DE3039633A1

DE3039633A1 - Drehbohrmeissel, insbesondere fuer tiefbohrungen

Info

Publication number: DE3039633A1
Application number: DE19803039633
Authority: DE
Inventors: Rainer Dr.-Ing. 3100 Osterloh Jürgens
Original assignee: Christensen Inc
Current assignee: Norton Christensen Inc
Priority date: 1980-10-21
Filing date: 1980-10-21
Publication date: 1982-05-06
Also published as: MX154601A; CA1164856A; US4452324A; AU544570B2; BE890802A; JPS57100287A; DE3039633C2; GB2085945B; FR2492451B1; GB2085945A; FR2492451A1; AU7636981A

Description

_/ j ^- : j J J

Die Erfindung betrifft einen Drehbohrmeißel, insbesondere für Tiefbohrungen/ nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei bekannten Drehbohrmeißeln dieser Art, deren Schneidglieder z.B. aus mit polykristallinem Diamantmaterial beschichteten Hartmetallplättchen bestehen, sind die Düsenkanäle, aus denen die die Schneidglieder kühlende und das erbohrte Bohrklein fortschwemmende Spülflüssigkeit austritt, in der Regel senkrecht zur Formation, parallel zur Bohrmeißelachse oder in Zwischenstellungen zwischen diesen beiden Positionen angeordnet. Die durch solche Anordnungen erreichbare Kühlung der Schneidglieder und Reinigung des Bohrlochs von Bohrklein im Schneidbereich des Bohrmeißels ist hierbei insbesondere im Hochleistungsbohrbetrieb
häufig unzureichend, da der sich einstellende verwirbelte Strömungszustand der Spülflüssigkeit eine Kühlung der
Schneidglieder lediglich im Se-kundärstrom bewirkt mit
der Folge von Bohrkleinstauungen vor den Schneidgliedern und einer erhöhten Gleitreibung des abgeschälten Formatio|isspans auf der Schneidfläche der Schneidglieder. Dies
führt zu einem vermehrten Verschleiß an der Schneidkante
des Schneidgliedes infolge örtlicher Uberhitzungen des
Diamantmaterials aufgrund besonders hoher Reibungsenergie zwischen Formation und Schneidglied.

Der Erfindung liegt im wesentlichen die Aufgabe zugrunde,

ORIGINAL INSPECTED

- -. -ν " COPY

■einen Drehbohrmeißel der eingangs angegebenen Art zu schaffen, der im Interesse einer größeren Lebensdauer seiner Schneidglieder eine verbesserte Spülwirkung besitzt.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung durch eine Ausgestaltung des Drehbohrmeißels entsprechend den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Bei dieser Ausgestaltung werden die aus den Düsenkanälen austretenden Spülflüssigkeitsstrahlen unmittelbar auf die Sehneidglieder gelenkt, so daß diese unter Vermeidung von Wirbelbildungen in der Spülflüssigkeit von einem thermisch unbelasteten Primärstrom der Spülflüssigkeit gekühlt werden, wobei darüber hinaus die in Richtung des abströmenden Bohr-kleins weisende Komponente der Spülflüssigkeitsstrahlen einen schnellen Abtransport des Bohrkleins auf direktem Weg ohne Stauung vor den Schneidgliedern ermöglicht. Dabei wird eine vermehrte Gleitreibung des abgeschälten Formati >nsspans an der Schneidfläche durch dessen Hinterspülung ver hindert und der Span in Richtung dos Abfuhrwoges des Bohr kleins abgelenkt und abgeschert. Auf diese Weise sind ein< intensive Kühlung und Sauberspülung der Schneidglieder mi Hilfe der Spülflüssigkeit erreicht, so daß örtliche überhitzungen der Schneidglieder vermieden sind und deren Lebensdauer beträchtlich erhöht ist.

SAD ORIGINAL

ύJ ύbooo

Weitere Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Drehbohrmeißels ergeben sich zunächst aus den Ansprüche 2 bis 4. Durch die ferner nach der Erfindung vorgesehenen Ausgestaltungen entsprechend den Ansprüchen 5 -und 6 kann der in Abhängigkeit von der Geometrie des Drehbohrmeißels zu dessen Kalibrierbereich hin langsamer werdende Spülflüssigkeitsstrom durch die zunehmend tangential zum Kalibrierbereich des Drehbohrmeißels hin ausgerichteten äußeren oder oberen Düsenkanäle verstärkt werden, während durch die entsprechend zum Kalibrierbereich des Drehbohrmeißels hin ansteigenden Austrittsdurchmesser der Düsenkanäle entsprechend dem Anspruch 7 die nach außen hin zunehmende Spülflüssigkeitsmenge bei sich keilförmig aufweitenden Zwischenräumen zwischen den Schneidgliedern bereitgestellt werden kann.

Durch eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Drehbohrmeißels entspre-chend dem Anspruch 9 kann darüber hinaus eine Anpassung der Spülung des Drehbohrmeißels an die Förderleistung der Spülungspumpen und an die entsprechend den jeweiligen Bohrbedingungen benötigte Strömungsgeschwindigkeit der austretenden Spülflüssigkeitsstrahlen vorgenommenen werden, indem Düsenkörper mit entsprechend unterschiedlich gestalteten und bemessenen Düsenkanälen zum Einsatz gebracht werden.

ORIGINAL INSPECTED

Wegen weiterer,	- 8 - zusätzlicher Merkmale und Vorteile der	Gegenstands	einem Längsschnitt durch ein in einen
Erfindung.wird	auf die weiteren Unteransprüche sowie auf	; der Erfindung veranschaulicht sind. In	Grundkörpor einen Drehbohnneiße 1 η ein
die	nachfolgende Beschreibung in Verbindung mit der	Zeichnung zeigen:	gesetztes Schnei dg 1ird mit zugehör.l(\|tⁱm
Zeichnung vorwiesen, in dor mehrere Ausführungsbeispiele	1	DUsenkanal mit angrenzenden B(M eichen
des		des'Grundkörpers und der Formation,
der		cine Sf jrnansichi einet Reihe von
J-M. g.		Schneidgliedern mit zugehörigem Düsen
		kanal des bereichsweise dargestellten
	2	Grundkörpers im Längsschnitt,
		eine Draufsicht auf die Anordnung nach
		Fig. 2,
Fig.		einen Schnitt nach der Linie IV-IV der
	3	Fig. 3,
		eine Ansicht entsprechend Fig. 2 zur
	4	Veranschaulichung eines weiteren Aus
Fig.		führungsbeispiels ,
	5	eine Draufsicht auf die Anordnung nach
Fig.		Fig. 5,
		einen Schnitt nach der Linie VIl-VII
Fig.	6

	7
Fig.

Fig.

ν«α: ^ßAD original

COPV

der Fig. 6,

Fig. 8 eine perspektivische Darstellung eines

Trägerflügels mit einer Gruppe von Schneidgliedern und zugehörigen Düsenkanälen,

Fig. 9 einen Querschnitt durch den Trägerflügel nach Fig. 8,

Fig. 10 eine Querschnittsdarstellung entsprechend Fig. 9 zur Veranschaulichung eines anderen Ausführungsbeispiels,

Fig. 11 einen halben Axialschnitt durch den Arbeit bereich eines Drehbohrmeißels zur Veranschaulichung unterschiedlich ausgerichtete Düsenkanäle und

Fig. 12 eine weitere Ausführungsform eines Drehboh meißeis wiederum in einem halben Axialschnitt seines Arbeitsbereichs.

In der Fig. 1 kommt ein Grundkörper 1, der in an sich bekannter Weise aus einem geeigneten Stahl besteht, bereichsweise mit einem auf diesem in Form einer Matrix angebrachten Hartstoffbelag 2 zur Darstellung, in den eine Anzahl von Trä>jergliedern 3 für Schneidglieder 4 eingesintert ist. Die Schneidglieder 4, die insbesondere aus mit polykristallinem Diamantmaterial beschichteten Hartmetallplättchen kreisförmiger Gestalt bestehen, sind z.B. durch Löten, Kleben oder Klemmen mit dem jeweils

ORIGINAL INSPECTED COPY

— - _{= 10} _

zugehörigen Trägerglied 3 verbunden. In den Hartstoffbelag 2 des Grundkörpers 1 ist außerdem eine Düse 5 eingesintert/ deren Kanal 6 einen zum Schneidglied 4 hin gerichteten abgebogenen Ausmündungsbereich aufweist, währen der im Inneren des Hartstoffbelags 2 gelegene Bereich des Düsenkanals 6 in gerader Verlängerung eines Spülflüssigkeitskanals 7 ausgebildet ist, der mit der üblichen zentralen Spülflüssigkeitsbohrung des Meißels in Verbindung steht.

Bei 8 ist die Erd- bzw. Gesteinsformation angegeben, in der der Meißel arbeitet, wobei mittels des Schneidglieds 4 Späne 9 von der Formation 8 abgeschält werden. Der Düsenkanal 6 gibt dabei während des Bohrbetriebs einen Spülflüssigkeitsstrahl 10 ab, der unmittelbar auf die Spanfläche des Schneidgliedes 4 gerichtet ist und zusätzlich eine Bewegungskomponente in Richtung des entlang der Außenfläche des Grundkörpers 1 in üblicher Weise abströmenden Bohrkleins aufweist. Diese Ausgestaltung gewährleistet sowohl eine intensive Kühlung des Schneidgliedes 4, als auch einen schnellen Abtransport des Bohrkleins.

Bei der Ausgestaltung nach den Fig. 2 bis 4, bei der, wie auch im folgenden, zur Bezeichnung gleicher bzw. entsprechender Teile die gleichen Bezugszeichen verwendet

ORIGJNAL INSPECTED

V f: V ι r; ο r

kJ v^ ν.-· *.j ^j \J \_·

-werden, ist der Ausmündungsbereich des Düsenkanals 6 der Düse 5 in der Weise in bezug auf die Achse des Spülflüssigkeitskanals 7 abgebogen und in bezug auf die Schneidglieder 4 ausgerichtet, daß der Spülflüssigkeitsstrahl 10' tangential an den Schneidgliedern 4 in der Wei vorbeiführt, daß seine gedachte Mittelebene parallel und mit geringem Abstand zur Schneidfläche der der Düse 5 zugeordneten Schneidglieder 4 ausgerichtet ist, wie dies insbesondere Fig. 3 verdeutlicht. Außerdem ist der Spülflüssigkeitsstrahl 10' tangential zur anstehenden Formation in Richtung zum Kalibrierbereich des Drehbohrmeißels hin, d.h. in Richtung des abströmenden Bohrkleins, gerichtet, wie insbesondere Fig. 2 erkennen läßt. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel erfolgt eine intensive Kühlung der Schneidglieder 4 durch den deren Schneid fläche erfassenden Spulflussigkeitsstrahl 10' sowie ein schneller Abtransport des Bohrkleins aufgrund der mit der dem abfließenden Spulflussigkeitsstrom aufgeprägten Fließrichtung korrespondierenden Richtung des Spülflüssigkeitsstrahls 10'.

Bei dem weiteren Ausführungsbeispiel nach den Fig. 5 bis ist die Düse 5 derart angeordnet .und der Ausmündungsbereich ihres Kanals 6 derart ausgerichtet, daß der Spulflussigkeitsstrahl 10" mit seiner gedachten Mittelachse die Schneid- bzw. Spanfläche zugeordneter Schneidglieder <

ORIGINALINSPECTED

cöpv

υ ο ζ) ο J ο

.unter einem spitzen Winkel OC schneidet. Durch eine solche direkte Beaufschlagung beteiligter Schneidglieder 4 durch den ankommenden Spulflüssigkeitsstrahl 10" wird eine besonders intensive Kühlung und Fortschwemmung des Bohrkleins erreicht.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 8 bis 10 sind zur Vereinigung mit einem Mei-ßelgrundkörper 11 aus einem geeignetem Stahl Trägerflügel 12 vorgesehen, die zumindest in ihrem oberseitigen Bereich einen Hartstoffbelag besitzen, in den die Schneidglieder 4 mit ihren Trägergliedern 3 zu einer Gruppe zusammengefaßt eingesintert sind. In den Trägerflügel 12 sind dabei in entsprechenden Abständen und in geeigneter Ausbildung und Ausrichtung Düsenkanäle 13 mit zu den Schneidgliedern hin und in Abströmrichtung des Bohrkleins abgebogenen Ausmündungsbereichen eingearbeitet, die mit Spülflüssigkeits kanälen 14 des Grundkörpers 11 in Verbindung stehen. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 9 münden die Düsenkanäle 13 in Bohrschlammnuten aus, während sie bei dem Beispiel nach Fig. 10 vor den Bohrschlammnuten ausmünden. Die vorgefertigten Trägerflügel 12 können mit dem Grundkörper 11, der aus einem normalen Stahl bestehen kann, durch Ofenhartlötung vereinigt werden, jedoch ist entspre-chend der Darstellung in Fig. 10 auch eine bei 15 angedeutete Schweißverbindung mit dem Grundkörper 11 mög-

COPY -.-.·: ORIGINAL INSPECTED

::■;::^: G 3 3

..lieh, sofern der im übrigen von einer Hartstoffmatrix gebildete Trägerflügel 12 mit Stahlleisten 16 im Verbindungsbereich versehen ist.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 11 ist mit besonderer Deutlichkeit ersichtlich, daß die Düsenkanäle 6 der im Grundkörper 1 des Drehbohrmeißels festgelegten oberen, äußeren Düsen 5 zum Kalibrierbereich des Drehbohrmeißels hin bzw. in die Richtung des entlang der Cbe fläche des Grundkörpers 1 abströmenden Bohrkleins aus der Verlängerungsachse der Spülflüssigkeitskanäle 7 umgebogene oder abgewinkelte Austrittsbereiche aufweisen. Die zentrale Spülflüssigkeitsbohrung, mit der die Spülflüssigkeitskanäle 7 in Verbindung stehen,ist in Fig. 11 bei 17 dargestellt. Die Formation ist in Fig. 11 bei 18 angedeutet.

Die Formation 18, der Grundkörper 1 und die in diesen mit ihren Trägergli edern 3 eingesetzten Schneidglieder 4 bilden einen Strömungskanal 19, in dem das Bohrklein vom mittleren Bereich des Drehbohrmeißels radial nach außen und gleichzeitig nach oben transportiert werden muß. Der Abtransport des Bohrkleins wird dadurch beg-ünstigt, daß die aus den Düsenkanälen 6 austretenden Spülflüssigkeitsstrahlen in Strömungsrichtung des Strömungskanals 1 bzw. tangential zu>- Formation 22 gerichtet sind. Zu-

ORIGINAL INSPECTED .

COPY

sätzlich ist auch bei diesem Beispiel, wie eingangs anhand der Fig. 1 bis 7 erläutert, eine Ausrichtung der Spülflüssigkeitsstrahlen auf die Schneidglieder 4 hin vo sehen. Für die angestrebte intensive Kühlung der Schneid glieder 4 entspricht die Kegelbreite der aus den Düsenkanälen 6 austretenden Spülmittelstrahlen jeweils den Flächenabmessungen der mit der Spülflüssigkeit zu beaufschlagenden Bereiche der Schneidglieder 4.

Während die Austrittskomponente der aus den abgebogenen Düsenkanälen 6 der Düsen 5 austretenden Spülflüssigkeitsstrahlen angenähert parallel zur benachbarten Oberfläche des Grundkörpers 1 ausgerichtet ist, sind bei dem dargestellten Beispiel nach Fig. 11 im mittleren, unteren Bereich des Grundkörpers 1 des Drehbohrmeißels in an sict bekannter Anordnung Düsen 2 0 mit parallel zur Bohrmeißelachse ausgerichteten Düsenkanälen 21 und im Übergangsbereich zu dem von den Düsen 5 eingenommenen oberen Bereich des Grundkörpers 1 Düsen 22 mit zur Bohrmeißelachse leicht geneigten Düsenkanälen 23 vorgesehen, die ihrerseits über die Spülflüssigkeitskanäle 7 mit der zentralen Spülflüssigkeitsbohrung 17 in Verbindung stehen.

Statt dessen ist auch eine Ausgestaltung und Anordnung en sprechend dem Beispiel mich Fig. 12 möglich, bei dem die Richtungskomponente der aus den Düsen 5 austretenden Spül

COPY ORIGINAL INSPECTED

., ..■ J O O

. flüssigkeitsstrahler: von im mittleren Bereich des Grundkörpers 1 angeordneten Düsen zu im Seitenbereich des Grundkörpers 1 vorgesehenen Düsen hin ansteigt. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 12 sind die ein solches Strahlungsmuster erzeugenden Düsen 5 von gesonderten, au wechselbar im Grundkörper 1 befestigten Düsenkörpem24 aus erosionsfestem Material gebildet. Die Düsenkörper 24 sind mittels Gewindeverbindungen 25 im Grundkörper 1 fesgelegt und stehen über die Spülflüssigkeitskanäle 7 mit der zentralen Spülflüssigkeitsbohrung 17 des Drehbohrmeißels in Verbindung.

Sämtliche Düsenkanäle 6 besitzen bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 12 in ihrem Austrittsbereich eine Abbiegen zum Kalibrierbereich hin, der in Fig. 12 bei 26 zur Darstellung kommt. Die Auswechselbarkeit der Düsenkörper 2 4 bietet die Möglichkeit, Anpassungen an die jeweiligen Bohrbedingungen hinsichtlich der Spülflüssigkeitsversorgung der Meißelschneidfläche vorzunehmen, indem in ihrem Außendurchmesser zwar gleiche, passende Düsenkörper 24 in die entsprechenden Gewindebohrungen des GrurJdkörpers 1 eingeschraubt werden, die jedoch unterschiedlich gestaltete Düsenkanäle 6 aufweisen. Beispielsweise können ohne weiteres Düsenkanäle mit unterschiedlichen Durchmessern, insbesondere Austrittsdurchmessern, vorgesehen sein /und zwar in der Weise, daß der Austrittsdurchmesser

ORIGINAL INSPECTED
COPY

υ j y b

der Düsenkanäle 6 zum Kalibrierbereich 26 hin ansteigt. Aus der Darstellung in Fig. 12 ist ersichtlich, daß der Düsenkanal 6 des Düsenkörpers 24 im mittleren, unteren Bereich des Grundkörpers 1 den kleinsten Austrittsquerschnitt im Vergleich zu den Düsenkanälen 6 der anderen Düsenkörper 24 aufweist.

Anstelle von der Bohrmeißelachse unmittelbar benachbarteji, unteren auswechselbaren Düsenkörpem 24 können wegen in Abhängigkeit von der Meißelgeometrie mehr oder weniger beengten Raumverhältnissen im mittleren Meißelbereich Düsen unmittelbar in die Hartstoffmatrix 2¹ eingesintert oder eingeformt sein, wie auch in diesem Bereich anstelle der Schneidglieder 4 andere, kleinere Schneidglieder, zum Beispiel natürliche oder synthetische Diamanten, wie bei 27 angedeutet, in die Hartstoffmatrix 2¹ eingesinter : san können. Auf eine Austauschbarkeit von Düsenkörpern im mittleren Bereich des Drehbohrmeißels kann ohne nennenswerte Nachteile auf das insgesamt erreichte Spülflussigkeitsmuster verzichtet werden.

INSPECTED

-Al-Leerseite

Claims

Patentansprüche:

1. Drehbohrmeißel, insbesondere für Tiefbohrunge

bestehend aus einem Grundkörper mit einem Kalibrierbereich und einer Schneidfläche, die von an seinem Außenumfang über Träger glieder abgestützten, vorstehenden Schneidgliedern definiert ist und von Spülflüssigkeit durchströmbare Düsenkanäle aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einige der Düsenkanäle (6;13) einen auf die Schneidglieder (4) gerichteten Ausmündungsbereich aufweisen, der den aus ihnen austretenden Spülflüssigkeitsstrahlen (10;10';10") zugleich eine Ausrichtun mit zumindest einer in die Richtung des entlang der Außenfläch des Grundkörpers j[.1; 11) abströmenden Bohrkleins weisenden Komp> nente vorgibt.

2. Drehbohrmeißel nach Anspruch 1, dadurch geken:

zeichnet, daß die gedachte Mittelachse des aus einer Düse (5) ^!- austretenden Spülmittelstrahles (10") die Schneidfläche von dieser Düse zugeordneten Schneidgliedern (4) unter einem spitzi

COPY
ORIGINAL INSPECTED

- 2 Winkel (&) schneidet.

3. Drehbohrmeißel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß'die gadachte Mittelebene des aus einer Düse (5) austretenden Spülmittelstrahles (10¹) parallel zur Schneidfläche der disser Düse zugeordneten Schneidglieder (4) ausgerichtet ist.

4. Drehbohrmeißel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen (5) in ihrem vor der Austrittsöffnung gelegenen Bereich ihres Düsenkanals (6) einen zum Kalibrierbereich

(26) des Meißels hin umgebogenen oder abgewinkelten Verlauf aufweisen.

5. Drehbohrmeißel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtungskomporente der aus den Düsen (5) austretenden Spülflüssigkeitsstrahlen von im mittleren Bereich des Grundkörpers (1) angeordneten Düsen zu im Seitenbereich des Grundkörpers vorgesehenen Düsen hin ansteigt.

6. Drehbohrmeißel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtungskomponente von Spülflüssigkeitsstrahlen aus im Seite bereich des Grundkörpers (1) angeordneten Düsen (5) angenähert parallel zur benachbarten Oberfläche des Grundkörp

ORJGINAL'INSPECTED

ππρυ

- 3 ausgerichtet ist.

7. . Drehbohrmeißel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet_v daß der Austrittsdurchmesser der Düsenkanäle (6) vom mittleren Bereic zum Kalibrierbereich (26) des Grundkörpers (1) hin ansteigend bemessen ist.

8. Drehbohrmeißel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kegelbreite der aus den Düsenkanälen (6) austretenden Spülflüssigkeitsstrahüen (10; 10 ' , 1 O" ) jeweils; den Flächonabmcijsuncjon dor mit SpUl f lÜHsigkeil zu beiiufseh ' cujonden Bereiche der Schneidglieder (4) im wesentlichen entspricht

9. Drehbohrmeißel ncich einem odor mehreren der Ansprüche I bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die im Seitenbereich der Schneidfläche des Grundkörpers (1) angeordneten Düsen (5) von gesonderten, auswechselbar im Grundkörper befestigten Düsenkörpern (24) aus erosionsfestem Material gebildet sind.

10. Drehbohrmeißel nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die auswechselbaren Düsenkörper (24) mittels Gewindeverbindungen (25) im Grundkörper (1) fest-•-K^! If)I ;i t lid .

COPY

.J vj U O yj

-A-

11. Drehbohrmeißel nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen im mittleren Bereich der Schneidfläche des Grundkörpers (1) unmittelbar in einen auf diesen aufgebrachten Hartstoffbelag (2¹) eingeformt sind.

12. Drehbohrmeißel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsenkanäle /13) in mit dem Grundkörper (1Ό vereinigten, die Schrieidglieder (4) darbietenden Ie i s ten f örmi gen Trag rflügein (12) ausgebildet sind.

COPV

ORIGINAL INSPECTED