DE3147099A1 - "drehend arbeitende bohrkrone" - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine drehend arbeitende Bohrkrone mit einem Bohrkronenkörper, dessen axiale Länge und größter Durchmesser
im voraus festgelegt sind, der entgegengesetzte Antriebs- und Schneidenden aufweist und um seine Mittellängsachse drehbar jst.
Bei bekannten drehend arbeitenden Mehrfinger-Bohrkronen ist
die Lebensdauer hauptsächlich durch Biegeverformung und Bruch der verhältnismäßig langen, geraden und schmalen Finger infolge
abriebsbedingter Verkleinerung der verhältnismäßig kleinen anfänglichen Außenfläche und der sich daraus ererbenden Verringerung der Querschnittsfläche der Finger begrenzt.
Außerdem erzeugen die anfänglich kleine Oberfläche und die schmalen, geraden, hervortretenden Finger eine sehr geringe
Bohrkronenstabilisierung im Bohrloch. Somit wird die ungenügend stabilisierte Bohrkrone in rüttelnde Bewegung versetzt
und bewegt sich im Bohrloch seitwärts, was bewirkt, daß die Bohrkrone abgelenkt wird und die harten Flächen der
Schneidelemente abplatzen, wenn sie auf die harten Erdreich-.formationen
hart aufschlagen.
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Mehrfiriger-Bohrkronen erzeugen schon an sich einen zentralen
KuXTi, und wenn sie auf harte Formationen stoßen, wird der
Bohrvorschub oder die Eihdringgeschwindigkeit stark herabgesetzt oder gestoppt, wenn sie nicht in der Lage sind, das
Kernmaterial rasch zu zermahlen, zerteilen oder aufzubrechen und abzuführen.
Viele herkömmliche Bohrkronen sind beim Erfassen und Aufbrechen
des erzeugten Kerns allein auf die Zusammensetzung und eine innere Schrägfläche der Bohrkronenkörpers angewiesen.
Es sind andere Bohrkronen bekannt, die zum Verhindern von Abnutzung des Bohrkronenkörpers einen nichtschneidenden,
abriebfesten Kernbrechereinsatz mit einer schrägen Fläche
aufweisen.
Ebenfalls bekannt sind mehrere zusammengesetzte spiralgenutete Bohrkronen, die mit harten Schneideinsätzen aus
einem härteren abriebfesten Werkstoff als der Tragkörper bestückt sind. Es sind verschiedene Schneideinsätze aus verschiedenen
Metallkarbiden,-boriden,-nitriden,-Oxiden, kubischem Bornitrid, natürlichen und synthetischen Diamanten
sowie aus Gemischen oder Legierungen daraus hergestellt worden.
Auf dem Markt sind zusammengesetzte, kompakte, schleifend wirkende Schneideinsätze sowohl aus Diamant als auch aus Bornitrid,
die von der Firma General Electric unter ihren eingetragenen Warenzeichen "Stratapax" und "Compax" hergestellt
und vertrieben werden und bei der Herstellung verschiedener Arten von Erdöl-Bohrkronen Verwendung finden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine drehend arbeitende Bohrkrone zu schaffen, der die Nachteile des Standes
der Technik nicht anhaften und die die gestellten Forderungen in besonders vorteilhafter Weise erfüllt.
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Die Lösung der Aufgabe ist in den beigefügten Ansprüchen
gekennzeichnet.
Die drehend arbeitende Mehrfinger-Bohrkrone gemäß der Erfindung hat einen durch spanende Bearbeitung oder nach dem
Präzisionsgußverfahren gewonnenen Bohrkronenkörper mit damit einstückig irn Winkelabstand ausgebildeten kurzen, kräftigen
und wendelförmig gekrümmten Fingern von größerer Querschnittsfläche, die durch Verstärkungsstege abgestützt sind und am
Schneidende des Bohrkronenkörpers an ihnen befestigte, vorzugsweise als Diamantschneideinsätze ausgebildete vorgeformte,
schleifend wirkende, zusammengesetzte und kompakte Schneideinsätze bzw. Schneidelemente tragen.
Von den Fingern ausgehend erstrecken sich über ungefähr die axiale Länge des Bohrkronenkörpers wendeiförmige oder spiralige,
breite, sich überlappende Stabilisierungsrippen, zwischen
denen spiral ige oder wendeiförmige Nuten ausgebildet sind,
die zum raschen Wegführen des Bohrkleins und des Spül fluids
dienen, welche durch die Wirkung der spiraligen Stabilisierungsrippen nach oben gepumpt werden. Ein schräger Kernabführkanal
ist zwischen Fingern und in der Nähe einer Tasche ausgebildet, in der ein geneigter kernschneidender und kernbrechender
Einsatz befestigt ist, der vorzugsweise aus gesintertem Wolframkarbid hergestellt ist und eine schräge
Schneidkante zum raschen Lösen und Aufbrechen von verhältnismäßig hartem Kernmaterial aufweist.
Der Bohrkronenkörper hat ferner eine zentrale Bohrung oder Ausnehmung zum Befestigen einer Antriebsvorrichtung mi t
einem zum Antriebsende des Bohrkronenkörpers führenden
Fluidkanal sowie Kanäle, die sich von der Bohrung zu Auslaßöffnungen zwischen einander benachbarten Fingern und Schneidelementen
erstrecken und- dazu uienen, Spül- uhfi/d'U-.f 1>(<:,<·]Ί
fluid zu den Schneidelementen und den spiral igen Nuten zu fördern und zu lenken.
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5b
jedes wendeiförmigen Fingers hat eine Tasche mit einer zurückgesetzten
Fläche und einer sich daran anschließenden, in sie eingearbeiteten Schulter. In die Tasche ist ein vorgeformtes,
schleifend wirkendes, zusammengesetztes und kompaktes Schneidelement eingesetzt, das an der zurückgesetzten Fläche und an
der Schulter vorzugsweise durch Hartlöten befestigt ist und von ihnen abgestützt wird.
Kin besonders vorteilhaftes MrrkmaJ der Erfindung besteht
darin, daß eine schräge Kante des harten kernschneidenden und -brechenden Einsatzes so positioniert ist, daß sie die
verhältnismäßig harten Kerne rasch zerteilt, und die benachbarte schräg nach oben verlaufende Fläche des Kernabführkanals,
mit welcher der Kern später in Berührung kommt, sowohl das Bohrklein als auch die Kernstücke umlenkt und aus
dem Kernabführkanal ausleitet·
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 eine Vorder- oder Seitenansicht einer mit mehreren spiral igen Fingern versehenen Bohrkrone gemäß der
Erfindung,
Fig. 2 eine Ansicht von oben bzw. mit Blickrichtung auf das
Fig. 2 eine Ansicht von oben bzw. mit Blickrichtung auf das
Antriebsende der in Fig. 1 dargestellten Bohrkrone, Fig. 3 eine Ansicht von unten bzw. mit Blickrichtung auf
das Schneidende der in Fig. 1 dargestellten Bohrkrone,
Fig. 4 den Teilquerschnitt 4-4 in Fig. 2 und 3 durch den
Fig. 4 den Teilquerschnitt 4-4 in Fig. 2 und 3 durch den
unteren, schneidenseitigen Teil der Bohrkrone und Fig. 5 den Querschnitt 5-5 in Fig. 2 und 3 durch die gesamte
Bohrkrone.
Die dargestellte stabilisierte, drehend arbeitende Mehrfingernohrkrono
10 gemäß der Erfindung zum Bohren von Löchern von
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etwa 5 cm Durchmesser in Erdreich hat einen vorzugsweise nach
dem Präzisionsgußverfahren aus einem zähen Metall, z.B. nur.
korrosionsbeständigem Stahl der Sorte 17-4 PH oder 440 hergestellten Bohrkronenkörper 12 von etwa 47,6 mm Durchmesser
und einer axialen Länge zwischen den entgegengesetzten Antriebs- und Schneidenden der Bohrkrone 10 von wenigstens
etwa 101 mm, vorzugsweise von etwa 115 mm.
Mit dem Bohrkronenkörper 12 sind einstückig drei breite, in Umfangsrichtung sich überlappende spiral ige oder wendeiförmige
Stabilisierungsrippen 14 ausgebildet, die spiral ige Vorder- und Hinterkanten und Seitenflächen von einer radialen Hohe
von etwa 6,35 mm aufweisen. Die Seitenflächen gehen in dazwischenliegende
Nuten 16 von gleicher Tiefe über. Die Stabilisierungsrippen 14 haben ferner verhältnismäßig kurze, gedrungene
und kräftige spiralig gekrümmte Finger 18 von etwa 15,8 mm Länge und etwa 12,7 mm radialer Dicke.
Bei Betrachtung mit Blickrichtung auf das Antriebsende gemäß Fig. 2 erstreckt sich die spiral.ige Sei ti-nf'l ache an der Rürkflanke
jeder spiral igen Stabilisierungsrippe 14 in Umfangsrichtung
bis zu einer hinteren Rippenendkante, die am Antriebsende und in einem vorbestimmten Winkelabstand jenseits
der vorderen Endkante der spiraligen Seitenfläche an der Vorderflanke der benachbarten Stabilisierungsrippe 14 am entgegengesetzten
Schneidende angeordnet ist. Das nacheilende Ende einer Stabilisierungsrippe 14 kann folglich das voreilende
Ende der benachbarten Stabilisierungsrippe 14 mit bis zu
einem Drittel des Umfangs- oder Winkelabstandes der voreilenden Enden derselben Stabilisierungsrippen 14 überlappen'.
Die Finger 18 am Schneidende des Bohrkronenkörpers 12 gc-hnn
von den Stabilisierungsrippen 14 aus und sind mit gleichem
Winkelabstand um eine kurze innere, zentrale Kernaufnahmebohrung b von etwa 22 mm Durchmesser und etwa 15,8 mm Tiefe und um
die Längsachse des Bohrkronenkörpers 12 angeordnet.
Jede der drei mit gleichem Zwischenabstand angeordneten Stabilisierungsrippen
14 hat eine bogenförmig gekrümmte Außenfläche von einer Umfangsbreite von etwa 19 mm und erstreckt
sich über nahezu die gesamte axiale Länge des Bohrkronenkörpers 12 entlang einer Schraubenlinie entgegengesetzt zur
Drehrichtung mit einem Steigungswinkel, der in bezug auf eine zur Achse rechtwinklige Ebene zwischen 60° und 70°, vorzugsweise
etwa 66°, und in bezug auf die Achsenebene zwischen und 30°, vorzugsweise 24°, beträgt, um eine Gesamtstabi1i-
;; i tjrun&.srippotif lache von wenigstens etwa 58 cm2 zu schaffen.
Vorzugsweise ragen die spiral igen Finger 18 von der Unterseite des Bohrkronenkörpers 12 nach unten weg und in bezug
auf zugehörige, mit dem Bohrkronenkörper 12 einstückige Finger-Verstärkungsstege 12a nach vorn. Die Verstärkungsstege 12a erstrecken sich an den Rückseiten der Finger 18
sowohl in Umfangsrichtung als auch nach oben vom Schneidende weg.
Im unteren Mittelteil des Bohrkronenkörpers 12 ist zwischen den Fingern 18 ein schräg nach oben verlaufender Kernabführkanal
P aur,j',ebi 1 del.. Der Kernabf'ührkanal P hat eine halb-
«phäri.seh gekrümmte eintrittnaeitige Innenfläche, die sich
an die Innerisul te eines Fingers 18 anschließt, und erstreckt
sich von dieser Innenfläche radial nach außen zwischen dem anderen Paar benachbarter Finger 18 zu seinem entgegengesetzten
Austrittsende.
Die Achse und der obere Mittelabschnitt der halbkreisförmigen
inneren Kernablenkfläche (und Decke) R des Kernabführkanals P sind gegenüber der Waagerechten um 20° bis.40b, vorzugsweise
um etwa 30°, geneigt und erstrecken sich zwischen Tangentenpunkten an der eintrittsseitigen inneren konkaven Fläche und
an der äußeren konvexen Fläche am entgegengesetzten Austrittsende dos Kernabführkanals P. Die schräge Kernablenkfläche R
und die geneigten Flächen des Kernabführkanals P kommen mit
Il BAD
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dem von der Bohrkrone 10 herausgeschnittenen Kern in Berührung, lenken ihn seitlich ab und brechen ihn. Der Kernabführkanal
P ist in den Bohrkronenkörper 12 vorzugsweise eingegossen, kann aber auch spanend mittels eines kugeligen
Schaftfräsers oder Schleifstiftes von etwa 22 mm Durchmesser
eingearbeitet werden, der in bezug auf eine zur Achse rechtwinklige waagerechte Ebene unter einem Winkel von 30° und in
Umfangsrichtung unter einem Winkel von etwa l?0° gegermbrr
einer Vertikalebene VP, die durch die Bohrkronenachse und durch einen an dieser liegenden Punkt der Vorderkante eines
benachbarten Fingers 18 geht, angesetzt und mit Vorschub zu
einer zur Achse rechtwinkligen waagerechten Ebene hin zugestellt
wird.
In die Wand des Fingers 18, welche sich an die eintrittsseitige innere konkave Fläche des Kernabführkanals P und der
zentralen Kernaufnahmebohrung b anschließt, ist eine schmale, rechteckige Tasche eingegossen oder eingearbeitet, in der
ein hartes Kernschneidelement 20 in Form eines kernschneidenden und kernbrechenden Messers oder Einsatzes aufgenommen
und darin durch Hartlöten befestigt ist.
Das Ke3rni;chrH· i del ο nie nt PO iüt vor/.vjj-'.r.wr i *'·<■' fccli Leck i p, ;iu:;
gesintertem Wolframkarbid mit einer Dicke von etwa 3,bb rmri,
einer Breite von etwa 6,35 mm und einer Länge von etwa 12,7 mm hergestellt und weist eine gerade Schneidkante auf, die aus
der zugehörigen eintrittsseitigen inneren konkaven Fläche hervortritt.
Die gerade Kernschneidkante und die an sie sich anschließende schmale Endfläche des Kernschneidelementes 20 verlaufen
unter einem Neigungswinkel Y von 45° bis 57°, vorzugsweise
von etwa 51°, von einem Schnittpunkt I, der in der Vertikalebene VP an der Längsachse Mögt, zu einem Finger 18. Vory.uj'.nweise
liegt der obere Punkt der Schneidkante ungefähr an
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" - 3U7099
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oder in iiur Nahe de;; Sehn i I l.puitk tos 1 der Vertikal
<;bene VP mit der schrägen Ebene des oberen geneigten Mittelabschnitts
der halbkreisförmigen inneren Kernablenkfläche R des Kernabführkanals
P. Die schmale obere Kante und die sich an die Schneidkante anschließende untere Fläche erstrecken sich
radial unter einem Neigungswinkel von bis zu 10°, vorzugsweise von etwa 8°, in bezug auf die durch die Achse gehende
•Vertikalebene VP. Die entgegengesetzte Kante und die sich
anschließende entgegengesetzte Seite des Kernschneidelementes 20 sind in einer durch die Achse gehenden radialen Ebene
ebenfalls schräg unter einem Winkel X von 74° bis 90°, vorzugsweise von etwa 82°, in bezug auf die Vertikalebene VP der
Bohrkronenachse angeordnet.
Der vertikale Abstand D zwischen dem an oder in der Nähe des Schnittpunktes I gelegenen oberen Punkt der Schneidkante und
dem unteren Ende des Fingers 18 ist ein kritisches Maß und beträgt vorzugsweise etwa das 1,5fache des Durchmessers des
erzeugten Kerns oder des Innendurchmessers der Kernaufnahmebohrung b. Bei der Bohrkrone 10, die einen Kern von nahezu
22 mm Durchmesser herauszuschneiden vermag, ist der vertikale Abstand D folglich etwa 33 mm. Der Durchmesser des erzeugten
Kerns wird bestimmt, indem von der Bohrkronengröße entsprechend der Industrienorm AX das Zweifache des Durchmessers
eines Schneidelementes 30 subtrahiert wird.
Für den Drehantrieb der Bohrkrone 10 ist vorzugsweise eine
Antriebsvorrichtung, z.B. eine EW-Stangen-Aufnähme, vorgesehen.
Die Antriebsvorrichtung kann von einer glatten zentralen Bohrung oder, wie beim gezeigten Beispiel, von einer mit
Gewinde versehenen zentralen Bohrung 22 von etwa 25,4 mm Durchmesser und einer im voraus festgelegten axialen Tiefe
von etwa 63,5 mm, gemessen ab dem Antriebsende der Bohrkrone, gebildet sein, in der sich in bekannter Weise eine glatte
oder mit.Gewinde versehene EW-Antriebsstange von entsprechenden Abmessungen eines Bohrgestänges befestigen läßt.
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Das Unterteil des Bohrkronenkörpers 12 ist zwischen dem Grund
der zentralen Bohrung 22 und den Fingern 18 von mehreren, insbesondere von drei mit gleichem Winkelabstand angeordneten
Fluidkanälen 24 durchsetzt, die im Grund der Bohrung 22 von Einlaßöffnungen aus etwas schräg nach außen zu zugehörigen
Auslaßöffnungen führen, um Spülfluidströme nach außen
zwischen die Finger 18 und insbesondere bis dicht an die Vorderseite jedes Fingers 18 und zur Schneidfläche jedes der
an den Fingern 18 befestigten Schneidelemente 30 zu richten.
Das Spül fluid, das durch einen Kanal in den herkömmlichen
EW-Stangen des Bohrgestänges, durch die Bohrung 2? und die Fluidkanäle 24 gedrückt wird, fördert folglich zusammen mit.
der durch die Drehung der Stabil isierungsrippen 14 erzeugten Pumpwirkung von der Bohrkrone 10 gelöstes Material durch die
spiraligen Nuten 16 zwischen den Stabilisierungsrippen 14 nach oben.
Jedes der Schneidelemente 30 ist vorzugsweise ein kreisrundes, zusammengesetztes, kompaktes Plättchen mit Diamant-Schleifpartikeln,
das in einer Tasche am unteren, voreilender^
" abstützenden Endabschnitt des zugehörigen s;pi rai igen
Fingers 18 aufgenommen und an einer darin schräg eingearbeiteten zurückgesetzten Auf 1 agof lache 18a bc fest.i.f.<,!, ii;t. Ub<>r
jeder Tasche ist eine obere Schulter 18b vorgesehen, die
eine bogenförmige oder kreisabschnittförmige Fläche aufweist, die zur Auflagefläche 18a rechtwinklig und zur Mittelachse
des Schneidelementes 30 parallel verläuft.
Vorzugsweise ist jede der ein Schneidelement 30 abstützenden Auflageflächen 18a und folglich die dazu parallele voreilende
Schneidfläche jedes Schneidelementes 30 in bezug auf das
Zentrum der sich anschließenden bogenförmigen Fläche'der
Schulter 18b bzw. in bezug auf den voreilenden oberen Mittelpunkt der das Schneidelement 30 umgebenden Schneidkante der
Drehrichtung entgegengesetzt nach hinten und unten geneigt.
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"* 3U7099
55 Djp vorr-ilende Schneidseite oder -fläche jedes Schneidelemen-
(',eordnet, die von der Achse der Bohrkrone 10 radial verläuft
und nach hinten zum Schneidende hin unter einem negativen Spanwinkel von bis zu -25° in bezug auf die durch die Bohrkronenlängsachse
gehende Vertikalebene geneigt ist. Der nach hinten oder unter einem negativen Spanwinkel geneigte untere
halbkreisförmige Abschnitt der Schneidkante, der die untere Hälfte der Schneidfläche jedes Schneidelementes 30 umschließt,
löst folglich die Formation ab, schneidet den Bohrlochdurchrnesser und erzeugt den Kern, der danach vom Kernschneidelement
20 angegriffen und zerkleinert wird. Umgekehrt hat die nach vorn geneigte voreilende obere halbkreisförmige
Schneidkante um die obere Hälfte der Schneidfläche jedes Schneidelementes 30 keine wesentliche Schneidwirkung, wogegen
die Schulter 18b und ihre bogenförmige Fläche abstützend an einem Abschnitt der halbkreisförmigen Umfangsflache um die
obere Hälfte jedes Schneidelementes 30 anliegen.
Abhängig von der Härte der angetroffenen Formation kann
jedes Schneidelement 30 ein scheibenförmiges Plättchen aus gebundenen Schneidstoffen aufweisen, die aus der Gruppe mit
Metalloxiden, -karbiden, -boriden, -nitriden, gesintertem Wolframkarbid, kubischem Bornitrid, Diamant, Gemischen und
Massen daraus gewählt sind.
Vorzugsweise ist jedes der Schneidelemente 30 ein zusammengesetztes,
kompaktes, scheibenförmiges Plättchen mit einer harten Stül-zschicht oder Stützplättchen 30a, mit dem zur Ausbildung dor Schneidkante und der Schneidfläche des Schneidolcinontea
30 eine Schicht 30b aus harten schneidenden Schi c Lfpartikeln
verbunden ist.
Das Stützplättchen 30a kann aus. gesintertem oder metallgebundenem
Titan-, Zirkonium- oder Wolframkarbid, Silizium-
- /11
ORIGINAL
·" ' 3U7099
/J$>
55 AAA
karbid, Borkarbid, aus Gemischen daraus und aus jed^m anderen
Werkstoff hergestellt »ein, mit dem sich die Sch 1
<· i fparl i Ur 30b zuverlässig verbinden lassen und das selbst mit der
zurückgesetzten Auflagefläche 18a des Fingers 18 ebenso zuverlässig
verbindbar ist.
Für die Befestigung an den Fingern 18 des Bohrkronenkörpers 12 sind verschiedene zusammengesetzte Schneidelemente aus
verschiedenen Quellen erhältlich. Derartige zusammengesetzte, kompakte Schneidelemente oder -plättchen, wie sie aus den US-PSen
4 098 362, 4 156 329, 4 186 628 und 4 225 322 bekannt sind und gemäß den US-PSen 3 743 489, 3 745 623 und 3 767
hergestellt werden, werden von der Firma Gfuicral Klocl.ric
unter den oi ngetragenen Warr-nzoich«n "Sl.ratapax" und "Coinpax"
angefertigt und vertrieben. Ii in anderes Sehne.· i dpi al. Lehen
wird von der Firme DeBeers Diamond Tool unter dem für sie eingetragenen Warenzeichen "Syndite" hergestellt und vertrieben.
"Stratapax"- und "Compax"-Schneidplättchen sind grundsätzlich
vorgeformte, zusammengesetzte, kompakte Schneidelernente mit einer dünnen, ebenen Schicht oder Scheibe aus einer Masse
selbstgebundener polykristalliner Schleifpartikel, wie z.B.
synthetischem oder natürlichem Diamant und hexagonalem oder kubischem Bornitrid, die mit einer Schicht oder Scheibe aus
ine tall gebundenem oder ge f. in te rl.em Metal 1 karbi d direkt verbunden
ist. Die letztgenannte Scheibe ist mit Mousing- <.η\οχ-Silberhartlot
beschichtet, um die Befestigung an den Auflageflächen 18a der Finger 18 zu ermöglichen.
Die Bohrkrone 10 ist jedoch vorzugsweise mit zusammengesetzten, kompakten "Stratapax"-Schneidelementen 30 aus synthetischem
Diamant bestückt, von denen jedes von etwa 13,2 mm Durchmesser ...nd ct*f& 3,3 er,;:. b\'./j- \··Λ. <.v? *-: .v '-'·//-·>
'*,'. dicke Schicht aus Partikeln mit einem Durchmesser kleiner als 37 μηι und eine etwa 2,8 mm dicke Schicht aus gesintertem
BAD IGINAL
b5
Wolframkarbid aufweist. Die Schneidelemente 30 sind an der
Auflagefläche 18a jedes Fingers 18 so angeordnet und durch Hartlöten so befestigt, daß die Diamantschneidfläche ihrer
Schicht 30b einen negativen Spanwinkel von etwa -20° in bezug auf die Drehrichtung und eine durch die Achse gehende vertikale
Ebene bildet. Beim Drehen der Bohrkrone 10 wird daher das von der unteren Hälfte der Schneidkante des Schneidelementes
30 gelöste Material an dessen negativ geneigter, schleifend wirkender Diamantschneidfläche in der Bohrkronendrehrichtung
nach oben und zu einer zugehörigen spiraligen Nut 16 geleitet.
Nach Stumpfwerden oder Abnutzung der unteren halbkreisförmigen
schneidenden Hälften können die Schneidelemente 30 abgenommen und nach einer 180"-Drehung der nicht abgenutzten
Schneidkante in eine dem Schneidende der Finger 18 und der Bohrkrone 10 entsprechende Stellung in derselben Weise wieder
am selben oder an einem anderen Bohrkronenkörper 12 befestigt werden.
Die Arbeitsweise ist folgende: Das Antriebsende der Bohrkrone 10 wird an einem ersten Stangenabschnitt eines Bohrgestänges
befestigt, das an eine herkömmliche Bohrmaschine, z.B. eine Track- odor Tricycle-Maschine, angeschlossen ist und von ihr
(irehnrip.e 1.11 i cb(?n wird .
Beim Bohren überträgt die Bohrmaschine sowohl Axial- als auch Drehkräfte über die Bohrstange auf den Bohrkronenkörper
12 und über die Auflageflächen 18a und die Schultern 18b der Finger 18 auf die Schneldelemente 30. Während des
Bohrvorganges werden die Schneidelemente 30 daher zwischen den abstützenden Schultern 18b und dem Erdreich, das an ihren
entgegengesetzten Umfangsflachen angreift, diametral und
zwischen dem mit ihnen in Berührung stehenden Erdreich und den sich in das Erdreich hineindrehenden Auflageflächen 18a
axial auf Druck beansprucht.
8AD
3U7099
bb AAA
Bei der Drehung der Bohrkrone 10 dringt die untere Hälfte jedes schräggestellten Schneidelementes 30 in das Erdreich
ein und drängt das Bohrklein nach vorn und die voreilenden geneigten Schneidflächen entlang nach oben in die zugehörigen
spiraligen Nuten 16 und in die durch sie h indurvhf 1 i
<·β<·η-den SpUIfluidströrne.
Bei der axialen und drehenden Bewegung der Bohrkrone.10 wird
auch das schräge Kernschneidelement 20 zwischen dem abstützenden Bohrkronenkörper 12 und dem Kern in ähnlicher Weise auf
Druck beansprucht. Somit werden die Schneidelemente 30 und die Kernschneidelemente 20, welche normalerweise gegen Zugbeanspruchung
weniger widerstandsfähig sind, während des" Bohrvorganges entsprechend ihrer größeren Widerstandsfähigkeit
auf Druck beansprucht und von den kurzen, kräftigen und gedrungenen Fingern 18 sicher abgestützt, die gegen Versagen
bei außergewöhnlich hohen Belastungen durch Axial- und Drehbeanspruchung
durch die zusätzl i chen Verstärkung:;:-,l.rgo IPa
gesichert sind.
Der aus einer harten oder weichen Formation herausgeschnittene Kern wird durch das schräge Kernschneidelement 20 rasch weggeschnitten
oder gebrochen und von der schrägen Kernablenkfläche R des Kernabführkanals P zu dessen Auslaß und aus
diesem in einen Spülfluidstrom und in die zugehörige Nut 16
abgelenkt.
Beim Austreten reißt das unter Druck stehende Spülfluid das Bohrklein durch die Nuten 16 der sich drehenden Bohrkrone 10 .
hindurch mit nach oben und aus dem Bohrloch heraus. Durch die Drehung der spiral igen Stabilisierungsrippen 14 und ihrer
zugehörigen Vorderkanten und -flanken, deren üUn gungr-;richtung
der Drehrichtung der Bohrkrone 10 entgegengesetzt ist, wird das umlaufende Spülfluid und das in ihm suspendierte
Bohrklein bei beschleunigter Bewegung aus d^m Bohrloch
hinausgepumpt.
BAD ORIGINAL /14
55 444
Die gcwünschle Tiefe des Bohrloches wird erreicht, indem
zusätzliche Stangenabschnitte des Bohrgestänges in bekannter, herkömmlicher Weise zusammengesteckt werden.
Mit Bohrkronen in erfindungsgemäßer Ausführung und mit den
vorstehend beschriebenen Abmessungen und Merkmalen wurden Versuche unter tatsächlichen Einsatzbedingungen durchgeführt.
Hierzu wurden an einer Dammbaustelle mehrere Bohrungen ausgeführt. Die Bohrbedingungen und -ergebnisse sind in den
nachstehenden Tabellen I und II angegeben.
Rohron von_ '^wei_Löc_he^rn__an_ derselben Bohrsteile mit gleicher
Bohrkrone, gleicher Ausrüstung und gleichen Bohrbedingungen
Bohrloch 1
Bohrkrone A: Ausführung gemäß der Erfindung mit 3 Spiralfingern, Neuzustand.
Bohrstelle: In Dreiviertelhöhe des rechten Dammwiderlagers in mäßig hartem Grünstein.
Ausrüstung/Bohrbedingungen:
Ausrüstung/Bohrbedingungen:
Spülung mit Wasser bei etwa 5,62 bis 7,03 kp/cm2,
Nur Schwerkraftwirkung
Bohrdruck etwa 90,7 bis 181,4 kp
-1
Drehzahl 0 bis 500 min , überwiegend im höheren Dreh-.
zahl boreA cn
Track-Maschine, Stangenabschnitt etwa 3,048 m lang.
Bohrergebnisse:
1 . | Stange (etwa 3,048 m) |
2. | Il |
3. | Il |
4. | ti |
5. | H |
6. | Il |
7. | Il |
3 | Minuten |
7 | Il |
2 | Il |
10 | Il |
5 | Il |
8 | Il |
5 | Il |
etwa 21,335 m Gesamttiefe 40 Minuten
Durchschnittsergebnis: etwa 0,533 m/Minute = etwa 32 m/h.
BAD ORIGINAL
" ·* 3H7099
- ^Cf. 55 AAA
Bohrloch 2
Bohrkrone A: Gleich wie bei Bohrloch 1 Bohrstelle: Neben Bohrloch 1, ähnliche Formation
Ausrüstung/Bohrbedingungen: Gleich wie bei Bohrloch 3.
Bohrergebnisse:
1. | Stange (etwa 3,048 m) |
2. | 11 |
3. | it |
4. | Il |
5. | 11 |
6. | 11 |
7. | Il |
2 | Minuten |
3 | 11 |
2 | M |
4 | Il |
7 | Il |
11 | Il |
5 | Il |
etwa 21,335 m Gesamttiefe 34 Minuten
Durchschnittsergebnis: etwa 0,64 m/Minute = etwa 39,672 m/h.
Gesamttiefe mit Bohrkrone A: etwa 42,67 m/l h 14 min.
Durchschnittliche Bohrgeschwindigkeiten: 1. etwa 0,576 m/min
2. etwa 34,593 m/h.
TAHKLLK I I
R-°*}riLQ von zusätzlichen Löchern mit verschiedener Ausrüstung
Bohrkrone B: Ausführung gernäß der Erfindung mit 3 Spiralfingern,
Neuzustand.
Bohrstelle: Oberseite linkes Dammwiderlager. Ausrüstung/Bohrbedingungen:
Spülung mit Wasser bei etwa 14 kp/cm2 mit Pumpe,
Bohrdruck etwa 90,7 bis 181,4 kp,
Drehzahl 0 bis 500 min" , überwiegend im höheren Drehzahl
be reich,
Tricycle-Maschine mit Winde, Stangenabschnitt etwa 1 , h24 in lang.
Rohrergebnisse:
Stange (etwa 1,524 m)
1. ! | Stan |
2. | Il |
3. | Il |
4. | Il |
5. | Il |
6. | Il |
7. | Il |
8. | Il |
9. | Il |
10. | Il |
11. | Il |
12. | Il |
13. | Il |
14. | It |
15. | Il |
16. | Il |
17. | Il |
18. | Il |
19. | Il |
20. | Il |
21. | Il |
22. | ■ ι |
23. | Il |
24. | Il |
25. | Il |
26. | Il |
27. | Il |
28. | Il |
etwa 42,67 m Gesamttiefe
Minute(n) | 45 | Sekunden | |
Il | 30 | Il | |
Il | 30 | Il | |
Il | 15 | It | |
It | 35 | Il | |
Il | 45 | Il | |
Il | 45 | Il | |
Il | 35 | Il | |
Il | 40 | Il | |
Il | 45 | Il | |
40 | Il | ||
35 | Il | ||
40 | Il | ||
20 | Il | ||
50 | Il | ||
1 | 20 | Il | |
1 | 35 | Il | |
1 | 30 | Il | |
1 | 20 | Il | |
1 | 15 | Il | |
2 | 30 | Ii | |
2 | 0 | Il | |
1 | 45 | Il | |
1 | 30 | Il | |
1 | 30 | Il | |
35 | Il | ||
35 | ti | ||
35 | Il | ||
27 Minuten 10 Sekunden
Durchschnittsergebnis: etwa 1,585 m/Minute = etwa 94,18 m/h.
BAD ORIGINAL
bb 4ΛΛ
Bohrloch 4
Fertige Bohrlochtiefe etwa 42,67 m, ohne Zeitaufzeichnung.
Nach Angaben des Bohrleiters ähnliche Ergebnisse wie bei Bohrloch 3.
Bohrloch 5
Gesamttiefe von etwa 42,67 m war nahezu erreicht, als Bohrung aufgegeben werden mußte. Es wurde jedoch geschätzt, daß mit
derselben Bohrkrone B weitere fünf Bohrlöcher mit einer Gesamttiefe von etwa 341,365 m gebohrt werden können, bevor
die "Stratapax"-Schneidelemente vom abgenutzten Bohrkronen körper
auf einen neuen umgesetzt werden müssen.
Tabelle I zeigt, daß beim Bohren von zwei Bohrlöchern mit einer Gesamttiefe von etwa 42,67 m in 1 h 14 min bei einem
Bohrdruck zwischen etwa 90,7 und 181,4 kp und einer Drehzahl von 500 min" mit einer Track-Bohrmaschine und Stangenabschnitten
von etwa 3,048 m Länge mit der Bohrkrone A in erfindungsgemäßer Ausführung ein Durchschnittsergebnis von
etwa 34,593 m/h erreicht wurde.
Gemäß Tabelle II betrug mit einer neuen Bohrkrone B in erfindungsgemäßer
Ausführung mit spiral igen Slabi 1 lsi erung:.;-rippen
auf ganzer Länge und unter Verwendung einer Tricycle-Bohrmaschine
mit Winde, Stangenabschnitten von etwa 1,b?4 m Länge und durch Pumpen erhöhtem Spülfluiddruck das Durchschnittsergebnis
etwa 94,18 m/h oder nahezu das Dreifache der Bohrkrone A.
Es wurde auch geschätzt, daß mit der Bohrkrone B eine Gesamttiefe von etwa 341,365 m gebohrt werden könnte, bevor die
gleichen "Stratapax"-Schneidelemente vom abgenutzten Bohrkronenkörper
abgenommen, um 180° gedreht und an den Fingern eines neuen Bohrkronenkörpers befestigt werden müssen, um
die unbenutzte, anfänglich obere Hälfte der Schneidkanten
in Schneidstellung zu bringen. _Λ_
BADORaGfWAL
- 22. 55
Das Bohrergebnis zeigt daher, daß die vorstehend beschriebenen Bohrkronen A und B in erfindungsgemäßer Ausführung mit
Spiral igen Stabilisierungsrippen auf ganzer Länge, die im Neuzustand eingesetzt wurden, nicht durch raschen Bruch oder
rasche Abnutzung unbrauchbar wurden und ähnlichen bekannten Bohrkronen mit herkömmlichen geraden Fingern und kürzeren
St.abi 1 isiorungselementen hinsichtlich Leistung und Lebensdauer
deutlich überlegen sind.
BAD
Claims (11)
1. Drehend arbeitende Bohrkrone mit einem Bohrkronenkörper, dessen axiale Länge und größter Durchmesser im voraus festgelegt
sind, der entgegengesetzte Antriebs- und Schneidenden aufweist und um seine Mittellängsachse drehbar ist,
gekennze ichnet durch
mehrere verhältnismäßig kräftige, kurze und gedrungene spiralige
Finger (18) mit Vorder- und Hinterflanken, die mit Winkelabstand in bezug auf die Mittellängsachse und eine innere,
zentrale Kernaufnahmebohrung (b) von verhältnismäßig
kleiner axialer Tiefe am Schneidende des Bohrkronenkörpers (12) und der Finger (18) angeordnet sind,
mehrere Verstärkungsstege (12a), die sich an den Hi riLeri'l ankon
der Finger (18) in Umfangsrichtung und weg von den Schneidenden erstrecken,
mehrere mit Winkelabstand angeordnete sich überlappende, äußere, spiralige Stabilisierungsrippen (14) mit spiraligen
vor- und nacheilenden Seitenkanten und -flächen, die sich außen und wendelförmig entgegengesetzt zur Drehrichtung der
Bohrkrone (10) über ungefähr die gesamte axiale Länge des Bohrkronenkörpers (12) zwischen dessen entgegengesetzten
Antriebs- und Schneidenden erstrecken,
mehrere mit Winkelabstand angeordnete spiralige Nuten (16), die sich zwischen den Stabilisierungsrippen (14) erstrecken
und sich an die Kernaufnahmebohrung (b) anschließen,
einen schrägen Kernabführkanal (P) mit einer geneigten
/2
- 2 - 55
erstreckt und von einem geschlossenen Eintrittsende, das
sich an einen Innenflächenabschnitt eines Fingers (18) und an die Kernaufnahmebohrung (b) anschließt, zu einem entgegengesetzten
Austrittsende, das mit einer Nut (16) verbunden und zwischen zwei einander'benachbarten Fingern (18) angeordnet
ist, zum Antriebsende des Bohrkronenkörpers (12) hin schräg verläuft,
eine Anschlußvorrichtung am Antriebsende des Bohrkronenkörpers (12) zum Befestigen einer Drehantriebsvorrichtung
für die Bohrkrone (10),
vorgeformte Schneidelemente (30), die an Auflageflächen (18a)
an den Vorderseiten der Finger (18) befestigt sind und je eine gegen die Auflagefläche (18a) weisende Rückseite und
eine der Rückseite entgegengesetzte Schneidseite mit einer Schneidkante aufweisen,
und durch ein vorgeform.tes, hartes Kernschneidelement (20),
das am geschlossenen Eintrittsende des Kernabführkanals (P)
in einer Tasche befestigt ist und eine schräge Schneidkante aufweist, die von einem Sehne νdkantenpunkt aus, der in der
Nähe eines Schnittpunktes (I) der geneigten Kernablenkfläche
(R) des Kernabführkanals (P) und einer durch die Längsachse
des Bohrkronenkörpers (12) gehenden Ebene angeordnet ist, schräg nach außen gerichtet ist.
2. Bohrkrone nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet
, daß jeder der Finger (18) zur abstützenden Anlage am Schneidelement (30) eine Schulter (18b) und eine
Schulterfläche aufweist, die nahe der Auflagefläche (18a) angeordnet sind und von ihr ausgehen.
3. Bohrkrone nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet
, daß drei mit Winkel abstand angeordnete,
sich überlappende, spiralige Stabilisierungsrippen (14) vorgesehen sind, von denen sich jede wendelförmig mit einem
a*.° » ··" ·""
β e f * * ff·
Steigungswinkel von 60° bis 70° um den Bohrkronenkörper (12) erstreckt und von ausreichender Länge und Breite ist, damit
sich am Bohrkronenkörper (12) eine äußere, spiral ige Gesamtstabilisierungsflache
von wenigstens 58 cm2 ergibt.
4. Bohrkrone nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet , daß die Kernablenkfläche (R)
des Kernabführkanals (P) unter einem Winkel von etwa 20° bis
40° in bezug auf eine zur Längsachse rechtwinklige Ebene radial nach außen zum Antriebsende des Bohrkronenkörpers (12)
hin schräg verläuft.
5. Bohrkrone nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Kernaufnahmebohrung
(b) und der Kernabführkanal (P) annähernd gleichen Radius und Durchmesser haben und durch eine sphärische Innenfläche
am geschlossenen Eintrittsende des Kernabführkanals (P) miteinander
verbunden sind.
6. Bohrkrone nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß das Kernschrie i del erncnt, (20)
aus einem gesinterten Karbidkörper vorgeformt ist, wobei seine geneigte Schneidkante von der Spitze und der die Längsachse
schneidenden Ebene weg unter einem Winkel von etwa 45° bis 57° schräg nach außen verläuft.
7. Bohrkrone nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet , daß die Spitze der geneigten
Schneidkante am Schnittpunkt vom Schneidende der Bohrkrone (10) in einem Abstand (D) angeordnet ist, der etwa das 1,5-fache
des Durchmessers der Kernaufnahmebohrung (b) beträgt.
8. Bohrkrone nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet , daß jeorts d*?r Srhrwi Ία }<·::,<·ϊ,\':
(30) einen Stützkörper (30a) aus gesintertem Karbid mit einer
BAD ORIGINAL /4
·ί.*:..: -:-3U7099
- 4 - 55
Vorder- und einer Rückseite aufweist, wobei letztere zur Bei<j."Vi;;i..r;g
an der Auflagefläche (18a) ausgelegt und an ihr befestigt
ist, und eine Schicht (30b) aus gebundenen polykristallinen Schleifpartikeln, die mit der Vorderseite des
Stützkörpers (30a) verbunden ist und wenigstens eine halbkreisförmige, schleifend wirkende Schneidseite und Schneidkante
am Schneidelement (30) bildet.
9. Bohrkrone nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet
, daß die Schneidseite und die Schneidkante jedes Schneidelementes (30) an einer geneigten radialen Ebene
angeordnet und unter einem negativen Spanwinkel von bis zu -25° in bezug auf die Ebene der Längsachse und von dieser
weg zur nacheilenden Seite hin zu einem weiteren Punkt der Schneidkante am Schneidende des zugehörigen Fingers (18) des
Bohrkronenkörpers (12) geneigt sind.
10. Bohrkrone nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet
, daß sich vom Antriebsende bis zur Unterseite des Bohrkronenkörpers (12) eine zentrale Bohrung (22)
mit einer im voraus festgelegten axialen Tiefe erstreckt, und daß sich von Einlaßöffnungen am Grund der Bohrung (22)
aus mehrere mit Winkelabstand angeordnete Fluidkanäle (24) zu Auslaßöffnungen hin erstrecken, die nahe dem Schneidende
der Finger (18) angeordnet sind und Fluid zu ihnen hinzuleiten vermögen.
11. Bohrkrone nach Anspruch 10, dadurch g e k e η η zeichnet
, daß die Anschlußvorrichtung ferner ein Schraubengewinde umfaßt, das in der Bohrung (22) ausgebildet
und mit einem Schraubengewinde an einer Vorrichtung verschraubt ist, welche Fluid zuzufordern und die Bohrkrone (10)
anzutreiben vermag.
OR,GINAL
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