DE69227430T2

DE69227430T2 - Divergierende Düse für Bohrwerkzeug und Werkzeug, das diese Düse verwendet

Info

Publication number: DE69227430T2
Application number: DE69227430T
Authority: DE
Inventors: Alain F-78500 Sartrouville Besson; Bernard F-64000 Pau Pontneau
Original assignee: SECURITY DBS; Total SE
Current assignee: SECURITY DBS; TotalEnergies SE
Priority date: 1991-09-16
Filing date: 1992-09-15
Publication date: 1999-07-01
Anticipated expiration: 2012-09-16
Also published as: FR2681372A1; EP0533550A1; US5293946A; NO923585L; AU654738B2; CA2078269A1; EP0533550B1; DE69227430D1; FR2681372B1; AU2456292A; NO305916B1; NO923585D0; CA2078269C; RU2062862C1; BR9203590A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Düsen für ein Bohrwerkzeug, das den Fels mittels Abrieb oder Zerkleinerung bearbeitet, beispielsweise für ein Einblock-Werkzeug, das mit Messern oder Schneiden aus Diamant, kristallinem Polydiamant oder PDC, aus Wolfram-Karbid usw. versehen ist.
Diese Düsen müssen gute Eigenschaften bezüglich der Bewässerung, der Reinigung, der Kühlung der Messer und Schneiden sowie einen guten Austrag des Bohrkleins aufweisen.
Es ist bekannt, daß zylindrische oder konvergente Düsen hervorragende Felszerstörungseigenschaften aufweisen, da sie den Fluß der Bewässerungsflüssigkeit auf einen kleinen Querschnitt konzentriert. Sie werden hierfür in Dreikegelrollenwerkzeugen verwendet.
Im Falle von Einblock-Werkzeugen ist der ausschlaggebende Faktor nicht derjenige der Felszerstörung durch hydraulischen Stoß, sondern vielmehr derjenige der gleichmäßigen Bewässerung der gesamten aktiven Oberfläche des Werkzeugs. Dieses Ergebnis könnte gewiß durch Ausrüsten des Einblock-Werkzeuges mit großen Düsen erreicht werden, welche Flüssigkeitsstrahlen mit entsprechend großem Querschnitt erzeugen und auch den Vorteil haben, sich durch Felsabtrag nicht verstopfen zu lassen, aber in dem seltenen, jedoch möglichen Fall, daß sich eine Verstopfung ereignet, wäre eine Reinigung (Entfernung der Verstopfung) schwierig durchzuführen, da bei einer großen Düse der Druckverlust gering ist. Verfügt das Werkzeug über mehrere andere große, nicht verstopfte Düsen, so steht keine ausreichende Durchsatzleistung zur Reinigung der verstopften Düse zur Verfügung.
Eine Lösung zur Förderung der Reinigung der Düsen könnte darin bestehen, Düsen mit einem kleinen Durchgangsquerschnitt auszuwählen, da der höhere Druckverlust eine Durchführung der Reinigung gestatten würde. Dann gerät man jedoch wieder in den Nachteil, daß die Düsen mit kleinem Querschnitt leicht verstopfen.
Aus den Patenten US-A-4 429 755 und US-A-4 703 814 sind divergierende Düsen bzw. Streudüsen mit großem Durchgangsquerschnitt bekannt.
Derartige Düsen lösen jedochaufgrund ihres großen Divergenzwinkels in keinster Weise das vorstehend geschilderte Problem. Es ist in der Tat bekannt, daß die Durchflußmengen von Bewässerungsflüssigkeit, die in Ölbohrlöcher fließen, hoch sind und daß sie ein turbulentes Flußverhalten bestimmen. Im Falle einer divergierenden Düse kann eine starke Wirbelgegenströmung entstehen, die die Flüssigkeit vollständig von der divergierden Wandung ablöst. Diese Neigung, eine Wirbelströmung zu bilden, wird im Falle der Düse des vorstehend benannten Patents US-A-4 703 814 aufgrund des Vorhandenseins scharfer Kanten stromaufwärts und stromabwärts der divergierenden Wandung verstärkt. Diese Wirbelgegenströmungen vernichten einen wichtigen Teil der Energie der Flüssigkeit, die vollständig verloren bzw. verschwendet ist und weder zur Reinigung der Schneiden noch zum Reinigen der Düsen im Falle einer Verstopfung benutzt werden kann. Mit derartigen Düsen kann somit keine gute Bewässerung, keine Selbstreinigung, keine gute Kühlung der Messer und Schneiden und keine Selbstreinigung der Düsen (bei Verstopfung) erreicht werden.
Das Patent US-A-4 185 706 betrifft die Verwendung von Kavitätseffektdüsen, die auf ein Rollenbohrwerkzeug montiert sind und dazu dienen, die Felszerstörung durch Kavitation durchzuführen, d. h. unter der Einwirkung von Miniexplosionen, die zerstörerische Schockwellen erzeugen. Derartige Düsen tragen jedoch nicht zur Lösung des Problems der Reinigung von PDC von Einblock-Werkzeugen bei.
Das Patent EP-A-0 146 252 betrifft eine Zusammensetzung von Elementen, die dazu dient, eine gegenüber sehr hohen Drücken resistente Streudüse darzustellen. Aufgrund ihres großen Divergenzwinkels bzw. Streuwinkels besitzt diese Düse jedoch keine Struktur, die ihr eine Verbesserung der Reinigung, der Verteilung der Flüssigkeit und der Kühlung des Bohrwerkzeugs gestatten würde.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Düse bereitzustellen, die in optimaler Weise die Durchführung der Bewässerung, der Selbstreinigung und der Kühlung eines Einblock-Werkzeugs, auf dem sie montiert ist, gestattet. Der Erfindung liegt auch die Aufgabe zugrunde, eine im Betrieb praktisch nicht verstopfende Düse bereitzustellen, die im Falle einer Verstopfung leicht gereinigt werden kann.
Erfindungsgemäß werden diese Vorteile mit einer Düse gemäß Anspruch 1 erhalten.
Die Anmelder haben tatsächlich festgestellt, daß die in turbulentem Zustand strömende Flüssigkeit aufgrund des Coanda-Effekts noch an der Wandung haftet, solange der Divergenzwinkel der Düse unterhalb von 30º bleibt, und daß oberhalb dieses Winkels Wirbelgegenströmungen auftreten, die die Flüssigkeit vollständig von der Düsenwandung ablösen. Im laminaren Zustand beträgt der Grenzwinkel etwa 15º.
Darüber hinaus bewirkt die erfindungsgemäße Düse keinen mechanischen Rückstau von Materie, da sie außen konisch erweitert ist. Der im Falle einer Verstopfung auftretende Druckverlust entspricht demjenigen, der im Bereich ihres kleinsten Innenquerschnitts herrscht. In diesem Bereich ist der Druckverlust zwischen dem inneren und dem äußeren der Düse hoch, was den Ausstoß des Materialpfropfens fördert, vor allem da die spitz zulaufende Wandung der Düse keinen Widerstand für den Pfropfen darstellt.
Die erfindungsgemäße Düse bewirkt eine hervorragende Bewässerung des Werkzeugs, da der Strahl divergierend ist und somit eine größere Zone erreichen kann. Die Flußenergie ist zum anderen in einem breiten Streukonus verteilt und verliert beim Aufstoß an Kraft.
Zusammenfassend vereinigt die erfindungsgemäße Düse zugleich die Qualitäten großer Düsen, nämlich das schwierige Verstopfen und die gute Bewässerung, und diejenigen schmaler Düsen, nämlich die Existenz eines erhöhten Druckabfalls und somit einen erleichterten Ausstoß des Materialpfropfens.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist die Wandung der vorliegenden Düse im Bereich ihres schmalsten Querschnitts eine zur Außenfläche weisende ringförmige leichte Seitenverschiebung (Kragen) auf, die eine ringförmige Kavität definiert, in welcher ein leichter Unterdruck herrscht, der den Coanda-Effekt verstärkt, indem er die Flüssigkeit zu der divergierende Wandung ansaugt.
Die Erfindung betrifft auch ein Einblock-Werkzeug, das mit divergierenden Düsen, wie sie vorstehend beschrieben sind, ausgestattet ist.
Es werden vorliegend zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in welchen:
Fig. 1 eine axiale Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Streudüse zeigt;
Fig. 2 eine Schnittansicht einer Streudüse zeigt, deren Öffnungswinkel größer ist als der Grenzwinkel;
Fig. 3 eine Schnittansicht einer Streudüse ist, die eine Seitenverschiebung bzw. einen Kragen aufweist; und
Fig. 4 eine Ansicht der Seitenverschiebung ist.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 1 ist das Werkzeug 10 mit einer Düse 12 mit divergierender Wandung 16 ausgestattet, deren Öffnungswinkel α kleiner ist als 30º. Unter diesen Umständen haftet die im turbulenten Zustand ankommende Bewässerungsflüssigkeit aufgrund des Coanda-Effekts an der divergierenden Wandung 16 und wird als divergierender Strahl 18 ohne Bildung von Gegenströmungen ausgestoßen.
Fig. 2 zeigt, was sich im Falle einer divergierenden Düse (Streudüse) ereignet, deren Öffnungswinkel größer ist als 30º. Hier ist festzustellen, daß die Flüssigkeit nicht mehr an der divergierenden Wandung 16 haftet und daß Wirbelgegenströmungen 20 entstehen. Der Großteil des Flüssigkeitsausstoßes divergiert kaum.
Die Düse der Fig. 1 läßt sich leicht von Verstopfungen reinigen, da sie in der Richtung der Flüssigkeitszirkulation divergiert. Sie entspricht somit einer Düse mit großen Querschnitt und erzeugt gleichzeitig einen starken Druckverlust, wie in einer Düse mit kleinem Querschnitt. Außerdem gestattet sie aufgrund ihres divergierenden Strahls eine breite Bewässerung des Werkzeugs, ohne gewisse Zonen zum Nachteil anderer Zonen zu bevorzugen.
Inder Ausführungsform der Fig. 3 ist am Ausgangspunkt des divergierenden Abschnitts eine Seitenverschiebung bzw. ein Kragen 22 vorgesehen, der in der dadurch erzeugten Kavität 24 einen leichten Unterdruck erzeugt. Dieser Unterdruck saugt die Flüssigkeit an und verstärkt somit den Effekt des Haftens der Flüssigkeit an der divergierenden Wandung.
Die Düse kann jede geeignete Querschnittsform aufweisen, beispielsweise kreisförmig, quadratisch oder rechteckig. Ihre Wandung kann eine geradlinige Mantellinie sein, wie in der Fig. 1, oder eine konvexe. Dem divergierenden Abschnitt kann ein konvergierender Abschnitt 26 oder ein zylindrischer Abschnitt vorausgehen.
Die erfindungsgemäße Düse eignet sich insbesondere für ein Einblock- Bohrwerkzeug, aber in gewissen Anwendungen kann sie auch zur Ausrüstung von Dreikegelrollenwerkzeugen dienen.

Claims

1. Düse (12), die in einem Einblock-Bohrwerkzeug (10) angeordnet ist, von dem Typ, der eine innere Seitenwandung (16) umfaßt, die von einem im Inneren des Werkzeugs befindlichen Eintrittsende zu einem an der Außenfläche des Werkzeugs befindlichen Austrittsende divergiert, dadurch gekennzeichnet,

daß der Divergenzwinkel (α) der divergierenden Wandung (16) derart ist, daß sich der durch die Düse ausströmende Flüssigkeitsstrahl aufgrund des Coanda-Effekts an die divergierende Wandung (16) preßt, wobei der Winkel für diesen Effekt kleiner ist als 30º.

2. Düse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Eintrittsende der divergierenden Wandung (16) eine zu der Außenfläche des Werkzeugs weisende ringförmige Seitenverschiebung (22) ausgeformt ist, die eine ringförmige Kavität (24) definiert, in welcher ein Unterdruck herrscht, der den Effekt der Adhäsion des Flüssigkeitsstroms an die divergierende Wandung verstärkt.

3. Düse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der divergierenden Wandung (16) in Bezug auf die Flußrichtung der Flüssigkeit ein zylindrischer Durchlaß oder ein konvergierender Durchlaß (26) vorgeordnet ist.

4. Einblock-Bohrwerkzeug, das mit mindestens einer Düse nach einem der vorstehenden Ansprüche ausgestattet ist.