DE69531277T2 - Drehbohrmeissel - Google Patents

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Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • „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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Vorzugsweise beträgt der negative Spitzenspanwinkel der seitlichen Bohrkronen wenigstens 20°.
  • 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.
  • 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.
  • (Das „Schneidprofil" des Bohrmeißels ist eine imaginäre Rotationsfläche, ausgeräumt durch die Schneidkanten der Bohrkronen, wenn sich der Bohrmeißel dreht (mit einer Durchdringungsrate von Null)).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Das Folgende ist eine detailliertere Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, wobei Bezug genommen wird auf die beigefügten Zeichnungen, in denen:
  • 1 ein schematischer Längsschnitt durch eine Form eines Bohrmeißels nach der Erfindung ist,
  • 2 ein schematischer horizontaler Schnitt durch eine der Bohrkronen des Bohrmeißels ist,
  • 3 ein schematischer vertikaler Schnitt durch die Bohrkrone ist,
  • 4 ein schematischer horizontaler Schnitt durch eine alternative Form einer Bohrkrone ist,
  • 5 eine perspektivische Ansicht der Bohrkrone von 4 ist,
  • 6 eine ähnliche Ansicht wie 4 ist, welche die Bohrkrone in einer anderen Anordnung zeigt,
  • 7 ein schematischer halber Längsschnitt durch eine andere Form eines Bohrmeißels nach der Erfindung ist,
  • 8 schematisch die Bohrkronenkonfiguration auf einer anderen Form eines Bohrmeißels nach der Erfindung zeigt,
  • 9 eine Draufsicht einer weiteren Form einer Bohrkrone für die Verwendung bei der vorliegenden Erfindung ist,
  • 10 ein Seitenriß der Bohrkrone von 9 ist,
  • 11 ein Aufriß der Bohrkrone von 9 ist,
  • 12 ein schematischer Aufriß eines Teils eines Bohrmeißels ist, der die Verwendung von Pflugbohrkronen illustriert,
  • 13 ein Seitenriß einer typischen Pflugbohrkrone ist und
  • 14 ein Aufriß der Bohrkrone von 13 ist.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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°.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (18)

  1. Rotary-Bohrmeißel, der einen Meißelkörper (10) mit einem Schaft (13) zum Verbinden mit einem Bohrgestänge, eine Vielzahl von auf dem Meißelkörper angebrachten Bohrkronen (17, 19), wobei jede Bohrkrone eine Schneidfläche (20) 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 (17, 19) seitliche Bohrkronen sind, angeordnet, um im Verhältnis zur Mittellängsachse des Bohrmeißels seitwärts auf die gerade gebohrte Formation zu wirken, wobei die Schneidflächen (20) wenigstens einiger der seitlichen Bohrkronen so ausgerichtet werden, daß sie einen negativen Seitenspanwinkel und einen negativen Spitzenspanwinkel im Verhältnis zur Oberfläche der Formation zeigen, und gekennzeichnet dadurch, daß die Schneidflächen (20) wenigstens einiger der seitlichen Bohrkronen wesentlich flach sind, und dadurch, daß die Schneidflächen (24, 25) unterschiedlicher seitlicher Bohrkronen, die in die Formation eingreifen, unterschiedliche negative Seitenspanwinkel haben.
  2. Bohrmeißel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der negative Seitenspanwinkel größer als 20° ist.
  3. Bohrmeißel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der negative Seitenspanwinkel 60° beträgt.
  4. Bohrmeißel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der negative Seitenspanwinkel 90° beträgt.
  5. Bohrmeißel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine einzelne Bohrkrone (23) zwei Schneidflächen (24, 25) in unterschiedlichen negativen Seitenspanwinkeln umfaßt.
  6. Bohrmeißel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelne Bohrkrone (23) ein allgemein zylindrisches Substrat (26), an dem einen Ende mit zwei entgegengesetzt geneigten Flächen (24, 25) geformt, die längs eines Firsts aneinanderstoßen, eine Planscheibe aus polykristallinem Diamanten oder einem anderen superharten Material, die an die Substratflächen bondiert wird und durchgehend über den First verläuft, umfaßt.
  7. Bohrmeißel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel zwischen den Flächen (24, 25) wesentlich 120° beträgt, so daß, wenn die eine der Flächen (25) wesentlich tangential zur Oberfläche (27, 29) des Meißelkörpers liegt, die andere Fläche (24) der Bohrkrone einen Spitzenanschnittwinkel von etwa 30° hat.
  8. Bohrmeißel nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Flächen (46, 47) zylindrisch um eine Achse parallel zum First (45) gekrümmt wird, wobei der Krümmungsradius wesentlich dem Abstand der Fläche (46, 47) in Radialrichtung von der Mittellängsachse des Bohrmeißels entspricht, auf dem die Bohrkrone bei Anwendung angebracht wird.
  9. Bohrmeißel nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der First (45) durch die Mittellängsachse des Substrats (41) geht und in einem rechten Winkel zu derselben verläuft.
  10. Bohrmeißel nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Flächen (46, 47) wesentlich symmetrisch auf jeder Seite des Firsts (45) angeordnet werden.
  11. Bohrmeißel nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung (48) zwischen wenigstens einem Ende des Firsts (45) und der Außenfläche des Substrats (41) sanft gekrümmt wird.
  12. Bohrmeißel nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der negative Spitzenspanwinkel der seitlichen Bohrkronen wenigstens 20° beträgt.
  13. Bohrmeißel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens bestimmte der seitlichen Bohrkronen (19) so auf dem Schneidprofil des Bohrmeißels angeordnet werden, daß sie nach innen an einem Mittelkern (18) der Formation anliegen, der sich von der Sohle des Bohrlochs nach oben erstreckt.
  14. Bohrmeißel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens bestimmte der seitlichen Bohrkronen (17) so auf dem Schneidprofil angeordnet werden, daß sie nach außen an der Formation (15) anliegen, welche die Seiten des Bohrlochs bildet.
  15. Bohrmeißel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die seitlichen Bohrkronen (17, 19) im Verhältnis zur Längsachse des Bohrmeißels in einer abgestuften Konfiguration angeordnet werden, bei der aneinandergrenzende Bohrkronen sowohl in Radialrichtung als auch in Axialrichtung im Verhältnis zueinander versetzt werden.
  16. Bohrmeißel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich auf dem Meißelkörper, am Nasenbereich desselben oder angrenzend an denselben, eine Vielzahl von Pflugbohrkronen (49) angebracht werden, wobei jede dieser Bohrkronen zwei Schneidflächen (55, 56) umfaßt, die an einem nach vorn zeigenden First (57) aneinanderstoßen.
  17. Bohrmeißel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Meißel keinen passiven Kaliberbereich hat, wodurch bei Anwendung die seitliche und Rotationsstabilität des Bohrmeißels nur durch den Eingriff zwischen den Bohrkronen (30, 30A) und der Formation gewährleistet wird und es keinen Teil des Umfangs des Meißels gibt, der an der Formation anliegt und frei von Bohrkronen ist.
  18. Bohrmeißel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jede Bohrkrone (17, 19, 23, 30, 30A, 41) eine vorgeformte PDC-Bohrkrone ist, die eine Platte, zum Beispiel kreisförmig oder teilkreisförmig, umfaßt, hergestellt aus einer superharten Scheibe aus polykristallinem Diamanten, welche die vordere Schneidfläche des Elements bereitstellt, bondiert an ein Substrat aus einem weniger harten Material, wie beispielsweise gesintertem Wolframkarbid.
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