DE2442626C2

DE2442626C2 - Lagerelement in Erdbohrköpfen

Info

Publication number: DE2442626C2
Application number: DE2442626A
Authority: DE
Inventors: Robert Keith Dallas Tex. Sorensen
Original assignee: Dresser Industries Inc
Current assignee: Dresser Industries Inc
Priority date: 1973-09-10
Filing date: 1974-09-05
Publication date: 1984-12-06
Also published as: FR2434301A1; AU7278074A; CA1042869A; FR2243368A1; SU791263A3; JPS5054747A; FR2434301B1; AR213266A1; US4105263A; IT1019224B; DE2442626A1; GB1464609A; US3984158A; PL96150B1; FR2243368B1

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung eines durch Pressen und Sintern eines Legierunfspulvers hergestellten porösen Matrixelementes.

Aus der AT-PS 1 65 530 ist ein korrosionsbeständiger dichter und mechanisch fester Metallkörper bekannt, der aus einem porösen, vorgesinterten Skelett aus rostfreiem Stahl besteht Dieses kann beispielsweise mit einer Silberlegierung getränkt sein.

Gemäß der DE-OS 22 51 909 kann ein derartig hergestellter Verbundkörper nach dem Imprägnieren oberflächen- oder einsatzgehärtet sein. Je nach Porenvolumen erfolgt das Tränken des Skeletts mehr oder weniger tief (vgl. die US-PS 26 12 443).

Die Erfindung geht von dem vorstehend genannten Stand der Technik aus und ist auf die Verwendung eines aus abriebfestem Werkstoff bestehenden getränkten und anschließend oberflächlich oder durchgehend getränkten Matrixelementes gerichtet, und zwar als Lagerelement in Erdbohrköpfen zwischen drehbarer Bohrkrone und dem am Bohrkronenarm befindlichen Drehlager.

Um hohe Durchdringiingsraten mit einem rotierenden Erdbohrkopf in vielen Formationen zu erhalten, müssen schwere Lasten auf den Bohrkopf gelegt und dieser bei mäßiger Geschwindigkeit betrieben werden. Bei anderen Formationen sind nur mäßige Belastungen notwendig, aber der Bohrkopf muß mit hohen Geschwindigkeiten betrieben werden. Der Bohrkopf arbeitet unter hochkorrosiver Umgebung und ist extremen Temperaturen ausgesetzt Das Bohren kann dreitausend Meter unter der Erde erfolgen, wo hohe Temperaturen auftreten. Der Kopf muß ständig durch eine umlaufende Bohrflüssigkeit gekühlt werden, durch die auch die Bohrabfälle herausgeführt werden. Die Flüssigkeit ist gewöhnlich Wasser mit chemischen Zusätzen, um den Wasserschwund oder die Viskosität und/oder den pH-Wert zu regeln. Viele der verwendeten Chemikalien ergeben eine korrosive Bohrflüssigkeit. Die Bohrabfälle (Materialien, die in den Erdformationen auftreten) und die chemische Zusammensetzung der Bohrflüssigkeit ergeben eine korrosive und abreibende Bohrumgebung. Der Bohrkopf ist während des Bohrens großen Bohrdrücken ausgesetzt. Wenn der Bohrkopf sich an der Erdoberfläche befindet, ist er nur dem atmosphärischen Druck ausgesetzt. Wenn er jedoch in das Bohrloch gesenkt wird, ist er wegen der oberen Flüssigkeitsschicht im Bohrloch sehr hohem Flüssigkeitsdruck unterworfen. Hinsichtlich dieser Umstände soll eine Lagerung für rotierende Bohrköpfe ausnehmend gute Eigenschaften bei geringem Raumbedarf enthalten. Da der ganze Bohrstrang zurückgezogen werden muß, um den Bohrkopf bei einem Fehler auszuwechseln, ist es sehr erwünscht, eine Lagerung zu haben, die für eine längere Zeitdauer

arbeitet.

Durch die Verwendung der eingangs genannten, in besonderer Weise hergestellten Lagerelemente können die Standzeiten der Bohrköpfe wesentlich verbessert werden.

Die Erfindung soll nachfolgend an Hand der Zeichnungen erläutert werden. Dabei zeigt

F i g. 1 eine perspektivische Darstellung eines rotierenden Dreikonen-Bohrkopfes.

F i g. 2 zeigt ein Drittel eines rotierenden Dreikonenkopfes mit einem erfindungsgemäß verwendeten Lager bspw. entsprechend den Bezugszeichen 33,34 und 35.

F i g. 3 zeigt eine poröse Matrix eines Lagerelementes.

is F i g. 4 ist ein Schnitt der Matrix nach F i g. 3 in größerem Maßstab, und

F i g. 5 eine Darstellung der Matrix nach F i g. 3 nach der Oberflächenhärtung.

F i g. 1 zeigt einen rotierenden Dreikonen-Bohrkopf 10 des Düsentyps mit einem Körper 11, der einen oberen Gewindeteil 12 aufweist Der Teil 12 ermöglicht das Verbinden des Bohrkopfes 10 am unteren Ende eines (nicht dargestellten) rotierenden Bohrstrangs. Vom Körper 11 gehen drei identische Arme nach unten, von denen die Arme 13 und 13' in F i g. 1 zu sehen sind. An drei Lagerstiften, die von den Armen abgehen, befinden sich drei rotierende Konusschneider 14,34' und 14", von denen jeder Schneidkonstruktionen 15,15' bzw. 15" an seiner Außenfläche aufweist die zum Zerkleinern der Formationen dienen, wenn der Bohrkopf 10 gedreht und durch die Formationen geführt wird. Die Schneidkonstruktion 15,15' und 15" wird in der Form von Wolframkarbideinsätzen gezeigt jedoch können auch andere Schneidkonstruktionen, wie Stahlzähne, hierfür an den Schneidern verwendet werden.

Der Bohrkopf 10 enthält einen mittleren Durchgang 16, der entlang der Mittelachse des Körpers 11 verläuft, so daß Bohrflüssigkeit aus dem oberen Abschnitt des (nicht dargestellten) Bohrstranges unmittelbar über den drei Düsen eintreten und nach unten zum Boden des Bohrlochs hindurchfließen kann. Eine Düse 17 wird in F i g. 1 gezeigt. Beim Angreifen an den Boden des Bohrlochs wird der Bohrstrang gedreht und mit ihm der Meißel 10. Die Schneider 14, 14' und 14" drehen sich an ihren Lagerstiften.

Durch den Innendurchgang des rotierenden Bohrstranges wird Bohrflüssigkeit nach unten gedrückt die weiter durch den Mitteldurchgang 16 des Bohrkopfes 10 und durch die Düsen zum Bohrlochboden fließt Von

so dort fließt sie im Ring zwischen dem Bohrstrang und der Wandung des Bohrlochs zur Erdoberfläche hinauf.

Ein Schnitt eines Armes 13 eines Bohrkopfes mit einer erfindungsgemäß verwendeten Lagerung wird in F i g. 2 gezeigt. Der Meißel dient zum Verbinden mit einem rotierenden Bohrstrang und arbeitet in der beschriebenen Weise. Der längliche Unterteil des Armes 13 ergibt ein Drehlager 18, an dem sich der Bohrlöffel des Schneiders 14 befindet. Die Schneidkonstruktionen 15 bestehen aus einer Reihe von Wolframkarbideinsätzen. Beim Drehen des Bohrkopfes berühren die Einsätze die Formationen und zerkleinern sie, um das Erdbohrloch zu erhalten.

Die erfindungsgemäß verwendete Lagerung gewährleistet ein freies Drehen des Schneiders 14 unter erschwerten Bohrverhältnissen. Eine Reihe von Kugellagern 20 gewährleistet, daß der Bohrlöffel am Lager drehbar befestigt ist. Der Schneider 14 ist am Drehlager 18 angebracht und die Reihe von Kugellagern 20 wird

durch die Bohrung 21 eingeführt, die sich im Arm 13 befindet Nach dem Einbringen der Kugellager 20 wird ein Stöpsel 22 in die Bohrung 21 eingesetzt und dort bei

23 verschweißt

Das Lager 18 und der Arm 13 sind mit einem Durchgang 24 versehen, der von einem Schmiermittelreservoir 25, das sich zwischen den verschiedenen Lagerflächen befindet, zum Schmierkanal führt Der Durchgang

24 kreuzt die Bohrung 21. Der Stöpsel 22 ist in diesem Gebiet von geringerem Durchmesser, damit das Schmiermittel zu den Lagern geleitet werden kann. Weitere Durchgänge 26,27 und 28 lassen das Schmiermittel von der Bohrung 2! zu den Lagern gelangen. Das Reservoir 25 ist mit einem Schmiermittel gefüllt, das mitgerissene Teilchen von abriebfestem Material enthält Am Arm ist eine Kappe 29 befestigt die das Schmiermittel im Reservoir 25 zurückhält Die Kappe 29 ist so konstruiert daß ein Durchgang 30 das Innere des Reservoirs 25 mit der Außenseite des Me^:<$els verbindet Dadurch ist ein Druckausgleich möglich, was verhindert daß Druckdifferentiale die Lagerung beschädigen. Eine biegsame Membrane 31 dient zum Halten des Schmiermittels.

Das Schmiermittel füllt das Reservoir 25, den Durchgang 24, die Bohrung 21, weitere Durchgänge 26,27 und 28 und die Zwischenräume zwischen dem äußeren Bohrlöffel und dem Drehlager 18. Eine biegsame Dichtung 32 steht mit dem Schneider 14 in Kontakt und ergibt eine Dichtung zwischen dem Schneider 14 und dem Lager 18, so daß das Schmiermittel nicht verlorengehen oder durch die Bohrabfälle verschmutzt werden kann. Wenn der Meißel in das Bohrloch gesenkt wird, wird er beim Tiefergehen einem steigenden Flüssigkeitsdruck ausgesetzt Wenn keine Einrichtung zum Druckausgleich beim Schmiermittel vorgesehen ist würde der Differentialdruck an der Dichtung ausreichen, um sie zu zerbrechen. In der Innenfläche des Schneiders 14 befindet sich eine Achslagerbuchse 33 und eine Gleitlagerbuchse 34. Unterhalb der Spitze des Schneiders 14 befindet sich ein Achsdruckknopf 35. Dieser und die Buchsen 33 und 34 sind im Schneider (4 durch Paßsitz befestigt. Diese Lagerelemente (Buchsen 33 und 34 und Drucklagerknopf 35) bestehen aus erfindungsgemäß verwendetem Werkstoff. Die Lagerflächen besitzen eine harte, abnutzungsresistente Matrix mit hoher Festigkeit und die Selbstschmierung des abriebfesten Materials. Die gewöhnliche Lebensdauer der Lager ist verlängert und dadurch auch die Lebensdauer des Meißels.

F i g. 3 zeigt die für die Gleitlagerbuchse 34 verwendete poröse Matrix 36, die durch Pressen einer pulverisierten Legierung in die Form des gewünschten Lagerelementes hergestellt ist. Das Pulver für die poröie Matrix 36 ist ein Pulver eines niedrig legierten Nickel-Stahles des Typs AISI 4600. Es können natürlich auch andere pulverisierte Legierungen, wie z. B. Teilchen aus rostfreiem Stahl, für die Herstellung der Matrix verwendet werden.

Vor dem Pressen wird Graphit oder Kohle mit der pulverisierten Legierung gemischt, um den endgültigen bo Kohlenstoffgehalt zu erlangen. Beispielsweise wird dem Pulver ausreichend Graphit zugesetzt, um eine poröse Matrix 36 mit 0,4% Kohlenstoff zu erhalten, nachdem die Matrix gesintert worden ist. Das Schmiermittel kann beispielsweise Zinkstearat sein. Das Schmiermittel verbrennt während der Sinterung. Das Pulver aus der Legierung wird mit einer Kraft vor, 5500 bis 6000 bar gepreßt. Dadurch wird die Matrix 36 mit einer scheinbaren Dichte von 6,8 (85 bis 87% theoretische Dichte) nach dem Sintern erhalten. Andere Dichten sind nach der Erfindung möglich und die Dichte kann im allgemeinen im Bereich von 50 bis 95% der theoretischen Dichte liegen.

Die Matrix 36 wird bei 1108⁰C vierzig Minuten lang gesintert Der Graphit der mit der pulverisienen Legierung gemischt ist diffundiert während der Sinterung in den Stahl, verbindet sich mit ihm und erzeugt so ein homogenes Gefüge mit dem gewünschten Kohlenstoffgehalt Das Diffundieren des Kohlenstoffs durch das Gefüge wie auch die Diffusionsbindung der Teilchen zusammen erfordern Temperaturen über 1000⁰C. Das Diffusionsverfahren kann mehrere Stunden bei 1000° C dauern, während man weniger als eine Stunde bei einer Temperatur von 1110⁰C braucht

Ein Schnitt durch die Matrix 36 wird in größerem Maßstab in F i g. 4 gezeigt Die Matrix 36 enthält mehrere Poren 37. Etwa 95% der Poren 37 in der Matrix 36 sind untereinander verbunden und können durch Tränken mit einem abriebfesten Material gefüllt werden. Die Matrix 36 wird mit einer Legierung aus 85% Silber und 15% Mangan bei einer Temperatur von 1108⁰C getränkt Die Silber-Mangan-Legierung wird durch Kapillarwirkung in die Poren 37 gesaugt. Es können natürlich auch andere abriebfeste Werkstoffe als Tränkmaierial verwendet werden. Im allgemeinen kann das Tränkmateria! ein weiches Metall oder eine weiche Legierung mit Abriebfestigkeit in der Art von Silberlegierungen oder Lagermetall sein.

Nach dem Tränken mit der Silberlegierung wird die Matrix 36 gehärtet Die Matrix 36 nach dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird durch Einsatz-Aufkohlung bei 912°C zwölf Stunden lang gehärtet, bei 751°C eine halbe Stunde lang erhitzt und in einem Ölbad abgeschreckt. Die Matrix 36 wird dann getempert und in die spezielle Form des gewünschten Lagerelements gebracht.

Fig.5 zeigt einen Schnitt in größerem Maßstab durch die poröse Matrix 36 nach dem Härten. Eine beachtliche Zahl von Poren 37 ist mit der Silber-Mangan-Legierung gefüllt Das Aushärten macht die Oberfläche 37 der Matrix 36 hart und abriebfest. Die Poren 37 ergeben an der Fläche 38 mit der weicheren Tränklegierung Stellen, die aus einem abriebfesten Material bestehen. Das Material der Matrix 36 ist scheinbar härter als Rockweil C 20, während die Fläche 38 eine scheinbare Härte besitzt, die größer als Rockwell C 40 ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Verwendung eines durch Pressen und Sintern eines Legierungspulvers hergestellten porösen Matrixelementes, welches mit einem abriebfesten Werkstoff getränkt und anschließend oberflächlich oder durchgehend gehärtet wurde, als Lagerelement in Erdbohrköpfen zwischen drehbarer Bohrkrone und dem am Bohrkronenarm befindlichen Drehlager.