DE2529380A1

DE2529380A1 - Bohrwerkzeug

Info

Publication number: DE2529380A1
Application number: DE19752529380
Authority: DE
Inventors: Yvon Castel
Original assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Current assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Priority date: 1974-07-11
Filing date: 1975-07-02
Publication date: 1976-01-22
Also published as: FR2277968A1; JPS595757B2; NO752475L; DE2529380C2; IT1039685B; FR2277968B1; SE412621B; JPS5137001A; DK300375A; GB1477069A; CA1026315A; SE7507170L

Description

Die Erfindung betrifft ein Bohrwerkzeug.

Insbesondere befaßt sich die Erfindung mit einem Bohrwerkzeug oder Bohrmeißel, befestigt am unteren Ende einer Bohrkolonne, und mit wenigstens zwei Bodenangriffsorganen, wobei es sich bei diesen Organen um konische Räder oder Kreismesserausbildungen handeln kann, welche sich um Wälzlager drehen, deren Achsen bezogen auf die Mittelachse des Werkzeuges geneigt sind.

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In der Vergangenheit wurden die Leistungen solcher Werkzeuge, die zum Bohren von Erdböden eingesetat vairden, verbessert durch die gleichzeitige Wirkung von Bohrfluidstrahlen, die gegen den Boden des Bohrloches oder die Bohrlochsohle schlagend in jedem der freien Räume zwischen den Bodenangriffsorganen auftreffen. In Höhe des Werkzeugs sollen wesentliche Funktionen dieses Bohrfluids darin bestehen, das Werkzeug zu kühlen, das Werkzeug und die Bohrlochsohle zu reinigen und schnell das Bohrklein, das vom Werkzeug erzeugt wurde, gegen die Ringräume zwisohen der Bohrkolonne und den Wandungen des gebohrten Loches abzuführen.

Nach einer bekannten Maßnahme gehen die Bohrfluidstrahlen aus von einer Stelle, die sich insbesondere oberhalb des Niveaus der Messerradausbildungen befinden. Bevor sie die Bohrlochsohle oder Angriffsfläche erreichen, sollen die Strahlen das mit Bohrklein beladene Bohrfluid durchqueren, welches die Sohle des Bohrloches anfüllt. Darum wird die Strömungsgeschwindigkeit der Strahlen in Höhe der Angriffsfläche beachtlich verlangsamt, was die Wirksamkeit der Strahlen herabsetzt. Darüberhinaus reißen die Strahlen einen Teil des mit Bohrklein beladenen Bohrfluids gegen die Angriffsfläche oder Bohrlochsohle mit, wo das Bohrklein erneut durch das Werkzeug zermahlen oder zerkleinert wird, der Wirkungegrad wird also somit beeinflußt. Im übrigen erzeugen die Bohrfluidstrahlen an der Bohrloohsohle einen Überdruck, der die Böden zusammenpreßt} man stellt fest, daß die Kontaktfläche zwischen Werkzeug und Bohrlochsohle, wo das Bohrklein erzeugt wird, nicht ausreichend durch das Waachfluid bewässert wird.

Verschiedene Verbesserungen wurden vorgeschlagen; insbesondere wurden Werkzeuge der oben angegebenen Art modifiziert, derart, daß die Waschstrahlen so nahe wie

möglichyder Angriffsfläche entstehen; manchmal wurde sogar an

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ein Axialstrahl hinzugefügt· Diese Verbesserungen konnten jedoch nicht völlig zufriedenstellen: das erneute Zermahlen des Bohrkleins konnte nicht behoben werden, genausowenig wie der Überdruck in Höhe der Angriffsfläche oder Bohrlochsohle.

Die der Erfindung zugrunde-liegende Aufgabe ist vor allen Dingen darin zu sehen, ein Bohrwerkzeug der oben angegebenen Art vorzuschlagen, das jedoch nicht die Nachteile der bekannten Werkzeuge aufweist.

Durch die in Anspruch 1 dargelegte Erfindung wird ein Werkzeug vorgeschlagen, durch das das Abführen des Bohrkleins erleichtert wird und wodurch jedes erneute Zermahlen des Bohrkleins vermieden wird und eine Verminderung des Drucks in Höhe der Angriffsfläche möglich wird.

Die Wirksamkeit der Bohrfluidwaschstrahlen wird auch erhöht, was es dem Werkzeug ermöglicht, seine sämtlichen Schneideigenschaften während einer Maximaldauer beizubehalten oder eine gesteigerte Rentabilität des Werkzeugs aufrecht zu erhalten, wodurch es möglich wird, ein besseres Eindringen in Böden zu erhalten, indem die Frequenz des Ersetzens der Werkzeuge während des Bohrens vermindert wird.

Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung sollen nun mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert werden, in denen

Figur 1 perspektivisch das Werkzeug nach der Erfindung zeigt;

Figur 2 zeigt ein solches Werkzeug von unten?

die Figuren 3 und 4 zeigen das Werkzeug jeweils im Axialschnitt längs der Linien III-III und IV-IV der Figur 2j und

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Figur 5 zeigt eine Variante zu Figur 4, welche insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, für Bohrwerkzeuge großen Durchmesserβ brauchbar ist.

Das in den Figuren dargestellte Werkzeug umfaßt einen Körper 1 mit drei Armen 2, 3 und 4, von denen jeder ein Bodenangriffsorgsn aufweist, das beispielsweise aus Rollen, Kreismessern oder konischen Rädern 5» 6 und 7 gebildet ist, welche sich um nicht dargestellte Wälzlager drehen, deren Achsen beispielsweise bezüglich der vertikalen Achse des Werkzeugs geneigt sind. Jedes dieser drehenden Organe kann von an sich bekannter Art sein und Zähne aufweisen, wie Figur 2 zeigt. Es kann aber auch irgend ein anderes Schneidorgan umfassen, das in der lage ist, die Böden in Höhe der Angriffsfläche anzugreifen oder zu zerstören.

Der obere Teil 8 des Körpers 1 ist mit Gewinde versehen, um den Anschluß dee Werkzeugs i-n der Verlängerung eines Werkzeugträgers sicherzustellen, welcher das Werkzeug in Drehung mitnimmt.

Dieser mit 9 (Figuren 3, 4 und 5) bezeichnete Werkzeugträger kann durch die Bohrkolonne im Falle des Rotarybohrens gebildet sein. Wenn das Werkzeug direkt in Drehung durch einen Bodenmotor angetrieben wird, ist der Werkzeugträger durch den Rotor dieses Motors gebildet.

Im Körper 1 des Werkzeugs ist ein Hohlraum 10 belassen, der direkt mit dem Innenraum der Bohrkolonne in Verbindung steht. Drei öffnungen 11, 12 und 13» von denen allein die beiden ersten in den Figuren sichtbar sind, stehen in Verbindung mit dem Hohlraum 10 und münden zwischen den die sich drehenden Bodenangriffsorgane tragenden Armen.

Kanäle oder Leitungen 14, 15 und 16 sind an einem ihrer Enden am Körper 1 des Werkzeugs befestigt und stehen in Verbindung mit dem Hohlraum 10 über Öffnungen 11, 12 bzw.

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Am anderen Ende der Kanäle 14-16 sind Öffnungen Ha, 15a und 16a aus weiter darzulegenden Gründen kalibriert oder eingearbeitet.

Die Kanäle 14 und 16 haben eine Länge derart, daß die kalibrierten Öffnungen 14a und 16a sich, in der Nähe der Angriffsfläche oder dieser so nahe wie möglich (Figur 3) befinden. Darüberhinaus sind diese Kanäle mit seitlichen Öffnungen 17 (Figur 2) versehen, deren Brauchbarkeit bei der Beschreibung der Arbeitsweise der Vorrichtung klar wird.

Die Öffnung 12 ist durch ein röhrenförmiges Element 15 verlängert, dessen kalibrierte Öffnung 15a in einer Richtung, die im wesentlichen parallel zur Achse des Werkzeugs, jedoch in einer Richtung entgegengesetzt zu der der Arme 2, 3 und 4, welche die Bodenangriffsorgane tragen, gerichtet ist.

Zwischen den Armen ist das Werkzeug mit einer Verkleidung versehen, die aus Platten 18, 19 und 20 besteht, die am Körper des Werkzeugs durch irgend ein geeignetes Mittel, beispielsweise Schweißen ,befestigt sind.

Diese Platten 18 und 20 unterbinden jede direkte Verbindung zwischen dem unmittelbar benachbart den Bodenangriffsorganen 5f 6 und 7 angeordneten Raum und dem benachbart dem oberen Teil des Werkzeugs befindlichen Raum, während die Verkleidungsplatte 19 ,die benachbart den Organen 5, 6 und sowie dem oberen Teil des Werkzeugs befindlichen Räume in Verbindung setzt, indem zwi.d.Armen 3 u. 4 eine Abzugsöffnung 19a bestimmten Querschnitts S begrenzt wird, die im wesentlichen von gleicher Achse wie das röhrenförmige Element 15 ist.

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Wie insbesondere Figur 1 zeigt, bildet die Plattenanordnung eine den Werkzeugkorper Terlängernde Schürze. Diese Schürze hat einen Außendurcamesser, der geringfügig kleiner als der Durchmesser des gebohrten Loches ist, um jeden Verdichtungseffekt zu vermeiden, wenn das Werkzeug im Bohrloch verschoben wird, um einen Rakeleffekt an der Bohrlochwandung zu verhindern, der beim Wiedereinführen des Werkzeugs in das Bohrloch zum Verstopfen des von der Schürze begrenzten Raums führen würde,das Spannen des Werkzeugs am Werkzeugträger 9 mit Hilfe eines Spezialwerkzeuge, das sich gegen die Arme 2, 3 und 4 abstützt, erleichtern würde.

Die Arbeitsweise des oben beschriebenen Werkzeugs soll nun mit Bezug auf die Figuren 2, 3 und 4 erläutert werden.

Das Werkzeug nach der Erfindung ist am Ende des Werkzeugträgers, der ee in Drehung versetzt, befestigt. Über die Bohrkolonne wird das Bohr- und Bewässerungsfluid der Bohrlochsohle oder Angriffsfläche unter Druck in den Raum 10 gegeben und zirkuliert entsprechend den in Figur 3 dargestellten Pfeilen. Dieses Bohrfluid durchsetzt den Raum 10 und dann die Leitungen 14 und 16 und, indem es in Fortschrittsrichtung des Werkzeugs ausfließt, bewässert es die Schneidfront oder Angriffsfläche, kühlt das Werkzeug und reißt das Bohrklein in den durch die Schürze zwischen den Armen 2, 3 und 4 begrenzten Raum mit· Ein Bruchteil des in den Leitungen 14 und 16 zirkulierenden Fluids wird über die Öffnungen 17 ausgestoßen, die zweckmäßig verschwenkbar sind, damit die so gebildeten Strahlen (Figur 2) für ein Reinigen der Schneidelemente sorgen, wenn sie nicht mehr in Kontakt mit der Angriffsfläche stehen.

Während dieser Zeit wird ein (Deil des in den Raum 10 des Werkzeugs gegebenen Bohrfluids direkt über das röhrenförmige Element 15 und über die Abzugsöffnung 19a in den

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Ringraum 21 abgezogen, der zwischen der Bohrkolonne und der Bohrlochwandung (Figur 4) gebildet ist, d.h., in einer Richtung entgegengesetzt zu der des Werkzeugbohrfortschritte. Das mit Bohrklein beladene Bohrfluid, welches den durch die Schürze begrenzten Raum füllt, wird so stark angesaugt und über den Querschnitt S, dessen Wert abnimmt, wenn man sich von der Angriffsfläche entfernt, gegen den Ringraum 21 gerichtet, wie die Pfeile in Figur 4 erkennen lassen.

Die Vorteile durch das erfindungsgemäße Werkzeug ergeben sich aus der vorhergehenden Beschreibung ohne weiteres.

Da vor allem die kalibrierten Öffnungen 14a und 16a nur wenig Abstand von der Angriffsfläche haben, behalten die Waschfluidstrahlen ihre Wirksamkeit bei, da sie nicht durch das mit Bohrklein beladene Fluid verlangsamt werden, welches die sich drehenden Organe bewässert hat und welches den durch die Schürze begrenzten Raum füllt. Darüber hinaus wird das mit Bohrklein beladene Fluid nicht durch die Strahlen gegen die Angriffsfläche getrieben und man beobachtet praktisch kein erneutes Zermahlen des Bohrkleins durch die sich drehenden Bodenangriffsorgane.

Das röhrenförmige Element 15 bildet Einrichtungen zum Ansaugen des Bohrfluides, welche stark die in Höhe der Angriffsfläche durch die Bewässerungsstrahlen erzeugten Überdrücke beseitigen oder zumindest stark vermindern.

Natürlich werden der Querschnitt S und die kalibrierte Öffnung 15a des röhrenförmigen Elementes so gewählt, daß der gegen den Ringraum 21 angesaugte Fluiddurchsatz gleich oder geringfügig niedriger als der Durchsatz der die Angriffsfläche bewässernden Fluidstrahlen ist.

Figur 5 zeigt im Vertikalschnitt eine Ausführungsvariante des Schneidwerkzeugs nach der Erfindung mit komplementären Ansaugeinrichtungen für das mit Bohrklein beladene Fluid.

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Diese komplementären Ansaugeinrichtungen bestehen aus einem oberhalb des Werkzeugs angeordneten Teil 22, in welchem eine konvergente-divergente Düsenausbildung bzw. Rohrstutzenausbildung 23 vorgesehen ist. Das Teil 22 weist auch Rillen auf, die für das statische und dynamische G-Ieichgewicht des Teils 22 sorgen und jede Verdichtungserscheinung verhindern, wenn das Werkzeug im Bohrloch sich weiter bewegt.

Das Teil 22 ist an dem Werkzeugträger 9 durch irgend eine zweckmäßige Einrichtung wie Muttern befestigt, derart, daß die Düsenausbildung 23 im wesentlichen von der gleichen Achse wie die kalibrierte öffnung 15a des röhrenförmigen Elements 15 ist. Auf diese Weise wird der Ansaugvorgang für das mit Bohrklein beladene Bohrfluid in beachtlicher Weise verstärkt.

In der Praxis zeigen sich die komplementären Ansaugeinrichtungen besonders notwendig, wenn man Werkzeuge großen Durchmessers verwendet.

Modifikationen im Rahmen der Erfindung sind möglich; insbesondere kann die Anzahl der benachbart der Angriffsfläche mündenden Kanäle oder Leitungen gleich oder größer eins sein und die Anzahl der die Ansaugeinrichtungen bildenden röhrenförmigen Elemente kann erhöht werden. Die Achse der durch die Kanäle 14, 15 und 16 gebildeten Fluidstrahlen kann gegebenenfalls parallel zur vertikalen Achse des Werkzeugs sein und die komplementären Ansaugeinrichtungen können gegebenenfalls aus einem Stück mit dem Werkzeugträger bestehen*

- Ansprüche -

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Claims

Äff.; 1511 ANSPRÜCHE

1. Bohrwerkzeug mit einem in Drehung versetzbaren Körper, der mit einem Werkzeugträger fest verbindbar ist; einer Vielzahl vom Körper des Werkzeugs getragener drehbarer Organe, die mit Schneidelementen versehen sind; und Bewässerungseinrichtungen derartiger Auslegung, daß sie in Höhe der sich drehenden Organe einen Bewässerungsfluidstrahl erzeugen, der im wesentlichen in Fortschrittsrichtung des Werkzeugs gerichtet ist, gekennzeichnet durch eine den Körper (1) des Werkzeugs verlängernde Schürze (18, 19 und 20), die mit dem Werkzeug fest verbunden ist, wobei diese Schürze einen Außendurchmesser aufweist, der geringfügig kleiner als der Durchmesser des gebohrten Loches ist, wobei die Schürze unmittelbar oberhalb der sich drehenden Organe einen von dem Fluid, das die drehenden Organe bewässert hat, gefüllten Raum begrenzt; und daß diese Schürze wenigstens eine Abzugsöffnung für das in dem Raum enthaltene Fluid entsprechend einer Richtung aufweist, die wenigstens eine Komponente parallel zur Fortschrittsrichtung des Werkzeugs aufweist; und durch Einrichtungen (15» 15a), die über die Abzugsöffnung diesen Raum füllendes Fluid ansaugt, wobei diese Ansaugeinrichtungen (15» 15a) so ausgelegt sind, daß sie das Fluid in der entgegengesetzt dem Werkzeugfortschritt liegenden Richtung zirkulieren lassen.

2. Bohrwerkzeug nach Anspruch 1, in welchem ein Hohlraum im Körper des Werkzeugs vorgesehen ist, der über den Werkzeugträger ein unter Druck stehendes Fluid aufnimmt, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansaugeinrichtungen

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ein röhrenförmiges Element umfassen, das mit einem Ende am Körper des Werkzeugs befestigt ist und mit dem Hohlraum dieses Werkzeugkörpers in Verbindung steht; und das ein freies Ende mit kalibriertem Innendurchmesser aufweist, welches in der Hähe dieser Öffnung der Schürze vorgesehen ist, um in der Achse der Öffnung einen iluidstrahl zu erzeugen, der im wesentlichen in einer Richtung entgegengesetzt zu der des Werkzeugfortschritts strömt und so einen Ansaugeffekt auf das in diesem Raum enthaltene Fluid ausübt.

3. Bohrwerkzeug nach Anspruch 2, wobei die sich drehenden Organe von den Werkzeugkörper verlängernden Armen getragen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewässe— rungsei^richtungen durch wenigstens eine Leitung oder einen Kanal gebildet sind, der mit einem Ende am Werkzeugkörper befestigt ist, mit dessen Hohlraum dieser Kanal oder diese leitung in Verbindung steht und ein freies Bnde aufweist, das im Zwischenraum von zwei aufeinanderfolgenden sich drehenden Organen unter geringem Abstand ssur Angriffsfläche der sich drehenden Organe -vorgesehen ist; und daß der Kanal mit seitlichen derart angeordneten Öffnungen versehen ist, daß ein Teil des den Kanal durchsetzenden Fluids die Schneidelemente der sich drehenden Organe bewässert, wenn diese Schneidelemente nicht in Kontakt mit der Angriffsfläche stehen; daß die Ansaugeinrichtungen im Zwischenraum von zwei aufeinanderfolgenden Armen angeordnet sind; und daß der durch diese Ansaugeinrichtungen angesaugte Fluid durch sat ζ höchstens gleich dem Durchsatz des Pluides ist, der durch die Bewässerungseinrichtungen geliefert wird.

4. Bohrwerkzeug nach Anspruch 3» gekennzeichnet durch komplementäre Ansaugeinrichtungen.

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5. Bohrwerkzeug nach. Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die komplementären Ansaugeinrichtungen durch eine konvergente-divergente Düsenausbildung (23) von der gleichen Achse wie die Öffnung der Schürze gebildet sind, welche direkt mit der Düsenausbildung (23) in Verbindung steht, wobei diese Düsenausbildung in einem fest mit dem Werkzeugträger verbundenen Teil vorgesehen ist.

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