DE2835660C2 - Drehbohrkrone zum Herstellen einer Tiefbohrung - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Drehbohrkrone zum Herstellen einer Tiefbohrung gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Bei einer Drehbohrkrone der genannten Art (US-PS 23 71 490) üben die Schabelemente auf den Coden des Bohrlochs, in dem die Bohrkrone arbeitet, eie Schabwirkung aus, um das Bohrloch zu verlängern. Den Wasserführungskanälen wird dabei jeweils über den Flüssigkeitszuführungskanal eine Flüssigkeit, z.B. Bohrschlamm, zugeführt Befindet sich die Drehbohrkrone in ihrer Arbeitsstellung, in der sie um ihre senkrechte Mittelachse gedreht wird, dann strömt der Bohrschlamm durch Kanäle, welche durch den Boden und Teile der Wasserführungskanäle an der Stirnfläche der Drehbohrkrone einerseits und durch diejenigen Teile des Bodens und der Wand des Bohrlochs andererseits gebildet werden, welche den Wasserführungskanälen gegenüberliegen. Beim Hindurchströmen durch die Kanäle bewirkt der Bohrschlamm, daß die Schablemente, die jeweils in eine der Seitenwände jedes Wasserführungskanals eingebaut sind, gekühlt werden, und außerdem befreit der Bohrschlamm kontinuierlich die Schabelemente von dem durch sie von der Formation abgetragenen Material.

Damit der Bohrkronenkörper nicht mit dem Bodn des Bohrlochs in Berührung kommt, wenn eine Formation durchfahren wird, die unter den Bohrbedingungen ein plastisches Verhalten zeigt, sind die Schabtlemente so angeordnet, daß ihre Schabkanten oder Schneiden durch einen gewissen Abstand von der Stirnfläche des Bohrkronenkörpers getrennt sind, wobei zwischen benachbarten Reihen von Schabelementen, von Schabelementen freigehaltene Vorsprungs-Flächen angeordnet sind. Zwischen den Vorsprungs-Flächen und dem Boden des zu bohrenden Lochs ist somit ein freier Raum vorhanden, durch den verhindert wird, daß der Bohrkronenkörper mit dem Boden des Bohrlochs in Berührung kommt, wenn Formationsschichten durchfahren werden, die ein plastisches Verhalten zeigen.

Es ist weiterhin bekannt (US-PS 37 09 308) einer Drehbohrkrone mit einer Vielzahl von Reihen von Schabelementen teilweise gekrümmt verlaufende Wasserführungskanäle zuzuordnen, die radial auswärts mit Abzweigungen versehen sein können.

Es ist ferner bekannt (US-PS 23 71489. DE-PS 28 17 986), den Wasserführungskanälen über eine Vielzahl von Flüssigkeitszuführungskanälen Spülmittel zuzuführen, um eine gute Verteilung der Flüssigkeit über die Arbeitsfläche zu erreichen. Diesem Zweck dienen auch exzentrisch in dem zentralen Teil der Arbeitsfläche angeordnete Wasserführungskanäle (US-PS 23 71 489) über die benachbarte, im wesentlichen in radialer Richtung verlaufende Wasserführungskanäle verbunden sind.

Durch ein früheres Patent der Anmelderin (GB-PS 13 48 694) ist es weiterhin bekannt, Wasserführungskanäle in radialer Richtung abschnittsweise so anzuordnen, daß aufeinanderfolgende Abschnitte in Umfangsrichtung zueinander versetzt sind. Der Flüssigkeitszuführungskanal kann dabei ringförmig ausgebildet sein, so daß von ihm Flüssigkeit radial auswärts sowie radial einwärts strömt.

Bei bekannten Rollenmeißeln (DE-OS 14 83 782, US-PS 34 16 617, US-PS 34 39 757) wird zum Kühlen und Reinigen der Schneidrollen über radial auswärts gelegene Kanäle Bohrschlamm zugeführt. Zusammen mit aufgenommenem Abraum wird der Bohrschlamm anschließend über einen radial einwärts liegenden Kanal abgeführt.

Fs ist weiter ein Rollenmeißel bekannt (US-PS 15 82 332), bei dem den Rollenschneiden Bohrschlamm über rohrförmige Flüssigkeitszuführungskanäle zugeführt v/ird. Der Bohrschlamm wird anschließend zusammen mit dem aufgenommenen Abraum im wesentlichen innerhalb einer Ummantelung der RoSlenschneiden weggeführt

Ferner ist es bekannt, Rollenmeißel durch eine Luftströmung zu kühlen und zu reinigen (US-PS 34 16 618, US-PS 34 20 324).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zurgrunde, eine Drehbohrkrone so weiterzubilden, daß in einfacher Weise die Kühlung verbessert wird und somit eine höhere Bohrleistung erzieli werden kann.

Diese Aufgabe ist bei einer Drehbohrkrone der eingangs beschriebenen Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß jede von den Schabelementen freigehaltene Vorsprungs-Fläche nahe der Umfangsfläche der Bohrkrone nach außen hin durch einen auf dem Kronenkörper angeordneten, umfangsmäßig vei/aufenden Steg abgegrenzt ist

Beim Einsatz der Bohrkrone wird daher der Bohrschlamm gezwungen, zum größten Teil durch die Wasserführungskanäle zu strömen, und ein Entweichen von Bohrschlamm durch den Raum zwischen den Vorsprungs-Flächen und den ihnen zugewandten Teilen des Bodens des Bohrloches wird verhindert. Dies führt bei einer gegebenen Menge des der Bohrkrone je Zeiteinheit zuführbaren Bohrschlamms zu einer Verbesserung der Bohrleistung, denn nur derjenige Teil des Bohrschlamms, welcher die Wasserführungskanäle durchströmt, trägt dazu bei, die Schabelemente zu kühlen und zu reinigen.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 6.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Drehbohrkrone;

F i g. 2 die Unterseite der Bohrkrone nach F i g. 1 bei Betrachtung derselben in Richtung des Pfeils II;

Fig.3 den vergrößerten Teilschnitt 1I5-III in Fig.2 zur Veranschaulichung von Einzelheiten einer der Wasserführungskanäle und der längs derselben angeordneten Schabelemente; und

Fig.4 den vergrößerten Teilschnitt IV-IV in Fig.2, aus dem FJnzelheiten eines der umfangsmäßig verlaufenden Stege ersichtlich sind.

Zu der dargestellten Bohrkrone gehört ein Bohrkronenkörper 1, der mit einem Schaft 2 zusammenhängt, welcher mit einem Kegelgewinde 3 versehen ist.

Die Stirnfläche bzw. das freie Ende des Bohrkronenkörpers 1 weist Wasserführungskanäle 4 auf, die dazu dienen, Bohrschlamm an den Schabelementen 3 entlangzuleiten, die jeweils eine Auskleidung auf einer Seite jedes Kanals bilden. Im mittleren Teil der Stirnfläche des Bohrkronenkörpers 1 sind zum Zuführen von Bohrschlamm dienende Flüssigkeitszuführungskanäle 6 angeordnet, zu denen drei öffnungen 6 gehören, die in Verbindung mit den Wasserkanälen 4 stehen. Zum Zuführen von Bohrschlamm zu den öffnungen 6 dient ein nicht dargestellter zentraler Kanal, der sich durch den Bohrkronenkörper erstreckt und in Verbindung mit einem ebenfalls nicht dargestellten zentralen Kanal innerhalb des Schaftes 2 steht.

Die Schabelemente 5 sind in mehreren Reihen angeordnet, und jede dieser Reihen bildet eine Seitenwand eines Wasserführungskana!s4.

Der mittlere Teil der Stirnfläche des Bohrkronenkörpers 1 ist mit mehreren gesonderten Schneid- oder Schabeinrichtungen in Form von Diamanten 7 besetzt Die Schabelemente 5 werden durch den Bohrkronenkörper 1 in der aus Fig.3 ersichtlichen Weise unterstützten F i g. 3 sind ein Wasserführungskanal 4 und ein Schabelement 5 zu erkennen, und ihre Anordnung gegenüber dem Boden 8 eines mit Hilfe der Bohrkrone erzeugten Bohrlochs ist aus F i g. 3 ersichtlich.

Jedes der Schabelemente 5 besteht aus einem verschleißfesten, abschleifend wirkenden Material, z. B. dem unter der gesetzlich geschützten Bezeichnung »Stratapax« erhältlichen Material, und es ist mit dem Bohrkronenkörper 1 so verbunden, daß es einen Teil der Seitenwand des Wasserführungskanals 4 überdeckt, mit dem es zusammenarbeitet Gemäß F i g. 3 ragt jedes Schabelement 5 nach unten über die Stirnfläche des Bohrkronenkörpers 1 hinaus, und jede Reihe von Schabelementen wird auf ihrer Rückseite durche eine örtliche Verdickung 9 des Bohrkronenkörpers abgestützt

Da die Schabkanten 10 der Schabelemente 5 in einem gewissen Abstand von der Stirnfläche des Bohrkronenkörpers 1 angeordnet sind, ist jeweils ein freier Raum zwischen jeder Vorsprungs-Fläche 11 und dem Boden 8 des mit Hilfe der Bohrkrone herzustellenden Bohrlochs vorhanden. Diese freien Räume ermöglichen es, die Bohrkrone zum Durchfahren von Formationsschichten zu benutzen, die unter den Bohrbedingungen ein plastisches Verhalten zeigen. In diesem Fall wird der Boden des Bohrlochs durch die Schabelemente zusammengedrückt, wenn die Bohrkrone gedreht wird, und nach dem Vorbeilaufen der Schabelemente dehnt sich das Material der Formation wieder aus. Diese Ausdehnung spielt sich in den freien Räumen unter den Vorsprungs-Flächen 11 ab, und die Stirnfläche des Bohrkronenkörpers wird nicht durch die Teile der Formation berührt, die den Boden des Bohrlochs bilden. Eine solche Berührung würde zu einer Beschädigung des Boh: Kronenkörpers und zu einer Vergeudung eines erheblichen Teils des auf die Bohrkrone aufgebrachten Drehmoments führen, wodurch die Bohrleistung der Bohrkrone in einem unerwünschten Ausmaß verringert würde.

Die Vorsprungs-Flächen 11 erstrecken sich vom mittleren Teil des Bohrkrcnenkörpers 1 aus zu seiner Umfangsfläche, die durch den Teil 12 des Bohrkronenkörpers gebildet wird, welcher einen Durchmesser hat, der gleich dem Durchmesser des herzustellenden Bohrlochs oder etwas kleiner als dieser ist. Die Umfangsfläche des Teils 12 des Bohrkronenkörpers ist verschleißfest ausgebildet, um eine Abnutzung zu verhindern, die zu einer Verkleinerung des Durchmessers des Teils 12 führen würde. Zu diesem Zweck können in die Umfangsfläche des Teils 12 nicht dargestellte verschleißfeste Elemente eingebaut sein.

Der Teil 12 der Bohrkrone ist mit Schlitzen 13 zum Abführen von losgelöstem Material versehen, um zu verhindern, daß größere Materialbrocken zwischen dem Teil 12 und der Wand des herzustellenden Bohrlochs festgekeilt werden.

Auf dem Bohrkronenkörper 1 sind umfangsmäßig verlaufende Stege bzw. Wulste 14 vorhanden, die so angeordnet sind, daß sie an die Vorsprungs-Flächen 11 angrenzen, um zu verhindern, daß der Bohrschlamm gegenüber den Wasserführungskanälen 4 ausweicht und auf dem kürzesten Wege von den Bohrschlamm-Zuführungsöffnungen 6 aus zu den Abführungsschlitzen

13 strömt Wegen des Vorhandenseins der Wulste 14 wird der Bohrschlamm somit gezwungen, an den Reihen von Schabelementen 5 vorbeizuströmen, die jeweils eine Begrenzung jedes Wasserführungskanals 4 bilden, um die Schabelemente zu kühlen und zu reinigen.

Die Wulste 14 können aus einem verschleißfesten Material bestehen, oder in die Wulste können nicht dargestellte verschleißfeste Elemente eingebettet sein, um eine unerwünschte Abnutzung zu verhindern, wenn die Wulste in Berührung mit der Wand oder dem Boden des Bohrlochs kommen.

Gemäß der Zeichnung begrenzen die Wulste 14 die Vorsprungs-Flächen 11 nahe der Umfangsfläche 12 der Bohrkrone, ohne jedoch die Abführungsschlitze 13 unzugänglich zu machen. Sind keine solchen Abführungschlitze vorhanden, können die Wulste zwischen dem Bereich der Umfangsfläche und den Vorsprungs-Flächen oder sogar auf der Umfangsfläche angeordnet sein.

Man kann das Entweichen des Bohrschlamms an den Vorsprungs-Flächen 11 vorbei in einem noch größeren Ausmaß verhindern, wenn man jede Vorsprungs-Fläche mit einem zweiten Wulst versieht, der nahe dem mittleren Teil der Stirnfläche des Bohrkronenkörpers angeordnet ist; ein solcher zweiter Wulst 15 ist in F i g. 1 und 2 bei dem Steg 11' angedeutet

Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die Verwendung von Wulsten der in F i g. 4 dargestellten Art mit einer halbrunden Querschnittsform, d. h. es sind auch andere Querschnittsformen anwendbar.

Vorzugsweise haben jedoch die Wulste eine halbrunde Querschnittsform, so daß eine Berührung zwischen den Wulsten und dem Boden des Bohrlochs während der Drehung der Bohrkrone nur innerhalb einer möglichst kleinen Fläche eintritt

Die Bohrschlamm-Zuführungskanäle 6 können im mittleren Teil der Stirnfläche der Bohrkrone im Vergleich zu F i g. 2 auch eine andere Form erhalten und/ oder in einer anderen Anzahl vorgesehen werden. Ferner ist es möglich, den Schabelementen zusätzlichen Bohrschlamm über Öffnungen zuzuführen, die außerhalb des genannten mittleren Bereichs angeordnet sind, z. B. über nicht dargestellte Schlammzuführungsdüsen, die in den Wasserführungskanälen 4 angeordnet sind.

Der Querschnitt der Wasserführungskanäle 4 ist so gewählt, daß die Menge des Bohrschlamms, die gezwungen wird, die Wasserführungskanäle zu durchströmen, ausreicht, um die Schabelemente 5 ausreichend zu kühlen und zu reinigen. Natürlich beschränkt sich die Erfindung nicht auf die dargestellte Verwendung von sechs Wasserführungskanälen 4, sondern man könnte auch eine beliebige andere Anzahl von Wasserführungskanälen vorsehen; in der Praxis ist es jedoch in den meisten Fällen zweckmäßig, drei bis acht Wasserführungskanäle vorzusehen.

Gegebenenfalls können die Wasserführungskanäle auch eine spiralförmige oder eine beliebige andere Gestalt haben, statt gemäß der Zeichnung geradlinig zu verlaufen.

Zwar steht gemäß F i g. 3 der Boden des Wasserführungskanals 4 im wesentlichen in Fluchtung mit einer Längsseite der Schabelemente 5, doch könnte man diesen Boden natürlich auch so ausbilden, wie es bei 4' mit gestrichelten Linien angedeutet ist Vorzugsweise soll die gesamte vorauseilende Stirnfläche 5' jedes Schabelements 5 dem den Wasserführungskanal 4 passierenden Bohrschlammstrom ausgesetzt sein, damit eine optimale Kühlung erzielt wird.
Bei den meisten Bohrkronenkonstruktionen dürfte ein einziger Satz von Wulsten, welche die Vorsprungs-Flächen 11 nahe der Umfangsfläche 12 der Bohrkrone begrenzen, z. B. die Wulste 14, ausreichen, um den größten Teil des Bohrschlammstroms durch die Wasserführungskanäle zu leiten. Wie erwähnt, läßt sich eine gewisse weitere Verbesserung erreichen, wenn man einen zweiten Satz von Wulsten, ζ. B. die beschriebenen Wulste 15, vorsieht, welche die Vorsprungs-Flächen 11 nahe dem mittleren Teil der Stirnfläche des Bohrkronenkörpers abgrenzen. Unter extremen Bedingungen ist es jeoch möglich, einen oder mehrere weitere Sätze von Wulsten vorzusehen, die auf den Vorsprungs-Flächen an geeigneten Stellen zwischen den beiden ersten Sätzen von Wulsten angeordnet sind. Gegebenenfalls kann man den inneren Satz von Wulsten durch einen Satz von Wulsten ersetzen, der in einem etwas größeren Abstand vom mittleren Teil der Stirnfläche des Bohrkronenkörpers angeordnet ist. Jeder zusätzliche Wulst auf einer Vorsprungs-Fläche kann im wesentlichen parallel zu oder konzentrisch mit dem Wulst verlaufen, der die betreffende Vorsprungs-Fläche nahe der Umfangsfläche 12 der Bohrkrone begrenzt

Wie erwähnt, läßt sich die Erfindung auch bei einer Bohrkrone anwenden, bei der die Umfangsfläche nicht mit den beschriebenen Abführungsschlitzen 13 versehen ist. Innerhalb dieses Bereichs könnte man auch die Wasserführungskanäle fortlassen, die sich gemäß der Zeichnung bei der dargestellten Bohrkrone in die Umfangsfläche hinein erstrecken.

Bei der dargestellten Bohrkrone bilden die Schabelemente 5 längs jedes Wasserführungskanals 4 eine zusammenhängende Schabschneide, doch läßt sich die Erfindung auch bei Bohrkronen anwenden, bei denen die Schabelemente jeweils längs einer Seite jedes Wasserführungskanal nicht in Form einer lückenlosen Reihe, sondern, in beliebiger anderer Verteilung angeordnet sind. Ferner können die Schabkanten der Reihen entlang Linien verlaufen, die nicht in der aus der Zeichnung ersichtlichen Weise gleichmäßig gekrümmt sind. Auch Bohrkronen, bei denen die Schabkanten der Schabelemente so angeordnet sind, daß sie dem Boden des Bohrlochs ein abgestuftes Profil verleihen, können mit den erfindungsgemäßen Wulsten versehen werden, um zu verhindern, daß der Bohrschlamm auf dem kürzesten Wege von den Zuführungsöffnungen aus zur Umfangsfläche der Bohrkrone strömt

Die Form der Schabelemente kann von der dargestellten Form abweichen, d. h. auch bei der Verwendung dreieckiger, runder oder halbrunder Schabclemente lassen sich gute Ergebnisse erzielen.

Jedes Schabelement 5 kann aus einem einzigen Malerial bestehen, z. B. einer mit einem Karbid gesinterten Masse, die synthetische Diamanten enthält, oder es kann ein synthetischer Diamant vorhanden sein, der durch ein Bauteil aus Sinterkarbid unterstützt wird, wobei dieses Bauteil mit einem tragenden Element verbunden ist Der Ansatz 9 nach F i g. 3 bildet ein solches tragendes Element, das sich parallel zu dem zugehörigen Wasserführungskanal 4 erstreckt und mehrere Schabelemente tragen kann. Ferner kann jedes Schabelement durch ein gesondertes tragendes Element unterstützt sein. Gegebenenfalls kann man die synthetischen Diamanten durch andere Materialien ersetzen, z. B. durch natürliche Diamanten, die eine solche Form haben, daß sie sich in eine der Wände jedes Wasserführungskanals so einsetzen lassen, daß eine im wesentlichen ebene Fläche jedes Diamanten in der Wandfläche des betreffenden Wasserkanals liegt wobei die Schabkante gegenüber dem

Bohrkronenkörper nach außen ragt.

Die Wulste sind vorzugsweise innerhalb einer Rotationsfläche angeordnet, welche die Schabkanten der Schabelcmente enthält, und welche sich im wesentlichen mit dem Bodenprofil eines mit Hilfe der Bohrkrone angelegten Bohrlochs deckt. Bei dieser Anordnung entsteht gemäß Fig.4 ein Spalt 16 von geringer Breite /wischen dem Boden 8 des Bohrlochs und jedem Wulst 14 der Bohrkrone, während die Bohrkrone gedreht wird. Ist die Breite des Spaltes 16 nicht ausreichend, wird der äußerste Teil jedes Wulstes 14 infolge seiner Berührung mit dem Materia! der Formation, das innerhalb des Bohrlochs freigelegt wird, abgenutzt, so daß der Spalt schließlich automatisch die erforderliche Breite erhält.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims (6)

Patentansprüche:

1. Drehbohrkrone zum Herstellen einer Tiefbohrung mit vollem Querschnitt, deren Kronenkörper (1) an seiner mit Schabelementen (5) bestückten Arbeitsfläche mehrere Wasserführungskanäle (4), die zwischen dem zentralen Teil der Arbeitsfläche und der den Durchmesser des Bohrlochs bestimmenden Umfangsfläche (12) der Bohrkrone verlaufen, und Flüssigkeitszuführungskanäle (6) aufweist, die einenends mit dem zentral gelegenen Ende der Wasserführungskanäle (4) und andernends mit einer axialen Spülungsbohrung des Kronenkörpers (1) in Verbindung stehen, wobei jeder Wasserführungskanal (4) zwischen einer von Schabelementen (5) freigehaltenen Vorsprungs-Fläche (11) auf der Arbeitsfläche des Krone-nkörpers (1) und einer Reihe vom Kronenkörper (1) getragener, über seine Arbeitsfläche hinaus vorstehender und sich zwischen dem zentralen Teil der Arbeitsfläche und der den Durchmesser des Bohrlochs bestimmenden Umfangsfläche (12) erstreckender Schabelemente (5) verläuft, jede Reihe von Schabelementen (5) einen Teil einer Wand des zugehörigen Wasserführungskanals (4) bildet sowie sich jede Vorsprungs-Fläche (11) ebenfalls zwischen dem zentralen Teil der Arbeitsfläche des Kronenkörpers (1) und der den Bohrlochdurchmesser bestimmenden Umfangsfläche (12) erstreckt, dadurch gekennzeichnet, daß jede von den Schabelementen (5) freigehaltene Vorsprungs-Fläche (11) nahe der Umfangsfläche (12) der Bohrkrone nach außen hin durch einen auf dem Kronenkörper (1) angeordneten, umfangsmäCig verlaufenden Steg

(14) abgegrenzt ist.

2. Bohrkrone nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Vorsprungs-Fläche (11) nahe dem zentralen Teil der Arbeitsfläche des Kronenkörpers (1) nach außen hin durch einen zusätzlichen Wulst

(15) abgegrenzt ist.

3. Bohrkrone nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Steg bzw. Wulst (14, 15) eine kreisbogenförmige Querschnittsform hat.

4. Bohrkrone nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege bzw. Wülste (14,15) innerhalb eines Rotationssektors angeordnet sind, welcher die Schabkanten (10) der Schabelemente (5) umfaßt.

5. Bohrkrone nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die den Bohrlochdurchmesser bestimmende Umfangsfläche (12) des Kronenkörpers (1) zum Abführen von losgelöstem Material vorgesehene axiale Schlitze (13) aufweist, die radial außerhalb jener Stege (14) angeordnet sind, welche die Vorsprungs-Fläche (11) nahe der Umfangsfläche (12) nach außen hin abgrenzen.

6. Bohrkrone nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jede Vorsprungs-Fläche (11') mindestens einen zusätzlichen Wulst (15) aufweist, der sich im wesentlichen parallel zu bzw. konzentrisch mit jenem Steg (14) erstreckt, der die Vorsprungs-Fläche (11) nahe der Umfangsfläche (12) der Bohrkrone nach außen hin abgrenzt.