DE913523C - Drehbohrmeissel - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Drehbohrmeißel mit rollenden Schneidwerkzeugen, wie sie beim Bohren nach Wasser, Erdöl, Gas, Schwefel u. dgl. verwendet werden.

Die Erfindung ist besonders bei konischen Schneidwerkzeugen von Bohrmeißeln anwendbar, bei denen zwei oder mehrere derartiger Schneidwerkzeuge nahe beieinander angeordnet sind und auf dem Boden des Bohrlochs abrollen und diesen dabei zerkleinern. Obgleich im folgenden vorzugsweise von konischen Schneidwerkzeugen die Rede sein wird, kann die Erfindung auch bei Bohrmeißeln verwendet werden, die mit rollenden Schneidwerkzeugen anderer Art arbeiten, wie z. B. Drehbohrmeißeln zum Aufweiten von Bohrlöchern, Kernbohrern, Kreuzmeißeln usw.

Das Bohren von Erdformationen, die hohe Druckfestigkeit von 3500 bis 5000 kg/cm² besitzen, wie z. B. Quarz, Granit usw., und die außerdem äußerst hart und schmirgelnd sind, bereitet große Schwie- 2g rigkeiten. Häufig kann man in derartigen harten und die Schneidflächen hoch beanspruchenden Formationen mit einem Bohrmeißel üblicher Bauart nur eine Bohrleistung von 0,9 bis 1,5 m bei sehr geringem Bohrvorschüb erzielen. Das Bohrgestänge muß dann sehr häufig aus dem Bohrloch herausgezogen werden, um einen neuen Meißel· anzubringen, und muß dann wieder in das Bohrloch

gesenkt werden, so daß nicht nur mehrere Meißel zum Bohren von wenigen Metern Bohrlochtiefe gebraucht werden, sondern auch viel Zeit verlorengeht. Zum Auswechseln eines stumpf gewordenen Meißels benötigt man bei jetzt häufig vorkommenden Bohrtiefen von über 3500 m bis zu 10 Stunden. Da die Betriebskosten für Bohranlagen bei Bohrlöchern derartiger Tiefe ungefähr 150 DM pro Stunde betragen, sind beim Antreffen von Erdformationen großer Festigkeit und Härte die Betriebskosten pro laufenden Meter Bohrleistung außerordentlich hoch.

Bei Verwendung von Bohrmeißeln üblicher Bauart beim Bohren von harten Formationen, wie Quarzit usw., muß sehr darauf geachtet werden, daß man den Meißel aus dem Bohrloch herauszieht, bevor sich der Durchmesser des Bohrlochs durch den Verschleiß des Meißels merklich verringert. Es läßt sich im allgemeinen schwer feststellen, wann ao ein Bohrloch Untergröße hat, und selbst ein erfahrener Bohrmeister kann einen Meißel lange vor dem Zeitpunkt aus dem Bohrloch herausziehen, in dem er die Maßhaltigkeit des Bohrlochs gefährden würde, oder er kann andererseits den Meißel zu lange im Bohrloch arbeiten lassen, so daß ein Bohrloch von Untergröße entsteht. Mit dem neu eingeführten Meißel muß dann das Bohrloch zuerst aufgeweitet werden, wobei die Schneidwerkzeuge an ihren den Durchmesser des Bohrlochs bestimmenden Schneidflächen beschädigt werden können, so daß man in einem solchen Fall nach Aufweitung des Bohrlochs den Meißel am besten gleich wieder auswechselt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, einen Bohrmeißel zu schaffen, der in harten, eine schmirgelnde Wirkung aufweisenden Formationen eine bessere Bohrleistung hat und langer betriebsfähig bleibt als ein Bohrmeißel bisher üblicher Bauart und der dabei in diesen Formationen maßhaltig bohrt.

An den rollenden Schneidwerkzeugen eines solchen Meißels sollen dabei die Schneidelemente so geformt und angeordnet sein, daß sie den ganzen Bohrlochboden bearbeiten können und in sehr harten Erdformationen eine hohe Verschleißfestigkeit besitzen und dabei doch eine große Zerkleinerungsarbeit bewältigen.

Dabei sollen karbidische Schneidelemente im Körper der Schneidwerkzeuge so befestigt sein, daß sie den beim Bohren von Erdformationen großer Festigkeit auftretenden ungeheuer großen Stoßbeanspruchungen, ohne zu brechen oder zu zerbröckeln, widerstehen können.

Die Schneidelemente benachbarter Schneidwerkzeuge fassen ineinander und reinigen sich dadurch selbst.

Die Erfindung beruht darin, daß die im Körper der Schneidwerkzeuge befestigten verschleißfesten Schneidelemente an ihren etwas über die Oberfläche des Scheidwerkzeugkörpers hinausragenden Enden eine stumpfe, abgerundete Oberfläche haben.

Bei einer besonderen Ausführungsform der Erfindung besitzt das Schneidwerkzeug an seinem Umfang durchgehende, bandartige Erhebungen, in denen verschleißfeste Schneidelemente befestigt sind, deren äußere Enden aus diesen Erhebungen herausragen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden an Hand der Zeichnungen beschrieben, von denen

Fig. ι einen Satz von drei Schneidwerkzeugen, von unten gesehen, zeigt,

Fig. 2 eine Seitenansicht eines Bohrmeißels ist, dessen im Schnitt gezeigter Teil in einer Ebene geschnitten ist, die nicht der Mittelebene des in Ansicht gezeigten Schneidwerkzeuges entspricht,

Fig. 3 eine vergrößerte Ansicht von am äußeren Umfang des Bohrlochbodens schneidenden Schneidelementen ist,

Fig. 4 und 5 andere Anordnungen von den Durchmesser des Bohrlochs bestimmenden Schneidelementen zeigt,

Fig. 6 eine perspektivische Ansicht einer besonderen Form eines Schneidelements und

Fig. 7 eine Ansicht eines zylindrischen Schneidwerkzeuges gemäß der Erfindung ist.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß harte Erdformationen leichter und schneller gebohrt werden können, wenn die mit dem zu zerkleinernden Gestein in Berührung kommende Oberfläche der verschleißwiderstandsfähigen Schneidelemente eine stumpfe, abgerundete Form hat. Beispielsweise wurde ein Bohrmeißel der erfindungsgemäßen Bauart in einem Bohrloch in West-Texas zum Bohren einer aus schmirgelndem Kalkstein mit Quarz durchsetzten Formation in 3500 m Tiefe verwendet. Hierbei betrug die Bohrleistung 23 m in 23 Stunden oder im Durchschnitt 1 m je Stunde. In einem benachbarten Bohrloch wurden zur Erzielung einer Bohrleistung von 24 m in derselben Formation fünf Bohrmeißel üblicher Bauart benötigt. Diese fünf Bohrmeißel arbeiteten nur mit einer Bohrleistung von 0,7 m je Stunde Bohrzeit, so daß der erfindungsgemäße Bohrmeißel etwa 42% schneller arbeitete als ein Bohrmeißel üblicher Konstruktion. Abgesehen davon mußten bei der Verwendung der üblichen Bohrmeißel fünf Meißelwechsel vorgenommen werden, so daß, wenn man die Auswechselzeit in dieser Tiefe mit 10 Stunden veranschlagt, die Gesamtzeit zum Bohren von 24 m in dieser harten Erdformation bei den fünf Meißeln 84 Stunden betrug, gegenüber einer Gesamtzeit von 33 Stunden bei Verwendung des erfindungsgemäßen Bohrmeißels. Dies zeigt, daß bei Verwendung dieser neuen Bohrmeißel nicht nur ein schnelleres Vortreiben des Bohrlochs erreicht wird, sondern auch die Kosten je Meter sehr erheblich verringert werden können.

Die Abrundung der äußeren Enden der verschleißfesten Schneidelemente kann eine bogenförmige, kugelige, ellipsoide od. dgl. Gestalt auf- iao weisen. Durch diese Ausgestaltung wird einem Abbrechen der Schneidelemente vorgebeugt, da die am meisten verschleißfesten Werkstoffe, wie z. B. Karbide, verhältnismäßig spröde sind. Gleichzeitig läßt sich aber bei dieser Ausgestaltung auch eine hinreichend große, wirksame Schneidfläche am

Boden des Bohrlochs erzielen, so daß eine gleichmäßige Zerkleinerung auf der ganzen Bodenfläche des Bohrlochs ermöglicht wird.

Als Ausführungsbeispiel ist in Fig. ι und 2 ein Bohrmeißel mit drei konischen Schneidwerkzeugen dargestellt, dessen Bohrkopf ι mit einem Gewindezapfen 2 versehen ist, mittels dessen der Bohrkopf am Bohrgestänge befestigt wird. Am unteren Teil des Bohrkopfes sind drei Ansätze 3 vorgesehen, deren nach innen und unten gerichtete Zapfen mit 4 bezeichnet sind. Einer dieser Zapfen ist in Fig. 2 im Schnitt gezeigt. Die die Zapfen 4 umschließenden Schneidwerkzeuge 5 sind auf diesen in geeigneter Weise gelagert, wie z. B. mit den Rollenlagern 6 am inneren Zapfenende, den Kugellagern 7 und dem Lager 8 am äußeren Zapfenende, wobei die Kugellager 7 in bekannter Weise sowohl radial als auch axial belastet sind und dazu dienen, die Schneidwerkzeuge am Zapfen zu halten.

ao Jedes der Schneidwerkzeuge 5 unterscheidet sich von den anderen Schneidwerkzeugen des Satzes. Sie sind deshalb mit verschiedenen Bezugszeichen, nämlich 10, 11 und 12, bezeichnet, wobei das Schneidwerkzeug 10 die der Bohrlochachse am nächsten liegenden Schneidelemente aufweist. Die Speerspitze 13 des Schneidwerkzeuges 10 arbeitet also auf oder ungefähr auf der Bohrlochachse, und die am weitesten untenliegende Reihe 24 der Schneidelemente des Werkzeuges 11 schließt sich daran in Richtung auf den Bohrlochumfang an und darauf die am weitesten untenliegende Reihe 27 der Schneidelemente des Werkzeuges 12.

Bei einer vorzugsweisen Ausführung weist der Körper 20 der Schneidwerkzeuge von einander in Abstand angeordnete ringförmige Erhöhungen auf, die bei dem Schneidwerkzeug 10 von der Speerspitze 13 angefangen mit 21, 22 und 23 bezeichnet sind. Die entsprechenden Bezugszahlen für diese Erhöhungen sind beim Schneidwerkzeug 11 die Bezugszahlen 24, 25 und 26 und beim Schneidwerkzeug 12 die Bezugszahlen 27, 28 und 29. Jede dieser Erhöhungen ist mit einer oder mehreren Reihen von verschleißfesten Schneidelementen versehen, die einzeln mit 30 bezeichnet sind. Diese Schneidelemente oder Einsätze erstrecken sich in den Körper 20 und sind dort so befestigt, daß ihre äußeren Enden aus den entsprechenden ringförmigen Erhöhungen herausragen. Die ringförmigen Erhöhungen können dieselbe Breite haben wie der Querschnitt der Schneidelemente, sind aber im allgemeinen etwas breiter. Abgesehen von den am oberen, weiten Ende der Schneidwerkzeuge liegenden ringförmigen Erhöhungen 23, 26 und 29 sind diese Erhöhungen so angeordnet, daß die Erhöhungen benachbarter Schneidwerkzeuge sich gegenüberliegen, oder, in anderen Worten, jeder Kantenteil einer Erhöhung eines Schneidwerkzeuges befindet sich in der Nähe oder gegenüber des Kantenteils einer Erhöhung eines benachbarten Schneidwerkzeuges. Die vorspringenden Enden der Schneidelemente 30 sind daher so gerichtet und angeordnet, daß sie über den ganzen Bohrlochboden verteilt sind und daß die Reihen der Schneidelemente der einzelnen Werkzeuge ineinanderfassen, so daß nicht nur der am Boden des Bohrlochs für die verschiedenen Teile des Bohrmeißels verfügbare begrenzte Raum voll ausgenutzt wird, sondern auch eine Selbstreinigung des Meißels vor sich gehen kann.

Da auf den mit dem Gestein in Berührung stehenden Schneidelementen beim Bohren mit einem Bohrmeißel von 22,5 cm Durchmesser ein Gewicht von 18000 bis 22000 kg lastet, müssen die Schneidelemente in den in den Erhöhungen der Schneidwerkzeuge für sie gebohrten Löchern auf den Boden dieser Löcher aufsitzen und in diesen sicher, z. B. mit Preß- oder Schrumpfsitz, befestigt sein. Dies kann z. B. dadurch bewerkstelligt werden, daß die Schneidelemente auf eine verhältnismäßig tiefe Temperatur abgekühlt werden, so daß sie dann leichter in die Löcher der ringförmigen Erhebungen eingesetzt werden können, wobei zur Erzielung einer geeigneten Passung der Körper 20 erwärmt werden kann. Sie können auch in eine Gußform eingesetzt werden, so daß sie beim Gießen des Schneidwerkzeuges mit dessen Metall eine haftende Verbindung eingehen und mit dem Schneidwerkzeug einen einzigen einheitlichen Bauteil bilden. Die Erfindung beschränkt sich jedoch nicht auf Schneidwerkzeuge, bei denen die Schneidelemente in einer der bisher erwähnten Weisen befestigt sind.

Man könnte meinen, daß die abgerundeten Schneidelemente die Bohrleistung ungünstig beeinflussen könnte. Überraschenderweise hat sich jedoch gezeigt, wie bereits erwähnt, daß die Bohrleistung beim Bohren von Quarz oder ähnlich harten Formationen bedeutend größer ist als bei Schneidwerkzeugen, deren Schneidelemente Kanten besitzen, die in das zu bearbeitende Gestein eindringen. Außerdem sind die abgerundeten Schneidelemente sehr widerstandsfähig gegen Abbrechen und haben eine große Lebensdauer, da ihr normaler Verschleiß gering ist. Bei normalem Verschleiß behalten die Flächen ihre abgerundete Form, und ihre Schneidwirksamkeit bleibt während einer verhältnismäßig langen Bohrzeit konstant.

Bezüglich der Speerspitze des Schneidwerkzeuges το ist zu beachten, daß sie im Verhältnis zu dem übrigen Teil des Schneidwerkzeuges vorzugsweise verhältnismäßig groß gehalten ist, so daß sie eine große Fläche zur Aufnahme einer größeren Anzahl no von Schneidelementen aufweist, die die Mitte des Bohrlochbodens in wirkungsvoller Weise zerkleinern können und dabei nicht schneller verschleißen wie die übrigen Teile des Schneidwerkzeuges.

Die an der Übergangsstelle von Bohrlochboden und Bohrlochwand arbeitenden Schneidelemente werden am höchsten beansprucht, da die an dieser Stelle zur Zerkleinerung des Gesteins benötigte Kraft größer als an anderen Stellen des Bohrlochbodens sein muß. Der Bohrmeißel muß an dieser iao Stelle verhältnismäßig viel Material entfernen und gleichzeitig die Bohrlochgröße einhalten. Um dies zu erreichen, haben die in den ringförmigen Erhebungen 23, 26 und 29 befestigten Reihen von Schneidelementen dieselbe oder angenähert dieselbe Spur am Boden des Bohrlochs. Diese Teile der

Schneidwerkzeuge erzeugen auch den größten Teil der Zugkraft, die das Rollen der Werkzeuge auf dem Boden des Bohrlochs bewirkt. Dies ist auch der Fall, wenn der Meißel zum Aufweiten des Bohrlochs benutzt werden muß.

Wie in Fig. 2 gezeigt, können die den Bohrlochdurchmesser bestimmenden Schneidelemente so angeordnet sein, daß ihre Achsen in Richtung auf die Übergangsstelle von Bohrlochboden und Wand ίο verlaufen. Vorzugsweise tangieren die Schneidflächen in diesem Fall die der Bohrlochseite zu liegende Fläche 31 und die Bohrlochschneidfläche des Werkzeuges. Bei dieser in Fig. 2 gezeigten vorzugsweisen Bauart sind die Achsen dieser Schneidelemente so gerichtet, daß sie den von der Fläche 31 und der Schneidfläche des Werkzeuges gebildeten Winkel halbieren oder angenähert halbieren. Andererseits können auch diese Schneidelemente eines oder mehrerer der Schneidwerkzeuge im Vergleich zu der in Fig. 1 und 2 dargestellten Anordnung etwas mehr nach außen geneigt sein, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist, in der ein Teil 32 der äußeren Fläche abgeflacht ist, so daß eine größere Fläche zum Bohren am Rand des Bohrlochbodens zur Verfügung steht und die Maßhaltigkeit des Bohrlochs gewährleistet werden kann.

Eine weitere Form der Anordnung der Randschneidelemente ist in Fig. 4 dargestellt, in der die Randschneidelemente im wesentlichen parallel zur Schneidwerkzeugfläche 31 gerichtet sind und im wesentlichen bündig mit dieser Fläche verlaufen. Bei dieser Ausführung bearbeiten die Enden der Randschneidelemente den Bohrlochboden an der Übergangsstelle zur Bohrlochwand, und der Schaftteil der Schneidelemente trägt dazu bei, die Maßhaltigkeit des Bohrlochs zu bewahren und verlängert dadurch die Lebensdauer des Bohrmeißels.

Falls erwünscht, kann die Zylinderfläche 34 dieser Schneidelemente abgeflacht werden, wie dies 4P bei 33 angedeutet ist.

Die in Fig. 5 gezeigte Ausführungsart ähnelt der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsart. Nur liegt hier die Längsseite des Schneidelements 30 parallel in Richtung der Bodenfläche, und das abgerundete Ende 35 dient zur Randbohrung, und die Seitenfläche 36 beteiligt sich an der Zerkleinerung des Bohrlochbodens.

Fig. 6 zeigt eine besondere Ausgestaltung eines

Schneidelements 30', dessen Schaftteil nicht zylindrisch ist, während das äußere, aus der Fläche des Schneidewerkzeuges hervorspringende Ende 38 eine kugelige Form hat.

Fig. 7 zeigt ein im wesentlichen zylindrisches , Schneidwerkzeug 39. Der Körper 20' des Schneid- ! Werkzeuges ist mit ringförmigen Erhebungen 40 j und 41 an seinen beiden Enden und mit einem zwischen diesen Enderhebungen spiralförmig verlaufenden erhöhten Streif en 42 versehen. Jede dieser Erhöhungen 40, 41, 42 besitzt eine Reihe von Schneidelementen 30. Selbstverständlich kann die Anordnung dieser Erhebungen und der Abstand der Schneidelemente auf diesen Erhebungen auch anders sein als hier gezeigt ist.

Die Schneidelemente 30 bestehen aus verschleißwiderstandsfähigem Material, vorzugsweise aus Metallkarbiden, wie Karbiden von Chrom, Molybdän, Tantal, Titan, Wolfram und Vanadium oder aus Karbiden, die mehrere dieser oder anderer Metalle enthalten. Wolframkarbide haben sich für den hier beschriebenen Zweck besonders bewährt. Ebenfalls hat sich gezeigt, daß Schneidelemente dieser Art, die eine Breite von ungefähr 9,5 mm haben und die ungefähr ebenso tief im Körper 20 des Schneidwerkzeuges eingebettet sind, am wenigsten dazu neigen, abzubrechen oder aus dem Schneidwerkzeug herauszufallen.

Der Körper 20 des Schneidwerkzeuges besteht vorzugsweise aus kohlenstoffreichem Stahl. Ein derartiger Stahl hat ungefähr einen doppelt so hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie ein Metallkarbid. Dieser große Unterschied in Temperaturempfindlichkeit muß in Rechnung gezogen werden, da die Temperatur in der Tiefe des Bohrlochs über ioo° C ansteigt, so daß dadurch die Schneidelemente 30 im Körper 20 sich lockern oder von diesem lösen könnten. Bei der hohen Beanspruchung der Schneidwerkzeuge während des Bohrvorgangs muß aber zu jeder Zeit eine gute Haftung zwischen dem Metall des Körpers 20 und den Schneidelementen bei jeder Temperatur bestehen. Ein Mittel zum Erzielen einer solchen Haftung besteht darin, daß die Schneidelemente größer als die sie aufnehmenden öffnungen 43 sind. Der Unterschied in den Abmessungen kann dabei bis zu 0,1-5 mm betragen. Wenn ein Schneidelement von derartiger Übergröße in die Öffnung 43 hineingedrückt wird, treten zwischen dem Metall des Schneidwerkzeugkörpers und den Schneidelementen Dehnungskräfte auf, die eine enge haftende Verbindung zwischen den miteinander in Berührung kommenden Flächen bewirken. Um die Schneidelemente leichter in dieöffnungen einführen zu können, kann man sie an ihren Enden 44 etwas anschärf en. Hierdurch wird nicht nur das Einführen der Schneidelemente in die Öffnungen 43 erleichtert, sondern auch ein kleiner Raum geschaffen, in dem sich beim Einbringen der Schneidelemente von der Wandung des Lochs abgeschertes Material absetzen kann.

Die im vorhergehenden gemachten Angaben über verwendete Materialien und über die Dimensionen einzelner Teile dürfen nicht als eine Begrenzung des Schutzbereichs der Erfindung angesehen werden. - ■ - -

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Drehbohrmeißel, der aus einem Bohrkopf und an diesem drehbar befestigten Schneidwerkzeugen besteht, in deren Oberfläche Reihen von verschleißwiderstandsfähigen Schneidelementen eingesetzt sind, die aus der Oberfläche hervorstehen, dadurch gekennzeichnet, daß die herausragenden Enden der Schneidelemente (30) eine stumpfe, abgerundete Form aufweisen.

2. Drehbohrmeißel nach Anspruch 1, dadurch

• gekennzeichnet, daß die Schneidelemente (30) in um den -Umfang der Werkzeuge (5) herum-

laufende durchgehende, bandartige Erhebungen (23 bis 29, 40 bis 42) eingesetzt sind, die mit Abstand voneinander angeordnet sind.

3. Drehbohrmeißel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die durchgehenden, bandartigen Erhebungen benachbarter Werkzeuge gegeneinander versetzt angeordnet sind, so daß die Reihen der Schneidelemente in an sich bekannter Weise ineinanderfassen.

Angezogene Druckschriften: USA.-Patentschriften Nr. 2244617, 2318370, 2310289;

deutsche Patentschrift Nr. 652 955.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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