DE19521447A1 - Rollenmeißel - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Rollenmeißel zum Einbringen eines Bohrlochs in eine Bodenformation im Drehbohrver­ fahren mit einem Tragkörper, welcher ein Verbindungs­ element zum Verbinden des Tragkörpers mit einem Bohrstrang aufweist und mit zumindest zwei gegenüber dem Verbindungs­ element angeordneten Schneidkörpern mit konvexen Schneid­ flächen, wobei der Rollenmeißel eine mit der Mittelachse des Bohrlochs fluchtende Symmetrieachse aufweist, wobei die Schneidkörper gegenüber dem Tragkörper um Schneid­ körperachsen drehbar an dem Tragkörper gelagert sind, wobei die Schneidkörperachsen im wesentlichen auf einer zur Symmetrieachse des Rollenmeißels rotations­ symmetrischen Kegelfläche mit der Bohrlochsohle abge­ wandter Kegelspitze umlaufen und wobei der erzeugende Winkel ϕ der Kegelfläche sowie die Schneidflächen mit der Maßgabe gewählt sind, daß alle Schneidkörper im Zuge des Bohrfortschritts selbsttätig in Drehung gegenüber dem Tragkörper versetzbar sind. - Als Bodenformation ist bei­ spielsweise eine Gebirgsformation bezeichnet. Beim Drehbohrverfahren ist über Tage ein Bohrturm oder ähnliches angebracht, an welchem ein aus Bohrstangen zusammengesetzter oder als Endlosbohrschlauch (Tubing) ausgebildeter Bohrstrang hängt. An seinem unteren Ende trägt der Bohrstrang den Rollenmeißel, welcher die Zerspanung des Gesteins der Bodenformation bewirkt. Diese Zerspanung wird dadurch erreicht, daß der Rollenmeißel in Drehung versetzt wird. Dies kann über Tage mit einem im Bohrturm angeordneten Drehbohrantrieb oder unter Tage mit einem unmittelbar oberhalb des Rollenmeißels angebrachten Drehbohrantrieb erfolgen. Üblicherweise wird durch den Bohrstrang eine Spülflüssigkeit in den Bereich des Rollen­ meißels geleitet, welche die Bohrlochsohle reinigt und das im Zuge des Bohrfortschritts entstehende Bohrklein außerhalb des Bohrstrangs nach über Tage spült. Wird mit einer Spülflüssigkeit gearbeitet, so kann der Bohrstrang zusätzlich mit Schwerstangen und/oder Auftriebskompen­ satoren ausgestattet sein. Die Symmetrieachse des Rollenmeißels ist im abbildungsgeometrischen Sinne zu verstehen und ist eine Drehachse. Eine Drehung des Rollen­ meißels um einen Winkel 2π/n (n = Zahl der Schneid­ körper, n < 1) resultiert in einer Konfiguration, die von der ursprünglichen Konfiguration im wesentlichen ununter­ scheidbar ist. Mit zwei Schneidkörpern ist die Symmetrie­ achse eine Zweifachdrehachse, mit drei Schneidkörpern eine Dreifachdrehachse usw. Diese abbildungsgeometrischen Ver­ hältnisse bedeuten auch, daß die Abstände der Schneid­ flächen verschiedener Schneidkörper von der Kegelspitze praktisch gleich sind, und daß die Schneidflächengeometrie der Schneidkörper im wesentlichen gleich ist. Beim Bohrbetrieb liegen die Schneidflächen aller Schneidkörper mehr oder weniger flächig im Bereich der Bohrlochsohle an der Bodenformation an und die an den Schneidflächen angreifenden Hebelkräfte bewirken, daß die Schneidkörper durch die Drehung des Rollenmeißels um die Symmetrieachse ihrerseits in Drehung um die Schneidkörperachsen versetzt werden, wenn der erzeugende Winkel der Kegelfläche geeignet gewählt ist. Mit anderen Worten ausgedrückt, bei Drehung des Rollenmeißels werden die Schneidkörper in einem Kontaktbereich mit der Bodenformation angetrieben, wodurch die Schneidflächen in einem anderen Kontaktbereich mit der Bodenformation diese zerspanen.

Ein Rollenmeißel des eingangs genannten Aufbaus ist aus dem Dokument US-5,147,000 bekannt. Aus geometrischen Gründen sind die Schneidkörper des insoweit bekannten Rollenmeißels hinsichtlich des größten Durchmessers sowie des Abstandes zur Kegelspitze so ausgebildet, daß die Schneidkörper auch im größten Durchmesser einen beacht­ lichen Abstand zueinander aufweisen. Hierdurch ist ein Mittenbereich bei der Symmetrieachse des Rollenmeißels gebildet, der von keiner der Schneidflächen erreicht wird. In diesem Mittenbereich sind an dem Tragkörper selbst Reißzähne angebracht, die den ansonsten in dem Mitten­ bereich stehenbleibenden sog. Schornstein abtragen sollen. Da in dem Mittenbereich die Radien zur Symmetrieachse des Rollenmeißels klein sind, in der Symmetrieachse sogar Null, sind die Schneidgeschwindigkeiten der im Mitten­ bereich an dem Tragkörper angebrachten Reißzähne auch klein und folglich ist auch die Schneidleistung im Mitten­ bereich entsprechend klein gegenüber jener in den Bereichen der Schneidflächen der Schneidkörper. Im Ergebnis ist die geringe Schneidleistung im Mittenbereich geschwindigkeitsbestimmend beim Bohrfortschritt. Dies stört, da die Wirtschaftlichkeit einer Bohrung von der Geschwindigkeit des Bohrfortschrittes wesentlich mitbe­ stimmt wird. Zudem ist die kraftmäßige Belastung der Reiß­ zähne im Mittenbereich insgesamt vergleichsweise sehr groß, so daß hier ein sehr beachtlich erhöhter Verschleiß auftritt. Dies wiederum wirkt auf die geschwindigkeits­ bestimmende Schneidleistung im Mittenbereich zurück. Aus der Praxis sind Rollenmeißel bekannt, die sich von den Rollenmeißeln gemäß US-5,147,000 dadurch unterscheiden, daß die Kegelspitze der Bohrlochsohle zugewandt ist. Die vorstehend aufgezeigte Problematik stellt sich dabei auf entsprechende Weise.

Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, einen Rollenmeißel zu schaffen, welcher demgegenüber eine ver­ besserte Schneidleistung, insbes. im Mittenbereich, und einen geringeren Verschleiß aufweist.

Zur Lösung dieser Aufgabe lehrt die Erfindung, daß die Schneidflächengeometrie aller Schneidflächen mit der Maß­ gabe gleich ausgebildet ist, daß die Schneidfläche ledig­ lich eines ersten Schneidkörpers die Symmetrieachse des Rollenmeißels schneidet und daß zumindest ein zweiter Schneidkörper eine Hinterschneidung aufweist, welche so angeordnet und bemessen ist, daß der erste Schneidkörper gegenüber weiteren Schneidkörpern frei drehbar ist. - Die Erfindung nutzt im Kern zwei Erkenntnisse. Zum ersten wurde erkannt, daß sich die Schneidleistung im Mitten­ bereich beachtlich erhöhen läßt, wenn die Schneidfläche eines Schneidkörpers die Symmetrieachse des Rollenmeißels schneidet, da dann die Schneidleistung nicht durch auf­ grund der kleinen Radien zur Symmetrieachse geringe Umlaufgeschwindigkeiten, sondern durch aufgrund des großen, praktisch maximalen Radius der Schneidfläche des Schneidkörpers zu der Schneidkörperachse hohen Umlaufge­ schwindigkeiten bestimmt wird. Zum zweiten wurde erkannt, daß eine solche Ausbildung überhaupt unter Beibehaltung der wesentlichen symmetrischen Verhältnisse dann möglich ist, wenn die Symmetrie zur Symmetrieachse des Rollen­ meißels lediglich insofern aufgehoben wird, als daß weitere Schneidkörper Hinterschneidungen aufweisen, die eine freie Drehung aller Schneidkörper gegeneinander erlauben. Insgesamt werden an allen Punkten der Bohrloch­ sohle relativ hohe Schneidgeschwindigkeiten erreicht. Im Bereich des Schnittpunktes der Schneidflächen mit den Schneidkörperachsen sind zwar die Umlaufgeschwindigkeiten um die Schneidkörperachsen klein, aufgrund der getroffenen Anordnung der Kegelfläche mit von der Bohrlochsohle abge­ wandter Kegelspitze ergeben sich jedoch für diese Schnitt­ punkte hohe Radien zur Symmetrieachse des Rollenmeißels und somit wiederum eine hohe Schneidleistung durch die Rotationsbewegung des Tragkörpers. Zudem ist es über­ raschend, daß sich die anordungsgeometrischen Verhältnisse auf ansonsten übliche Weise so treffen lassen, daß die Schneidkörper im Zuge des Bohrfortschritts selbsttätig in Drehung gegenüber dem Tragkörper versetzbar sind. Im übrigen ist ein erfindungsgemäßer Rollenmeißel ebenso selbstzentrierend wie die bekannten rotationssymmetrischen Rollenmeißel.

Grundsätzlich ist es bei Bohrwerkzeugen anderen Aufbaus zwar bekannt, einen Schneidkörper so anzuordnen, daß dessen Schneidfläche die Drehachse des Tragkörpers schneidet (DE 33 06 598 C2, DE 39 39 219 A1, EP 0 040 846 A2, EP 0 289 457 A1), bei den insofern bekannten Anord­ nungen wird jedoch stets mit einem einzigen Schneidkörper und grundsätzlich anderen geometrischen Konfigurationen gearbeitet. Diese Anordnungen haben sich in der Praxis nicht bewährt, zumal meist ein eigenständiger Antrieb für den Schneidkörper sowie Reaktions- bzw. Abstützelemente aufgrund der extrem exzentrischen Kraftbeaufschlagungen auf den Schneidkörper und insbes. auf den Tragkörper zwingend erforderlich sind. Die Experimente mit Einschneidkörper-Rollenmeißeln haben die Entwicklung rotationssymmetrischer Rollenmeißel daher auch nicht berührt.

Eine besonders hohe und insbes. besonders gleichmäßige Schneidleistung erhält man, wenn die Schneidflächen der Schneidkörper sphärisch, beispielsweise halbkugelförmig sind. In der Praxis hat sich bewährt, den erzeugenden Winkel ϕ im Bereich von 30° bis 60° zu wählen. In diesem Bereich ist bei üblichen Schneidflächengeometrien die selbsttätige Drehung der Schneidkörper gegenüber dem Trag­ körper im Zuge des Bohrfortschritts auch bei unter­ schiedlichen Böden bzw. Gesteinsarten stets sicher gewährleistet.

Eine weitere Verbesserung des selbsttätigen Antriebs der Schneidkörper und insbes. auch der Schneidleistung insgesamt kann dadurch erzielt werden, daß die Schneid­ körperachsen um einen Offsetversatz gegenüber der Kegel­ fläche verschoben sind. Der Offsetversatz ist definiert als eine parallele Translation der Schneidkörperachse in einer durch die ursprüngliche Schneidkörperachse definierten ebenen Tangentialfläche zur Kegelfläche. Durch Einrichtung eines Offsetversatzes, welcher in der Regel klein gegenüber dem Schneidkörperdurchmesser ist, wird gleichsam ein Nachlauf für den Schneidkörper eingerichtet. Es versteht sich, daß bei Einrichtung eines Offsetver­ satzes zweckmäßigerweise alle Schneidkörper gleich ver­ setzt sind. Eine weitere Ausbildung eines erfindungsge­ mäßen Rollenmeißels ist dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Schneidkörper, vorzugsweise mittig im Trag­ körper und/oder mittig in den Schneidkörpern, Spülflüssig­ keitsdüsen angebracht sind. Diese Anordnung der Spül­ flüssigkeitsdüsen gewährleistet eine besonders gute Bohr­ lochsohlenreinigung zur Erhöhung des Bohrfortschritts. Von besonderer Bedeutung bei einer Ausführungsform mit mittig im Tragkörper angebrachter Spülflüssigkeitsdüse ist die exakte Anordnung der Spülflüssigkeitsdüse. Die exakte Anordnung sollte leicht excentrisch in Richtung eines Schneidkörpers mit Hinterschneidung sein. Hierdurch wird eine Beschädigung des Schneidkörpers ohne Hinterschneidung vermieden. Insbesondere bei einer Ausführungsform mit drei Schneidkörpern läßt sich eine Position der Spül­ flüssigkeitsdüse finden, bei welcher die Spülflüssigkeit (leicht excentrisch bezüglich des Tragkörpers) zwischen allen drei Schneidkörpern aus strömt ohne einen der Schneidkörper direkt zu treffen.

Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß vorzugsweise oberhalb der Schneidkörper fest mit dem Tragkörper verbundene Schneid­ rippen angebracht sind. Diese Schneidrippen bewirken insbesondere, daß das Bohrlochkaliber über die ganze Bohr­ länge praktisch gleichgehalten wird. Ohne Schneidrippen besteht die Gefahr, daß das Bohrlochkaliber im Zuge des Bohrfortschritts aufgrund von Verschleiß an den Schneid­ körpern geringfügig aber dennoch störend abnimmt, so daß der Bohrstrang nicht mehr ohne Schwierigkeiten aus dem Bohrloch gezogen werden kann. Ohne Schneidrippen besteht weiterhin die Gefahr, daß ein neuer Meißel später nicht ohne nachzubohren bis zur Bohrlochsohle abgesenkt werden kann. Die Schneidrippen selbst unterliegen nur geringem Verschleiß, da mit den Schneidrippen lediglich die geringfügige, schneidrollenverschleißbedingte Reduzierung des Bohrlochdurchmessers gleichsam nachgearbeitet wird. Die Anordnung oberhalb der Schneidkörper meint dabei, daß die Schneidrippen jedenfalls oberhalb des durch die Schneidkörper gebildeten Größendurchmessers des Rollenmeißels angeordnet sind. Zweckmäßigerweise sind auf den Schneidflächen (ebenso auf den Schneidrippen) Reißzähne aus üblichen Hartmetall, gegebenenfalls mit Diamantbesatz, angeordnet.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine seitliche Ansicht eines erfindungsgemäßen Rollenmeißels mit zwei Schneidkörpern und im Schnitt,

Fig. 2 den Gegenstand der Fig. 1 in Aufsicht von unten.

Der in den Fig. 1 und 2 dargestellte Rollenmeißel 1 dient zum Einbringen eines Bohrlochs in eine Gebirgsformation im Drehbohrverfahren. Insbes. in der Fig. 1 ist zu erkennen, daß der Rollenmeißel einen Tragkörper 2 aufweist, welcher ein Verbindungselement 3 zum Verbinden des Tragkörpers 2 mit einem Bohrstrang aufweist. Dieses Verbindungselement 3 ist üblicherweise als Hohlgewinde oder als Gewindezapfen ausgeführt. Gegenüber dem Verbindungselement 3 sind Schneidkörper 4, 4′ mit konvexen Schneidflächen 5, 5′ angeordnet. Die Schneidflächen 5, 5′ sind dabei im wesentlichen halbkugelförmig gestaltet. In den Fig. 1 und 2 erkennt man, daß der Rollenmeißel 1 eine mit der Mittel­ achse des Bohrlochs fluchtende Symmetrieachse S aufweist. Dabei sind die Schneidkörper 4, 4′ gegenüber dem Trag­ körper 2 um Schneidkörperachsen K1, K2 drehbar an dem Tragkörper 2 gelagert. Die Schneidkörperachsen K1, K2 laufen im wesentlichen auf einer zur Symmetrieachse S des Rollenmeißels 1 rotationssymetrischen Kegelfläche mit der Bohrlochsohle abgewandter Kegelspitze 6 um. In der Fig. 1 erkennt man, daß diese Anordnung insgesamt es erlaubt, für die Schneidkörper sehr groß und kräftig dimensionierte Drehlager, beispielsweise Rollenlager oder Kugellager, vorzusehen. Hierdurch ist eine beachtliche Erhöhung der Lebensdauer des Rollenmeißels erreichbar. Der erzeugende Winkel ϕ der Kegelfläche sowie die Schneidflächen 5, 5′ sind mit der Maßgabe gewählt, daß alle Schneidkörper 4, 4′ im Zuge des Bohrfortschritts selbsttätig in Drehung gegenüber dem Tragkörper 2 versetzt werden.

Insbesondere in der Fig. 1 erkennt man zunächst, daß die Schneidflächengeometrie aller Schneidflächen 5, 5′ grund­ sätzlich gleich ausgebildet ist. Dies bezieht sich nicht nur auf die halbkugelförmige Ausbildung an sich, sondern auch auf die entsprechenden Halbkugelradien. Bei nicht sphärischen Schneidflächengeometrien sind die ent­ sprechenden Kennmaße auf analoge Weise gleich gewählt. Dabei ist der größte Drehradius lediglich eines ersten Schneidkörpers 4 so gewählt, daß die Schneidfläche 5 die Symmetrieachse S des Rollenmeißels 1 schneidet. Die freie Drehbarkeit des ersten Schneidkörpers 4 gegenüber dem zweiten Schneidkörper 4′ ist dadurch gewährleistet, daß der zweite Schneidkörper 4′ eine Hinterschneidung 7 aufweist, die entsprechend den geometrischen Zwängen angeordnet und bemessen ist.

Zwar ist in den Fig. 1 und 2 ein Rollenmeißel 1 mit lediglich zwei Schneidkörpern 4, 4′ dargestellt, die Erfindung umfaßt aber auch Rollenmeißel 1 mit einer größeren Anzahl an Schneidkörpern. In der Praxis wichtig sein dürften auch Anordnungen mit drei oder vier Schneid­ körpern 4, 4′. Bei einem Rollenmeißel 1 mit mehr als zwei Schneidkörpern 4, 4′ versteht sich, daß alle Schneidkörper außer dem ersten Schneidkörper 4 mit den geometrischen Zwängen entsprechenden Hinterschneidungen 7 ausgestattet sind.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der erzeugende Winkel zu ca. 45° gewählt. Im Ausführungsbeispiel nicht dargestellt ist, daß ein Offsetversatz O der Schneidkörperachsen K1, K2 gegenüber der Kegelfläche eingerichtet sein kann. Der Offsetversatz wäre eine Parallelverschiebung der Schneidkörperachsen K1, K2 um einen Betrag O in den ebenen Tangentialflächen, welche senkrecht zur Darstellungsebene der Fig. 1 stehen und durch die dargestellte Schneidkörperachse K1 bzw. K2 definiert ist. Die Richtung der parallelen Verschiebung ist dabei für jeden Schneidkörper 4, 4′ so zu wählen, daß die Rotationssymmetrie des Rollenmeißels 1 beibehalten wird. Mit dem Offsetversatz wird der Rollenmeißel 1 drehrichtungsabhängig.

In der Fig. 1 ist dargestellt, daß der Rollenmeißel 1 mittig im Tragkörper 2 und mittig in den Schneidkörpern 4, 4′ Spülflüssigkeitsdüsen 8 aufweist. Hierdurch tritt die unter Druck in den Bohrstrang eingespeiste Spülflüssigkeit aus, reinigt die Bohrlochsohle und trägt abgetragenes Bohrklein nach über Tage aus. In der Fig. 1 ist dargestellt, daß oberhalb der Schneidkörper 4, 4′ fest mit dem Tragkörper 2 verbundene Schneidrippen 9 angebracht sind. Die Schneidrippen 9 weisen bohrlochsohlenseitig Schneidkanten zum Nacharbeiten des Bohrdurchmessers bei Verschleiß der Schneidkörper 4, 4′ und/oder deren Lagerung auf. Mit den Reißzähnen 10 wird das exakte Kaliber, d. h. der Nenndurchmesser des Bohrlochs, gehalten. In der Fig. 2 ist eine diesbezüglich alternative Ausführungsform erkennbar, in welcher die Schneidkörper gegenüber der Darstellung der Fig. 1 um 90° verdreht angeordnet sind. Insofern sind in der Fig. 2 die Schneidrippen 9 bezüglich der Rotationsbewegung des Tragkörpers 2 zwischen den Schneidkörpern 4, 4′ angeordnet. Dies kann die Richtungsstabilität insbes. eines Rollenmeißels 1 mit lediglich nur zwei Schneidkörpern 4, 4′ erheblich verbessern. Schließlich erkennt man in den Fig. 1 und 2, daß auf den Schneidflächen 5, 5′ sowie auf den Schneidrippen 9 Reißzähne 10 angeordnet sind. Diese bestehen aus üblichem Hartmetall und sind erforderlichenfalls zusätzlich mit einem Diamantbesatz ausgestattet.

Claims (8)

1. Rollenmeißel (1) zum Einbringen eines Bohrlochs in eine Bodenformation im Drehbohrverfahren
mit einem Tragkörper (2), welcher ein Verbindungselement (3) zum Verbinden des Tragkörpers (2) mit einem Bohrstrang aufweist und
mit zumindest zwei gegenüber dem Verbindungselement (3) angeordneten Schneidkörpern (4, 4′) mit konvexen Schneidflächen (5, 5′),
wobei der Rollenmeißel (1) eine mit der Mittelachse des Bohrlochs fluchtende Symmetrieachse (S) aufweist, wobei die Schneidkörper (4, 4′) gegenüber dem Tragkörper (2) um Schneidkörperachsen (K1, K2) drehbar an dem Tragkörper (2) gelagert sind, wobei die Schneidkörperachsen (K1, K2) im wesentlichen auf einer zur Symmetrieachse (S) des Rollenmeißels (1) rotationssymmetrischen Kegelfläche mit der Bohrlochsohle abgewandter Kegelspitze (6) umlaufen und wobei der erzeugende Winkel ϕ der Kegelfläche sowie die Schneidflächen (5, 5′) mit der Maßgabe gewählt sind, daß alle Schneidkörper (4, 4′) im Zuge des Bohrfortschritts selbsttätig in Drehung gegenüber dem Tragkörper (2) versetzbar sind, dadurch gekennzeichnet,
daß die Schneidflächengeometrie aller Schneidflächen (5, 5′) mit der Maßgabe gleich ausgebildet ist,
daß die Schneidfläche (5) lediglich eines ersten Schneidkörpers (4) die Symmetrieachse (S) des Rollenmeißels (1) schneidet und
daß zumindest ein zweiter Schneidkörper (4′) eine Hinterschneidung (7) aufweist, welche so angeordnet und bemessen ist, daß der erste Schneidkörper (4) gegenüber weiteren Schneidkörpern (4′) frei drehbar ist.

2. Rollenmeißel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schneidflächen (5, 5′) der Schneidkörper (4, 4′) sphärisch sind.

3. Rollenmeißel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schneidflächen (5, 5′) der Schneidkörper (4, 4′) im wesentlichen halbkugelförmig sind.

4. Rollenmeißel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erzeugende Winkel ϕ im Bereich von 30° bis 60° gewählt ist.

5. Rollenmeißel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß daß die Schneidkörperachsen (K1, K2) um einen Offsetversatz (O) gegenüber der Kegelfläche verschoben sind.

6. Rollenmeißel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Schneidkörper (4, 4′), vorzugsweise mittig im Tragkörper und/oder mittig in den Schneidkörpern (4, 4′), Spülflüssigkeitsdüsen (8) ange­ bracht sind.

7. Rollenmeißel nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß vorzugsweise oberhalb der Schneidkörper (4, 4′) fest mit dem Tragkörper (2) verbundene Schneidrippen (9) angebracht sind.

8. Rollenmeißel nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Schneidflächen (5, 5′) Reißzähne (10) aus üblichem Hartmetall, gegebenenfalls mit Diamantbesatz, angeordnet sind.