DE1301783B - Hydraulischer Strahldrehbohrkopf - Google Patents

Description

die Auslässe der Düsen in einer ebenen Unterfläche 15 untere Ende des Bohrgestänges befestigt ist; des Bohrkopfes in unterschiedlichen Abständen vom F i g. 2 ist eine Unteransicht des in F i g. 1 dar

sind, wobei die

Rotationsmittelpunkt angeordnet sind, wobei
Anzahl der um den Rotationsmittelpunkt angeordneten Düsen mit größer werdendem Radius zunimmt, und daß aus der Unterfläche ein sich nur über einen Teil derselben erstreckender massiver Vorsprung mit ebener, aus verschleißfestem Material gefertigter Unterfläche nach unten ragt.

Die Erfindung betrifft eine weitere Ausbildung des

gestellten Bohrkopfes (LinieH-II der Fig. 1);

Fig. 3 zeigt einen Querschnitt nach der Linie III-III der Fig. 1;

F i g. 4 zeigt einen Teillängsschnitt nach der Linie IV-IV der Fig. 2.

Der in F i g. 1 dargestellte Bohrkopf 18 besitzt einen zylinderförmigen, langgestreckten Hohlkörper mit einem unteren zylinderförmigen Abschnitt 28,

hydraulischen Strahlbohrdrehkopfes gemäß der Pa- 25 der am unteren Ende eines mittleren Reduziertentanmeldung P 12 92 602.2-24 und ist dadurch abschnitts 30 befestigt ist, welcher seinerseits mit

dem unteren Ende des oberen zylinderförmigen Abschnitts 32 verbunden ist. Das untere Ende des

gekennzeichnet, daß die Kammer für die Zuführung der Flüssigkeit einen Querschnitt von mindestens 55% des Querschnitts der Unterfläche des Bohr-

Bohrkopfes 18 wird durch die Platte 34, deren

Wenn der Bohrkopf kreisförmigen Querschnitt hat, soll seine lichte Weite auf eine Länge oberhalb der Platte 34 von mindestens dem !Anfachen des Außendurchmessers der Unterfiäche 35 mindestens drei Viertel der lichten Weite unmittelbar oberhalb

kopfes über eine Länge von mindestens dem 30 Unterfiäche mit 35 bezeichnet ist, das obere Ende 1 Vzfachen des Außendurchmessers der Unterfläche durch den Oberteil 36 abgeschlossen. Der Oberteil aufweist, die gesamte ebene Unterfläche von einer 36 besitzt ein mittleres, nach oben offenes und mit Verschleißplatte aus abriebfestem Material bedeckt Gewinde versehenes Rohr 38 zum Anschluß an das ist und die Düsen mit ihren Eintrittsöffnungen um untere Gewindeende des Bohrgestänges 16. mindestens 1,3 cm in die Innenkammer hineinragen, 35
dagegen mit ihren Austrittsöffnungen mit der Verschleißplatte abschließen und derart angeordnet sind,
daß die aus ihnen austretenden hydraulischen
Strahlen beim Umlaufen des Bohrers aus der Bohrlochsohle ein mittleres Loch und eine Anzahl von 40 der Platte 34 betragen, so daß eine langgestreckte konzentrischen Rillen ausbohren, die durch schmale Kammer 40 von verhältnismäßig großem Durch-Gesteinsrippen voneinander getrennt sind. messer gebildet wird. Bei einem Bohrkopf von un-

Aus der deutschen Patentschrift 851331 ist eine regelmäßigem Querschnitt, wie dem in Fig. 1 dar-Bohrkrone für mechanische Drehbohrer bekannt, die gestellten Bohrkopf 18, soll die Querschnittsfläche für aus mehreren dünnen Ringlippen besteht, die mit 45 eine Länge oberhalb der Platte 34 von mindestens entsprechenden Zwischenräumen konzentrisch zu- dem IVafachen des maximalen Außendurchmessers einander angeordnet sind. Diese bekannte Bohr- der Unterfläche 35 mindestens 55% der Querkrone, bei der die auf der Unterseite mit Hartmetall schnittsfläche an der Oberseite der Platte 34 betrabelegten Ringlippen das Gestein mechanisch ab- gen. Die aus dem Bohrgestänge ausströmende Bohrtragen, dient dazu, die Arbeitsfläche des Kronen- 50 flüssigkeit ist bestrebt, unmittelbar zu den im Mittelbohrers üblicher Bauart vergrößern zu können, in- punkt des Bohrers befindlichen Düsen zu strömen, dem konzentrisch um die mittlere Ringlippe, die den Die langgestreckte Kammer 40 von großem Durch-Mittelkern ausbohrt, weitere Ringlippen angeordnet messer zerstört die Strömungsform der aus dem sind, die konzentrische ringförmige Kerne ausbohren, Bohrgestänge 16 austretenden Bohrflüssigkeit und so daß die ganze Bohrlochsohle in einen mittleren 55 führt zu einer gleichmäßigeren Verteilung der AbKreis und diesen Kreis umgebende konzentrische riebmittelteilchen zu sämtlichen Düsen hin. Durch Rillen unterteilt wird. Dabei wird das Gestein in die Kammer 40 wird auch die Geschwindigkeit der Form von konzentrischen Kernen ausgebhrt, die in- Bohrflüssigkeit vermindert, die zu den Einlaßöffnunfolge der konischen Ausbildung der Seitenwände der gen der Düsen hinströmt, und dadurch die Erosion Ringlippen auseinandergesprengt werden. Im Gegen- 60 der Düsen verringert. Bei dem in F i g. 1 dargestellsatz dazu ist der Bohrkopf gemäß der Erfindung zur ten Bohrkopf erstreckt sich ein Innensteg 42 über Durchführung des hydraulischen Strahlbohrverfah- den Reduzierabschnitt des Bohrkopfes, um den rens bestimmt, bei dem keine Kerne ausgebohrt wer- Bohrkopf zu verstärken und seine Widerstandsfähigden, sondern das Gestein an der Bohrlochsohle unter keit gegen hohe innere Drücke zu erhöhen, der Einwirkung von unter sehr hohem Druck stehen- 65 Vorzugsweise besitzt der Bohrkopf Abschnitte von den, mit Abriebmittelteilchen beladenen Flüssigkeits- geringerem Außendurchmesser, damit die Bohrstrahlen unmittelbar abgeschliffen und zu Bohrklein flüssigkeit mit dem Bohrklein an der Außenseite deszerkleinert wird. selben aufwärts strömen kann. Bei dem in F i g. 1

bis 4 dargestellten Bohrkopf besteht dieser Raum aus den diametral gegenüberliegenden Auskehlungen 44, die am besten in F i g. 3 zu erkennen sind und sich durchgehend von der Platte 34 bis in den das Bohrgestänge 16 umgebenden Ringraum erstrecken. Wie F i g. 3 zeigt, läuft der Verstärkungssteg 42 quer über das Reduzierstück 30 bis zu den Auskehlungen 44.
Die Platte 34 ist von einer Verschleißplatte 46 aus

Die Platte 34 und die Verschleißplatte 46 sind so ausgebohrt, daß sie eine Anzahl von Düsen 50 aufnehmen können. Wie F i g. 4 zeigt, sind die unteren Enden der für die Düsen 50 ausgebohrten Kanäle verjüngt, damit die Düsen beim Bohrvorgang nicht nach unten rutschen können. Das Einströmen von Flüssigkeit in die Kanäle an der Außenwand der Düsen entlang wird durch ein Dichtungsmaterial, wie Epoxyharzkitt oder Silberlot, verhindert. Die Ver

hartem, abriebbeständigem Werkstoff, wie Wolfram- io jüngung am unteren Ende der Kanäle bringt die carbid, bedeckt. Die Verschleißplatte 46 soll eine Düsen in eine solche Lage, daß die Mittellinie ihrer

Auslaßöffnungen sich in der Ebene der Unterfläche der Verschleißplatte 46 befindet. Die Vorsprünge 48 und 49 bestimmen daher den Abstand der Düsen-

Rockwell-A-Härte von mindestens 85, vorzugsweise
von mindestens 90, haben. Sie muß gegen Stoß und
Abrieb beständig sein und der korrodierenden Wirkung der Bohrflüssigkeit standhalten. Ein geeigneter 15 austrittsöffnungen von der Bohrlochsohle. Die Düsen abriebbeständiger Werkstoff ist Wolframcarbid-Hart- 50 sind mindestens etwa 6,4 cm, vorzugsweise etwa

7,6 cm lang, so daß ihre Einlaßenden um mindestens 1,3 cm in die Innenkammer 40 hineinragen. Hierdurch wird das Verstopfen der Düsen mit Abrieb

metall. Die Verschleißplatte 46 soll eine erhebliche Dicke, z. B. von mindestens 2,5 und vorzugsweise von 3,8 bis 5,1 cm, aufweisen, um die Erosion der

Seiten des Bohrkopfes durch das Zurückprallen der ao mittel vermindert, und da bei dieser Anordnung die von den äußeren Düsen ausgespritzten Abriebmittel- Einlaßöffnungen der langen Düsen näher am Mittelpunkt des Bohrkopfes liegen, so daß eine weniger starke Umlenkung der Bohrflüssigkeit erforderlich

ist, werden die Düsen an ihren Eintrittsenden nicht

teilchen von den Bohrlochwandungen zu verhindern.
Abriebmittel und Bohrklein, das nur an der Außenseite des Bohrers von der aufsteigenden Bohrflüssigkeit mitgeführt wird, verursachen keine starke Erosion; as so stark erodiert wie kürzere Düsen,
daher braucht die Verschleißplatte nicht dicker als Die Düsen 50 bestehen ebenfalls aus einem hoch-

5.1 cm zu sein, weil durch die durch eine größere abriebbeständigen Hartmetall mit einer Rockwell-A-Dicke bedingten Mehrkosten keine weiteren Vorteile Härte von mindestens 85, wie Wolframcarbid, und erzielt werden. Die Verschleißplatte 46 kann an der liegen praktisch vollständig im Körper des Bohr-Unterfläche 35 durch gegen die Bohrflüssigkeit be- 30 kopfes. Etwaige Düsenteile, die sich unter der ständiges Silberlot oder z. B. durch Bolzen befestigt Unterfläche der Verschleißplatte 46 befinden, sind sein. klein und werden durch die Vorsprünge 48 und 49

Die Vorsprünge 48 und 49, die aus der sonst vor dem Anstoßen an die Bohrlochsohle geschützt,

ebenen Unterfläche der Verschleißplatte nach unten Daher ist die Abriebbeständigkeit des Hartmetalls,

herausragen, bestehen aus einem Stück mit der Ver- 35 aus dem die Düsen bestehen, von maßgebender Be-

schleißplatte 46 und bestimmen den Abstand der deutung, während die Stoßfestigkeit hier von gerin-Austrittsöffnungen der Düsen von der Bohrlochsohle. Die Vorsprünge 48 und 49 sollen um 0,64 bis

3.2 cm, vorzugsweise um etwa 0,95 bis 2,5 cm, nach

unten über die Unterfläche der Verschleißplatte 46 40 riebmittel beladene Bohrflüssigkeit mit hoher Gehinausragen. Im unteren Bereich der angegebenen schwindigkeit gegen bestimmte Flächen der Bohr-Dicken der Vorsprünge tritt starke Erosion des lochsohle zu schleudern, um in die auszubohrende Bohrkopfes durch die von der Bohrlochsohle zurück- Gesteinsformation Rillen einzuschneiden. Düsen mit spritzende, mit dem Abriebmittel beladene Bohr- Austrittsöffnungen von etwa 0,24 bis 0,64 cm werden flüssigkeit ein. Wenn die Dicke der Vorsprünge 45 für diesen Zweck bevorzugt. Düsen mit größerer größer als etwa 3,2 cm ist, wird die Schneidgeschwin-

gerer Bedeutung ist als bei der Verschleißplatte 46 und den Vorsprüngen 48 und 49.

Es ist die Aufgabe der Düsen, die mit dem Ab-

digkeit der Flüssigkeitsstrahlen stark beeinträchtigt. Vorzugsweise befinden sich die Vorsprünge 48 und 49 unmittelbar unter den Auskehlungen 44, damit der in dem Bohrkopf zur Verfügung stehende Raum am wirksamsten ausgenutzt wird, da dieser Raum nicht für Düsen zur Verfügung steht. Keilförmige Vorsprünge, wie sie in F i g. 2 dargestellt sind, besitzen die größte Masse an abriebbeständi-

lichter Weite erfordern einen zu hohen hydraulischen Kraftaufwand, weil das Volumen der aus den Düsen ausgespritzten Flüssigkeit proportional dem Quadrat des Durchmessers der Düsenöffnungen ist. Engere Düsen müßten mit äußerst feinen Abriebmittelteilchen gespeist werden, die zum Ausschneiden von Rillen aus der Bohrlochsohle weniger wirksam sind als größere Teilchen.
Die Düsen 50 sind in dem Bohrkopf so gerichtet,

gem Werkstoff. Die inneren Enden der Vorsprünge 55 daß sie mehrere Aufgaben erfüllen können. Die Anstehen auf Abstand von dem Rotationsmittelpunkt zahl, der Ort und die Richtung der Düsen in dem

Bohrkopf hängen von der Größe des zu bohrenden Bohrlochs ab. Einige Düsen sollen so gerichtet sein,

des Bohrers, um für die aus der inneren Düse ausgespritzte Bohrflüsigkeit den erforderlichen Raum zu lassen. Die Vorsprünge 48 und 49 bestehen aus

daß sie in die Gesteinsformation ein Loch einschnei

hartem Werkstoff, wie Wolframcarbid-Hartmetall, 60 den, dessen Durchmesser vorzugsweise um etwa 0,64

der dem durch die harten Gesteinsformationen bedingten Abrieb sowie der stark erodierenden Wirkung der zurückprallenden Abriebmittelteilchen standhält. Um eine Erosion an den Schweißstellen oder LÖt-

bis 1,3 cm größer ist als der größte Durchmesser des Bohrkopfes. Zu diesem Zweck sind die schräg nach außen gerichteten Düsen 50 a in der Nähe des äußeren Randes der Verschleißplatte angeordnet. Diese

verbindungen zu verhindern, sollen die Vorsprünge 65 Düsen spritzen einen schräg nach außen gerichteten und die Verschleißplatte 46 aus einem einzigen Strahl gegen die Bohrlochsohle aus. Andere Düsen Stück aus hartem, abriebbeständigem Werkstoff ge- sind so angeordnet, daß sie in die Borlochsohle fertigt sein. Rillen einschneiden, die so eng nebeneinander liegen,

daß die Vorsprünge 48 und 49 die zwischen den Rillen stehenbleibenden Gesteinsrippen von der Bohrlochsohle abtragen können. Vorzugsweise sollen diese Gesteinsrippen nicht breiter als 1,3 cm sein.

Bei dem in F i g. 2 dargestellten Bohrer sind mehrere schräg nach außen gerichtete Düsen SOb in einem kleineren Abstand vom Rotationsmittelpunkt angeordnet als die Düsen 50 a. Noch näher am Rotationsmittelpunkt befinden sich die schräg nach außen gerichteten Düsen 50 c, die eine Rille innerhalb der von den Düsen 50 b erzeugten Rille ausschneiden. Noch näher am Rotationsmittelpunkt befindet sich die schräg nach innen gerichtete Düse 50 d, die im Mittelpunkt der Bohrlochsohle ein Loch bohrt, das sich nach außen bis über die inneren Enden 52 der Vorsprünge 48 und 49 hinaus erstreckt. Die Düsen 50 a, 50 δ und 50 c sind schräg nach außen gerichtet, und die Düse 5Od ist schräg nach innen gerichtet. Die Düse 50 d soll eine solche Lage haben, daß der Bohrflüssigkeitsstrahl aus ihr zwischen den ineren Enden der Vorsprünge 48 und 49 ausgespritzt wird, damit die Vorsprünge keine Erosion erleiden. Die in F i g. 2 und 4 dargestellte senkrechte Düse 5Oe befindet sich in radialem Abstand vom Rotationsmittelpunkt und sendet einen Bohrflüssigkeitsstrahl aus, der die Bohrlochsohle zwischen der von den Düsen 50 c erzeugten Rille und dem von der Düse 50 d ausgebohrten Loch trifft. Die Düse 5Oe vermindert die Breite der Basis der Gesteinsrippe zwischen der von der schräg nach innen gerichteten Düse 5Od ausgeschnittenen Rille und der von den schräg nach außen gerichteten Düsen 50 c ausgeschnittenen Rille. Die schräg gerichteten Düsen erzeugen breitere Rillen, verursachen weniger Erosion durch Zurückspritzen als senkrechte Düsen und sind so angeordnet, daß ihre Einlaßöffnungen sich in der Nähe des Bohrkopfmittelpunktes befinden, wodurch gleichmäßigere Strömungsgeschwindigkeiten und eine unmittelbarere Strömung der Bohrflüssigkeit zu den Düsen hin erzielt werden. Die Anzahl der in einem bestimmten radialen Abstand vom Rotationsmittelpunkt des Bohrkopfes vorgesehenen Düsen nimmt im allgemeinen, wenn auch nicht unbedingt direkt, mit dem radialen Abstand zu, weil zum Ausschneiden der äußeren Rillen entsprechend mehr Gestein abgetragen werden muß.

Beim Betrieb des Bohrers wird die Bohrflüssigkeit mit den darin suspendierten Abriebmittelteilchen unter einem Druck von etwa 280 kg/cm² oder mehr durch das Bohrgestänge 16 den Eintrittsöffnungen der Düsen 50 zugeführt. Die Bohrflüssigkeit tritt mit einer Geschwindigkeit von mindestens 152, vorzugsweise von mehr als 183 m/Sek. aus den Düsen aus und schneidet Rillen in die Bohrlochsohle ein. Während des Bohrvorganges rotiert das Bohrgestänge 16 und mit ihm der Bohrkopf 18, so daß die aus den Düsen ausgespritzte Bohrflüssigkeit ringförmige Rillen in die Bohrlochsohle einschneidet.

Durch die oben beschriebene Anordnungsweise der Düsen in Kombination mit dem langgestreckten Bau des Bohrkopfes von großem Durchmesser wird eine gleichmäßige Strömungsgeschwindigkeit der Bohrflüssigkeit durch die verschiedenen Düsen erzielt, so daß in die Bohrlochsohle Rillen von gleicher Tiefe eingeschnitten werden. Außerdem wird der für eine hohe Eindringgeschwindigkeit in die auszubohrende Gesteinsformation günstigste Abstand sämtlicher Düsen von der Bohrlochsohle innegehalten.

Es wurde festgestellt, daß eine starke Erosion des Bohrkopfes hauptsächlich durch das Zurückprallen der aus den äußeren Düsen ausgespritzten Abriebmittelteilchen verursacht wird, daß dagegen die Erosion des Bohrkopfes durch die aufwärts gerichtete Strömung des Bohrkleins und der Bohrflüssigkeit nur unbedeutend ist. Infolge der Dicke der mit den Vorsprüngen aus einem Stück gefertigten Verschleißplatte liegen alle Schweißstellen, Lötverbindungen und Stahlteile über der Stelle, an der eine starke Erosion auftritt, so daß durch die Erfindung eine ernsthafte Erosion und Schwächung des Bohrkopfes verhindert wird.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Hydraulischer Strahldrehbohrkopf für harte Gesteinsformationen, der mit seinem oberen offenen Ende an dem drehbaren Bohrgestänge befestigt ist, dem über das Gestänge eine unter Druck stehende Flüssigkeit zugeführt wird, und der an seinem unteren Ende eine Anzahl von auf die Bohrlochsohle gerichteten Düsen aufweist, wobei die Auslässe der Düsen in einer ebenen Unterfläche des Bohrkopfes in unterschiedlichen Abständen vom Rotationsmittelpunkt angeordnet sind, die Anzahl der um den Rotationsmittelpunkt angeordneten Düsen mit größer werdendem Radius zunimmt und aus der Unterfläche ein sich nur über einen Teil derselben erstreckender massiver Vorsprung mit ebener, aus verschleißfestem Material gefertigter Unterfläche nach unten ragt, nach Patentanmeldung P1292602.2-24, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (40) für die Zuführung der Flüssigkeit einen Querschnitt von mindestens 55 % des Querschnitts der Unterfläche (35) des Bohrkopfes über eine Länge von mindestens dem 1'Machen des Außendurchmessers der Unterfläche (35) aufweist, die gesamte ebene Unterfläche (35) von einer Verschleißplatte (46) aus abriebfestem Material bedeckt ist und die Düsen (50) mit ihren Eintrittsöffnungen um mindestens 1,3 cm in die Innenkammer (40) hineinragen, dagegen mit ihren Austrittsöffnungen mit der Verschleißplatte (46) abschließen und derart angeordnet sind, daß die aus ihnen austretenden hydraulischen Strahlen beim Umlaufen des Bohrers aus der Bohrlochsohle ein mittleres Loch und eine Anzahl von konzentrischen Rillen ausbohren, die durch schmale Gesteinsrippen voneinander getrennt sind.

2. Hydraulischer Strahldrehbohrkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschleißplatte (46) mindestens 3,8 cm dick ist und die Düsen (50) 6,4 bis 7,6 cm lang sind.

3. Hydraulischer Strahldrehbohrkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen (50) Austrittsöffnungen von etwa 0,24 bis 0,64 cm Durchmesser aufweisen.

4. Hydraulischer Strahldrehbohrkopf nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen (50) so angeordnet sind, daß zwischen den aus der Bohrlochsohle ausgebohrten konzentrischen Rillen Gesteinsrippen von nicht mehr als 1,3 cm Breite stehenbleiben.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen