DE2112420A1

DE2112420A1 - Bohrkopf fuer Erdbohrungen mit grossem Durchmesser

Info

Publication number: DE2112420A1
Application number: DE19712112420
Authority: DE
Inventors: Talbert Milton L
Original assignee: Dresser Industries Inc
Current assignee: Dresser Industries Inc
Priority date: 1970-03-09
Filing date: 1971-03-09
Publication date: 1971-09-30
Also published as: GB1348670A; ZA71818B; CA931137A; US3633691A; FR2081802A1; FR2081802B1; JPS526921B1; DE2112420B2

Description

9, März 1971 La

Docket SC-69-5

Dresser Industries, Inc., Republic National Bank Building, Dallas/Texas 75 221, USA

"Bohrkopf für !rdbohrungen mit großem Durchmesser"

Die Erfindung betrifft einen Bohrkopf für Erdbohrungen mit großem Durchmesser mit einem Bohrkopfhauptteil, das eine Mehrzahl von Schneid- oder Bohrstufen hat, in welchen Schneidvorrichtungen angeordnet sind, die alle Abschnitte der Erdschicht im Bereich der Bohrung mit großem Durchmesser zerkleinern.

Ferner ist die Erfindung auf einen Bohrkopf gerichtet, der zur Erweiterung einer Leitbohrung auf ein Bohrloch mit großem Durchmesser dient und der mit einer Mittelwelle sowie mit einem Bohrkopfhauptteil an der Mittelwelle und mit einer Mehrzahl von Bohrstufen versehen ist, die fortschreitend in ihrer Größe anwachsen und von denen jede Schneidvorrichtungen zur Vergrößerung der Leitbohrung aufweist.

Der Bohrkopf nach der Erfindung wird im allgemeinen bei Bohrvorgängen angewandt, wobei zuerst ein relativ kleines Leitloch oder eine kleine Leitbohrung ausgebildet wird, die dann durch einen Räumvorgang, zu dem der erfindungsgemäße Bohrkopf dient, erweitert werden.

Bei Bohrköpfen dieser Art hat es sich als vorteilhaft herausge-

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stellt, eine Anzahl von kleinen rollenden oder sich drehenden Schneideinrichtungen zu verwenden, die drehbar an einemBohrkopfhauptteil befestigt sind. Die Schneidwerkzeuge oder -einrichtungen sind so mit Abstand zueinander angeordnet, daß bei Drehung des Bohrkopfes jeder Abschnitt oder Teil des zu bohrenden Loches von einem oder mehreren der Schneidwerkzeuge bearbeitet wird, um die Brdschicht zu zerkleinern oder zu brechen. Damit ist man sicher, daß fast die gesamte Abnutzung beim Bohren an den Schneidwerkzeugen zum Tragen kommt und nicht am Bohrkopfhauptteil. Die Schneidwerkzeuge sollen leicht austauschbar sein, um die Lebensdauer des Bohrkopfes durch Ersatz der Schneidwerkzeuge zu verlängern.

Diese Bohrkopfart wird manchmal als "Aufwärtsbohrer" bezeichnet, weil er sehr stark beim Bohren von Schächten oder sonstigen Durchgängen zwischen Stollen eines Untertage-Bergwerks zum Einsatz gelangt. Der Ausdruck "Aufwärts" mag für diese Art der Arbeit angewendet worden sein, weil eine Leitbohrung von einem Stollen eines Bergwerkes zu einem anderen niedergebracht und die Leitbohrung dann in einem Aufwärtsgang durch ein Räumen erweitert wurde. Der Bohrkopf nach der Erfindung kann zum Bohren derartiger Durchgänge in einem Aufwärtsgang, aber auch bei anderen Arbeiten, die zur Bildung eines Loches mit großem Durchmesser dienen, verwendet werden. Hierbei ist das Bohren unter irgendeinem Winkel zur Waagerechten, sei es aufwärts oder abwärts, sei es mit Leitbohrung oder ohne, eingeschlossen. , .

Für das Bohren von Löchern oder Durchgängen großen Durchmessers gelten strenge Anforderungen. Der Bohrkopf muß eine Vorrichtung von hoher Ausgewogenheit sein, die stark sowie stoßfest ist und über einen langen Zeitraum arbeiten kann. Es ist wünschenswert, daß eine Mehrzahl seiner Teile sich zur gleichen Zeit abnutzt ohne den frühzeitigen Ausfall eines der Elemente. Der Bohrkopf ist wiederholt hoher Belastung ausgesetzt und seine besondere

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geometrische Form bedingt in.bezug auf die Bauteile, die den Belastungen ausgesetzt sind, Beschränkungen.

Aus der US-PS 3 220 494 ist ein System bekannt, bei dem ein Aufwärts-Bohrkopf gedreht und hydraulisch entlang einem Leitloch angehoben wird, um einen Durchgang zwischen einem tiefer und einem höher liegenden Stollen eines Bergwerks zu schaffen. Der Bohrkopf erweitert die Leitbohrung durch einen Räumvorgang mit einer Mehrzahl von in Stufen angeordneten Schneidwerkzeugen.

Bei Bohrköpfen bekannter Bauart für große Durchmesser wurden Schneidwerkzeuge von unterschiedlicher Größe verwendet. Die inneren Schneidwerkzeuge waren im allgemeinen kleiner als die anderen, weil sie der Mittelwelle so nahe wie möglich angeordnet werden müßten; je kleiner die Schneidwerkzeuge waren, desto näher konnten sie zur Mittelwelle liegen. Die Verwendung von Schneidwerkzeugen unterschiedlicher Größe wirft jedoch Probleme auf, da sie dazu neigen, zu verschiedenen Zeiten zu verschleißen, und da es schwierig ist, ein kleines Schneidwerkzeug zu schaffen, das den hohen Beanspruchungen, die in Betracht zu ziehen sind, standhält.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Bohrkopf für das Bohren von Durchgängen großen Durchmessers zu schaffen, der gegenüber bekannten Bohrköpfen stabiler, kompakter und leistungsfähiger ist, der austauschbare Schneidwerkzeuge hat, der mit großer Wirtschaftlichkeit arbeiten kann und bei dem irgendwelche Probleme, die mit ungeschnittenen Erdschichtteilen nahe der Mittelwelle zusammenhängen, in Fortfall kommen.

Erfindungsgenäß wird ein Bohrkopf mit einer Mehrzahl von Stufen, die eine Anzahl von eine Mittelwelle umgebenden Schneidwerkzeugen haben, vorgeschlagen, wobei die Stufen in ihrem Durchmesser bzw, in ihrer Größe fortschreitend sich erweitern, so daß eine Leitbohrung auf den gewünschten Durchmesser vergrößert werden kann.

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Die stufenförmige Ausbildung hat eine stabilisierende Wirkung, die das Wandern des Bohrkopfes im Verlauf des Bohrvorganges vermindert oder verhindert und die zu einem gleichmäßigen Bohren beiträgt. Hierbei sind die einzelnen Schneidwerkzeuge leicht zu entfernen und durch andere zu ersetzen, ohne den gesamten Aufbau erneuern oder ersetzen zu müssen. Es können große Schneidwerkzeuge in der innersten Stufe verwendet werden, was zu einer völligen Austauschbarkeit der Bohrkopfschneidwerkzeuge führt und einen Bohrkopf ergibt, der sehr stark ist. Die Verwendung von großen Schneidwerkzeugen^ in allen Stufen des Bohrkopfes gewährleistet einen einfachen und wirtschaftlichen Bohrvorgang.

Die innersten Schneidwerkzeuge werden einwärts geneigt angeordnet. Hierdurch wird Raum für das das Werkzeug tragende Sattelstück dipcht an der Mittelwelle geschaffen und somit ein starker Bohrkopf erhalten. Auf diese Weise besteht kaum - eigentlich gar nichtdie Notwendigkeit, die Mittelwelle auszufräsen oder auszunehmen. Zusätzlich wird durch diese Lage der inneren Schneidwerkzeuge gewährleistet, daß allenfalls nur ein geringer Rest an ungeschnittener Erdschicht nahe dem Leitloch bzw, der Mittelwelle bleibt.

Die Schneidwerkzeuge können dicht beieinander angeordnet werden, was zu einem sehr kompakten Bohrkopf beiträgt. Hierdurch erhöht sich die Einfachheit und Wirtschaftlichkeit, und der Bohrkopf wird sehr robust. _: .

Weitere erfindungswesentliche Merkmale und Vorteile werden aus der folgenden Beschreibung des Erfindungsgegenstandes im Vergleich mit Bekanntem klar.

Fig. 1 zeigt einen Bohrkopf bekannter Bauart.

Fig. 2 ist eine Ansicht einer der kleinen, inneren Schneidrollen des Bohrkopfes von Fig. T, deren Lagerung im ■ Schnitt dargestellt ist.

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Fig. 3 zeigt in einer perspektivischen Ansicht einen Bohrkopf gemäß der Erfindung.

Fig. 4 ist eine Draufsicht auf den Bohrkopf von Fig. 3.

Fig. 5 ist eine vergrößerte Ansicht einer der inneren Schneidrollen des Bohrkopfes gemäß der Erfindung.

In Fig. 1 ist ein Bohrkopf 10 von bekannter Bauart gezeigt. Die kleinen, inneren Schneidrollen 11, 12 sind nahe der Mittelwelle 13 angeordnet und arbeiten als erste Schneidstufe, Es sind wenigstens zwei Schneidrollen vorhanden, um einen ausgewogenen Bohrkopf zu bilden und einen gleichmäßigen Bohrvorgang sicherzustellen. Die Schneidrollen 11, 12 werden durch Sattelstücke 14 und 15» die an der Mittelwelle 13 befestigt sind, gehalten. Die Sattelstücke 14, 15 ermöglichen eine leichte Herausnahme der Schneidrollen und den Einsatz neuer Rollen. Ein Beispiel für eine Ausbildung einer herausnehmbaren Schneidrolle und eines derartigen Sattelstücks zeigt die US-PS 3 203 492. Unterhalb der ersten Schneidstufe ist eine zweite Schneidstufe mit zwei großen Schneidrollen 16 und 17, die in Sattelstücken 18, 19 gehalten sind, angeordnet.

Die Mittelwelle 13 erstreckt sich durch ein Leitloch mit einem etwas größeren Durchmesser als die Welle 13. Der Bohrkopf 10 wird von einer bekannten Anordnung in Drehung versetzt, wobei die Schneidrollen 11 * 12, 16 und 17 zur Anlage mit der Erdschicht kommen und diese bei Bewegung des Bohrkopfes entlang dem Leitloch aufbrechen und zerkleinern. Die Schneidflächen der Schneidrollen 11, 12, 16 und 17 müssen über den gesamten Querschnitt des zu bohrenden Loches gehen, und die Sattelstücke sowie andere Teile des Bohrkopfes dürfen nicht mit den zu bohrenden Erdschichten in Berührung kommen. Um das zu erreichen, müssen die inneren Schneidkanten 20, 21 der Schneidrollen 11, 12 so nahe wie möglich an der Mittelwelle 13 liegen und die Schneidröllen 16, 17 der

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zweiten Schneidstufe müssen mit ihren inneren Schneidkanten unterhalt) der äußeren Schneidkanten der Rollen 11, 12 angeordnet sein. Hieraus ergibt sich folglich eine Beschränkung in der Größe der inneren Schneidrollen 11, 12 und die Mittelwelle muß eine Vertiefung oder Aussparung haben, um eine Anpassung der Rollen an die Sattelstücke 14, 15 bzw. eine Aufnahme der Rollen zwischen diesen und der Mittelwelle zu ermöglichen.

In Fig. 2 ist die innere Schneidrolle 11 der ersten Schneidstufe fc in größerem Maßstab dargestellt. Um sicherzustellen, daß das Sattelstück 14 nicht mit der zu bohrenden Erdschicht in -Berührung kommt, liegt die Achse 22 der Schneidrolle 11 unter einem Winkel C zur Achse 23 der Mittelwelle 13. Der Winkel © muß größer als 90° sein und liegt im allgemeinen im Bereich von 120 - 130°. Die Mittelwelle 13 muß eine Vertiefung 24 haben, um eine Anpassung an das Sattelstück 14 und die Schneidrolle 11 zu erreichen bzw_o um die Schneidrolle 11 zwischen dem Sattelstück 14 und der Welle 13 selbst unter Erfüllung der oben genannten Bedingungen aufnehmen zu können. Die Vertiefung 24 schwächt natürlich die Mittelwelle 13 und ist insofern ungünstig und unerwünscht.

In Fig. 3 ist ein Bohrkopf 25 gemäß der Erfindung dargestellt. Zwei innere Schneidrollen 26, 27 sind nahe der Mittelwelle 28 angeordnet. Dieses Schneidrollenpaar ist in einer anhand der Fig. 5 zu erläuternden Weise einwärts gerichtet. In der ersten Schneidstuf^ ist ein zweites Paar von Schneidrollen 29, 30 enthalten. Diese Schneidrollen 29, 30 sind in der üblichen Weise nach auswärts geneigt oder gerichtet, jedoch sind sie von der Mittelwelle 28 um eine ausreichende Entfernung abgesetzt, so daß die Schneidrollen 29, 30 in ihren Sattelstücken aufgenommen werden können, ohne hierzu eine Vertiefung in der Mittelwelle 28 zu benötigen. Die Schneidrollen 31, 32, 33 und 34 bilden die zweite Schneidstufe in einer ähnlichen Weise, wie zu Fig. 1 beschrieben wurde*

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Aus der Draufsicht auf den Bohrkopf in Fig. 4 ist zu erkennen, daß die inneren Schneidrollen 26, 27 auf gegenüberliegenden Seiten der Mittelwelle 28 liegen und nach einwärts angeordnet sind. Das andere Paar der inneren Schneidrollen 29 und 30 der ersten Stufe ist von der Mittelwelle 28 nach außen gesetzt, und die Rollen 29, 30 sind nach auswärts geneigt angeordnet. Die zweite Stufe besteht aus den Schneidrollen 31, 32, 33, 34 und ist unterhalb der anderen Schneidrollen mit Abstand zu diesen angeordnet, um einen ausgewogenden Bohrkopf zu erhalten. Es ist ersichtlich, daß beim Drehen des Bohrkopfes die Schneidrollen alle Abschnitte der zu bohrenden Erdschicht erfassen, wodurch ein gleichförmiger Bohrvorgang sichergestellt ist.

In Fig. 5 ist eine innere Schneidrolle 26 in vergrößertem Maßstab dargestellt, Die Achse 35 der Schneidrolle 26 liegt unter einem Winkel φ zur Achse 36 der Mittelwelle 28. Der Winkel φ ist kleiner als 90° und hat im speziellen, gezeigten Fall 57°. Es ist klar, daß der Winkel φ nicht 57° zu sein braucht. Im allgemeinen liegt er im Bereich von 45° bis 90°. Die Schneidrolle 26 hat die gleiche Größe wie die anderen Schneidrollen am Bohrkopf 25. Hierdurch erhält man alle Vorteile der Verwendung von großen Schneidrollen einschließlich der völligen Austauschbarkeit, der größeren Festigkeit und Stärke, der Wirtschaftlichkeit und des vergrößerten Schneidbereichs. Die Innenkante 37 der Schneidrolle 26 ist dicht an der Mittelwelle 28 gelegen, so daß sichergestellt ist, daß nur eine sehr kleine ungeschnittene Bodenschicht, wenn überhaupt, nahe der Mittelwelle bleibt. In den Fällen, da eine kleine ungeschnittene Bodenschicht zwischen der Innenkante 37 und der Welle 38 verbleibt, wird diese sehr viel leichter wegbrechen, als das bei der Verwendung eines Bohrkopfes bekannter Bauart der Fall ist, bei dem, wie Fig. 1 auch erkennen läßt, die ungeschnittene Schicht größer ist im Vergleich zu einem erfindungsgemäßen Bohrkopf. Zusätzlich hat beim Bekannten die .ungeschnittene Schicht eine größere Stütze von der darüber liegenden

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Erdschicht her, weil die Schneidrolle unter einem stumpfen Winkel zur Mittelwellenachse liegt. Das Sattelstück 38, das die Schneidrolle 26 trägt, ist dicht an der Mittelwelle 28 angeordnet, wobei zu seiner Aufnahme keine Vertiefung in dieser notwendig ist. Das hat zum Ergebnis, daß die Welle selbst stärker und im allgemeinen auch der Bohrkopf stärker, leistungsfähiger und kompakter· ist als bei.der bekannten Bauart.

Mit Bezug auf Fig. 3 wird die Arbeitsweise des Bohrkopfes 25 erläutert. Der Bohrkopf 25 wird gedreht und entlang einer Leitbohrung in an sich bekannter Weise bewegt. Das erste, innere Schneidrollenpaar 26, 27 kommt mit den der Mittelwelle 28 zunächst gelegenen Erdschichten in Berührung und zerkleinert diese bei der Bewegung des Bohrkopfes entlang der Leitbohrung. Es ist klar, daß irgendeine Anzahl von Schneidrollen zur Ausführung dieses Vorganges verwendet werden kann. Der Bohrkopf soll ausgewogen sein, um einen gleichmäßigen Bohrvorgang sicherzustellen, und hierfür soll eine Mehrzahl von Schneidrollen zum Einsatz kommen, die mit regelmäßigen Abständen um die Mittelwelle herum angeordnet sind. Das zweite, innere Schneidrollenpaar 29, 30 kommt mit den Erdschichten an einer Stelle, die einen Abstand von der Mittelwelle hat, in Berührung. Die Schneidrollen 29, 30 können in der üblichen Weise, wie das im Zusammenhang mit Fig. 1 erwähnt wurde, nach aussen geneigt sein. Die Rollen 29» 30 zerkleinern bei der Bewegung des Bohrkopfes entlang der Leitbohrung die Erdschichten und schützen die die Schneidrollen 26, 27 tragenden Sattelstücke. Um einen ausgewogenen Bohrkopf zu erhalten, ist klar, daß eine Mehrzahl von Schneidrollen mit Tegelmäßigen Abständen zueinander, wie vorher erwähnt wurde, zur Anwendung kommen kann. Die zweite Stufe der Schneidrollen mit den Rpllen31, 32, 33 und 34 folgt der ersten Stufe und erweitert das Loch auf den gewünschten Durchmesser. SelbstverständliQh,können mehr _ai_{s zve}i Stufen vorgesehen sein, _ wenn ein nocii.größeres Loch.erwünscht ist. Die zweistufige Ausführung ist nur beispielhaft gezeigt.,

- Patentansprüche 10 9B 40/1:247: ^ , . " ⁹ "

Claims

Patentansprüche :

1. Bohrkopf für Erdbohrungen mit großem Durchmesser mit einem Bohrkopfhauptteil, das eine Mehrzahl von Bohrstufen hat, in welchen Schneidvorrichtungen angeordnet sind, die alle Abschnitte der Erdschicht im Bereich der Bohrung mit großem Durchmesser zerkleinern, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Schneidvorrichtungen (26 bzw. 27) unter einem spitzen Winkel zum Bohrkopfinneren hin geneigt ist.

2. Bohrkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrstufen in ihrer Größe fortschreitend anwachsen.

3. Bohrkopf zur Erweiterung einer Leitbohrung auf ein Bohrloch mit großem Durchmesser mit einer Mittelwelle, mit einem Bohrkopfhauptteil an der Mittelwelle und mit einer Mehrzahl von Bohrstufen, die fortschreitend in ihrer Größe anwachsen und von denen jede Schneidvorrichtungen zur Vergrößerung der Leitbohrung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schneidstufe wenigstens eine Schneidrolle (26) nahe der Mittelwelle (28) hat, die mit ihrer Achse (35) unter einem spitzen Winkel zur Mittelwellenachse (36) hin geneigt ist.

4. Bohrkopf nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Schneidrolle (29 bzw. 30) unter einem stumpfen Winkel zur Mittelwellenachse (36) nach außen geneigt ist.

5. Bohrkopf zur Erweiterung einer Leitbohrung auf ein Bohrloch großen Durchmessers mit einer Mittelwelle, mit einem Bohrkopfhauptteil an der Mittelwelle und mit einer Mehrzahl von Bohrstufen, die fortschreitend in ihrer Größe anwachsen, wobei die erste ßohrstufe ein Paar auswechselbar in zugehörigen Sattelstücken angeordnete Schneidrollen hat, dadurch gekennzeichnet,

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daß die Achsen (35) der Schneidrollen (26, 27) unter einem spitzen Winkel zur Achse (36) der Mittelwelle (28) geneigt sind.

6. Bohrkopf nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Bohrstufe ein zweites Paar von Schneidrollen (29, 30) aufweist, die auswechselbar in zugehörigen Sattelstücken ge-

m lagert und deren Achsen unter einem stumpfen Winkel zur Achse

(36) der Mittelwelle (28) nach außen geneigt sind.

7. Bohrkopf nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Bohrstufe eine Mehrzahl von Schneidrollen (31, 32, 33, 34) aufweist, die in zugehörigen Sattelstücken auswechselbar befestigt und deren Achsen unter einem stumpfen Winkel zur Achse (36) der Mittelwelle (28) nach außen geneigt sind.

8. Bohrkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Schneidrollen (26, 27, 29, 30, 31, 32, 33» 34) von gleicher Größe sind.

W 9. Bohrkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der spitze Winkel im Bereich von 45° bis 90® liegt.

10. Bohrkopf nach Anspruch 9, dadurch gekennzeij|inet, jfaß der spitze Winkel annähernd 57° hat.

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