DE60119646T2

DE60119646T2 - Entwurfsverfahren für eine Rotationsbohrerspitze

Info

Publication number: DE60119646T2
Application number: DE60119646T
Authority: DE
Inventors: Nigel Dennis Stonehouse Griffin; Peter Raymond Stroud Hughes; Terry R. Matthias
Original assignee: Camco International UK Ltd
Current assignee: ReedHycalog UK Ltd
Priority date: 2000-09-20
Filing date: 2001-09-11
Publication date: 2007-05-03
Anticipated expiration: 2021-09-12
Also published as: IL154979A0; EP1191001A2; NO331036B1; DE60119646D1; EP1191001A3; NO20031254D0; NO20031254L; IL154978A0; NO20031253L; IL154978A; NO20031253D0; EP1191001B1; IL154979A; NO331639B1

Description

Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zum Entwerfen eines Rotary-Bohrmeißels mit feststehenden Schneiden zur Verwendung beim Bohren von Bohrlöchern.
Es ist bekannt, daß bestimmte Teile eines Rotary-Bohrmeißels mit feststehenden Schneiden mit einer schnelleren Geschwindigkeit verschleißen als andere Teile desselben. Solchen Variationen beim Verschleiß ist in der Vergangenheit dadurch begegnet worden, daß der Bohrmeißel in den Bereichen desselben mit hohem Verschleiß mit zusätzlichen Schneiden versehen wird. In der Vergangenheit waren Bohrmeißelentwürfe kompromißbehaftet, weil Schneiden mit einer hohen Abriebbeständigkeit eine geringe Schlagzähigkeit hatten und Schneiden mit einer hohen Schlagzähigkeit eine geringe Abriebbeständigkeit hatten. Im Ergebnis dieses Kompromisses kann eine solche Anordnung der Schneiden die Abriebbeständigkeit des Bohrmeißels verbessern, aber es ist wahrscheinlich, daß die Gesamtbohrleistungsfähigkeit auf Grund der verhältnismäßig schlechten Schlagzähigkeit nicht optimiert wird.
EP 0546725 beschreibt einen Rotary-Bohrmeißel mit feststehenden Schneiden, der einen Meißelkörper umfaßt, auf dem mehrere Schneiden angebracht sind. Die verwendeten Schneiden schließen jeweils Bereiche mit einer verhältnismäßig hohen Stoßfestigkeit und Bereiche mit einer verhältnismäßig niedrigen Stoßfestigkeit ein.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Bohrmeißel bereitzustellen, wodurch die Betriebsleistungsfähigkeit des Meißels aufrechterhalten werden kann, während ein Meißel bereitgestellt wird, der ein gewünschtes Verschleißprofil hat, und ein Verfahren zum Entwerfen eines solchen Bohrmeißels bereitzustellen, und eine hohe Abriebbeständigkeit zu gewährleisten, während die Schlagzähigkeit aufrechterhalten wird.
Nach der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Entwerfen eines Rotary-Bohrmeißels mit feststehenden Schneiden bereitgestellt, der wenigstens eine Schneide einer ersten Art mit einer verhältnismäßig niedrigen Abriebbeständigkeit und wenigstens eine Schneide einer zweiten Art mit einer verhältnismäßig hohen Abriebbeständigkeit hat, wobei das Verfahren umfaßt, eine Auslegung von Schneidenpositionen zu bestimmen, in denen Schneiden auf einem Meißelkörper anzuordnen sind, die wahrscheinliche Abriebgeschwindigkeit für wenigstens die Schneiden zu bestimmen, die in einigen der Schneidenpositionen bereitgestellt werden, und Verwenden der bestimmten wahrscheinlichen Abriebgeschwindigkeiten, um zu bestimmen, ob in jeder Schneidenposition eine Schneide der ersten Art oder eine Schneide der zweiten Art anzubringen ist, wobei die erste Art von Schneiden wesentlich die gleiche Schlagzähigkeit hat wie die zweite Art von Schneiden.
Das Verfahren der Erfindung ist insofern vorteilhaft, als die Positionen der Schneidenorte optimiert werden können, während eine annehmbare Gesamtverschleißgeschwindigkeit für den Meißel erreicht wird.
Die Schneiden der zweiten Art umfassen jede eine Tafel aus polykristallinem Diamanten, gebunden an ein Substrat, wobei die Tafel aus polykristallinem Diamanten eine Matrix von Lücken definiert, die ein Katalysatormaterial enthalten, wobei die Lücken der Matrix, die innerhalb eines Raumes nahe einer Arbeitsfläche der Schneide angeordnet sind, wesentlich frei von Katalysatormaterial sind. Der Raum erstreckt sich vorzugsweise bis zu einer Tiefe von wenigstens etwa 0,25 mm von der Arbeitsfläche aus.
Nach einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Entwerfen eines Rotary-Bohrmeißels mit feststehenden Schneiden bereitgestellt, der wenigstens eine Schneide einer ersten Art, die eine verhältnismäßig niedrige Abriebbeständigkeit hat, und wenigstens eine Schneide einer zweiten Art hat, die eine verhältnismäßig hohe Abriebbeständigkeit hat, wobei das Verfahren umfaßt, eine Auslegung von Schneidenpositionen zu bestimmen, in denen Schneiden auf einem Meißelkörper anzuordnen sind, eine wahrscheinliche Abriebgeschwindigkeit für wenigstens die Schneiden zu bestimmen, die in einigen der Schneidenpositionen bereitgestellt werden, Auswählen eines gewünschten Abriebprofils für den Meißel und Verwenden der bestimmten wahrscheinlichen Abriebgeschwindigkeiten, um die Abriebbeständigkeit der in jeder Schneidenposition anzubringenden Schneide zu bestimmen, um das gewünschte Abriebprofil zu erreichen, wobei alle Schneiden wesentlich die gleiche Schlagzähigkeit haben.
Die Erfindung betrifft ebenfalls einen Bohrmeißel mit feststehenden Schneiden, der nach den zuvor definierten Verfahren entworfen ist.
Im weiteren wird die Erfindung, unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, als Beispiel beschrieben.
1 ist eine schematische Ansicht eines Bohrmeißels, der nach einer Ausführungsform der Erfindung entworfen ist.
2 ist eine schematische Schnittansicht einer Schneide des Bohrmeißels von 1.
3 ist eine schematische Ansicht, welche die Struktur eines Teils der Schneiden von 2 illustriert.
4 bis 7 sind schematische Darstellungen von Verschleißprofilen.
8 und 9 sind schematische Ansichten von zwei weiteren Bohrmeißeln.
Der in 1 illustrierte Bohrmeißel mit feststehenden Schneiden umfaßt einen Meißelkörper 10, der eine Vorderfläche 12 und einen Schaft 14 hat, um zu ermöglichen, daß der Bohrmeißel am Rest eines Bohrstrangs befestigt wird. Der Meißelkörper 10 ist dafür vorgesehen, bei Anwendung um eine Rotationsachse 16 gedreht zu werden.
Von der Vorderfläche 12 stehen mehrere Blätter 18 vor, auf denen mehrere Schneiden 20 angebracht sind. Wie in 2 gezeigt, umfaßt jede Schneide 20 eine Tafel 22 aus polykristallinem Diamanten, gebunden an ein Wolframkarbidsubstrat 24. Jede Schneide 20 ist unter Verwendung einer bekannten Technik gefertigt worden, die einschließt, Diamantpulver, ein Katalysatormaterial und ein Wolframkarbidsubstrat Hochtemperatur-Hochdruck-Bedingungen auszusetzen, um zu bewirken, daß das Diamantpulver eine Strukturveränderung durchläuft und polykristalliner Diamant wird, und um zu bewirken, daß sich der polykristalline Diamant an das Substrat bindet.
Wo das Katalysatormaterial bei der Fertigung der Schneiden Kobalt ist, hat es sich gezeigt, daß das Entfernen des Katalysatormaterials von einem Teil der Schneide nahe einer Arbeitsfläche derselben dazu führt, daß sich die Abriebbeständigkeit der Schneide verbessert. 3 illustriert einen Teil einer so behandelten Schneide. In 3 definiert der polykristalline Diamant 26 eine Matrix von Lücken 28, die das Katalysatormaterial enthalten, das bei der Bildung des polykristallinen Diamanten verwendet wurde und bei dem Binden des polykristallinen Diamanten an das Substrat verwendet wurde. Die Lücken 28, die innerhalb eines Raumes 34 nahe einer Arbeitsfläche 32 des Diamanten 26 angeordnet sind, sind durch Auslaugen des Katalysatormaterials 30 aus dem Raum 34 wesentlich frei von Katalysatormaterial 30 gemacht worden. Bei der Anordnung von 3 streckt sich der Raum 34 über die ganze Querschnittsfläche des polykristallinen Diamanten und erstreckt sich bis zu einer Tiefe D von ungefähr 0,25 mm von der Arbeitsfläche 32 aus.
Obwohl Auslaugen die gegenwärtig bevorzugte Technik ist, um die Lücken frei von Katalysatormaterial zu machen, können andere Techniken verwendet werden. Zum Beispiel kann das Katalysatormaterial gezwungen werden, eine Strukturveränderung zu durchlaufen, um eine alternative Form anzunehmen, die keine Katalysatorwirkung hat, oder es kann chemisch zur Reaktion gebracht werden, um eine Substanz zu bilden, die keine Katalysatorwirkung hat.
Nach der Erfindung wird eine Auslegung oder Anordnung von Schneidenpositionen, in denen die Schneiden 20 an dem Meißelkörper 10 anzubringen sind, ausgewählt, und die wahrscheinliche Verschleißgeschwindigkeit, der jede der Schneiden 20 auszusetzen ist, wird bestimmt. Die wahrscheinliche Verschleißgeschwindigkeit für jede Position kann zum Beispiel unter Verwendung einer Rechnermodellierungstechnik bestimmt werden oder kann alternativ dazu von Messungen abgeleitet werden, die an einem ähnlichen, benutzten Bohrmeißel vorgenommen werden. Unter Verwendung der bestimmten Information über die wahrscheinliche Verschleißgeschwindigkeit wird für jede Schneidenposition entweder eine Schneide 20a einer ersten Art mit einer verhältnismäßig niedrigen Abriebbeständigkeit oder eine Schneide 20b einer zweiten Art mit einer verhältnismäßig hohen Abriebbeständigkeit, gefertigt wie hierin zuvor beschrieben, ausgewählt, um ein gewünschtes Verschleißprofil zu erreichen.
4 bis 7 illustrieren eine Palette möglicher Profile. In jeder Zeichnung bezeichnet die volle Linie 36 das Profil, das erreicht würde, falls alle Schneidenpositionen durch Schneiden 20a der ersten Art eingenommen würden. In 4 und 5 illustriert die unterbrochene Linie 38 die Modifikation des Verschleißprofils, die durch eine Verwendung von Schneiden 20b der zweiten Art statt der Schneiden 20a der ersten Art in einem Bereich 40 des Meißels erreicht wird.
6 illustriert eine Anordnung, die Gebrauch von Schneiden einer dritten Art mit einer höheren Abriebbeständigkeit als die Schneiden 20b der zweiten Art macht. Diese Schneiden sind ähnlich den Schneiden 20b der zweiten Art, sind aber behandelt, um das Katalysatormaterial bis zu einer größeren Tiefe, zum Beispiel bis zu einer Tiefe von 0,5 mm, von der Arbeitsfläche aus zu entfernen. In 6 sind die Schneiden 20b der zweiten Art in Bereichen 40 angeordnet, und die Schneiden der dritten Art sind in einem Bereich 42 angeordnet.
Bei den Profilen von 4 bis 6 dient die Verwendung der Schneiden 20b der zweiten Art und in 6 die Verwendung der Schneiden der dritten Art dazu, das Profil abzuflachen, was die Gleichförmigkeit steigert, mit der die Schneiden an dem Meißel verschleißen, wodurch ermöglicht wird, daß die Lebensdauer des Meißels gesteigert wird. 7 illustriert ein alternatives Profil für einen Meißel, wobei der Bereich, der herkömmlicherweise die höchste Verschleißgeschwindigkeit haben würde, eine niedrigere Verschleißgeschwindigkeit hat als der Rest des Meißels. Es wird angenommen, daß dies insofern nützlich sein kann, als es Meißel mit guter Stabilität, Richtungskontrolle und Vortriebsgeschwindigkeit bereitstellt.
Bei dem hierin zuvor beschriebenen Fertigungsverfahren zum Verbessern der Verschleißbeständigkeit wird, wenn sich die Verschleißbeständigkeit einer Schneide verbessert, ihre Fähigkeit, Stößen zu widerstehen, wesentlich beibehalten. Da jedoch häufig an der Schneidkante von Schneiden der zweiten und der dritten Art wunschgemäß eine dünne verschleißbeständige Lippe geformt ist, können sie passender an Schneidenpositionen verwendet werden, die gegen Stoß geschützt sind. Dies liegt daran, daß die Lippe, von der angenommen wird, daß sie die Bohrleistungsfähigkeit steigert, während eines Stoßes abplatzen kann. 8 und 9 illustrieren schematisch zwei Rotary-Bohrmeißel der Art, die mehrere primäre Schneiden und mehrere sekundäre Schneiden hat, wobei die sekundären Schneiden, wenigstens in einem gewissen Maß, durch das Vorhandensein der primären Schneiden gegen ein Abplatzen der Lippe geschützt sind.
In 8 definiert der Bohrmeißel 44 mehrere Blätter 46, wobei jedes Blatt 46 mehrere auf demselben angebrachte Schneiden 20 hat. Die Schneiden 20 sind auf jedem Blatt 46 in zwei Reihen 48, 50 angeordnet. Die erste Reihe 48 umfaßt eine Reihe von primären Schneiden 20a der ersten Art. Die zweite Reihe 50 umfaßt eine Reihe von sekundären Schneiden 20b der zweiten Art. Die sekundären Schneiden werden jeweils unmittelbar hinter einer zugeordneten primären Schneide angeordnet und sind so durch die primären Schneiden vor Stößen geschützt.
Die Anordnung von 9 unterscheidet sich insofern von der von 8, als die sekundären Schneiden auf von den primären Schneiden gesonderten Blättern angebracht sind.
Es wird zu erkennen sein, daß es, um einen Meißel mit guter Abriebbeständigkeit und guter Stoßbeständigkeit bereitzustellen, unter manchen Umständen wünschenswert sein kann, einige Schneiden der ersten Art innerhalb der Bereiche 40, 42 von 4 bis 7 anzuordnen, um die Schneiden der zweiten Art vor einem Lippenabplatzen zu schützen.

Claims

Verfahren zum Entwerfen eines Rotary-Bohrmeißels mit feststehenden Schneiden, der wenigstens eine Schneide einer ersten Art mit einer verhältnismäßig niedrigen Abriebbeständigkeit und wenigstens eine Schneide einer zweiten Art mit einer verhältnismäßig hohen Abriebbeständigkeit hat, wobei das Verfahren umfaßt, eine Auslegung von Schneidenpositionen zu bestimmen, in denen Schneiden (20) auf einem Meißelkörper anzuordnen sind, die wahrscheinliche Abriebgeschwindigkeit für wenigstens die Schneiden (20) zu bestimmen, die in einigen der Schneidenpositionen bereitgestellt werden, und Verwenden der bestimmten wahrscheinlichen Abriebgeschwindigkeiten, um zu bestimmen, ob in jeder Schneidenposition eine Schneide der ersten Art (20a) oder eine Schneide der zweiten Art (20b) anzubringen ist, wobei die erste Art von Schneiden wesentlich die gleiche Schlagzähigkeit hat wie die zweite Art von Schneiden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Schneiden der zweiten Art (20b) jede eine Tafel (22) aus polykristallinem Diamanten, gebunden an ein Substrat (24), umfassen, wobei die Tafel (22) aus polykristallinem Diamanten eine Matrix von Lücken (28) definiert, die ein Katalysatormaterial enthalten, wobei die Lücken (28) der Matrix, die innerhalb eines Raumes nahe einer Arbeitsfläche der Schneide angeordnet sind, wesentlich frei von Katalysatormaterial (30) sind.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei sich der Raum nahe der Arbeitsfläche bis zu einer Tiefe von wenigstens etwa 0,25 mm von der Arbeitsfläche aus erstreckt.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei sich der Raum nahe der Arbeitsfläche bis zu einer Tiefe von wenigstens etwa 0,5 mm von der Arbeitsfläche aus erstreckt.
Verfahren zum Entwerfen eines Rotary-Bohrmeißels mit feststehenden Schneiden, der wenigstens eine Schneide einer ersten Art, die eine verhältnismäßig niedrige Abriebbeständigkeit hat, und wenigstens eine Schneide einer zweiten Art hat, die eine verhältnismäßig hohe Abriebbeständigkeit hat, wobei das Verfahren umfaßt, eine Auslegung von Schneidenpositionen zu bestimmen, in denen Schneiden (20) auf einem Meißelkörper anzuordnen sind, eine wahrscheinliche Abriebgeschwindigkeit für wenigstens die Schneiden (20) zu bestimmen, die in einigen der Schneidenpositionen bereitgestellt werden, Auswählen eines gewünschten Abriebprofils für den Meißel und Verwenden der bestimmten wahrscheinlichen Abriebgeschwindigkeiten, um die Abriebbeständigkeit der in jeder Schneidenposition anzubringenden Schneide zu bestimmen, um das gewünschte Abriebprofil zu erreichen, wobei alle Schneiden wesentlich die gleiche Schlagzähigkeit haben.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das gewünschte Abriebprofil eine allgemein flache Form hat.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das gewünschte Abriebprofil einen Bereich mit einer verhältnismäßig geringen Abriebgeschwindigkeit, begrenzt durch Bereiche mit höheren Abriebgeschwindigkeiten, einschließt.