DE3039633C2

DE3039633C2 - Drehbohrmeißel, insbesondere für Tiefbohrungen

Info

Publication number: DE3039633C2
Application number: DE3039633A
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: 1983-08-18
Also published as: AU544570B2; FR2492451B1; BE890802A; JPS57100287A; GB2085945A; DE3039633A1; AU7636981A; GB2085945B; CA1164856A; MX154601A; FR2492451A1; US4452324A

Description

Die Erfindung betrifft einen Drehbohrmeißel, insbesondere für Tiefbohrungen, nach dem Oberbegriff des

Patentanspruchs 1.

Es sind Drehbohrmeißel für Tiefbohrungen bekannt (DE-OS 28 21 307, US-PS 23 65 941), bei denen die aus den Düsenkanälen austretenden, die Schneidglieder kühlenden und das erbohrte Bohrklein fortschwemmenden Spülflüssigkeitsstrahlen parallel zu den Schneidgliedern radial nach außen hin in untereinander gleicher Grundrichtung abgeführt werden. 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, insbesondere im Außenbereich, lediglich im Sekundärstrom bewirkt mit der Folge von Bohrkleinstauungen vor den Schneidgliedern und einer erhöhten Gleitreibung des abgeschälten Formationsspans auf der Schneidfläche der Schneidglieder. Dies führt zu einem vermehrten Verschleiß an der Schneidkante des Schneidgliedes infolge örtlicher Oberhitzungen des Diamantmaterials aufgrund besonders hoher Reibungsenergie zwischen Formation und Schneidglied.

Ähnliche Bedingungen liegen bei einem weiteren bekannten Drehbohrmeißel fur Tiefbohrungen (FR-PS 12 65 943) vor, bei dem die Spülmittelstrahlen ebenfalls parallel zu den Schneidgliedern radial nach außen hin abgeführt werden. Dabei sind nur im mittleren Bereich des Meißelgrundkörpers ausmündende Düsenkanäle für die Spülflüssigkeit vorgesehen, die in einem im Querschnitt stark elliptischen bzw. langlochartigen Strahlenmuster aus den Düsenkanälen austritt. Zur Erzielung einer derartigen Flachform der Spülflüssigkeitsstrahlen ist iß- dem bekannten Fall u. a. eine Ausgestaltung vorgesehen, bei der drei eng beieinander liegende Austrittsöffnungen in der Weise unterschiedlich, der langen Achse eines elliptischen Strahlenmusters folgend, ausgerichtet sind, daß durch Überlagerung der austretenden einzelnen Spülflüssigkeitsstrahlen jeweils ein Spülflüssigkeitsgesamtstrahl der angestrebten Flachform im mittleren Bereich des Meißelgrundkörpers zur Abspülung der Schneidfläche in diesem Bereich erzeugt wird.

Zur Verbesserung der Spülwirkung im Interesse einer größeren Lebensdauer der Schneidglieder ist schließlich

fin ein Drehbohrmeißel gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bekanntgeworden (DE-OS 27 24 547), bei dem durch die den auf die Schneidglieder gerichteten Ausmündungsbereich aufweisenden Düsenkanäle Spülflüssigkeitsstrahlen unmittelbar auf die

tji Schneidglieder gelenkt werden, so daß diese unter Vermeidung von Wirbelbildungen in der Spülflüssigkeit von einem thermisch unbelasteten Primärstrom der Spülflüssigkeit gekühlt werden. Zugleich wird durch die

in Richtung des abströmenden Bohrkleins weisende Komponente der Spülflüssigkeitsstrahlen ein schneller Abtransport des Bohrkleins auf direktem Weg ohne Stauung vor den Schneidgliedern begünstigt Die Anordnung der Düsenkanäle mit dem gerichteten Ausmündungsbereich ist bei diesem bekannten Drehbohrmeißel so getroffen, daß die in Richtung des abströmenden Bohrkleins weisende Komponente der austretenden Spülflüssigkeitsstrahlen über die gesamte Schneidfläche des Grundkörpers hinweg gleichgerichtet ist Hierbei bleibt ein variierendes Strömungsverfahren der Spülflüssigkeit im Meißelbereich unberücksichtigt

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Drehbohrmeißel der angegebenen Art zu schaffen, bei dem die Spülwirkung der aus den Düsenkanälen mit dem gerichteten Ausmündungsbereich austretenden Spülflüssigkeit an die Geometrie des Drehbohrmeißels zur Erzielung einer intensiven Spülung der gesamten Schneidfläche unter Einbeziehung der im Seitenbereich des Mcißelgrundkörpers angeordneten Sc>;aeidglieder angeglichen ist

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung durch eine Ausgestaltung gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst Aufgrund der hierbei vorgesehenen unterschiedlichen Richtungskomponenten der aus den Düsen mit dem gerichteten Ausmündungsbereich austretenden Spülflüssigkeitsstrahlen erfährt der in Abhängigkeit von der Geometrie des Drehbohrmeißels zu dessen Kalibrierbereich hin langsamer werdende Spülflüssigkeitsstrom entsprechend den zunehmend ansteigend bzw. tangential zum Kalibrierbereich des Drehbohrmeißels hin ausgerichteten äußeren oder oberen DQsenkanälen eine Verstärkung in der Weise, daß eine intensive Kühlung und Sauberspülung der Schneidglieder insbesondere auch im äußeren bzw. oberen Seitenbereich des Meißelgrundkörpers stets gewährleistet ist, um auf diese Weise örtliche Überhitzungen der Schneidglieder zu vermeiden ind deren Lebensdauer insgesamt zu erhöhen.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann durch entsprechend zum Seitenbereich des Grundkörpers hin ansteigende Austrittsdurchmesser der Düsenkanäle, wie im Anspruch 5 angegeben, die nach außen hin zunehmende Spülflüssigkeitsmenge bei sich keilförmig aufweitenden Zwischenräumen zwischen den Schneidgliedern bereitgestellt werden.

Durch eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Drehbohrmeißels entsprechend dem Anspruch 7 kann darüber hinaus eine Anpassung der Spülung des Drehbohrmeißel an die Förderleistung der Spülungspumpen und an die entsprechend den jeweiligen Bohrbedingungen benötigte Strömungsgeschwindigkeit der austretenden Spülflüssigkeitsstrahlen vorgenommen werden, indem Düsenkörper mit entsprechend unterschiedlich gestalteten und bemessenen Düsenkanälen zum Einsatz gebracht werden.

Wegen weiterer, zusätzlicher Merkmale der Erfindung wird auf die weiteren Unteransprüche verwiesen; in der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele des Gegenstands der Erfindung veranschaulicht. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt durch ein in einem Grundkörper eines Drehbohrmeißels eingesetztes Schneidglied mit zugehöi'.gem Düsenkanal mit angrenzenden Bereichen des Grundkörpers und der Formation,

ίο

F i g. 2 eine Stiniansicht einer Reihe von Schneidgliedern mit zugetrönigem Düsenkanal des bereichsweise dargestellten Grundkörpers im Längsschnitt,

Fig.3 .eine Draufsicht auf die Anordnung nach Fig.2,

F i g. 4 einen Schnitt nach der Linie IV-IV der F i g. 3, F i g. 5 eine perspektivische Darstellung eines Trägerflügels mit einer Gruppe von Schneidgliedern und zugehörigen Düserikanälen,

F i g. 6 einen Querschnitt durch den Trägerflügel nach F ig. 5,

Fig.7 eine Querschnittsdarstellung entsprechend Fig.6 zur Veranschaulichung eines anderen Ausführungsbeispiels,

F i g. 8 einen halben Axialschnitt durch den Arbeitsbereich eines Drehbohrmeißels zur Veranschaulichung unterschiedlich ausgerichteter Düsenkanäle und

Fig.9 eine weitere Ausführungsform eines Drehbohrmeißels wiederum in einem j-alben Axialschnitt seines Arbeitsbereichs.

In der F i g. 1 kommt ein Grundkörper 1, der in an sich bekannter Weise aus einem geeigneten Stahl besteht, bereichsweise mit einem auf diesem in Form einer Matrir angebrachten Hartstoffbelag 2 zur Darstellung, in den eine Anzahl von Trägergüedern für Schneidglieder4 eingesintert ist Die Schneidglieder4,die insbesondere aus mit polykristallinem Diamantmaterial beschichteten Hartmetallplättchen kreisförmige! Gestalt bestehen, sind z. B. durch Löten, Kleben oder Klemmen mit dem jeweils 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, während 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.

E Ji 8 ist die Erd- bzw. Gesteinsformation angegeben, in der der Meißel arbeitet wobei mittels des Schneidglieds 4 Späne 9 von der Formation δ abgeschält werden. Der Düsenkanal 6 gibt dabei während des Bohrbetriebs einen Spülflüssigkeitsstrahl 10 ab, der unmittelbar auf die Spanfläche des Schneidglieds 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 <icr Ausgestaltung nach den F i g. 2 bis 4, bei der, wie auch im folgenden, zur Bezeichnung gleicher bzw. entsprechender T*ile die gleichen Bezugszeichen verwendet werden, ist die Düse 5 derart angeordnet und der Ausmündungsbereich ihres Kanals 6 derart ausgerichtet da3 der Spülflüssigkeitsstrahl 10' mit seiner gedachten Mittelachse die Schneid- bzw. Spanfläche zugeordneter Schneidglieder 4 unter einem spitzen Winkel « schneidet. Durch eine solche direkte Beaufschlagung beteiligter Schneidglieder 4 durch den ankommenden Spülflüssigkeitsstrahl 10' wird eine besonders intensive Kühlung und Fortschwemmung des Bohrkleins erreicht.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach den F i g. 5 bis 7 sind zur Vereinigung imit einem Meißelgrundkörper U aus einem geeignetem Stahl Trägerflügel 12 vorgesehen, die zumindest in ihrem nhprcpitiwon n_Oroir.h <,;„„„

Hartstoffbclag besitzen, in den die Schneidgiieder 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 Spülflüssigkeitskanälen 14 des Grundkörpers 11 in Verbindung stehen. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig.6 münden die Düsenkanäle 13 in Bohrschlammnuten aus, während sie bei dem Beispiel nach Fig.7 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 entsprechend der Darstellung in F i g. 7 auch eine bei 15 angedeutete Schweißverbindung mit dem Grundkörper 11 möglich, sofern der im übrigen von einer Hartstoffmatrix gebildete Trägerflügel 12 mit Stahlleisten 16 im Verbindungsbereich versehen ist.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig.8 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 Oberfläche 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. 8 bei 17 dargstellt. Die Formation ist in F i g. 8 bei 18 angedeutet.

Die Formation 18, der Grundkörper 1 und die in diesen mit ihren Trägergliedern 3 eingesetzten Schneidglieder 4 bilden einen Strömungskanal 19. in dem das Bohrklein vom mittleren Bereich des Drehbohrmeißels radiai nach außen und gleichzeitig nach oben transportiert werden muß. Der Abtransport des Bohrkleins wird dadurch begünstigt, daß die aus den Düsenkanälen 6 austretenden Spülflüssigkeitsstrahlen in Strömungsrichtung des Strömungskanals 19 bzw. tangential zur Formation 18 gerichtet sind. Zusätzlich ist auch bei diesem Beispiel, wie eingangs anhand der Fig. 1 bis 4 erläutert, eine Ausrichtung der Spülflüssigkeitsstrahlen auf die Schneidglieder 4 hin vorgesehen. Für die angestrebte intensive Kühlung der Schneidglieder 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 benachbsrten Oberfläche des Grundkörpers 1 ausgerichtet ist, sind bei dem dargestellten Beispiel nach Fig.8 im mittleren, unteren Bereich des Grundkörpers 1 des Drehbohrmeißels in an sich bekannter Anordnung Düsen 20 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 entsprechend dem Beispiel nach Fig.9

ίο möglich, bei dem die Richtungskomponente der aus den Düsen 5 austretenden Spülflüssigkeitsstrahlen von im mittleren Bereich des Grundkörpers 1 angeordneten Düsen zu im Seitenbereich des Grundkörpers 1 vorgesehenen Düsen hin ansteigt. Bei dem Ausfüh-

|5 rungsbeispiel nach Fig.9 sind die ein solches Strahlungsmuster erzeugenden Düsen 5 von gesonderten, auswechselbar im Grundkörper 1 befestigten Düsenkörpern 24 aus erosionsfestem Material gebildet. Die Düsenkörper 24 sind mittels Gewindeverbindungen 25 im Grundkörper 1 festgelegt und stehen über die Spülflüssigkeitskanäle 7 mit der zentralen Spülflüssigkeitsbohrung 17 des Drehbohrmeißels in Verbindung.

Sämtliche Düsenkaiiäle 6 besitzen bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 9 in ihrem Austrittsbereich eine Abbiegung zum Kalibrierbereich hin, der in F i g. 9 bei 26 zur Darstellung kommt. Die Auswechselbarkeit der Düsenkö-per 24 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 Grundkörpers 1 eingeschraubt werden, die jedoch unterschiedlich gestaltete Düsenkanäle 6 aufweisen. Beispielsweise können ohne

α weiteres Düsenkanäle mit unterschiedlichen Durchmessern, insbesondere Austrittsdurchmessern, vorgesehen sein, und zwar in der Weise, daß der Äustrittsdurchmesser der Düsenkanäle 6 zum Kalibrierbereich 26 hin ansteigt. Aus der Darstellung in Fig.9 ist ersichtlich,

••ο 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

•>5 benachbarten, unteren auswechselbaren Düsenkörpern 24 können wegen in Abhängigkeit von der Meißelgeometrie mehr oder weniger beengten Raumverhältnissen im mittleren Meißelbereich Düsen unmittelbar in die Hartstoffmatrix 2' eingesintert oder eingeformt sein, wie auch in diesem Bereich anstelle der Schneidglie'^rsr 4 andere, kleinere Schneidglieder, zum Beispiel natürliche oder synthetische Diamanten, wie bei 27 angedeutet, in die Hartstoff matrix 2' eingesintert sein können. Auf eine Austauschbarkeit von Düsenkörpern im mittleren Bereich des Drehbohrmeißels kann ohne nennenswerte Nachteile auf das insgesamt erreichte Spülflüssigkeitsmuster verzichtet werden.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Drehbohrmeißel, insbesondere für Tiefbohrungen, bestehend aus einem Grundkörper mit einem Kalibrierbereich und einer Schneidfläche, die von an seinem Außenumfang über Trägerglieder abgestützten, vorstehenden Schneidgliedern definiert ist und von Spülflüssigkeit durchströmbare Düsenkanäle aufweist, deren Austrittsöffnungen mit gegenseitigem Abstand auf dem Grundkörper entlang der Schneidfläche angeordnet sind, wobei zumindest einige der Düsenkanäle einen auf die Schneidglieder gerichteten Ausmündungsbereich aufweisen, der den aus ihnen austretenden Spülflüssigkeitsstrahlen zugleich eine Ausrichtung mit zumindest einer in die Richtung des entlang der Außenfläche des Grundkörpers abströmenden Bohrkleins weisenden Komponente vorgibt, dadurch gekennzeichnet, daß die in Richtung des abströmenden Bohrkleins weisende Komponente der aus den Düsen (5) mit dem gerichteten Ausmündungsbereich austretenden Spülflüssigkeitsstrahlen von im mittleren Bereich des Grundkörpers (1) angeordneten Düsen zu im Seitenbereich des Grundkörpers vorgesehenen Düsen hin ansteigt

2. Drehbohrmeißel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gedachte Mittelachse des aus einer Düse (5) austretenden Spülmittelstrahles (10') die Schneidfläche von dieser Düse zugeordneten Schneidgliedern (4) unter einem spitzen Winkel («) schneidet

3. Drehbohrmeißel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen (5) in ihrem vor der Austrittsöffnung gelegv· ien Bereich ihres Düsenkanals (6) einen zum Kalibrierbereich (26) des Meißels hin umgebogenen oder abgewinkelten Verlauf aufweisen.

4. Drehbohrmeißel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtungskomponente von Spülflüssigkeitsstrahlen aus im Seitenbereich des Grundkörpers (1) angeordneten Düsen (5) angenähert parallel zur benachbarten Oberfläche des Grundkörpers ausgerichtet ist.

5. Drehbohrmeißel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Austrittsdurchmesser der Düsenkanäle (6) vom mittleren Bereich zum Seitenbereich des Grundkörpers (1) hin ansteigend bemessen ist.

6. Drehbohrmeißel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet daß die Kegelbreite der aas den Düsenkanälen (6) austretenden Spülflüssigkeitsstrahlen (10, 10') jeweils den Flächenabmessungen der mit Spülflüssigkeit zu beaufschlagenden Bereiche der Schneidglieder (4) im wesentlichen entspricht.

7. Drehbohrmeißel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die im Seitenbereich des Grundkörpers (1) angeordneten Düsen (5) von gesonderten, auswechselbar im Grundkörper befestigten Düsenkörpern (24) aus erosionsfestem Material gebildet sind,

8. Drehbohrmeißel nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die auswechselbaren Düsenkörper (24) mittels Gewindeverbindungen (25) im Grundkörper(l) festgelegt sind.

■9. Drehbohrmeißel nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen im mittleren Bereich des Grundkörpers (1) unmittelbar in einen auf diesen aufgebrachten Hartstoffbelag (2') eingeformt sind.

10. Drehbohrmeißel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet daß die Düsenkanäle (13) in mit dem Grundkörper (11) vereinigten, die Schneidglieder (4) darbietenden leistenförmigen Trägerfiügeln (12) ausgebildet sind.