DE2900643A1

DE2900643A1 - Ueberdruckventil fuer bohrmeissel

Info

Publication number: DE2900643A1
Application number: DE19792900643
Authority: DE
Inventors: Erwin S Oelke
Original assignee: Smith International Inc
Current assignee: Smith International Inc
Priority date: 1978-03-13
Filing date: 1979-01-09
Publication date: 1979-09-27
Also published as: GB2017189A; MX147921A; FR2420019B1; US4161223A; FR2420019A1

Description

"überdruckventil für Bohrmeißel"

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf abgedichtete rotierende Bohrmeißel und insbesondere auf in derar- ι

tigen Bohrmeißeln verwendete Schmiersysteme. :

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'■ Ein rotierender Bohrmeißel besteht im allgemeinen aus dem | Hauptbohrerkörper, der an ein rotierendes Bohrgestänge angekop- ! pelt werden kann. Zum Bohrmeißel gehören gewöhnlich zwei oder mehr

Schenkel, die als ganzes so zusammengefaßt sind, daß sie den j ■

Bohrerkörper bilden» An jedem Schenkel ist eine Bohrkrone drehbar 'an einem vom Schenkel ausgehenden Lagerzapfen befestigt. Lager

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'sind zwischen der Bohrkrone und dem Lagerzapfen eingesetzt, um die

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Drehung der Bohrkrone zu erleichtern. An der Außenfläche der Bohr-» krone sind Einrichtungen ztir Zerlegung des Gesteinsmaterials bei · der Drehung des Bohrers und der Bohrkrone vorgesehen. !

In Bohrmeißeln mit Schmierung ist ein Schmiersystem eingesetzt, ^!zu dem eine ringförmige Dichtung an oder nahe der Rückseite der j Bohrkrone gehört. Diese Dichtung verhindert, daß Schmiermittel

'aus dem Bohrgebiet zur Außenseite des Bohrmeißels austritt und ι _t ■ .. .

daß Bohrwasser und Bruchstücke in die Lager eindringen. Zum j

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.Schmiersystem gehört ferner ein mit Schmiermittel gefülltes Vor- : ratsgefäß, wobei es sich gewöhnlich um ein hochviskoses Petroleum·^ ifett handelt. Verbindungskanäle sind angebracht, damit das Vorratsgefäß mit dem Lagergebie"t zwischen der Bohrkrone und dem Lagerlzapfen in Verbindung steht. Eine Kompensationsvorrichtung in Form einer elastischen Membran ist im Vorratsgefäß angebracht. Eine ■Seite der Membran ist dem Schmiermittel ausgesetzt, während die !andere Seite auf die Außenseite des Bohrmeißels weist. Die Kompen·» ,sationsvorrichtung schafft einen Druckausgleich zwischen der Schlammseite der Dichtung und der Schmiermittelseite unter veränderlichen Druckbedingungen. -

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Eine derartige Kompensationsvorrichtung ist im US-Patent 3 476 195 beschrieben worden. Dieses Patent beschreibt außerdem ein Niederdruck-Druckausgleichventil, über das beim normalen ' Bohrbetrieb überschüssiges Gas im Bohrer abgelassen wird. Beim Anheben bzw. Absenken des Bohrmeißels in einem vorhandenen Bohrloch kann sich jedoch eine beträchtliche Druckdifferenz entwikkeln. Mit einem Niederdruck-Ausgleichsystem läßt sich kein richtiger Betrieb gewährleisten, da sich das Überdruckventil öffnet, ehe überhaupt schädliche Druckdifferenzen erreicht worden sind. : Damit würde zuviel Schmiermittel während des Absenkens des Bohrers •^! verloren, i

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Außerdem bestehen starke Einschränkungen in Bezug auf den in j ι üblichen Bohrmeißeln verwendeten Raum. Der vom Überdruckventil J ' des oben angeführten Patents eingenommene Raum wird häufig als zii

groß für sicheren Betrieb des Bohrmeißels angesehen. j

Die vorliegende Erfindung beseitigt die oben erwähnten Schwierigkeiten, da sie ein Schmiersystem mit einem Kochdruck-Ausgleichveiitil schafft, das bei zu starken Gasdrucken wirksam wird

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf einen abgedichteten Bohrmeißel mit Lagern und einem Schmiersystem, das • ein Vorratsgefäß und eine darin befindliche Druckkompensationsvorrichtung aufweist. Im Vorratsgefäß befindet sich ein Hochdruck-Ausgleichveiitil« Als Kompensationsvorrichtung wird ein sogenannter Gummischuh verwendet, dessen ringförmige Ventilfläche gegen einen in der Wandung des Vorratsgefäßes ausgebildeten Sitz gedrückt wird«

Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist es, daß die Ventilanordnung unter der Kraftwirkung einer großen Feder steht. Deshalb Öffnet sich das Überdrucksystem nicht beim normalen Betrieb des

ο Bohrers« Nur wenn Druckdifferenzen von mehr als 10,5 kg/cm auftreten, wird das Überdrucksystem wirksam.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ergibt sich daraus, daß die Überdruckausgleichanordnung in einer vorhandenen Struktur des Bohrmeißels untergebracht ist, wodurch es nicht notwendig ist, zusätzliche Teile und Bohrungen vorzusehen, um die Anordnung unterzubringen«

Die auf den Gummischuh wirkende Federkraft wird von einer

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Tellerfeder ausgeübt, die gegen die Deckkappe des Schuhs gedrückt wird und im Vorratsraum selbst von einem Sprengring festgehalten wird.

Ein Vorteil dieser neuartigen Struktur ist es, daß ein Innendruck manuell ohne Abnahme der Kappe abgelassen werden kann. Ein leichtes Anheben der Abdeckkappe führt zum völligen Ablassen des ί Überdrucks.

Es ist demgemäß ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung, daß einerseits manuell der Druck abgelassen werden kann, j

■ daß aber gleichzeitig ein automatischer Druckausgleich stattfin-I den kann, ohne daß hierzu viel zusätzlicher Raum benötigt wird.

Die neuartigen Kennzeichen der vorliegenden Erfindung sind im einzelnen besonders in den Patentansprüchen aufgeführt. Die

■ Einzelheiten und das Funktionieren der vorliegenden Erfindung sowie weitere Vorteile derselben werden in der folgenden Beschrel bung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen dargestellt

Figur 1 ist eine perspektivische Ansicht eines abdichtbaren rotierenden Bohrmeißels.

Figur 2 ist ein Querschnitt durch einen Schenkel des rotierenden Bohrmeißels.

Figur 3 ist schließlich eine vergrößerte Teilansicht des Schmiermittelvorratsbehälters mit dem erfindungsgemäßen Druckausgleichsystem.

Figur 1 zeigt einen Bohrmeißel mit drei Schneidkegeln, obwohl die Erfindung auch in anderen Typen von 3ohrmeißeln verwendet werden kann. Der drehbare Bohrmeißel 10 umfaßt einen Bohrerkörper 11 mit einem oberen Gewindeabschnitt 12 zum Anschlui an das untere Ende eines nicht dargestelltn, rotierenden Bohrgestänges. Vom Bohrerkörper 11 verlaufen nach unten drei praktisch gleiche Schenkel 13- Am unteren Ende jedes der Schenkel befindet ι sich ein Lagerzapfen, dessen Einzelheiten weiter unten nocii beschrieben sind.

Eine drehbare, konische Bohrkrone l4 ist in jedem Lager des ! jeweiligen Schenkels 13 drehbar befestigt. Jede Bohrkrone i%

umfaßt eine Schnexdenanordnung 15 an ihrer Außenfläche, die bei ; der Drehung und nach unten gerichteten Bewegung des Bohrmeißels

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die Gesteinsmaterialien zerkleinert. Die Schneidenaiiordnung 15 hat im dargestellten Beispiel die Form von V7olframkarbid-Einsätzen, doch können auch andere Schneidenanordnungen, z.B. an den konischen Bohrkronen angebrachte Zähne aus Stahl, verwendet werden.

Im Bohrmeißel 10 ist eine mittlere, sich längs der Mittelachse des Bohrerkörpers 11 erstreckende Durchlaßöffnung l6 vorgesehen, in die Bohrflüssigkeit vom oberen Abschnitt des Bohrge-J stänges eintreten und nach unten durch drei Düsen 17 austreten I kann, von denen in Figur 1 eine dargestellte ist.

Im Betrieb bildet Bohrmeißel 10 den unteren Abschnitt eines nicht dargestellten drehbaren Bohrgestänges und wird in das Bohrloch abgesenkt, bis die konische Bohrkrone lk am Boden des Bohrlochs aufsitzt. Beim Berühren der Bodenfläche des Bohrlochs werden das Bohrgestänge und damit Bohrmeißel 10 gedreht. Bohrflüssigkeit wird nach unten durch den inneren Durchlaßkanal des Bohrgestänges gedruckt und tritt über die mittlere Durchlaßöffnung Io des Bohrmeißels 10 und über die drei Düsen 17 aus. Die Flüssigkeit geht an der Schneidenaiiordnung 15 der Bohrkrone l4 vorbei und gelangt zum Boden des Bohrlochs, von wo aus sie nach oben in das Ringgebiet zwischen dem rotierenden Bohrgestänge und der Bohrlochwandung gedrückt wird und dabei die beim Bohrbetrieb anfallenden Bruchstücke und herausgeschnittenen Teilchen wegführt.

Figur 2 zeigt die Innenstruktur eines Schenkels 13 des Bohrmeißels 10. Der in Schenkel 13 angebrachte Lagerzapfen l8 ragt nach innen und steht mit der Lagerfläche der Bohrkrone l4 in Eingriff. Verschiedene "Lageranordnungen können verwendet werden Das dargestellte Lagersystem umfaßt ein Gleitlager 19, ein Kugel lager 20, ein weiteres Gleitlager 21 und ein Widerlager 22. Eine ringförmige Dichtung 23 ist an der Rückseite der Bohrkrone I^ angebracht, um zu verhindern, daß Schmiermittel aus dem Lagergebiet in die Außenzone des Bohrmeißels austritt.

Zu dem jedem Schenkel 13 zugeordneten Schmiersystem gehört ein Reservoir oder Vorratsraum 24, der mit einem Schmiermittel gefüllt ist und über einen Verbindungskanal 25 mit dem Gebiet

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der Lager in Verbindung steht. Andere, nicht dargestellte Verbindungskanäle sind in Lagerzapfen l8 angebracht und verbinden den Verbindungskanal 25 mit den verschied«en Lagern 19, 20, 21 und 22. Eine Kompensationsvorrichtung, die gewöhnlich als Gummischuh bezeichnet wird, ist im Vorratsraum 2k eingesetzt und enthält eine elastische Membran 26, die um eine Versteifungsmuffe 27 herumgepreßt ist. Eine Deckkappe 28 ist am oberen Ende der Membran 26 befestigt und enthält Verbiridungskanäle 29, um die eine Seite der Membran 26 dem auf Bohrmeißel 10 wirkenden ^! äußeren Druck auszusetzen. Die andere Seite der Membran 26 ist dem vom Schmiermittel erzeugten Druck ausgesetzt. Damit die

- Dichtung 23 richtig funktionieren kann, muß der auf Dichtung

wirkende Druck des Schmiermittels gleich dem darauf wirkenden j

Außendruck oder Schlammdruck sein. Erreicht wird dies durch die

i oben beschriebene Druckkompensationsvorrichtung. Bei der Zunahme ] des Schlammdruclcs wirkt dieser auf Membran 26 und drückt das

Schmiermittel im Schmiermittelsystem zusammen, bis der Schmiermitteldruck gleich dem Schlammdruck ist.

Üblicherweise ist Deckkappe 28 im Vorratsraum 2k mit einer Schraubverbindung befestigt. Diese wird jedoch in der vorliegenden Konstruktion nicht verwendet. In der vorliegenden Ausführungsform ist Deckkappe 28 zusammen mit Membran 26 und Muffe 27 innerhalb des Vorratsraums 2k mit einer Tellerfeder 30 beweglich befestigt, die ihrerseits mit einem Sprengring 31 befestigt ist. Sprengring 31 kann an der Viand des Vorratsraums 2k anliegen. Die Tellerfeder 30 ergibt damit die federnde Vorbelastung für das Uberdruckausglexchsystem der vorliegenden Erfindung.

Zum Überdrucksystem gehört ferner eine Auflage bzw. ein Ventilsitz 32 in der Form eines ringförmigen, an der Wandung des Vorratsraums 2k angebrachten Ansatzes. Die Auflage 32 dient zur Aufnahme einer an Membran 26 ausgebildeten Ventilfläche 33, die gegen die Auflage 32 von Tellerfeder 30 gedrückt wird. Diese Ventilanordnung schafft einen Ausgleich für den überschüssigen Schmiermitteldruck, der erzeugt wird. Der Ausgleich tritt ein, vfenn der Schmiermitteldruck größer als die von Tellerfeder 30 hervorgerufene Federkraft wird, wodurch die Ventilfläche 33 vom

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Ventilsitz 32 abgehoben wird. In der vorzugsweisen Ausführungs-

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j form beträgt der Federdruck an Tellerfeder 30 10,5 kg/cm .

Es kann im Betrieb nicht nur überschüssiger Schmiermitteldruck abgelassen werden, sondern der Innendruck kann auch manuell ohne Abnahme der Deckkappe 28 abgelassen werden. Erreicht wird dies durch ein leichtes Verdrücken der Deckkappe 28, um die von Tellerfeder 30 ausgeübte Kraft zu überwinden und um

j damit Ventilfläche 33 aus ihrem Sitz herauszuschieben.

i An der Anordnung können verschiedene Abänderungen im Rahmen ! der Erfindung vorgenommen werden, deren Umfang' von den Patentan- ; Sprüchen definiert wird.

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Claims

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Augusto-V^:ktcria-StraBo 65 _η [JHCALJL'C P PADTMPO Pion.-enauarsiraße 2

Pat.-Amv. Dr. Ing. Ruschke ^U ^ · ν «J O L/ Γΐ iX U & ΓΑΚ I IN U K _pa, __{Arw Dip}, _,_ng

obÄPto"'·'"¹⁹" PATENTANWÄLTE ^HaniE- ^

To._efo„:«o/1H|||f BERLIN - MÖNCHEN ^

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Quadratur Berlin _Λ j _x .«- ·.

Tcicv 1R178B Quadratur München

TELEX: 18378S TELEX: 522767

S I7^lt6

9. Jan. ί979

Smith Industries, Inc. 43^3 Von Karman Avenue Newport Beach, Kalifornien

U. S. A.

Pat ent an Sprüche

! 1. Abgedichteter drehbarer Bohrmeißel mit. Schmierung, ■gekennzeichnet durch einen Bohrerkörper (ll), von dem mindestens 'ein Schenkel (I3) nach unten verläuft und einen Lagerzapfen (l8) } ! j

aufweist, um eine rollende Bohrkrone (lk) zu lagern; eine zwischeii !der Bohrkrone und dem Lagerzapfen (l8) eingesetzte Dichtung (23); 'einen im Bohrerkörper (ll) untergebrachten Vorratsraum (2k) für das Schmiermittel, der mit dem Lagergebiet zwischen der Bohr— 'krone und dem Lagerzapfen in Verbindung steht; eine im Vorrats-'raum (2k) befestigte Ausgleichsvorrichtung mit einer elastischen Membran (26), die den Vorratsraum in ein Schmiermittelgebiet und 'ein Gebiet mit Bohrflüssigkeit untex-teilt; Einrichtungen zum Ablassen des überschüssigen Schmiermitteldrucks um die Membran !an das Außengebiet um den Bohrerkörper; eine in den Druckausgleichseinrichtungen angebrachte ringförmige Auflagefläche (32) in der Vandung des Vorratsraums (2k): eine am Außenumfang der !Membran angebrachte Ventilfläche (33); und Einrichtungen, um die Ventilfläche an die Auflage (32) anzudrücken, um den Durchfluß von Schmiermittel aus dem Vorratsraura an das Außengebiet desselben zu verhindern, bis der überschüssige Schmiermitteldruck einen vorgegebenen Wert überschreitet.

2. Vorrichtung nach Anspruch I₁ dadurch· gekennzeichnet, daß die Druckausgleichsvorrichtung eine an der Membran (26) befestigte Deckkappe (28) aufweist, in der Verbindungskanäle (29) angebracht sind, damit das Außengebiet des Bohrerkörpers (ll) mit der einen Seite der Membran in Verbindung steht.

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3· Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckkraft durch eine auf die Deckkappe (28) wirkende Tellerfeder (30) hervorgerufen wird.

^lt, Vorrichtung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Tellerfeder (30) im Vorratsraura (24) befestigt ist.

5- Vorrichtung nach Anspruch k, dadurch gekennzeichnet, daß die Tellerfeder (30) an der Wandung des Vorratsraums (2%) mit einem Sprengring (31) befestigt ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckausgleichsvorrichtung ferner eine an der Membran (26) befestigte Versteifungsmuffe (27) aufweist.

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