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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.
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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.
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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.
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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)
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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Zusätzliche Gegenstände, Merkmale und Vorteile der Erfindung
werden durch die folgende Beschreibung des
Ausführungsbeispieles deutlich.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Figur 9 ist eine perspektivische Ansicht eines Bohrmeißels
mit Merkmalen der Erfindung.
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Figur 10 ist eine perspektivische Ansicht eines Bohrmeißels
entsprechend Figur 9 nach dem Bohren durch eine weiche
Formation.
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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.
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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.
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Figur 13 ist das Computermodell von Teilen der Kegel des
Bohrmeißels nach Figur 9, wie es sich in Achsrichtung einer
der Düsen darstellt.
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Figur 14 ist eine perspektivische Ansicht eines alternativen
Ausführungsbeispiels der Erfindung.
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Figur 15 ist eine perspektivische Ansicht eines Bohrmeißels
nach Figur 14 nach dem Durchbohren einer weichen Formation.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.