DE2938524C2 - - Google Patents
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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.
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Legal Events
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Representative=s name: HANSMANN, A., DIPL.-WIRTSCH.-ING., PAT.-ANW., 8000 |
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