NO149181B

NO149181B - drill bit

Info

Publication number: NO149181B
Application number: NO771015A
Authority: NO
Inventors: David S Rowley; Bruce H Walker; Coy M Fielder
Original assignee: Christensen Inc
Priority date: 1976-07-12
Filing date: 1977-03-22
Publication date: 1983-11-21
Also published as: GB1556562A; JPS5614832B2; NO149181C; JPS539205A; NO771015L; BR7704531A; DE2730602B2; DE2730602C3; NL172477C; FR2358537A1; FR2358537B1; MX144441A; DE2730602A1; BE856697A; AU2639577A; NL172477B; AU504704B2; NL7706233A; SU946410A3; CA1074779A

Description

Oppfinnelsen angår en borkrone med et stålskaft med en gjennomgående spylekanal, hvor stålskaftets ene ende er forsynt med et med skaftenden fast forbundet, boreflatedannende hardmetallbelegg som har vesentlig større slitefasthet enn stålskaftet og bærer skjærelementer som er anordnet i utsparinger i hardmetallbelegget og oppviser en fra hardmetallbelegget utstikkende, i borkronens omdreiningsretning vendende skjæreflate og en ryggflate som ligger an mot en motsvarende, som mothold utformet stotteflate på hardmetallbelegget. The invention relates to a drill bit with a steel shaft with a continuous flushing channel, where one end of the steel shaft is provided with a hard metal coating firmly connected to the end of the shaft, forming a drilling surface, which has significantly greater wear resistance than the steel shaft and carries cutting elements which are arranged in recesses in the hard metal coating and has a protruding from the hard metal coating , a cutting surface facing in the direction of rotation of the drill bit and a back surface that rests against a corresponding support surface designed as a counterweight on the hard metal coating.

Fra US patent 3 709 308 er det kjent en borkrone av ovennevnte art, der skjærelementene utgjøres av diamanter som for å forbindes med borkroneskaftet innsettes i et bestemt mønster i en form ved hjelp av hvilken hardmetallbelegget anbringes på borkroneskaftet, hvoretter matriks- og infiltrasjonsmaterialet som danner hardmetallbelegget innføres i formen. Formen blir så oppvarmet til en temperatur på ca. 1180°C, hvorved der ved smelting av infiltrasjonsmaterialet oppnås en fastbinding av matriksmaterialet og en innstøping av diamant-skjærelementene i de utsparinger som derved dannes i hardmetallbelegget. Skjærelementenes bakside får derved god støtte i hardmetallbelegget, men på grunn av den høye temperatur som anvendes for innstøpingen av elementene i hardmetallbelegget, blir de så svekket, særlig dersom syntetiske diamanter benyttes som skjærelementer, at de bare får en begrenset effektiv levetid. From US patent 3,709,308, a drill bit of the above-mentioned kind is known, where the cutting elements consist of diamonds which, in order to be connected to the drill bit shaft, are inserted in a specific pattern in a mold by means of which the hard metal coating is placed on the drill bit shaft, after which the matrix and infiltration material which forms the carbide coating is introduced into the mold. The mold is then heated to a temperature of approx. 1180°C, whereby, by melting the infiltration material, a binding of the matrix material is achieved and an embedment of the diamond cutting elements in the recesses that are thereby formed in the hard metal coating. The back side of the cutting elements is thereby well supported in the hard metal coating, but due to the high temperature used for embedding the elements in the hard metal coating, they are so weakened, especially if synthetic diamonds are used as cutting elements, that they only have a limited effective lifetime.

Videre er det fra tidsskriftet "Journal of Petroleum Technology, mai 1975, side 543 til .551, kjent en borkrone med. skjærelementer som består av et antall innbyrdes forbundne slipepartikler. Her er imidlertid skjærelementene ikke inn-støpt i et hardmetallbelegg på borskaftet ved dettes fremstilling i henhold til infiltrasjonsteknikken, men isteden montert på en bæreplugg av hardmetall som innsettes i motsvarende hull i borkrone-stålskaftet. Forbindelsen mellom de av et antall slipepartikler bestående, prefabrikerte skjærelementer og deres tilhørende bæreplugg er her utført ved hjelp av en loddeforbin-delse. Denne befestigelse av de kjente skjærelementer på bære-pluggene som skal innsettes i borkroneskaftet tilfredsstiller imidlertid ikke de krav som i praksis stilles ved drift av borkroner, hvilket medfører at man særlig ved boring i harde og heterogene bergartformasjoner får en hurtig nedsliting av borkronen ved tap eller ødeleggelse av de prefabrikerte skjærelementer. Furthermore, from the journal "Journal of Petroleum Technology, May 1975, pages 543 to 551, a drill bit with cutting elements consisting of a number of interconnected abrasive particles is known. Here, however, the cutting elements are not embedded in a hard metal coating on the drill shaft at its manufactured according to the infiltration technique, but instead mounted on a support plug made of hard metal which is inserted into the corresponding hole in the drill bit steel shaft. The connection between the prefabricated cutting elements consisting of a number of abrasive particles and their associated support plug is here carried out by means of a solder connection. However, this attachment of the known cutting elements to the support plugs that are to be inserted into the drill bit shaft does not satisfy the requirements that are set in practice when operating drill bits, which means that, especially when drilling in hard and heterogeneous rock formations, the drill bit wears out rapidly in the event of loss or destruction of the prefabricated cutting elements.

For å forbedre holdbarheten til disse kjente borkroner, særlig med sikte på å bedre befestigelsen av de prefabrikerte skjærelementer, er det tidligere foreslått (DE-OS 2 723 932) In order to improve the durability of these known drill bits, particularly with a view to improving the fastening of the prefabricated cutting elements, it has previously been proposed (DE-OS 2 723 932)

å utforme skjærelementene som langstrakte stifter med et tynt polykrystallinsk slipematerialsjikt, idet stiftene ved friksjon fastlåses i utsparinger i borkronens stålskaft. to design the cutting elements as elongated pins with a thin polycrystalline abrasive material layer, as the pins are locked by friction in recesses in the drill bit's steel shaft.

Formålet med oppfinnelsen er å fremskaffe en borkrone av den innledningsvis nevnte art, med skjærelementer som kan mon-teres på en særlig enkel, materialbesparende måte og som er særlig holdbare under drift. The purpose of the invention is to provide a drill bit of the type mentioned at the outset, with cutting elements which can be mounted in a particularly simple, material-saving manner and which are particularly durable during operation.

Dette formål oppnås ifølge oppfinnelsen ved at skjærelementene består av et antall innbyrdes forbundne slipepartikler og er anbrakt i på forhånd utformede utsparinger i hardmetallbelegget først etter at hardmetallbelegget er anbrakt på bor-kroneskaf tet . Derved unngår man de høye temperaturer som opp-trer ved innstøping av skjærelementer i hardmetallbelegg ved fremstilling av dette etter infiltrasjonsteknikken, og som særlig ved bruk av syntetiske diamanter som skjærelementer, uguns-tig påvirker disse. Som følge av de nye og særegne trekk ved foreliggende oppfinnelse kan skjærelementene f.eks. ved press-pasning eller ved en sveiseforbindelse med tilsvarende lave temperaturer, festes i utsparingen i hardmetallbelegget. De av sammenbundne.slipepartikler bestående, prefabrikerte skjærelementer kan dessuten ved skader etter lang tids bruk fjernes fra utsparingene i hardmetallbelegget og erstattes av nye skjærelementer, idet skjærelementer som f.eks. er festet i borkronen ved hjelp av en sveiseforbindelse oppvarmes til en temperatur som bare ligger noe over loddeternperaturen, og ikke innvirker på hardmetallbelegget. Dette, sammen med den bakre oppstøtting av skjærelementene mot en motsvarende, som mothold utformet støtteflate i hardmetallbelegget. som sikrer at skjærelementene under drift av borkronen bare utsettes for trykk og ikke bøyepåkjenning, gjør at borkronen ifølge foreliggende oppfinnelse får en meget høy levetid. This purpose is achieved according to the invention in that the cutting elements consist of a number of interconnected abrasive particles and are placed in previously designed recesses in the hard metal coating only after the hard metal coating has been placed on the drill bit shaft. This avoids the high temperatures that occur when embedding cutting elements in hard metal coatings when this is produced using the infiltration technique, and which, particularly when using synthetic diamonds as cutting elements, adversely affects these. As a result of the new and distinctive features of the present invention, the cutting elements can e.g. by press fitting or by a welding connection with correspondingly low temperatures, is fixed in the recess in the hard metal coating. The prefabricated cutting elements consisting of bonded abrasive particles can also be removed from the recesses in the hard metal coating and replaced by new cutting elements in case of damage after long-term use, as cutting elements such as e.g. is fixed in the drill bit by means of a welding connection is heated to a temperature that is only slightly above the soldering temperature, and does not affect the hard metal coating. This, together with the rear support of the cutting elements against a corresponding, as counterhold, designed support surface in the hard metal coating. which ensures that the cutting elements during operation of the drill bit are only exposed to pressure and not bending stress, means that the drill bit according to the present invention has a very long service life.

Skjærelementene kan være fremstilt som beskrevet i US patent 3 745 623 eller ved å støpe blandinger av diamantpartik-ler, sekundære slipemiddelpartikler, samt partikler av et metall-bindemiddel under anvendelse av de teknikker som er beskrevet i ovennevnte patenter i hensiktsmessige former, The cutting elements can be produced as described in US patent 3,745,623 or by casting mixtures of diamond particles, secondary abrasive particles, as well as particles of a metal binder using the techniques described in the above-mentioned patents in suitable forms,

f.eks; ved hjelp av de varmpressmetoder som er beskrevet i US patenter 3 841 852 og 3 871 840. Der foretrekkes et prefabrikert skjaerelement som angitt i US patent 3 745 623. for example; using the hot pressing methods described in US patents 3,841,852 and 3,871,840. A prefabricated cutting element is preferred as stated in US patent 3,745,623.

Konstruksjon av en diamantborkrone i henhold til oppfinnelsen er særlig hensiktsmessig ved bruk av syntetiske diamanter, av den type som anvendes ved utforming av skjærelementene beskrevet i US patent 3 745 623. Slike diamanter svekkes i vesentlig større grad enn naturlige diamanter ved temperaturer som vanligvis anvendes ved produksjon av borkroner ved fremstillingsmåter som beskrevet i US patenter nr. 3 709 308, 3 824 083 og 3 757 879. Slike fremstillingsmåter innebærer at diamanter utsettes for temperaturer som benyttes ved infiltra-sjonen eller varmpressprosessene i ovennevnte patenter. De temperaturer som anvendes under slike prosesser er i størrelses-orden over ca. 1093°C, f.eks. 1177°C. Selv om slike temperaturer er hensiktsmessige for naturlige diamanter, er de for høye for syntetiske diamanter og svekker disse i betydelig grad. Construction of a diamond drill bit according to the invention is particularly appropriate when using synthetic diamonds, of the type used in the design of the cutting elements described in US patent 3,745,623. Such diamonds weaken to a significantly greater extent than natural diamonds at temperatures that are usually used in production of drill bits by production methods as described in US patents no. 3 709 308, 3 824 083 and 3 757 879. Such production methods mean that diamonds are exposed to temperatures used in the infiltration or hot pressing processes in the above-mentioned patents. The temperatures used during such processes are in the order of magnitude above approx. 1093°C, e.g. 1177°C. Although such temperatures are appropriate for natural diamonds, they are too high for synthetic diamonds and weaken them significantly.

Ved konstruksjon av borkronen ifølge foreliggende oppfinnelse kan man bruke syntetiske såvel som naturlige diamanter, idet de prefabrikerte skjærelementer i hvilke syntetiske eller naturlige diamanter anvendes kan tildannes ved temperaturer som er hensiktsmessige for syntetiske diamanter, slik det er beskrevet i nevnte US patent 3 745 623. When constructing the drill bit according to the present invention, synthetic as well as natural diamonds can be used, as the prefabricated cutting elements in which synthetic or natural diamonds are used can be formed at temperatures that are appropriate for synthetic diamonds, as described in the aforementioned US patent 3,745,623.

Konstruksjonen ifølge oppfinnelsen muliggjør således tildanning av borkronekroppen ved høye temperaturer og tildanning av de prefabrikerte skjærelementer ved hjelp av de tidligere beskrevne høytemperaturmetoder når naturlige diamanter, anvendes, eller tildanning ved lavere temperaturer når syntetiske diamanter anvendes, f.eks. som beskrevet i US patent 3 745 623. Således kan f.eks. skjærelementer der naturlige diamanter anvendes, tildannes ved hjelp av den varmpressemetode som er angitt i US patent 3 871 840, under anvendelse av hensiktsmessige former for tildanning av skjærelementet til den ønskede geometriske skikkelse. The construction according to the invention thus enables the formation of the drill bit body at high temperatures and the formation of the prefabricated cutting elements by means of the previously described high temperature methods when natural diamonds are used, or formation at lower temperatures when synthetic diamonds are used, e.g. as described in US patent 3,745,623. Thus, e.g. cutting elements where natural diamonds are used are formed by means of the hot press method indicated in US patent 3,871,840, using appropriate forms for forming the cutting element into the desired geometric shape.

Utsparingene som opptar skjærelementene er hensiktsmessig anordnet med lik innbyrdes avstand i flere, i lengderetningen forløpende og over skjæreflaten fordelte rader, idet.skjærelementene i én rad er forskjøvet i forhold til skjærelementene i en naborad. Derved oppnås at når borkronen dreier om sin akse vil praktisk talt hele den formasjonsoverflate som gjennomskjæ-res av borkronen under dens omdreining komme i kontakt med skjærelementene. The recesses that accommodate the cutting elements are conveniently arranged at equal distances from each other in several rows extending in the longitudinal direction and distributed over the cutting surface, the cutting elements in one row being offset in relation to the cutting elements in a neighboring row. Thereby it is achieved that when the drill bit rotates on its axis, practically the entire formation surface that is cut through by the drill bit during its rotation will come into contact with the cutting elements.

Der er innretninger for å fjerne borkaks fra skjærelementene. Borefluid føres gjennom en sentral boring for å frem-bringe en spylevirkning. I denne hensikt er kanaler anordnet ,i fluidkommunikasjon med boringen foran skjærelementene. Kanalene strekker seg over borkronens arbeids- eller boreflate fra den sentrale boring til borkronens diameterflate. Kanalene kan ved visse anvendelser utelates, men i de foretrukne utførings-former bidrar kanalene i borkronens hydraulikksystem for rensing av borkronens arbeidsflate. Skjærelementene kan være plassert med en skråvinkel lik null, men har fortrinnsvis en negativ side-skråvinkel, slik at de tilveiebringer en plogvirkning for å føre borkaksen til borkronens diameterflate. I den foretrukne utføringsform er kanalene utformet foran skjærelementene som er orientert som ovenfor beskrevet. Skråvinkelens orientering og fluidet gjennom kanalene fører borkaksen til ringrommet mellom borkronen og borehullet, slik at det føres opp gjennom ringrommet til overflaten. Ved å anordne skjærelementene i et mønster og anordne spylefluidkanalene foran skjærelementene får man et strømningsmønster over borkronens skjæreflate umiddelbart inn-til skjærelementene, hvilket i vesentlig grad bidrar til å fjerne kaks og spyle dette bort fra skjærelementene. There are facilities for removing sawdust from the cutting elements. Drilling fluid is passed through a central bore to produce a flushing effect. For this purpose, channels are arranged in fluid communication with the bore in front of the cutting elements. The channels extend over the working or drilling surface of the drill bit from the central bore to the diameter surface of the drill bit. In certain applications, the channels can be omitted, but in the preferred embodiments, the channels in the drill bit's hydraulic system contribute to cleaning the drill bit's working surface. The cutting elements can be positioned with a bevel angle equal to zero, but preferably have a negative side bevel angle, so that they provide a plow action to bring the drill cuttings to the diameter face of the drill bit. In the preferred embodiment, the channels are formed in front of the cutting elements which are oriented as described above. The orientation of the oblique angle and the fluid through the channels lead the drill cuttings to the annulus between the drill bit and the borehole, so that it is carried up through the annulus to the surface. By arranging the cutting elements in a pattern and arranging the flushing fluid channels in front of the cutting elements, a flow pattern is obtained over the cutting surface of the drill bit immediately into the cutting elements, which significantly contributes to removing cake and flushing it away from the cutting elements.

Ytterligere trekk og fordeler ved oppfinnelsen vil fremgå av patentkravene, samt av følgende beskrivelse av en utførings-form av oppfinnelsen i tilknytning til tegningen, hvor: Fig. 1 er et vertikalsnitt gjennom en borkrone ifølge oppfinnelsen, Further features and advantages of the invention will be apparent from the patent claims, as well as from the following description of an embodiment of the invention in connection with the drawing, where: Fig. 1 is a vertical section through a drill bit according to the invention,

Fig. 2 er et riss langs linjen 10-10 på figur 1, Fig. 2 is a view along the line 10-10 in Fig. 1,

Fig. 3 er et detaljutsnitt langs linjen 11-11 på figur 2, Fig. 4 er et snitt langs linjen 12-12 på figur 3, Fig. 3 is a detailed section along the line 11-11 in figure 2, Fig. 4 is a section along the line 12-12 in figure 3,

Fig. 5 er et snitt langs linjen 13-13 på figur 4. Fig. 5 is a section along the line 13-13 in figure 4.

Som vist i figur 1 og 2 er borkronen utformet med et skaft 101 som er dekket av et hardmetallbelegg 102. Borkronens front- eller boreflate 103 har stort sett konisk form som leder inn i midtåpningen 104. Som vist i figur 2 kan midtåpningen være utformet med tre grener 104. Grenene har forbindelse med kanalene 105 som strekker seg ut til diameterflaten 106. De er forbundet med spor 107 i stabilisatorseksjonen 108. As shown in Figures 1 and 2, the drill bit is designed with a shaft 101 which is covered by a hard metal coating 102. The drill bit's front or drilling surface 103 has a largely conical shape that leads into the central opening 104. As shown in Figure 2, the central opening can be designed with three branches 104. The branches are connected to the channels 105 which extend out to the diameter surface 106. They are connected to grooves 107 in the stabilizer section 108.

På borkronens boreflate er utformet utspring 109 som er anordnet med innbyrdes avstand i langsgående rader rundt boreflaten. Hvert utspring bærer en ansats 110 og en utsparing 111 i hvilken er montert et prefabrikert skjærelement 112 av den ovennevnte sammensetning. Som vist i figur 3, 4 og 5 er skjærelementene plassert i utsparingene 111 ved ansatsene 110 som er utformet på boreflaten og som virker som holdere. Hele skjær-elementets bakside støttes av utsparingen og ansatsen 110 som virker som en holder som opptar det prefabrikerte<J>skjærelement. Projections 109 are formed on the drilling surface of the drill bit and are arranged at a distance from each other in longitudinal rows around the drilling surface. Each projection carries a projection 110 and a recess 111 in which a prefabricated cutting element 112 of the above-mentioned composition is mounted. As shown in Figures 3, 4 and 5, the cutting elements are placed in the recesses 111 at the projections 110 which are formed on the drilling surface and which act as holders. The entire back of the cutting element is supported by the recess and the abutment 110 which acts as a holder that accommodates the prefabricated<J>cutting element.

Utsparingene eller holderne avstøtter skjærelementene The recesses or holders support the cutting elements

med både vertikale og horisontale skråvinkler. Som vist i figur 4 er skjærelementet montert med en vertikal negativ skråvinkel 120 og, som vist i figur 3, med en horisontal negativ skråvinkel 136. Den negative skråvinkel kan være fra ca. 4° til ca. 20°, mens den negative horisontale skråvinkel kan være f.eks. mellom 1° og 10°, fortrinnsvis ca. 2°. with both vertical and horizontal bevels. As shown in Figure 4, the cutting element is mounted with a vertical negative bevel angle 120 and, as shown in Figure 3, with a horizontal negative bevel angle 136. The negative bevel angle can be from approx. 4° to approx. 20°, while the negative horizontal slant angle can be e.g. between 1° and 10°, preferably approx. 2°.

Frempringene er anordnet med innbyrdes avstand i en langsgående rekke nær kanalene 105, rundt borkronens boreflate. Fremspringene med sine utsparinger er anordnet med innbyrdes avstand i radene, slik at skjærelementene blir fordelt i et forskjøvet overlappende arrangement i forhold til skjærelementene i fremspringene i tilstøtende langsgående rader. Skjærelementenes skjæreflater vender i samme vinkelretning som borkronens omdreiningsretning. Fluidkanaler 105 er anordnet foran raden av skjærelementer. Spylefluidet, som mates gjennom midt-boringen i det rørformede borskaft 101, strømmer inn i midtåpningen 104 og således gjennom kanalen 105 for å spyle borkaksen som føres mot diameterflaten, oppover inn i ringrommet mellom borestrengen og borehullveggen. The protrusions are arranged at a distance from each other in a longitudinal row near the channels 105, around the drilling surface of the drill bit. The protrusions with their recesses are arranged at a distance from each other in the rows, so that the cutting elements are distributed in a staggered overlapping arrangement in relation to the cutting elements in the protrusions in adjacent longitudinal rows. The cutting surfaces of the cutting elements face in the same angular direction as the direction of rotation of the drill bit. Fluid channels 105 are arranged in front of the row of cutting elements. The flushing fluid, which is fed through the central bore in the tubular drill shank 101, flows into the central opening 104 and thus through the channel 105 to flush the drill cuttings which are carried towards the diameter surface, upwards into the annulus between the drill string and the borehole wall.

Skjærelementene er prefabrikerte deler som kan utskiftes The cutting elements are prefabricated parts that can be replaced

etterhvert som de skades eller mistes. De kan plasseres'i utsparinger eller holdereutformet ihardmetallbelegget på diamant-borkronen, i et forutbestemt mønster som gir en sammenhengende utboret overflate. I de prefabrikerte skjærelementer kan være anvendt finkornet primær-slipemiddel såsom diamanter eller tilsvarende harde slipepartikler i et skjærelement som er anordnet i et forutbestemt mønster på borkronen. Bruken av slik pre- as they are damaged or lost. They can be placed in recesses or holders formed in the carbide coating of the diamond drill bit, in a predetermined pattern that provides a continuous drilled surface. In the prefabricated cutting elements, fine-grained primary abrasive such as diamonds or similar hard abrasive particles can be used in a cutting element which is arranged in a predetermined pattern on the drill bit. The use of such pre-

fabrikerte skjærelementer montert i et mønster for å dekke stort sett hele overflaten som skal skjæres, og som tillater utskifting av enkelte, ødelagte skjærelementer, har den fordel at en slitt borkrone enkelt kan repareres og ikke trenger å kasseres. fabricated cutting elements mounted in a pattern to cover substantially the entire surface to be cut, and allowing the replacement of individual, broken cutting elements, has the advantage that a worn drill bit can be easily repaired and does not need to be discarded.

Claims

1. Drill bit comprising a steel shaft with a continuous flushing channel, where one end of the steel shaft is provided with a hard metal coating firmly connected to the end of the shaft, forming a drilling surface, which has significantly greater wear resistance than the steel shaft and carries cutting elements which are arranged in recesses in the hard metal coating and have a protruding from the hard metal coating, cutting surface facing in the direction of rotation of the drill bit and a back surface that rests against a corresponding, counter-shaped support surface on the hard metal coating, characterized in that the cutting elements (112) consist of a number of interconnected abrasive particles and are placed in previously designed recesses (111) in the hard metal coating (102) only after the hard metal coating has been placed on the drill shank (101).

2. Drill bit according to claim 1, characterized in that the hard metal coating (102) is designed with protrusions (109) which form part of the support surface against the back of the cutting elements at the recesses (111).

3. Drill bit according to claim 1 or 2, characterized in that the interconnected abrasive particles consist of diamonds.

4. Drill bit according to one of claims 1 to 3, characterized in that the cutting elements (112) are arranged in rows and oriented at the same angle in each row.

5. Drill bit according to one of claims 1 to 4, characterized in that the recesses (111) which accommodate the cutting elements (112) are arranged in several rows extending in the longitudinal direction and distributed over the drilling surface (103) at equal distances from each other, and that the cutting elements in one row is shifted laterally in relation to the cutting elements in a neighboring row.

6. Drill bit according to one of the preceding claims, where the hard metal coating extends from a central part of the drill bit to its diameter surface, and where several flushing fluid channels which are in connection with the through bore of the drill shank (101) are designed in the drilling surface up to the diameter surface, characterized in that the flushing fluid channels (105) is arranged in front of the cutting elements (112).