DE102010015474A1

DE102010015474A1 - Drilling head for use during water well construction, has pivoted main drill bits with cutting edge arranged within internal diameter of guide pipe, where guide pipe surrounds drill pipe, and drill bits are moveably arranged at base body

Info

Publication number: DE102010015474A1
Application number: DE102010015474A
Authority: DE
Inventors: Peter Jantz; Horst Wiemers
Original assignee: Stds Jantz & Co KG GmbH; Stds-Jantz & Co KG GmbH
Current assignee: Stds Jantz & Co KG GmbH; Stds-Jantz & Co KG GmbH
Priority date: 2010-04-16
Filing date: 2010-04-16
Publication date: 2011-10-20
Anticipated expiration: 2030-04-17
Also published as: DE102010015474B4

Abstract

The head has a base body comprising a shaft for connection to a drill pipe, and a gimlet (4) and main drill bits (5). The main drill bits are partially and pivotably arranged at cutter bars (52), which are arranged at the base body. A cutting edge of the pivoted main drill bits is projected over an internal diameter a guide pipe at a pivotable state and is arranged within the internal diameter of the guide pipe, where the guide pipe surrounds the drill pipe. The main drill bits are moveably arranged at the base body. Heads of the main drill bits are arranged on a cover surface of a stump cone.

Description

Die Erfindung betrifft einen Bohrkopf mit einem Grundkörper, der einen Schaft zum Anschluss an ein Bohrgestänge aufweist, und einem Vorbohrer sowie Hauptbohrern, wobei die Hauptbohrer teilweise schwenkbar an dem Grundkörper angeordneten Schneidleisten angeordnet sind, wobei mindestens eine Schneide der schwenkbaren Hauptbohrer in ausgeschwenktem Zustand über den Innendurchmesser eines das Bohrgestänge umgebenden Führungsrohrs hinausragt und in eingeschwenktem Zustand innerhalb des Innendurchmessers des Führungsrohrs angeordnet ist.The invention relates to a drill head with a base body, which has a shank for connection to a drill pipe, and a pilot drill and main drills, wherein the main drill bits are arranged partially pivotally arranged on the main body cutting strips, wherein at least one cutting edge of the pivotable main drill in the swung state on the Inner diameter of a drill pipe surrounding the guide tube protrudes and is arranged in the pivoted state within the inner diameter of the guide tube.

Bohrköpfe der hier betrachteten Art finden in vielfältiger Weise Anwendung, insbesondere im Brunnenbau. Hierbei ist beim Bohrvorgang zum Abstützen der Bohrlochwandung das Mitführen eines Führungsrohrs erforderlich. Zum Ein- und Ausführen des Bohrkopfes durch das Führungsrohr ist es erforderlich, dass der äußerste Durchmesser des Bohrkopfes nicht größer als der Innendurchmesser des Führungsrohres ist. Bei Bohrköpfen mit starr angeordneten Hauptbohrern weist dies den Nachteil auf, dass das von dem Bohrkopf erstellte Bohrloch immer kleiner als der Außendurchmesser des Führungsrohres ist. Infolgedessen sind beim Nachführen des Führungsrohres immer wieder Probleme aufgetreten, da das Führungsrohr insbesondere bei festen Gesteinsformationen nicht ohne weiteres nachführbar war.Drilling heads of the type considered here are used in a variety of ways, especially in well construction. In this case, the carrying of a guide tube is required during the drilling process for supporting the borehole wall. For insertion and removal of the drill head by the guide tube, it is necessary that the outermost diameter of the drill head is not larger than the inner diameter of the guide tube. In the case of drill heads with rigidly arranged main drills, this has the disadvantage that the borehole created by the drill head is always smaller than the outer diameter of the guide tube. As a result, problems have repeatedly occurred during tracking of the guide tube, since the guide tube was not readily traceable, especially in solid rock formations.

Zur Beseitigung dieses Nachteils sind Bohrköpfe entwickelt worden, die klappbare Hauptbohrer aufweisen. Ein solcher Bohrkopf ist beispielsweise aus der DE 295 13 325 U1 bekannt. Bei den bekannten Bohrköpfen sind jedoch nicht alle Hauptbohrer beweglich angeordnet, vielmehr ist in der Regel lediglich der äußerste Bohrer bzw. Schneidkörper beweglich. Hierdurch ist in ausgeklapptem Zustand des äußersten Bohrers die Möglichkeit geschaffen, ein Bohrloch zu erstellen, dessen Durchmesser größer als der Außendurchmesser des Führungsrohrs ist, sodass ein Nachführen des Führungsrohrs problemlos möglich ist. Beim Herausziehen des Bohrers wird der äußerste Bohrer nach innen geschwenkt, sodass der Bohrkopf insgesamt dann einen Außendurchmesser aufweist, der kleiner als der Innendurchmesser des Führungsrohres ist, sodass das Ein- und Ausführen des Bohrkopfes durch das Führungsrohr möglich ist.To overcome this drawback, drill bits have been developed which have hinged main bits. Such a drill head is for example from the DE 295 13 325 U1 known. In the known drilling heads, however, not all of the main drills are movably arranged, but in general only the outermost drill or cutting body is movable. In this way, the possibility is created in the unfolded state of the outermost drill to create a borehole whose diameter is greater than the outer diameter of the guide tube, so that a tracking of the guide tube is easily possible. When pulling out the drill, the outermost drill is pivoted inward, so that the drill head has a total outer diameter, which is smaller than the inner diameter of the guide tube, so that the insertion and removal of the drill head through the guide tube is possible.

Die bei den bekannten Bohrköpfen mit schwenkbaren Hauptbohrern lediglich vorgesehene Schwenkbarkeit des äußersten Bohrers ist zwar zur Erzielung der Durchmesserverkleinerung zum Aus- und Einführen des Bohrkopfes durch das Führungsrohr ausreichend; es beinhaltet jedoch den Nachteil, dass die nicht-schwenkbaren Hauptbohrer im Verhältnis zu den schwenkbaren Hauptbohrern eine unterschiedliche Festigkeit aufweisen. Dies resultiert daraus, dass die nicht-schwenkbaren Hauptbohrer fest mit dem Grundkörper des Bohrkopfes verbunden sind, wohingegen die schwenkbaren Bohrer beweglich sind. Das hat insbesondere bei festen Gesteinsformationen Nachteile hinsichtlich der Qualität des Bohrvorganges. Auch führt dies aufgrund der geringen Abstützflächen des schwenkbaren Teils des Bohrkopfes häufig zu Beschädigungen des Bohrkopfes im Bereich der klappbaren Bohrer.Although in the known drill heads with pivotable main drills only provided pivoting of the outermost drill is sufficient to achieve the reduction in diameter for the removal and insertion of the drill head through the guide tube; however, it involves the disadvantage that the non-pivoting main drills have a different strength relative to the pivotable main drills. This results from the fact that the non-pivoting main drills are firmly connected to the main body of the drill head, whereas the pivotable drills are movable. This has disadvantages in terms of the quality of the drilling process, especially in the case of solid rock formations. This also often leads to damage to the drill head in the field of folding drill due to the small support surfaces of the pivotable part of the drill head.

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Bohrkopf zu schaffen, bei dem einerseits die Stabilität auch der schwenkbaren Bohrerteile hoch ist, andererseits das Bohrergebnis höchsten Anforderungen genügt. Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass sämtliche Hauptbohrer bewegbar an dem Grundkörper angeordnet sind.The invention aims to remedy this situation. The invention has for its object to provide a drill head, in which on the one hand, the stability of the pivotable drill parts is high, on the other hand satisfies the highest drilling requirements. According to the invention, this object is achieved in that all main drills are movably arranged on the base body.

Mit der Erfindung ist ein Bohrkopf geschaffen, der einerseits durch das Führungsrohr ein- bzw. ausführbar ist. Andererseits bietet der Bohrkopf durch seine bewegbare Anordnung sämtliche Hauptbohrer die Möglichkeit, große Abstützflächen bereitzustellen, wodurch die Stabilität während des Bohrvorgangs erhöht ist.With the invention, a drill head is created, on the one hand by the guide tube on or executable. On the other hand, the drill head offers by its movable arrangement all main drill the ability to provide large support surfaces, whereby the stability is increased during the drilling process.

In Weiterbildung der Erfindung sind die Spitzen der Hauptbohrer in ausgeklapptem Zustand auf der Mantelfläche eines stumpfen Kegels angeordnet. Hierdurch ist beim Bohrvorgang die Form des Bohrlochtiefsten ebenfalls einem stumpfen Kegel nachgebildet, womit bekanntermaßen die besten Bohrergebnisse erzielbar sind.In a further development of the invention, the tips of the main drill are arranged in the unfolded state on the lateral surface of a blunt cone. As a result, the shape of the wellbore deepest is also simulated a blunt cone during drilling, so that the best results are known to be achieved.

Vorteilhaft sind die Spitzen der Hauptbohrer ungleichmäßig auf den Schneidleisten angeordnet. Dies bewirkt beim Bohren also einem Drehen des Bohrkopfes, dass die Spitzen der Hauptbohrer jeweils eine andere Kreisbahn befahren. Die Spitzen der Hauptbohrer sind somit versetzt zueinander angeordnet, sodass alle Spitzen jeweils neuen Grund des Bohrlochtiefsten abtragen, wodurch die Bohrleistung erhöht ist.Advantageously, the tips of the main drill are arranged unevenly on the cutting strips. This causes when drilling so turning the drill head that the tips of the main drill each drive a different circular path. The tips of the main drills are thus offset from each other, so that all the tips each remove new bottom of the wellbore deep, whereby the drilling capacity is increased.

Besonders bevorzugt klappen die Hauptbohrer bei Kontakt mit dem Bohrlochtiefsten selbständig aus. Dies ermöglicht es, beim Einführen des Bohrers durch das Führungsrohr keine zusätzliche Mechanik vorsehen zu müssen, die die Hauptbohrer ausklappen lässt. Auch kann auf das bei den aus dem Stand der Technik bekannten Bohrköpfen häufig erforderliche Gegendrehen des Bohrkopfes vor dem Einfahren in das Führungsrohr, um ein Einklappen zu ermöglichen, verzichtet werden. Vielmehr ist durch die vorgesehene Geometrie im Moment des Kontaktes mit dem Bohrlochtiefsten der Ausklappvorgang eingeleitet, bis die Hauptbohrer ihre vorbestimmte Position eingenommen haben, ebenso ein Einklappen, sobald die Hauptbohrer lastfrei, dass heißt ohne Bohrdruck, sind.Particularly preferred fold the main drill in contact with the borehole deepest independently. This makes it possible to provide for the insertion of the drill through the guide tube no additional mechanism that can fold out the main drill. It is also possible to dispense with counter-rotation of the drill head, which is frequently required in the case of the drill heads known from the prior art, before entering the guide tube, in order to enable collapse. Rather, by the proposed geometry at the moment of contact with the borehole deepest the unfolding process is initiated until the main drill have taken their predetermined position, as well as collapsing, as soon as the main drill load-free, that is without drilling pressure, are.

Andere Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den übrigen Unteransprüchen angegeben. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend im Einzelnen beschrieben. Es zeigen:Other developments and refinements of the invention are specified in the remaining subclaims. An embodiment of the invention is illustrated in the drawing and will be described in detail below. Show it:

1 die Draufsicht eines Bohrkopfes in eingeklapptem Zustand; 1 the top view of a drill head in the folded state;

2 die Seitenansicht des in 1 dargestellten Bohrkopfes; 2 the side view of in 1 illustrated drill head;

3 die Untersicht auf den in 1 dargestellten Bohrkopf; 3 the soffit to the in 1 illustrated drill head;

4 die Draufsicht auf einen Bohrkopf in ausgeklapptem Zustand; 4 the top view of a drill head in the unfolded state;

5 die Seitenansicht des in 4 dargestellten Bohrkopfes und 5 the side view of in 4 illustrated drill head and

6 die Untersicht auf den in 4 dargestellten Bohrkopf. 6 the soffit to the in 4 illustrated drill head.

Der als Ausführungsbeispiel gewählte Bohrkopf hat einen Grundkörper 1, der einen Schaft 2 zum Anschluss an ein – nicht dargestelltes – Bohrgestänge aufweist. Der Grundkörper 1 ist zudem bereichsweise mit einer Schneckenwendel 3 versehen. An dem dem Schaft 2 abgewandten Ende ist der Bohrkopf mit einem vorauseilenden Zentralbohrer 4 versehen, der auch als Vorbohrer bezeichnet werden kann und der die Spitze des Bohrkopfes bildet. Im Ausführungsbeispiel ist der Vorbohrer 4 von zwei V-förmig zueinander angeordneten Schneidkörpern 41 gebildet. Alternativ kann auch ein einzelner, zentral angeordneter Schneidkörper vorgesehen sein.The drill head chosen as an exemplary embodiment has a base body 1 , the one shaft 2 for connection to a - not shown - drill string has. The main body 1 is also partially with a helix 3 Mistake. At the the shaft 2 opposite end is the drill head with an anticipatory central drill 4 provided, which can also be referred to as a pre-drill and which forms the tip of the drill head. In the embodiment, the pilot drill 4 of two V-shaped mutually arranged cutting bodies 41 educated. Alternatively, a single, centrally arranged cutting body can be provided.

Zwischen der Schneckenwendel 3 und dem Vorbohrer 4 sind an dem Grundkörper 1 Hauptbohrer 5 bewegbar angeordnet. Im Ausführungsbeispiel sind sämtliche Hauptbohrer 5 schwenkbar an dem Grundkörper 1 angeordnet.Between the helix 3 and the pilot drill 4 are on the body 1 main drill 5 movably arranged. In the embodiment, all main drill 5 pivotable on the body 1 arranged.

Im Ausführungsbeispiel sind zwei Hauptbohrer 5 an dem Grundkörper 1 angeordnet. Je nach Größe des Bohrkopfes können auch mehr Hauptbohrer 5 vorgesehen sein. Die Hauptbohrer 5 bestehen im Ausführungsbeispiel aus jeweils drei Schneidkörpern 51, die in Form von Bohrmeißeln ausgebildet sind. Die Schneidkörper 51 sind in Schneidleisten 52 aus verschleißfestem Werkstoff angeordnet. Die Spitzen der Schneidkörper 51 der Hauptbohrer 5 sind dabei ungleichmäßig auf den Schneidleisten 52 angeordnet. Dadurch wird beim Bohren von jedem Schneidkörper 51 eine andere Kreisbahn befahren. Lediglich die beiden äußersten Schneidkörper 51 befahren den gleichen Radius, wodurch der äußerste Durchmesser des Bohrlochs bestimmt ist. In ausgeklapptem Zustand der Hauptbohrer 5 sind die Spitzen der Schneidkörper 51 der Hauptbohrer 5 auf der Mantelfläche eines stumpfen Kegels angeordnet (5).In the embodiment, two main drill 5 on the body 1 arranged. Depending on the size of the drill head can also more main drill 5 be provided. The main drill 5 consist in the embodiment of three cutting bodies 51 formed in the form of drill bits. The cutting body 51 are in cutting strips 52 made of wear-resistant material. The tips of the cutting body 51 the main drill 5 are uneven on the cutting edges 52 arranged. This will when drilling any cutting body 51 drive another circular path. Only the two outermost cutting body 51 travel the same radius, which determines the outermost diameter of the borehole. In unfolded condition of the main drill 5 are the tips of the cutting bodies 51 the main drill 5 arranged on the lateral surface of a blunt cone ( 5 ).

Die Schneidleisten 52 mit den Schneidkörpern 51 sind an Schwenkflügeln 53 befestigt. Die beiden Schwenkflügel 53 sind gegenüberliegend an dem Grundkörper 1 befestigt. Um ein Schwenken der Hauptbohrer 5 zu ermöglichen, sind in den Flügeln 53 Bohrungen vorgesehen, die in montiertem Zustand mit einer rechtwinklig zur Längsmittellinie des Bohrkopfes ausgerichteten Bohrung im Grundkörper 1 fluchten. In Abwandlung des Ausführungsbeispiels besteht auch die Möglichkeit, die Lagerbolzenbohrung unter einem Winkel zur Längsmittellinie des Bohrkopfes vorzusehen. Durch die Bohrungen in den Schwenkflügeln 53 sowie dem Grundkörper 1 ist ein Lagerbolzen 54 geführt, der die Schwenkflügel 53 zuverlässig und schwenkbar an dem Grundkörper 1 hält.The cutting edges 52 with the cutting bodies 51 are on swinging wings 53 attached. The two swing wings 53 are opposite to the main body 1 attached. To pivot the main drill 5 to enable are in the wings 53 Holes provided in the assembled state with a perpendicular to the longitudinal center line of the drill head aligned bore in the body 1 aligned. In a modification of the embodiment, it is also possible to provide the bearing pin hole at an angle to the longitudinal center line of the drill head. Through the holes in the swing wings 53 as well as the basic body 1 is a bearing pin 54 led, who the swing-wings 53 reliable and pivotable on the body 1 holds.

Die Schneidleisten 52 sind mit den Schneidkörpern 51 um einen Winkel in Richtung des Grundkörpers – nach innen – geneigt angeordnet. Der Neigungswinkel ist dabei nicht senkrecht zur durch den Lagerbolzen 54 vorgegebenen Schwenkachse ausgerichtet, sondern gleichzeitig um einen Winkel nach außen gedreht. Dies ermöglicht einen guten Schneidwinkel im ausgeklappten Zustand sowie eine sehr kompakte Ausbildung in eingeklapptem Zustand zum Herausziehen des Bohrkopfes aus dem Führungsrohr. In eingeschwenktem Zustand hat der Bohrkopf eine sehr kompakte, angenähert kugelförmige Ausbildung. Gleichzeitig bilden die dem Schaft 2 zugewandten Seitenflächen der Schneidleisten 52 und Schwenkflügel 53 in ausgeschwenkter Position angenähert eine Verlängerung der Spiralfläche der Schneckenwendel 3.The cutting edges 52 are with the cutting bodies 51 at an angle in the direction of the body - inwardly - inclined. The inclination angle is not perpendicular to the through the bearing pin 54 aligned pivot axis, but at the same time rotated by an angle to the outside. This allows a good cutting angle in the unfolded state and a very compact training in the folded state for pulling the drill head from the guide tube. In the swung-in state, the drill head has a very compact, approximately spherical shape. At the same time they form the shaft 2 facing side surfaces of the cutting strips 52 and swing-wing 53 in the pivoted position approximates an extension of the spiral surface of the spiral screw 3 ,

Der Schwenkwinkel der Schwenkflügel 53 ist beim Einschwenken durch einen Anschlag 6 begrenzt. Der Anschlag 6 ist an dem Schwenkflügel 53 angebracht. Im Ausführungsbeispiel liegt der Anschlag 6 in eingeschwenktem Zustand (1 bis 3) an dem zwischen Grundkörper 1 und Schneckenwendel 3 ausgebildeten Absatz an. Beim Ausschwenken ist der Schwenkwinkel der Schwenkflügel 53 von einem Anschlag 7 begrenzt, der sich in ausgeschwenktem Zustand an dem Grundkörper 1 abstützt (4 bis 6). Der Anschlag 7 ist an den Schneidleisten 52 vorgesehen. Der Anschlag 7 ermöglicht eine gute axiale Abstützung, wodurch die Scher- und Biegebeanspruchung des Lagerbolzens 54 reduziert ist.The swivel angle of the swing wings 53 is when swinging through a stop 6 limited. The stop 6 is on the swing wing 53 appropriate. In the exemplary embodiment is the stop 6 in a swung state ( 1 to 3 ) on the body between 1 and helix 3 trained paragraph. When swinging the swing angle of the swing wings 53 from a stop 7 limited, in the swung-out state of the body 1 supports ( 4 to 6 ). The stop 7 is at the cutting edges 52 intended. The stop 7 allows a good axial support, whereby the shear and bending stress of the bearing pin 54 is reduced.

Beim Bohren weist der Bohrkopf einen bistabilen Betriebszustand auf. Das bedeutet, dass beide Hauptbohrer 5 während des Bohrvorgangs durch die in Form des Bohrdrucks aufgebrachte Axiallast in ihrer Position fixiert sind. Trifft jedoch einer der beiden Hauptbohrer 5 auf einen erhöhten Widerstand, vermindert sich der Bohrdruck auf der gegenüberliegenden Seite, sodass der betreffende Schwenkflügel 53 um einen gewissen Betrag einschwenken kann. Dies führt zu veränderten Schneiddurchmessern, was sich günstig auf das Bohrergebnis auswirkt, wenn die leicht eingeschwenkte Seite ebenfalls nach einer halben Umdrehung des Bohrkopfes auf das gleiche Hindernis trifft.When drilling, the drill head has a bistable operating state. That means both main drills 5 during the drilling process the axial load applied in the form of the drilling pressure is fixed in position. However, one of the two main drills hits 5 At an increased resistance, the drilling pressure on the opposite side diminishes, causing the respective swing wing 53 can swing in by a certain amount. This leads to changed cutting diameters, which has a favorable effect on the drilling result if the slightly pivoted-in side also encounters the same obstacle after half a rotation of the drill head.

In eingeschwenktem Zustand kann der Bohrkopf problemlos in beiden Richtungen im Führungsrohr gedreht werden. Entgegen den aus dem Stand der Technik bekannten Bohrköpfen neigt der erfindungsgemäße Bohrkopf nicht zum Verklemmen, wodurch gegebenenfalls auch durch eine entgegen der üblichen Bohrrichtung ausgeführte Linksdrehung des Bohrkopfes ein automatisches Ausklappen der Hauptbohrer 5 bewirkt ist.When swung in, the drill bit can be easily rotated in either direction in the guide tube. Contrary to known from the prior art drill heads of the drill head according to the invention is not prone to jamming, which optionally also by a contrary to the usual direction of drilling running counterclockwise rotation of the drill head, an automatic unfolding of the main drill 5 is effected.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 29513325 U1 [0003]

Claims

A drill bit having a body having a shank for connection to a drill string and a pilot drill and main drills, the main drill bits being partially pivotally mounted on the body cutter bars, wherein at least one cutter of the main swing drill bit is swung over the inner diameter of the drill pipe surrounding guide tube protrudes and is arranged in the pivoted state within the inner diameter of the guide tube, characterized in that all the main drill ( 5 ) movable on the base body ( 1 ) are arranged.

Boring head according to claim 1, characterized in that all the main drills ( 5 ) pivotable on the base body ( 1 ) are arranged

Boring head according to claim 1 or 2, characterized in that the tips of the main drills ( 5 ) are arranged in the unfolded state on the lateral surface of a blunt cone.

Boring head according to one or more of the preceding claims, characterized in that the tips of the main drills ( 5 ) unevenly on the cutting edges ( 52 ) are arranged.

Boring head according to one or more of the preceding claims, characterized in that the main drills ( 5 ) automatically unfold on contact with the well bottom.

Boring head according to one or more of the preceding claims, characterized in that the folding axis of the main drill ( 5 ) transverse to the longitudinal center line of the main body ( 1 ) is arranged.

Boring head according to one or more of the preceding claims, characterized in that the folding axis of the main drill ( 5 ) at an angle to the longitudinal center line of the main body ( 1 ) is arranged.

Boring head according to one or more of the preceding claims, characterized in that the shaft ( 2 ) facing side surfaces of the cutting strips ( 52 ) and the pivoting wing ( 53 ) in swung out approximate an extension of the spiral surface of the spiral screw ( 3 ) form.