DE2938524C2 - - Google Patents

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    • E21EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21BEARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
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    • E21B10/46Drill bits characterised by wear resisting parts, e.g. diamond inserts
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Description

Die Erfindung betrifft einen Bohrmeißel zum Gesteinsbohren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Bohrköpfe für das Rotationsbohren werden gewöhnlich unter Verwendung von Naturdiamanten hergestellt. Diese Bohrköpfe werden zum Niederbringen von Tiefbohrungen durch harte abrasive Schichten in tiefen Formationen eingesetzt. Typische Kennzeichen dieser Tiefbohrtechnik ist der langsame Bohrfort­ schritt (0,6 bis 1,2 m pro Stunde) und die lange Standzeit des Bohrkopfes (bis zu 300 Stunden). Da Diamant wärmeempfindlich ist und die einzelnen Schneiden des Bohrkopfes gekühlt und ge­ reinigt werden müssen, sind für wirtschaftliches Bohren gute hydraulische Verhältnisse am Bohrkopf erforderlich. Zur Erzielung von akzeptablen hydraulischen Verhältnissen am Bohrkopf wurde bisher von den Bohrkopfherstellern der freiliegende Bereich der einzelnen Diamantteilchen klein gehalten. Herkömmliche Diamant­ bohrköpfe für das Rotationsbohren enthalten einzelne in der Ober­ fläche gefaßte Diamanten, die in der Größenordnung von ungefähr 1,5 mm abstehen und damit in dieser Größenordnung in das Ge­ stein eingreifen.
Es wurde in jüngster Zeit vorgeschlagen, synthetische Diamant­ preßlinge in Form von Diamantaggregaten und in Form von Verbundplättchen als Schneidelemente in rotierenden Bohrköpfen einzusetzen. Derartige Preßlinge werden vorzugsweise nach dem in der US-PS 37 45 623 beschriebenen Verfahren hergestellt.
Mit Gesteinsbohrwerkzeugen, die mit Diamantpreßlingen bestückt sind, bei denen eine gesinterte Diamantschicht innig mit einer aus Wolframkarbid und Kobalt bestehenden Sinterhartmetallschicht verbunden ist, lassen sich harte sandige Schiefergesteinsschichten und andere abrasive Formationen besser abtragen. Obwohl mit rotierenden Bohrköpfen, die mit Diamantpreßlingen bestückt sind, ein schnellerer Bohrfortschritt und eine entsprechende oder längere Standzeit als mit Diamantbohrköpfen erzielt wird, kann häufig optimale Bohrleistung nicht erreicht werden, weil das unter Sperr­ druck stehende Schiefergestein an der Sinterdiamantschneidfläche haftet. Eine derartige Verstopfung der einzelnen Schneidelemente führt zu einem Absinken des Bohrfortschrittes und zu einer Über­ hitzung der Schneidelemente, wodurch wiederum der Verschleiß größer und damit die Standzeit des Bohrkopfes geringer wird.
Bei mit Diamantpreßlingen bestückten rotierenden Bohrköpfen stehen die einzelnen Schneiden viel weiter vor und es wird da­ durch ein stärkerer Eingriff in das Gestein erreicht. Mit der­ artigen Bohrmeißeln läßt sich Gestein abtragen, das aufgrund der in Bohrtiefen von 1500 bis 4500 m und darüber lastenden Drücken plastisch verformt ist. Die Schneidmeißel werden am Bohrkopf gewöhnlich derart angeordnet, daß der Spanwinkel der Schneide negativ ist und im Bereich von 5 bis 25° liegt. Die Schneiden sind gewöhnlich rund oder gerade und die Späne aus plastischem Gestein werden an die flache Oberfläche der Sinterdiamantschicht gepreßt. Zur Aufrechterhaltung einer scharfen Schneide muß die Sinterdiamantoberfläche gereinigt und gekühlt werden. Zu diesem Zweck ist der Bohrkopf derart ausgestaltet, daß der Bohrschlamm über die Spanfläche ge­ schwemmt wird. In der Praxis ist es jedoch schwierig, die hydraulischen Bedingungen für diese Art von Bohrschlamm­ führungen sicherzustellen, wenn die Schneidmeißel um einen Sollbetrag von 6 mm oder mehr bloß liegen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen gattungsgemäßen Bohrmeißel bereitzustellen, der hinsichtlich Verstopfung, Tiefenvorschub sowie Erwärmung gegenüber bekannten Bohr­ meißeln verbesserte Eigenschaften aufweist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Bohrmeißel gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Eine be­ vorzugte Weiterbildung dieses Bohrmeißels ist dem Patent­ anspruch 2 zu entnehmen.
Der Bohrmeißel enthält ein pflugförmiges Schneidelement, vorzugsweise ein Schneid­ element in Form eines Verbundpreßlings mit einer im großen und ganzen V-förmigen Pfluggeometrie. Der eingeschlossene Win­ kel, d. h. der Spitzenwinkel des V-förmigen Elementes liegt vor­ teilhafterweise im Bereich von 60° bis 90° und beträgt vorzugs­ weise ungefähr 75°. Das Schneidelement kann aus Diamantpreß­ lingen hergestellt werden und dann unter Verwendung herkömm­ licher Befestigungstechniken entweder direkt am Bohrkopf oder an einem Meißelkörper befestigt werden, der dann am Bohrkopf befestigt wird. Die Schneidelementgeometrie nach der Erfindung ermöglicht eine aggressive Schneidwirkung und eine längere Standzeit, da die Neigung der Schneidmeißel zur Verstopfung durch klebrige plastische Gesteinsteilchen eliminiert wird. Da aufgrund der erfindungsgemäßen Schneidkeilgeometrie keine Spanansammlung an der Spanfläche, sondern vielmehr ein Span­ abfluß weg von der Spanfläche erfolgt, verringern sich die kritischen Anforderungen für die hydraulischen Bedingungen am Bohrkopf. Die Schneiden stehen daher beim Bohren stets um den maximalen Betrag vor, so daß dadurch die maximale Bohr­ leistung gewährleistet bleibt.
Die Erfindung wird nun näher an Hand von Zeichnungen erläutert, in denen zeigt
Fig. 1 eine schematische Vorderansicht einer erfindungsge­ mäßen Ausführungsform eines Bohrmeißels für rotierende Bohrköpfe,
Fig. 2 eine schematische Seitenansicht der Ausführungsform nach Fig. 1 und
Fig. 3 eine schematische Draufsicht auf die Ausführungsform nach Fig. 1.
In der Zeichnung ist eine bevorzugte Ausführungsform eines Bohrmeißels dargestellt. Der Bohrmeißel 10 weist einen Schaftteil 12 und ein Schneidelement 14 auf. Bei der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform weist der Schaftteil 12 einen rechteckigen Querschnitt auf. Der Schaftteil kann natürlich irgendeine andere für die Befestigung an einem Bohr­ kopf geeignete Form aufweisen, wobei der Bohrkopf zum Nieder­ bringen von Öl- und Gasbohrungen in verschiedenen Gesteins­ formationen im Rotationsbohrverfahren verwendet wird. In der Praxis werden eine Reihe von Bohrmeißeln 10 und/oder indivi­ duelle Schneidelemente 14 an der Krone eines Rotationsbohr­ kopfes unter für den beabsichtigten Bohrvorgang geeigneten Span­ winkeln befestigt.
Es hat sich herausgestellt, daß durch entsprechende Form­ gebung der Spanfläche des Bohrmeißels 10 ein Wegpflügen des Gesteins von der Spanfläche erreicht wird. Durch diesen Pflugeffekt wird die Gefahr einer Verstopfung des Meißels merk­ lich verringert oder sogar gänzlich beseitigt, so daß ein höherer Tiefenvorschub und eine verringerte Erwärmung des Meißels erreicht wird.
Wie aus der Zeichnung ersichtlich, wird die entsprechende Form der Spanfläche durch Verwendung eines die Form eines Drei­ kantes aufweisenden Schneidelementes 14 erzielt, das eine im all­ gemeinen V-förmige Spanfläche besitzt. Die Schenkelteile L der V-förmigen Fläche stoßen an der Kante E aneinander und schließen einen Winkel α ein. Der Spitzenwinkel α sollte im Bereich von 60° bis 90° liegen. Vorzugsweise sollte der Spitzen­ winkel α ungefähr 75° sein. Je nach dem Anwendungszweck kann es vorteilhaft sein, einen Freiwinkel von wenigen Graden, bei­ spielsweise von β=7°, vorzusehen.
Damit die Schneidkante E möglichst lange scharf bleibt, wird das Schneidelement 14 vorzugsweise unter Verwendung hoch­ verschleißfester Stoffe hergestellt, insbesondere unter Ver­ wendung von Aggregatpreßlingen oder Verbundpreßlingen aus Diamant, kubischem Bornitrid oder Bornitrid mit Wurtzit­ struktur oder Mischungen dieser Hartstoffe.
Mit Aggregatpreßlingen wird ein aus Abrasivteilchen zusammen­ gesetzter Körper bezeichnet, in dem die Abrasivteilchen entweder (1) direkt aneinandergebunden oder (2) mit Hilfe eines zwischen den Kristallen vorgesehenen Bindemittels aneinandergebunden sind oder aber auch (3) durch eine Kombination der Bindungsarten (1) und (2) aneinandergebunden sind. Verschiedene Arten von Preß­ lingen und Verfahren zu ihrer Herstellung sind in den US-Patent­ schriften 31 36 615, 31 41 746 und 32 33 988 näher erläutert.
Mit Verbundpreßling wird ein Körper bezeichnet, bei dem ein Aggregatpreßling mit einer Unterlage aus Sinterhartmetall ver­ bunden ist. Die Bindung zwischen der Abrasivschicht und der Unterlage kann entweder während oder nach der Bildung des Aggregatpreßlings erfolgen. Verschiedene Arten von Verbund­ preßlingen sowie Verfahren zu ihrer Herstellung sind den US- Patentschriften 37 45 623, 37 45 489 und 37 67 371 näher erläutert.
Mit Sinterhartmetall wird ein Werkstoff bezeichnet, der aus einem oder mehreren Karbiden eines Metalls aus den Gruppen IVb, Vb und VIb des Periodischen Systems und einem oder mehreren Bindemetallen aus der Eisen, Nickel und Kobalt um­ fassenden Gruppe besteht. Typische Sinterhartmetalle bestehen aus Wolframkarbid in einer Kobaltmatrix oder Titankarbid in einer Nickelmatrix.
Das V-förmige Schneidelement 14 besteht vorzugsweise aus einem Verbundpreßling, der eine Unterlage 14A aus Sinterhartmetall und eine Abrasivschicht 14B aufweist. Wie bereits erwähnt, kann die Abrasivschicht Abrasivteilchen aus Diamant, kubischem Bor­ nitrid oder Bornitrid mit Wurtzitstruktur oder Mischungen der vorgenannten Abrasivteilchen enthalten.
Wie aus der Zeichnung zu ersehen ist, enthält das Schneidelement 14 eine einen dreieckigen Querschnitt aufweisende Unterlage 14A aus einem beispielsweise aus Kobalt und Wolframkarbid bestehen­ den Sinterhartmetall. Die Unterlage 14A kann am Meißelschaft 12 in herkömmlicher Weise befestigt werden, insbesondere durch Hartlöten mit induktiver Erwärmung, durch Ofenlöten oder mit Hilfe einer Preßpassung, wie sie häufig von den Herstellern von Tiefbauausrüstungen für Öl- und Gasbohrungen verwendet wird.
Auf den beiden Schenkeln der Unterlage 14A ist die Abrasivschicht 14B aufgebracht, so daß in der aus Fig. 3 ersichtlichen Weise eine im wesentlichen V-förmige Oberfläche entsteht. Die an der länglichen Arbeitsschneide E unter einem Spitzenwinkel anein­ anderstoßenden Schenkelflächen L üben einen pflugartigen Effekt auf die Gesteinsspäne aus. Das Schneidelement 14 kann in der in der US-PS 37 45 623 beschriebenen Weise hergestellt werden.
Alternativ kann das Schneidelement 14 auch aus zwei plättchen­ förmigen Diamantverbundpreßlingen hergestellt werden, die zur Bildung der Pflugform unter einem geeigneten Spitzenwinkel aneinandergefügt sind. Solche plättchenförmigen Verbundpreß­ linge sind unter der Handelsbezeichnung STRATAPAX von der General Electric Company erhältlich. Diese handelsüblichen Verbundpreßlinge bestehen aus einer Hartmetallunterlage, auf der eine polykristalline Diamantschicht aufgebracht ist.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein neues Bohrverfahren, bei dem eine Gesteinsformation mit einem Schneidelement, das eine im allgemeinen V-förmige Pflugkonfiguration aufweist, in Eingriff gebracht und relativ zur Gesteinsschicht derart bewegt wird, daß die Spitze als Vorderkante einen Späneabfluß entlang den Pflug­ schenkeln und damit weg von der Arbeitsschneide bewirkt, so daß ein größerer Tiefenvorschub erzielt wird.

Claims (2)

1. Bohrmeißel zum Gesteinsbohren, der Schneidelemente besitzt, die jeweils einen Trägerteil aus Hartmetall und einen damit verbundenen Schneidteil aus Diamant, kubischem Bornitrid und/oder Bornitrid mit Wurtzit­ struktur aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß der Schneidteil von einer V-förmigen Schicht auf dem Trägerteil (14A) gebildet ist, deren Schenkel (L) einen Winkel von 60°-90° einschließen.
2. Bohrmeißel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der von den Schenkeln (L) eingeschlossene Winkel 75° beträgt.
DE19792938524 1978-10-02 1979-09-24 Schneidelement und bohrmeissel zum gesteinsbohren Granted DE2938524A1 (de)

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