DE3883617T2

DE3883617T2 - Gesteinbohrmeissel.

Info

Publication number: DE3883617T2
Application number: DE88305151T
Authority: DE
Inventors: Chris Edward Cawthorne; James Carl Minikus
Original assignee: Smith International Inc
Current assignee: Smith International Inc
Priority date: 1987-06-10
Filing date: 1988-06-06
Publication date: 1994-04-28
Anticipated expiration: 2008-06-07
Also published as: DE3883617D1; NO882515D0; EP0295032A2; US4832139A; EP0295032A3; EP0295032B1; NO882515L; CA1330433C

Description

Die Erfindung betrifft Gesteinsbohrmeißel und insbesondere Gesteinsbohrmeißel mit Hartmetallschneidstiften.
Zur Anwendung in einem Kaliberring eines Drehkegels für einen Gesteinsbohrmeißel können solche Schneidstifte die Form von geneigten Bohrmeißelinserts haben.
Es gibt eine Reihe von Patenten zum Stand der Technik, die Inserts mit bestimmten nichtsymmetrischen Merkmalen offenbaren. Das US-Patent 3,442,342, das den Oberbegriff des Anspruchs 1 offenbart, macht zum Beispiel einen Drehkegelbohrmeißel mit Wolframkarbidmeißelinserts in einem Kaliberring an jedem der drei Kegel bekannt. Nachdem der Bohrmeißel zusammengebaut ist, werden die Seiten der Kaliberringinserts auf den genauen Kaliberdurchmesser des zu bohrenden Bohrloches abgeflacht. Die Kaliberringinserts sind absichtlich so eingebaut, daß der Gesteinsbohrmeißel überdimensioniert ist, wenn alle drei Kegel in ihrer Position sind. Die Kaliberringinserts müssen dann geschliffen werden, um eine flache Oberfläche zu erhalten, so daß der Durchmesser des Bohrmeißels korrekt ist. Das Patent beruht auf der Lehre, daß, wenn keine angeschliffenen Flächen auf den Kaliberringinserts und die konvexe Oberfläche einfach tangential zu einer Seitenwand eines Bohrloches wäre, es nur eine Punktberührung geben und das Bohrloch schnell unterdimensioniert werden würde, wenn die Berührungspunkte des Inserts abgenutzt sind.
Es wurde jedoch festgestellt, daß Inserts von der Art der Kaliberringmeißel mit abgeflachten gefrästen Grundflächen daran einen relativ großen Berührungsbereich mit den Bohrlochwänden aufweisen. Jeder der Inserts kann dann anfällig für Wärmerißbildung gemacht werden, die zu vorzeitigem Verschleiß und/oder Bruch des Inserts führt. Wärmerißbildung am Insert kann als hochzyklische thermische Ermüdungserscheinung infolge von durch Berührung der Bohrlochwand mit dem Kaliberringinsert erzeugter intermittierender Reibungswärme und nachfolgendem Abkühlen durch Bohrflüssigkeit bei jeder Umdrehung definiert werden. Bestimmte Formationen, wie zum Beispiel Schiefer, können unregelmäßige Mengen an Reibungswärme an der Bohrlochwand/Kaliberringinsert-Grenzfläche erzeugen. Wenn die Kobaltanteile der Wolframkarbidlegierungsinserts reduziert werden oder die Wolframkarbidkorngröße eingestellt wird, um die Neigung zum Wärmeriß zu reduzieren (unabhängig von Formgebungsänderung), dann wird normalerweise die Bruchzähigkeit des Inserts reduziert und die Konstruktion ist anfälliger für rein mechanischen Ermüdungsausfall.
Das US-Patent 4,058,177 beschreibt einen nichtsymmetrischen Kaliberringinsert, der eine große Wandkontaktoberfläche vorsieht, die angeblich den Verschleiß an dem Kaliberinsert aufgrund der größeren Berührungsfläche verringert und die Fähigkeit der Erdbohrvorrichtung, eine vollkommene Kaliberbohrung beizubehalten, erhöht.
Dieses Patent, wie auch das vorhergehende Patent, sehen einen Kaliberringinsert mit einer großen abgeflachten Oberfläche vor, die parallel zur Bohrlochwand ist und damit demselben Insertabrieb ausgesetzt ist, wie das vorhergehende Patent.
Ein anderes US-Patent 4,108,260 beschreibt speziell geformte nichtsymmetrische Inserts, die in Drehkegelgesteinsbohrmeißeln verwendbar sind. Die Inserts sind ganz allgemein meißelförmig mit zu einem Scheitel zusammenlaufenden Schneidflächen. Die Schneidflächen sind in bezug zueinander nicht symmetrisch, die Führungsschneidfläche ist schaufelförmig und die hintere Schneidfläche ist außen abgerundet. Dieser Insert wurde für größeres Eindringen in eine Gesteinsformation entwikkelt. Der Insert ist jedoch nicht speziell für einen Kaliberring eines Gesteinsbohrmeißels entwickelt, um das Kaliber des Bohrmeißels, wenn er in einem Bohrloch verwendet wird, aufrechtzuerhalten.
Noch ein anderes, den Stand der Technik betreffendes US-Patent 4,334,586 beschreibt Inserts für Bohrmeißel. Die Insertschneidelemente umfassen nichtsymmetrische Inserts, die in mindestens einer peripheren Reihe in einem Rollkegel in abwechselnder Ausrichtung angeordnet sind. Dieser nichtsymmetrische Insert ist konusförmig mit abgerundeter und exzentrischer Spitze des Insertes. Jeder Insert in der peripheren Reihe ist versetzt angeordnet, so daß seine Spitze nicht mit dem benachbarten Insert fluchtet, wobei jeder andere Insert so in Reihen auf einem Drehkegel eines Gesteinsbohrmeißels angeordnet ist.
Dieser nichtsymmetrische Insert ist, wie der vorhergehende Insert, nicht für die Anordnung in einem Kaliberring eines Kegels entwickelt, um einen maximalen Kaliberschutz während des Bohrvorganges in einem Bohrloch zu erhalten.
Die vorhergehenden Patente zum Stand der Technik sind nachteilig, insbesondere solche Patente, die einen abgeflachten Bereich lehren, der nahe eines Kaliberringes eines Drehkegels anzuordnen ist. Der große Bereich mit abgeflachter Oberfläche, der zu der Wand eines Bohrloches parallel ist, macht die Kaliberringinserts anfällig für Wärmerisse, wodurch der Insert vorzeitig verschleißt und in vielen Fällen das Brechen des Inserts durch thermischen Ermüdungsausfall bewirkt. Wenn dieses auftritt, wird der Gesteinsbohrmeißel schnell unterbemessen, wobei alle Arten von Problemen für nachfolgende neue Bohrmeißel, die für das weitere Durchdringen einer Formation wieder in das Bohrloch eingebracht werden, hervorgerufen werden. Wenn ein stumpf gewordener Bohrmeißel ein kleineres Kaliber hat, wenn er aus dem Bohrloch entfernt oder "ausgelöst" wird, wird ein nachfolgender neuer Bohrmeißel mit vollem Kaliber sofort zusammengedrückt werden, wobei die Kegel nach innen zueinander gedrückt werden und danach der Bohrmeißel unbrauchbar gemacht wird. Das Gegenmittel ist ein teurer Aufweitvorgang, um das Bohrloch zurück auf sein Kaliber zu bringen.
Manchmal werden symmetrische Meißelinserts auf Maß verwendet und sie weisen eine mehr konische als flache Kaliberschneidoberfläche nahe der Bohrlochwand auf. Die Schneidoberfläche dieser Inserts verläuft jedoch oft nicht dicht parallel zur Bohrlochwand, wodurch der Bohrmeißel sehr viel früher ein kleineres Kaliber bekommen kann. Wenn der Konuswinkel eines Standardmeißelinserts vergrößert wird, um den Kaliberoberflächenwinkel (oder den Winkel zwischen der Seite des Konus und der Bohrlochwand) zu verbessern, wird die Ausdehnung des Inserts begrenzt da die Scheitellänge kleiner wird, wenn die Ausdehnung des Inserts größer wird. Deshalb ist es wünschenswert, einen speziellen, nichtsymmetrischen Insert zu entwickeln, der so konstruiert ist, daß er eine vergrößerte Scheitellänge zur Verfügung stellt, während der erwünschte Kaliberoberflächenwinkel erhalten wird, so daß auf diese Weise eine maximale Kaliberhaltungsfähigkeit gegeben ist, während der Verschleiß auf den speziellen nichtsymmetrischen Inserts minimiert wird. Es wurde gefunden, daß konusförmige Kaliberschneidoberflächen eher eine erwünschtere Linien- oder Punktberührung als eine ganzflächige, großräumige Berührung aufweisen, wie ein Kalibermeißelinsert mit einer flachen Seite, wie er in dem vorhergehenden Stand der Technik erwähnt wurde. Die konusförmige Kaliberschneidoberfläche reduziert die Möglichkeit von Wärmereißen, das zu katastrophalen Schädigungen des Inserts führen kann. Mit anderen Worten ist es wünschenswert, einen Konstruktionsausgleich zwischen der mit dem Wärmeriß verbundenen thermischen Zerstörung und der mit der äußeren Form des Inserts und zugehörigen Festigkeit verbundenen mechanischen Zerstörung zu haben.
Es ist wünschenswert, einen Kaliberringinsert für Drehkegel eines Drehkegelgesteinsbohrmeißels zur Verfügung zu stellen, der eine maximale Kaliberhaltungsfähigkeit mit einem minimalen Verschleiß an den Kaliberringinserts ins Gleichgewicht bringt.
Genauer gesagt, ist es wünschenswert, nichtsymmetrische Meißelkaliberringinserts zur Verfügung zu haben, bei denen die Kaliberschneidoberfläche abgerundet ist, dichter parallel zur Bohrlochwand verläuft und die den Bohrmeißel im Kaliber halten, nachdem etwas Verschleiß an den Kaliberringinserts aufgetreten ist.
Es wird ein Hartmetallkaliberringinsert für einen Rollkegelgesteinsbohrmeißel offenbart, der aus einem im allgemeinen zylindrischen Basisscheitelabschnitt an einem gegenüberliegenden Schneidenende des Inserts besteht. Der Insert hat verschiedene konische Oberflächen, wobei jede benachbart eines Endes einer durch den Meißelscheitel gebildeten Krone liegt. Eine erste längliche konische Oberfläche ist eine Kaliberschneidfläche, die für eine Berührung mit einer in einer Formation vom Gesteinsbohrmeißel gebildeten Bohrlochwand ausgebildet ist. Eine zweite konische Oberfläche an einem gegenüberliegenden Ende des nichtsymmetrischen Meißelscheitels dient zur Stützung des Meißelscheitels. Der Winkel der länglichen Kaliberschneidseite des Inserts ist in bezug auf die Bohrlochwand derart ausgerichtet, daß die längliche konische Oberfläche einen Anfangspunkt- oder -linienkontakt mit der Bohrlochwand vor jedem Verschleiß des Inserts während des Gesteinsbohrvorganges herstellt. Der Winkel zwischen der konischen Kaliberschneidoberfläche und der Bohrlochwand kann zwischen 0º und 25º liegen. Der bevorzugte Winkel zwischen der konischen Kaliberschneidoberfläche und der Bohrlochwand liegt ungefähr in der Mitte zwischen diesen beiden Winkeln.
Ein Vorteil des oben beschriebenen Inserts gegenüber dem Stand der Technik ist die nahe an der Bohrlochwand gelegene längliche konische Kaliberschneidoberfläche. Darüberhinaus hat die nach innen fräsende, nicht dem Kalibermaß entsprechende konische Schneidoberfläche, die benachbart zu dem Scheitel des Inserts liegt, einen kleineren Konuswinkel als die längliche Kaliberseite, wodurch eine größere Scheitellänge des Inserts ermöglicht wird. Der nichtsymmetrisch hergestellte Kaliberinsert stellt sowohl einen aggressiveren und weniger zerbrechlichen Insert als auch einen besseren Bohrlochsohlenbereich zur Verfügung.
Nachfolgend werden Hartmetallschneidinserts für Gesteinsbohrmeißel und Ausführungsformen der Erfindung durch ein Beispiel unter Bezugnahme auf die beigefügten schematischen Zeichnungen beschrieben, in denen:
Fig. 1 eine Seitenansicht eines Inserts nach dem Stand der Technik ist;
Fig. 2 eine Vorderansicht entlang der Linie 2-2 der Fig. 1 ist;
Fig. 3 ein Schrägschnitt entlang der Linie 3-3 der Fig. 1 ist;
Fig. 4 eine Draufsicht eines Inserts nach dem Stand der Technik entlang der Linie 4-4 der Fig. 2 ist;
die Fig. 5 bis 8 teilweise weggeschnittene Vorderansichten eines Inserts nach dem Stand der Technik von Fig. 1 ist, der schrittweise an der Bohrlochwand bis zu den Stadien "b", "c" und "d" abgenutzt ist;
Fig. 9 eine perspektivische Ansicht eines Drehkegelgesteinsbohrmeißels ist, teilweise in gestrichelter Umrißlinie, die einen Drehkegel mit darin eingebetteten Schneidinserts darstellt;
Fig. 10 eine teilweise weggeschnittene Seitenansicht ist, teilweise in gestrichelter Umrißlinie, die Kaliberringinserts der vorliegenden Erfindung darstellt;
Fig. 11 eine Ansicht eines Bohrloches in einer Erdformation ist, die auf einen von drei Drehkegeln eines Gesteinsbohrmeißels hinaufblickt, teilweise als Phantom, und einen Kaliberringinsert der vorliegenden Erfindung im Kontakt mit der Wand des Bohrloches zeigt;
Fig. 12 eine Seitenansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Inserts ist;
Fig. 13 eine Vorderansicht entlang der Linie 13-13 der Fig. 12 ist;
Fig. 14 ein Schrägschnitt entlang der Linie 14-14 der Fig. 12 ist;
Fig. 15 eine Draufsicht des erfindungsgemäßen Inserts entlang der Linie 15-15 der Fig. 12 ist; und
die Fig. 16 bis 19 teilweise weggeschnittene Vorderansichten des Inserts aus Fig. 8 sind, der schrittweise bis zu den Stadien "b", "c" und "d" abgenutzt ist.
Die Fig. 1 zeigt einen Kaliberringmeißelinsert nach dem Stand der Technik. Der Insert besteht aus einem Scheitel 5, einer konischen hinteren Oberfläche 6, abgeflachten Seiten 4 und abgeflachter Schneidoberfläche 3. Vor der Benutzung hat der bekannte Insert eine Scheitellänge 8. Wenn der Insert während des Arbeitsvorganges des Rollkegelgesteinsbohrmeißels in einem Bohrloch abgenutzt wird, wird die abgeflachte Schneidoberfläche 3 entlang der gestrichelten Oberflächen "b", "c" und "d" fortschreitend abgetragen. Die Oberfläche "a" ist die ursprüngliche abgeflachte Schneidoberfläche vor der Benutzung des Gesteinsbohrmeißels. Es ist leicht verständlich, daß die Scheitellänge 8 kleiner wird, wenn der Bohrmeißel bis zu der Oberfläche "d" abgetragen wird, was zu einer relativ schmalen und zerbrechlichen Scheitellänge 9 führt. Wenn der bekannte Insert diesen Abnutzungszustand erreicht, bricht die verkürzte Scheitellänge leicht ab, was zur katastrophalen Schädigung des Inserts führt.
Wenn sich darüberhinaus Wolframkarbidteile mit dem Schram der Bohrlochsohle vermischen, ist der gesamte Bohrmeißel in Gefahr, was oft zu mehr gebrochenen Inserts oder noch schlimmer, zum Verlust eines Kegels auf der Bohrlochsohle führt. "Fang"-Verfahren (Wiedergewinnung von Bohrmeißelteilen von der Bohrlochsohle) sind teuer und führen zu unproduktiver Wartezeit für die Bohranlagenbediener.
Fig. 2 zeigt die Schneidoberfläche 3 des bekannten Inserts vor der Benutzung. Die Schneidoberfläche 3 ist relativ groß und während des Arbeitsvorganges des Gesteinsbohrmeißels in einem Bohrloch parallel oder benachbart zu einer Bohrlochwand ausgerichtet. Der Insert ist der Reibungswärme ausgesetzt, die gebildet wird, weil ein großer Oberflächenbereich mit der Bohrlochwand in Kontakt ist. Wenn der Insert während der Nutzung verschleißt, wird die Oberfläche "a" größer, wenn sie sich den Zuständen "b", "c" und "d" annähert. Diese Vergrößerung der schon vergrößerten Schneidoberfläche führt zu einer noch größeren Reibungswärme, deren Ausbildung natürlich die Schädigung der Inserts beschleunigt. Versuche, das Wärmereißen durch Einstellungen der Wolframkarbidpartikelkorngröße oder des Kobaltgehaltes auszugleichen, können zu Inserts führen, die auch niedrige Bruchzähigkeitswerte haben, was zu erhöhten mechanischen Ermüdungsausfällen führt.
Die perspektivische Ansicht von Fig. 9 zeigt einen 3-Kegel-Gesteinsbohrmeißel. Der Gesteinsbohrmeißel, der im allgemeinen mit 10 bezeichnet ist, besteht aus einem Bohrmeißelkörper 12 mit einem Stiftende 14 an einem Ende und einem allgemein mit 16 bezeichneten Schneidende am anderen Ende. Ein Drehkegel 18 ist drehbar an einem Drucklagerzapfen befestigt, der von einem Gesteinsbohrmeißelschenkel 15 nach innen auskragt. Der Kegel 18 hat zum Beispiel eine Vielzahl von Wolframkarbidschneidinserts 20, die durch Preßpassung in in der Oberfläche des Kegels 18 gebohrten Bohrungen eingesetzt sind. Eine Reihe von Kaliberringinserts 22 ist in Bohrungen gepreßt, die in eine ringförmige, durch den Kegel gebildete Oberfläche gebohrt sind. Die Kaliberringinserts 22 berühren die Bohrlochwand und bestimmen letztlich den Durchmesser des Bohrloches. Eine Reihe von versenkt eingebauten Knopfinserts 21 kann zum Beispiel in den Grundkörper des Kegels eingepreßt sein. Diese Inserts unterstützen den Kaliberring des Kegels und dienen dazu, eine Verformung des Kegels während seiner Arbeit im Bohrloch zu verhindern.
Eine in dem Bohrmeißelkörper 12 vorgesehene Düse 17 führt Hydraulikflüssigkeit zu der Bohrlochsohle und dient dazu, Gesteinsschutt von der Bohrlochsohle mitzureißen und alle Schneidkegel 18 zu reinigen und zu kühlen. In abgedichtet gelagerten Gesteinsbohrmeißeln wird eine Schmierkammer 19 in jedem Schenkel ausgebildet und dient zum Zuführen von Schmiermittel auf die zwischen einem Zapfen und dem Kegel 18 gebildeten Lagerflächen.
Wendet man sich nun der Fig. 10 zu, trägt ein teilweise weggeschnittener Gesteinsbohrmeißelschenkel 15 einen Kegel 18, der drehbar an einem von dem Schenkel 15 auskragenden Wellenzapfenlager (nicht dargestellt) befestigt ist. Die allgemein mit 22 bezeichneten, erfindungsgemäßen Kaliberringinserts sind in den Kaliberring des Kegels 18 mit einer Schneidoberfläche 42, die zum Bohrloch oder zur Kaliberkennlinie 26 hin zeigt, eingepreßt. Der Basisabschnitt 40 des Inserts 22 ist normalerweise durch Preßpassung in einem Bohrloch eingesetzt, das in den Kaliberring des Kegels 18 gebohrt ist. Der verlängerte Teil des Inserts 22 ist geneigt oder nichtsymmetrisch und umfaßt eine längliche konische Schneidoberfläche 42, einen Scheitel 44 und eine konische hintere Oberfläche 45. Die Seiten 43 des Inserts sind im wesentlichen abgeflacht und enden an der Scheiteloberfläche 44 des Inserts 22. Die konische Schneidoberfläche 42 ist länger als die hintere konische Oberfläche 45. Der Winkel in bezug auf eine Mittelachse des Inserts ist entlang der konischen Schneidoberfläche 42 größer (daher länger) als der Winkel der hinteren konischen Oberfläche 45. Die Schneidoberfläche 42 schneidet sich mit einer "Kaliberkennlinie" 26 und bestimmt den Durchmesser eines Bohrloches, das der Drehkegelschneider fräst.
Eine Kaliberkennlinie ist ein Mittel, das Ingenieure auf dem Gesteinsbohrmeißelgebiet nutzen, um zu bestimmen, daß die fragliche Bohrmeißelkonstruktion einen vorgegebenen Bohrlochdurchmesser schneidet. Eine Kaliberkennlinie ist wie folgt definiert:
Für einen Bohrmeißel mit gegebenen Durchmesser, Zapfenwinkel und Zapfenverschiebung werden alle die Punkte, die die richtige Bohrlochgröße schneiden, in eine Ebene durch die Zapfenmittellinie und parallel zum Bohrmeißelmittelpunkt projiziert.
Die vorhergehende Definition wird durch die Tatsache kompliziert, daß die meisten Gesteinsbohrmeißel Drehkegel verwenden, die versetzt von einer genauen Radiallinie sind, die von der Mittelachse des Gesteinsbohrmeißels ausgeht. Dieser Parameter verbunden mit einem schiefen Winkel des Zapfens, der aus den Gesteinsbohrmeißelschenkeln ausgekragt ist, macht die Verwendung der vorhergehenden Formulierung notwendig, um exakt zu bestimmen, wo die Kaliberringinserts das Bohrloch berühren werden. Somit sollte der zwischen der länglichen Schneidoberfläche 42 des Inserts 22 und der Kaliberkennlinie 26 gebildete Winkel ein als 28 bezeichneter Winkel sein, der zwischen 0º und 25º liegt. Genauer gesagt, sollte dieser Winkel nahe des Mittelpunktes zwischen diesen beiden Winkeln optimiert werden.
Um es auf andere Weise auszudrücken, zeigt die Fig. 11 einen einzelnen, als Phantom dargestellten Kegel, wie er zu sehen ist, wenn man in einem Bohrloch auf einen Bohrmeißel hinaufsieht. Wie zuvor festgestellt wurde, bestimmt der die erfindungsgemäßen Kaliberringinserts 22 enthaltende Kaliberring den Durchmesser des Bohrloches 36. Die Schneidoberfläche 42 des Inserts 22 berührt die Bohrlochwand 37 an einem Punkt "a" und der Winkel 30 zwischen der Bohrlochwand 37 und der länglichen Schneidoberfläche 42 liegt zwischen 0º und 25º. Der bevorzugte Winkel ist nahe dem Mittelpunkt. Dieser Winkel (0º bis 25º) zwischen der Kaliberringschneidoberfläche 42 und der Bohrlochwand wurde bestimmt, um den besten Winkel für den Punktkontakt der Schneidoberfläche 42 mit der Bohrlochwand 37 zu erhalten.
Durch das Vorsehen eines notwendigen Punktkontaktes "a" auf einer länglichen abgerundeten konischen Oberfläche 42 wird das Verschleißen des Inserts minimiert, da die Oberfläche 42 nicht flach ist. Selbst wenn die längliche konische Oberfläche 43 in vollem Kontakt mit einer Bohrlochwand ist (0º-Winkel zwischen der Oberfläche 42 des Inserts 22 und der Bohrlochwand 37), würde nur ein Linienkontakt zwischen den beiden Oberflächen stattfinden, wobei der Kontaktbereich und die zugehörigen Probleme der Reibungswärmeerzeugung, die daraus resultieren, erheblich reduziert werden. Um diesen Aspekt der bevorzugten Ausführungsform weiter zu erklären, wird nun auf die Fig. 12 bis 19 Bezug genommen.
Entsprechend Fig. 12 ist ein Insert der bevorzugten Ausführungsform dargestellt und allgemein mit 22 bezeichnet. Der Insert 22 besteht aus einem Basisabschnitt 40 und dem Schneidende des Insertes, das eine längliche konische Schneidoberfläche 42, Seitenflächen 43 und eine konische hintere Oberfläche 45 umfaßt. Der vorspringende Teil des Inserts endet an einem abgerundeten Scheitel- oder Kronenteil 44. Die längliche konische Schneidoberfläche 42 hat mit einer Bohrlochwand 37 einen anfänglichen Kontakt (Fig. 11) an der Oberfläche "a" und wenn der Insert in dem Bohrloch arbeitet, wird er bis auf die gestrichelten Oberflächen "b", "c" und "d" abgetragen. Wenn der Insert von der Oberfläche "a" bis zur Oberfläche "d" verschleißt, wird die Scheitellänge 46 auf die Scheitellänge 47 reduziert. (Die Scheitellänge 47 ist jedoch viel länger als die Scheitellänge eines symmetrischen Standardmeißelinserts mit der gleichen konischen Kaliberschneidoberfläche. Das ist darauf zurückzuführen, daß der Insert 22 nicht symmetrisch ist, wobei die verkürzte hintere konische Oberfläche 45 dafür sorgt, daß die Scheitellänge 44 wesentlich größer in ihrer Länge sein kann.) Demzufolge ist eine ausreichende Scheitellänge 47 vorhanden, wenn der Insert die abgenutzte Position "d" erreicht, um den Insert ausreichend zu unterstützen, selbst dann, wenn er in einem fortgeschrittenen Stadium des Verschleißes ist.
Es wird nun auf die Fig. 13 Bezug genommen, in der der Insert um 90º gedreht ist, so daß wir nun auf die längliche Schneidoberfläche 42 schauen. Aus dieser Ansicht ist es leicht verständlich, daß die Oberflächen von "a" zu "d" viel kleiner in der Fläche sind als jene Oberflächen, die in den Fig. 5 bis 8 zum Stand der Technik dargestellt sind. Demzufolge ist der abgetragene Oberflächenbereich kleiner (mehr wie ein Linienkontakt) als der Oberflächenbereich des bekannten Inserts, selbst wenn der Insert verschleißt; dadurch wird der Wärmeriß und das Brechen des Inserts viel mehr minimiert. Außerdem sind die zwischen der abgetragenen Oberfläche und der konischen Oberfläche 42 erzeugten Ecken 48 viel weniger scharf.
Entsprechend Fig. 14 ist durch den durch die Fig. 12 gemachten Schrägschnitt zu erkennen, daß die Ecken 48 sehr weich und weniger scharf als die Ecken 1 der Fig. 3 sind. Der zwischen den fortschreitend abgetragenen Oberflächen "b", "c" und "d" und der länglichen konischen Oberfläche 42 gebildete, eingeschlossene Winkel "f" ist zum Beispiel ungefähr 145º. Der eingeschlossene Winkel kann zwischen 114º und 170º liegen. Der eingeschlossene Winkel G des bekannten Inserts, der in Fig. 3 dargestellt ist, hat zum Beispiel einen eingeschlossenen Winkel von ungefähr 110º und ist viel mehr empfindlich für Absplittern und Reißen als eine Folge des zuvor Beschriebenen. Demzufolge ist es ganz offensichtlich, daß es nur eine sehr geringe Möglichkeit für den Insert gibt, entlang dieser Schnittlinie 48 zwischen den abgetragenen Oberflächen "b" bis "d" und der länglichen konischen oder abgerundeten Oberfläche 42 des Inserts zu splittern oder zu brechen.
Die Fig. 16 bis 19 stellen den Insert in verschiedenen Stadien des Verschleißes dar. Fig. 16 zeigt die längliche konische Oberfläche 42 des Inserts 22 mit dem anfänglichen Punkt "a" in Kontakt mit einer Bohrlochwand 37 (Fig. 11). Fig. 17 zeigt den Insert mit etwas Verschleiß "b", der ohne scharfe, eckige Kanten ist, die typisch für den Stand der Technik in den Fig. 1 bis 4 sind. Fig. 18 zeigt eine abgetragene Oberfläche "c", die immer noch klein in der Grundfläche ist.
Da die Oberfläche "c" in der Grundfläche klein ist, ist sie nicht so der Wärmezersetzung wie die bekannten Inserts ausgesetzt. Schließlich zeigt die Fig. 19 einen Insert, der schon beträchtlich abgetragen ist, wobei die Oberfläche "d" sehr viel kleiner in der Grundfläche ist als die Oberfläche "d" der Fig. 8; somit wird die Ganzheit des Inserts der vorliegenden Erfindung erhalten, obwohl die Oberfläche abgetragen ist, weil durch den Linienkontaktcharakter der Schneidoberfläche 42 sehr wenig von dem Insert abgetragen wird. Die weichen oder weniger scharfen Kanten 48 dienen ebenso dazu, die Ganzheit des Inserts zu erhalten, wenn er von der Oberfläche "a" bis zur Oberfläche "d" verschleißt, um die katastrophalen Zerstörungen der Kaliberringinserts 22, wenn sie in einem Bohrloch arbeiten, praktisch zu beseitigen.
Die Kaliberringinserts 22 können von der Art mit Verstärkung sein, bei der der nichtsymmetrische Insert mit einer Schicht aus Diamant (nicht dargestellt) gekrönt ist. Solche verstärkten Inserts sind Gegenstand des US-Patents 4,604,106 mit dem Titel "Composite Polycristalline Diamond Compact".
Darüberhinaus ist die in Fig. 12 dargestellte, konusförmige nichtsymmetrische Kaliberoberfläche der bevorzugten Ausführungsform allein an die vorhergehende Erfindung angepaßt (Punkt- oder Linienkontakt mit einer Bohrlochwand). Es ist bei den Herstellern von Diamantschneidinserts allgemein bekannt, daß der volle Kontakt mit einer Kaliberoberfläche Wärme erzeugt, die für eine Diamantschneidoberfläche schädlich ist. Die Verwendung eines mit einem Diamant beschichteten Kaliberringinserts der vorliegenden Erfindung, bei der konische Kaliberoberflächen mit Punktkontakt verwendet werden, sichert praktisch den Erhalt des vollen Kaliberdurchmessers des Bohrloches, da Diamantoberflächen nicht verschleißen oder zerbersten, wenn die Wärmeerzeugung kontrolliert wird. Diese verbesserten Inserts mit Diamantbeschichtung können von Megadiamond of Provo, Utah, einer Tochter von Smith International, Inc. erhalten werden.
Die bevorzugte Ausführungsform der Kaliberringinserts 22 ist überraschend anders in der Wirksamkeit, obwohl sie sich auf den ersten Blick von den bekannten Inserts nicht sehr zu unterscheiden scheinen. Die Wirkung der länglichen konischen Oberfläche 42, wenn sie in einem Bohrloch arbeitet, und der Winkel, mit dem die Oberfläche 42 die Bohrlochwand berührt, unterscheidet sich wesentlich von den bekannten Inserts. Folglich ist der Insert der gegenwärtigen Erfindung den im Stand der Technik dargestellten weitaus überlegen. Desweiteren geht die vorliegende Erfindung von den im Stand der Technik aufgestellten Prinzipien ab.

Claims

1. Gesteinsbohrmeißel mit einem Gesteinsbohrmeißelkörper (12), mehreren Drehkegeln (18), die am Körper (12) zur Rotation gegen den Boden eines vom Gesteinsbohrmeißel gebohrten Loches befestigt sind, und mehreren in jedem Schneidkegel (18) eingesetzten Schneidinserts (20), welche mehrere Kaliberringinserts (22) zur Berührung der Seitenwand des gebohrten Loches aufweisen, von denen jeder Kaliberringinserts umfaßt: einen im allgemeinen zylindrischen Basisabschnitt (40) an einem Ende des Inserts und einen Meißelscheitelabschnitt (42, 43, 44, 45) an einem gegenüberliegenden Ende des Inserts, wobei der Gesteinsbohrmeißel dadurch gekennzeichnet ist, daß die Kaliberringinserts nicht symmetrisch sind, wobei verschiedene konische Oberflächen (42, 45) benachbart an jedem Ende einer Krone (44) einen nicht-symmetrischen Meißelscheitel bilden; eine erste längliche konische Oberfläche (42), die eine Kaliberschneidfläche ist, die für eine Berührung mit einer in einer Formation vom Gesteinsbohrmeißel gebildeten Bohrlochwand ausgebildet ist, wobei eine zweite konische Oberfläche (45) an einem gegenüberliegenden Ende des Meißelscheitels zur Stützung des Meißelscheitels dient, die erste längliche konische Oberfläche (42) des Inserts (20) gegenüber der Kaliberkurve (26) des Gesteinsbohrmeißels, welcher der Seitenfläche des zu bohrenden Bohrloches entspricht, derart verläuft, daß während eines Anfangsbetriebes des Gesteinsbohrmeißels, bevor irgendein Verschleiß des Inserts (20) aufgetreten ist, er einen linien- oder punktförmigen Kontakt mit der Kaliberkurve (26) beschreibt.

2. Gesteinsbohrmeißel nach Anspruch 1, bei welchem die erste längliche konische Oberfläche (42) im wesentlichen einen punktförmigen Kontakt mit der Kaliberkurve (26) während des Betriebes des Gesteinsbohrmeißels bildet.

3. Gesteinsbohrmeißel nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei welchem der Winkel zwischen den ersten länglichen konischen Oberflächen (42) und der Kaliberoberfläche (26) zwischen 0º und 25º liegt.

4. Gesteinsbohrmeißel nach Anspruch 3, bei welchem der Winkel mittig zwischen 0º und 25º liegt.

5. Gesteinsbohrmeißel nach einem vorangegangenen Anspruch, bei welchem die erste längliche konische Oberfläche (42) des Inserts länger in ihrer Länge ist als die zweite gegenüberliegende konische Oberfläche (45) benachbart zum Scheitel (44) und der Kegelwinkel der ersten länglichen Schneidfläche (42) gegenüber einer Mittellinie des Inserts größer als der der zweiten konischen Oberfläche (45) ist.

6. Gesteinsbohrmeißel nach einem vorangegangenen Anspruch, bei welchem, nachdem jeder Kaliberringinsert in einem Bohrloch während einer Zeitperiode arbeitet, um den Bohrlochdurchmesser in einer Formation zu schneiden, ein eingeschlossener Winkel zwischen einer verschlissenen im wesentlichen flachen Oberfläche und der ersten länglichen konischen Oberfläche (42) des Kaliberringinserts zwischen 114º und 170º liegt.

7. Gesteinsbohrmeißel nach Anspruch 6, bei welchem der eingeschlossene Winkel zwischen der flachen verschlissenen Oberfläche und der länglichen konischen Oberfläche (42) jedes Kaliberringinserts etwa 145º beträgt.

8. Gesteinsbohrmeißel nach einem vorangegangenen Anspruch, bei welchem die Kaliberringinserts aus Wolframcarbid hergestellt sind.

9. Gesteinsbohrmeißel nach Anspruch 8, bei welchem die Schneidflächen der Kaliberringinserts mit einer Schicht aus Diamantmaterial verstärkt sind.