DE2655488C2 - Drehbohrmeißel - Google Patents

Description

ίο Die Erfindung betrifft einen Drehbohrmeißel zum Gesteinsbohren, mit einem eine Drehachse aufweisenden Werkzeugkörper und mehreren Diamantschneiden, von denen jede eine für die Abtragung der Bohrlochsohle vorgesehenen Schneidkante besitzt die unter einem bestimmten Anstellwinkel aus dem Werkzeugkörper hervorsteht wobei das Gestein in mehreren zur Drehachse des Werkzeugkörpers konzentrischen Bahnen abscherbar ist.
Es gibt zwei Grundtypen von rotierenden Bohrwerk-

zeugen zum Anbohren von Ölvorkommen, Entnehmen von Gesteinsproben und dergleichen: Die eine Bohrwerkstype besteht aus auf der Bohrlochsohle sich abwälzenden Schneidrollen, die eine Meißelbewegung ausführen, und die andere Bohrwerkstype besteht aus Schneidwerkzeugen mit gehärteten Oberflächen, meistens mit eingesetzten Diamantschneiden, die ein Frässchneiden durchführen. Beide Bohrwerkzeugtypen haben aufgrund ihrer spezifischen Eigenschaften Vor- und Nachteile. Während die eine Meißelbewegung ausführenden Schneidrollen verhältnismäßig unempfindlich sind, wird das Bohrgut in verhältnismäßig grober Form herausgebrochen, so daß die Bohrwandungen ebenfalls verhältnismäßig grob ausfallen. Dagegen ist es mit Diamantschneiden aufgrund des Fräsvorganges möglich, eine feinere und maßhaltigere Oberflächenstruktur der Bohrung zu erzielen, solche Diamantschneiden sind jedoch verhältnismäßig anfällig gegen Überlastungen.

Es sind auch bereits kombinierte Drehbohrmeißel mit sowohl Schneidrollen als auch mit Diamanteinsätzen bekannt mit denen die Schneidrollen den größeren Teil des Bohrvolumens bearbeiten, während die Diamantschneiden für eine glatte Oberflächenstruktur des Bohrloches bzw. des Bohrkernes sorgen (US-PS 17 31 262, 20 54 277,25 20 517 und 31 74 564).

In jüngster Zeit sind neue Diamantschneiden auf den Markt gekommen, die aus einem Wolframkarbidklotz bestehen, auf den ein etwa 0,5 mm dickes Diamantplättchen von etwa 8 mm Durchmesser fest aufgebracht ist. Der Wolframkarbidklotz wird so in einen Bohrwerkzeugkörper eingesetzt, daß das Diamantplättchen daraus mit dem richtigen Schneidwinkel hervorsteht. Ein solches mit Diamantschneiden besetztes Bohrwerkzeug hat eine gute Arbeitsgeschwindigkeit in verschiedenen Gesteinsarten und eine sehr hohe Lebensdauer. Unter harten Betriebsbedingungen tauchten jedoch Probleme durch das Abbrechen der Diamantplättchen auf; dieses Problem bestand insbesondere bei durchsetzten Gesteinsformationen, wo ein schneller Wechsel zwischen relativ weichem und relativ hartem Gestein auftritt, insbesondere dann, wenn die Wechseiform ation steil zum Bohrloch verläuft.

Da Diamantschneiden besonders empfindliche gegen Überlastung sind, können sie bei solchen Einsätzen leicht orechen. Außerdem können plötzliche Änderungen in der Gesteinbhärte die Diamantschneiden stoßartig belasten und zerstören. Die Folge davon ist, daß man bei durchsetzten Gesteinsformationen meist mit Bohrbelastungen gearbeitet hat, die beträchtlich unter der

optimalen Bohrleistung liegen, um das Diamantbohrwerkzeug zu schützen. Dies führte jedoch zu unerwünscht niedrigen Bohrleistungen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Drehbohrmeißel der eingangs genannten Art aufzuzeigen, bei dem die Diamantschneiden auch bei problematischem Gestein, insbesondere bei Wechselformationen gegen Abbrechen geschützt sind, ohne daß hierzu die optimale Vorschubgeschwindigkeit reduziert werden müßte.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Einrichtungen vorgesehen sind, mittels derer die Eindringtiefe der Diamantschneiden in das Gestein auf weniger als jenes Maß zu begrenzen ist, welches die Diamantschneiden aus dem Werkzeugkörper herausragen, und die aus mehreren Schneidiolien bestehen, die am Werkzeugkörper gelagert sind und von denen eine jede mehrere Metallkarbid-Einsätze trägt, die um ein geringeres Maß aus der Oberfläche der Schneidrolle vorstehen als die Diamantschneiden axial aus dem Werkzeugkörper herausragen, und mittels derer das Gestein entlang einer Bahn abtragbar ist, die konzentrisch zu jenem Bohrlochsohlenabschnitt verläuft, der mittels der Diamantschneiden abscherbar ist.

Das Prinzip der Erfindung besteht also darin, Mittel am Bohrwerkzeug vorzusehen, welche die maximale Eindringtiefe der Diamantschneiden in das Gestein begrenzen.

Aus der DE-AS 13 01 784 ist zwar ein Kombinationsbohrmeißel bekannt, bei dem die Schneidelemente der Meißelrollen und der Frässchneider in gleichen Bahnen im Bohrloch laufen, und aus der US-PS 32 69 469 ist es bekannt, Hartmetalleinsätze und die Zähne einer Schneidrolle in gleichen Bahnen und zusätzlich in eigenen Bahnen zu bewegen, in beiden Fällen sind jedoch keinerlei Vorkehrungen getroffen, um den Frässchneider bzw. die Hartmetalleinsätze in ihrer Eintauchtiefe zu begrenzen, um ein Abbrechen zu vermeiden. Bei der Konstruktion dieser Teile ist ein Abbrechen auch nicht zu befürchten. Weiterhin ist es aus der US-PS 38 71 488 bekannt. Führungselemente vorzusehen, die das Bohrwerkzeug zum Erreichen einer maßhaltigen Form des Bohrloches führen sollen. Doch auch bei dieser Konstruktion ist ein Schutz der Frässchneiden nicht vorgesehen und auch nicht erforderlich. Auch die bereits an früherer Stelle genannten US-Patentschriften 25 20 517 und 31 74 564, die sich auf Kombinationswerkzeuge beziehen, weisen keinerlei Schutzmaßnahmen für das Frässchneidwerkzeug gegen Abbrechen auf.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Nachstehend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf eine Zeichnung näher erläutert Darin zeigen

F i g. 1 und 2 ein erfindungsgemäßes Bohrwerkzeug im Längsschnitt bzw. in Endansicht,

F i g. 3 eine halbschematische Darstellung bezüglich der Verhältnisse zwischen Diamantschneiden und RoIlkegelschneidelementen an dem Werkzeug,

Fig.4 eine perspektivische Darstellung einer Diamantschneide,

F i g. 5 eine halbschematische Endansicht eines anderen, nach der Prinzipien der Erfindung konstruierten Bohrwerkzeugs,

Fig.6 wieder eine Endansicht eines anderen erfindungsgemäßen Bohrwerkzeugs, und

F i g. 7 schließlich die Endansicht eines weiteren erfmdungsgemäßen Bohrwerkzeugs.

F i g. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel für ein mit Diamantschneiden und Rollkegelschneidelementen besetztes Bohrwerkzeug im Längsschnitt, während bei der Endansicht in F i g. 2 die eingesetzten Diamantschneiden fortgelassen sind, um die Ausrichtung der Löcher zu zeigen, in denen sie normalerweise stecken.

Gemäß Fig. 1 besitzt das Bohrwerkzeug einen aus Gründen der Fertigungserleichterung aus mehreren Stücken zusammengeschweißten Werkstückkörper mit vier L-förmigen wärmebehandelten Beinen 10 aus Stahl,

ίο von denen jeder einen konventionellen Lagerzapfen zur Aufnahme je eines Rollkegelschneidelementes 11 trägt. Die Beine 10 sind an ein Unterteil des Werkzeugkörpers 12 angeschweißt, während oberseitig auf den Werkzeugkörper 12 ein Schaftstück 13 mit konventionellem Bohrwerkzeug-Gewindezapfen 14 aufgeschweißt ist. Werkzeugkörper 12 und Schaftstück 13 sind durchsetzt von einem Axialkanal 16, worin sich im Betrieb ein konventioneller Kernfänger zum Aufnehmen von Kernen befindet, die von dem Kernbohrer ausgebohrt werden.

Am unteren Kanalende und oberhalb der Schneidebene befinden sich vier Oberflächenabschnitte 17, welche zusammen einen Zylinder bilden, dessen Durchmesser nur wenig größer ist als der Durchmesser des vom Werkzeug hergestellten Kernes. Diese Oberflächenabschnitte 17 befinden sich auf der Innenseite von vier Armen 18, die in Abständen zwischen den vier Rollkegelschneidelementen 11 verteilt sind. Diese Arme 18 tragen in F i g. 18 eingebaut dargestellte Diamantschneiden 15. F i g. 2 zeigt die zur Aufnahme der Diamantschneiden 15 vorgesehenen sechs flachbodigen Löcher 19, eingebohrt in die Enden der Arme 18. Die Diamantschneiden 15 sind gemäß nachstehender Beschreibung in Schneidreihen eingeteilt, und dementsprechend sind die Löcher 19 mit A, Boder Cbezeichnet. Jedes Loch 19 steht unter einem Winkel zur Werkzeugachse, der das eingesetzte Schneidwerkzeug bzw. die Diamantschneide 15 entsprechend ausrichtet. Am besten läßt sich die unterschiedliche Winkelstellung der Achsen der Löcher 19 aus der halbschematischen Darstellung in F i g. 3 entnehmen, wo die Diamantschneiden mit ihren verschiedenen Schneidbahnen bzw. -Reihen sichtbar sind.

Fig.4 zeigt einen solchen, vorstehend als Diamanlschneide 15 bezeichneten Schneideinsatz, wie er unter der Handelsbezeichnung COMPAX von der General Electric vertrieben wird. Der Diamant besitzt hier die Form eines Plättchens 21 von etwa 0,5 mm Dicke und etwa 8 mm Durchmesser. Es handelt sich hier nicht um einen einzigen Kristalldiamanten, sondern um eine Diamant-Diamant-Verbindung von polykristallinem Material. Das Diamantplättchen 21 ist durch Kleben oder in anderer Weise fest mit einem Wolframkarbidzylinder 22 verbunden, und dieser ist wiederum auf einen Wolframkarbidklotz 23 hart aufgelötet Der Klotz 23 von etwa 12 mm Durchmesser ist mit Preßsitz in das entsprechend gebohrte Loch 19 des Werkzeugkörpers eingesetzt

Gemäß F i g. 4 ist der Wolframkarbid-Zylinder 22 mit einem schmalen Überhang von etwa 0,2 mm auf einen abgerundeten Nasenabschnitt 25 des Wolframkarbidklotzes 23 aufgelötet Der Überhang stellt die nötige Hinterschneidung für das Diamantplättchen 21 dar. Außerdem ist der Wolframkarbidzylinder 22 mit dem darauf befestigten Diamantplättchen 21 relativ zur Achse des Klotzes um einen Winkel nach rückwärts (in F i g. 4 nach unten) geneigt, der in der Größenordnung von etwa 5° bis 15° liegt, so daß das Diamantplättchen das Gestein mit einem Anstellwinkel von etwa —5° bis — 15° bearbeitet Anstellwinkel zwischen 0° bis etwa

— 20° erscheinen geeignet. Es gibt COMPAX-Diamantschneiden mit Karbidklötzen in einigen unterschiedlichen Längen zwischen 22 und 28 mm, um mit verschiedenen gewünschten Abständen der Diamantplatte vom Werkzeugkörper oder mit unterschiedlichen Lochtiefen Übereinstimmung zu erzielen.

Die Rollkegelschneidelemente 11 sind im wesentlichen von konventioneller Bauart. Bei dieser Ausführung hat jedes Element entweder zwei oder drei innere Reihen von Wolframkarbideinsätzen 26, und außerdem eine äußerste Reihe von Karbideinsätzen 28, die man gewöhnlich als Kalibrierreihe bezeichnet. Letztere bearbeiten den Bohrlochumfang und sorgen für dessen Maßhaltigkeit. Die Abstände der Einsätze innerhalb der Reihen 26 und 28 kann man bei jeden Rollkegelschneidelement 11 individuell so variieren, daß bei minimalem Nachlauf maximaler Schneideffekt erzielt wird. Die inneren Reihen von Einsätzen 26 in den verschiedenen Rollkegelschneidelementen befinden sich auf unterschiedlichen Radialabständen gegenüber der Werkzeugachse. Auf diese Weise werden fünf »Rillen« durch die innere Reihe, und eine von der Kalibrierreihe ausgearbeitet. Dadurch entstehen effektiv sechs verschiedene ringförmige »Rillen« im Boden des gerade hergestellten Bohrloches. Natürlich kann der Fachmann auch davon abweichende Muster erzeugen, immer mit dem Ziel, die ganze Stirnfläche des Bodens des gerade gebohrten Loches zu bearbeiten.

In F i g. 3 sind die in die Löcher 19 eingesetzten Diamantschneiden 15 analog zu den Lochreihen A, B und C mit ISA 15ß bzw. 15C bezeichnet. Auf der linken Seite dieser Darstellung sind die Schneidelemente so um die Achse des Werkzeugs herumgruppiert, als ob sie alle in einer gemeinsamen Radialebene lägen. Das setzt eine beträchtliche Überlappung der Befestigungsabschnitte der Schneidelemente voraus, die es in Wirklichkeit nicht gibt. Hier ist der Zweck lediglich der, die relativen Lagebedingungen der Schneidabschnitte darzustellen.

Aus dieser Sicht befindet sich die Kalibrierreihe mit den Einsätzen 28 offensichtlich nahe einer Bohrlochwandung 29, während die restlichen Einsätze 26 in den inneren Reihen der Rollkegelschneidelemente einen großen Teil eines Ringraumes zwischen der Bohrlochwandung 29 und einem zylindrischen Gesteinskern 32 herausschneiden, welcher in den Axialkanal 16 eintritt Man bemerke, daß zwar eine große Anzahl von Karbideinsätzen in jeder der Reihen 26 und 28 bei den Rollkegelschneidelementen vorhanden ist, während zu jeder der Reihen A, B und C nur zwei Diamantschneiden 15 gehören.

Das innerste Diamantschneidenpaar 15Λ bearbeitet den Gesteinskern 32 auf Maß, während die anderen beiden Diamantschneidenpaare 155 und 15C den Rest des Ringraumes zwischen Diamantschneide 15A und der innersten Reihe 31 der Karbideinsätze bearbeiten. Zwar befinden sich die verschiedenen Einsätze und Diamantschneiden innerhalb mehrerer konzentrischer Rillen auf dem Bohrlochboden, aber sie sind so angeordnet, daß sie ein Profil schneiden, welches im wesentlichen kontinuierlich bzw. glatt gekrümmt über den Ringraum hinweg vom Kern bis zur Bohrlochwandung verläuft Natürlich sind auch andere Anordnungen möglich, bei denen die Diamantschneiden dem Schnitt durch die Karbideinsätze vorlaufen oder nacheilen, aber die dargestellte Anordnung wird bevorzugt für minimalen Kernbruch. Um eine »Stufe« am Bohrlochboden zu vermeiden, vermeidet man die Bildung von extrem großer Chips. Große Chips von der Kante einer solchen Stufe kann zu Stoßbelastungen an den Diamantschneiden und damit zu ihrer Zerstörung führen. Dieses Prinzip ist anwendbar ohne Rücksicht darauf, ob ein Kern gebohrt oder die Gesamtfläche des Bohrlochbodens bearbeitet wird.

Gemäß F i g. 3 geht die Schneidkurve am Bohrlochboden mit je einer relativ sanften Krümmung in den Gesteinskern 32, und noch etwas weicher in die Bohrlochwandung 29 über. Dadurch werden Spannungskonzentrationen und Kernbrüche vermieden.

Eine wichtige Aufgabe der Rollkegelschneidelemente ist die Begrenzung der Eindringtiefe der Diamantschneiden; diese sollten nämlich nicht mehr als etwa V₄ der Länge des Diamantplättchens eindringen. Unter Plättchenlänge versteht man deren Ausdehnung parallel zur Bohrlochachse. Da das COMPAX-Diamantpiättchen etwa 8 mm Durchmesser hat, ist die bevozugte Eindringtiefe nicht größer als etwa 6 mm. Bei größeren Eindringtiefen kann der Karbidklotz überlastet werden und brechen. Ferner kommt es zu Stoßbelastungen und zum Bruch an den Diamantschneiden, wenn man bei hoher Vorschubgeschwindigkeit bzw. Eindringtiefe auf gemischte Felsformationen trifft. Hält man sich aber an die Regel, die Eindringtiefe nicht größer als ³Λ der Plättchenlänge einzuhalten, dann kann man mit einer normalen Lebensdauer durch Abnutzung rechnen, Brüche sind dann unwahrscheinlich. Vorzugsweise wählt man die Eindringtiefe nicht größer als etwa 2,5 mm, um die Stoßbelastung bei durchsetzten Gesteinsformationen gering zu halten.

Die Eindringtiefe der Diamantschneiden wird begrenzt durch das Hervorstehen der Karbideinsätze aus dem Körper der Rollkegelschneidelemente. Die Karbideinsätze können beim Bohren nicht tiefer in das Gestein eindringen als sie aus der Oberfläche der Rollkegelschneidelemente hervorstehen. Die tatsächliche Eindringtiefe ist gewöhnlich kleiner als die volle Vorstehstrecke der Karbideinsätze, weil sich Gesteinsabrieb dazwischensetzt. Begrenzt man also die Vorstehstrecke der Karbideinsäize aus den Rollkegelschneidelementen auf ein Bruchteil der Länge der Diamantplatte, dann wird dadurch die Eindringtiefe der Diamantplatte ebenfalls begrenzt
Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Länge der Diamantplatte etwa 8 mm, und die Karbideinsätze stehen etwa 6 mm aus den Rollkegelschneidelementen hervor. Wegen des sich beim Bohren zwischensetzenden Gesteinsmaterials ist die tatsächliche Eindringtiefe der Diamantschneiden in das Gestein aber geringer als

die volle Länge der Karbideinsätze. Üblicherweise dringen die Diamantplättchen nicht tiefer als etwa V3 ihrer Länge in das Gestein ein.

Vorzugsweise stehen die Karbideinsätze mehr als V4 der Länge der Diamantplättchen aus den Rollkegelschneideinsätzen hervor. Ist die Vorstehstrecke kleiner, dann wird die Schneidarbeit der Diamantschneiden unnötig begrenzt und nicht die volle Leistung erzielt

Die Anwendung der Erfindung auf die Begrenzung der Eindringtiefe von Diamantschneiden beschränkt sich nicht auf das zuvor beschriebene Gesteinskernbohren. Beispielsweise zeigt F i g. 5 ein Gestein bohrwerkzeug zum Bohren eines kernlosen Loches mit Hilfe von Rollkegelschneidelementen und Diamantschneiden. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird der Mittelteil des Loches durch Rollkegelschneidelemente 41, und der umgebende Ringraum durch Diamantschneiden bearbeitet

Bei dem Werkzeug von F i g. 5 sind drei konventionelle Rollkegelschneidelemente 41 so im Mittelteil des

Bohrwerkzeugs angeordnet, daß ihre Nasenenden in konventioneller Weise die Bohrlochinitte bearbeiten; ihre Anordnung entspricht der eines konventionellen Drei-Kegel-Gesteinswerkzeugs. Jedes Element besitzt mehrere Reihen von vorstehenden Karbideinsätzen 42, die so gestaffelt sind, daß die gesamte Fläche bearbeitet wird und kein Nachlauf erfolgt.

Der Werkzeugkörper 40 ragt radial nach außen über die Schneidbahn der Rollkegelschneidelemente 41 hinaus, und dort sind mehrere Diamantschneiden 43 auf mehreren Kreisbahnen angeordnet, um Gestein in dem außerhalb der Reihen von Einsätzen der Kegelelemente befindlichen Ringraum zu bearbeiten. Bei diesem Ausführungsbeispiel handelt es sich um die gleichen Diamantenschneiden wie in F i g. 4 dargestellt, zur Vereinfachung sind sie jedoch in F i g. 5 einfach als Halbkreise dargestellt, welche die Schneidrichtung erkennen lassen. Sämtliche Diamantplättchen sind einer Umfangsrichtung um das Bohrwerkzeug herum zugekehrt. Ferner sind Fluiddüsen 44 im Werkzeugkörper angeordnet, um Bohrflüssigkeit in die Bereiche um die verschiedenen Schneidelemente zu leiten, mit welcher der Gesteinsbohrabrieb aus dem Loch gespült wird. Umfangsaussparungen 45 oder andere freie Räume ermöglichen den Fluid-Rückstrom.

Beim Gesteinsbohren mit Rollkegelschneidelementen ist oft -die Maßhaltigkeit des Bohrloches ein Problem. Darum haben typische Karbideinsatz-Gesteinsbohrwerkzeuge eine volle Reihe von Einsätzen in der Kalibrierreihe jedes Kegelelementes, und diese Einsätze sind üblicherweise eng gestaffelt, damit über die Gesamtlebensdauer des Werkzeugs hinweg maßhaltige Löcher gebohrt werden. Wegen der Reibung an der Bohrungswandung unterliegen die Einsätze der Kalibrierreihe einer beträchtlichen Abnutzung. Karbideinsätze eignen sich gut für die Hack-Mahl-Operation am Bohrlochboden, aber weniger zum Räumen der Bohrlochseiten. Durch Abnutzung der Kalibrierreiheneinsätze ergeben sich zu enge Lochwandungen, und das gibt später Ärger beim Auskleiden oder beim Einsetzen neuer Werkzeuge in das Loch.

Für viele dieser Probleme schafft das Ausführungsbeispiel von F i g. 5 Abhilfe, weil von der äußersten Reihe der Einsätze der Rollkegelschneidelemente 41 nicht die Maßhaltigkeit des Bohrloches abhängig ist, vielmehr sorgen die äußeren Diamantschneiden 43 für die genauen Lochabmessungen, und die sind bestens geeignet für das Räumschneiden, wie oben beschrieben. Da sich diese Diamantschneiden in einem relativ großen Durchmesserbereich des Werkzeugs befinden, kann man auch eine relativ große Anzahl unterbringen, was zu einer verringerten Abnutzung führt Eine zufällige Beschädigung einiger Einsätze beeinträchtigt noch nicht die Arbeitsqualität des Werkzeugs. Wenn gewünscht, kann man eine einzige Reihe von Diamanteinsätzen in der Kalibrierreihe eines ansonsten konventionellen Drei-Kegel-Werkzeugs unterbringen. Auf diese Weise kann man das Bohrloch auf volles Maß durch Diamantschneiden räumen, während der Bohrlochboden von den RoIlkegelschneideinsätzen bearbeitet wird.

Beim dargestellten Ausführungsbeispiel hat der Werkzeugkörper 40 drei nach unten ragende Beine, so daß die Diamantschneiden 43 ein Schnittprofil bilden, das im wesentlichen eine Fortsetzung des von den RoIlkegelschneidelementen 41 geschnittenen Profils ist Auf diese Weise wird der Boden des Bohrloches durch eine Anzahl von konzentrischen Rillen ohne ausgeprägte Stufen dazwischen gebildet Dadurch gibt es keine übermäßig großen Brocken, die sich nicht anständig von der Werkzeugoberfläche freispülen ließen und den Bohrvorgang stören oder die Diamantschneiden beschädigen könnten. Man kann beliebig die Diamantschneiden

vor oder nach den Rollkegelschneidelementen laufen lassen, um in unterschiedlichen Ebenen im Loch zu arbeiten.

Die Karbideinsätze 42 stehen aus der Oberfläche ihres Rollkegelschneidelementes um 1 Stück weniger als

ίο die Länge der Diamantplatte auf den Diamantschneiden hervor. Das begrenzt die Eindringtiefe der Diamantschneiden im Sinne der vorstehenden Beschreibungsteile. Das Verhältnis zwischen der Vorstehstrecke der Karbideinsätze und der l."-.rss der Diamantplatten ist vorzugsweise das Gleiche wie zuvor beschrieben. Begrenzung der Eindringtiefe bedeutet längere Lebensdauer der Diamantschneiden.

Beim Ausführungsbeispiel von F i g. 6 trägt ein Werkzeugkörper 51 auf seiner Oberfläche mehrere Diamant-

schneiden 52 in einer Verteilung, die im wesentlichen vollflächiges Schneiden erlaubt. In der Mitte verbleibt ein relativ kleines Loch 53, weil Räumschneiden im Bereich der Werkzeugmittelachse ziemlich sinnlos ist. Ein durch das Loch 53 hindurchtretender kleiner Gesteinskern gelangt an einen nicht dargestellten Kernbrecher im Werkzeugkörper.

Die Stirnfläche des Bohrwerkzeugs von Fig.5 iii nicht eben, sondern vorzugsweise wie ein Spritzkuchen oder Torus geformt, also in der Nähe vom Umfang und vom Loch 53 vertieft, während der Zwischenbereich erhaben ist. Da die Diamantschneiden überall um die gleiche Strecke aus dem Werkzeugkörper vorstehen, entspricht die Arbeitsoberfläche im Betrieb im wesentlichen der unteren Werkzeugkörper-Oberfläche. Diese Konfiguration hat sich am besten bezüglich der Bohrflüssigkeitszirkulation aus Düsen 54 im Betrieb bewährt. Zur Schonung der Diamantschneiden wird ihre Eindringtiefe bei diesem Ausführungsbeispiel durch konische Rollen 56 begrenzt, die in bezug auf minimalen Schlupf auf dem Bohrlochboden zur Verminderung der Abnutzung drehbar gelagert sind. Diese aus gehärtetem Stahl oder hart beschichteten Rollen 56 tragen keine Karbideiii?ätze auf ihren Oberflächen, sondern sind vielmehr glatt und übereinstimmend mit dem gebohrten Bohrlochboden geformt

Da die Rollen etwas hinter die Schneidebene der Diamantschneiden 52 zurückgesetzt stehen, kommen sie beim Bohren nicht in Kontakt mit unbearbeitetem Gestein. Erst bei einer unbeabsichtigten Überlastung durch Bohrwerkzeugs bei bestimmten Erdformationen, wenn die Diamantschneiden sonst zu tief eindringen würden, berühren die Rollen den Bohrlochboden und begrenzen damit die Eindringtiefe. Die Rollen nehmen daher die Überlastkräfte auf und nicht die Diamantschneiden. Dadurch werden letztere geschont und leben langer, besonders beim Bohren in durchwachsenen Erdformationen, was für solche Bohrwerkzeuge besonders abträglich ist Die Rollen 56 stehen vorzugsweise um etwa ³Λ der Diamantplättchenlänge auf den Diamantschneiden

ω zurück. Auf diese Weise können die Diamantplättchen nicht mehr als um diesen Betrag eindringen, und in der Praxis noch weniger, weil Gesteinsabrieb dazwischen sitzt

Anstelle der Rollen 56 könnte man bei dem Ausführungsbeispiel von Fig.6 auch Gleitflächen mit harter Oberfläche verwenden, besonders dann, wenn die Überlastung erwartungsgemäß intermetierend und nicht häufig auftritt Wegen der hohen Reibung fressen solche

angelegt wird.

Die Diamanischneiden scheren, während sie über das Gestein hinwegschaben. Dadurch ist eine durch eine Diamantschneide gegrabene Rille relativ glatt, lediglich die vom Gestein gelösten Brocken können eine leicht aufgerauhte Oberfläche hinterlassen.

Da die Diamantschneiden bei dem Ausführungsbeispiel von F i g. 7 auf den gleichen Ringbahnen laufen wie die Karbideinsätze der Rollkegel, werden die von letzteren geformten Rillen durch die Diamantschneiden geglättet. Dadurch wird die Diamantschneiden-Belastung bei einem gegebenen Volumen an geräumtem Gestein reduziert. Auch wird verhindert, daß die Karbideinsätze der Rollkegelschneideinsätze immer wieder die gleiche Stelle auf dem Bohrlochboden berühren und ungenügend Leistung erbringen. Somit ist eine Kombination aus Diamantschneiden und Rollkegelschneideinsätzen an einem Gesteinsbohrer wenn beide auf dem gleichen Bohrlochbodenprofil bohren, wirksamer als andere Bauarten, wo entweder nur Diamantschneiden oder nur Rollkegelschneideinsätze vorhanden sind.

Abweichend gegenüber F i g. 7 kann man auch ein ähnliches Werkzeug so ausbilden, daß an unterschiedlichen Stelle gebohrt wird, wobei nur ein Teil des Bohr-

Bahn in den Bohrlochboden, wenn das Bohrwerkzeug 25 lochbodens gleichzeitig durch die Karbideinsätze und rotiert, wobei die Reihen 66 des einen Rollkegels gegen- die Diamantschneiden bearbeitet wird.

In

Gleitflächen enorm Leistung, die sich in hohe Temperaturen an den Schneidoberflächen umsetzt. Rollen als Eindringtiefenbegrenzer sind also besser.

Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 7 überlappen sich — im Gegensatz zu den Ausführungen von Fig. 1 bis 5 — die Diamantschneiden und die Karbideinsätze auf den Rollkegelschneideinsätzen gegenseitig im Bohrlochbodenbereich, d. h. zumindest einige der Diamantschneiden und Karbideinsätze folgen den gleichen ringförmigen Bahnen auf dem Bohrlochboden.

Cei dieser Ausführung sind zwischen zwei nach unten stehenden Armen 61 zwei Rollkegelschneidelemente 62 mit Karbideinstäzen angeordnet, und ein Axialloch 63 im Werkzeugkörper führt zu einem konventionellen, nicht dargestellten Kernbrecher, so daß der vollständige Bohrlochquerschnitt gebohrt wird, jeder der Rollkegelschneideinsätze 62 besitzt eine Kalibrierreihe 64 von Wolframkarbideinsätzen, die für Maßhaltigkeit im Bohrloch sorgen. Einer der Rollkegelschneideinsätze besitzt zwei weitere Reihen 66 von Wolframkarbideinsätzen weiter einwärts, und der andere Rollkegeleinsatz 62 besitzt drei weitere Reihen 67 von Wolframkarbideinsätzen einwärts von der Kalibrierreihe. Jede dieser Reihen von Karbideinsätzen bohrt eine ringförmige

über den anderen Reihen 67 des anderen Rollkegels so versetzt sind, daß innerhalb der Kalibrierreihe 64 fünf ringförmige Bahnen gebohrt werden. Auf diese Weise erzielt man durch die versetzten Reihen größte Festigkeit im Kegel und kann dennoch den gesamten Bohrlochboden bearbeiten.

Der Boden jedes Armes 61 hat etwa das gleiche Profil wie die Rollkegelschneideinsätze 62. An jedem Arm sind drei Diamantschneiden 68 zum Kalibrieren des Bohrloches angebracht. Die auch in F i g. 7 wieder nur schematisch dargestellten Diamantschneiden sind die gleichen wie in Fig.5 und 6 und entsprechen dem in Fig.4 dargestellten Typ. Die Diamantschneiden 68 bohren die

Fig. 7 stehen die Karbideinsätze der Rollkegelschneideinsätze ein Stück weniger als die Gesamtlänge der Diamantschneiden aus der ICegeloberfläche hervor. Dadurch wird die Eindringtiefe der Diamantschneiden begrenzt, und das Diamantplättchen darauf geschont. Abweichend von den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen können anstelle der handelsüblichen, mit Diamantschneiden besetzten Karbidklötze auch andere Räumschneiden verwendet werden, und sie müssen auch nicht unbedingt einen zylindrischen Umriß haben.

So können in einigen Ausführungen Räumschneiden aus Wolframkarbid oder anderen harten Materialien

gleiche Ringbahn aus wie die Kalibrierreihen-Karbid- 40 benutzt werden, und zwar in Verbindung mit Rollen als

einsätze 64 auf den beiden Rollkegelschneideinsätzen Eindringtiefenbegrenzungselemente, welche schwere

62. Axialbelastungen aufnehmen können. Die Eindringtie-

Zusätzliche, weiter innen auf den Armen angeordnete fenbegrenzungselemente sind besonders dann wertvoll,

Diamantschneiden 69 sind auf ringförmigen Bahnen an- wenn die Räumschneiden hart und abnutzungsresistent

geordnet, welche den durch die Karbideinsatzreihen 66 45 sind, aber durch Stoßbelastung oder zu große Eindring- und 67 auf den Rollkegelschneideinsätzen gebohrten

Bahnen entsprechen. Das heißt, auf dem Bohrlochboden werden ringförmige Bahnen gleichzeitig durch die Karbideinsätze und die Diamantschneiden ausgearbeitet.

Wie schon erwähnt, haben die Karbideinsätze auf Koilkegeischneideinsätzen konventioneii zweierlei Wirkung:

Schneidet die Kegelachse die Achse des Gesteinsbohrers, dann wird das Gestein durch die Karbideinsätze aufgrund des auf das Bohrwerkzeug übertragenen hohen Gewichtes zermahlen. Ist die Achse eines Schneidkegels etwas gegenüber der Bohrwerkzeugachse versetzt, dann gleitet der Kegel etwas, und dann tritt beim tiefe beschädigt werden können. Die erfindungsgemäße Lösung eignet sich weniger für Stahl-Räumwerkzeuge für weiche Formationen.

Falls erwünscht, kann man Diamantschneiden in der Nähe der Bohrlochmitte (mit oder ohne Kern) und am Bohrlochrand verwenden, in Verbindung mit Karbidein-Säiz-Schneidrolieu, welche einen Ringraurn dazwischen ausarbeiten. Es sind auch noch andere Modifikationen und Variationen möglich.

Zusammengefaßt handelt es sich hier um ein Gesteinsbohrwerkzeug wie beschrieben, zum Herstellen von Ölbohrungen, zum Entnehmen von Kernproben u.dgl. Bei allen Ausführungsbeispielen sind mehrere Diamantschneiden zur abscherenden Bearbeitung des

Bohren zusätzlich eine Auskehlwirkung auf. Diese 60 Gesteins vorhanden, jeweils in Form eines dünnen Diadurch Versatz bewirkte Auskehlwirkung eignet sich für mantplättchens auf einem in den Werkzeugkörper einrelativ weiches Gestein. Dagegen eignet sich die primä- gesetzten Karbidklotz. Ferner sind Mittel zur Begren-Zermahlwirkung des nicht-versetzten Bohrwerk- zung der Eindringtiefe der Diamantschneiden in das ge-

zeugs für relativ hartes Gestein. bohrte Gestein vorhanden in Form von kegelförmigen

In F i g. 7 kann man die Rollkegelschneideinsätze ver- 65 Schneidrollen, von deren Oberfläche mehrere Karbidseizen oder nicht versetzen. In jedem Falle sind die einsätze hervorstehen. Die Karbideinsätze stehen wenidurch die Reihen der Karbideinsätze gebohrten Bahnen ger aus der Oberfläche der Schneidrollen heraus als die rauh, weil die Belastung auf das Gestein intermetierend Diamantplättchen lang sind. Dadurch wird die Eindring-

tiefe der Diamantschneiden in das Gestein begrenzt,
und diese werden vor Schaden behütet Meist sind die
Diamantschneiden so angebracht, daß sie einen Teil der
Bohrlochsohle abscherend bearbeiten, während die
Schneidrollen einen anderen Bereich der Bohrlochsohle
hackend und mahlend bearbeiten.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

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Claims (24)

Patentansprüche:

1. Drehbohrmeißel zum Gesteinsbohren, mit einem eine Drehachse aufweisenden Werkzeugkörper und mehreren Diamantschneiden, von denen jede eine für die Abtragung der Bohrlochsohle vorgesehene Schneidkante besitzt, die unter einem bestimmten Anstellwinkel aus dem Werkzeugkörper hervorsteht, wobei das Gestein in mehreren zur Drehachse des Werkzeugkörpers konzentrischen Bahnen abscherbar ist,dadurchgekennzeichnet, daß Einrichtungen (11) vorgesehen sind, mittels derer die Eindringtiefe der Diamantschneiden (15; 43; 68, 69) in das Gestein auf weniger als jenes Maß zu begrenzen ist, welches die Diamantschneiden (15; 43; 68, 69) aus dem Werkzeugkörper (12) herausragen, und die aus mehreren Schneidrollei. (11; 41; 62) bestehen, die am Werkzeugkörper gelagert sind und von denen eine jede mehrere Metallkarbid-Einsätze (26, 28; 42; 64,66) trägt, die um ein geringeres Maß aus der Oberfläche der Schneidrolle (11) vorstehen als die Diamantschneiden (15; 43; 68,69) axial aus dem Werkzeugkörper (12) herausragen und mittels derer das Gestein entlang einer Bahn abtragbar ist, die konzentrisch zu jenem Bohrlochsohlenabschnitt verläuft, der mittels der Diamantschneiden (15; 43; 68,69) abscherbar ist.

2. Meißel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schneidrollen (41) relativ näher an der Drehachse und die Diamantschneiden (43) relativ näher am Umfang des Werkzeugkörpers angeordnet sind, wobei mittels der Diamantschneiden (43) um den mittels der Schneidrollen gebohrten Abschnitt der Bohrlochsohle herum ein Ringraum zu bohren ist.

3. Meißel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Diamantschneiden (15) relativ näher an der Drehachse und die Schneidrollen (11) relativ näher am Umfang des Werkzeugkörpers angeordnet sind, wobei mittels der Schneidrollen um den mittels der Diamantschneiden (15) gebohrten Abschnitt der Bohrlochsohle herum ein Ringraum zu bohren ist.

4. Meißel nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkzeugkörper ferner einen axialen Kernaufnahmeraum (16) besitzt und daß die Diamantschneiden an einem Endabschnitt des Werkzeugkörpers um die Axialöffnung herum angeordnet sind, wobei mittels der Diamantschneiden zwischen dem Gesteinskern (32) und dem durch die Schneidrollen gebohrten Abschnitt der Bohrlochsohle herum ein Ringraumabschnitt zu bohren ist.

5. Meißel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Diamantschneiden auf dem Werkzeugkörper in zwischen den von den Diamantschneiden und den Schneidrollen geschnittenen Profilen entlang eines im wesentlichen glatten Bogens angeordnet sind, wobei die Bohrlochsohle in Form einer im wesentlichen glatten Fläche von konzentrischen Rillen ohne schulterförmige Stufen abtragbar ist.

6. Meißel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Diamantschneide aus einem in den Werkzeugkörper eingesetzten Karbidklotz (23) und einer auf den Klotz bindend aufgebrachten Diamantplatte (21) besteht, deren Front relativ zur Werkzeugkörperachse in Umfangsrichtung gerichtet ist.

7. Meißel nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Karbideinsätze der Schneidrollen aus deren Oberfläche um mehr als V₄ und weniger als V₄ der Gesamtlänge der Diamantplatten<21) hervorstehen.

8. Meißel nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Karbideinsätze nicht mehr als ^J/₄ der Diamantplattenlänge aus der Oberfläche der Schneidrollen hervorstehen.

9. Meißel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Werkzeugkörper mehrere Schneidrollen-Beine (10), welche nach unten ragen und je eine Schneidrolle (11) tragen, ein Axialkanal (16) zur Aufnahme eines Kernes (32), und mehrere nach unten ragende und zwischen den Schneidrollen-Beinen gelegene Diamantschneidenarme (17), von denen jeder mindestens eine Diamantschneide (15) trägt, mittels der zwischen dem Axialkanal und dem Bohrabschnitt der Schneidrollen ein Ringraum zu bohren ist, zugeordnet sind.

10. Meißel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schneidkante jeder Diamantschneide (15) um eine ausgewählte Strecke aus dem Werkzeugkörper (12) hervorsteht und daß die Einrichtung zur Bregrenzung der Eindringtiefe der Diamantschneiden die Eindringtiefe der Diamantschneiden beim Bohren auf ein Maß begrenzen, das größer als V₄ und kleiner als V₄ der Vorstehstrecke der Schneiden aus dem Werkzeugkörper ist.

11. Meißel nach Anspruch 1 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Eindringtiefen-Begrenzung aus mehreren am Werkzeugkörper angebrachten und während der Bohroperation das Gestein berührenden Rollen (56) besteht

12. Meißel nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Rollen ein Profil haben, welches dem durch eine Anzahl von Diamantschneiden (52, 54) in die Bohrlochsohle geschnittenen Profil ähnlich ist; daß die Rollen in dem Werkzeugkörper im wesentlichen auf der gleichen ringförmigen Bahn rotierbar sind wie die ausgewählte Anzahl von Diamantschneiden; und daß die Oberflächen der Rollen in Achsrichtung des Bohrloches den Diamantschneiden in einer Richtung nachlaufen, wobei sie die Bohrlochsohle nur bei maximalem Eindringen der Diamantschneiden berühren.

13. Meißel nach Anspruch 1 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß jede Diamantschneide aus einem in den Werkzeugkörper eingesetzten Klotz (23) und einer auf den Klotz bindend aufgebrachten Diamantplatte (21) besteht, deren Front relativ zur Werkzeugkörperachse in Umfangsrichtung gerichtet ist.

14. Meißel nach mindestens einem der Ansprüche lObis 13, dadurch gekennzeichnet, daß jede Rolle (62) mehrere Karbideinsätze (64 ...) aufweist, die aus der Rollenoberfläche weniger als den vollen Betrag der Diamantschneidenlänge hervorstehen, und daß die Rollen so angebracht sind, daß mit ihnen ein Ringraum zwischen dem von den Diamantschneiden gebohrten Bohrlochsohlen-Abschnitt und der Bohrlochwand ausarbeitbar ist.

15. Meißel nach mindestens einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkzeugkörper ferner einen Axialkanal (16) zur Aufnahme eines Gesteinskernes aufweist, wobei mittels der Diamantschneiden ein Ringraum zwischen dem Gesteinskern und einem durch die Rollen gebohrten Bohrlochsohlen-Abschnitt abtragbar ist.

16. Meißel nach mindestens einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Rollen ein Profil haben, welches dem durch eine Anzahl von Diamantschneiden geschnittenen Profil ähnlich ist; daß die Rollen mit dem Werkzeugkörper im wesentlichen auf der gleichen ringförmigen Bahn rotierbar sind wie diese Anzahl von Diamantschneiden, und daß ferner aus der Oberfläche der Rollen mehrere Karbideinsätze um ein Maß hervorstehen, welches keiner als die Länge der Diamantschneiden (21) ist, wobei zumindest ein Teil der Karbideinsätze und der Diamantschneiden auf gleiche Ringbahnen auf dem Boden eines Bohrloches ausgerichtet sind.

17. Meißel nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Eindringtiefen-Begrenzung aus mehreren kegelförmigen Schneidrollen (62) besteht, von denen jede mehrere um weniger als die Länge aer Diamantschneiden aus seiner Oberfläche vorstehende Karbideinsätze (64...) besitzt, mitwls der ein bestimmter Abschnitt der Bohrlochsohle abtragbar ist, wobei der Rest der Bohrlochsohle mittels der Diamantschneiden abtragbar ist.

18. Meißel nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die kegelförmigen Schneidrollen und die Diamantschneiden so montiert sind, daß das von den Schneidrollen gebohrte Profil eine im wesentlichen glatte Fortsetzung des Diamantschneiden-Bohrprofils bildet, ohne wesentliche Stufen dazwischen.

19. Meißel nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die kegelförmigen Schneidrollen und die Diamantschneiden so angebracht sind, daß das von den Schneidrollen gebohrte Profil im wesentlichen das gleiche ist wie das von mindestens einem Abschnitt der Diamantschneiden gebohrte Profil.

20. Meißel nach Anspruch 1 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die am Werkzeugkörper angebrachten Werkzeug-Eindringtiefenbegrenzung die Eindringtiefe der Diamantschneiden in das Gestein auf weniger als ³Λ der Strecke begrenzt, um welche die Schneidkante jeder Diamantschneide aus dem Werkzeugkörper hervorsteht

21. Meißel nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkzeugkörper an seinem oberen Ende sine Einrichtung (14) zur Befestigung des Gesteinsbohrwerkzeugs an einem Bohrstrang trägt; und daß sich von dem Werkzeugkörper ausgehend nach unten eine erste Anzahl von Armen (17), an denen eine Anzahl von Diamantschneiden (15) zur Bearbeitung eines Abschnitts der Bohrlochsohle befestigt sind, und eine zweite Anzahl von zwischen die Arme (10) gesetzten Beinen (10) erstreckt, von denen jedes eine Schneidrolle (11) mit mehreren Karbideinsätien (26) trägt.

22. Meißel nach Anspruch 4, 10 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Diamantschneiden (t5A) eine Kante zur Maßgestaltung des Gesteinskernes (32) besitzt

23. Meißel nach Anspruch 1, 10, 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Diamantschneiden so am Werkzeugkörper angebracht sind, daß mit ihnen mehrere ringförmigen Rillen in die Sohle des Bohrloches einarbeitbar sind und daß die aus den Oberflächen der Schneidrollen vorstehenden Karbideinsätze in Reihen und in der Weise angeordnet sind, daß mit ihnen ringförmige Rillen bohrbar sind, welche sich zumindest teilweise mit den von den Diamantschneiden gebohrten Rillen decken.

24. Meißel nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet daß der gewählte Anstellwinkel der Diamantschneiden etwa zwischen 0° und —20° liegt