DE2929568A1

DE2929568A1 - Erdbohrdrehsteinmeissel und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE2929568A1
Application number: DE19792929568
Authority: DE
Inventors: Francis Eugene Phelps
Original assignee: Dresser Industries Inc
Current assignee: Dresser Industries Inc
Priority date: 1978-07-24
Filing date: 1979-07-19
Publication date: 1980-02-07
Also published as: FR2441048A1; JPS5519400A; PL217220A1; IT7949664A0; NL7904731A; IT1117791B; PL120433B1; GB2026576A; CA1095505A; MX150790A; GB2026576B; NO791605L

Description

Erdbohrdrehsteinmeißel und Verfahren zu seiner Herstellung

Die Erfindung bezieht sich auf das Erdbohren im allgemeinen und auf einen sich drehenden Steinmeißel mit einem verbesserten Lager im besonderen.

Die Erfindung ist besonders zur Verwendung bei einem solchen Drehsteinmeißel gedacht, der allgemein als Dreikonusmeißel bekannt ist. Seine Verwendung ist jedoch nicht hierauf beschränkt und das Lager nach der Erfindung kann auch bei anderen Bohrmeißeln verwendet werden, bei denen ein verbessertes Lager notwendig ist.

Ein Dreikonusmeißel soll als das untere Teil an einen Drehbohrstrang angebracht werden. Beim Drehen des Bohrstrangs zerkleinert der Meißel die Formation und baut das Bohrloch aus. Der Dreikonusdrehsteinmeißel enthält drei einzelne Arme, die winkelig vom Hauptkörper nach unten verlaufen. Das untere Ende jedes bildet einen Lagerstift oder Lagerzapfen. An jedem Lagerstift ist ein Konusschneider, der angebracht und zum Drehen an diesem dient. Die Konusschneider enthalten an ihren Außenflächen Schneidgebilde, die beim Drehen des Meißels zum Zerkleinern der Formationen dienen.

Ein Drehsteinmeißel muß unter sehr schweren Umweltbedingungen arbeiten und die Größe und Form des Meißels ist durch seine Arbeitscharakteristiken beschränkt. Gleichzeitig erfordern die Wirtschaftlichkeit der Erdölerzeugung vom Meißel eine längere Lebendauer und eine bessere Ausbildung. Bei Versuchen zum

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Verbessern des Meißels sind neue und verbesserte Materialien für das Schneidgebilde der Konusschneider entwickelt worden, was für diesen eine längere Lebens- und Benutzungsdauer ergibt. Dies führt zu Lagern, die im allgemeinen beim Bohren zuerst ausfallen. Folglich besteht eine Notwendigkeit für verbesserte Lager, um die Lebendauer des Meißels zu verlängern.

In der USA-Patentschrift 3.746.405 wird eine ^rdbohrmeißelschmieranlage und eine Dichtung hierfür beschrieben. Dort arbeiten ein Zapfenlagerschmiereinrichtung und eine Dichtung zusammen und halten die Schmierung während der ganzen Lebensdauer des Rollenschneiders eines Erdbohrmeißels aufrecht, um äußere Stoffe abzuhalten, die aus der Bohrflüssigkeit eindringen und die Erdformationen umgeben. Es ist ein Zapfenlager in zylindrischer Form durch die Ausbildung eines oder mehrerer strategisch angeordneter Einschnitte gekennzeichnet. Von der Belastbarkeit des Meißels eht nichts verloren, wobei der Zusammenbau von einem einzigen Element, das mit der Schmiereinrichtung kombiniert ist und ein richtiges axiales Anordnen des Rollenschneiders gewährleistet, im Arbeitszustand gehalten wird.

In der USA-Patentschrift 3.890.018 wird ein Drehmeißel mit einer Schmieranlage mit Abstreifkissen gezeigt. Eine Anlage dient dort zum Umlaufenlassen des Schmiermittels in das belastete Berührungsgebiet zwischen dem Lagerstift und dem Drehschneider am Erdbohrmeißel. Der Schneider dreht sich am Lagerstift, und enthält eine Schneideinnenfläche. Mindestens ein Abstreifkissenhohlraum befindet sich in diesem Hohlraum und unter dem Abstreifkissen liegt ein elastisches Teil. Beim Drehen des Schneiders drückt das Abstreifkissen Schmier-

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mittel in das Belastungsgebiet zwischen dem Lagerstift und der Innenfläche des Schneiders.

In der USA-Patentschrift 4.061.376 wird ein Steinmeißellager gezeigt. Der Meißel besitzt einen an einer feststehenden Zapfenlagerwelle gelagerten Drehschneidekonus, wobei die Radialbelastung von einem zylindrischen Zapfenlager aufgenommen wird. Ein Gleitlagerteil der feststehenden Welle besitzt eine Rille, die um den Rand der Welle herumführt und mit einem Lagermetall über einem Bogen am unteren lasttragenden Abschnitt der Welle gefüllt ist. Der restliche ungefüllte Teil der Rille ist über ein Schmiermittelquellendurchgang im Meißelkörper mit einem Behälter mit druckkompensiertem Fett im Meißelkörper verbunden, um Schmiermittel an das Drehlager zu geben.

Die Erfindung gibt einen Erdbohrmeißel mit Rollenschneidern bei einem verbesserten Lager an, das einen Raum für das Schmiermittel aufweist. Vom Arm des Meißels geht mindestens ein freitragender Lagerstift ab, an dem ein Rollenschneider drehbar angebracht ist. Zwischen dem Schneider und dem Lagerstift befindet sich ein Spiel, damit die Last über ein größeres Gebiet verteilt wird. Auf die Lasttragfläche am Lagerstift wird vor dessen Bearbeitung Hartmetal aufgebracht. Der unbelastete Teil des Lagerstifts ist mit einem größeren Spiel versehen, um die Verteilung des Schmiermittels zu verbessern. Der unbelastete Teil des Lagerstifts enthält einen exzentrisch bearbeiteten Abschnitt. Diese und andere Gegenstände und Vorteile der Erfindung werden im einzelnen mit Hilfe der Zeichnung erläutert.
In dieser zeigt:

Figur 1 einen Arm eines Drehsteinmeißels nach der Erfindung; und

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Figur 2 einen Schnitt durch den Lagerstift und eine überlagerte Darstellung des Rollenkonusschneiders des Meißels nach Figur 1.

Der Dreikonusdrehsteinmeißel 10 mit abgedichtetem Lager | nach Figur 1 besitzt einen Meißelkörper 11 mit einem oberen Gewindeteil 12. Der Gewindeteil 12 ermöglicht das Befestigen des Meißels 10 am unteren Ende eines (nicht dargestellten Drehbohrstrangs. Vom Meißelkörper 11 gehen drei praktisch indentisch Arme nach unten, von denen nur der Arm 13 in Figur 1 zu sehen ist. Das untere Ende eines jeden Armes ist mit einem Lagerstift versehen, der einen Zapfenteil aufweist. Die Dreikonusdrehschneider sind an entsprechenden Lagerstiften drehbar angebracht, die von den Armen abgehen. Der Schneider 14 ist in Figur 1 gezeigt. Jeder Schneider enthält an seiner Außenfläche ein Schneidgebilde zum Zerkleinern der Formationen, wenn sich der Meißel 10 dreht und nach unten geführt wird. Das Schneidgebilde wird in der Form von Wolframkarbideinsätzen 15 dargestellt. Es können jedoch auch andere Schneidgebilde wie Stahlzähne benutzt werden,

Der Meißel 10 enthält einen Mitteldurchgang, der an der Mittelachse des Körpers 11 entlanggeführt wird, damit Bohrflüssigkeit aus dem oberen Abschnitt des (nicht dargestellten) Bohrstranges unmittelbar darüber eintreten und durch die Strahldüsen hinter den Konusschneidern nach unten gehen kann. Im Gebrauch ist der Meißel 10 als unterstes Teil am Bohrstrang (nicht dargestellt) angebracht und wird in das Bohrloch gesenkt, bis die Konusschneider an den Boden des Bohrlochs angreifen. Dann wird der Bohrstrang und mit diesem der Meißel 10 gedreht. Durch den Innendurchgang des Bohrstrangs wird von an der Oberfläche angeordneten Schlammpumpen Bohrflüssigkeit gedrückt, die durch den Mitteldurch-

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gang des Meißels 10 weiter durch Düsen, die sich hinter dem Schneidgebilde der Schneider befinden, zum Boden des Bohrlochs gelangt und von dort aufwärts in den Ring zwischen dem Drehbohrstrang und der Wnad des Bohrlochs geht, wobei sie mit den Sehneidabfallen des Bohrbetriebes abgeführt wird.

Die Lager des Meißels müssen ein freies Drehen der Konusschneider unter erschwerten Umweltbohrbedingungen gewährleisten. Die verbesserten Lager nach der Erfindung ergeben einen Erdbohrmeißel mit langer Lebendauer, der beim Bohren eines tiefen Bohrlochs auftretenden Bedingungen standhält. Der längliche untere Teil des Arms 13 bildet den Lagerstift 18 mit einem Drehteil, an dem der Drehschneider 14 angebracht ist. Zwischen dem Schneider und dem Lagerstift befindet sich ein geringes Spiel, um die Last über eine größere Fläche verteilen zu können. Diese verbreitet die Last von einer Linienberührung zu einer größeren Fläche, um die Last pro Flächeneinheit zu veringern, was zu einer geringeren Abnutzung am Lager führt, Das Verteilen der Belastung verringert die vom Lager erzeugte Wärme und verringert auch den Abbau des Fettes, was die Ursache von übermäßigem Druck im Lager sein kann und schädliche Wirkungen ergeben kann. Das geringere Spiel zwischen dem Lager und dem Schneider weist eine federnde oder stoßabsorbierende Wirkung zwischen den während der rohen vertikalen Erschütterung des Bohrens in Berührung stehenden Flächen auf. Die Lager bisheriger Techniken lassen Lager und Schneider exzentrisch laufen, was ein übermäßiges Zusammendrückten des Gummiringes in dem belastetem Gebiet und ein verringertes, möglichst ungenügendes Zusammendrücken im unbelastetem Gebiet des Lagere ergibt. Die Erfindung bewirkt ein Zusammenfallen der Mittellinien von Lager und Schneider und ergibt ein gleichmäßig

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verteiltes Zusammendrücken der Ringdichtung. Der unbelastete Teil des Lagerstifts enthält einen exzentrisch bearbeiteten Teil, der so einen größeren Raum erhält, um die Verteilung des Schmiermittels zu verbessern.

Eine Reihe (nicht dargestellter) Kugellager, die die Laufbahnen 16 und 17 miteinander verbinden, dienen zum drehbahren befestigen des Drehschneiders 14 am Lagerstift Der Schneider 14 befindet sich auf dem Lagerstift 18 und der Reihe von Kugellagern, die durch eine in den Arm 13 führende Bohrung eingesetzt sind. Nachdem die Kugellager an ihren Platz gebracht worden sind, wird in die Bohrung ein Stöpsel eingesetzt und dort verschweißt. Zwischen dem Schneider 14 und dem Lagerstift 18 befindet sich eine biegsame Dichtung 9, die einen Schmiermittelverlust und eine Verschmutzung des Schmiermittels durch Materialien des Bohrlochs verhindert. Der äußere Teil des Lagerstifts enthält an der Belastungsseite des Lagerstifts 18 einen Einschnitt, der mit einem harten Lagermetall ausgefüllt wird. Der äußere Teil des Lagerstifts 18 arbeitet mit dem äußeren Lagerflächenteil 20 an der Innenseite des Schneiders 14 zusammen.

Eines der Dichtungsprobleme der Steinmeißel bisheriger Technik betrifft den ■"•aum zwischen Lager und Schneider. Bei Belastung des Meißels am Boden des Bohrlochs, wobei die Unterseite des Lagers mit dem Schneider in Kontakt steht, befindet sich der ganze Raum an der unbelasteten Seite des Lagers. Somit wird das Zusammendrücken des Ringes im belastetem Gebiet erhöht und das im unbelastetem Gebiet verringert. Die Erfindung bewirkt ein konzentrisches Laufen des Konusschneiders und gleicht den Druck am Ring aus. Die untere, belastete Fläche des Lagers läuft mit der (zylindrischen) Kappenfläche des KonusSchneiders konzentrisch

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und bewirkt somit einen ausgeglichenen Druck an der Ringdichtung sowohl an der oberen unbelasteten als auch an der belasteten Lagerfläche.

Figur 2 zeigt den Lagerstift 18 im Schnitt. Der Einschnitt 21 ist in den Lagerteil des Stifts 18 eingeschnitten. Das Lagermaterial 19 liegt im Einschnitt 21 und deckt sich mit der Lagerfläche an der Lastseite des Lagers. An der oberen, unbelasteten Seite des Lagerstifte 18 befindet sich ein Raum 24 für das Schmiermittel. Die Mittelachse 22 der Lastseite des Stifts 18 und die Mittelachse 23 der unbelasteten Seite sind zueinander versetzt. Die Lastseite des Stifts 18 stimmt mit der Kontur des Konuslagers gut überein und ergibt eine größere Lastlagerkontaktfläche für eine längere Lebensdauer des Lagers. Zwischen dem Schneider H und dem Stift 18 rund um die untere Hälfte des Stifts 18 liegt dieser über einer Fläche, die der projektierten Durchmesserfläche des Stifts 18 nahe kommt. Das notwendige Spiel zwischen den beiden Teilen wird durch Schleifen oder Fräßen der oberen Stifthälfte erhalten. Dadurch wird die Belastung durch den Linienkontakt über eine weitere Fläche verbreitet und die Flächenbelastung verringert, wodurch auch die Abnutzung des Stifts verringert wird. Das Verbreiten der Belastung verringert die vom Lager erzeugte Wärme und verringert den Abbau des Fettes, was einen : äußerst hohen Druck bei bisherigen Lagern verursachen kann. Das geringere Spiel zwischen dem Stift und dem Schneider besitzt eine dämpfende- oder stoßabsorbierende Wirkung zwischen den während des rauhen vertikalen Erschüttern des Bohrens in Kontakt stehenden Flächen.

Nach den Beschreibung der baulichen Einzelheiten des Erdbohrmeißels 10 nach der Erfindung erfolgt nun die Erläuterung

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der Konstruktion des Meißels 10 anhand der Figuren 1 und 2.

Der Einschnitt 21 ist in den Stifteil des Lagerstifts 18 eingeschnitten. Das Lagermaterial 19 ist so bearbeitet oder gefräßt, daß es sich mit der Stiftfläche auf der Belastungsseite des Stifts deckt. Das Fräßen oder Bearbeiten der Belastungsseite und der unbelasteten Seite des Stifts erfolgt um die Achse 22 bzw, 23 herum. Dies ergibt einen Radius R-für die Belastungsseite des Stifts und einen Radius R₂ für dessen unbelastete Seite. Die Radien R-. und Rp können gleich sein, aber die Achsen 22 und 23 des Radius R₁ bzw. R₂ sind gegeneinander um etwa 0,12 mm versetzt, was im Raum 24 ein Spiel von 0,025 bis 0,375 mm ergibt. Die Mittelachse des Lagerstifts 18 liegt an der Achse 22. Dadurch wird das Spiel zwischen dem Konusschneider und der belasteten Fläche des Stifts verringert, wodurch die Belastung über ein größeres Gebiet verteilt werden kann. Das Spiel der Lastseite beträgt 0,025 mm. Der unbelastete Teil des Stifts ist mit einem größeren Spiel versehen, um die Verteilung des Schmiermittels zu verbessern und ein notwendiges Spiel zum Verhindern des Fressens zwischen Stift und Schneider ergibt.

Die Erfindung verbessert die Wirkung einer Ringdichtung 9. Die bisherigen Lager bewirkten das Exzentrischlaufen von Stift und Schneider, was einen übermäßigen Druck des Gummiringes im unbelasteten Gebiet ergab und möglicherweise einen schon unzureichenden Druck im unbelastetem Gebiet des Stifts verringerte. Die Erfindung ermöglicht das Zusammenfallen der Mittellinie des Stifts 18 und des Schneiders 14 und erzeugt ein-... gleichmäßiges verteiltes Zusammendrücken der Ringdichtung. Die Lebensdauer und die Ausbildung der Ringdichtung wird wegen der besseren gleichmäßigeren Belastung verlängert .

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Claims

Pa tentansprüche

1. Verfahren zum Anbauen eines Drehsteinmeißels, gekennzeichnet durch Ausbilden einer Belastungsfläche auf einem freitragenden Lagerstift (18) am Meißel (14) konzentrisch zum Stift und einer unbelasteten Fläche am Stift etwa exzentrisch zum Stift.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Herstellen eines Einschnitts (21) in der belasteten Fläche am Lagerstift (18), Füllen dieses Einschnitts mit Lagermaterial und solches Bearbeiten des Lagermaterials, daß es sich mit der belasteten Fläche zusammendeckt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch Anbringen eines rollenden Schneiders (H) am Lagerstift (18) mit geringerem Spiel zwischen dem Schneider und der Belastungsfläche und einem größeren

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BORO MÖNCHEN: TELPX: TFLEGRAMM: TFi rroN: BANKKONTO: POSTSCHECKKONTO: ST. ANNASTR. 11 1 - BMi M INVINTlON mm in BERLIN 31 W. MEISSNER, BLN-W 8000 MÖNCHEN 22 INVEN d BERLIN 030/891 60 37 BERLINER BANK AG. 122 82 -109 TEL.: 089/22 35 44 C30/B92 23 82 3695716000

Spiel zwischen dem rollenden Schneider und der unbelasteten Fläche.

4. Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch Anbringen einer Ringdichtung (9) zwischen dem Lagerstift (18) und dem rollenden Schneider (H) in der Weise, daß der Dichtungsring (9) im Betrieb praktisch gleichmäßig zusammengedrückt wird.

5. Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen bei einem Drehsteinmeißel mit mehreren Armen, gekennzeichnet durch Herstellen eines freitragenden Lagerstifts (18), der von jedem Arm des Meißels ausgeht, Herstellen einer Belastungsfläche an jedem Lagerstift, die praktisch zur Mittelachse des Lagerstifts (18) verläuft, und durch Herstellen einer unbelasteten Fläche an jedem Stift, die zur Mittelachse dieses exzentrisch liegt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch Anbringen eines rollenden Schneiders (H) an jedem Lagerstift (18) und eines Dichtungsringes (9) zwischen diesem Stift und dem rollenden Schneider, so daß die Ringdichtung im Betrieb des Meißels praktisch gleichmäßig zusammengedrückt wird.

7. Rollender Schneiderdbohrmeißel, der nach den Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen hergestellt worden ist, gekennzeichnet durch: mindestens einem Lagerstift (18), der vom Meißelkörper (11) abgeht, und an dem ein rollender Schneider (H) exzentrisch zu seiner Mittelachse angeordnet ist, durch eine belastete und eine unbelastete Fläche am Lagerstift, von der die belastete praktisch konzentrisch und die unbelastete exzentrisch zur Mittelachse des Stifts

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verläuft, und

durch einen Dichtungsring (9) zwischen dem Lagerstift

(18) und dem rollenden Schneider (14), der "beim Betrieb des Meißels praktisch gleichmäßig zusammengedrückt wird.

8. Meißel nach Anspruch 7 an einem Meißelkörper mit mindestens einem nach abwärts verlaufenden Arm, gekennzeichnet durch einen freitragenden Lagerstift (18), der vom Arm abgeht, einer konzentrischen belasteten Fläche am Stift (18), einer exzentrischen unbelasteten Fläche am Stift, einem rollenden Schneider (14), der am Stift drehbar angebracht ist, und mit einem geringerem Spiel zwischen der Belastungsfläche und dem Schneider und einem größeren Spiel zwischen der unbelasteten Eläche und dem Schneider, und durch eine Dichtung (9) an den Lagerstift herum zwischen diesem und dem Schneider der bei Betrieb des Meißels praktisch gleichmäßig zusammengedrückt wird.

9. Meißel nach Anspruch 8, gekennze ichnet durch einen Einschnitt (21) in der belasteten Fläche in Lagermaterial eingefüllt ist.

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