DE69007083T2 - Sich nicht zusetzender Erdbohrmeissel. - Google Patents

Sich nicht zusetzender Erdbohrmeissel.

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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf Erdbohrmeißel, die in der Erdöl- und Erdgasindustrie sowie im Bergbau eingesetzt werden, insbesondere auf solche mit rotierenden Schneidwerkzeugen und besonderen Vorkehrungen, um ein Zusetzen der Schneidzähne mit verdichteten Schneidresten aus dem Erdreich zu verhindern.
  • Howard R. Hughes erfand einen Bohrmeißel mit drehbaren Kegeln zum Niederbringen von Öl- und Gasbohrungen, welcher "Felsmeißel" genannt wurde, weil er von Beginn an mit erstaunlicher Leichtigkeit das harte Deckgestein, das die Förderformation im Spindletop-Feld nahe Beaumont, Texas überlagert, durchbohrt hat. Sein Bohrmeißel war ein spontaner Erfolg und wurde von einigen als wichtigste Erfindung bezeichnet, die das Bohren nach Öl und Gas in der ganzen Welt wirtschaftlich durchführbar machte (US-Patent 930,759, "Drill", 10. August 1909). Mehr als jede andere Erfindung wandelte diese die Volkswirtschaften von Texas und den Vereinigten Staaten in Giganten der Energieerzeugung um. Die Erfindung war jedoch nicht perfekt.
  • Mr. Hughes' Bohrmeißel zerstörte zwar das Gestein mit eindrucksvoller Geschwindigkeit, aber es hatte Mühe in den weichen Formationen, wie z. B. den Schiefergebieten um Beaumont, Texas und an der Golfküste der Vereinigten Staaten. Die Schneidreste des Schiefers verdichteten sich manchmal zwischen den Zähnen des "Hughes"-Meißels, bis er nicht länger das Erdreich durchdringen konnte. Wenn er an die Oberfläche gezogen wurde, war der Meißel oft, wie die Bohrtechniker sagen, mit Schiefer "zugesetzt", manchmal so sehr, daß sich die Schneidwerkzeuge nicht länger drehen konnten. Selbst geringfügiges Zusetzen verlangsamte die Bohrgeschwindigkeit und führte zu langdauernden Auseinandersetzungen zwischen Hughes' sowie konkurrierenden Fachorganisationen.
  • Es folgten jahrzehntelange schöpferische und mühsame Versuche, um das Problem des Zusetzens der Bohrmeißel in den weicheren Formationen zu lösen, wie dies aus den Patenten des Standes der Technik zu erkennen ist. Es gab beeindruckende Verbesserungen, einschließlich eines Meißels mit ineinanderpassenden oder ineinandergreifenden Zähnen, bei dem am Umfang befindliche Reihen von Zähnen an einem Schneidwerkzeug durch entgegengesetzt am Umfang befindliche Kerben und zwischen Reihen von Zähnen an einem anderen Schneidwerkzeug rotieren. Er schaffte an beiden Seiten der inneren Zahnreihe und an der Innenseite der Schneidrückenreihe offenen Raum. Sich ansammelndes Material zwischen benachbarten Zähnen in derselben Reihe wurde in die offenen Kerben befördert, welche durch die ineinandergreifenden Reihen von Zähnen gereinigt wurden. Man behauptete und demonstrierte beim Bohren folgendes: "... die Zähne reinigen sich gegenseitig von anhaftendem Material." (Scott, US-Patent 1,480,014, "Selbstreinigende rotierende Bohreinrichtung", 8. Januar 1924). Diese Erfindung führte zu einem zweikegligen Meißel, der durch "das Schneiden von Zähnen in tangential angeordneten, weit voneinander beabstandeten Reihen" hergestellt wurde. Dieser Meißel enthielt "eine Anzahl von langen scharfen Schneiden, welche über einen langen Zeitraum nicht stumpf wurden". Die Schneidwerkzeuge waren echte rollende Kegel mit ineinandergreifenden Reihen von Zähnen und ein Schneidwerkzeug hatte keine Schneidrückenreihe. Der Selbstreinigungseffekt des über den gesamten Meißel ausgedehnten Ineinandergreifens ist ein Merkmal, das der Neigung der Schneidwerkzeuge, sich in weichen Formationen zwischen den Zahnreihen zuzusetzen, entgegenwirkte (Scott, US-Patent 1,647,753, "Bohr-Schneidwerkzeug", 1. November 1927)
  • Ineinanderpassende Zähne wurden zum ersten Mal an einem dreikegligen Meißel im US-Patent 1,983,316 offenbart. Die wichtigste Verbesserung bestand in dem Abstand der Ausnehmungen zwischen den Zähnen, welcher zweimal so groß war als jener der zweikegligen Konstruktion, ohne daß der unbearbeitete Bohrgrund vergrößert wurde. Diese Konstruktion kombinierte auch ein enges Zusammenpassen der inneren Zahnreihe mit weiten, nicht zusammenpassenden Schneidrückenreihen.
  • Eine weitere konstruktive Verbesserung ist im US-Patent 2,333,746 offenbart, in dem die weitesten Schneidrückenzähne teilweise weggelassen wurden, was ein Merkmal darstellte, das das Zusetzen verminderte und die Vortriebsrate erhöhte. Eine konstruktive Verfeinerung war der Ersatz der schmalen inneren Zahnreihe durch wenige Reihen mit weiteren Zähnen, was ebenfalls die Leistung beim Bohren in Schieferformationen verbesserte.
  • Bis heute war die Grundkonstruktion von dreikegligen Meißeln wie folgt aufgebaut: (1) Alle Kegel besaßen ineinandergreifende innere Reihen, (2) der erste Kegel besaß eine Schneidrückenreihe und einen breiten Raum oder eine Kerbe, deren Breite gleich dem Abstand zweier Reihen zwischen dieser und der ersten inneren Reihe mit den zur Sauberhaltung ineinandergreifenden Zähnen war, (3) ein zweiter Kegel hatte eine Schneidrückenreihe und einen engen Raum oder eine enge Kerbe, deren Breite gleich dem Abstand einer einzelnen Reihe zwischen dieser und der ersten Reihe ohne ineinandergreifende Zähne war und (4) ein dritter Kegel hatte eine Schneidrückenreihe und eine erste innere Reihe in einer eng beabstandeten, versetzten Anordnung. Ein Mangel dieser Konstruktion ist der Umstand, daß der kritischste äußere Bereich des Schneidwerkzeuges weiterhin zugesetzt wird.
  • Eine andere Technologie zum Reinigen der Zähne der Schneidwerkzeuge verwendete spülendes Bohrfluid oder Schlamm, welches/r aus Düsen im Meißelkörper direkt gegen die Schneidwerkzeuge und Zähne gerichtet wurde. Besonders zu beachten war hierbei die beste Anordnung der Düsen und die Strahlrichtung des Fluides gegen die Zähne. Es gab unterschiedliche Ansichten: Ein Erfinder wollte, daß das Fluid von den Düsen "... in eine Richtung austrat, die annähernd parallel zur Verjüngung des Kegels verläuft" (Sherman, US-Patent 2,104,823, "Spülvorrichtung für ein Schneidwerkzeug", 11. Januar 1938), wogegen ein anderer anstrebte, daß das Bohrfluid annähernd senkrecht zu den Schneidrückenzähnen des Schneidwerkzeuges" austrat (Payne, US-Patent 2,192,693, "Reinigungsdüse", 5. März 1940).
  • Eine Entwicklung, die nach dem zweiten Weltkrieg abgeschlossen wurde, schien zunächst das alte und immer wiederkehrende Problem des Zusetzens der Meißel zu lösen. Ein Forschungsergebnis der Humble Oil and Refining Company brachte den "Jet"-Meißel hervor. Dieser Meißel war für den Einsatz mit Hochdruckpumpen und Düsen an den Meißeln ausgerüstet, die Bohrfluid mit hoher Geschwindigkeit direkt auf den Grund des Bohrloches richteten, mit einer Energie, die geeignet erschien, um die Schiefer-Schneidrückstände schnell zu dispergieren und gleichzeitig die Schneidwerkzeuge durch den resultierenden turbulenten Fluß vor dem Zusetzen zu bewahren. Diese Entwicklung trug nicht nur zur Verminderung des Zusetzens der Bohrmeißel bei, sondern sprach auch eine andere wichtige Erscheinung an, die später als "Chip Holddown" (Festsetzen von Teilchen) bekannt wurde.
  • Von Anfang an stellten Hughes und seine Techniker Abweichungen zwischen Bohrerscheinungen, wie sie sich unter atmosphärischen Bedingungen zeigen und solchen, die tief in der Erde auftreten, fest. Gestein auf dem Boden eines mit Wasser gefüllten Bohrloches ist viel schwieriger zu durchbohren als dasselbe Gestein, wenn es an die Erdoberfläche gebracht wurde. Bohrsimulatoren in Modellgröße zeigten in den 50er Jahren, daß das Entfernen von Schneidresten vom Bohrgrund durch den Filterkuchen, der durch die Verwendung von Bohrschlamm entsteht, behindert wird ("Laboratory Study of Effect of Overburden, Formation and Mud Column Pressures on Drilling Rate of Permeable Formations" von R. A. Cunningham und J. G. Eenick, Journal of Petroleum Technology, Januar 1959). Eine dünne Schicht dieses Filterkuchens ist nützlich, um das Bohrloch abzudichten und zu stabilisieren. Wenn aber eine große Druckdifferenz zwischen dem Bohrloch und der Lagerstätte, auch bekannt als dominierender oder Differenzdruck, besteht, wird diese Schicht des Filterkuchens manchmal unter Einschluß von Schneidresten vom Bohrgrund dicker und bildet eine starke Schlammschicht, welche die Schneidzähne vom ungebohrten Felsgestein fernhält. Das Problem wird in tieferen Bohrlöchern akuter. Ein Vorstoß, um dieses überraschende Problem zu überwinden, ist die Verwendung immer höherer Ausströmgeschwindigkeiten, um zu versuchen den Filterkuchen und die losgelösten Schneidreste durch das Bohrloch an die Oberfläche heraus zuschwemmen.
  • Die Probleme mit dem Filterkuchen und das Problem des Zusetzens der Bohrmeißel werden unterschieden, seitdem das Aufbauen von Filterkuchen meistens in durchlässigen Formationen, wie z. B. Sand, und das Zusetzen der Bohrmeißel typischerweise beim Durchbohren von undurchlässigen Schieferschichten auftritt. Doch diese Probleme können sich überschneiden, wenn im selben Bohrloch beide Formationen mit demselben Meißel zu durchbohren sind. Die Erfinder haben nicht immer klar dargelegt, welches dieser Probleme sie ansprechen, zumindest nicht in ihren Patenten. Eine erfolgversprechende Düsenanordnung muß jedoch mit beiden Problemen fertig werden: Es muß die Kegel reinigen und ebenso auf dem Bohrgrund auftreffen, um das Festsetzen der Teilchen zu überwinden.
  • Die Richtung des Düsenstromes und der Ort des Auftreffens auf die Schneidwerkzeuge und den Grund des Bohrloches hat die Aufmerksamkeit der Erfinder über lange Zeit auf sich gelenkt. Einige interessante, jedoch erfolglose Versuche sind in den Patenten offenbart. Ein Patent sieht einen Meißel vor, der eine tangential angeordnete Düse besitzt, die in die Kante des Grundes des Bohrloches zielt, gefolgt von einer radial angeordneten Düse und einer nach oben gerichteten Düse, um die Schneidreste besser aus dem Bohrloch herausbefördern zu können (Williams, Jr., US-Patent 3,144,087, "Drill Bit With Tangential Jet", 11. August 1964). Die Schneidwerkzeuge haben eine ungewöhnliche Anordnung, wobei eines keine Schneidrückenreihe besitzt und zwei der Schneidwerkzeuge mit der Wand des Bohrloches nicht in Berührung kommen. Eine der Düsen tritt im Zentrum des Schneidwerkzeuges und des Lagerzapfens aus und eine andere mündet am Unterteil des "Armes" (manchmal auch, nicht übereinstimmend, als "Bein" des Meißelkörpers bezeichnet) in der Nähe der Kante des Bohrloches.
  • Einige Vorteile konnten erzielt werden, indem die Düsen so nahe wie möglich zum Grund des Bohrloches hin angeordnet wurden (Feenstra, US-Patent 3,363,706, 'Bit With Extended Jet Nozzles", 16. Januar 1968). Der Stand der Technik zeigt auch Beispiele von Bemühungen, die Strahlen von den Düsen so zu richten, daß sie teilweise oder tangential auf die Schneidwerkzeuge und dann auf den Grund des Bohrloches unter einem Winkel vor den Schneidwerkzeugen auftreffen (Childers, et al, US-Patent 4,516, 642, "Drill Bit Having Angled Nozzles For Improved Bit and WeIl Bore Cleaning", 14. Mai 1985).
  • Trotz der außerordentlichen Bemühungen der Erfinder, die sich seit 1909 intensiv mit dem Problem der Gesteinsmeißel befaßt haben, einschließlich jener frühesten von Howard R. Hughes, besteht das alte Problem des "Zusetzens" der Gesteinsmeißel fort. Die in der Vergangenheit gefundenen Lösungen haben das Zusetzen in vielen Bohrformationen vermindert, und der Meißel, der sich so sehr zusetzt, daß sich das Schneidwerkzeug nicht weiter drehen kann, ist ein Sonderfall des Problems, das bei weitem noch nicht vollständig beseitigt ist. Heutzutage wird das Problem lediglich auf einen Teil des Gesteinsmeißels beschränkt und bleibt oft unerkannt. Es ist subtiler, wird durch andere Gegebenheiten des Bohrprozesses überdeckt und bleibt als Folge des reinen Bohrablaufes meist unentdeckt. Jedoch ist es vorhanden und kann beim Bohren in typische Schieferformationen die Eindringgeschwindigkeit auf die Hälfte vermindern. Es gewinnt zusätzliche Bedeutung im Hinblick auf die vorsichtigen Schätzungen, daß mehr als die Hälfte aller Bohrungen in nachgiebigen und die Schneidwerkzeuge zusetzenden Schieferformationen durchgeführt werden.
  • Hauptsächlicher Gegenstand der Erfindung ist es deshalb, den Erdbohrmeißel durch Reduzierung des Zusetzens zwischen den Schneidrücken- und den inneren Reihen zu verbessern. Dementsprechend besteht die Verbesserung in einem dreikegligen Erdbohrmeißel mit tangentialen Reihen von erdlösenden Zähnen und mit abriebbeständigen Einsätzen mit ausgewähltem Überstand von den Oberflächen der Kegel, wobei ein Kegel eine innere Reihe aufweist, die gegenüber einer Schneidrückenreihe durch eine schmale umlaufende Kerbe getrennt ist, und ein zweiter Kegel eine abriebaufnehmende Reihe aufweist, die sich in die schmale Kerbe erstreckt, und der Betrag des Ineinandergriffes so ist, daß das Zusetzen minimiert wird.
  • In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der schiefe Winkel der Wellen, die Geometrie der Kegel und die Größe der Einsätze so gewählt, daß jede tangentiale Kerbe zwischen den Reihen an einem Kegel mit einer Reihe von Einsätzen eines benachbarten Kegels ineinandergreift, einschließlich der schmalen Kerbe, die nur das Äquivalent der Breitenausdehnung einer Reihe darstellt. In einem Ausführungsbeispiel hat ein Kegel statt der bekannten Schneidrückenreihe eine Reihe von Räumeinsätzen.
  • Die Düsen des Bohrmeißels richten jeden Strahl in der Weise zwischen die Kegel, daß das Fluid mit geringerer Geschwindigkeit zwischen dem äußeren Randbereich und dem Kern des Strahles zwischen die Einsätze der Schneidrücken und die benachbarten Reihen eintritt, während der zylindrische Kern mit hoher Geschwindigkeit an den Einsätzen vorbei auf den Grund des Bohrloches trifft.
  • Zusätzliche Gegenstände, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden durch die folgende Beschreibung des Ausführungsbeispieles deutlich.
  • Figur 1 ist eine perspektivische Ansicht eines Bohrmeißels nach dem Stand der Technik mit gesinterten Wolframkarbideinsätzen, die als erdlösende Zähne in rotierenden Kegeln, die auf Lagerzapfen befestigt sind, verwendet werden. Dieser spezielle Meißel ist vom Typ "Hughes" JO5.
  • Figur 2 ist eine perspektivische Ansicht eines Bohrmeißels nach dem Stand der Technik, wie er in Figur 1 dargestellt ist, nachdem er in einer Formation benutzt wurde, die ein Zusetzen einiger Zähne verursacht hat.
  • Figur 3 ist ein teilweiser Längs schnitt durch einen Bohrmeißel nach Figur 1 und zeigt schematisch alle Einsätze von allen Kegeln, die in eine solche Ebene projiziert sind, daß ihr gegenseitiger Eingriff und ihre Lage zum Grund des Bohrloches zu erkennen ist.
  • Figur 4 ist eine Entwurfszeichnung der Kegel eines Bohrmeißels nach dem Stand der Technik entsprechend Figur 1 und zeigt die Anordnung der Kegel zueinander und zu den tangentialen Reihen von Einsätzen.
  • Figur 5 ist eine schematische Längsansicht einer Düse, wie sie in Erdbohrmeißeln angewendet wird, und zeigt, in welcher Weise das Fluid aus der Düse in einem Kern- und einem auseinanderlaufenden Randbereich austritt.
  • Figur 6 ist ein Längsabschnitt eines Bohrmeißels nach dem Stand der Technik des Typs "Hughes" J22, die Zeichnung zeigt schematisch alle Einsätze von allen Kegeln, wobei diese in eine Ebene projiziert sind, um ihre Lage zueinander und zum Grund des Bohrloches zu zeigen.
  • Figur 7 ist eine Entwurfszeichnung der Kegel eines Bohrmeißels nach dem Stand der Technik entsprechend Figur 6 und zeigt die Anordnung der Kegel zueinander und zu den tangentialen Reihen der Einsätze.
  • Figur 8 ist eine perspektivische Ansicht des Bohrmeißels nach Figur 6 in zugesetztem Zustand nach dem Bohren durch eine weiche Formation, z. B. eine Schieferformation.
  • Figur 9 ist eine perspektivische Ansicht eines Bohrmeißels mit Merkmalen der Erfindung.
  • Figur 10 ist eine perspektivische Ansicht eines Bohrmeißels entsprechend Figur 9 nach dem Bohren durch eine weiche Formation.
  • Figur 11 ist ein Längsaufbruch eines Bohrmeißels nach Figur 9, der schematisch alle Einsätze von sämtlichen Kegeln zeigt, die in eine Ebene projiziert sind, um ihre Beziehung zueinander und zum Grund des Bohrloches darzustellen.
  • Figur 12 ist eine Entwurfszeichnung eines Kegels eines Bohrmeißels entsprechend Figur 9 und zeigt die Beziehung zwischen den Kegeln und den tangentialen Reihen von Einsätzen.
  • Figur 13 ist das Computermodell von Teilen der Kegel des Bohrmeißels nach Figur 9, wie es sich in Achsrichtung einer der Düsen darstellt.
  • Figur 14 ist eine perspektivische Ansicht eines alternativen Ausführungsbeispiels der Erfindung.
  • Figur 15 ist eine perspektivische Ansicht eines Bohrmeißels nach Figur 14 nach dem Durchbohren einer weichen Formation.
  • Figur 16 ist der Längsaufbruch des Bohrmeißels nach Figur 14 und zeigt schematisch alle Einsätze von sämtlichen Kegeln, die in eine Ebene projiziert wurden, um ihre Beziehung zueinander und zum Grund des Bohrloches darzustellen.
  • Figur 17 ist eine Entwurfszeichnung der Kegel des Bohrmeißels nach Figur 14 und zeigt die Beziehung zwischen den Kegeln und deren tangentialen Reihen von Einsätzen.
  • Das Bezugszeichen 11 in Figur 1 der Zeichnungen weist auf einen Erdbohrmeißel des Typs "Hughes" JO5 nach dem Stand der Technik hin, der drei rotierende Schneidwerkzeuge aufweist, von denen jedes abriebbeständige Einsätze hat, die als erdlösende Zähne verwendet werden.
  • Ein Meißelkörper 13 ist an seinem oberen Ende am Punkt 15 mit Gewinde versehen, um an einem nicht dargestellten Teil einer Rohrtour, die zum Anheben und Absenken des Bohrmeißels in einem Bohrloch und zum rotierenden Antrieb des Bohrmeiße1s während des Bohrens dient, befestigt zu werden. Dieser spezielle Bohrmeißel hat drei Kegel, die durch die Bezugszeichen 17, 19 und 21 bezeichnet sind.
  • Die Einsätze, die die erdlösenden Zähne in dem Bohrmeißel 11 bilden, sind in tangentialen Reihen angeordnet und hier durch die Bezugszeichen 23, 25 und 27 am Kegel 17, durch die Bezugszeichen 29, 31 und 33 am Kegel 19 und durch die Bezugszeichen 35, 37 und 39 am Kegel 21 bezeichnet. Zusätzliche Einsätze, die als Justiereinsätze 41 bezeichnet werden, sind dargestellt, wie sie sich von einer Justierfläche 42 an jedem Kegel, wie z. B. an Kegel 17 erheben.
  • Die tangentialen Reihen von Einsätzen 23, 29 und 35 sind als Schneidrückenreihen-Einsätze bekannt, die das Ansetzen an den äußersten Bereichen, benachbart zur Bohrlochwand verhindern. In typischer Weise ist ein Kegel 21 vorhanden, wie in Figur 1 dargestellt ist, in dem es eine Reihe 37 gibt, die sich sehr nahe an einer Schneidrückenreihe 35 befindet. Diese Reihe 37 ist in der Industrie unter verschiedenen Namen bekannt, wie z. B. "abriebaufnehmende Reihe" oder "benachbarte Schneidrückenreihe". Die Einsätze der Reihe 37 sind genau wie die Einsätze der Schneidrückenreihe 35 weit beabstandet. Das Wort "Beabstandung" bezieht sich hier auf den Abstand zwischen benachbarten Einsätzen in einer Reihe, aber manchmal auch auf den Abstand zwischen benachbarten Reihen. Die weite Beabstandung der Einsätze in Reihe 37 resultiert daraus, daß diese Reihe zur Schneidrückenreihe 35 eng beabstandet und versetzt angeordnet ist. Hier überschneiden sich die Reihen 37 und 35 in einer zur Drehachse des Kegels radialen, ebenen, aufrechten Stellung. Die geringe Dichte der Einsätze in Reihe 37 verursacht eine disproportionale Belastung der Einheit, weil die Einsätze den Grund des Bohrloches überspannen. Diese Reihe ist auch die erste Reihe innerhalb der Schneidrückenreihen, die eine Erfassung des Bohrlochgrundes mit einer einzigen Reihe ermöglicht. Infolge dessen ist diese Reihe am höchsten beansprucht, was den Anlaß zur Bezeichnung "abriebaufnehmende Reihe" gibt. Die enge Beziehung und der Abstand zwischen den Einsätzen 37 und 35 des Kegels 21 verursachen auch, daß diese Einsätze ein ernsthafteres Zusetzen der Schneidwerkzeuge erfahren als die Einsätze in anderen Reihen. Das Zusetzen geschieht durch die enge und versetzte Beabstandung der Einsätze in den aneinandergrenzenden Reihen 37, 35 ohne offenen Zwischenraum oder eine Kerbe zwischen ihnen, es behindert das zeitweise Verlagern des ausgebohrten Materials und führt zu einem fortwährenden Ansetzen von Schneidresten, wodurch die Schneidrückenreihe und die abriebaufnehmende Reihe die Reihen sind, die sich zuerst und mit der größten Wahrscheinlichkeit zusetzen, wie dies in Figur 2 am Kegel 21 dargestellt ist. Wenn die Vortriebsgeschwindigkeit zunimmt und mehr Schneidreste entstehen, beginnt der Kegel 17 sich zuzusetzen. Der Kegel 17, wie er in Figur 1 dargestellt ist, hat nur eine schmale Kerbe zwischen der Schneidrückenreihe 23 und der ersten inneren Reihe 25, mit nur am Rande erfolgendem Ineinandergriff I des Einsatzes 37 des benachbarten Kegels. Wie in Figur 4 dargestellt, tritt die Reihe 37 in die Kerbe zwischen den Einsätzen 23, 25 mit nur einem geringfügigen Betrag I von ungefähr 20 % des Überstandes B des Endes des Einsatzes 23 von der Oberfläche des Kegels 17, ein. Das Material, das in die schmale Kerbe verlagert wurde, wird deshalb durch die ineinandergreifenden Reihen von Einsätzen nicht entfernt und führt zum Zusetzen, wie dies in Figur 2 dargestellt ist. Bei den höchsten Vortriebsgeschwindigkeiten setzt sich selbst die einfache Schneidrückenreihe des in Figur 1 dargestellten Kegels 19 zu, wie dies in Figur 2 dargestellt ist.
  • Das Zusetzen verhindert den Vortrieb des Bohrmeißels beim Bohren, indem es die Zähne oder Einsätze vom wirkungsvollen Eindringen in die Erde zurückhält. Wenn der Bohrmeißel den in Figur 2 dargestellten Zustand erreicht, geht die Vortriebsgeschwindigkeit (ROP) bis auf 50 % zurück.
  • Der in Figur 1 dargestellte Bohrmeißel entsprechend dem Stand der Technik ist aus den Abschnitten 45, 47 (und einem weiteren nicht dargestellten), die bei 49 miteinander verschweißt sind, aufgebaut. Obgleich in Figur 1 nicht dargestellt, ist das Innere des Meißelkörpers hohl, um Fluid aufzunehmen, das in drei Durchgänge von denen jeder mit einer Düse 51 ausgerüstet ist, geleitet wird. Üblicherweise besteht die Düse 51 aus abriebbeständigem Material, wie z. B. gesintertem Wolframkarbid, und wird in einer Senkung mittels eines Federringes 53 gehalten.
  • Figur 3 ist ein Längsaufbruch eines in den Figuren 1 und 2 dargestellten Meißels entsprechend dem Stand der Technik, wobei die Zeichnung alle Reihen von Einsätzen von allen Kegeln schematisch zeigt, die in eine Position gedreht sind, um die Beziehung zueinander und zum Grund 55 des Bohrloches zu zeigen. Wie dies für einen Gesteinsmeißel mit drei Einsätzen typisch ist, bilden sich am Bohrgrund unbearbeitete Flächen, wie z. B. die mit dem Bezugszeichen 59 bezeichnete. Hier wurden die Reihen der Einsätze so numeriert, daß sie mit der Numerierung in Figur 1 übereinstimmt, um die Beziehung zwischen den verschiedenen Reihen von Einsätzen und dem Grund des Bohrloches zu zeigen.
  • Figur 4 ist eine Entwurfszeichnung der Kegel entsprechend den Figuren 1 und 2 und zeigt die Beziehung zwischen den Kegeln und den tangentialen Einsätzen. Die Reihen der Einsätze sind so numeriert, daß sie mit den Figuren 1 und 3 übereinstimmen.
  • Figur 3 zeigt ebenfalls einen teilweisen Querschnitt durch einen Abschnitt des Meißels 11 einschließlich des mit Gewinde versehenen oberen Endes 15 und eines Zwischenabschnittes, der das Druckausgleich- und Schmierungssystem 61 enthält, welches von dem Typ sein kann, wie er im US-Patent 4,727,942 dargestellt ist. Das Schmierungssystem enthält die Durchlässe 63, durch welche das Schmiermittel zwischen die Hohlräume des Lagerzapfens 65 und des damit verbundenen Schneidwerkzeughalters 67 geleitet wird. Jeder Kegel wird an seinem zugehörigen Lagerzapfen 65 mittels eines Halteringes 69 gehalten. Jeder Kegel hat normalerweise eine zylindrische Lagerfläche 71 mit einer weichen Metalleinlage 73, die einer zylindrischen Lagerfläche 75 auf dem Zapfen 65 gegenüberliegt und mit dieser zusammenwirkt. Jedes Schneidwerkzeug besitzt eine Dichtrille 77 und eine geeignete Dichtung, wie z. B. den O- Ring 79, um das Schmiermittel innerhalb des Lagersystems zu halten. Jedes der für den Stand der Technik typischen Bohrmeißel, wie sie in den Figuren 1 bis 4 dargestellt sind, hat in jedem seiner drei Düsen (siehe Figur 2) eine Öffnung 81 von bestimmtem Durchmesser. Fluid wird von der Oberfläche durch das nicht dargestellte Bohrgestänge und durch die drei Düsen 51 des Meißels gepumpt. Das Fluid tritt aus der Düse mit einer hohen Geschwindigkeit aus, reißt das im Randbereich 85 umgebende Fluid mit und beschleunigt es, wie dies in Figur 5 dargestellt ist. Je mehr Fluid mit steigendem Abstand von dem Düsenausgang nachströmt, vergrößert sich der Strahldurchmesser und bildet den Randbereich 85. Der Ausbreitungswinkel beträgt normalerweise 7 Grad. In jeder Entfernung vom Düsenausgang 51 bildet sich ein charakteristisches Geschwindigkeitsprofil. Zwei solcher Profile sind durch die Bezugszeichen 87 und 89 bezeichnet. Der Grund des Bohrloches 91 ist schematisch dargestellt und befindet sich normalerweise in einer Entfernung von ungefähr 12 bis 15 Düsendurchmessern vom Düsenausgang entfernt, wenn Meißel vom Typ, wie sie in den Figuren 1 bis 4 dargestellt sind, eingesetzt werden. Der Strahl dringt durch die engste Lücke zwischen den Kegeln, die ungefähr sechs Düsendurchmesser vom Düsenausgang entfernt sind. Innerhalb des Randbereiches 85 des Strahles gibt es einen konisch zusammenlaufenden Bereich 83, in welchem die Strahlgeschwindigkeit gleich der am Düsenausgang ist. Wie in Figur 5 dargestellt, ist der Strahl in drei Bereiche eingeteilt: (1) Den äußeren Grenz- oder Randbereich 85 mit geringerer Geschwindigkeit, (2) den im allgemeinen zylindrischen Kernbereich 84 mit hoher Geschwindigkeit, bei dem die Geschwindigkeit beträchlich höher ist als im Randbereich 85, wie dies durch die Geschwindigkeitsprofile angedeutet ist, und (3) den konischen Bereich 83 mit der höchsten Geschwindigkeit.
  • Zu Figur 3 ist weiterhin zu sagen, daß die Achse 93 des Lagerzapfens 65 zur zentralen oder Rotationsachse 95 des Bohrmeißels schräg angeordnet ist, wie dies durch den Winkel Alpha angedeutet ist. Der Winkel Alpha wird als Zapfenwinkel bezeichnet.
  • Figur 6 zeigt den aus dem Stand der Technik als "Hughes" J22 bekannten Bohrmeißel in teilweiser Seitenansicht, welche schematisch alle Einsätze von allen Kegeln zeigt, die in eine Ebene projiziert sind, um deren Beziehung zueinander und zum Grund des Bohrloches während des Bohrens zu zeigen. Dieser Bohrmeißel hat ein Schmier- und Lagersystem, das ähnlich dem ist, das im Zusammenhang mit Figur 3 dargestellt und erläutert wurde. Aus diesem Grunde sollen diese Teile des Meißels hier nicht näher beschrieben werden. Jedoch ist die Anordnung der Zahnreihen im Vergleich zu den in Figur 3 dargestellten unterschiedlich und gleicht der in Figur 7 gezeigten Anordnung, welche eine Entwurfszeichnung der in Figur 6 dargestellten Kegel und Zähne ist, um die Beziehung zwischen den Kegeln und den tangentialen Reihen von Einsätzen zu zeigen.
  • Der in den Figuren 6 und 7 dargestellte Bohrmeißel entsprechend dem Stand der Technik hat drei Kegel, die entsprechend mit 97, 99 und 101 bezeichnet sind. Jeder der Kegel hat Justiereinsätze 103, die in einer Justieroberfläche 105 eingefügt sind. Der Kegel 97 hat Reihen von Einsätzen 107, 109 und 111. Der Kegel 99 hat Reihen von Einsätzen 113, 115, 117 und 119. Der Kegel 101 hat Reihen von Einsätzen 121, 123, 125 und 127. Der Meißel "Hughes" J22 entsprechend den Figuren 6 und 7 hat zwei sich überlappende abriebaufnehmende Reihen 115, 123, um den Mangel an Stabilität einer einzelnen abriebaufnehmenden Reihe in härteren, spröden Formationen zu überwinden. Weil jedoch die versetzt angeordnete, abriebaufnehmende Reihe und die Schneidrückenreihe, die für das Zusetzen anfälligsten sind, werden die Bedingungen für das Zusetzen in weichem Schiefergestein verschlechtert, weil es nunmehr an zwei Kegeln statt an einem auftritt. Auch das Fehlen eines Ineinandergreifens zwischen der Reihe 107 und 109 und das nur geringfügige Ineinandergreifen zwischen den Reihen 115 und 117 verursacht bei hohen Vortriebsgeschwindigkeiten ein zusätzliches Zusetzen. Der zugesetzte Zustand des Bohrmeißels J22 ist in Figur 8 dargestellt. Unter Laborbedingungen konnte nachgewiesen werden, daß der zugesetzte Meißel J22 zirka 40 % langsamer bohrt als der Meißel J05, der in Figur 2 dargestellt ist.
  • Figur 9 ist eine perspektivische Ansicht eines Bohrmeißels, der die Merkmale der Erfindung aufweist. Er besitzt Düsen 133, um das Bohrfluid gegen die Kegel und den Grund des Bohrloches zu richten. Dieser Meißel hat drei Kegel, die mit den Bezugszeichen 135, 137 und 139 bezeichnet sind. Kegel 135 hat in Übereinstimmung mit den anderen Kegeln Justiereinsätze 141 in einer Justierfläche 143. Der Kegel 135 besitzt ebenfalls Reihen von Einsätzen 145, 147 und 149. Der Kegel 137 weist Reihen von Einsätzen 151, 153 und 155 auf. Der Kegel 139 hat Reihen von Einsätzen 157, 159 und 161.
  • Ein einfaches Maß für den Zusetzungsgrad kann man erlangen, indem man die Zahl der zugesetzten Reihen zur Gesamtzahl der Reihen ins Verhältnis setzt und in Prozent angibt. Beim Errechnen dieses Wertes werden die offenen Räume oder Kerben ebenfalls als Reihen gezählt. Die Werte für den Meißel "Hughes" J05 reichen von 14 bis 50 % für die einzelnen Kegel, und der Durchschnitt für den gesamten Bohrmeißel beläuft sich auf zirka 1/3 oder 33 %. Für den Meißel J22 belaufen sich die Werte auf 25 bis 57 % für den einzelnen Kegel, und auf 44 % für den gesamten Bohrmeißel.
  • Dieses Ausführungsbeispiel der Erfindung benutzt den grundsätzlichen Aufbau des Meißels J05 mit dem folgenden zusätzlichen Merkmal zur weiteren Reduzierung des Zusetzens: Es wird ein Ineinandergreifen zwischen der abriebaufnehmenden Reihe 159 auf dem Kegel 139 und dem schmalen Raum oder der schmalen Kerbe zwischen der Schneidrückenreihe 145 und der inneren Reihe 147 am Kegel 135 ermöglicht. Dies reduziert das Zusetzen am Kegel 135 von 50 auf 16 % und insgesamt von 33 auf 22 %, wie ein Vergleich zwischen der Figur 10 und der Figur 2 zeigt.
  • Die verschiedenen Reihen von Einsätzen des Bohrmeißels nach Figur 9 werden in einer schematischen Seitenansicht in Figur 11 und in einer Entwurfszeichnung in Figur 12 dargestellt. Figur 12 zeigt, daß jede der benachbarten Reihen von Einsätzen mit den tangentialen Kerben der benachbarten Kegel ineinandergreift oder zusammenpaßt, so daß jede tangentiale Kerbe mit einer Reihe von Einsätzen eines benachbarten Kegels ineinandergreift. Dies trifft für jede Kombination von benachbarten Reihen zu, einschließlich der Reihen 145 und 147 des Kegels 135. Hier greifen die Einsätze 159 des Schneidwerkzeuges 139 mit einem Abstand I, welcher im wesentlichen den gesamten Überstand P der zugehörigen Schneidrückenreihe 145 gleich ist, zwischen die Reihen 145 und 147. Dies ist von dem Bohrmeißel nach dem Stand der Technik, wie er in den Figuren 4 und 7 dargestellt ist, zu unterscheiden. In Figur 4 gibt es nur ein schwaches Ineinandergreifen zwischen den Einsätzen 37 des Kegels 21 und zwischen den benachbarten Reihen der Einsätze 23, 25 des Kegels 17. In Figur 7 findet zwischen den benachbarten Reihen 107, 109 des Kegels 97 und dem Einsatz 115 des Kegels 99 kein Ineinandergreifen statt. Dieses Merkmal des Bohrmeißels nach den Figuren 9 bis 12 sichert, daß nur ein minimales Zusetzen beim Durchdringen von Schiefer- oder anderen weichen Formationen zwischen den Reihen von Einsätzen von der Mitte bis zu den Schneidrückenreihen des Bohrmeißels eintritt.
  • In Figur 11 ist zu erkennen, daß die Mittellinie 163 des Bohrmeiße1s sich mit der Drehachse des Schneidwerkzeuges unter einem schiefen oder Zapfenwinkel Beta kreuzt. Der Winkel Beta ist größer als der Winkel Alpha, der aus den in den Figuren 3 und 6 dargestellten Bohrmeißeln nach dem Stand der Technik bekannt ist, wobei normalerweise der Winkel Alpha etwa 33 Grad beträgt, während der Winkel Beta einen Betrag von 36 Grad hat. Dies bringt die Basen der Kegel enger zusammen als bei den Bohrmeißeln nach dem Stand der Technik. Der schräge oder Zapfenwinkel von jedem Lagerzapfen, die Geometrie der Kegel und die Größen der Einsätze sind so gewählt, daß ein Ineinandergreifen der Reihen von Einsätzen über die gesamte Bahn von der innersten Reihe bis zur Schneidrückenreihe, ermöglicht wird.
  • Figur 10 zeigt den Zustand eines Meißels nach Figur 9 nach dem Bohren in einer weichen Formation. Wie durch Vergleiche mit den Meißeln nach dem Stand der Technik entsprechend den Figuren 2 und 8 deutlich wird, tritt eine beträchtliche Verminderung des Zusetzens am Kegel 135 ein.
  • Figur 13 zeigt schematisch in einer computergestützten Darstellung die Ansicht der Kegel 135, 137 und 139, wie sie sich ergibt, wenn man in Richtung der Achse 167 des Strahls oder der Düse des Bohrmeißels direkt nach unten blickt. Die Anordnung der Düse ist so gerichtet, daß der zylindrische Kern 168 des Strahls an den Schneidwerkzeugen 137, 139 vorbeigeht. Dies gilt für die Beziehung zwischen jeder der Düsen und jedes der betreffenden Schneidwerkzeuge. Dies begründet die hohe Geschwindigkeit des Kernes 168 des Strahls, wenn er mitten zwischen den Kegeln hindurch geht und den Grund des Bohrloches trifft, während der äußere oder Randbereich 170 mit niedrigerer Geschwindigkeit die Einsätze der Schneidrücken und der ersten inneren Reihen trifft, um deren Reinigung von zwischen den Einsätzen angesammelten Schneidresten zu unterstützen und das Zusetzen zu vermindern. Die hohe Geschwindigkeit des Strahlkernes verbleibt unbeeinflußt und trifft direkt auf den Grund des Bohrloches und hilft, daß Festhalten von Teilchen zu überwinden. Die niedrigere Geschwindigkeit des Randbereiches reduziert das Zusetzen, erodiert aber infolge seiner niedrigeren Geschwindigkeit nicht die Kegel.
  • Figur 11 zeigt eine gegenüber den zuvor beschriebenen Bohrmeißel nach dem Stand der Technik andere Anordnung der Lager, aber diese Veränderungen sind für die Umsetzung der Erfindung nicht wesentlich. In Figur 11 wird statt eines elastischen Befestigungsringes, wie er in den Figuren 3 und 6 gezeigt ist, eine Reihe von Kugellagern 167 verwendet, um die Kegel 135, 137 und 139 zu halten. Die Kugellager 167 werden auf dem Lagerzapfen durch einen Kugelbolzen 169 am Punkt 171 mit dem Abschnitt 129 des Bohrmeißels verschweißt. Ansonsten sind der Körper, die Abschnitte und die Schmiersysteme des Bohrmeißels nach Figur 11 denen ähnlich, die in den Figuren 3 und 6 dargestellt sind.
  • Figur 14 zeigt einen Bohrmeißel 173 als weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dieser Bohrmeißel hat drei Kegel 175, 177 und 179. Kegel 179 hat eine tangentiale Reihe von Schneidrückeneinsätzen 181, eine benachbarte oder abriebaufnehmende Reihe 183 und eine innere Reihe 185. Der Kegel 177 besitzt eine Schneidrückenreihe 187 und zwei innere Reihen 189 und 191. Der Kegel 175 umfaßt eine Schneidrückenreihe 193 und zwei innere Reihen 195, 197. Jeder der Kegel hat eine Reihe von Justiereinsätzen 199 in den Justierflächen 201. Die Kegel sind auf einem Meißelkörper 203 drehbar gelagert, der aus Abschnitten an den Linien 205 zusammengeschweißt ist, um einen Gesamtkörper zu bilden, welcher an seinem oberen Ende bei 207 zur Verbindung mit einem nicht dargestellten Bohrgestänge mit Gewinde versehen ist. Jeder Abschnitt besitzt eine Düse 209, die während des Bohrens aus einem im Meißel befindlichen, nicht dargestellten inneren Hohlraum Fluid gegen den Grund des Bohrloches und über die Zähne von ausgewählten Reihen richtet.
  • Das sich von anderen am meisten unterscheidende Merkmal des Meißels nach Figur 14 sind die kleinen Einsätze 181 im Kegel 179. Diese Einsätze sind keine Schneidrückeneinsätze der bekannten Art, sondern dienen vielmehr als Einsätze zum Ausräumen.
  • Figur 16 ist eine Seitenansicht von Teilen des Bohrmeißels nach Figur 14, bei der sämtliche Reihen von Einsätzen an jedem Schneidwerkzeug in die Zeichnungsebene projiziert sind, um deren Beziehung zum Grund des Bohrloches 209 zu zeigen. Dieser Bohrmeißel umfaßt ein Ausgleichs- und Schmierungssystem desselben Typs, wie es in den Figuren 3 und 6 dargestellt ist. Hier sind die Durchgänge 213 in jedem Abschnitt des Meißelkörpers zu einem Kugelbolzen 215 geführt, welcher bei 217 verschweißt ist, um eine Reihe von Kugellagern 219 in zueinander passenden Laufrillen, die zwischen dem Lagerzapfen 221 und den Schneidwerkzeugen 175, 177 und 179 angeordnet sind, zu halten.
  • Die Achse 223 des Lagerzapfens ist zur mittleren oder Drehachse 225 des Bohrmeißels schräg angeordnet, wie dies durch den Winkel Gamma angedeutet ist. Der Winkel Gamma wird als Zapfenwinkel bezeichnet. Die Lagerkonstruktion, die in
  • Figur 16 dargestellt ist, enthält auch einen Führungszapfen 227 und ein Zapfenlager 229, welches einen abriebbeständigen Einsatz 231 und eine O-Ring-Kerbe oder -oberfläche 233 aufweist, welche dem O-Ring 235 gegenüberliegen, welcher seinerseits außerdem einer Kerbe 237 in einem der Kegel 175, 177 oder 179 gegenüberliegt.
  • Figur 17 ist eine Entwurfszeichnung der Kegel eines Bohrmeißels nach Figur l4, um die Beziehung zwischen den Kegeln und den tangentialen Reihen von Einsätzen zu zeigen. Die verschiedenen Einsätze haben dieselben Bezugszeichen wie in den Figuren 14 und 16 und zeigen, daß die verschiedenen Drehachsen 239, 241 und 243 sich nicht in einem Punkte schneiden. Das heißt, das die Drehachsen der Kegel sich mit einem Kreis 245 schneiden oder diesen tangieren, der als Versatzkreis (Offset Circle) bekannt ist. Dies bewirkt etwas Schlupf der Kegel auf dem Grund des Bohrloches, was das Bohren in weicheren Formationen begünstigt.
  • Jeder der Einsätze ist durch Preßsitz in zugehörigen Bohrungen in den Kegeln befestigt. Ein Weg, um das Zusammenwirken der verschiedenen Einsätze und der Schneidwerkzeuge zu beschreiben, ergibt sich mit Bezug auf den ersten Kegel 175, der innere Reihen von tangential angeordneten Einsätzen 195, 197 und einer Schneidrückenreihe 193 aufweist. Ein zweiter Kegel 179 hat eine innere, tangential angeordnete Reihe 185 und keine Schneidrückenreihe, jedoch eine tangential angeordnete Reihe von Räum-Einsätzen 181, d. h. versetzt angeordnete und im Durchmesser kleinere Einsätze als jene der Schneidrückenreihen der Kegel 177 und 175. Der Kegel 179 besitzt auch eine benachbarte oder abriebaufnehmende Reihe 183, die in einer Übergangszone zwischen den Schneidrückenreihen und den übrigen der inneren Reihen wirkt. Ein dritter Kegel 177 weist innere Reihen von tangential angeordneten Einsätzen 189, 191 und eine Schneidrückenreihe 187 auf. Jedes der Schneidwerkzeuge besitzt eine Reihe von tangential angeordneten Justiereinsätzen 199, um die Einhaltung des vollen und gewählten Durchmessers des Bohrloches zu unterstützen. Der Bohrmeißel nach Figur 14 besitzt eine solche Düsenanordnung, in der der Strahl einen Kern mit hoher Geschwindigkeit hat, der auf den Grund des Bohrloches trifft, während der äußere oder Randbereich mit niedriger Geschwindigkeit auf die Einsätze der Schneidrückenreihe und der ersten inneren Reihe trifft, um deren Reinigung von zwischen benachbarten Einsätzen sitzenden Schneidresten zu unterstützen.
  • In Figur 17 haben die Einsätze 183 der abriebaufnehmenden Reihe Enden, die in einem Abstand I in die schmale Kerbe zwischen den Einsätzen 193, 195 des Kegels 175 eingreifen. Dieses Ineinandergreifen ist im wesentlichen im Betrag gleich zum Überstand P des Endes des Einsatzes 193 von der Oberfläche des Kegels 175.
  • Während der Funktion des Bohrmeißels, wie er in Figur 14 dargestellt ist, ist er an einem nicht dargestellten Bohrgestänge befestigt, das durch einen nicht dargestellten Bohrturm von der Erdoberfläche aus hochgezogen und abgesenkt sowie rotierend angetrieben wird. Auf den Bohrmeißel wird während der Rotation Druck ausgeübt, so daß die Schneidwerkzeuge 175, 177 und 179 rotieren und die Einsätze veranlassen, den Grund des Bohrloches anzugreifen und abzutragen. Jede tangential angeordnete Reihe von Einsätzen greift ein bestimmtes kreisförmiges Stück am Grund des Bohrloches an, mit Ausnahme des Räumeinsatzes 181. Der Räumeinsatz 181 dient zwei grundsätzlichen Zwecken: (1) Das Zerstören von Rippen oder Gesteinsansammlungen, die sich an der Kante des Bohrloches und entlang des unteren Teiles der Bohrlochwand zu bilden pflegen und (2) eine Stabilisierung des Meißels gegen seitliche Bewegung zu erreichen. Die Verwendung des kleinen Räumeinsatzes hat den speziellen Vorteil, die Räumreihe 181 und die abriebaufnehmende Reihe 183 unabhängig von jeder anderen zu machen, um enge Abstände in der abriebaufnehmenden Reihe zu ermöglichen, was deren Dauerhaftigkeit und Widerstands fähigkeit gegenüber Verschleiß und Bruch erhöht und die Vortriebsgeschwindigkeit steigert. Die Verwendung eines kleinen Räumeinsatzes 181 führt auch zu zusätzlicher Widerstandfähigkeit gegenüber dem Zusetzen, was bei den Bohrmeißeln mit einer Schneidrückenreihe voller Größe und einer versetzt angeordneten, benachbarten inneren Reihe häufig auftrat. Tests haben gezeigt, daß das Zusetzen an tangential angeordneten Reihen von Einsätzen in einer geschlossenen, versetzten Anordnung, ohne jeden Raum zum zeitweisen Verlagern der Schneidreste, wahrscheinlicher ist. Die kurzen und im Durchmesser kleinen Räumeinsätze 181 des Bohrmeißels nach Figur 14 berühren den Grund des Bohrloches nicht und erzeugen deshalb nur eine sehr kleine Zahl von Schneidresten, welche nicht entscheidend zum Zusetzen, wie in Figur 15 dargestellt, beitragen. So hat der Bohrmeißel nach Figur 14 keine Einsätze, die in versetzten, nahe beabstandeten tangentialen Reihen angeordnet sind. Daraus folgend ergibt sich ein maximaler Schutz gegenüber dem Zusetzen.
  • Ein weiteres Merkmal des in Figur 14 dargestellten Bohrmeißels ist der Zapfenwinkel Gamma, welcher von etwa 33 Grad auf etwa 36 Grad vergrößert ist. Dies hat den Effekt, daß es die Basen der Kegel in der Nähe der Schneidrückenreihe näher zusammenbringt, so daß die Einsätze jeder Reihe zwischen den Einsätzen der benachbarten Reihen überall von der innersten Reihe bis zu den Schneidrückenreihen ineinanderpassen oder ineinandergreifen, einschließlich der abriebaufnehmenden Reihe 183 in der Kerbe, die zwischen den Reihen 193 und 195 des Kegels 175 gebildet ist.
  • Ein bemerkenswerter Vorteil der Erfindung ist die Verminderung des Zusetzens beim Bohren in Schiefer oder andere weiche Formationen. Die Ausnutzung des Ineinandergreifens der Einsätze in allen tangential angeordneten Kerben zwischen den Reihen ist der Schlüssel zur Verminderung des Zusetzens. Das Ineinandergreifen ist hier selbst zwischen der abriebaufnehmenden Reihe und der schmalen Kerbe des benachbarten Kegels erreicht worden. Das Ineinandergreifen ist hier größer als der geringe Betrag, den die Bohrmeißel nach dem Stand der Technik aufweisen, und er ist ausreichend, um das Zusetzen in der schmalen Kerbe zu minimieren. Ein wirksamer Betrag des Eingreifens der abriebaufnehmenden Reihe in die schmale Kerbe ist bei gewöhnlichen Bohrmeißeltypen und Bohrpraktiken nicht geringer als 50 % des Überstandes der Einsätze der beteiligten Schneidrückenreihe. Idealerweise ist der Tneinandergriff im wesentlichen dem vollen Überstand der beteiligten Schneidrückenreihe gleich.
  • Zum einen wird für einen wirkungsvollen Betrag des Ineinandergreifens gesorgt, und eine zusätzliche Verbesserung wird durch die geeignete Anordnung der Strahldüsen zum Auflösen des Filterkuchens am Boden mit einem Strahlkern hoher Geschwindigkeit erreicht, welcher an den Kegeln vorbeigeht, und mit seinem Randbereich niedrigerer Geschwindigkeit die Einsätze trifft und reinigt.
  • Selbst bei vollem Ineinandergreifen und geeigneter Düsenanordnung ist der Kegel mit der abriebaufnehmenden Reihe in enger, versetzter Anordnung mit der benachbarten Schneidrückenreihe weiterhin die für das Zusetzen am meisten gefährdete Stelle. Die Erfindung sieht deshalb statt der konventionellen Schneidrückeneinsätze eine Reihe von Räumeinsätzen mit kleinem Durchmesser vor. Die Räumeinsätze berühren die Wand des Bohrloches, um den Bohrmeißel zu stabilisieren und übermäßig angesetztes Gestein, das von den konventionellen Schneidrückenreihen an den anderen Kegeln zurückgelassen wird, auszuräumen. Sie fördern deshalb nur eine sehr geringe Materialmenge und reduzieren so die Tendenz dieser Reihe zum Zusetzen. Zusätzlich ermöglicht die versetzt angeordnete Räumreihe das zeitweise Ablagern des abgebauten Materials zwischen den Einsätzen der abriebaufnehmenden Reihe, was die Neigung zum Zusetzen in dieser kritischen Reihe weiter reduziert.

Claims (4)

1. Erdbohrmeisel (129, 173) mit einem zur Befestigung an einer Rohrtour ausgelegten Körper und drei freitragenden sich nach unten und nach innen, mit einem gewählten Zapfenwinkel relativ zur Drehachse des Bohrmeisels (129, 173) erstreckenden Lagerzapfen; einem drehbar an jedem der Lagerzapfen befestigter Kegel (135, 137, 139, 175, 177, 179), der umlaufende Reihen erdlösender Zähne aus abriebbeständigen Einsätzen aufweisen, deren Enden einen ausgewählten überstand über die Oberfläche des Kegels aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Kegel (135, 175) eine Schneidrückenreihe (145, 193) und eine innere Reihe (147, 195, 197) aufweist, die gegenüber der Schneidrückenreihe (145, 193) durch eine schmale umlaufende Kerbe getrennt ist, die dazu neigt, während des Bohrvorganges mit Schneidresten zuzusetzen;
ein zweiter Kegel (139, 179) eine abriebaufnehmende Reihe (hell-catching row) (159, 183) hat, die sich in die schmale Kerbe erstreckt, wobei der Ineinandergriff in einem Betrag ist, so daß ein Zusetzen der schmalen Kerbe minimiert wird.
2. Erfindung nach Anspruch 1, wobei der Betrag des Ineinandergreif ens der abriebaufnehmenden Reihe (159, 183) in die schmale Kerbe nicht weniger als 50 Prozent des überstandes der Einsätze der beteiligten Schneidrückenreihe (145, 193) ist.
3. Erfindung nach Anspruch 1, wobei der Betrag des Ineinandergreifens der abriebaufnehmenden Reihe (159, 183) gleich im wesentlichen dem vollen Überstand der Einsätze der beteiligten Schneidrückenreihe (145, 193) ist.
4. Erfindung nach Anspruch 1, wobei drei Düsen im Körper während des Bohrvorganges Flüssigkeitsstrahlen liefern, mit hohen Kerngeschwindigkeiten und einer geringeren Geschwindigkeit im auseinanderlaufenden Randbereich zwischen den Kerben, wobei wenigstens eine Düse (133, 209) im Körper zwischen dem ersten und dem zweiten Kegel (135, 139, 175, 179) derart angeordnet ist, daß der Kern des DüsenstrahIs die Kegel trifft, wobei der auseinanderlaufende Randberich die abriebaufnehmende Reihe (159, 183) des zweiten Kegels (139, 179) und die Schneidrückenreihe (145, 193) des ersten Kegels (135, 175) trifft.
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