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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft Verfahren
zum Aufbringen eines verschleißfesten
Materials auf eine Oberfläche
eines Untertage-Bauteils zur Verwendung beim unterirdischen Bohren.
Das Verfahren ist zur Verwendung sowohl mit Bohrmeißeln als
auch mit anderen Untertage-Bauteilen geeignet.
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Die Erfindung kann auf Untertage-Bauteile der
Art angewendet werden, die wenigstens eine Oberfläche einschließt, die
bei Anwendung mit der Oberfläche
der das Bohrloch umgebenden Erdformation ineinandergreift. Die Erfindung
betrifft insbesondere Rotary-Bohrmeißel, zum Beispiel der Art des Blatt-Typs mit einer Vorderfläche, auf
der Schneidelemente angebracht werden, und einem Umfangskaliberbereich
zum Eingriff mit den umgebenden Wänden des Bohrlochs bei Anwendung
oder der Art mit Rollenkronen. Die Erfindung wird daher unter besonderer
Bezugnahme auf Blatt- und Rollenkronenbohrmeißel mit Preßlingen aus polykristallinem
Diamanten (PDC) beschrieben, obwohl es sich versteht, daß sie ebenfalls
auf andere Untertage-Bauteile angewendet werden kann, die Lagerflächen haben.
Zum Beispiel können
Lagerflächen
auf Untertage-Stabilisatoren, Motor- oder Turbinenstabilisatoren
oder modulierten Vorspannungseinheiten zur Verwendung bei lenkbaren
Rotary-Bohrsystemen, wie beispielsweise im Britischen Patent Nr.
2289909 beschrieben, bereitgestellt werden. Solche Vorspannungseinheiten
schließen
schwenkbare Schaufeln mit Lagerflächen ein, die mit den Wänden des
Bohrlochs ineinandergreifen, um der Bohrlochsohlenausrüstung eine seitliche
Vorspannung bereitzustellen.
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In allen solchen Fällen wird
der Teil des Untertage-Bauteils, der die Lagerfläche bereitstellt, normalerweise
nicht aus einem Material hergestellt, das ausreichend verschleißfest ist,
um einem ausgedehnten Schleifeingriff mit der Wand des Bohrlochs zu
widerstehen, und es ist daher notwendig, die Lagerfläche verschleißfester
zu machen. Zum Beispiel werden die Körper von Rotary-Blatt- und
Rollenkronenbohrmeißeln
oft spanabhebend aus Stahl hergestellt, und es ist daher notwendig,
auf den Kaliberabschnitt eines solchen Bohrmeißels Lagerelemente aufzubringen,
um zu sichern, daß das
Kaliber nicht einem schnellen Verschleiß durch seinen Eingriff mit den
Wänden
des Bohrlochs ausgesetzt wird. Dies ist ein besonderes Problem bei
Bohrmeißeln
mit Stahlkörpern,
bei denen das Kaliber des Bohrmeißels eine einzige Fläche umfaßt, die
wesentlich durchgehend um den gesamten Umfang des Bohrmeißels verläuft, wie
zum Beispiel im Britischen Patent Nr. 2326656 beschrieben.
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2. BESCHREIBUNG DES BEKANNTEN
TECHNISCHEN STANDS
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Ein gut bekanntes Verfahren zum Erhöhen der
Verschleißfestigkeit
des Kalibers eines Blatt- oder Rollenkronenbohrmeißels ist
es, den Kaliberbereich mit Fassungen zu formen, in denen härtere Lagereinsätze aufgenommen
werden. Eine verbreitete Form eines Lagereinsatzes umfaßt einen
kreisförmigen
Stift aus gesintertem Wolframkarbid, dessen Außenfläche wesentlich bündig mit
der Außenfläche des
Kalibers ist. Kleinere Körper
aus natürlichem oder
synthetischem Diamanten können
in dem Stift, angrenzend an seine Außenfläche, eingebettet werden. In
diesem Fall kann der Stift an Stelle von gesintertem Wolframkarbid
einen Körper
aus einem feststoffinfiltrierten Wolframkarbid-Matrizenmaterial
umfassen, in dem die kleineren Körper
aus natürlichem oder
synthetischem Diamanten eingebettet werden. Es sind ebenfalls Lagereinsätze bekannt,
die Preßlinge
aus polykristallinem Diamanten verwenden, deren Außenflächen wesentlich
bündig
mit der Kaliberfläche
sind.
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Ein anderes bekanntes Verfahren zum
Erhöhen
der Verschleißfestigkeit
der Kaliberfläche
eines PDC-Bohrmeißels
ist es, die Oberfläche
des Kalibers oder einen großen
Teil derselben mit Anordnungen von regelmäßigen Platten aus Wolframkarbid
zu bedecken. Solche Platten können
dichter über
die Oberfläche
des Kalibers gepackt werden als es mit Lagereinsätzen der oben erwähnten Art
der Fall ist, die in Fassungen aufgenommen werden müssen, und
ermöglichen
daher, daß ein
größerer Anteil
der Oberfläche
der Kaliberfläche
bei niedrigeren Kosten mit einem verschleißfesten Material bedeckt wird.
Es wäre
jedoch wünschenswert,
Lagerelemente zu verwenden, die eine größere Verschleißfestigkeit
haben als Wolframkarbidplatten.
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Ein bekanntes Verfahren zum Erhöhen der Verschleißfestigkeit
der Rollenkegelkrone bei Rollenkronenbohrmeißeln ist es, eine oder mehrere
Reihen von Einsätzen
auf dem Kaliberräumabschnitt
der Rollenkrone einzuschließen.
Typischerweise sind die Einsätze
zylindrische Körper,
die im Festsitz in Fassungen eingepaßt werden, die auf der Kaliberräumfläche der
Rollenkrone gebildet werden, wie im US-Patent Nr. 5671817 gezeigt. Die Einsätze können aus
einer sehr harten und abriebfesten Wolframkarbid-Qualität hergestellt werden oder können Wolframkarbidrylinder
sein, an der Spitze versehen mit einer Schicht aus polykristallinem
Diamanten. Außerdem
kann der Kaliberabschnitt jedes Meißelschenkels, der zur Bohrlochwand
zeigt, mit einer aufgeschweißten
Bestückung
und/oder der gleichen Art von Wolframkarbidzylindern versehen werden,
wie sie in die Rollenkronen eingepaßt werden.
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Ein Material, das wesentlich verschleißfester ist
als Wolframkarbid und ebenfalls in der Form von rechteckigen Blöcken oder
Platten erhältlich
ist, ist thermisch stabiler polykristalliner Diamant (TSP). Wie
gut bekannt ist, ist thermisch stabiler polykristalliner Diamant
ein synthetisches Diamantmaterial ohne Kobalt, das normalerweise
in der Schicht aus polykristallinem Diamanten der zweischichtigen Preßlinge vorhanden
ist, die häufig
als Schneidelemente für
Rotary-Blattbohrmeißel
verwendet werden. Das Fehlen von Kobalt im polykristallinen Diamanten ermöglicht,
daß das
Material ohne ausreichende beträchtliche
thermische Beeinträchtigung
höheren Temperaturen
ausgesetzt wird als die zweischichtigen Preßlinge, und folglich wird das
Material gemeinhin als „thermisch
stabil" bezeichnet.
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Bei einer handelsüblichen Form von thermisch
stabilem polykristallinem Diamanten wird das Erzeugnis durch Auslaugen
des Kobalts aus herkömmlichem
nicht thermisch stabilem polykristallinem Diamanten hergestellt.
Als Alternative dazu kann der polykristalline Diamant unter Verwendung von
Silizium an Stelle von Kobalt während
der Hochtemperatur-Hochdruck-Preßphase der Herstellung des
Erzeugnisses hergestellt werden.
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Während
TSP die für
ein Lagerelement auf einem Untertage-Bauteil passenden Verschleißfestigkeitscharakteristika
hat, ist es bisher schwierig gewesen, TSP auf Untertage-Bauteilen
anzubringen. Wenn Blöcke
aus TSP als Schneidelemente auf Blattbohrmeißeln verwendet werden sollen,
ist es notwendig, entweder den Meißelkörper, unter Anwendung eines
gut bekannten Pulvermetallurgieverfahrens, um die Schneidelemente
herum zu formen oder die Blöcke
in Körper
aus einem weniger harten Material einzubetten, die danach in Fassungen
im Meißelkörper befestigt
werden. Wenn ein Lagerelement aus Gründen der Verschleißfestigkeit
auf eine Fläche
eines Untertage-Bauteils aufgebracht werden soll, ist es jedoch
vorzuziehen, daß das
Lagerelement auf der Oberfläche
des Bauteils angebracht wird, insbesondere, falls das Bauteil spanabhebend aus
Stahl oder einem anderen Metall hergestellt wird, so daß das Lagerelement
nicht einfach in dem Bauteil eingebettet werden kann. Die vorliegende
Erfindung nimmt sich daher vor, neuartige Verfahren zum Anbringen
von TSP-Lagerelementen auf einer Lagerfläche eines Untertage-Bauteils
bereitzustellen.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Nach der vorliegenden Erfindung wird
ein Verfahren zum Aufbringen eines verschleißfesten Materials auf eine
Oberfläche
eines Untertage-Bauteils zur Verwendung beim unterirdischen Bohren
bereitgestellt, wobei das Verfahren umfaßt, eine Vielzahl von Lagerelementen
herzustellen, eine Schicht eines elektrisch leitfähigen, weniger
harten Materials auf jedes Lagerelement aufzubringen und danach
jedes Lagerelement an die Oberfläche
des Bauteils zu bondieren, durch Schweißen oder Hartlöten eines Teils
der Oberfläche
des Lagerelements, welches das weniger harte Material umfaßt, an die
Oberfläche des
Bauteils, bei dem die Schicht eine Dicke von mehr als 0,05 mm hat.
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Die Schicht eines weniger harten
Materials kann eine dünne,
vorher auf einen Teil oder vorzugsweise die Gesamtheit der Fläche des
Lagerelements aufgebrachte, Beschichtung umfassen. Jedes Lagerelement
umfaßt
vorzugsweise einen Körper
aus thermisch stabilem polykristallinem Diamanten. Die Schicht wird
vorzugsweise aus einem Material mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit,
wie beispielsweise Nickel oder einer Nickellegierung, hergestellt. In
diesem Fall kann das Lagerelement durch elektrisches Widerstandsschweißen an der
Oberfläche
des Bauteils in Position gehalten werden. Der Körper aus thermisch stabilem
polykristallinem Diamanten kann vor dem Aufbringen der Beschichtung
aus einem weniger harten Material mit einer Schicht eines karbidbildenden
Metalls vorbeschichtet werden, da das karbidbildende Material eine
stärkere
Bindung mit dem TSP bilden kann als es das Nickel oder die Nickellegierung
allein tut.
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Jedes Lagerelement kann mit einer
Anordnungsformation auf der Oberfläche des Bauteils in Eingriff
gebracht werden, an das es geschweißt oder hartgelötet wird.
Zum Beispiel kann die Anordnungsformation eine Fassung oder Vertiefung
umfassen, in der das Lagerelement wenigstens teilweise aufgenommen
wird. Das Lagerelement kann vollständig in der Fassung oder Vertiefung
aufgenommen werden, so daß eine
freigelegte Oberfläche
des Lagerelements wesentlich bündig
mit der die Fassung oder Vertiefung umgebenden Oberfläche des
Bauteils ist.
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Die Verwendung einer Schicht eines
weniger harten Materials mit einer Dicke von mehr als 0,05 mm ist
insofern vorteilhaft, als sie in der Lage ist, den während eines
Widerstandsschweißvorgangs
an dieselbe angelegten elektrischen Strom ohne Ausfall zu tragen.
Die Dicke der Schicht liegt innerhalb des Bereichs von 0,1 mm bis
0,3 mm. Bevorzugterweise liegt die Schichtdicke innerhalb des Bereichs
von 0,15 mm bis 0,25 mm und praktischerweise innerhalb des Bereichs
von 0,15 mm bis 0,2 mm.
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Die Verwendung einer Schicht mit
einer innerhalb des Bereichs von 0,15 mm bis 0,2 mm liegenden Dicke
ist insofern vorteilhaft, als der Widerstandsschweißvorgang
verhältnismäßig leicht
durchgeführt
werden kann.
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Nach dem Befestigen der Lagerelemente
in ihrer Position kann über
und um die Lagerelemente eine Schicht eines Bestückungsmaterials aufgebracht
werden. Die Schicht kann eine solche Tiefe haben, daß die Lagerflächen der
Lagerelemente freigelassen werden, oder die Lagerflächen können bedeckt
werden, wobei etwas vom Bestückungsmaterial
anschließend
entfernt wird, entweder vor oder während der Anwendung.
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Bei jeder der obigen Anordnungen
kann das Untertage-Bauteil, wie oben erwähnt, einen Bohrmeißel, einen
Stabilisator, eine modulierte Vorspannungseinheit zur Verwendung
beim lenkbaren Rotary-Bohren oder jedes andere Untertage-Bauteil
mit einer oder mehreren Lagerflächen
umfassen, die bei Anwendung mit der Wand des Bohrlochs ineinandergreifen.
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Wenn das Bauteil ein Bohrmeißel ist,
kann es ein Rotary-Blattbohrmeißel
sein, mit einer Vorderfläche,
auf der die Schneidelemente angebracht werden, und einem Umfangskaliberbereich
zum Eingriff mit den Wänden
des Bohrlochs, wobei in diesem Fall die Verfahren nach der Erfindung
angewendet werden können,
um Lagerelemente auf die Außenfläche des
Kaliberbereichs aufzubringen.
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Die Verfahren der Erfindung können ebenfalls
angewendet werden, um die Verschleißfestigkeit von Oberflächen von
Rollenkronenmeißeln
oder anderen Gesteinsbohrer-Arten zu erhöhen.
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Die Erfindung schließt innerhalb
ihres Rahmens auch ein Untertage-Bauteil, wie beispielsweise einen
Bohrmeißel,
der wenigstens eine Oberfläche hat,
auf die durch eines der oben erwähnten
Verfahren Lagerelemente aufgebracht worden sind, und ein beschichtetes
Lagerelement zur Verwendung bei den weiter oben definierten Verfahren
ein.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Das Folgende ist eine detaillierte
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
der Erfindung, wobei Bezug genommen wird auf die beigefügten Zeichnungen,
in denen:
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1 eine
perspektivische Ansicht eines PDC-Bohrmeißels ist, auf dessen Kaliberabschnitte nach
dem Verfahren der vorliegenden Erfindung verschleißfeste Materialien
aufgebracht worden sind,
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2 ein
schematischer vergrößerter Querschnitt
eines Teils des Kaliberabschnitts des Bohrmeißels ist, der die Struktur
des verschleißfesten
Materials zeigt,
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3 eine ähnliche
Ansicht wie 2 ist, die
ein alternatives Verfahren zum Formen des verschleißfesten
Materials zeigt,
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4 eine
vergrößerte Ansicht
ist, welche die Struktur eines in Position angebrachten Lagerelements
illustriert,
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5 eine
perspektivische Ansicht eines Rollenkronenbohrmeißels ist,
auf dessen Kaliberabschnitte nach dem Verfahren der vorliegenden
Erfindung verschleißfeste
Materialien aufgebracht worden sind,
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6 eine
Ansicht einer Stabilisierungseinheit ist, wobei auf wenigstens einen
Teil derselben ein verschleißfestes
Material aufgebracht worden ist,
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7 eine
Ansicht einer Vorspannungseinheit ist, wobei auf wenigstens einen
Teil derselben ein verschleißfestes
Material aufgebracht worden ist,
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8 eine
Ansicht einer Bohrlochsohlenausrüstung
eines Bohrgestänges
ist, die Werkzeuge oder Bauteile mit Oberflächen hat, wobei auf wenigstens
einige derselben ein verschleißfestes
Material aufgebracht worden ist, und
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9 eine
Ansicht einer anderen Bohrlochsohlenausrüstung eines Bohrgestänges ist,
die Werkzeuge oder Bauteile mit Oberflächen hat, wobei auf wenigstens
einige derselben ein verschleißfestes Material
aufgebracht worden ist.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG UND DES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
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Unter Bezugnahme auf 1 umfaßt der PDC-Bohrmeißel einen
Meißelkörper 10,
spanabhebend aus Stahl hergestellt und mit acht Segmenten 12,
geformt auf der Vorderfläche
des Bohrmeißels und
von der Achse des Meißelkörpers zum
Umfangskaliberbereich 14 hin nach außen verlaufend. Zwischen aneinandergrenzenden
Segmenten werden Auskehlungen 16a, 16b definiert.
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Nebeneinander längs jedes der Segmente 12 erstreckt
sich eine Vielzahl von Schneidstrukturen, angezeigt bei 18.
Die genaue Beschaffenheit der Schneidstrukturen bildet keinen Teil
der vorliegenden Erfindung, und sie können von jeder geeigneten Art sein.
Zum Beispiel können
sie, wie gezeigt, kreisförmige
vorgeformte PDC-Schneidelemente umfassen, hartgelötet an zylindrische
Träger,
die in den Segmenten eingebettet oder auf andere Weise angebracht
werden, wobei die Schneidelemente jeweils einen Vorformpreßling umfassen,
der eine an ein Wolframkarbidsubstrat bondierte vordere Schneidplatte
aus polykristallinem Diamanten hat, wobei der Preßling an
einen zylindrischen Wolframkarbidträger hartgelötet wird. Bei einer anderen
Form einer Schneidstruktur hat das Substrat des Vorformpreßlings eine
ausreichende axiale Länge,
um unmittelbar im Segment angebracht zu werden, wobei der zusätzliche
Träger
dann weggelassen wird.
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Reserve-Abriebelemente oder -Schneidelemente 20 können, wie
gezeigt, mit Zwischenraum rückwärts von
einigen der äußeren Schneidstrukturen
angeordnet werden.
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Düsen 22 werden
in der Oberfläche
des Meißelkörpers zwischen
den Segmenten 12 angebracht, um bei Anwendung des Bohrmeißels Spülschlamm längs der
Auskehlungen nach außen
zuzuführen. Eine
oder mehrere der Düsen
können
so angeordnet werden, daß sie
einer oder mehreren Auskehlungen Spülschlamm zuführen können. Alle
Düsen stehen mit
einem axialen Mitteldurchgang (nicht gezeigt) im Schaft 24 des
Bohrmeißels
in Verbindung, dem auf eine bekannte Weise durch das Bohrgestänge nach unten
Spülschlamm
unter Druck zugeführt
wird.
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Abwechselnde Auskehlungen 16a führen zu entsprechenden
Abfallschlitzen 26, die durch den Kaliberbereich 14 nach
oben verlaufen, allgemein parallel zur Längsmittelachse des Bohrmeißels, so daß der längs jeder
Auskehlung 16a nach außen strömende Spülschlamm
durch den Abfallschlitz 26 zwischen dem Meißelkörper und
der umgebenden Formation nach oben strömt, in den Ringspalt zwischen
dem Bohrgestänge
und der Wand des Bohrlochs.
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Jede der vier anderen abwechselnden
Auskehlungen 16b führt
nicht zu einem herkömmlichen Abfallschlitz,
sondern setzt sich nach oben bis zum Kaliberbereich 14 des
Bohrmeißels
fort. In jeder solchen Auskehlung 16b wird angrenzend an
den Kaliberbereich eine kreisförmige Öffnung 28 in
einen eingeschlossenen zylindrischen Durchgang geformt, der durch
den Meißelkörper zu
einem Auslaß (nicht gezeigt)
auf der Oberseite des Kaliberbereichs 14 verläuft, der
mit dem Ringspalt zwischen dem Bohrgestänge und dem Bohrloch in Verbindung
steht.
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Dementsprechend umfaßt der Kaliberbereich 14 des
Bohrmeißels
vier mit Zwischenraum um den Umfang angeordnete Lagerflächen 30,
wobei jede Lagerfläche
zwischen zwei Abfallschlitzen 26 verläuft und durchgehend über das äußere Ende
einer Zwischenauskehlung 16b verläuft.
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Nach der vorliegenden Erfindung wird
auf jede Umfangslagerfläche 30 im
Kaliberbereich eine verschleißfeste
Schicht aufgebracht, die eine Anordnung von rechteckigen Lagerelementen 32 in
einem gegenseitigen Abstandsverhältnis
auf der Lagerfläche 30 umfaßt, wobei
jedes Lagerelement, wenigstens teilweise, aus thermisch stabilem
polykristallinem Diamanten hergestellt wird.
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Bei dem in 1 gezeigten Beispiel sind die Lagerelemente 32 rechtwinklig
und werden dicht gepackt in parallelen Reihen, die allgemein in
der Axialrichtung des Bohrmeißels
verlaufen. Diese Anordnung dient jedoch nur als Beispiel, und es
können viele
andere Formen und Anordnungen von Lagerelementen eingesetzt werden,
aber immer unter Anwendung der Verfahren nach der vorliegenden Erfindung.
Zum Beispiel können
die Lagerelemente quadratisch, kreisförmig oder sechseckig sein und
können
in jedem geeigneten Muster angeordnet werden. Außerdem können die Lagerelemente mit
einem größeren Zwischenraum
angeordnet werden, als es in 1 gezeigt
wird, und können
einen kleineren Teil der Oberfläche
der Lagerfläche 30 bedecken.
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Unter Bezugnahme auf 5 wird nun eine perspektivische Ansicht
eines Rollenkronenbohrmeißels 100 gezeigt.
Der Rollenkronenbohrmeißel 100 hat
einen Körperabschnitt 112 und
eine Vielzahl von Schenkeln 114, die jeweils Rollenkronen 116 tragen. Eine
typische Rollenkrone 116 hat eine Vielzahl von Schneideinsätzen 118,
angeordnet in Umfangsreihen 120. Eine Mündungsanordnung 122 führt der
Rollenkrone 116 einen Strom von Spülschlamm 124 zu, um bei
Anwendung die gebohrte Erde zu entfernen. Auf den Rollenkronenbohrmeißel 100 wird
ein Gewicht ausgeübt,
und der Bohrmeißel 100 wird
gedreht. Dann greift die Erde mit den Schneideinsätzen 118 ineinander
und bewirkt, daß sich
die Rollenkronen 116 auf den Schenkeln 114 drehen,
was einen Bohrvorgang bewirkt.
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Der Kaliberabschnitt 126 jedes
Schenkels 114 kann eine Lagerfläche definieren, die während des
Betriebs mit der Bohrlochwand ineinandergreift. Dieser Eingriff
verursacht oft einen übermäßigen Verschleiß des Kaliberabschnitts 126 des
Schenkels 114. Um den Verschleiß auf ein Minimum zu verringern,
wird eine Vielzahl von rechteckigen Lagerelementen 32 bereitgestellt,
die entweder in einer vertikalen Ausrichtung 128 oder in
einer horizontalen Ausrichtung 130 mit Zwischenraum auf
dem Kaliberabschnitt 126 des/der Schenkels) 114 angeordnet werden.
Die spezielle angewendete Anordnung der Lagerelemente 32 wird
von mehreren Faktoren, wie beispielsweise der Krümmung des Kaliberabschnitts 126,
dem erforderlichen Grad an Verschleißfestigkeit und der Bohrmeißelgröße, abhängen. Obwohl
die vertikale Ausrichtung 128 und die horizontale Ausrichtung 130 in
der Abbildung auf gesonderten Schenkeln gezeigt werden, wird vorgesehen,
daß beide
auf einem einzigen Kaliberabschnitt 126 eines Schenkels 114 verwendet
werden können.
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Jede Rollenkrone 116 hat
eine Kaliberräumfläche 132,
die eine weitere Lagerfläche
definiert und ebenfalls während
des Bohrens einen übermäßigen Verschleiß erfährt. Die
rechteckigen Lagerelemente 32 können auf der Kaliberräumfläche 132 verwendet werden,
um diesen Verschleiß auf
ein Minimum zu verringern. Der Vorteil eines Anordnens der rechteckigen
Lagerelemente 32 auf der Kaliberräumfläche 132 der Rollenkrone 116 ist,
daß sie,
verglichen mit den herkömmlichen
zylindrischen Schneidelementen im Festsitz, in einer besonders dichten
Anordnung angeordnet werden können.
Die rechteckigen Lagerelemente 32 können, wie durch die Zahl 134 angezeigt,
in Umfangsrichtung auf der Kaliberräumfläche 132 der Rollenkrone 116 angeordnet
werden. Als Alternative dazu können
die rechteckigen Lagerelemente 32, wie durch die Zahl 136 angezeigt,
in einer Anordnung in Längsrichtung
liegen. Es wird vorgesehen, daß eine
Kombination von Längs-
und Umfangsanordnungen der rechteckigen Lagerelemente 32 ebenfalls
geeignet wäre.
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Das Verfahren der vorliegenden Erfindung ermöglicht ebenfalls,
daß die
rechteckigen Lagerelemente 32 auf der Kaliberräumfläche 132 der
Rollenkrone 116 ohne besondere Berücksichtigung der Anordnung
der Schneideinsätze 118 angeordnet
werden. Vor der Erfindung war große Sorgfalt erforderlich, um
die zylindrischen Schneidelemente der Kaliberräumfläche 132 auf eine Weise
anzuordnen, die verhindert, daß sich
die Basen ihrer passenden Fassungen überlappen.
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2 und 3 zeigen schematische Querschnitte
durch die Lagerfläche 30 und
die aufgebrachte verschleißfeste
Schicht, und unter Bezugnahme auf diese Abbildungen werden nun Verfahren zum
Aufbringen der verschleißfesten
Schicht beschrieben.
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Wie aus 2 zu ersehen ist, liegen die Lagerelemente 32 auf
der äußeren Lagerfläche 30 des Kaliberabschnitts 14 des
Bohrmeißels,
und die Räume
zwischen aneinandergrenzenden Lagerelementen 32 werden
mit einem aushärtbaren
Bestückungsmaterial 34 gefüllt.
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Bei einem Verfahren nach der Erfindung
umfassen die Lagerelemente 32 massive Blöcke oder Platten
aus TSP und werden zuerst in der gewünschten Konfiguration an der
Lagerfläche 30 befestigt. Danach
wird das aushärtbare
Bestückungsmaterial 34 auf
die Räume
zwischen den TSP-Blöcken 32 aufgebracht,
um sich so an die Lagerfläche 30 des
Bohrmeißels
und an die Blöcke
selbst zu bondieren. Nach dem Festwerden dient das Bestückungsmaterial 34 dazu,
die TSP-Elemente 32 fest in Position auf der Fläche 30 zu
halten.
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Das Bestückungsmaterial 34 kann
jede der Arten sein, die gemeinhin verwendet werden, um eine Bestückung für Oberflächen von
Bohrmeißeln und
insbesondere von Bohrmeißeln
mit Stahlkörper bereitzustellen.
Zum Beispiel kann das Bestückungsmaterial
eine pulverisierte Nickel-, Chromsilizium-, Borlegierung sein, die
unter Anwendung einer gut bekannten Bestückungstechnik auf die Fläche 30 flammgespritzt
wird. Die Bestückung
kann ebenfalls durch andere bekannte Techniken, wie beispielsweise
Elektroplattieren, PDC- und Metallspritzen, bereitgestellt werden.
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Bei der in 2 gezeigten Anordnung hat das Bestückungsmaterial 34 die
Form einer unterbrochenen Schicht mit allgemein der gleichen Tiefe
wie die TSP-Lagerelemente 32, so daß die Außenflächen der Lagerelemente wesentlich
bündig
mit der Außenfläche der
Bestückungsschicht
sind. Bei der in 3 gezeigten
alternativen Anordnung wird die Bestückungsschicht 34 bis
zu einer Tiefe aufgebracht, die größer ist als die Tiefe der Elemente 32,
so daß sie, wie
bei 36 angezeigt, über
den Außenflächen der
Lagerelemente liegt. Die überdeckende
Schicht 36 kann in Position gelassen werden, so daß sich die Schicht 36 während der
Anwendung des Bohrmeißels
abarbeiten und die Oberflächen
der TSP-Lagerelemente 32 freilegen
wird, die dann unmittelbar an der Oberfläche der Wand des Bohrlochs
anliegen werden. Jedoch kann die Schicht 36, falls erforderlich,
weggeschliffen werden, um die Außenflächen der Lagerelemente freizulegen,
bevor der Bohrmeißel
verwendet wird.
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Die Lagerelemente 32 werden
durch elektrisches Widerstandsschweißen an der Lagerfläche 30 befestigt.
Da es außerordentlich
schwierig ist, unter Anwendung herkömmlicher Techniken, wie beispielsweise
elektrisches Widerstandsschweißen,
TSP unmittelbar an Stahl zu schweißen oder hartzulöten, werden
die TSP-Blöcke
mit einem weniger harten Material mit einer höheren elektrischen Leitfähigkeit beschichtet,
bevor sie an die Fläche 30 geschweißt oder
hartgelötet
werden. Zum Beispiel können
die Blöcke
mit einer dünnen
Schicht aus Nickel oder einer Nickellegierung beschichtet werden,
zum Beispiel unter Anwendung der Techniken von stromlosem Plattieren,
CVD oder Tauchen in eine geschmolzene Legierung. Vor dem Beschichten
des TSP mit dem Nickel oder der Nickellegierung müssen die TSP-Blöcke zuerst
mit einem geeigneten karbidbildenden Metall beschichtet werden,
da sich ein solches Metall an den TSP binden und eine fest angebrachte
Grundfläche
bilden wird, auf welche die Beschichtung aus Nickel oder einer Nickellegierung
anschließend
aufgebracht werden kann. Sobald die TSP-Blöcke eine geeignete auf dieselben
aufgebrachte Beschichtungsschicht erhalten haben, können die
Blöcke
leichter an die Fläche 30 geschweißt oder
hartgelötet
werden, zum Beispiel unter Anwendung des elektrischen Punktwiderstandsschweißens.
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Da während des elektrischen Widerstandsschweißvorgangs
hohe Ströme
angelegt werden und durch die Beschichtung aus Nickel oder einer
Nickellegierung geleitet werden müssen, hat die Beschichtung
eine Dicke von mehr als 0,05 mm, um zu sichern, daß die Beschichtung
in der Lage ist, dem angelegten Strom zu widerstehen. Um dem bei
einem typischen elektrischen Widerstandschweißvorgang angelegten Strom zu
widerstehen, liegt die Beschichtungsdicke vorzugsweise innerhalb
des Bereichs von 0,1 mm bis 0,3 mm und liegt vorzugsweise innerhalb des
Bereichs von 0,15 mm bis 0,25 mm. Noch bevorzugterweise liegt die
Schichtdicke innerhalb des Bereichs von 0,15 mm bis annähernd 0,2
mm, und die Schichtdicke beträgt
praktischerweise annähernd
0,2 mm.
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4 illustriert
ein Lagerelement, das einen Block 38 aus thermisch stabilem
Diamanten, beschichtet mit einer Schicht 40 aus Nickel,
mit einer Dicke von annähernd
0,2 mm, umfaßt.
Vor dem Aufbringen der Nickelschicht 40 wird ein karbidbildendes Material 42 auf
den Block 38 aufgebracht. Danach wird der beschichtete
Block durch elektrisches Widerstandsschweißen in Position auf einem Meißelkörper 44 befestigt
und ein Bestückungsmaterial 46 aufgebracht.
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Bei jeder der beschriebenen Anordnungen kann
die Lagerfläche 30 mit
geeigneten Formationen vorgeformt werden, um das Anordnen oder Halten der
TSP-Elemente 32 auf der Fläche 30 zu unterstützen. Zum
Beispiel kann jedes Element 32 teilweise in einer geeignet
geformten Nut in der Lagerfläche 30 oder
in einer einzelnen Vertiefung aufgenommen werden, die zur Form des
Elements paßt.
Bei einer anderen Anordnung werden die Unterseiten der Elemente 32 mit
geformten Formationen vorgeformt, die mechanisch mit entsprechend
geformten Formationen auf der Fläche 30 ineinandergreifen.
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Bei jeder der beschriebenen Anordnungen können die
Seiten der Elemente 32 so geformt werden, daß sie mechanisch
mit dem umgebenden Bestückungsmaterial
ineinandergreifen. Zum Beispiel können die Elemente zur Oberfläche 30 hin
in der Breite zunehmen.
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Bei den oben beschriebenen Anordnungen dient
die Bestückungsschicht 34 dazu,
die TSP-Elemente 32 auf
der Lagerfläche 30 zu
halten, wobei das Schweißen
oder Hartlöten
der Elemente 32 an die Fläche 30 nur dazu dient,
die Elemente zeitweilig in der gewünschten Konfiguration auf der
Lagerfläche anzuordnen,
während
die Bestückungsschicht
aufgebracht wird. Jedoch sind, da die oben beschriebene Beschichtung
der TSP-Elemente ermöglicht,
daß sie auf
die Fläche 30 geschweißt oder
hartgelötet
werden, ebenfalls Anordnungen möglich,
bei denen die TSP-Elemente mit einer ausreichenden Festigkeit auf
die Lagerfläche
geschweißt
oder hartgelötet
werden, daß auf
die Bestückungsschicht 34 verzichtet werden
kann, wobei jedes Element 32 allein durch die geschweißte oder
hartgelötete
Verbindung auf der Lagerfläche 30 gehalten
wird. In diesem Fall kann es wünschenswert
sein, daß die
Elemente 32 vollständig
oder teilweise in Vertiefungen oder Nuten in der Lagerfläche 30 aufgenommen
werden, um die Festigkeit der Anbringung der Elemente an der Oberfläche zu verbessern
Techniken ähnlich
diesen hierin zuvor beschriebenen sind geeignet zur Verwendung beim
Befestigen der Lagerelemente 32 auf den Lagerflächen des
in 5 illustrierten Bohrmeißels.
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Obwohl die Erfindung unter besonderer
Bezugnahme auf das Aufbringen einer verschleißfesten Oberfläche auf
den Kaliberabschnitt eines Blatt- oder Rollenkronenbohrmeißels mit
Stahlkörper
beschrieben worden ist, ist die Erfindung, wie zuvor erwähnt, nicht
auf diese spezielle Anwendung begrenzt und kann zum Aufbringen von
TSP-einschließenden
Lagerelementen auf eine Lagerfläche
jedes anderen Untertage-Bauteils, wie beispielsweise eines Stabilisatoren
oder einer modulierten Vorspannungseinheit, wie unten beschrieben,
verwendet werden. Die Beschreibung unten soll die Teile der Bauteile
illustrieren, auf die vorzugsweise eine verschleißfeste Schicht
aufgebracht werden sollte, anstatt die Form einer detaillierten
Beschreibung dieser Bauteile anzunehmen.
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6 illustriert
eine Stabilisierungseinheit zur Verwendung in einer Bohrlochsohlenausrüstung. Die
in 6 illustrierte Stabilisierungseinheit 200 schließt eine
Vielzahl von in Radialrichtung nach außen verlaufenden Segmenten 202 ein,
deren Außenflächen 204 bei
Anwendung mit der Wand des Bohrlochs ineinandergreifen, in dem sich
die Bohrlochsohlenausrüstung
befindet. Diese Flächen 204 müssen in
der Lage sein, den auf dieselben bei Anwendung ausgeübten starken
Belastungen und dem Abrieb zu widerstehen. Um die Verschleißfestigkeit
der Segmente 202 zu verbessern, werden diese Flächen 204 mit
verschleißfesten
Materialien versehen, unter Anwendung der hierin zuvor beschriebenen
Verfahren, um Lagerelemente 206 an den Lagerflächen 204 zu
befestigen und, falls gewünscht,
eine Schicht aus einem Bestückungsmaterial über oder
um die Lagerelemente 206 aufzubringen.
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Das in 7 illustrierte
Bauteil ist eine rotierende lenkbare Einheit 208 mit einem
Vorspannungsklotz 210. Der Vorspannungsklotz 210 greift
bei Anwendung wiederholt mit der Wand der Bohrung ineinander, um
einen zugeordneten Bohrmeißel,
wie durch eine Regeleinrichtung geleitet, zu einer Seite zu drücken. Es
wird sich verstehen, daß der
Vorspannungsklotz 210 starken Belastungen ausgesetzt wird und
so einem Verschleiß ausgesetzt
wird. Um die Verschleißfestigkeit
des Vorspannungsklotzes 210 zu verbessern, wird unter Anwendung
des hierin zuvor beschriebenen Verfahrens eine Vielzahl von Lagerelementen 212 an
demselben befestigt. Falls gewünscht,
kann ebenfalls unter Anwendung der hierin zuvor beschriebenen Technik
ein Bestückungsmaterial
auf den Vorspannungsklotz aufgebracht werden.
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Unter Bezugnahme auf 8 und 9 werden andere
Anwendungen gezeigt, die Untertage-Werkzeuge 214, 216 benutzen,
die ein unter Anwendung des hierin zuvor beschriebenen Verfahrens
aufgebrachtes verschleißfestes
Material haben. In 8 wird
eine Zahl unterschiedlicher Werkzeuge 214, 216 im
Bohrgestänge 218 gezeigt.
Diese Werkzeuge 214, 216 können Untertage-Motoren, beim
Bohren messende Werkzeuge, Bohrlochmeßwerkzeuge, Schwingungsdämpfer, Stoßdämpfer und
Zentriervorrichtungen sein, sind aber nicht darauf beschränkt. Diese
Werkzeuge 214, 216 profitieren von verschleißfesten
Materialien, die durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung
aufgebracht werden. Insbesondere die Bohrlochsohlenausrüstungen 220, wie
in 9 gezeigt, werden
oft betrieben, während die
Schwerkraft sie gegen die Bohrlochwand drückt. Wieder lassen der außerordentliche
Abrieb und die auf die Seiten dieser Werkzeuge ausgeübten Belastungen
sie vom Aufbringen von verschleißfesten Materialien unter Anwendung
des Verfahrens der vorliegenden Erfindung profitieren.