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Die Erfindung betrifft Rotary-Bohrmeißel von der
Art, die folgendes aufweist: einen Meißelkörper mit einem Schaft zum Verbinden
mit einem Bohrgestänge,
eine Vielzahl von auf dem Meißelkörper angeordneten
Bohrkronen, wobei jede Bohrkrone eine Schneidfläche hat, und Mittel für eine Zufuhr
von Spülschlamm
zur Oberfläche
des Meißelkörpers, um die
Bohrkronen zu kühlen
und zu reinigen.
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Die Erfindung ist insbesondere, aber
nicht ausschließlich,
auf Bohrmeißel
anwendbar, bei denen einige oder alle der Bohrkronen vorgeformte (PDC-)
Bohrkronen sind, wobei jede, wenigstens teilweise, aus polykristallinem
Diamanten gebildet wird. Eine verbreitete Form von Bohrkronen weist
eine Tafel, üblicherweise
kreisförmig
oder teilweise kreisförmig,
auf, die aus einer superharten Platte aus polykristallinem Diamanten
besteht, welche die vordere Schneidfläche des Elements bereitstellt,
bondiert an ein Substrat, das üblicherweise
aus zementiertem Wolframkarbid besteht.
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Der Meißelkörper kann spanend aus massivem
Metall, üblicherweise
Stahl, hergestellt werden oder kann unter Verwendung eines Pulvermetallurgieverfahrens
geformt werden, bei dem Wolframkarbidpulver in einem Industrieofen
mit einem Metall-Legierungsbindemittel infiltriert wird, so daß es eine
harte Matrize bildet.
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Während
solche PDC-Bohrmeißel
beim Bohren verhältnismäßig weicher
Formationen sehr erfolgreich gewesen sind, sind sie weniger erfolgreich gewesen
beim Bohren härterer
Formationen und weicher Formationen, die härtere Einschlüsse oder Stränge einschließen. Obwohl
gute Durchdringungsgeschwindigkeiten in härteren Formationen möglich sind,
können
die PDC-Bohrkronen einem beschleunigten Verschleiß unterliegen,
und die Lebensdauer der Bohrmeißel
kann zu kurz sein, um kommerziell annehmbar zu sein.
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Untersuchungen haben nahegelegt,
daß der schnelle
Verschleiß von
PDC-Bohrmeißeln
in härteren
Formationen auf das Abplatzen der Bohrkronen im Ergebnis von durch
Vibration verursachten Stoßbelastungen
zurückzuführen ist,
und daß die
schädlichsten
Vibrationen einer Erscheinung zugeschrieben werden können, die „Meißelwirbel" genannt wird. Der
Meißelwirbel
tritt auf, wenn die augenblickliche Rotationsachse des Meißels eine
Präzession
um die Mittelachse des Lochs aufweist, wenn der Durchmesser des
Lochs geringfügig
größer wird
als der Durchmesser des Bohrmeißels.
Der Meißelwirbel kann
zum Beispiel gestartet werden, wenn der Bohrmeißel auf einen härteren Einschluß oder Strang
in der Formation trifft, der wenigstens anfangs nur in einem Bereich
der Sohle oder der Seiten des Bohrlochs in das Bohrloch vorsteht.
Da jede Bohrkrone auf den Einschluß oder Strang auftrifft, wird
der Bohrmeißel
versuchen, sich um die Bohrkrone zu drehen, die zu der Zeit durch
die härtere
Formation zurückgehalten
wird, und folglich den Meißelwirbel
starten.
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Wenn ein Bohrmeißel zu wirbeln beginnt, können sich
einige Bohrkronen im Verhältnis
zur Formation seitwärts
oder rückwärts bewegen
und können
sich mit einer größeren Geschwindigkeit
bewegen, als wenn der Bohrmeißel
richtig rotieren würde. Sobald
der Meißelwirbel
gestartet worden ist, ist er schwierig anzuhalten, da die aus dem
Meißelwirbel resultierenden
Kräfte,
wie beispielsweise Zentrifugalkräfte,
dazu neigen, die Wirkung zu verstärken.
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Ein Verfahren, das eingesetzt worden
ist, um den Meißelwirbel
zu überwinden,
ist die Gestaltung des Bohrmeißels
so, daß er,
wenn er sich dreht, eine innewohnende Ungleichgewichtskraft hat,
die in Richtung und Größe verhältnismäßig konstant
ist. Die Kalibrierstruktur des Meißelkörpers schließt dann einen
oder mehrere Lagerklötze
mit niedriger Reibung ein, die so angeordnet werden, daß sie diese seitliche
Ungleichgewichtskraft auf den Teil der Formation übertragen,
mit dem der Lagerklotz zur Zeit ineinandergreift. Der Lagerklotz
mit niedriger Reibung neigt folglich dazu, über die Oberfläche der
Formation zu gleiten, mit der er ineinandergreift, wodurch er die
Neigung verringert, daß der
Meißelwirbel gestartet
wird.
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Dieses Konzept beruht jedoch auf
einer Verbindung der Bohrmeißelauflast
und der Bohrkronenauslegung, um die erforderliche Ungleichgewichtskraft
zu erzeugen. Daher kann die Anordnung nicht wirksam werden, um den
Meißelwirbel
zu hemmen, bis eine ausreichende Bohrmeißelauflast hergestellt wird.
Außerdem
führt die
notwendige Ungleichgewichtskraft zu einer übermäßigen Reibung zwischen dem
Kaliber und den Wänden
des Bohrlochs.
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Bei einer alternativen Herangehensweise sind
Bohrmeißel
auf eine Weise gestaltet worden, daß sie eine Struktur bereitstellen,
die den Bohrmeißel
zwingt, sich richtig zu drehen, d. h., daß die Rotationsachse des Bohrmeißels mit
der Mittelachse des Bohrlochs übereinstimmt.
Eine solche Herangehensweise wird in der Patentbeschreibung Nr.
WO 93/13290 beschrieben.
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Bei PDC-Bohrmeißeln werden die Bohrkronen
normalerweise im Verhältnis
zur Rotationsmittelachse des Bohrmeißels in spiralförmigen Gruppierungen
angeordnet, so daß sich
die während
jeder Umdrehung durch jede Bohrkrone bestrichene Bahn mit den durch
andere Bohrkronen bestrichenen Bahnen überlappt, die in geringfügig größeren und
geringfügig
kleineren Abständen
in Radialrichtung von der Bohrmeißelachse angeordnet werden.
Dies gewährleistet
ein wesentlich glattes Schneidprofil, um zu sichern, daß kein Teil
der Formation an der Sohle des Bohrlochs ungeschnitten bleibt. Im
Gegensatz dazu schlägt
die oben erwähnte
Beschreibung eine Bohrkronenformation vor, bei der die Bohrkronen, statt
in spiralförmigen
Formationen angeordnet zu werden, in konzentrischen, mit Zwischenraum
in Radialrichtung angeordneten Gruppierungen, zentriert auf der
Rotationsachse des Bohrmeißels,
angeordnet werden. Bei einer solchen Anordnung streichen die Bohrkronen
in jeder kreisförmigen
Gruppierung über
wesentlich die gleiche Bohrkronenbahn, und die Bohrkronenbahnen
von aneinandergrenzenden Gruppierungen überlappen sich nicht, sondern
werden mit Zwischenraum in der Radialrichtung angeordnet. Demzufolge
definieren die Bohrkronen eine Reihe von konzentrischen ringförmigen Einschnitten im
Schneidprofil. Im Ergebnis dessen schneiden die Bohrkronen in jeder
kreisförmigen
Gruppierung einen tiefen Einschnitt in der Formation an der Sohle
des Bohrlochs, wobei ringförmige
Stege der ungeschnittenen Formation zwischen den aneinandergrenzenden
kreisförmigen
Gruppierungen von Bohrkronen nach oben vorstehen.
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Das Vorhandensein der kreisförmigen Stege erhöht den vertikalen
Kontakt zwischen den Bohrkronen und der Formation beträchtlich,
so daß jede
seitliche Kraft, die auf den Bohrmeißel wirkt, entweder extern
erzeugt oder vom Ungleichgewicht der Schneidstruktur, über eine
größere Kontaktoberfläche verteilt
wird. Dies verringert die innere Spannung an der Formation, und
es heißt,
daß das
Ergebnis einer niedrigeren inneren Spannung zu einer geringeren
Neigung führt,
daß eine
Bohrkrone seitlich in die Formation eingreift und den Meißelwirbel
startet.
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Jedoch begrenzt diese Anordnung die Schneidtiefe,
die durch einzelne Bohrkronen erreicht werden kann. Es ist bekannt,
daß dies
uneffizient ist, und Untersuchungen haben gezeigt, daß tiefe Schnitte
effizienter sind, und daß der
Bohrkronenverschleiß bei
kleinen Schneidtiefen tatsächlich
zunehmen kann.
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US
5332051 und
US 4858707 beschreiben beide
Rotary-Bohrmeißelanordnungen,
die Bohrkronen mit einer konvexen oder gewölbten Vorderfläche einschließen.
US 4140189 beschrieb einen
Kegelrollenbohrmeißel
mit einem Kaliberbereich, auf dem Schneidelemente bereitgestellt
werden.
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Die vorliegende Erfindung nimmt sich
vor, eine neue und verbesserte Bohrmeißelform bereitzustellen, bei
der die Neigung verringert werden kann, daß der Meißelwirbel gestartet wird, ohne
die in Bezug auf die Bohrmeißel-Stabilisierungsanordnungen nach
dem bekannten technischen Stand angeführten Probleme.
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Nach der vorliegenden Erfindung wird
ein Rotary-Bohrmeißel
bereitgestellt, der einen Meißelkörper mit
einem Schaft zum Verbinden mit einem Bohrgestänge, eine Vielzahl von auf
dem Meißelkörper angebrachten
Bohrkronen, wobei jede Bohrkrone eine wesentlich flache Schneidfläche hat,
und Mittel für
die Zufuhr von Spülschlamm
zur Oberfläche
des Meißelkörpers umfaßt, um die
Bohrkronen zu kühlen und
zu reinigen, wobei wenigstens bestimmte der Bohrkronen seitliche
Bohrkronen sind, angeordnet, um im Verhältnis zur Mittellängsachse
des Bohrmeißels
seitwärts
auf die gerade gebohrte Formation zu wirken, wobei die Schneidflächen wenigstens
einiger der seitlichen Bohrkronen so ausgerichtet werden, daß sie einen
negativen Seitenspanwinkel und einen negativen Spitzenspanwinkel
im Verhältnis
zur Oberfläche
der Formation zeigen, wobei die Schneidflächen unterschiedlicher seitlicher
Bohrkronen, die in die Formation eingreifen, unterschiedliche negative Seitenspanwinkel
haben.
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„Negativer Seitenspanwinkel" bedeutet, daß die Schneidfläche der
Bohrkrone, gesehen längs
der Längsachse
des Bohrmeißels,
in der normalen Rotationsrichtung des Bohrmeißels nach vorn geneigt wird,
wenn sie sich von der Formation weg erstreckt. Der negative Seitenspanwinkel
ist der Winkel zwischen der Schneidfläche und einer Radialebene im rechten
Winkel zur Formation.
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Ähnlich
bedeutet „negativer
Spitzenspanwinkel",
daß die
Schneidfläche
der Bohrkrone, gesehen längs
eines Radius' des
Bohrmeißels,
in der normalen Rotationsrichtung des Bohrmeißels nach vorn geneigt wird,
wenn sie sich von der Formation weg erstreckt. Der negative Spitzenspanwinkel
ist wieder der Winkel zwischen der Schneidfläche und einer Radialebene im
rechten Winkel zur Formation.
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Das Bereitstellen eines negativen
Seitenspanwinkels auf den seitlichen Bohrkronen tendiert dazu, die
seitliche Schneidwirkung der Bohrkronen auf die Formation zu hemmen.
Demzufolge haben die seitlichen Bohrkronen eine gesteigerte "Lager"-Wirkung auf die
Formation, was folglich dazu tendiert, den Bohrmeißel seitlich
zu stabilisieren und das Starten des Meißelwirbels zu hemmen.
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Durch die Verwendung der seitlichen
Bohrkronen zum Stabilisieren des Bohrmeißels im Bohrloch kann die axiale
Länge des üblichen
Kaliberabschnitts des Bohrmeißels
verringert werden, oder es kann sogar auf den Kaliberabschnitt verzichtet
werden, wie im folgenden beschrieben wird.
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Vorzugsweise ist der negative Seitenspanwinkel
größer als
20°, und
bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
beträgt
der negative Seitenspanwinkel 60°.
Der Seitenspanwinkel kann jedoch bis zu 90° betragen, d. h., die Schneidfläche kann wesentlich
parallel zur Fläche
der Formation sein, mit der sie ineinandergreift. In diesem Fall
hat die Schneidfläche
wesentlich keine seitliche Schneidwirkung, und dies kann die Bohrmeißelstabilität beträchtlich
steigern.
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Die Schneidflächen unterschiedlicher seitlicher
Bohrkronen, die mit der Formation ineinandergreifen, haben unterschiedliche
negative Seitenspanwinkel, wie zuvor erwähnt. Zum Beispiel können einige
Schneidflächen
einen negativen Seitenspanwinkel von 90° haben, und andere Schneidflächen können einen
negativen Seitenspanwinkel von 20° haben.
Eine einzelne Bohrkrone kann zwei solcher Schneidflächen in
unterschiedlichen negativen Seitenspanwinkeln einschließen, oder
die Schneidflächen
können
auf gesonderten Bohrkronen bereitgestellt werden.
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In dem Fall, daß eine einzelne Bohrkrone zwei
Schneidflächen
in unterschiedlichen negativen Seitenspanwinkeln hat, kann die Bohrkrone
ein allgemein zylindrisches Substrat umfassen, an dem einen Ende
mit zwei entgegengesetzt geneigten Flächen geformt, die längs eines
Firsts aneinanderstoßen, wobei
eine Planscheibe aus polykristallinem Diamanten oder einem anderen
superharten Material an die Substratflächen bondiert wird und durchgehend über den
First verläuft.
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Der Winkel zwischen den Flächen kann
wesentlich 120° betragen,
so daß,
wenn die eine der Flächen
wesentlich tangential zur Oberfläche
des Meißelkörpers, zum
Beispiel der Fläche
eine Kaliberklotzes, auf dem die Bohrkrone angebracht wird, liegt,
die andere Fläche
der Bohrkrone einen Spitzenanschnittwinkel von etwa 30° hat. Die
nach außen zeigende
Fläche
der Bohrkrone wird einem Abtragungsverschleiß widerstehen und darauf wirken,
die Schneidkante der Bohrkrone vor einer Stoßbeschädigung zu schützen, für die Kaliberbohrkronen
besonders anfällig
sind.
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Wenigstens eine der Flächen wird
vorzugsweise zylindrisch um eine Achse parallel zum First gekrümmt, wobei
der Krümmungsradius
wesentlich dem Abstand der Fläche
in Radialrichtung von der Mittellängsachse des Bohrmeißels entspricht,
auf dem die Bohrkrone bei Anwendung angebracht wird. Folglich entspricht
dann die Krümmung
der auswärtigen
Fläche
der Bohrkrone allgemein der Krümmung der
Außenfläche des
Kaliberklotzes oder eines anderen Teils des Meißelkörpers, auf dem sie angebracht wird.
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Vorzugsweise geht der First durch
die Mittellängsachse
des Substrats und verläuft
vorzugsweise in einem rechten Winkel zu derselben. Die zwei Flächen werden
vorzugsweise wesentlich symmetrisch auf jeder Seite des Firsts angeordnet.
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Um die Anfälligkeit der Bohrkrone für eine Stoßbeschädigung weiter
zu verringern, wird die Verbindung zwischen wenigstens einem Ende
des Firsts und der Außenfläche des
Substrats vorzugsweise sanft gekrümmt, wird zum Beispiel gerundet.
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Vorzugsweise beträgt der negative Spitzenspanwinkel
der seitlichen Bohrkronen wenigstens 20°.
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Seitliche Bohrkronen nach der Erfindung können so
auf dem Schneidprofil des Bohrmeißels angeordnet werden, daß sie nach
innen an einem Mittelkern der Formation anliegen, der sich von der Sohle
des Bohrlochs nach oben erstreckt.
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Alternativ oder zusätzlich dazu
können
seitliche Bohrkronen nach der Erfindung so auf dem Schneidprofil
angeordnet werden, daß sie
nach außen
an der Formation anliegen, welche die Seiten des Bohrlochs bildet.
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(Das „Schneidprofil" des Bohrmeißels ist eine
imaginäre
Rotationsfläche,
ausgeräumt
durch die Schneidkanten der Bohrkronen, wenn sich der Bohrmeißel dreht
(mit einer Durchdringungsrate von Null)).
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Vorzugsweise werden die seitlichen
Bohrkronen im Verhältnis
zur Längsachse
des Bohrmeißels in
einer abgestuften Konfiguration angeordnet, bei der aneinandergrenzende
Bohrkronen sowohl in Radialrichtung als auch in Axialrichtung im
Verhältnis zueinander
versetzt werden.
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Bei jeder der obigen Anordnungen
können zusätzlich auf
dem Meißelkörper, am
Nasenbereich desselben oder angrenzend an denselben, eine Vielzahl
von Pflugbohrkronen angebracht werden, wobei jede dieser Bohrkronen
zwei Schneidflächen
umfaßt, die
an einem nach vorn zeigenden First aneinanderstoßen.
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Der Nasenbereich des Bohrmeißels umfaßt den Abschnitt
des Meißelkörpers, der
sich am weitesten unten befindet, wenn der Bohrmeißel in Vertikalrichtung
nach unten bohrt. In Abhängigkeit
von der Form des Meißelkörpers kann
der Nasenbereich einen einzelnen gewölbten Mittelbereich umfassen, oder
er kann einen ringförmigen,
um die Mittelachse des Bohrmeißels
verlaufenden Bereich umfassen, der einen gewölbten Querschnitt hat.
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Wie zuvor beschrieben, ist es ein
Hauptziel der vorliegenden Erfindung, die Stabilität eines
Bohrmeißels
zu verbessern, und die Verbindung von Pflugbohrkronen angrenzend
an die Nase des Bohrmeißels
mit den zuvor beschriebenen Bohrkronenanordnungen wird dazu tendieren,
die Stabilität
des Bohrmeißels
noch weiter zu verbessern, auf Grund der Tendenz von Pflugbohrkronen,
einer seitlichen Verschiebung des Meißelkörpers zu widerstehen.
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Wie zuvor erwähnt, kann es die gesteigerte Stabilität des Bohrmeißels ermöglichen,
daß der
herkömmliche
Kaliberabschnitt des Bohrmeißels
in der Länge
in Axialrichtung verringert oder vollständig weggelassen wird. Dementsprechend
stellt die Erfindung außerdem
einen Bohrmeißel
der zuerst bezeichneten Art bereit, bei dem der Bohrmeißel keinen passiven
Kaliberbereich hat, d. h., bei dem die seitliche und Rotationsstabilität des Bohrmeißels nur durch
den Eingriff" zwischen
den Bohrkronen und der Formation gewährleistet wird und es keinen
Teil des Umfangs des Meißels
gibt, der an der Formation anliegt und frei von Bohrkronen ist.
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Dieser Aspekt der Erfindung schließt ebenfalls
Bohrmeißel
ein, die keinen passiven Kaliberabschnitt haben, bei denen aber
die Stabilität
des Bohrmeißels
durch andere Mittel gewährleistet
wird, zum Beispiel durch die oben erwähnte konzentrische Bohrkronenanordnung
nach dem bekannten technischen Stand.
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Die Beseitigung des herkömmlichen
Kaliberabschnitts des Bohrmeißels
kann sowohl Kosten verringern als auch die Bohrmeißellänge und
die Reibungsdämpfung
der Rotation des Bohrmeißels
reduzieren. Sie kann ebenfalls die Lenkbarkeit des Bohrmeißels bei
Richtbohrsystemen verbessern.
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Bei Bohrmeißeln der zuerst bezeichneten
Art werden die Bohrkronen üblicherweise
in unterschiedlichen Abständen
von der Rotationsmittelachse des Bohrmeißels angeordnet, um zu sichern,
daß durch die
Schneidelemente auf die gesamte Fläche der Sohle des gerade gebohrten
Lochs gewirkt wird, obwohl, wie zuvor erwähnt, auch Anordnungen bekannt sind,
bei denen durch die Bohrkronen auf konzentrische ringförmige Bereiche
der Sohle des Bohrlochs nicht gewirkt wird. In allen Fällen jedoch
bewegen sich Bohrkronen, die weiter von der Rotationsachse entfernt
angeordnet werden, im Verhältnis
zur Formation schneller als Bohrkronen näher an der Rotationsachse,
und die gesamte durch jede solcher Bohrkronen bestrichene ringförmige Formationsoberfläche ist
größer. Im
Ergebnis dessen neigen Bohrkronen näher am Außenumfang des Bohrmeißels dazu, schneller
zu verschleißen
als Bohrkronen näher
an der Rotationsachse, und um dies zu bekämpfen, ist es übliche Praxis,
mehr Bohrkronen nahe dem Außenunfang
anzuordnen. Dies führt
jedoch angesichts der gesteigerten Bohrkronenüberlappung zu einer verminderten
Schneidtiefe. Wie oben erwähnt,
haben Untersuchungen gezeigt, daß tiefe Schnitte effizienter
sind, und daß der
Bohrkronenverschleiß bei
kleinen Schneidtiefen zunehmen kann.
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Jede Bohrkrone kann eine Vorform-PDC-Bohrkrone
sein, die eine Tafel, üblicherweise
kreisförmig
oder teilweise kreisförmig,
umfaßt, die
aus einer superharten Platte aus polykristallinem Diamanten besteht,
welche die vordere Schneidfläche
des Elements bereitstellt, bondiert an ein Substrat aus einem weniger
harten Material, wie beispielsweise aus gesintertem Wolframkarbid.
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Das Folgende ist eine detailliertere
Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
der Erfindung, wobei Bezug genommen wird auf die beigefügten Zeichnungen,
in denen:
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1 ein
schematischer Längsschnitt
durch eine Form eines Bohrmeißels
nach der Erfindung ist,
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2 ein
schematischer horizontaler Schnitt durch eine der Bohrkronen des
Bohrmeißels
ist,
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3 ein
schematischer vertikaler Schnitt durch die Bohrkrone ist,
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4 ein
schematischer horizontaler Schnitt durch eine alternative Form einer
Bohrkrone ist,
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5 eine
perspektivische Ansicht der Bohrkrone von 4 ist,
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6 eine ähnliche
Ansicht wie 4 ist, welche
die Bohrkrone in einer anderen Anordnung zeigt,
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7 ein
schematischer halber Längsschnitt durch
eine andere Form eines Bohrmeißels
nach der Erfindung ist,
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8 schematisch
die Bohrkronenkonfiguration auf einer anderen Form eines Bohrmeißels nach
der Erfindung zeigt,
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9 eine
Draufsicht einer weiteren Form einer Bohrkrone für die Verwendung bei der vorliegenden
Erfindung ist,
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10 ein
Seitenriß der
Bohrkrone von 9 ist,
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11 ein
Aufriß der
Bohrkrone von 9 ist,
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12 ein
schematischer Aufriß eines
Teils eines Bohrmeißels
ist, der die Verwendung von Pflugbohrkronen illustriert,
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13 ein
Seitenriß einer
typischen Pflugbohrkrone ist und
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14 ein
Aufriß der
Bohrkrone von 13 ist.
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1 zeigt
schematisch einen Rotary-Stufenbohrmeißel zur Verwendung beim Bohren
von tiefen Löchern
in unterirdischen Formationen. Der Bohrmeißel umfaßt einen Meißelkörper 10 mit
einer Vorderfläche 11 und
einem Kaliberbereich 12. Der Meißelkörper wird spanabhebend aus
Stahl hergestellt und hat einen verjüngten Gewindeschaft 13 zum
Verbinden mit einem Bohrgestänge.
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Die Vorderfläche 11 des Bohrmeißels wird mit
einer allgemein konischen Aussparung geformt, um die auf eine bekannte
Weise Gruppierungen von PDC-Bohrkronen in einer abgestuften Konfiguration angeordnet
werden.
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Ähnlich
ist die äußere Umfangsfläche der Vorderfläche des
Meißelkörpers allgemein
von konischer Form und hat auf derselben in einer abgestuften Konfiguration
angebrachte, teilweise kreisförmige PDC-Bohrkronen.
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Auf eine bekannte Weise umfaßt jede PDC-Bohrkrone
eine Schneidplatte aus polykristallinem Diamanten, bondiert an ein
Substrat aus gesintertem Wolframkarbid. Das Substrat wird entweder unmittelbar
in einer Fassung im Körper
angebracht oder wird auf einen Pfosten oder Stollen hartgelötet, der
wiederum in einer Fassung im Meißelkörper aufgenommen wird.
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Wie aus 1 zu ersehen ist, ist jede Bohrkrone
teilweise kreisförmig
und hat eine allgemein vertikale gerade Schneidkante 14,
die seitlich an der Oberfläche
der Formation 15 anliegt, und eine horizontale Schneidkante 16,
die nach unten an der Formation anliegt. Die seitlich nach außen an der
Formation anliegenden Schneidelemente werden bei 17 angezeigt,
und die nach innen an einer mittleren konischen Formation 18 an
der Sohle des Bohrlochs anliegenden Schneidelemente werden bei 19 angezeigt.
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2 ist
ein horizontaler Schnitt durch eines der Schneidelemente 19,
das im konischen Mittelvorsprung 18 auf der Sohle des Bohrlochs
an der Formation anliegt. Wie aus 2 zu
ersehen ist, wird die Bohrkrone 19 auf dem Meißelkörper so
ausgerichtet, daß sie
einen negativen Seitenspanwinkel zeigt. Das heißt, die Schneidfläche 20 der
Bohrkrone wird, gesehen längs
der Längsachse
des Bohrmeißels,
in der normalen Rotationsrichtung des Bohrmeißels (angezeigt durch den Pfeil 21)
nach vorn geneigt, wenn sie sich von der Formation 18 weg
erstreckt. Der negative Seitenspanwinkel α ist der Winkel zwischen der Schneidfläche 20 und
einer Radialebene 22 im rechten Winkel zur Formation 18.
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3 ist
ein vertikaler Schnitt durch die Bohrkrone 19, und es wird
zu sehen sein, daß die Bohrkrone
so auf dem Meißelkörper ausgerichtet wird,
daß sie
einen negativen Spitzenspanwinkel zeigt, d. h., die Schneidfläche 20 der
Bohrkrone wird, gesehen längs
eines Radius' des
Bohrmeißels,
in der normalen Rotationsrichtung des Bohrmeißels (angezeigt durch den Pfeil 21)
nach vorn geneigt, wenn sie sich von der Formation 18 weg
erstreckt. Der negative Spitzenspanwinkel β ist der Winkel zwischen der Schneidfläche 20 und
der Radialebene 22 im rechten Winkel zur Formation.
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Der negative Seitenspanwinkel ist
vorzugsweise größer als
20° und
kann, wie weiter unten beschrieben wird, bis zu 90° betragen.
Der negative Spitzenspanwinkel beträgt vorzugsweise wenigstens 20°.
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Das Bereitstellen eines negativen
Seitenspanwinkels an den Bohrkronen tendiert dazu, die seitliche
Schneidwirkung der Bohrkronen auf die Formation zu hemmen. Demzufolge
haben die Bohrkronen eine gesteigerte „Lager"-Wirkung auf die Formation, mit der
sie ineinandergreifen, und eine geringere „Schneid"-Wirkung, was dazu tendiert, den Bohrmeißel im Bohrloch
zu stabilisieren und das Starten des Meißelwirbels zu hemmen. Die Wirkung
funktioniert wahrscheinlich am besten, wenn sie auf die nach innen
gerichteten Bohrkronen 19 bei einem Bohrmeißel der
in 1 gezeigten Art angewendet
wird, bei dem das Schneidprofil eine wesentlich konische Mittelvertiefung
hat, da das Bereitstellen eines solchen konischen Profils in jedem
Fall dazu tendiert, den Bohrmeißel
im Bohrloch zu stabilisieren. Der negative Seitenspanwinkel und
Spitzenspanwinkel kann, wie gezeigt, jedoch auch auf nach außen gerichtete Bohrkronen
angewendet werden, und dies kann nicht nur bei einem Bohrmeißel der
in 1 gezeigten Konfiguration,
sondern auch bei Bohrmeißeln
getan werden, bei denen das Schneidprofil nicht mit einer konischen
Mittelvertiefung geformt wird.
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4 ist
eine Ansicht einer alternativen Konstruktion, ähnlich wie 2. In diesem Fall wird die Bohrkrone 23 mit
zwei in einem Winkel zueinander angeordneten Schneidflächen 24, 25 geformt.
Beide Schneidflächen
umfassen Teile einer Schneidplatte aus polykristallinem Diamanten,
bondiert an ein Wolframkarbidsubstrat 26.
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Wie in 4 gezeigt,
wird die Bohrkrone 23 so auf dem Meißelkörper ausgerichtet, daß die vordere
Schneidfläche 24 einen
negativen Seitenspanwinkel von annähernd 20° oder mehr hat, während die
hintere Schneidfläche 25 einen
negativen Seitenschneidwinkel von wesentlich 90° hat. Das heißt, die Schneidfläche 25 wird
wesentlich in Tangentialrichtung zur gekrümmten Fläche der Formation 27 angeordnet.
In diesem Fall hat die Bohrkrone daher eine sehr kleine seitliche
Schneidwirkung auf die Formation 27 und übt hauptsächlich eine „Lager"-Funktion aus, wodurch
der Eingriff der Bohrkrone mit der Formation dazu tendiert, den
Bohrmeißel
im Bohrloch zu stabilisieren. Die Bohrkrone 23 wird in 5 in der Perspektive gezeigt.
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Bei der Anordnung von 4 ist die Bohrkrone 23 eine
nach innen zeigende Bohrkrone, und 6 zeigt
die alternative Anordnung, bei der eine ähnliche Bohrkrone 28 nach
außen
zeigt und an der Formation 29 anliegt, welche die Seitenwände des Bohrlochs
bildet.
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4 bis 6 zeigen nur eine Form einer
Bohrkrone mit zwei abgewinkelten Schneidflächen, und es wird zu erkennen
sein, daß andere
Konfigurationen eingesetzt werden können. Die zwei Schneidflächen in
unterschiedlichen Seitenspanwinkeln können ebenfalls auf vollständig gesonderten
Bohrkronen bereitgestellt werden, angeordnet an unterschiedlichen
Stellen um die Vorderfläche
des Bohrmeißels. Die
kombinierte Wirkung der gesonderten Bohrkronen wird jedoch wesentlich
die gleiche sein wie bei der in 4 bis 6 gezeigten Bohrkrone.
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Bei jeder der Anordnungen nach der
Erfindung wird die Stabilität
des Bohrmeißels
im Bohrloch beträchtlich
verbessert, und die Verbesserung kann ausreichend sein, um zu ermöglichen,
daß auf
den herkömmlichen
Kaliberbereich des Bohrmeißels
verzichtet werden kann. Ein Bohrmeißel ohne einen solchen Kaliberabschnitt
wird schematisch in 7 gezeigt.
In diesem Fall werden die auf dem Meißelkörper 31 um den Außenumfang
des Bohrmeißels
angebrachten Bohrkronen 30, 30A so ausgerichtet,
daß sie
einen negativen Seitenspanwinkel und einen negativen Spitzenspanwinkel
zeigen, wie zuvor beschrieben. Dies gilt sowohl für die auf
einem allgemein konischen unteren Teil des Meißelkörpers angebrachten Bohrkronen 30 als
auch für
die auf einem allgemein zylindrischen Teil des Meißelkörpers 31 oberhalb
der Bohrkronen 30 angebrachten Bohrkronen 30A.
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8 illustriert
schematisch einen anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung und
ist eine herkömmliche
schematische Darstellung, welche die relative Anordnung von Bohrkronen
auf einem Bohrmeißel
auf eine Weise zeigt, um das Schneidprofil zu veranschaulichen.
Mit anderen Worten, die schematisch in 8 gezeigten Bohrkronen sind tatsächlich an
verschiedenen Stellen über
den Meißelkörper verteilt,
aber 8 zeigt ihre relativen
Positionen in Radial- und Vertikalrichtung, um das Schneidprofil
zu formen.
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Wie aus 8 zu ersehen, wird das Schneidprofil
teilweise durch fünf
innere, teilweise kreisförmige,
Bohrkronen 32 definiert, angeordnet in einem allgemein
konischen Muster über
den Meißelkörper, um
so einen aufrechtstehenden inneren kegelstumpfförmigen Kern oder Vorsprung
von der Sohle des gerade gebohrten Bohrlochs zu formen. Von den
Bohrkronen 32 nach außen
befindet sich eine Reihe von kreisförmigen Bohrkronen 33,
die den untersten Teil der Bohrlochsohle formen. Von den Bohrkronen 33 in
Radialrichtung nach außen
befindet sich eine weitere Reihe von teilweise kreisförmigen Bohrkronen 34.
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Wie zuvor erläutert, neigen Bohrkronen näher am Außenumfang
des Bohrmeißels
dazu, schneller zu verschleißen
als Bohrkronen näher
an der Rotationsachse 35, und diese Bohrkronen werden bei 36 angezeigt.
Nach diesem Aspekt der Erfindung umfassen die äußeren Bohrkronen 36 vier
primäre
Bohrkronen 37, die das anfängliche Schneiden der Formation
ausführen.
Jeder primären
Bohrkrone 37 werden jedoch eine oder mehrere Reservebohrkronen 38 zugeordnet,
die in wesentlich dem gleichen Abstand in Radialrichtung von der
Achse 35 des Bohrmeißels
angeordnet werden, aber im Verhältnis zur
primären
Bohrkrone in Vertikalrichtung versetzt werden. Die Zahl der Reservebohrkronen
nimmt zu, von einer bei den zwei innersten primären Bohrkronen auf drei bei
der äußersten
primären
Bohrkrone 37, wobei die mehrfachen Reservebohrkronen mit unterschiedlichen
Abständen
in Vertikalrichtung zur primären
Bohrkrone angeordnet werden.
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Bei der Anordnung von 8 ist der Abstand in Radialrichtung
der äußeren Bohrkronen 36 etwas größer, als
es bei den Bohrmeißeln
nach dem bekannten technischen Stand normalerweise der Fall ist,
und dies ermöglicht,
daß diese äußeren Bohrkronen
eine größere und
folglich effizientere Schneidtiefe erreichen. Obwohl dies zu einem
schnelleren Verschleiß der
primären
Bohrkronen führt,
kommen die zugeordneten Reservebohrkronen 38 ins Spiel,
wenn jede primäre
Bohrkrone ausfällt,
um so das Schneiden der Formation mit einer großen und folglich effizienteren
Schneidtiefe fortzusetzen.
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Die Anordnung von 8 ist besonders geeignet zur Verwendung
mit den zuvor beschriebenen stabilisierenden Anordnungen, jedoch
kann die Reservebohrkronenanordnung ebenfalls mit Bohrmeißeln nach
dem bekannten technischen Stand verwendet werden, bei denen die
Stabilität
des Bohrmeißels
in einem Bohrloch durch andere Mittel bewirkt wird.
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9 bis 11 illustrieren eine modifizierte
Version der Bohrkrone von 4 bis 6, wobei die Bohrkrone von
einem Typ ist, um einen gesteigerten Widerstand gegen eine Stoßbeschädigung zu
gewährleisten.
Die Bohrkrone umfaßt
ein allgemein zylindrisches Substrat 41 mit einem kreisförmigen Querschnitt,
hergestellt zum Beispiel aus gesintertem Wolframkarbid. Ein Ende
des Substrats wird mit zwei entgegengesetzt geneigten Flächen 42, 43 geformt, angeordnet
in einem Winkel von 120° zueinander. Über die
Flächen 42, 43 wird
eine Planscheibe 44 aus polykristallinem Diamanten bondiert,
die sich über
den First 45 zwischen den Flächen 42 und 43 erstreckt.
Die Planscheibe 44 stellt zwei geneigte Planflächen 46 und 47 bereit.
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Bei Anwendung wird die Bohrkrone
von 9 bis 11 auf eine Weise, ähnlich jener
in 4 oder 6 gezeigten, auf dem Bohrmeißel angebracht,
so daß die
eine der Flächen 46, 47 wesentlich in Tangentialrichtung
an der Formation anliegt, während
die andere Fläche
in einem Spitzenanschnittwinkel von annähernd 30° angeordnet wird.
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Eine oder beide der Vorderflächen 46, 47 werden
zylindrisch um eine Achse parallel zum nach vorn zeigenden First 45 der
Bohrkrone gekrümmt.
In dem Fall, daß die
Bohrkrone zum Anbringen im Kaliberbereich des Bohrmeißels vorgesehen
ist, ist der Krümmungsradius
der gekrümmten
Fläche
annähernd
gleich dem Abstand der Fläche
von der Rotationsmittelachse des Bohrmeißels, so daß die Fläche eine wesentlich der Fläche des
Kaliberklotzes, auf dem sie angebracht wird, entsprechende Krümmung hat.
Dies tendiert dazu, die abtragende Wirkung der Fläche auf
die Formation zu verringern, mit der sie ineinandergreift, und verringert
ebenfalls die Anfälligkeit
der Bohrkrone für
eine Beschädigung
durch Stoß.
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Um die Gefahr einer Beschädigung durch Stoß an der
Bohrkrone weiter zu verringern, wird das untere Ende des Firsts 45 der
Bohrkrone gerundet, wie in 10 und 11 bei 48 angezeigt.
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Wie zuvor erwähnt, kann die Stabilität eines Bohrmeißels nach
der vorliegenden Erfindung dadurch weiter verbessert werden, daß auf dem
Bohrmeißel
ebenfalls Pflugbohrkronen verwendet werden, angeordnet im Bereich
der Nase des Bohrmeißels.
Eine solche Anordnung wird in 12 bis 14 gezeigt.
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In 12 werden
Pflugbohrkronen 49 um den untersten ringförmigen Nasenabschnitt
eines Kronenbohrmeißels
auf dem Meißelkörper 50 angebracht.
Wie in 12 schematisch
angezeigt, erzeugen die Pflugbohrkronen in der Formation 52 an
der Sohle des Bohrlochs ringförmige
Einschnitte 51 mit einem V-Querschnitt, und auf Grund ihrer
Form tendieren die Einschnitte dazu, die Pflugbohrkronen in einer
ringförmigen
Bahn zu halten und folglich die seitliche Stabilität des Bohrmeißels zu
verbessern.
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Falls auf den Flanken des Meißelkörpers Pflugbohrkronen
verwendet werden, haben sie die Wirkung, ein „Schraubengewinde" in der Formation zu
schneiden, was die Stabilität
des Bohrmeißels
in Axialrichtung ebenfalls verbessern kann.
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13 und 14 zeigen eine typische Pflugbohrkrone
detaillierter. Die Bohrkrone umfaßt ein kegelförmiges Wolframkarbidsubstrat 53,
an das eine Planscheibe 54 aus polykristallinem Diamanten
bondiert wird, wobei das Substrat so geformt wird, daß die Planscheibe 54,
die eine gleichbleibende Dicke hat, eine Schneidseite bereitstellt,
die zwei Schneidflächen 55, 56 umfaßt, die
symmetrisch auf gegenüberliegenden
Seiten eines nach vorn zeigenden Mittelfirsts 57 angeordnet
werden. Die Bohrkrone wird, zum Beispiel durch Hartlöten, an
einen Pfosten 58 bondiert, der innerhalb einer Fassung
im Meißelkörper befestigt
wird.