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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. GEBIET DER ERFINDUNG
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Diese
Erfindung betrifft einen Rotary-Bohrmeißel für eine Verwendung bei der Bildung
von Bohrlöchern.
Insbesondere betrifft die Erfindung einen Rotary-Blattmeißel von
verbesserter Stabilität, insbesondere
wenn er abgenutzt ist. Ein Bohrmeißel dieses Typs weist typischerweise
auf einen Meißelkörper mit
einem Schaft für
eine Verbindung mit einem Bohrgestänge; eine Vielzahl von Flügeln, die
am Meißelkörper gebildet
werden, die sich von einer mittleren Rotationsachse des Meißels nach
außen
erstrecken; und eine Vielzahl von Schneidelementen, die längs eines
jeden Flügels
montiert sind.
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2. BESCHREIBUNG DES BISHERIGEN
STANDES DER TECHNIK
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Der
Meißelkörper kann
aus Vollmetall gefertigt werden, oder er kann alternativ bei Anwendung eines
Pulvermetallurgieverfahrens geformt werden, bei dem Wolframkarbidpulver
mit einem Metallegierungsbindemittel in einem Ofen getränkt wird,
um ein hartes Grundmaterial zu bilden.
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Typischerweise
nehmen die Schneidelemente jeweils die Form einer Platte aus superhartem
Material an, das mit einem Träger
verbunden ist, beispielsweise aus Wolframkarbid. Jedes Schneidelement
zeigt typischerweise eine kreisförmige
oder teilkreisförmige
Form.
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Bei
bestimmten Bohrmeißeln
sind die Schneidelemente auf den Flügeln mit unterschiedlichen
radialen Abständen
zueinander angeordnet, so daß die
Schneidelemente über
die gesamte Fläche des
Bodens des Bohrloches schwenken. Es besteht jedoch eine Tendenz,
daß Bohrmeißel dieses
Typs eine relativ geringe Stabilität aufweisen.
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Um
die Stabilität
zu verbessern, ist es bekannt, daß die Schneidelemente in einer
Reihe von konzentrischen Ringen in unterschiedlichen Schnitthöhen angeordnet
werden. Im Ergebnis dessen neigt der Bohrmeißel dazu, im Boden des Bohrloches
eine Reihe von Wellen oder Ringen zu bilden. Das Zusammenwirken
zwischen Bohrmeißel
und dem im Boden des Bohrloches gebildeten Muster neigt dazu, der
seitlichen Bewegung des Meißels
einen Widerstand entgegenzusetzen, was dazu führt, daß der Bohrmeißel von
verbesserter Stabilität
ist. In der Vergangenheit waren die Bohrmeißelkonstruktionen ein Kompromiß, weil
Schneidelemente mit einer hohen Verschleißfestigkeit eine niedrige Schlagfestigkeit zeigten
und Schneidelemente mit einer hohen Schlagfestigkeit eine niedrige
Verschleißfestigkeit zeigten.
Im Ergebnis dieses Kompromisses kann eine derartige Anordnung der
Schneidelemente die Verschleißfestigkeit
des Bohrmeißels
verbessern, aber es ist wahrscheinlich, daß der gesamte Bohrwirkungsgrad
infolge einer relativ schlechten Schlagfestigkeit nicht optimiert
wird.
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Bohrmeißel dieses
Typs sind als nachlaufende Bohrmeißel bekannt und werden beispielsweise im
GB 2294712 und GB 2292163 beschrieben.
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Das
Dokument EP-A-0546725 offenbart einen Bohrmeißel mit Schneidelementen mit
unterschiedlicher Schlagfestigkeit.
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KURZE ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Es
ist ein Ziel der Erfindung, einen Bohrmeißel mit einer guten Stabilität bereitzustellen,
insbesondere, wenn der Bohrmeißel
abgenutzt wird.
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Entsprechend
der vorliegenden Erfindung wird ein Rotary-Bohrmeißel bereitgestellt,
der aufweist: einen Meißelkörper mit
einer Rotationsachse; eine Vielzahl von Schneidelementen, die in
einer Vielzahl von konzentrischen Ringen zentriert auf der Rotationsachse
angeordnet sind, wobei die Vielzahl der Schneidelemente einen ersten
Typ von Schneidelement mit einer relativ niedrigen Verschleißfestigkeit
und einen zweiten Typ von Schneidelement mit einer relativ hohen
Verschleißfestigkeit
aufweist, wobei mindestens einer der konzentrischen Ringe aus Schneidelementen
des ersten Typs besteht, wobei mindestens ein weiterer der konzentrischen
Ringe mindestens ein Schneidelement des zweiten Typs umfaßt. Die
Schlagfestigkeit aller Schneidelemente ist im wesentlichen die gleiche.
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Es
wird erkannt werden, daß bei
Benutzung die Schneidelemente des ersten Typs mit einer höheren Geschwindigkeit
verschleißen
werden als jene des zweiten Typs mit dem Ergebnis, daß ein Bohrmeißel, der
anfangs ein annehmbar gleichmäßiges Schneidprofil
aufweist, Rillen in der zu bohrenden Formation bilden wird, wenn
er abgenutzt ist. Im Ergebnis dessen verbessert sich die Stabilität des Bohrmeißels mit
dem Verschleiß.
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Vorzugsweise
umfassen die Schneidelemente des zweiten Typs jeweils eine Platte
aus polykristallinem Diamant, so behandelt, daß ein Bereich davon nahe einer
Schnittkante davon im wesentlichen frei von einem Material mit einer
katalysierenden Wirkung ausgeführt
wird. Es wurde ermittelt, daß Schneidelemente
dieses Typs eine verbesserte Abnutzungs- und Verschleißfestigkeit
aufweisen, verglichen mit Schneidelementen, die nicht so behandelt wurden,
und daß sie
dennoch im wesentlichen die gleiche Schlagfestigkeit aufweisen wie
der erste Typ der Schneidelemente.
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Entsprechend
einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Rotary-Bohrmeißel bereitgestellt, der
einen Meißelkörper mit
einer Vorderfläche
und einer Rotationsachse aufweist, wobei die Vorderfläche eine
Vielzahl von winkelig beabstandeten Flügeln aufweist, wobei jeder
Flügel
eine Vielzahl von Schneidelementen trägt, wobei die Vielzahl der Schneidelemente
einen ersten Typ des Schneidelementes mit einer relativ niedrigen
Verschleißfestigkeit
und einen zweiten Typ des Schneidelementes mit einer relativ hohen
Verschleißfestigkeit
umfaßt, und
wobei mindestens einer der Flügel
mindestens ein Schneidelement des ersten Typs und mindestens ein
Schneidelement des zweiten Typs trägt. Die Schlagfestigkeit aller
Schneidelemente ist im wesentlichen die gleiche.
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Vorzugsweise
sind die Schneidelemente auf jedem Flügel vom ersten Typ abwechselnd
mit Schneidelementen vom zweiten Typ angeordnet.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
Erfindung wird weiter als Beispiel mit Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben, die zeigen:
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1 eine
perspektivische Darstellung eines Bohrmeißels;
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2 eine
zeichnerische Darstellung eines Endes des Bohrmeißels aus 1;
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3 eine
Darstellung eines der Flügel
des Bohrmeißels
aus 1 vor der Verwendung;
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4 eine
Darstellung gleich 3, die den Meißel veranschaulicht,
wenn er abgenutzt ist;
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5 eine
zeichnerische Darstellung, die die Struktur eines Teils von einem
der Schneidelemente veranschaulicht;
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6 eine
zeichnerische Darstellung von einem der Schneidelemente.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNG
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Die
beigefügten
Zeichnungen veranschaulichen einen Rotary-Bohrmeißel vom
Rotary-Blattmeißeltyp,
der einen Meißelkörper 10 aus
einer bearbeiteten Stahlform aufweist. Der Meißelkörper 10 weist eine
Vorderfläche 12 auf,
die mit einer Vielzahl von aufrechtstehenden, radial beabstandeten
Flügeln 14 versehen
ist. Jeder Flügel 14 trägt eine
Vielzahl von Schneidelementen 16. Zwischen einem jeden
Paar von benachbarten Flügeln 14 wird
ein Kanal 18 definiert, der bei Benutzung mit Bohrflüssigkeit
durch eine Reihe von Durchgängen 20 versorgt
wird, die innerhalb des Bohrmeißelkörpers 10 vorhanden
sind, wobei jeder Durchgang 20 in einer Düse 22 endet. Die
Versorgung der Bohrflüssigkeit
dient dazu, die Schneidelemente 16 bei Benutzung zu reinigen
und abzukühlen.
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Der
Bohrmeißelkörper 10 ist
so geformt, daß er
einen Schaft 24 umfaßt,
um zu gestatten, daß der Bohrmeißel mit
dem restlichen Bohrgestänge
verbunden wird, und daß der
Meißel
angetrieben wird, um sich um eine Rotationsachse 34 davon
zu drehen.
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Wie
in 2 veranschaulicht wird, sind die Schneidelemente 16 auf
den Flügeln 14 in
einer Reihe von konzentrischen Ringen 26, 28, 30, 32 angeordnet.
Die konzentrischen Ringe 26, 28, 30, 32 sind auf
der Rotationsachse 34 des Meißelkörpers 10 zentriert.
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Der
Bohrmeißel
umfaßt
Schneidelemente 16 von zwei unterschiedlichen Typen. Ein
erster Typ der Schneidelemente 16a, die am Bohrmeißel vorhanden
sind, weist eine relativ niedrige Verschleißfestigkeit auf; ein zweiter
Typ der Schneidelemente 16b, die am Bohrmeißel vorhanden
sind, weist eine höhere
Verschleißfestigkeit
auf. Die Schneidelemente 16 sind so angeordnet, daß der erste
Ring 26 der Schneidelemente ausschließlich aus Schneidelementen 16a des
ersten Typs besteht, der zweite Ring 28 ausschließlich aus
Schneidelementen 16b des zweiten Typs besteht, der dritte
Ring 30 ausschließlich
aus Schneidelementen 16a des ersten Typs besteht und der
vierte Ring 32 ausschließlich aus Schneidelementen 16b des
zweiten Typs besteht. Es wird daher erkannt, daß die Schneidelemente 16,
die auf jedem Flügel 14 montiert
sind, so angeordnet sind, daß sich
die Schneidelemente 16a des ersten Typs mit den Schneidelementen 16b des
zweiten Typs abwechseln.
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3 veranschaulicht
zeichnerisch den Bohrmeißel
aus 1 und 2 vor der Verwendung. Aus 3 wird
bemerkt werden, daß alle Schneidelemente 16 eine
kreisförmige
Form aufweisen. 4 ist eine Darstellung gleich 3,
die den Bohrmeißel
nach der Verwendung veranschaulicht. Aus 4 wird bemerkt
werden, daß die
Verwendung des Bohrmeißels
zum Auftreten eines Verschleißes
an den Schneidelementen 16 führte. Aus 4 wird
weiter bemerkt werden, daß die
Schneidelemente 16a des ersten Typs in stärkerem Maß abgenutzt
wurden als die Schneidelemente 16b des zweiten Typs. Im
Ergebnis dessen hat sich das Schnittprofil des Bohrmeißels von
einer relativ gleichmäßigen Form,
wie sie durch die Linie 16c in 3 zu Beginn
der Verwendung gezeigt wird, zu einer Form verändert, bei der eine Reihe von
konzentrischen Höckern
in der zu bohrenden Formation gebildet werden, wie durch die Linie 16d in 4 gezeigt wird.
Es wird erkannt werden, daß das
Zusammenwirken zwischen dem Bohrmeißel und dem Muster an konzentrischen
Höckern
und Rillen, die im Bohrloch bei der Verwendung gebildet werden,
dazu führt, daß der abgenutzte
Bohrmeißel
eine relativ gute Stabilität
zeigt. Die gute Stabilität
ergibt sich im Ergebnis des Widerstandes gegen eine seitliche Bewegung des
Bohrmeißels,
der sich aus dem Zusammenwirken zwischen dem Bohrmeißel und
der gerillten Formation ergibt.
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Obgleich
die Schneidelemente 16 potentiell einen Bereich von unterschiedlichen
Formen annehmen könnten,
weist bei einer besonders vorteilhaften Form jedes Schneidelement 16 eine
Platte 40 aus polykristallinem Diamant auf, die mit einem
Wolframkarbidträger 42 verbunden
ist, wie in 6 gezeigt wird. Es wurde ermittelt,
daß die
Verschleißfestigkeit eines
Schneidelementes dieses Typs erhöht
werden kann, indem aus dem Teil des Schneidelementes 16, der
einer Arbeitsfläche 44 davon
benachbart ist, die katalysierenden Materialien, die bei der Bildung
des Schneidelementes verwendet werden, extrahiert oder anderweitig
entfernt werden. Daher können
in einer Ausführung
die Schneidelemente 16a in einer Form vorliegen, bei der
das katalysierende Material nicht aus dem polykristallinen Diamant
extrahiert wurde, wobei die Schneidelemente 16b von dem
Typ sind, bei dem ein derartiges Extrahieren erfolgte. 5 veranschaulicht
zeichnerisch die Struktur eines Teils von einem der Schneidelemente 16b.
In 5 wird ein Grundmaterial mit Zwischenräumen zwischen
den Kristallen 34 der Platte aus polykristallinem Diamant
gezeigt. Während
der Bildung der Platte aus polykristallinem Diamant nehmen die Zwischenräume ein
katalysierendes Material 36 auf, beispielsweise in der
Form von Kobalt. Wie es vorangehend erwähnt wird, wurde ermittelt,
daß durch
Entfernen des katalysierenden Materials aus den Zwischenräumen die
Verschleißfestigkeit
der Platte aus polykristallinem Diamant erhöht werden kann. In 5 wurde
das Kobaltmaterial 36 aus der Platte aus polykristallinem
Diamant bis zu einer Tiefe D extrahiert, wodurch Zwischenräume 38 nahe
der Arbeitsfläche 44 der
Platte 40 aus polykristallinem Diamant zurückblieben,
die im wesentlichen frei von katalysierendem Material sind.
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Obgleich
in der Beschreibung hierin vorangehend die Zwischenräume 38 nahe
der Arbeitsfläche 44 als
im wesentlichen frei von katalysierendem Material ausgeführt beschrieben
werden, indem das katalysierende Material aus dem polykristallinen
Diamant extrahiert wurde. Die Verbesserung der Verschleißfestigkeit
des Materials kann alternativ erreicht werden, indem das katalysierende
Material in eine Form umgewandelt wird, in der es nicht eine katalysierende
Wirkung zeigt, oder indem das katalysierende Material mit einem
anderen Material zur Reaktion gebracht wird, um eine Substanz zu
bilden, die nicht eine katalysierende Wirkung zeigt. Außerdem, wenn
es gewünscht,
kann nur ein Anteil des katalysierenden Materials aus den Zwischenräumen 38 nahe
der Arbeitsfläche 44 entfernt
werden.
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Obgleich
die hierin vorangehend beschriebenen Schneidelemente 16a, 16b eine
erste Reihe, bei der das katalysierende Material nahe der Arbeitsfläche 44 des
Schneidelementes 16 vorhanden ist, und eine zweite Reihe
aufweisen, bei der das katalysierende Material entfernt ist, wird
erkannt werden, daß die
eine oder andere dieser Reihen von Schneidelementen die Form von
Schneidelementen annehmen könnte,
bei denen nur ein Anteil des katalysierenden Materials aus dem Teil
des Schneidelementes entfernt wurde, der an dessen Arbeitsfläche angrenzt. Bei
dem hierin vorangehend beschriebenen Herstellungsverfahren für die Verbesserung
der Abnutzungsbeständigkeit
wird, während
sich die Abnutzungsbeständigkeit
eines Schneidelementes verbessert, seine Fähigkeit, einem Schlag zu widerstehen, im
wesentlichen beibehalten. Obgleich die Schneidelemente mit einer
sich verändernden
Abnutzungsbeständigkeit
hergestellt werden können,
ist daher die Schlagfestigkeit für
die Schneidelemente im wesentlichen die gleiche, anders als bei
Schneidelementen nach dem bisherigen Stand der Technik. Außerdem, wenn
es gewünscht
wird, könnte
der Bohrmeißel
zusätzlich
zu den Ringen von Schneidelementen mit einer relativ niedrigen und
einer relativ hohen Verschleißfestigkeit
Ringe von Schneidelementen mit einer mittleren Verschleißfestigkeit
umfassen.
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Obgleich
bei der hierin vorangehend beschriebenen Anordnung mindestens einige
der Ringe ausschließlich
aus Schneidelementen des zweiten Typs gebildet werden, wird erkannt
werden, daß, wenn
es gewünscht
wird, einer oder mehrere der Ringe von Schneidelementen aus einer
Mischung von Schneidelementen des ersten und des zweiten Typs zusammengestellt
werden könnte.
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Weitere
Veränderungen
sind möglich;
beispielsweise können
der erste Typ des Schneidelementes und der zweite Typ des Schneidelementes voneinander
darin abweichen, daß die
Schneidelemente des zweiten Typs behandelt werden, um katalysierendes
Material bis zu einer größeren Tiefe
als bei jenen des ersten Typs zu entfernen. Eine derartige Behandlung
wird zu Abnutzungs- und Verschleißeigenschaften der zwei Typen
von Schneidelementen führen,
die mit dem Ergebnis voneinander abweichen, daß das Schnittprofil des abgenutzten
Meißels gerillt
sein wird. Ein gleicher Effekt kann erreicht werden, indem Schneidelemente
von unterschiedlicher Verschleißfestigkeit
und unterschiedlicher Größe verwendet
werden.
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Die
Bereitstellung eines Bohrmeißels,
der mit der Abnutzung stabiler wird, ist vorteilhaft, da die Neigung
eines Bohrmeißels,
von einem gewünschten
Weg abzuweichen, relativ gering ist, wenn die Meißel neu
sind, wobei die Neigung zur Abweichung mit der Abnutzung größer wird.