CH646227A5 - Schneidmeissel fuer bohrkoepfe. - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Schneidmeissel für Bohrköpfe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, ein Schneidelement für denselben und ein Verfahren zum Betrieb des Schneidmeissels.

Bohrköpfe für das Rotationsbohren werden gewöhnlich unter Verwendung von Naturdiamanten hergestellt. Diese Bohrköpfe werden zum Niederbringen von Tiefbohrungen durch harte abrasive Schichten in tiefen Formationen eingesetzt. Typische Kennzeichen dieser Tiefbohrtechnik ist der langsame Bohrfortschritt (0,6 bis 1,2 m pro Stunde) und die lange Standzeit des Bohrkopfes (bis zu 300 Stunden). Da Diamant wärmeempfindlich ist und die einzelnen Schneiden des Bohrkopfes gekühlt und gereinigt werden müssen, sind für wirtschaftliches Bohren gute hydraulische Verhältnisse am Bohrkopf erforderlich. Zur Erzielung von akzeptablen hydraulischen Verhältnissen am Bohrkopf wurde bisher von den Bohrkopfherstellern der freiliegende Bereich der einzelnen Diamantteilchen klein gehalten. Herkömmliche Diamantbohrköpfe für das Rotationsbohren enthalten einzelne in der Oberfläche gefasste Diamanten, die in der Grössenord-nung von ungefähr 1,5 mm abstehen und damit in dieser Grössenordnung in das Gestein eingreifen.

Es wurde in jüngster Zeit vorgeschlagen, synthetische Dia-mantpresslinge in Form von Diamantaggregaten und in Form von Verbundplättchen als Schneidelemente in rotierenden Bohrköpfen einzusetzen. Derartige Presslinge werden vorzugsweise nach dem in der US-PS 3 745 623 beschriebenen Verfahren hergestellt.

Mit Gesteinsbohrwerkzeugen, die mit Diamantpresslingen bestückt sind, bei denen eine gesinterte Diamantschicht innig mit einer aus Wolframkarbid und Kobalt bestehenden Sinterhartmetallschicht verbunden ist, lassen sich harte sandige Schiefergesteinsschichten und andere abrasive Formationen besser abtragen. Obwohl mit rotierenden Bohrköpfen, die mit Diamantpresslingen bestückt sind, ein schnellerer Bohrfortschritt und eine entsprechende oder längere Standzeit als mit Diamantbohrköpfe erzielt wird, kann häufig optimale Bohrleistung nicht erreicht werden, weil das unter Sperrdruck stehende Schiefergestein an der Sinterdiamantschneidfläche haftet. Eine derartige Verstopfung der einzelnen Schneidelemente führt zu einem Absinken des Bohrfortschrittes und zu einer Überhitzung der Schneidelemente, wodurch wiederum der Verschleiss grösser und damit die Standzeit des Bohrkopfes geringer wird.

Bei mit Diamantpresslingen bestückten rotierenden Bohrköpfen stehen die einzelnen Schneiden viel weiter vor und es wird dadurch ein stärkerer Eingriff in das Gestein erreicht. Mit derartigen Bohrmeissein lässt sich Gestein abtragen, das aufgrund der in Bohrtiefen von 1500 bis 4500 m und darüber lastenden Drücken plastisch verformt ist. Die Schneidmeissel werden am Bohrkopf gewöhnlich derart angeordnet, dass der Spanwinkel der Schneide negativ ist und im Bereich von 5 bis 25° liegt. Die Schneiden sind gewöhnlich rund oder gerade und die Späne aus plastischem Gestein werden an die flache Oberfläche der Sinterdiamantschicht gepresst. Zur Aufrechterhaltung einer scharfen Schneide muss die Sinterdiamantoberfläche gereinigt und gekühlt werden. Zu diesem Zweck ist der Bohrkopf derart ausgestaltet, dass der Bohrschlamm über die Spanfläche geschwemmt wird. In der Praxis ist es jedoch schwierig, die hydraulischen Bedingungen für diese Art von Bohrschlammführungen sicherzustellen, wenn die Schneidmeissel um einen Sollbetrag von 6 mm oder mehr bloss liegen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Schneidelement für einen Bohrmeissel zum Gesteinsbohren zu schaffen.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Schneidelement mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1.

Die Erfindung umfasst auch ein Verfahren zum Betrieb des Schneidelementes gemäss der Erfindung, das die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 7 aufweist.

Die Erfindung wird nun näher anhand von Zeichnungen erläutert, in denen zeigen:

Fig. 1 eine schematische Vorderansicht einer erfindungsge-mässen Ausführungsform eines Bohrmeissels für rotierende Bohrköpfe,

Fig. 2 eine schematische Seitenansicht der Ausführungsform nach Fig. 1 und

Fig. 3 eine schematische Draufsicht auf die Ausführungsform nach Fig. 1.

In der Zeichnung ist eine bevorzugte Ausführungsform eines Bohrmeissels dargestellt. Der Bohrmeissel 10 weist einen Schaftteil 12 und ein Schneidelement 14 auf. Bei der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform weist der Schaftteil 12 einen rechteckigen Querschnitt auf. Der Schaftteil kann natürlich irgendeine andere für die Befestigung an einem Bohrkopf geeignete Form aufweisen, wobei der Bohrkopf zum Niederbringen von Öl- und Gasbohrungen in verschiedenen Gesteinsformationen im Rotationsbohrverfahren verwendet wird. In der Praxis werden eine Reihe von Bohr-meisseln 10 und/oder individuelle Schneidelemente 14 an der

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Krone eines Rotationsbohrkopfes unter für den beabsichtigten Bohrvorgang geeigneten Spanwinkeln befestigt.

Es hat sich herausgestellt, dass durch entsprechende Formgebung der Spanfläche des Schneidmeissels 10 ein Wegpflügen des Gesteins von der Spanfläche erreicht wird. Durch diesen Pflugeffekt wird die Gefahr einer Verstopfung des Meisseis merklich verringert oder sogar gänzlich beseitigt, so dass ein höherer Tiefenvorschub und eine verringerte Erwärmung des Meisseis erreicht wird.

Wie aus der Zeichnung ersichtlich, wird die entsprechende Form der Spanfläche durch Verwendung eines die Form eines Dreikantes aufweisenden Schneidelementes 14 erzielt, das eine im allgemeinen V-förmige Spanfläche besitzt. Die Schenkelteile L der V-förmigen Fläche stossen an der Kante E aneinander und schliessen einen Winkel a ein. Der Spitzenwinkel a sollte im Bereich von 60° bis 90° liegen. Vorzugsweise sollte der Spitzenwinkel a ungefähr 75° sein. Je nach dem Anwendungszweck kann es vorteilhaft sein, einen Freiwinkel von wenigen Graden, beispielsweise von ß = 7°, vorzusehen.

Damit die Schneidkante E möglichst lange scharf bleibt, wird das Schneidelement 14 vorzugsweise unter Verwendung hochverschleissfester Stoffe hergestellt, insbesondere unter Verwendung von Aggregatpresslingen oder Verbundpress-lingen aus Diamant, kubischem Bornitrid oder Bornitrid mit Wurtzitstruktur oder Mischungen dieser Hartstoffe.

Mit Aggregatpresslingen wird ein aus Abrasivteilchen zusammengesetzter Körper bezeichnet, in dem die Abrasivteilchen entweder (1) direkt aneinandergebunden oder (2) mit Hilfe eines zwischen den Kristallen vorgesehenen Bindemittels aneinandergebunden sind oder aber auch (3) durch eine Kombination der Bindungsarten (1) und (2) aneinandergebunden sind. Verschiedene Arten von Presslingen und Verfahren zu ihrer Herstellung sind in den US-Patentschriften 3 136 615,3 141 746 und 3 233 988 näher erläutert.

Mit Verbundpressling wird ein Körper bezeichnet, bei dem ein Aggregatpressling mit einer Unterlage aus Sinterhartmetall verbunden ist. Die Bindung zwischen der Abrasivschicht und der Unterlage kann entweder während oder nach der Bildung des Aggregatpresslings erfolgen. Verschiedene Arten von Verbundpresslingen sowie Verfahren zu ihrer Herstellung sind den US-Patentschriften 3 745 623,3 745 489 und 3 767 371 näher erläutert.

Mit Sinterhartmetall wird ein Werkstoff bezeichnet, der aus einem oder mehreren Karbiden eines Metalls aus den Gruppen I Vb, Vb und VIb des Periodischen Systems und

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einem oder mehreren Bindemetallen aus der Eisen, Nickel und Kobalt umfassenden Gruppe besteht. Typische Sinterhartmetalle bestehen aus Wolframkarbid in einer Kobaltmatrix oder Titankarbid in einer Nickelmatrix.

Das V-förmige Schneidelement 14 besteht vorzugsweise aus einem Verbundpressling, der eine Unterlage 14A aus Sinterhartmetall und eine Abrasivschicht 14B aufweist. Wie bereits erwähnt, kann die Abrasivschicht Abrasivteilchen aus Diamant, kubischem Bornitrid oder Bornitrid mit Wurtzitstruktur oder Mischungen der vorgenannten Abrasivteilchen enthalten.

Wie aus der Zeichnung zu ersehen ist, enthält das Schneidelement 14 eine einen dreieckigen Querschnitt aufweisende Unterlage 14A aus einem beispielsweise aus Kobalt und Wolframkarbid bestehenden Sinterhartmetall. Die Unterlage 14A kann am Meisselschaft 12 in herkömmlicher Weise befestigt werden, insbesondere durch Hartlöten mit induktiver Erwärmung, durch Ofenlöten oder mit Hilfe einer Presspassung, wie sie häufig von den Herstellern von Tiefbauausrüstungen für Öl- und Gasbohrungen verwendet wird.

Auf den beiden Schenkeln der Unterlage 14A ist die Abrasivschicht 14B aufgebracht, so dass in der aus Fig. 3 ersichtlichen Weise eine im wesentlichen V-förmige Oberfläche entsteht. Die an der länglichen Arbeitsschneide E unter einem Spitzenwinkel aneinanderstossenden Schenkelflächen L üben einen pflugartigen Effekt auf die Gesteinsspäne aus. Das Schneidelement 14 kann in der in der US-PS 3 745 623 beschriebenen Weise hergestellt werden.

Alternativ kann das Schneidelement 14 auch aus zwei plättchenförmigen Diamantverbundpresslingen hergestellt werden, die zur Bildung der Pflugform unter einem geeigneten Spitzenwinkel aneinandergefügt sind. Solche plättchenförmigen Verbundpresslinge sind unter der Handelsbezeichnung Stratapax von der General Electric Company erhältlich. Diese handelsüblichen Verbundpresslinge bestehen aus einer Hartmetallunterlage, auf der eine polykristalline Diamantschicht aufgebracht ist.

Gegenstand der Erfindung ist auch ein neues Verfahren zum Betrieb des Schneidmeissels, bei dem eine Gesteinsformation mit einem Schneidelement, das eine im allgemeinen V-förmige Pflugkonfiguration aufweist, in Eingriff gebracht und relativ zur Gesteinsschicht derart bewegt wird, dass die Spitze als Vorderkante einen Späneabfluss entlang den Pflugschenkeln und damit weg von der Arbeitsschneide bewirkt, so dass ein grösserer Tiefenvorschub erzielt wird.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

646227 PATENTANSPRÜCHE

1. Schneidmeissel für Bohrköpfe zum Niederbringen von Öl- und Gasbohrungen im Rotationsverfahren oder für Gesteinsbohrer, gekennzeichnet durch ein an einem Schaftteil (12) befestigtes Schneidelement (14), das eine äussere Oberflächenkonfiguration aufweist, derart, dass ein Pflugeffekt entsteht und dadurch ein Abfliessen der Gesteinsspäne weg vom Schneidelement bewirkt wird.

2. Schneidmeissel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schneidelement (14) als Oberflächenkonfiguration eine V-förmige Pflugkonfiguration besitzt.

3. Schneidmeissel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Schneidelement (14) aus einem Ver-bundpressling gebildet ist, der einen aus der Gruppe Diamant, kubisches Bornitrid, Bornitrid mit Wurtzitstruktur und ein Gemisch dieser Stoffe ausgewählten Schneidstoff enthält.

4. Schneidelement für einen Schneidmeissel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine äussere Oberflächenkonfiguration, derart, dass ein Pflugeffekt entsteht und dadurch ein Abfliessen der Gesteinsspäne weg vom Schneidelement bewirkt wird.

5. Schneidelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die V-förmige Pflugkonfiguration einen Winkel im Bereich von 60°-90° einschliesst.

6. Schneidelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel 75° beträgt.

7. Schneidelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundpressling eine Unterlage (14A) aus einem Kobalt als Bindemittel enthaltenden Sintermetall besitzt.

8. Verfahren zum Betrieb des Schneidmeissels nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einem Schneidelement nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Schneidelement mit dem Gestein in Eingriff gebracht und mit der Spitze der V-förmigen Konfiguration als Vorderkante durch das Gestein bewegt wird, derart, dass der Späneabfluss weg von der Vorderkante entlang den Schenkeln der V-förmigen Konfiguration erfolgt.