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bewegung bei jedem Arbeitsgang der Schneidrippen ergibt, da die Schneiddauer um so grösser wird, je länger der zum Schneiden ausgenützte Teil eines gegebenen Arbeitsweges ist.
Eine zu starke kratzende Bewegung ist zu vermeiden, da hiedurch die Neigung auftritt, dass der Messerkopf durch Ansammeln oder Zusammenballen von klebrigen abgeschnittenen Materialteilen an den Zähnen verlegt wird, wodurch
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Die Erfindung bezweckt eine solche Ausbildung eines Messerkopfes, dass er insbesondere zum Schneiden von weicheren Formationen bzw. Schichten geeignet ist und eine überaus rasche Schneidwirkung ohne übermässige Abnützung der Rippen aufweist. Die einzelnen Schneidrippen sollen ferner eine relativ lange Schneidbewegung und eine kurze Rückziehbewegung ausführen, so dass der grösstmögliche Teil eines jeden Arbeitsweges zum Schneiden ausgenützt wird.
Schliesslich sollen die Schneidrippen eine solche Form haben, dass sie sich selbsttätig reinigen, ein Ansammeln von abgeschnittenen Teilchen verhindern und die höchste Schneidleistung möglichst lange beibehalten. Diese Forderungen werden gemäss der Erfindung dadurch erfüllt, dass sowohl die durch die Schneiden gehenden Ebenen als auch die Mittelebenen der Schneidrippen gegenüber zu diesen Ebenen parallelen, durch die Drehachse des Messerkopfes gehenden Ebenen in der Drehrichtung des Messerkopfes versetzt sind. Die Wirkungsweise dieser Ausbildung sowie weitere Merkmale der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor.
In der Zeichnung ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Fig. 1 zeigt eine Seitenansicht des zusammengesetzten Bohrkopfes, wobei der Messerkopf und ein Teil des Bohrkopfes im lotrechten Schnitt dargestellt ist, Fig. 2 zeigt den vom Bohrkopf abgenommenen Messerkopf, Fig. 3 zeigt eine Unteransicht, und Fig. 4 zeigt eine Draufsicht des Messerkopfes, Fig. 5 zeigt einen lotrechten Schnitt durch den Grund des Bohrloches.
Fig. 1 zeigt den vollständig zusammengesetzten Bohrkopf-M, dessen Schaft 11 in eine am unteren Ende eines Bohrrohrstranges befindliche Muffe 12 eingeschraubt ist. Das untere Ende des Schaftes 11 endigt in ein exzentrisches, geneigtes, als Ganzes mit 15 bezeichnetes Lager, um das sich der Messerkopf dreht. Das Lager 15 besteht aus einem zylindrischen Endteil ll a des Schaftes, der mit einer äusseren Lagerfläche versehen ist, und aus einem Spurlagerzapfen 16, der in eine Ausnehmung 17 im
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Ende des Schaftteiles 11 a eingeschraubt ist. Die Achse A-A des Lagerteiles/5 ist zu der gewöhnlich lotrechten Achse B-B des Schaftes geneigt und schneidet letztere im Punkt C.
Der als Ganzes mit 20 bezeichnete Messerkopf besitzt einen topfförmigen Körper 21, dessen
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des Axialschubes entlang der Achse .-A Der Messerkörper ist mit mehreren, aussen vorstehenden Schneidrippen 25 versehen, wie dies am besten in den folgenden Figuren ersichtlich ist.
Der Schaft des Bohrkopfes ist mit einer Leitung 28 zum Einführen einer zirkulierenden Flüssigkeit in den Bohrschacht versehen. Diese Leitung ist unmittelbar mit einer zentralen Bohrung 29 im Spurzapfen 16 verbunden, durch deren Mündung 30 das Wasser in das Bohrloch eintritt. Ein Hilfskanal 32 setzt die Bohrung 29 mit einem unteren Ringkanal 33 in Verbindung sowie über einen Kanal 34 mit einem oberen Ringkanal 35, so dass die zirkulierende Flüssigkeit von der zentralen Wasserleitung 28
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besitzt ferner eine Abzweigleitung 36, die in eine Düse mündet, aus welcher ein Flüssigkeitsstrom auf die Schneidrippen gerichtet wird.
Der Messerkopf 20 wird auf dem Lager 15 mittels mehrerer Kugeln 40 gehalten, deren Laufbahn zur Hälfte von einer Ringnut 41 des Schaftteiles 11 a und zur Hälfte von einer Ringnut 42 an der Innenfläche des Messerkörpers gebildet ist. Wenn sich die Kugeln in ihrer Laufbahn befinden, verhindern
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kopfes werden zunächst die Kugeln, welche durch ein mittels einer Schraube 44 befestigtes Füllstück 4B in Stellung gehalten werden, herausgenommen. Diese Haltevorrichtung für die Kugeln ist gel. user in der erwähnten amerikanischen Patentschrift Nr. 1, 859.948 beschrieben.
Das Entfernen des Bodens erfolgt durch die Schneidrippen 25, die der Länge nach von der Spitze bis zum Fuss des Messerkörpers verlaufen. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, besitzt der obere Teil 48 jeder
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rechteckigem Querschnitt. Dieser obere L-förmige Teil der Rippe ist im allgemeinen zum Ausräumen bestimmt, da er hauptsächlich die Seitenwände des Bohrloches bearbeitet und das zuerst vom unteren Teil 50 der Rippen hergestellte Loch zum vollen Durchmesser erweitert.
Der unterhalb des Räumteiles liegende Teil 50 wird im allgemeinen als Sehürfteil bezeichnet, da er hauptsächlich den Boden des Bohrloches bearbeitet. Der Teil 50 besitzt im allgemeinen dreieckigen Querschnitt, was daraus ersichtlich ist, dass seine Vorderseite 51 parallel, seine Rückseite 52 hingegen geneigt zur Mittelebene des Messerkopfes ist, so dass der Zahnquerschnitt etwa die Form eines rechteckigen Dreiecks aufweist. Wie aus der Zeichnung ersichtlich, sind beide Flächen 51, 52 nicht radial gestellt. Der Scheitel dieses dreieckigen Querschnittes bildet eine Schneidkante 53, die seitlich der Schneidrippe verläuft und eine abschneidende Wirkung etwa nach Art eines Messers ausübt.
Die Anzahl der Rippen 25 kann gegenüber der dargestellten Form verändert werden, doch sind je nach der Grösse des Messerkopfes vier oder sechs vorteilhaft, da in diesem Falle die Rippen keinen genügenden gegenseitigen Abstand haben und das abgetrennte Material die Neigung hat, die Zwischenräume zwischen den Rippen zu verstopfen.
Der Umriss der Schneidrippen ist am besten etwa aus Fig. 1 ersichtlich. Die Aussenkanten der
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bei D liegt. Die oberen Enden der Räumteile sind durch eine Kegelfläche 56 bestimmt, deren Scheitel auf der Achse A- A liegt und deren Erzeugende Tangente an die Kugelfläche 55 ist, wie dies in der erwähnten amerikanischen Patentschrift Nr. 1, 859. 948 beschrieben ist.
Der Sehürfteil 50 jeder Rippe ist durch einen Schlitz 57 in einen oberen Zahn 58 und einen unteren Zahn 59 unterteilt ; beide besitzen konvex gekrümmte Schneiden 53, deren Krümmungsmittelpunkte auf der Achse A-A liegen. Der Halbmesser des Zahnes 58 ist gleich jenem der Kugelfläche 55, so dass die Schneide dieses Zahnes in der Fortsetzung der Kante des unmittelbar darüber befindlichen Räumteiles liegt. Der Krümmungsmittelpunkt des Zahnes 58 liegt im Punkte D. Der Halbmesser der Aussenkante des unteren Zahnes 59 ist kleiner als jener des Zahnes 58 und sein Krümmungsmittelpunkt liegt vorzugsweise gleichfalls in D. Auf diese Weise werden die Halbmesser der Räumzähne nach abwärts zu kleiner.
Die Schneiden aller oberen Zähne 58 liegen auf der Kugelfläche 55 und die Schneiden aller unteren Zähne 59 auf einer kleineren, zur Kugelfläche 55 konzentrischen Kugelfläche.
Der Mittelpunkt D der Kugelfläche 55 kann bei C, dem Schnittpunkt der Achsen A- A und B-B, oder irgendwo auf der Achse A-A unterhalb C liegen. Vorzugsweise liegt der Punkt D, wie dargestellt, ein wenig unterhalb des Punktes C, da der Mittelpunkt des Messerkopfes dann exzentrisch zur Achse B-B des Schaftes ist, was das Bohren eines Loches unterstützt, dessen Durchmesser etwas grösser ist als jener des Messerkopfes. Der Nenndurchmesser des Messerkopfes ist gleich dem Durchmesser der Kugelfläche 55, da dieser letztere Durchmesser der bestimmende Faktor für die Grösse des gebohrten Loches ist.
Die Schneidrippen sind an der Aussenseite des topfförmigen Messerkörpers zur Messerachse exzentrisch bzw. gegenüber der Radialrichtung versetzt angeordnet, wie aus der Zeichnung ersichtlich ist. Die Mittelebenen 60 der Rippen, die durch die Mittelpunkte der Räumzähne 48 und die Basis
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des Dreieckteiles 50 einer jeden Rippe hindurchgehen, schneiden die Achse A-A innerhalb der Grenzen des Messerkörpers nicht und sind vorzugsweise, jedoch nicht notwendigerweise zur Achse J.- parallel. Die Ebenen 60 sind gegen die Radialstellung, die durch die Mittellinie 61 (Fig. 4) angegeben ist, um den Betrag d in der Drehrichtung des Messerkopfes (Pfeil 66) versetzt.
Da die Schneiden 53 in zu den Mittelebenen 60 parallelen Ebenen liegen, sind sie gegenüber der Messerkopfachse um einen Betrag gleich d plus der halben Rippenstärke versetzt. Die Mittelebenen 60 der verschiedenen Zähne liegen somit sämtlich tangential an eine gedachte Zylinderfläche 62 mit der Achse A-A. Ebenso liegen die (in der Drehrichtung) vorderen Stirnflächen 51 der Schneidrippen im Wesen in Ebenen, die tangential an eine gedachte, zur Drehachse A-A konzentrische Zylinderfläche verlaufen. Hiedurch wird erreicht,
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Ebene 61, wie dies bei radial gestellten Rippen der Fall wäre, diese gegenüberliegenden Rippen in parallelen Ebenen liegen, die an gegenüberliegenden Seiten von der Messerkopfachse verlaufen und um den Betrag 2 d voneinander abstehen (Fig. 3).
Beim Bohren wird die Bohrstange, von oben gesehen, im Uhrzeigersinne gedreht, und der Messerkopf dreht sich relativ zur Erde in der gleichen Richtung, wie durch den Pfeil 66 (Fig. 4) angegeben, jedoch langsamer als die Bohrstange, so dass der Messerkopf sich relativ zum Schaftlager 15 entgegen dem Urhzeigersinne dreht. Wie bereits erwähnt, sind die Ebenen 60 und ebenso die Schneiden 53 und Flächen 51 in der Richtung des Pfeiles 66 (Fig. 4), also in der Drehrichtung des Messerkopfes gegenüber der Messerkopfachse bzw. der Radialstellung 61 parallel zu sich selbst versetzt.
Eine axiale Ebene, die durch die Achse ara und durch den äussersten Teil einer Schneide hindurchgeht, d. h. dort, wo die Schneide 53 einen umschriebenen, durch die Aussenflächen der Räumzähne 49 bestimmten Kreis schneidet, schliesst einen Winkel mit einer Ebene ein, die durch die versetzte Schneide und durch den eben erwähnten Schnittpunkt mit dem umschriebenen Kreis geht. Die gegenüber der Axialebene versetzte Ebene ist in der Richtung der Drehung des Messerkopfes gegenüber der Erde nach innen und vorwärts gerichtet.
Im allgemeinen beruht die Schneidwirkung des Bohrkopfes auf derselben speziellen Drehbewegung, wie sie in den erwähnten amerikanischen Patentschriften des Erfinders beschrieben ist, auf welche hinsichtlich einer genaueren Beschreibung verwiesen werden kann. Bei Bohrköpfen dieser Art bewegt sich die Messeraehse A-A entlang einer Kegelfläche, und der Messerkopf dreht sich um diese Achse und das Lager 15, so dass die Rippen 25 nacheinander in die Schneidstellung und aus dieser heraus gelangen, welche die tiefste bzw. rechtsseitige Stellung in Fig. 1 ist. Diese Arbeitsweise formt ein symmetrisches Muster auf dem Boden des Bohrloches in Form von Höhlungen, die von den Rippen ausgeschnitten und durch zwischenliegende Erhebungen getrennt sind.
Infolgedessen greifen die Schneidrippen an diesen Erhebungen an und drehen sich sowohl auf dem Bohrschaft als auch gegenüber dem Bohrgrund. Die Anzahl der Höhlungen ist geringer als jene der Zähne und hängt teilweise von der Beschaffenheit der zu schneidenden Schichten ab. Der Boden des Bohrloches und der Messerkopf bilden gleichsam ein Paar miteinander kämmender Zahnräder, so dass man sagen kann, dass der Messerkopf mit dem Bohrgrund in Eingriff steht und mit einer andern Geschwindigkeit umläuft, als der Bohrschaft durch die Bohrstange verdreht wird.
Der dargestellte, mit sechs Rippen versehene Messerkopf wird in typischer Art und Weise auf dem Boden des Bohrloches vier Erhebungen mit zwischenliegenden Höhlungen bilden, wobei alle Erhebungen in der Mitte in Form eines Kreuzes verbunden sind. Einen lotrechten Mittelschnitt eines solchen Loches zeigt Fig. 5, wobei die Schnittebene durch einen Arm des durch die Höhlungen gebildeten Kreuzes geht, so dass zwei Erhebungen 70 und 71 in Ansicht dargestellt sind. Der andere Arm dieses Kreuzes trennt die beiden Erhebungen bei 72.
Das Versetzen der Schneidrippen in der beschriebenen Weise bewirkt eine ungewöhnlich lange Abschneidebewegung der Räumzähne, wie durch die abwärts geneigte Linie 74 gezeigt ist, welche den Grund der von den Räumzähnen beschriebenen Bahn bestimmt. Die von diesen Zähnen beim Zurückziehen derselben aus ihrer untersten Stellung beschriebene Bahn ist durch die Linie 75 angegeben.
Dies zeigt, dass innerhalb eines vollständigen Arbeitsweges einer Rippe, welcher sich vom Eingriff bis zum Freiwerden der Rippe erstreckt, der Räumzahn etwa zwei Drittel der Zeit lang schneidet.
Die Bahn des nächsten Räumzahnes ist bei 74 a ersichtlich.
Die oberen Schürfzähne 58 schneiden die vorderen Seiten der Erhebungen 70 und 71 bei 67 bzw. 77 weg, wobei die geneigten Zahnseiten 52 gegen den Boden anliegen. Durch das Versetzen der Schneidrippen ergibt sich eine längere und bessere Schneidwirkung, da der Winkel einer Rippe gegenüber dem Boden anders ist als im Falle radialer Rippen.
Wenn der Messerkopf von oben, d. h. in Richtung der Achse B-B angesehen wird, welche Ansicht erhalten wird, wenn man sich den in Fig. 4 dargestellten Messerkopf entsprechend der Neigung der Achse ara ein wenig aus der Zeichenebene heraus gekippt denkt, so wird, wenn der sich drehende Bohrschaft 11 die Stellung nach Fig. 1 einnimmt, eine Schneidrippe, die sich gerade in der Stellung 25 a (Fig. 4) befindet, während der Drehung des Bohrkopfes allmählich aus ihrer geneigten Lage in die lotrechte Stellung unterhalb des hinteren Teiles des Schaftes geschwenkt. Diese Schneidrippe erreicht aber ihre lotrechte Stellung, bevor der hintere Teil des Schaftes bzw. die geneigte Achse A-A die Stellung lotrecht oberhalb dieser Rippe erreicht, d. h. bevor die Rippe
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sich am tiefsten Punkte in der Höhlung 72 befindet.
Wenn der Messerkopf nach Abschneiden der Fläche 76 weiterrollt, kippt die Rippe rasch über die Lotrechte hinaus um und wird unter einem flachen Winkel zurückgzogen. Auf diese Weise scharrt der Zahn mit einer Art Wischbewegung über die Fläche 78 der Erhebung 77, so dass das angesammelte, abgeschnittene Material von der flachen Zahnfläche 51 weggeschabt und die flache Zahnfläche 51 durch eine selbstschärfende Tätigkeit hergerichtet wird. Die Bahn des vorhergehenden Zahnes ist bei 78 a ersichtlich.
Die Wirkung der unteren Schürfzähne 59 besteht darin, dass sie die Mitte des Loches wegschneiden
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ist ihre Bewegung jener der Zähne 58 sehr ähnlich.
Die dargestellte Form der Schneidrippe mit der längs der Rippe verlaufenden Schneide liefert so eine überaus wirksame Abschneidearbeit, die den Bohrgrund rasch entfernt. Diese Wirkung wird durch das Versetzen der Zähne weiter verbessert. Diese Versetzung kann aber auch bei Rippen angewendet werden, die andere Formen und Umrisse haben als die dargestellten. Im Bereiche der Erfindung sind zahlreiche Änderungen in der Anordnung und Ausbildung möglich. Die vorstehenden Ausführungen sollen daher die Erfindung bloss erklären, nicht aber begrenzen.
PATENT-ANSPRÜCHE :
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Drehachse verlaufen, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die durch die Schneiden (53) gehenden Ebenen als auch die Mittelebenen (60) der Schneidrippen (25) gegenüber zu diesen Ebenen parallelen, durch die Drehachse (A-A) des Messerkopfes gehenden Ebenen in der Drehrichtung (66) des Messerkopfes versetzt sind.