DE69020836T2

DE69020836T2 - Bohr-Einsatzstück mit mehrteiliger Schneidstruktur.

Info

Publication number: DE69020836T2
Application number: DE69020836T
Authority: DE
Inventors: Jerry Cerkovnik
Original assignee: Baker Hughes Inc
Current assignee: Baker Hughes Holdings LLC
Priority date: 1989-09-29
Filing date: 1990-09-28
Publication date: 1996-04-04
Anticipated expiration: 2010-09-29
Also published as: EP0420262A3; EP0420262B1; DE69020836D1; US5025873A; CA2026498A1; EP0420262A2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen drehbaren Bohrmeißel gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 (EP-A-0 264 274).
Es gibt grundsätzlich zwei Typen von Schneidwirkungen, die mit einem auf einem drehbaren Bohrmeißel befestigten Schneidkörper erreichbar sind, wobei die erste eine abscherende oder abschabenden Wirkung ist, die allgemein durch die Verwendung eines ebenen Schneidkörpers mit einem kreisförmigen oder einem anderen bogenförmigen Profil in dem Teil des Schneidkörpers, der in Schneideingriff mit der Formation steht, erzeugt wird, und die zweite eine pflügende oder einkerbende Wirkung ist, die allgemein durch die Verwendung eines polyederförmigen Schneidkörpers erzeugt wird, der mit einer oberhalb der Meißelfläche vorstehenden Spitze oder Kante ausgerichtet ist.
Die gegenwärtig eingesetzten ebenen Schneidkörper bestehen allgemein aus einer ebenen, polykristallinen Diamanten- Schicht auf einem Stützsubstrat und werden gewöhnlich als "PDC's" bezeichnet, während der einkerbende Typ Schneidkörper von selbststützenden, thermostabilen polykristallinen Diamantstrukturen ("TSP's") in Form einer Scheibe oder eines Polyeders gebildet sind. Die erstgenannten Schneidkörper müssen, z.B. durch Löten, auf einem Drehbohrmeißel mit Wolfram-Carbid-Matrix nach der Ofenbehandlung des Meißels befestigt werden, da die PDC's durch die verwendete Meißelbrenntemperatur erheblich beeinträchtigt, wenn nicht gar gänzlich zerstört werden. Die letztere Art der Schneidkörper, die TSP's, werden so genannt, weil sie den Meißelbrennvorgang ohne Beeinträchtigung überstehen.
Es wurde bereits vorgeschlagen, einen großen PDC-artigen ebenen Schneidkörper durch Verwendung einer ebenen mosaikförmigen Anordnung von TSP's zu simulieren, was es erlaubt, ebene Schneidkörper in den Meißel in einem einzigen Vorgang einzubrennen. Solche Schneidkörper sind in der US-A- 4,726,718 und der EP-A-0 264 674 offenbart.
Große ebene TSP-Schneidkörper, die den PDC's vergleichbar sind, sind seit kurzem auf dem Markt erhältlich. Wenngleich solche Schneidkörper in einen Matrix-Meißel eingebrannt werden können, sind ihre Kosten sehr hoch, so daß aus ökonomischen Gründen ein sparsamer Gebrauch erforderlich ist.
Ein Problem, das die PDC-Schneidkörper, die einzelnen TSP- Schneidkörper, die mosaikförmigen TSP-Schneidkörper und die neu eingeführten größeren ebenen TSP-Schneidkörper betrifft, ist das Stumpfwerden der Schneidkörper beim Verschleißen des Drehbohrmeißels während des Bohrens, wodurch das Meißelgewicht auf eine stetig zunehmende Schneidfläche einwirkt, wenn die PDC- oder die größeren TSP-Schneidkörper abflachen und die angespitzte TSP-Schneidkörperspitze verschleißen. Bei der mosaikförmigen ebenen Anordnung aus TSP- Schneidkörpern treten dieselben Abstumpfungsprobleme wie bei den PDC's auf.
Ein Ansatz zur Lösung des Problems geht aus der EP-A- 0 264 674 hervor, die ein Brechen bei Stoßbelastung begünstigende Mittel in Form einer in der Tiefe reduzierten Matrix zwischen benachbarten TSPCD-Elementen eines Schneidkörpers offenbart, welche kontrollierte Schwächungsebenen in der Schneideinrichtung schaffen, um ein Brechen des Schneidkörpers entlang vorbestimmter Bruchebenen zu ermöglichen. Wenn die Belastung auf einen Schneidköperbereich zunimmt, bricht somit der Schneidkörper aus der Unterstützung heraus, um einen neuen Schneidkörper bereitzustellen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Bohrmeißel mit einer Schneideinrichtung zu schaffen, die das Abstumpfungsproblem auf kontrollierte Weise löst.
Die Erfindung verkörpert sich in einem Bohrmeißel gemäß Anspruch 1. Hinsichtlich weiterer Ausgestaltungen wird auf die Ansprüche 2 bis 14 verwiesen.
Die Schneideinrichtung der vorliegenden Erfindung wird nur bis zu einem gewissen Grad oder Niveau verschleißen oder abstumpfen, bevor die Spitzen der nächstunteren Reihe von TSP-Elementen beginnen werden, die Formation zu berühren. Wenn das Schneiden fortgesetzt wird, werden die Elemente der obersten Reihe aus der Schneideinrichtung wegbrechen, um der nächsten Reihe von scharf gespitzten Elementen der Schneidanordnung den Eingriff mit der Formation überlassen und die Meißellast auf den kleinen Bereich der in Eingriff mit der Formation stehenden Spitzen zu konzentrieren, anstatt sie auf eine größere Fläche der Elemente der abgenutzten obersten Reihe oder, wie bei den bisherigen PDS- Schneidkörpern, auf abgeflachte Schneidkörperspitzen zu verteilen. Idealerweise wird jede Reihe von Elementen aus der Anordnung wegbrechen, wenn sie bis zu einem gewissen Grad abgenutzt sind, um den Spitzen der nächsten Reihe von Elementen den Eingriff mit der Formation zu ermöglichen.
Die vorliegende Erfindung ist besser verständlich durch die nachfolgende detaillierte Beschreibung von bevorzugten Ausführungen in Verbindung mit der zugehörigen Zeichnung. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Meißels mit einer bevorzugten Ausführungsform der Schneideinrichtung nach der Erfindung;
Fig. 2 eine perspektivische Draufsicht auf den Meißel nach Fig. 1;
Fig. 3 eine vergrößerte perspektivische Darstellung der Schneideinrichtung des Meißels nach Fig. 1;
Fig. 4 eine Vorderansicht der Schneideinrichtung nach Fig. 3;
Fig. 5A und 5B Vorder- und Seitenansicht einer besonderen TSP-Elementanordnung, geeignet für den Einsatz bei der Schneideinrichtung nach der Erfindung;
Fig. 6A und 6B Seiten- und Vorderansicht einer modifizierten TSP-Element-Unterstützungsanordnung zum Einsatz bei der Schneideinrichtung nach der Erfindung;
Fig. 7A und 7B Vorderansicht und perspektivische Ansicht einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Schneideinrichtung nach der Erfindung;
Fig. 8A und 8B Vorder- und Seitenansicht einer dritten bevorzugten Ausführungsform der Schneideinrichtung nach der Erfindung;
Fig. 9,10 u. 11 Vorderansichten von Ausführungsformen der Schneideinrichtung nach der vorliegenden Erfindung mit alternativen TSP- Elementformen;
Fig. 12A u. 12B Vorder- und Seitenansicht einer stiftartigen Schneideinrichtung gemäß der Erfindung.
Bezugnehmend auf die Fig. 1 bis 4 wird die vorliegende Erfindung anhand einer ersten bevorzugten Ausführungsform eines Drehbohrmeißels 10 beschrieben. Der Drehbohrmeißel 10 weist einen Meißelkörper 12 mit Schneideinrichtungen, die allgemein mit 14 bezeichnet sind und mit Kalibrierbereichen auf, die allgemein mit 16 bezeichnet sind. Die Schneideinrichtungen 14 dieser Ausführungsform bilden jeweils einen einzelnen Schneidflügel gemäß vorliegender Erfindung. Die Kalibrierbereiche 16 haben normalerweise keine Schneidfunktionen, ausgenommen die Aufrechterhaltung der Kalibrierung (Durchmesser) des mit dem Meißel 10 gebohrten Bohrlochs.
Der Meißelkörper 12 ist vorzugsweise zumindest teilweise ein gegossenes Bauteil, das durch konventionelle Metall- Infiltrations-Technik hergestellt ist, bei der ein Wolframcarbid-Pulver mit einem Bindemittel aus einer auf Kupfer basierenden Legierung in einer Gußform bei erhöhten Temperaturen infiltriert wird. Die Schneideinrichtung der vorliegenden Erfindung ist jedoch nicht auf Meißeltypen mit einer infiltrierten Matrix beschränkt, sondern sie ist auch von Nutzen und kann eingesetzt werden bei einem hartbeschichteten Gußstahl-Meißelkörper, wobei die Schneideinrichtung der vorliegenden Erfindung auf am Meißel befestigten Stiften oder anderen Trägerteilen angeordnet wird. Ungeachtet dessen, ob eine Gußmatrix- oder ein Stahlmeißelkörper hergestellt wird, erstreckt sich ein Gewindeschaft 18 am Boden des Meißelkörpers 12 zur Verbindung des Meißels 10 mit einem Bohrstrang.
Jede Schneideinrichtung 14 der Ausführung des Drehbohrmeißels 10 erstreckt sich von der Nähe der Mittellinie 24 des Meißels 10 bis zum Kalibrierbereich 16. Jede flügelförmige Schneideinrichtung 14 bildet eine mosaikförmige Anordnung, die aus einer Mehrzahl von polyederförmigen, thermostabilen, polykristallinen Diamantmaterial-Elementen 20 (TSP) gebildet ist, die in der Wolframcarbid-Matrix des Meißelkörpers 12 gebunden sind. Vorzugsweise wurde jedes TSP- Element beschichtet, entweder mit einem Metall oder mit einer Metalllegierung, um die Bindung des Materials an die Matrix zu erleichtern.
Wie in den Fig. 3 und 4 veranschaulicht ist, weist jede Schneideinrichtung 14 eine im allgemeinen ebene Schneidfläche 22 auf, in der eine Mehrzahl der oben erwähnten TSP- Elemente 20 mit einer exponierten, ebenen, dreieckförmigen Fläche eingelassen ist, die in der gleichen Ebene wie die Schneidfläche liegt. Jedes TSP-Element 20 ist in bezug auf die Drehrichtung derart ausgerichtet, daß sein Scheitel 24 von der Fläche 26 des Meißelkörpers 12 fort- und somit zu der zu schneidende Formation hinweist, wenn der Meißel am Ende eines Bohrstrangs eingesetzt wird. Es kann aus Fig. 3, allerdings noch deutlicher aus Fig. 4 entnommen werden, daß die TSP-Elemente 20 dieser Ausführungsform in versetzten Reihen 28 ausgerichtet sind, wobei die TSP-Elemente 20 jeder Reihe 28 mit einem ausreichenden Abstand voneinander angeordnet sind, damit die Scheitel 24 der TSP-Elemente 20 der nächstniedrigeren Reihe 28 sich nach oben gerichtet zwischen sie erstrecken können. Der Grad der Beabstandung und des Vorsprungs der Scheitel 24 jeder Reihe 28 in die nächsthöhere Reihe 28 ist eine Frage der Gestaltung. In Fig. 4 ragt jede Reihe 28 in vertikaler Richtung mit der halben Höhe eines TSP-Elements in die nächste Reihe 28 hinein.
Im Betrieb werden die TSP-Elemente 20 der äußersten Reihe 28 beim Drehen des Meißels mit einer Formation in Eingriff kommen und die Scheitel 24 der TSP-Elemente 20 werden die Formation mit einer einkerbenden oder pflügenden Wirkung schneiden. Dies wird solange andauern, bis die Scheitel 24 abgenutzt und abgestumpft sind, woraufhin die Scheitel 24 der TSP-Blemente 20 der nächstniedrigeren Reihe 28 beginnen werden, die Formationen zu beareiten, so daß wiederum im wesentlichen die Meißellast auf eine wesentlich kleinere Fläche konzentriert und die Formation auf aggressive Weise geschnitten wird, anstelle eines "Gleitens" des Meißels auf der Formation, wenn die Elementspitzen abstumpfen.
Wenn jede Reihe 28 der TSP-Elemente 20 während des Schneidens abstumpft, ist es idealerweise wünschenswert, daß sie wegbricht oder anderweitig vom Meißel entfernt wird, um die Meißelbelastung gänzlich auf die neu exponierten, scharfen, die Formation angreifenden Scheitel 24 der nächstniedrigeren Reihe 28 zu konzentrieren, so daß nur eine Reihe 28 von Elementen 20 zur gleichen Zeit in wesentlichem Schneideingriff mit der Formation steht.
Eine solche Entfernung kann auf verschiedene Weise bewirkt werden. Wie die Fig. 5A und 5B zeigen, kann beispielsweise die der Drehrichtung abgewandte Fläche 40 jedes TSP- Elements 20 eine vertikale Nut 42 aufweisen, die sich von der Basis 44 des Elementes zu einem Punkt in der Nähe der geometrischen Mitte des Elementes erstreckt. Wenn das Element 20 sich bis zu dem Punkt, wo die Nut beginnt, abnutzt, wird die Elementnutung einen Bruch durch Stoßbelastung aus der Formation hervorrufen und vom Meißel wegbrechen. Alternativ können Hohlräume oder ein Element aus einem erodierbaren Material 46 in der Schneideinrichtung hinter jedem Element angeordnet werden, wie das Fig. 6 veranschaulicht, wobei das Freilegen eines Hohlraums oder eines erodierbaren Materials beim Abnutzen des Elements 20 zu einer schnellen Erosion und dem Verlust der Stoßunterstützung für das Element und infolgedessen zu dessen Verlust führt. Ton oder harzbeschichteter Sand können in eine geeignete Form gegossen werden, um ein erodierbares Element zu schaffen. Hohle Metallkugeln oder andere Formen können verwendet werden, um Hohlräume während der Ofenbehandlung des Meißels zu schaffen.
Ein weiterer Ansatz für eine kontrollierte Elementerneuerung sieht andere Muster von TSP-Elementen 20 vor. In den Fig. 7A und 7B sind z.B. ausgerichtete Reihen von TSP- Elementen 20 dargestellt, wobei jede Reihe 28 die Reihe über ihr ersetzt, wenn die Reihe abgenutzt ist und die Elemente 20 wegbrechen. Die Verwendung von zerbrechbaren Elementen oder ein durch Erosion hervorgerufener Verlust, wie dies in Hinblick auf die Fig. 5 u. 6 beschrieben worden ist, kann bei der Anordnung der Fig. 7 vorgesehen werden, oder es können, wie dies in Fig. 7B gezeigt ist, die Elemente 20 von der Schneidfläche 22 vorstehen, um einen durch Erosion hervorgerufenen Verlust zu erleichtern. In Fig. 7B ist dargestellt, daß die Elemente 20 der höchsten Reihe 28 mehr als die in Reihe 28' vorstehen, welche wiederum mehr von der Schneidfläche 22 vorstehen als die Elemente 20 in der niedrigsten Reihe 28". Der Unterschied im Grad des Vorstehens erleichtert den reihenweise aufeinanderfolgenden Verlust der Elemente 20.
Anstelle von linearen Reihen von Elementen 20 können bogenförmige Reihen 28 verwendet werden, wie das in den Fig. 8A und 8B dargestellt ist, und zwar insbesondere für kleinere Schneideinrichtungen 14, die weniger Elemente 20 aufweisen.
Wie in den Fig. 9 bis 11 dargestellt ist, ist die vorliegende Erfindung nicht auf dreieckförmige TSP-Elemente beschränkt. Die Fig. 9 veranschaulicht die Verwendung von versetzten Reihen 28 von kleinen TSP-Elementen 20 in Scheibenform. Die Fig. 10 zeigt Reihen 28 aus quadratischen TSP- Elementen 20, die so gedreht sind, daß ihre Scheitel 24 die Formation angreifen. Die Fig. 13 veranschaulicht die Verwendung von kleinen achteckigen TSP-Elementen 20 bei versetzten Reihen 28. Die TSP-Elemente 20 können entweder dicht in einer ineinandergreifenden Anordnung, wie dargestellt, geschichtet oder voneinander beabstandet sein. Zusätzlich kann jede der TSP-Elementformen der Fig. 9 bis 11 in einer in Fig. 7 dargestellten Anordnung verwendet werden, wie das für den Fachmann auf der Hand liegt.
Die Fig. 12A und 12B zeigen eine Schneideinrichtung 14 der vorliegenden Erfindung in einen stiftförmigen Träger 140, wie er an einem Stahlmeißelkörper befestigt werden kann. Der Träger 140 weist ein Schneidelementabstützteil 142, der normalerweise aus Wolfram-Carbid gebildet ist, mit einem integralen Stift 144 auf, der vom Boden ausgeht. Der Stift 144 kann zylinderförmig sein oder eine andere Form haben, um die Schneidkörperausrichtung zu erleichtern, wenn er in eine in die Fläche eines Stahlmeißelkörpers gebohrte Bohrung eingesetzt wird.
Obgleich die vorliegende Erfindung anhand verschiedener bevorzugter Ausführungsformen beschrieben worden ist, ist sie nicht darauf beschränkt, da viele Zusätze, Weglassungen und Modifikationen bei diesen Ausführungsformen möglich sind, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. So können z.B. rechteckige oder nicht gleichschenklige dreieckige TSP-Elemente bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden, und mehr als eine Form von TSP-Elementen kann in einer Anordnung einer Schneideinrichtung verwendet werden.
Andere Typen von Schneidelementen können anstelle oder in Ergänzung zu den TSP-Elementen verwendet werden. Zum Beispiel können verschiedene Formen von PDC-Schneidkörpern oder natürliche Diamanten verwendet werden. Diese und andere Modifikationen sind für den Fachmann erkennbar.

Claims

1. Drehbarer Bohrmeißel (10) zur Durchdringung einer unterirdischen Formation, mit einem Meißelschaft (18) zur Befestigung des Bohrmeißels an einem Bohrstrang, einem Meißelkörper (12), der auf dem Meißelschaft (18) angebracht ist und eine Fläche (26) für einen Berührungseingriff mit der Formation aufweist, zumindest einer Schneideinrichtung (20), die auf der Meißelfläche (26) angebracht ist und eine Mehrzahl von Schneidelementen (20) trägt, die in einer eine Mehrzahl von Reihen (28) umfassenden Anordnung vorgesehen sind, wobei jede der Reihen (28) in einem anderen Abstand zur Meißelfläche als zumindest eine andere Reihe (28) angeordnet ist, so daß nur eine Reihe (28) von Elementen (20) zur gleichen Zeit während der Durchdringung der Formation in wesentlichem Schneideingriff mit der Formation steht, und wobei die Schneideinrichtung (14) ferner auf Verschleiß ansprechende, bei Stoßbelastung ein Brechen von Schneidelementen begünstigende Miftel (42, 46) umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die ein Brechen bei Stoßbelastung begünstigenden Mittel (42, 46) auf der Rückseite von zumindest einigen der Schneidelemente (20) angeordnet sind und auf Verschleiß der ihnen zugeordneten Schneidelemente (20) für ein kontrolliertes Auslösen dieser Schneidelemente aus der Anordnung ansprechen.

2. Bohrmeißel nach Anspruch 1, bei dem die ein Brechen bei Stoßbelastung begünstigenden Mittel von einer Ausnehmung (42) in den der Drehrichtung abgewandten Flächen (40) von zumindest einigen der Schneidelemente (20) gebildet sind.

3. Bohrmeißel nach Anspruch 1, bei dem die ein Brechen bei Stoßbelastung begünstigenden Mittel von erodierbarem Material (46) hinter zumindest einigen der Elemente (20) gebildet sind.

4. Bohrmeißel nach Anspruch 1, bei dem die ein Brechen bei Stoßbelastung begünstigenden Mittel von Hohlräumen in der Schneideinrichtung (14) hinter zumindest einigen der Elemente (20) gebildet sind.

5. Bohrmeißel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Elemente (20) von vertikal benachbarten Reihen (28) seitlich versetzt angeordnet sind.

6. Bohrmeißel nach Anspruch 5, bei dem die Elemente (20) jeder Reihe (28), die unter sich eine andere Reihe (28) hat, im Abstand zueinander angeordnet sind und Scheitel (24) der Elemente (20) jeder darunter befindlichen Reihe (28) zwischen diese vorspringen.

7. Bohrmeißel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Reihen (28) im wesentlichen untereinander vertikal fluchtend ausgerichtet sind.

8. Bohrmeißel nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Reihen (28) Vorderseite zu Rückseite in Richtung (30) der Schneidbewegung in Stufenform versetzt sind.

9. Bohrmeißel nach Anspruch 8, bei dem die in bezug auf die Fläche (26) des Bohrmeißels (10) oberste Reihe (28) von Elementen (20) die in Richtung (30) der Schneidbewegung vorauseilende Reihe bildet.

10. Bohrmeißel nach Anspruch 8, bei dem die in bezug auf die Fläche (26) des Bohrmeißels (10) oberste Reihe (28) von Elementen (20) die in Richtung (30) der Schneidbewegung nachlaufende Reihe bildet.

11. Bohrmeißel nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem zumindest eine der Reihen (28) nichtlinear verläuft.

12. Bohrmeißel nach Anspruch 11, bei dem die nichtlineare Reihe (28) bogenförmig verläuft.

13. Bohrmeißel nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem die Schneideinrichtung (14) eine im wesentlichen ebene Schneidfläche (22) darbietet und zumindest einige der Reihen (28) von Elementen (20) von der Schneidfläche (22) vorstehen.

14. Bohrmeißel nach Anspruch 13, bei dem jede vorstehende Reihe (28) weiter von der Schneidfläche (22) vorsteht als irgendeine dichter an der Meißelfläche (26) gelegene vorstehende Reihe (28).