CH646227A5

CH646227A5 - CUTTING CHISEL FOR DRILLING HEADS.

Info

Publication number: CH646227A5
Application number: CH880979A
Authority: CH
Inventors: William Henry Daniels; John Baines Jun Cheatham
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 1978-10-02
Filing date: 1979-10-01
Publication date: 1984-11-15
Also published as: IL58031A0; DE2938524A1; GB2032979A; FR2443560A1; JPS6238517B2; GB2032979B; SE7908122L; JPS5549490A; BE879116A; ES257023U; FR2443560B1; DE2938524C2; IL58031A; ES257023Y; ZA794097B; IT7926090A0; IT1163718B; NL7906559A

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. The invention relates to a cutting bit for drilling heads according to the preamble of claim 1, a cutting element for the same and a method for operating the cutting bit.

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. Rotary drilling heads are commonly made using natural diamonds. These drill heads are used to drill deep holes through hard abrasive layers in deep formations. Typical features of this deep drilling technology are the slow drilling progress (0.6 to 1.2 m per hour) and the long service life of the drilling head (up to 300 hours). Since diamond is sensitive to heat and the individual cutting edges of the drill head have to be cooled and cleaned, good hydraulic conditions at the drill head are required for economical drilling. In order to achieve acceptable hydraulic conditions on the drill head, the exposed area of the individual diamond particles has so far been kept small by the drill head manufacturers. Conventional diamond drilling heads for rotary drilling contain individual diamonds set in the surface, which protrude on the order of approximately 1.5 mm and thus engage in the rock in this order of magnitude.

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. It has recently been proposed to use synthetic diamond compacts in the form of diamond aggregates and in the form of composite flakes as cutting elements in rotating drill heads. Such compacts are preferably produced by the method described in US Pat. No. 3,745,623.

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. Rock drilling tools that are equipped with diamond compacts, in which a sintered diamond layer is intimately connected to a cemented carbide layer made of tungsten carbide and cobalt, can be used to better remove hard sandy shale rock layers and other abrasive formations. Although faster drilling progress and a corresponding or longer tool life can be achieved with rotating drill heads equipped with diamond compacts, optimal drilling performance can often not be achieved because the slate rock under pressure adheres to the sintered diamond cutting surface. Such a blockage of the individual cutting elements leads to a decrease in the progress of drilling and to overheating of the cutting elements, which in turn increases wear and thus reduces the service life of the drilling head.

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. In the case of rotating drill heads equipped with diamond compacts, the individual cutting edges protrude much further and this results in a greater degree of intervention in the rock. With such drill bits, rock can be removed that is plastically deformed due to the pressures in drilling depths of 1500 to 4500 m and above. The cutting bits are usually arranged on the drill head in such a way that the rake angle of the cutting edge is negative and is in the range from 5 to 25 °. The edges are usually round or straight, and the plastic rock chips are pressed against the flat surface of the sintered diamond layer. To maintain a sharp edge, the sintered diamond surface must be cleaned and cooled. For this purpose, the drill head is designed in such a way that the drilling mud is washed over the rake face. In practice, however, it is difficult to ensure the hydraulic conditions for this type of drilling mud guide when the cutting bits are bare by a target amount of 6 mm or more.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Schneidelement für einen Bohrmeissel zum Gesteinsbohren zu schaffen. The invention has for its object to provide an improved cutting element for a drill bit for rock drilling.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Schneidelement mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. This object is achieved by a cutting element with the characterizing features of claim 1.

Die Erfindung umfasst auch ein Verfahren zum Betrieb des Schneidelementes gemäss der Erfindung, das die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 7 aufweist. The invention also includes a method for operating the cutting element according to the invention, which has the characterizing features of claim 7.

Die Erfindung wird nun näher anhand von Zeichnungen erläutert, in denen zeigen: The invention will now be explained in more detail with reference to drawings, in which:

Fig. 1 eine schematische Vorderansicht einer erfindungsge-mässen Ausführungsform eines Bohrmeissels für rotierende Bohrköpfe, 1 shows a schematic front view of an embodiment of a drill bit for rotating drill heads according to the invention,

Fig. 2 eine schematische Seitenansicht der Ausführungsform nach Fig. 1 und Fig. 2 is a schematic side view of the embodiment of Fig. 1 and

Fig. 3 eine schematische Draufsicht auf die Ausführungsform nach Fig. 1. 3 shows a schematic top view of the embodiment according to 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 In the drawing, a preferred embodiment of a drill bit is shown. The drill bit 10 has a shank part 12 and a cutting element 14. In the embodiment shown in the drawing, the shaft part 12 has a rectangular cross section. The shank portion can of course be of any other suitable shape for attachment to a drill head, the drill head being used to drill oil and gas wells in various rock formations using the rotary drilling method. In practice, a number of drill bits 10 and / or individual cutting elements 14 on the

2 2nd

s s

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

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SO SO

55 55

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Krone eines Rotationsbohrkopfes unter für den beabsichtigten Bohrvorgang geeigneten Spanwinkeln befestigt. Crown of a rotary drilling head attached under suitable rake angles for the intended drilling process.

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. It has been found that by appropriately shaping the rake face of the cutting bit 10, the rock can be plowed away from the rake face. This plowing effect noticeably reduces or even completely eliminates the risk of blockage of the ice cream, so that a higher depth feed and less heating of the ice cream is achieved.

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. As can be seen from the drawing, the corresponding shape of the rake face is achieved by using a triangular cutting element 14 which has a generally V-shaped rake face. The leg parts L of the V-shaped surface abut each other at the edge E and form an angle a. The tip angle a should be in the range of 60 ° to 90 °. The tip angle a should preferably be approximately 75 °. Depending on the application, it can be advantageous to provide a clearance angle of a few degrees, for example of β = 7 °.

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. So that the cutting edge E remains sharp for as long as possible, the cutting element 14 is preferably produced using highly wear-resistant materials, in particular using aggregate compacts or composite compacts made of diamond, cubic boron nitride or boron nitride with a wurtzite structure or mixtures of these hard materials.

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. Aggregate compacts are used to denote a body composed of abrasive particles, in which the abrasive particles are either (1) bonded directly to one another or (2) bound to one another with the aid of a binder provided between the crystals, or (3) by a combination of the bond types (1) and ( 2) are bound together. Various types of compacts and methods of making them are described in detail in U.S. Patents 3,136,615,3,141,746 and 3,233,988.

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. A composite compact is a body in which an aggregate compact is connected to a sintered hard metal base. The bond between the abrasive layer and the base can be made either during or after the formation of the aggregate compact. Various types of composite compacts and processes for their production are explained in more detail in US Pat. Nos. 3,745,623,3,745,489 and 3,767,371.

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 Sintered hard metal is a material that consists of one or more carbides of a metal from Groups I Vb, Vb and VIb of the Periodic Table and

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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. one or more binding metals from the group comprising iron, nickel and cobalt. Typical cemented carbides consist of tungsten carbide in a cobalt matrix or titanium carbide in a nickel matrix.

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. The V-shaped cutting element 14 preferably consists of a composite compact which has a base 14A made of sintered hard metal and an abrasive layer 14B. As already mentioned, the abrasive layer can contain abrasive particles made of diamond, cubic boron nitride or boron nitride with a wurtzite structure or mixtures of the abrasive particles mentioned above.

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. As can be seen from the drawing, the cutting element 14 contains a base 14A, which has a triangular cross section and is made of a cemented carbide made of cobalt and tungsten carbide, for example. The pad 14A can be attached to the chisel shank 12 in a conventional manner, particularly by brazing with induction heating, by furnace brazing, or by means of a press fit often used by manufacturers of civil engineering equipment for oil and gas drilling.

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. The abrasive layer 14B is applied to the two legs of the base 14A, so that an essentially V-shaped surface is produced in the manner shown in FIG. 3. The leg surfaces L abutting on the elongated cutting edge E at a point angle exert a plow-like effect on the rock chips. The cutting element 14 can be made in the manner described in U.S. Patent No. 3,745,623.

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. Alternatively, the cutting element 14 can also be produced from two platelet-shaped diamond composite compacts which are joined together at a suitable point angle to form the plow shape. Such composite lamellar compacts are available from the General Electric Company under the trade name Stratapax. These commercially available composite compacts consist of a hard metal base on which a polycrystalline diamond layer is applied.

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. The invention also relates to a new method of operating the cutting bit, in which a rock formation is brought into engagement with a cutting element which has a generally V-shaped plow configuration and is moved relative to the rock layer in such a way that the tip as a leading edge runs along a chip drain the plow legs and thus away from the cutting edge, so that a greater depth feed is achieved.

3 3rd

5 5

10 10th

IS IS

2# 2 #

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

B B

1 Blatt Zeichnungen 1 sheet of drawings

Claims

646227 PATENT CLAIMS

1.Cutting chisel for drilling heads for drilling oil and gas bores in a rotary process or for rock drills, characterized by a cutting element (14) which is fastened to a shaft part (12) and has an outer surface configuration such that a plow effect occurs and thereby a drainage of the Rock chips are caused away from the cutting element.

2. Cutting chisel according to claim 1, characterized in that the cutting element (14) has a V-shaped plow configuration as the surface configuration.

3. Cutting chisel according to claim 1 or 2, characterized in that the cutting element (14) is formed from a composite compact which contains a cutting material selected from the group consisting of diamond, cubic boron nitride, boron nitride with a wurtzite structure and a mixture of these materials.

4. Cutting element for a cutting chisel according to one of claims 1 to 3, characterized by an outer surface configuration, such that a plowing effect is created and thereby the rock chips flow away from the cutting element.

5. Cutting element according to claim 4, characterized in that the V-shaped plow configuration includes an angle in the range of 60 ° -90 °.

6. Cutting element according to claim 5, characterized in that the angle is 75 °.

7. Cutting element according to claim 4, characterized in that the composite compact has a base (14A) made of a cobalt-containing sintered metal.

8. A method of operating the cutting bit according to any one of claims 1 to 3, with a cutting element according to one of claims 4 to 7, characterized in that the cutting element is engaged with the rock and with the tip of the V-shaped configuration as the leading edge the rock is moved such that the chips drain away from the leading edge along the legs of the V-shaped configuration.