DE69629863T2

DE69629863T2 - Drehbohr-Fräsmeissel mit Kalibereinsätzen aus polykristallinem Diamant

Info

Publication number: DE69629863T2
Application number: DE69629863T
Authority: DE
Inventors: Terry R. Longlevens Matthias; John Minchinhampton Hayward; Haydn Richard Nr. Tewkesbury Lamb
Original assignee: Camco Drilling Group Ltd
Current assignee: Camco Drilling Group Ltd
Priority date: 1995-03-22
Filing date: 1996-03-21
Publication date: 2004-07-15
Anticipated expiration: 2016-03-22
Also published as: US5819862A; GB2299111B; DE69629863D1; EP0733776A3; EP0733776A2; GB9505783D0; GB2299111A; GB9605973D0; EP0733776B1

Description

Die Erfindung betrifft Untertagekomponenten zur Verwendung beim Bohren von Bohrlöchern in unterirdischen Erdformationen und insbesondere, aber nicht ausschließlich, Blattbohrmeißel aus Preßlingen aus polykristallinem Diamanten (PDC).
Die Erfindung betrifft Untertagekomponenten von der Art, die wenigstens einen Lagerklotz einschließt, der bei Anwendung mit der Oberfläche der Erdformation des Bohrlochs ineinandergreift, wobei der Lagerklotz verschleißfeste Lagereinsätze trägt, aufgenommen in Fassungen im Lagerklotz. Die Erfindung betrifft insbesondere Rotary-Blattbohrmeißel von der Art, die einen Meißelkörper mit einem Schaft zum Verbinden mit einem Bohrgestänge und Mitteln zum Zuführen von Spülschlamm zur Stirn des Bohrmeißels hat, der eine Vielzahl von Schneidelementen trägt, wobei das Kaliber des Bohrmeißels eine Vielzahl von Kaliberklötzen einschließt, die bei Anwendung mit der umgebenden Formation ineinandergreifen, welche die Wände des gerade gebohrten Bohrlochs bildet, und wenigstens einige der Kaliberklötze Lagereinsätze tragen, aufgenommen in Fassungen im Kaliberklotz.
Jedoch kann die Erfindung ebenfalls auf andere Untertagekomponenten angewendet werden, bei denen ähnliche Lagereinsätze erforderlich sind, um einen Verschleiß der Oberflächen der Komponente durch Abrieb von der Formation zu verhindern. Zum Beispiel können solche Lagerklötze, die Lagereinsätze einschließen, auf Untertagestabilisatoren, Motor- oder Turbinenstabilisatoren oder Bohrmeißel-Zwischenkalibern erforderlich sein. Für Kernbohrmeißel können solche Lagereinsätze ebenfalls vorteilhaft sein, auf dem inneren Kernkaliber des Bohrmeißels, das am zentralen zylindrischen Formationskern anliegt, der gebildet wird, wenn das Bohren fortschreitet. Lagereinsätze können ebenfalls bei modulierten Vorspanneinheiten zur Verwendung bei lenkbaren Rotary-Bohrsystemen, wie zum Beispiel in der Britischen Patentbeschreibung Nr. 2289909 beschrieben, verwendet werden. Solche Vorspanneinheiten schließen schwenkbare Schaufeln ein, die mit der Wandfläche des Bohrlochs ineinandergreifen, um eine seitliche Vorspannung für die Bohrlochsohlenausrüstung bereitzustellen, und die Formationseingriffsflächen solcher Schaufeln können Lagereinsätze nach der vorliegenden Erfindung haben, um sie verschleißfester zu machen.
Aus praktischen Gründen wird die vorliegende Erfindung jedoch unter besonderer Bezugnahme auf Blattbohrmeißel aus Preßlingen aus polykristallinem Diamanten beschrieben.
Eine verbreitete Form eines bei solchen Bohrmeißeln verwendeten Lagereinsatzes umfaßt einen kreisförmigen Stollen aus gesintertem Wolframkarbid, dessen Außenfläche wesentlich bündig mit der Außenfläche des Kaliberklotzes ist. Kleinere Körper aus natürlichem oder synthetischem Diamanten können in den Stollen, angrenzend an seine Außenfläche, eingebettet werden. In diesem Fall kann der Stollen, an Stelle von gesintertem Wolframkarbid, einen Körper aus einem festkörperinfiltrierten Wolframkarbid-Matrizenmaterial umfassen, in den die kleineren Körper aus natürlichem oder synthetischem Diamanten eingebettet werden. Solche Einsätze werden durch Einbetten der Diamantkörper in pulverisiertes Wolframkarbid-Matrizenformmaterial innerhalb einer Form hergestellt. Ein Körper aus einer Infiltrationslegierung, normalerweise einer Kupferlegierung, wird oberhalb des verdichteten Wolframkarbidpulvers in der Form angeordnet, die danach in einem Ofen einer hohen Temperatur ausgesetzt wird, so daß die Legierung schmilzt und nach unten in das aus Teilchen bestehende Material einsickert, um so nach dem Festwerden einen massiven Körper aus Matrizenmaterial zu bilden, in den der Diamant eingebettet ist.
Normalerweise wird der kreisförmige Stollen bei Lagereinsätzen der obigen Arten mit in Längsrichtung verlaufenden Rippen oder Sägezahnschnitten längs seiner Außenfläche geformt. Dies ermöglicht, daß der Einsatz im Festsitz in eine Fassung im Kaliberklotz eingepaßt wird, während es Toleranzen bei den Abmessungen des Einsatzes oder der Fassung erlaubt.
Solche Einsätze können jedoch zwei besondere Nachteile haben. Erstens kann der freigelegte Diamant an der Außenfläche des Einsatzes bei manchen Formationen eine zu große abtragende Wirkung auf die Formation haben, was ein übermäßiges Abtragen der Wände des Bohrlochs im Kaliberbereich des Bohrmeißels bewirkt. Dies kann zu einer Instabilität des Bohrmeißels im Bohrloch führen, zum Beispiel kann es den Beginn des sogenannten „Bohrmeißel-Wirbels" ermöglichen, bei dem der rotierende Bohrmeißel eine Präzession um die Wände des Bohrlochs in der entgegengesetzten Richtung zu seiner Rotationsrichtung aufweist. Die abtragende Wirkung der Einsätze kann durch die Verwendung nur von flachen Stollen aus gesintertem Wolframkarbid, ohne den Einschluß von Diamantkörpern, verringert werden. Jedoch können solche Einsätze dann in härteren Formationen einem übermäßigen Verschleiß unterliegen.
Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung werden daher in einer Untertagekomponente, wie beispielsweise einem Rotary-Bohrmeißel, Lagereinsätze bereitgestellt, die Preßlinge aus polykristallinem Diamanten umfassen, mit einer allgemein ähnlichen Form wie die Preßlinge, die als Schneidelemente auf der Hauptschneidfläche eines Blattbohrmeißels verwendet werden. Solche Elemente können eine hohe Abriebfestigkeit gewährleisten, während sie gleichzeitig eine weniger aggressive abtragende Wirkung auf die umgebende Formation haben. Obwohl das bei solchen Elementen normalerweise verwendete Material polykristalliner Diamant ist, können andere superharte Materialien, wie beispielsweise kubisches Bornitrid, ebenfalls eingesetzt werden.
Ein zweiter Nachteil der Lagereinsätze aus infiltrierten Matrizen nach dem bekannten technischen Stand ist, daß die Rippen oder Sägezahnschnitte auf der Außenfläche der Einsätze manchmal teilweise abgestreift werden können, statt verformt zu werden und/oder die Fassung zu verformen, wenn der Einsatz im Festsitz in seine Fassung eingepaßt wird. Es wäre daher wünschenswert, den Körper des Einsatzes aus einem härteren Material herzustellen, um dies zu vermeiden, und die vorliegende Erfindung stellt Anordnungen bereit, durch die das erreicht werden kann.
US 4109737 beschreibt eine Untertagekomponente, die mit Lagereinsätzen versehene Lagerklötze einschließt. Die Lagereinsätze umfassen Vorformpreßlinge aus polykristallinem Diamanten, die jeweils eine an ein weniger hartes Substrat bondierte Planscheibe aus Diamant umfassen, wobei der Preßling durch Zusammenbondieren des Substrats und des Diamanten unter Hochtemperatur-Hochdruck-Bedingungen hergestellt worden ist.
Nach der vorliegenden Erfindung wird ein Lagereinsatz bereitgestellt, zur Verwendung in einer Untertagekomponente zur Verwendung beim Bohren von Bohrlöchern in unteridischen Erdformationen und von der Art, die wenigstens einen Lagerklotz einschließt, der bei Anwendung mit der Oberfläche der Erdformation des Bohrlochs ineinandergreift, wobei der Lagerklotz verschleißfeste Lagereinsätze trägt, aufgenommen in Fassungen im Lagerklotz, wobei der Lagereinsatz einen Vorformpreßling aus polykristallinem Diamanten mit einer vorderen Planscheibe aus einem polykristallinen Diamantmaterial umfaßt, die eine Vorderseite und eine an ein weniger hartes Substrat bondierte Rückseite hat, wobei der Preßling aus polykristallinem Diamanten vor dem Einschließen des Preßlings aus polykristallinem Diamanten in den Lagereinsatz durch Zusammenbondieren der Planscheibe und des Substrats in einer Hochdruck-Hochtemperatur-Presse vorgeformt worden ist, und dadurch gekennzeichnet, daß der Vorformpreßling aus polykristallinem Diamanten wenigstens teilweise innerhalb einer zylindrischen hohlen Manschette befestigt wird, so daß wenigstens ein Abschnitt der Planscheibe des Preßlings an einem offenen Ende der Manschette freigelegt wird, wobei der Vorformpreßling wenigstens teilweise in einem innerhalb der hohlen Manschette eingeschlossenen Körper (54) aus einem weniger harten Material eingebettet wird.
Das Folgende ist eine detailliertere Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, wobei Bezug genommen wird auf die beigefügten Zeichnungen, in denen:
1 ein Seitenriß eines typischen Blattbohrmeißels, bei dem Lagerelemente nach der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, ist,
2 eine Stirnansicht des in 1 gezeigten Bohrmeißels ist,
3 und 4 eine Draufsicht und ein Seitenriß einer Form eines Lagerelements nach der vorliegenden Erfindung sind,
5 ein Seitenriß einer alternativen Form eines Lagerelements ist,
6 und 7 eine Draufsicht und eine Schnittansicht einer weiteren Form eines Lagerelements nach der Erfindung sind,
8 bis 11 schematische Schnitte durch weitere Lagerelemente nach der Erfindung sind,
12 und 13, 14 und 15 und 16 und 17 Draufsichten und Schnittansichten von anderen Formen eines Lagerelements nach der vorliegenden Erfindung sind,
18 eine Schnittansicht einer weiteren Form eines Lagerelements ist,
19 schematisch ein Verfahren zum Herstellen eines Lagerelements nach der Erfindung illustriert,
20 und 21 eine Draufsicht und eine Schnittansicht einer weiteren Form eines Lagerelements nach der Erfindung sind,
22 und 23 schematische Schnittansichten von weiteren Lagerelementen nach der Erfindung sind,
24 schematisch ein Verfahren zum Herstellen von Lagerelementen nach 22 und 23 illustriert,
25 bis 28 schematisch Schritte in einem alternativen Verfahren zum Herstellen von Lagerelementen der in 22 und 23 gezeigten Art illustrieren, und
29 eine Modifikation des in 25 bis 28 gezeigten Verfahrens illustriert.
1 und 2 zeigen einen typischen Blattbohrmeißel zum Vollbohren einer Art, auf die Lagerelemente der vorliegenden Erfindung angewendet werden können. Der Meißelkörper 10 wird spanabhebend aus Stahl hergestellt und hat einen Schaft, an dem einem Ende geformt mit einem Kegelzapfen 11 mit einem Außengewinde, zum Verbinden mit einem Bohrgestänge. Die Arbeitsstirnfläche 12 des Meißelkörpers wird mit einer Zahl von Schneiden 13 geformt, die vom Mittelbereich des Bohrmeißels ausstrahlen, und die Schneiden tragen längs der Länge derselben mit Zwischenraum angeordnete Bohrkronen 14. Der Bohrmeißel hat einen Kaliberabschnitt, der Kicker mit Kaliberklötzen 16 einschließt, welche die Wände des Bohrlochs berühren, um den Bohrer im Bohrloch zu stabilisieren. Ein Mitteldurchgang (nicht gezeigt) in dem Bohrmeißel und dem Schaft führt auf eine bekannte Weise durch Düsen 17 in der Stirnfläche 12 Spülschlamm zu.
Jede Bohrkrone 14 umfaßt ein Vorformschneidelement 18, angebracht auf einem Träger 19 in der Form eines Pfostens, der in einer Fassung im Meißelkörper angeordnet wird. Jedes Vorformschneidelement hat die Form einer kreisförmigen Platte, die eine Planscheibe aus einem superharten Material, üblicherweise polykristallinem Diamanten, umfaßt, bondiert an ein Substrat aus einem weniger harten Material, das normalerweise gesintertes Wolframkarbid ist. Die hintere Fläche des Substrats wird, zum Beispiel durch „LS-Bondieren", an eine entsprechend geneigte Fläche auf dem Pfosten 19 bondiert.
Lagereinsätze 20 werden in Fassungen in den Kaliberklötzen 16 aufgenommen. Typischerweise umfaßt bei Anordnungen nach dem bekannten technischen Stand jeder Einsatz einen kurzen Zylinder aus gesintertem Wolframkarbid, und in einigen Fällen kann angrenzend an die Außenfläche des Einsatzes eine Zahl von kleinen Diamantkörpern in das Wolframkarbid eingebettet werden. Als Alternative dazu können die Diamantkörper, wie zuvor erwähnt, in einen Stollen aus einer festkörperinfiltrierten Wolframkarbid-Matrix eingebettet werden.
Die Diamantkörper können aus natürlichem oder synthetischem Diamanten bestehen. Um sich an Toleranzen in den Abmessungen des Lagereinsatzes und/oder der Fassung anzupassen, wird jeder Einsatz normalerweise um seinen Umfang mit in Axialrichtung verlaufenden Rippen oder Sägezahnschnitten geformt. Dies ermöglicht, daß der Einsatz im Festsitz in seine Fassung eingepaßt werden kann, im Ergebnis einer Verformung der Rippen und/oder der Wände der Fassung.
Obwohl der oben in Bezug auf 1 und 2 beschriebene Bohrmeißel ein Bohrmeißel mit einem Stahlkörper ist, kann die Erfindung gleichermaßen auf Bohrmeißel angewendet werden, bei denen der Meißelkörper oder äußere Teile desselben ein festkörperinfiltriertes Matrizenmaterial, hergestellt durch ein Pulvermetallurgieverfahren, umfassen. Die allgemeine Konstruktionsform solcher Bohrmeißel ist gut bekannt und wird nicht detailliert beschrieben.
Der Hauptzweck der Lagereinsätze 20 ist, Abrieb und Verschleiß der Kaliberklötze 16 zu verhindern, welche die Stabilität des Bohrmeißels im Bohrloch verringern würden. Jedoch können Lagereinsätze der Art nach dem bekannten technischen Stand und mit eingebetteten natürlichen oder synthetischen Diamanten, wie zuvor erwähnt, in einigen weicheren Formationen zu aggressiv sein und eine unerwünschte abtragende Wirkung auf die Formation um die Wände des Bohrlochs haben. In Folge dessen kann die Formation durch die Lagereinsätze abgetragen werden, wenn das Bohren voranschreitet, was zu einem übergroßen Bohrloch führt und die Stabilität des Bohrmeißels im Bohrloch verringert.
Außerdem kann es, in Abhängigkeit von den relativen Abmessungen eines bestimmten Einsatzes und seiner Fassung geschehen, falls der Lagereinsatz aus einer festkörperinfiltrierten Matrix hergestellt wird, daß die Matrizensägezahnschnitte auf dem Einsatz teilweise abgestreift werden, statt daß die Rippen und/oder die Wände der Fassung verformt werden, wenn der Einsatz im Festsitz in seine Fassung eingepaßt wird. Dann kann der Einsatz innerhalb seiner Fassung nicht sicher gehalten werden und kann unter den Belastungen, denen er während des Bohrens ausgesetzt wird, vom Meißelkörper gelöst werden.
Die beigefügten Zeichnungen zeigen neue Formen eines Lagereinsatzes, bei denen eines oder beide der obigen Probleme vermindert oder überwunden werden können.
3 und 4 illustrieren eine Form eines Lagereinsatzes nach der Erfindung. Der Einsatz umfaßt einen kreisförmigen Vorformpreßling 21 aus polykristallinem Diamanten, bondiert, zum Beispiel durch Hartlöten, an einen Träger 22 mit einem größeren Durchmesser.
Der Preßling 21 umfaßt eine an ein Substrat aus Wolframkarbid bondierte Planscheibe aus polykristallinem Diamanten, wobei der Preßling auf die für Preßlinge aus polykristallinem Diamanten, die als Schneidelemente auf Blattbohrmeißeln der in 1 und 2 gezeigten Art verwendet werden, übliche Weise in einer Hochdruck-Hochtemperatw-Presse hergestellt wird. Die Planscheibe und der Vorderteil des Substrats werden um ihren Umfang abgeschrägt, wie in 4 zu sehen, um die abtragende Wvkung des Preßlings zu verringern. Eine ähnliche Wirkung kann ebenfalls durch Aufbringen von flachen abgewinkelten Abschrägungen an der Vorder- und der Hinterkante der Vorderseite des Preßlings 21, quer zu seiner Bewegungsrichtung, erreicht werden.
Der Träger 22 umfaßt einen zylindrischen Abschnitt 23, geformt mit in Axialrichtung verlaufenden Rippen oder Sägezahnschnitten 24, so daß der Einsatz im Festsitz innerhalb einer entsprechend bemessenen Fassung im Kaliberklotz eingepaßt werden kann. Der Einsatz wird so in die Fassung gepreßt, daß die Vorderfläche der Planscheibe wesentlich bündig mit der Fläche des Kaliberklotzes ist oder sehr geringfügig von dieser Fläche vorsteht. Die Vorderfläche der Planscheibe verläuft im rechten Winkel zur Längsachse des Einsatzes und verläuft daher allgemein in tangentialer Richtung zur gekrümmten Fläche des Kaliberklotzes.
Der Einsatz bildet folglich eine Lagerfläche auf dem Kaliberklotz, die sehr abriebfest ist, da er aber eine ebene Fläche mit einer vergleichsweise großen Oberfläche umfaßt, die in tangentialer Richtung zur Fläche des Kaliberklotzes und folglich zur Formation verläuft, übt der Einsatz keine große abtragende Wirkung auf die Formation aus. Außerdem wird jede Neigung, daß die Rippen 24 abgestreift werden, wenn der Einsatz in seine Fassung gedrückt wird, verringert oder beseitigt, da der Träger 22 aus einem Material, wie beispielsweise gesintertem Wolframkarbid, hergestellt werden kann, das härter ist als ein festkörperinfiltrtertes Wolframkarbid-Matrizenmaterial.
In einigen Fällen kann es wünschenswert sein, daß der Lagereinsatz eine noch geringere abtragende Wirkung auf die Formation hat, und dies kann durch Anbringen des Vorformpreßlings 21 in einem leichten Winkel auf dem Träger 22 erreicht werden, und eine solche Anordnung wird in 5 gezeigt. In diesem Fall wird der Träger 22 mit einer geneigten Fläche 25 geformt, an welche die Rückseite des Vorformpreßlings 21 hartgelötet wird. Die Bewegungsrichtung des Einsatzes während des Bohrens wird durch den Pfeil angezeigt.
Statt den Preßling aus polykristallinem Diamanten auf einem Träger anzubringen, der in einer Fassung im Kaliberklotz aufgenommen wird, kann das Substrat selbst des Preßlings eine ausreichende axiale Länge haben, so daß es, ohne die Notwendigkeit einer Anbringung des Preßlings auf einem Träger, innerhalb der Fassung befestigt werden kann.
Eine solche Anordnung wird in 6 und 7 gezeigt, in denen die vordere Planscheibe des Preßlings bei 26 angezeigt wird und das Wolframkarbidsubstrat bei 27 angezeigt wird. Es wird zu sehen sein, daß die Planscheibe aus polykristallinem Diamanten bei dieser Anordnung leicht gewölbt und an ihrer Umfangskante abgerundet wird, um ihre abtragende Wirkung auf die Formation noch weiter zu verringern. Als Alternative dazu kann die Planscheibe von teilzylindrischer Form sein, d. h., gesehen in Schnitten im rechten Winkel zu dem in 7 gezeigten Schnitt kann ihre Vorderfläche allgemein gerade sein.
In diesem Fall wird der Außenumfang des zylindrischen Substrats 27 selbst mit in Axialrichtung verlaufenden Rippen oder Sägezahnschnitten 28 geformt, um zu ermöglichen, daß das Substrat im Festsitz in eine entsprechend bemessene Fassung im Kaliberklotz eingepaßt wird. Wieder besteht eine geringere Gefahr, daß die Rippen abgestreift werden, wenn der Einsatz in seine Fassung gedrückt wird, da das Substrat und die Rippen 28 aus dem vergleichsweise harten gesinterten Wolframkarbid hergestellt werden.
8 bis 11 sind schematische Schnittansichten, die verschiedene alternative Konfigurationen für die Planscheibe 26 aus polykristallinem Diamanten zeigen. Bei der Anordnung von 8 wird die Außenfläche der Planscheibe 26 konvex gewölbt, und die Grenzfläche 29 zwischen der Planscheibe 26 und dem Substrat 27 ist nicht eben, um die Bindung zwischen der Planscheibe und dem Substrat zu verbessern.
Bei der Anordnung von 9 wird die Außenfläche der Planscheibe 26 nicht gewölbt, sondern sie ist teilzylindrisch, das heißt, die Fläche wird durch parallele gerade Linien erzeugt, die parallel zur Rotationsachse des Bohrmeißels erlaufen. Die teilzylindrische Fläche der Planscheibe 26 wird, wie bei 30 angezeigt, an der Vorderseite in der Bewegungsrichtung des Einsatzes im Verhältnis zur Formation 31 schärfer, mit einem kleineren Radius, gekrümmt. Dies verringert wieder die abtragende Wirkung des Einsatzes auf die Formation.
10 ist eine ähnliche Ansicht einer Anordnung, bei der die Außenfläche der Planscheibe 26 ebenfalls teilzylindrisch ist, aber in diesem Fall wird der Krümmungsradius der teilzylindrischen Fläche an beiden Seiten des Elements, angrenzend an dessen Umfang, verringert.
11 zeigt eine gewölbte Anordnung, bei der die gewölbte Fläche der Planscheibe allgemein die Form eines flachen Kegels mit einem abgerundeten Umfang hat.
Statt den Preßling aus polykristallinem Diamanten auf der Oberfläche eines Trägers anzubringen, wie in 3 bis 5 gezeigt, kann er teilweise in einen Körper aus einem den Träger bildenden Material eingebettet werden, wie bei den Ausführungsbeispielen von 12 bis 15.
Unter Bezugnahme auf 12 und 13 wird ein teilzylindrischer zweischichtiger Preßling 32 aus polykristallinem Diamanten angrenzend an die Oberfläche eines allgemein zylindrischen Materialkörpers 33 eingebettet. Der Körper 33 wird aus einer festkörperinfiltrierten Matrix hergestellt, die bei einer Temperatur infiltriert wird, die nicht ausreicht, um eine wesentliche thermische Beeinträchtigung des Vorformpreßlings 32 zu bewirken. Der Preßling 32 wird so innerhalb des Materialkörpers 33 angebracht, daß die Vorderfläche der Planscheibe 34 des Preßlings an dem einen Ende des Materialkörpers 33 freigelegt wird. Bei Anwendung wird der zylindrische Körper 33 in einer Fassung im Kaliberklotz aufgenommen, wobei die freigelegte Fläche des Preßlings 32 wesentlich bündig mit der Außenfläche des Kaliberklotzes ist. Wie bei der Anordnung von 5 wird der Preßling leicht abgewinkelt, um seine abtragende Wirkung auf die Formation zu verringern.
Bei der in 14 und 15 gezeigten alternativen Anordnung umfaßt der Preßling aus polykristallinem Diamanten zwei Schichten 35 aus polykristallinem Diamanten, geschichtet zwischen drei Schichten 36 aus Wolframkarbid, um einen allgemein zylindrischen Preßling 37 mit einem kreisförmigen Querschnitt zu bilden. Der Preßling 37 wird angrenzend an ein Ende eines zylindrischen Körpers 38 aus einem festkörperinfiltrierten Matrizenmaterial eingebettet, und die Achse des Preßlings 37 verläuft in einem rechten Winkel zur Längsachse des Körpers 38, so daß Teile der Umfangskanten der Diamantschichten 35 an der Endfläche des Körpers 38 freigelegt werden, wie bei 39 in 15 angezeigt. Diese freigelegten Abschnitte des Preßlings 37 liegen an der Formation an.
Die Anordnungen von 12 und 15 werden ohne in Axialrichtung verlaufende Rippen auf der Außenfläche des Hauptkörpers 33 oder 38 gezeigt, aber solche Rippen können bereitgestellt werden, zum Beispiel beim anfänglichen Formen des Materialkörpers oder durch ein anschließendes spanabhebendes Bearbeiten. Gleichfalls werden bei einer Modifikation der Anordnungen von 3 bis 7 keine solchen Rippen bereitgestellt, obwohl gezeigt wird, daß dieselben in Längsrichtung verlaufende Rippen oder Sägezahnschnitte bereitstellen, wobei die Einsätze in diesem Fall durch Hartlöten oder Schrumpfsitz innerhalb ihrer jeweiligen Fassungen befestigt werden können.
Bei der in 16 und 17 gezeigten alternativen Anordnung umfaßt der Lagereinsatz eine hohle, allgemein zylindrische Manschette 40, um ihren Umfang geformt mit in Axialrichtung verlaufenden, mit Zwischenraum angeordneten Rippen 41. Obwohl die Manschette 40 aus einem festkörperinfiltrierten Matrizenmaterial hergestellt werden kann, wird sie vorzugsweise aus einem härteren Material, wie beispielsweise gesintertem Wolframkarbid, hergestellt, um einen Festsitz in einer Fassung im Kaliberklotz zu ermöglichen, ohne die Gefahr, daß die Rippen 41 abgestreift werden, wenn der Einsatz in die Fassung eingeführt wird.
Innerhalb der Manschette 40 wird, beispielsweise durch Hartlöten, ein Vorformpreßling aus polykristallinem Diamanten befestigt, der ein längliches zylindrisches Substrat 42 aus gesintertem Wolframkarbid umfaßt, an dessen eines Ende eine Planschicht 43 aus polykristallinem Diamanten bondiert wird. Die Stirnfläche des Substrats 42 wird gewölbt, so daß die Außenfläche der Diamantschicht 43 ebenfalls gewölbt wird, wobei der First der Wölbung wesentlich bündig mit der Stirnfläche der Manschette 40 ist.
Bei dem in 18 gezeigten modifizierten Ausführungsbeispiel wird die Stirnfläche des Substrats 42 zur Längsachse des Vorformlings geneigt, so daß die Außenfläche der Diamantschicht 43 im Verhältnis zur Tangentiakichtung an der Außenfläche des Einsatzes geneigt wird.
In der Anordnung von 16 bis 18 hat das Substrat 42 des Preßlings aus polykristallinem Diamanten eine ausreichende Länge, um sich durch wesentlich die gesamte Länge der Manschette 40 zu erstrecken. In dem Fall jedoch, daß der Preßling eine geringere Länge hat als die Manschette 40, kann an der Rückseite des Preßlings aus polykristallinem Diamanten ein Träger- oder Stützblock innerhalb der Manschette 40 angebracht werden. 19 zeigt ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Einsatzes.
Unter Bezugnahme auf 19 wird zuerst eine hohle zylindrische Wolframkarbidmanschette 44 bereitgestellt, geformt mit einer axialen durchgangsbohrung 45. Ein Preßling 46 aus polykristallinem Diamanten, der eine Diamantplanscheibe 47 und ein Wolframkarbidsubstrat 48 umfaßt, wird in die Bohrung 45 eingeführt, um so mit der Vorderseite nach unten auf einer geeigneten Fläche 49 angeordnet zu werden.
Oberhalb des Preßlings 46 wird ein Wolframkarbidkörper 50 angeordnet, der einen massiven zylindrischen Körper aus Wolframkarbid oder eine Vielzahl von parallelen Wolframkarbidstäben umfassen kann. Oberhalb des Wolframkarbids 50 wird ein Stück 51 aus einer Hartlötlegierung angeordnet.
Danach wird die Baugruppe in einen Ofen eingesetzt, so daß die Hartlötlegierung 51 schmilzt und nach unten sickert, um so den Preßling 46 und den Körper 50 in ihrer Position innerhalb der Manschette 44 hartzulöten. Nach dem Festwerden wird der Einsatz, falls erforderlich, auf Länge geschnitten.
Statt den Preßling 46 durch einen gesonderten Körper 50 aus Wolframkarbid zu stützen, kann das Substrat 48 des Preßlings in einigen Fällen eine ausreichende Länge in Axialrichtung haben, um die Manschette vollständig auszufüllen, wobei in diesem Fall der zusätzliche Körper 50 aus einem Wolframkarbidmaterial weggelassen werden kann.
Bei den Anordnungen von 16 bis 19 erstreckt sich der Vorformpreßling über wesentlich den gesamten durchmesser der Innenbohrung in der Manschette. Dies ist jedoch nicht wesentlich, und 20 und 21 zeigen eine Anordnung, bei welcher der Vorformpreßling innerhalb der Manschette teilweise in einen Materialkörper eingebettet wird.
Bei dieser Anordnung wird die Manschette 52, geformt mit in Längsrichtung verlaufenden Rippen 53, zum Beispiel durch Formen, aus gesintertem Wolframkarbid hergestellt. Die Manschette 52 wird von einem Körper 54 aus festkörperinfiltriertem Wolframkarbid-Matrizenmaterial ausgefüllt, in dessen eines Ende ein Preßling 55 aus polykristallinem Diamanten eingebettet wird. Die Vorderfläche der Planscheibe 56 des Preßlings wird an dem einen Ende des Einsatzes freigelegt.
Das Matrizenmaterial 54 ist ein Tieftemperatur-Matrizenmaterial, das heißt, es ist ein Material, das bei einer Temperatur infiltriert wird, die nicht ausreicht, um eine wesentliche thermische Beeinträchtigung des Preßlings 55 aus polykristallinem Diamanten zu bewirken. Das härtere gesinterte Wolframkarbid der Manschette 52 sichert, daß die Gefahr verringert oder beseitigt wird, daß die Rippen 53 abgestreift werden, wenn der Einsatz im Festsitz in seine Fassung eingepaßt wird.
Die in 20 und 21 eingesetzte Anordnung zum Anbringen eines zweischichtigen Preßlings aus polykristallinem Diamanten auf einem Lagereinsatz kann ebenfalls bei der Herstellung von Lagereinsätzen eingesetzt werden, bei denen die abriebfesten Elemente, auf herkömmlichere Weise, Teilchen von natürlichen oder synthetischen Diamanten sind.
Folglich kann der Lagereinsatz, wie in 22 gezeigt, eine allgemein zylindrische Manschette 57 aus gesintertem Wolframkarbid umfassen, geformt mit äußeren, in Längsrichtung verlaufenden Rippen 58. In diesem Fall verjüngt sich der Mitteldurchgang 59 innerhalb der Manschette vom äußeren Ende derselben nach innen. Der durchgang 59 wird mit einem Körper aus festkörperinfiltriertem Wolframkarbid-Matrizenmaterial 60 ausgefüllt, in den angrenzend an das äußere Ende der Manschette kleine rechteckige Blöcke 61 aus natürlichem oder polykristallinem Diamanten eingebettet werden, so daß die Flächen des Blocks 61 zur Formation freigelegt werden.
Die Manschette 57 wird durch Pulvermetallurgie aus Wolframkarbid oder einem ähnlichen harten Material hergestellt, um so einen Widerstand gegen ein Abstreifen der Rippen 58 während des Einsetzens zu gewährleisten. Das Matrizenmaterial 60 ist von einer Art, die bei einer Temperatur infiltriert wird, die nicht ausreicht, um eine wesentliche thermische Beeinträchtigung der Diamantblöcke 61 zu bewirken. Jedoch können die Blöcke 61 aus natürlichem Diamanten oder aus einem sogenannten thermisch stabilen Diamantmaterial bestehen und daher in der Lage sein, hohen Infiltrationstemperaturen zu widerstehen.
23 zeigt einen ähnlichen, aber modifizierten Lagereinsatz, bei dem in die infiltrierte Matrix 60 angrenzend an die äußere Stirnfläche des Einsatzes eine Zahl von natürlichen Diamanten 62 eingebettet wird.
24 illustriert ein Verfahren zum Herstellen von Lagereinsätzen der in 22 und 23 gezeigten Art. Die vorgeformte gezahnte Hartmetallmanschette 57 wird in einem geeignet geformten Modul 63 angeordnet. In einer nassen Mischung von Matrizenformmaterial suspendierte natürliche oder synthetische Diamanten 62 werden in das untere Ende der Manschette 57 auf einen Dichtungsstopfen 64 gepackt. Pulverisiertes Matrizenformmaterial 65, wie beispielsweise pulverisiertes Wolframkarbid, wird über die Diamantschicht gepackt, und ein Körper 66 aus einer Infiltrationslegierung in Pulverform, zum Beispiel Nickelmessing oder ein anderes Infiltrationsmittel, wird über das Matrizenpulver 65 gepackt.
Danach wird die Formbaugruppe in einen Ofen gestellt, so daß die Infiltrationslegierung 66 schmilzt und nach unten in das Matrizenpulver 65 und die Diamantensuspension sickert, um so innerhalb der Manschette 57 eine festkörperinfiltrterte Matrix zu bilden, in der die Diamanten 62 suspendiert sind. Nach dem Entfernen aus der Form wird die Manschette 57, falls erforderlich, auf die benötigte axiale Länge geschnitten. Die Form 63, die aus Graphit hergestellt werden kann, kann danach wiederverwendet werden.
Das Verfahren zum Herstellen des Einsatzes der in 22 gezeigten Art ist ähnlich, außer, daß die in die Oberfläche gesetzten Diamantenblöcke 61 nur auf den Dichtungsstopfen 64 gelegt werden, bevor das Matrizenformpulver 65 in die Manschette 57 eingeführt wird.
Es wird zu erkennen sein, daß das in Bezug auf 24 beschriebene Verfahren, mit geeigneten Modifikationen, ebenfalls eingesetzt werden kann, um einen Lagereinsatz der in 20 und 21 gezeigten Art herzustellen.
25 bis 28 illustrieren ein alternatives Verfahren zum Herstellen von Einsätzen, die eine gesonderte Außenmanschette umfassen.
Bei diesem Verfahren wird die mit äußeren, in Längsrichtung verlaufenden Rippen 68 geformte Manschette 67 innerhalb einer zylindrischen Bohrung in einer Düse 69 getragen, über der eine lose Einfüllplatte 70 mit einer Bohrung 71 getragen wird, die mit der zylindrischen Mittelbohrung 72 in der Manschette 67 ausgerichtet wird. Die Manschette 67 wird auf einem zylindrischen Ausstoßstopfen 73 getragen.
Ein zylindrischer Stopfen 74 aus einer Infiltrationslegierung wird zuerst in den Unterteil der Manschette 67 eingeführt, um auf dem Ausstoßstopfen 73 zu ruhen, und die Manschette 67 wird danach oberhalb der Legierung 74 lose mit matrizenformendem Wolframkarbidpulver 75 und einer Suspension 76 von Diamanten in einer Paste aus Matrizenpulver gepackt. Danach werden die Materialien mit Hilfe eines zylindrischen Druckstempels 77, der sich in einer Gleitpassung in der Bohrung 71 befindet, in die Manschette 67 nach unten zusammengepreßt.
Danach wird die Einfüllplatte 70 entfernt, und die gefüllte Manschette 67 (siehe 26) wird danach durch eine Aufwärtsbewegung des Ausstoßstopfens 73 aus der Stützdüse 69 ausgestoßen. Danach wird die gefüllte Manschette 67 auf eine Graphitplatte 78 umgedreht (siehe 27) und in einen Ofen gestellt, so daß die Legierung 74 schmilzt und nach unten in das Matrizenmaterial 75 und 76 sickert. Nach dem Festwerden wird die Baugruppe dann auf Länge geschnitten, um den fertigen Lagereinsatz 79, wie in 28 gezeigt, zu erzeugen.
29 zeigt eine alternative Form für die Manschette, um nach der Infiltration das Schneiden des Einsatzes auf die erforderliche Länge zu erleichtern. In diesem Fall umfaßt die Manschette einen unteren Abschnitt 80 mit der erforderlichen Ziellänge, geformt mit äußeren, in Längsrichtung verlaufenden Rippen 81, und ein dünnerwandiger Abschnitt 82 ohne Rippen erstreckt sich vom Abschnitt 80 nach oben. Die Verbindung zwischen dem oberen Abschnitt 82 und dem unteren Abschnitt 80 hat, wie bei 83 angezeigt, eine verringerte Wanddicke, um ein Abtrennen des oberen Abschnitts vom Haupteinsatzabschnitt 80 zu erleichtern, nachdem die Infiltration vollendet worden ist.
Bei den oben beschriebenen Anordnungen, bei denen im Lagereinsatz ein Preßling aus polykristallinem Diamanten eingesetzt wird, wird der Preßling als ein zweischichtiger Preßling gezeigt, der eine Planscheibe aus polykristallinem Diamanten oder einem anderen superharten Material, in der Presse bondiert an ein Substrat aus einem weniger harten Material, wie beispielsweise gesintertem Wolframkarbid, umfaßt. Jedoch schließt die Erfindung in ihrem Geltungsbereich ebenfalls modifizierte Versionen solcher Ausführungsbeispiele ein, bei denen der Preßling aus polykristallinem Diamanten, statt ein zweischichtiger Preßling zu sein, eine einzige Schicht aus einem polykristallinen Diamantmatenal umfaßt, als eine Einheit in der Presse geformt, ohne gleichzeitig an ein Substrat bondiert zu werden. Solche einschichtigen Preßlinge aus polykristallinem Diamanten werden üblicherweise sogenannte thermisch stabile Diamantvorformlinge umfassen, die höheren Temperaturen ausgesetzt werden können als zweischichtige Vorformlinge, ohne eine wesentliche thermische Beeinträchtigung zu erleiden.

Claims

Lagereinsatz zur Verwendung in einer Untertagekomponente zur Verwendung beim Bohren von Bohrlöchern in unterirdischen Erdformationen und von der Art, die wenigstens einen Lagerklotz (16) einschließt, der bei Anwendung mit der Oberfläche der Erdformation des Bohrlochs ineinandergreift, wobei der Lagerklotz verschleißfeste Lagereinsätze (20) trägt, aufgenommen in Fassungen im Lagerklotz, wobei der Lagereinsatz einen Vorformpreßling aus polykristallinem Diamanten mit einer vorderen Planscheibe aus einem polykristallinen Diamantmaterial umfaßt, die eine Vorderseite und eine an ein weniger hartes Substrat bondierte Rückseite hat, wobei der Preßling aus polykristallinem Diamanten vor dem Einschließen des Preßlings aus polykristallinem Diamanten in den Lagereinsatz durch Zusammenbondieren der Planscheibe und des Substrats in einer Hochdruck-Hochtemperatw-Presse vorgeformt worden ist, und dadurch gekennzeichnet, daß der Vorformpreßling aus polykristallinem Diamanten wenigstens teilweise innerhalb einer zylindrischen hohlen Manschette (40) befestigt wird, so daß wenigstens ein Abschnitt der Planscheibe des Preßlings an einem offenen Ende der Manschette freigelegt wird, wobei der Vorformpreßling (55, 56) wenigstens teilweise in einem innerhalb der hohlen Manschette eingeschlossenen Körper (54) aus einem weniger harten Material eingebettet wird.
Lagereinsatz nach Anspruch 1, bei dem das weniger harte Material (54) ein massives infiltriertes Matrizenmaterial ist.
Lagereinsatz nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem die Außenfläche der hohlen Manschette (57) mit in Abständen angeordneten Vorsprüngen (58) geformt wird, die es ermöglichen, daß der Einsatz im Festsitz in seine Fassung gepaßt wird.
Lagereinsatz nach Anspruch 3, bei dem die Vorsprünge (58) in der Längsrichtung der hohlen Manschette (57) verlaufende Rippen oder Sägezahneinschnitte umfassen.
Lagereinsatz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Vorformpreßling im Verhältnis zur Manschette so ausgerichtet wird, daß die Vorderseite des Vorformpreßlings wesentlich in einem rechten Winkel zur Längsachse der Manschette oder in einem Kleinwinkel zu derselben verläuft.
Lagereinsatz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Vorderseite der Planscheibe (23) des Vorformpreßlings wesentlich flach ist.
Lagereinsatz nach Anspruch 6, bei dem die Vorderseite (23) des Vorformpreßlings so ausgerichtet wird, daß sie in einer Ebene liegt, die wesentlich tangential zur Außenfläche des Lagerklotzes ist, in dem der Einsatz angebracht wird, oder in einem Kleinwinkel zur Tangentialrichtung geneigt ist.
Lagereinsatz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Vorderseite des Vorformpreßlings (26, 27) gewölbt ist.
Lagereinsatz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Vorderseite des Vorformpreßlings (26, 30) teilzylindrisch ist.
Lagereinsatz nach Anspruch 9, bei dem die teilzylindrische Vorderfläche des Vorformpreßlings konvex ist und angrenzend an wenigstens einen Umfangskantenabschnitt (30) des Preßlings einen Krümmungsradius hat, der kleiner ist als der Krümmungsradius eines Mittelabschnitts der Vorderseite.