DE3539717C2 - Rollenmeißel - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Rollenmeißel gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Insbesondere be­ trifft die Erfindung eine verbesserte Anordnung und Form der Rollenkörper und der daran befestigten Schneidelemente, wobei die Schneidelemente so ausgerichtet sind, daß sie dem Rollenkörper eine Sekundärdrehung geben, während sich jeder Rollenkörper gleichzeitig mit einer Primärdrehung um eine Längsachse eines Bohrgestänges dreht und die Erd­ formation, die durchbohrt wird, wegschneidet und zerklei­ nert.

Der Rollenkörper, der bei bekannten Rotarybohr- oder Rollenmeißeln benutzt wird, ist in Gruppen von zwei oder mehr mit einem Meißelkörper drehbar verbunden. Jeder Rollenkörper ist insgesamt kegelförmig oder kegel­ stumpfförmig, wobei eine Basis des Rollenkörpers zum Kalibrieren der Größe des Loches, das gebohrt wird, an der Außenseite des Rollenmeißels angeordnet ist. Die Schneidelemente oder Rollenzähne sind an der Außenober­ fläche jedes Rollenkörpers befestigt oder angeformt. Die Schneidelemente werden um eine Drehachse des Rollenkör­ pers gedreht und führen eine Drehung um eine Längsachse eines Bohrgestänges aus, um eine Erdformation zu erfas­ sen, die durchbohrt wird. Der Kontakt der Schneidelemente mit der Erdformation während der Drehung lockert Teilchen­ material oder Bohrklein, das durch Bohrflüssigkeiten auf herkömmliche Weise abgeleitet wird.

Im Stand der Technik geht die Drehachse jedes Rollenkörpers durch die Längsachse des Bohrgestänges hindurch, und das Bohrgestänge wird gedreht, um die Erdformation zu durch­ bohren. Jeder Rollenkörper dreht sich in direktem Verhält­ nis zu der Primärdrehung des Bohrgestänges um die Längs­ achse. Sehr wenig Abriebschneidwirkung tritt an dem Bohr­ loch auf, das gebohrt wird. Die proportionale Beziehung ist praktisch dieselbe Beziehung, wie sie zwischen einem Rad und einer Achse vorhanden ist, wenn sich das Bohrge­ stänge dreht und sich der Rollenkörper dreht. Die Haupt­ kraft, die bewirkt, daß Teilchenmaterial abgerieben und entfernt wird, ist das Gewicht des Rollenmeißels und des Bohrgestänges, das eine Verkleinerungswirkung erzeugt. Wenig Abrieb erfolgt an der Formation durch die Drehung jedes Rollenkörpers.

Im Stand der Technik ist es bekannt, die Drehachse jedes Rollenkörpers so zu verlagern oder zu versetzen, daß die Achse nicht durch die Längsachse des Bohrgestänges hindurchgeht. Das Versetzen der Drehachse jedes Rollen­ körpers vergrößert die Abrieb- oder Kratzkraft des Rollen­ meißels, die dieser auf die Erdformation ausübt. Der ver­ setzte Rollenkörper im Stand der Technik ist bislang klein genug, damit eine Hauptkomponente der Drehung des Rollen­ körpers zu der Drehung des Bohrgestänges proportional bleibt.

Eine Drehachse des Rollenkörpers rechtwinkelig zu der Hauptdrehachse und Drehendhalter jedes Rollenkörpers gleich­ abständig von der Längsachse des Bohrgestänges sind gemäß der US-PS 2 174 587 bei einem Nachbohrer vorgesehen. Diese Ausrichtung wird hier als vollständig versetzt definiert. Der bekannte Nachbohrer ist kein Rotarybohrmeißel oder Rollenmeißel, sondern wird vielmehr benutzt, um das durch einen Rollenmeißel hergestellte Bohrloch zu erweitern. Der bekannte Nachbohrer wirkt nicht auf die Bohrlochsohle selbst ein, sondern vielmehr nur auf den Umfang derselben, nachdem das Loch gebohrt worden ist.

Die US-PS 1 236 982 zeigt Drehachsen für zwei Rollenkörper rechtwinkelig zu der Längsachse einer Schwerstange bei einem Rollenmeißel. Die Schneidrollen sind nicht vollständig ver­ setzt, da die Rollenkörperendtragpunkte nicht gleichab­ ständig von der Längsachse des Bohrgestänges sind. Diese US-Pa­ tentschrift zeigt Spiralzähne oder Schneidelemente, die offenbar jeden Rollenkörper in Drehung versetzen. Die erzeugte Dre­ hung jedes Rollenkörpers bleibt zu der Drehung des Bohr­ gestänges proportional. Die beiden Rollenkörper haben Schneid­ elemente mit entgegengesetzter Winkelausrichtung längs der Rollenkörperoberfläche, so daß ein Rollenkörper dem zuvor hergestellten Schnittmuster nicht folgt. Andere Rollenkörperschneidelemente mit Spiralzahnausrichtung sind bekannt. Schräggestellte Zähne sind aus der US-PS 4 161 225 bekannt.

Ein Drehschneidvorgang sowie ein Zerkleinerungs- oder Abriebvorgang sind in der US-PS 1 124 242 beschrieben. Gemäß dieser US-Patentschrift werden zwei Zerkleine­ rungsrollen und Rollenkörper benutzt, um sowohl einen Drehvorgang als auch einen Zerkleinerungsvorgang zu er­ zeugen. Ein kombinierter Rotary- und Schlagbohrmeißel ist aus der US-PS 3 885 638 bekannt, wobei sich Schrauben­ nuten über die Länge des insgesamt kegelstumpfförmigen Bohrmeißels erstrecken. Dieser bekannte Bohrmeißel wird offenbar bei einem Bohrgestänge benutzt, es handelt sich aber nicht um einen Mehrrollenbohrmeißel.

Die US-PS 4 408 671 zeigt die Veränderung der Konizität und des Winkels der Zähne zwischen den Rollenkörpern. Ver­ schiedene Zähnezahlen zwischen den Rollenkörpern sind aus der US-PS 1 045 756 bekannt, wogegen gemäß der US-PS 4 187 922 der Winkel der verschiedenen Zähne oder Schneid­ elemente verändert wird.

Von allgemeinem Interesse bei Drehbohrmeißeln sind die US-Patentschriften 4 148 368, 3 468 583, 4 109 737 und 4 333 540.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Drehbohrmeißel oder Rollenmeißel mit verbesserter Abriebkraft an einer Seitenwand und an der Sohle eines Bohrloches oder eines Kerns in einer Erdformation zu schaffen.

Diese Aufgabe löst ein Rollenmeißel mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Die Erfindung schafft einen Rollenmeißel, der während des drehenden Arbeitens jeden Rollenkörper einer Gruppe von Rollenkörpern aufgrund der Drehung eines Bohrgestänges bewegt, was zu der Abriebkraft führt.

Weiter schafft die Erfindung einen Rollenmeißel mit einer Rollenkörperdrehachse rechtwinkelig zu einer radialen Be­ zugslinie von der Primärdrehachse eines Bohrgestänges aus, dessen Primärdrehung den Rollenkörper bewegt.

Weiter schafft die Erfindung einen Bohrmeißel, der eine Primärabriebwirkung hat, die durch die Primärdrehung des Bohrgestänges hervorgerufen wird, und eine Sekundärabrieb­ wirkung, die durch die Sekundärdrehung jedes Rollenkörpers hervorgerufen wird. Die Sekundärdrehung resultiert aus der Primärdrehung des Bohrgestänges, einer vollständig ver­ setzten Ausrichtung jedes Rollenkörpers und der Ausrich­ tung der Schneidelemente des Rollenkörpers.

Weiter schafft die Erfindung einen Rollenmeißel, bei dem die Rollenkörper vollständig versetzt, d. h. rechtwinkelig zu der Primärdrehachse des Bohrgestänges sind und bei dem die Rollenkörperendtragpunkte gleichabständig von der Primärdrehachse sind.

Weiter schafft die Erfindung ein Rollenmeißellagersystem für die Rollenkörper, die Abriebkraft in der Primärdreh­ richtung und außerdem bei der Sekundärdrehung um die Rollenkörperachse ausüben.

Weiter schafft die Erfindung ein Schmiersystem für das Lager­ system des Rollenkörpers, das die Lebensdauer der Rollenkör­ per des Rollenmeißels verlängert und den Verschleiß der Rol­ lenkörper verringert.

Gemäß der Erfindung weist ein drehend arbeitender Rollenmei­ ßel einen Meißelkörper auf, der mit einem Fluidkanal in seiner Längsachse zur Aufnahme von Bohrflüssigkeiten verse­ hen ist. Der Meißelkörper ist mit einer Einrichtung zum Verbinden mit einem langgestreckten Bohrgestänge versehen und hat eine innere Öffnung, in der mehrere Rollenkörper drehbar befestigt sind.

Die Rollenkörper sind an dem Meißelkörper zwischen zwei Endtragpunkten befestigt. Eine Drehachse der Rollenkörper ist insgesamt rechtwinkelig zu einer Linie ausgerichtet, die die Längsachse des Rollenmeißels und die Drehachse miteinander verbindet. Die Rollenkörper sind weiter in einer vollständig versetzten Position ausgerichtet, wobei zwei Endtragpunkte des drehbaren Rollenkörpers von jedem gegebenen Punkt auf der Längsachse des Rollenmeißels gleichabständig sind. Wäh­ rend der Drehung des Bohrgestänges und des Rollenmeißels um die Längsachse in einer Primärdrehrichtung bewegen sich die Rollenkörper in einer Primärabriebbetriebsart in der Rich­ tung der Primärdrehung des Bohrgestänges.

Die Rollenkörper haben eine Ellipsoidform mit abgestumpften Enden. Mehrere Schneidelemente sind auf der Außenoberfläche jedes Rollenkörpers gebildet oder mit dieser verbunden. Die Schneidelemente sind in Reihen ausgerichtet, die sich von einem Ende jedes Rollenkörpers zum anderen erstrecken. Die Reihen haben eine Schraubensteigung oder Spirale, die als ein Gewinde an einer Schraube dient, um jeden Rollenkörper zu drehen, wenn die Reihen von Schneidelementen während der Primärdrehung des Rollenmeißels die Bohrlochsohle abreiben.

Das Abreiben der Reihen von Schneidelementen an der Bohrloch­ sohle gibt den Rollenkörpern eine Sekundärdrehung um deren Drehachsen in einer Sekundärabriebbetriebsart in der Richtung der Sekundärdrehung. Die Sekundärabriebbetriebsart kalibriert die Bohrung oder den Kern durch Abreiben einer Seitenwand und einer Sohle der Erdformation.

Ein Rollenlagersystem für die Rollenkörper ist bei der Erfin­ dung vorgesehen, wobei eine Rollenkörperachse an jedem Ende mit dem Meißelkörper des Rollenmeißels an den Endtragpunkten verbunden ist. Der Rollenkörper ist mit der Achse verbunden. Die Lager gestatten den Rollenkörpern, sich in der Sekundär­ drehrichtung zu drehen. Ein ringförmiges Axiallager, das eine Öffnung zur Aufnahme der Achse hat, wird durch den Meißel­ körper an einem Ende jedes Rollenkörpers festgehalten, das in der Primärdrehrichtung vor dem Rollenkörper liegt.

Der Meißelkörper hat ein Schmiersystem, das ein Druckschmier­ mittelreservoir aufweist. Bohrflüssigkeit setzt das Reser­ voir unter Druck und hält das Schmiermittel an sämtlichen Lagerstellen und kompensiert außerdem Verluste.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Rollen­ meißels nach der Erfindung,

Fig. 2 eine Unteransicht des Rollenmeißels nach Fig. 1,

Fig. 3 eine Schnittansicht nach der Linie 3-3 in Fig. 2,

Fig. 4 eine Schnittansicht nach der Linie 4-4 in Fig. 3,

Fig. 5 eine Schnittansicht nach der Linie 5-5 in Fig. 3, wobei Pfeile eine Primärdreh­ richtung zeigen,

Fig. 6 eine schematische Ansicht eines Rollen­ körpers nach der Erfindung, wobei Pfeile eine Primärdrehrichtung und eine Sekun­ därdrehrichtung eines Rollenkörpers des Rollenmeißels nach Fig. 1 zeigen,

Fig. 7 eine auseinandergezogene perspektivische Darstellung eines Rollenkörpers nach der Erfindung, die eine Lagervorrichtung und ein Schmiersystem in einer Teilschnittansicht zeigt,

die Fig. 8-11 perspektivische Ansichten von alternati­ ven Schneidelementen, die auf dem Rollen­ körper des Rollenmeißels nach Fig. 1 an­ geordnet sind,

Fig. 12 eine Unteransicht einer alternativen Aus­ führungsform des Rollenmeißels mit drei Rollenkörpern,

Fig. 13 eine Teilseitenansicht einer alternativen Ausführungsform des Meißels für eine Kernbohrkrone und

Fig. 14 eine Unteransicht der Kernbohrkrone nach Fig. 13.

Ein Rotarybohrmeißel oder Rollenmeißel 10, der insbesondere beim Dreh- oder Schlepp(drag)-Bohren brauchbar ist, ist in den Fig. 1-5 ge­ zeigt. Der Rollenmeißel 10 (Fig. 1, 2 und 3) hat einen Meißel­ körper 12 mit einem Gewindeanschlußstück 14 und einem ange­ formten, insgesamt zylindrischen Teil 15, der sich von dem Anschlußstück 14 nach unten erstreckt. Ein Durchmesser oder eine Nennweite eines Bohrlochs 13 in einer Erdformation wird durch Drehen des Rollenmeißels 10 um eine Längs- oder Dreh­ achse 17 in einer durch einen Pfeil 19 gezeigten Primärdreh­ richtung hergestellt. Auf herkömmliche Weise werden nicht im einzelnen dargestellte Bohrgestängeabschnitte zu einem Bohrgestänge miteinander verbunden, das mit dem Rollenmeißel 10 an dem Gewindeanschlußstück 14 verschraubt wird. Ein Bohr­ flüssigkeitskanal 16 erstreckt sich längs der Primärdreh­ achse 17 in eine innere Öffnung 18 des Meißelkörpers 12. Der Kanal 16 endigt in einer Bohrflüssigkeitsdüse 11 (Fig. 3) an der inneren Öffnung 18.

Auf herkömmliche Weise wird der Rollenmeißel 10 mit dem Bohr­ gestänge an dem Anschlußstück 14 verbunden, wobei das Bohr­ gestänge mit einer Paßfläche 20 des Meißelkörpers 12 so zu­ sammenpaßt, daß eine starre, im wesentlichen flüssigkeits­ dichte Verbindung hergestellt wird. Das Bohrgestänge und der daran befestigte Rollenmeißel 10 drehen sich um die Primär­ drehachse 17 in der Primärdrehrichtung, die durch die Pfeile 19 gezeigt ist (Fig. 2, 5 und 6). Bohrflüssigkeit wird in dem Bohrgestänge durch den Bohrflüssigkeitskanal 16 nach un­ ten gepumpt und gelangt über die Düse 11 in die innere Öff­ nung 18 des Meißelkörpers 12. Die Bohrflüssigkeit hat eine Viskosität für Schmierzwecke bei dem Schneidvorgang der bei­ den Rollenkörper 22, was im folgenden noch ausführlicher be­ schrieben ist. Die Bohrflüssigkeit nimmt außerdem Bohrklein oder Teilchenmaterial, das von der Seitenwand und von der Sohle des Bohrlochs 13 abgeschert worden ist, zu der Ober­ fläche eines Bohrturms (nicht dargestellt) auf bekannte Weise in einem kontinuierlichen Flüssigkeitskreislauf mit sich.

Mit dem Meißelkörper 12 sind innerhalb der inneren Öffnung 18 die beiden Rollenkörper 22 verbunden, wobei aber zusätz­ liche Rollenkörper hinzugefügt werden können. Jeder Rollen­ körper 22 hat mehrere Schneidelemente oder Meißelzähne 24 (Fig. 8-11), die auf Rippen oder Stollen 25 gebildet sind, welche in schraubenförmigen Reihen ausgerichtet sind, die sich über die Länge des Rollenkörpers 22 erstrecken. Die schrau­ benförmigen Reihen von Rippen 25 sind über der Länge des Rol­ lenkörpers 22 so ausgerichtet, daß sie dem Rollenkörper 22 eine durch einen Pfeil 21 in Fig. 6 gezeigte Sekundärdreh­ richtung geben, wenn der Rollenkörper 22 der Primärdrehung folgt, die ihm durch das sich drehende Bohrgestänge und den sich drehenden Meißelkörper 12 gegeben wird. Infolge der Kon­ figuration und der Ausrichtung des Rollenkörpers 12 und der Schneidelemente 24 erfolgt der Abrieb oder das Abscheren an der Seitenwand und an der Sohle des Bohrlochs 13. Das Bohr­ loch 13 wird außerdem durch die Primär- und die Sekundär­ drehung der Rollenkörper 22 kalibriert (Fig. 3).

Der Meißelkörper 12 ist mit dem Gewindeanschlußstück 14 ver­ sehen. Das Gewindeanschlußstück 14 ist um die Achse 17 des Rollenmeißels 10 und des Bohrgestänges insgesamt kegelstumpf­ förmig. Der Bohrflüssigkeitskanal 16 ist zentrisch in dem Gewindeanschlußstück 14 und über dessen Länge gebildet und stellt eine Verbindung von dem inneren Hohlraum des das Bohrgestänge bildenden Rohres zu der inneren Öffnung 18 in dem Meißelkörper 12 her und endigt in der Düse 11. Die Paß­ fläche 20 ist an dem Gewindeanschlußstück 14 angeformt und erstreckt sich eine relativ kurze Strecke von dem Anschluß­ stück 14 weg in einer zu der Achse 17 rechtwinkeligen Ebene. Die Paßfläche 20 wird in volle Anlage an dem Bohrgestänge ge­ bracht, um dieses in Umfangsrichtung zu verschließen und eine flüssigkeitsdichte Verbindung herzustellen, die nicht im einzelnen gezeigt ist.

Eine abgefaste Fläche 27 erstreckt sich von der Paßfläche 20 aus und bildet mit dieser einen Rand. Der zylindrische Teil 15, der durch vier angeformte, langgestreckte Tragfinger 28a, 28b, 28c und 28d (Fig. 2) gebildet ist, erstreckt sich von dem Ende der abgefasten Fläche 27 aus nach unten. Die Finger 28a, 28b, 28c, 28d sind zu der Achse 17 parallel. Der zylindrische Teil 15 hat eine Anzahl von Stabilisierrippen 30 (Fig. 1), die auf einer äußeren Oberfläche gebildet sind und aus Schleif­ material bekannter Zusammensetzung bestehen, um das Kalibrieren des Bohrloches 13 zu unterstützen.

Zwischen den beiden Fingern 28a und 28b ist einer der Rollen­ körper 22 angeordnet, wogegen zwischen den anderen beiden Fingern 28c und 28d der zweite Rollenkörper 22 angeordnet ist. Zwei bogenförmige Rollenkörperöffnungen 32 (Fig. 1 und 2) sind zwischen den Fingern 28a und 28b und zwischen den Fingern 28c und 28d gebildet. Ein Bohrflüssigkeitsauslaß 34, der eben­ falls bogenförmig ist, ist in dem Meißelkörper 12 jeweils zwischen den Fingern 28b und 28c und zwischen den Fingern 28d und 28a gebildet. Die Bohrflüssigkeitsauslässe 34 sind relativ kleiner als die Rollenkörperöffnungen 32.

Ein Flüssigkeitsrückflußweg für Bohrflüssigkeit, die über die Düse 11 ausgestoßen wird, besteht aus langgestreckten Schlitzen oder Nuten 35 und 36, welche in dem Meißelkörper 12 zwischen jedem Paar benachbarter Finger 28a, 28b, 28c und 28d gebildet sind. Die Schlitze 36, die kürzer sind, stellen eine Verbindung zwischen der Rollenkörperöffnung 32 und dem Rück­ flußweg für Bohrflüssigkeit zwischen den benachbarten Fingern 28a und 28b bzw. 28c und 28d her. Die längeren Schlitze 35 stellen eine Verbindung zwischen den Flüssigkeitsauslässen 34 und dem Rückflußweg für die Bohrflüssigkeit zwischen den be­ nachbarten Fingern 28b und 28c bzw. 28d und 28a her. Der Rückflußweg für die Bohrflüssigkeit wird durch den Ring­ raumraum zwischen der Seitenwand des Bohrlochs 13 und der äußeren Oberfläche des Bohrgestänges gebildet.

Jeder Finger 28 ist im Querschnitt insgesamt dreieckig (Fig. 2 und 5). Jeder Finger 28 hat eine Durchgangsboh­ rung 37 (Fig. 5) zur Aufnahme einer Rollenkörperachse 39, wobei jede Achse 39 einen Rollenkörper 22 drehbar trägt, was im folgenden noch näher beschrieben ist. In Längs­ richtung im wesentlichen über die volle Länge der Finger 28b und 28d erstreckt sich eine langgestreckte, insge­ samt zylindrische Bohrung, die ein Schmiermittelreservoir 40 bildet, das Teil des im folgenden noch näher beschrie­ benen Schmiersystems (Fig. 4 und 7) ist.

Am unteren Ende jedes Fingers 28 ist eine Schneide 46 gebildet. Eine abgefaste Oberfläche erstreckt sich von der Außenseite oder dem Umfang des zylindrischen Teils 15 des Meißelkörpers nach innen und bildet die Schneide 46. Die Schneide 46 unterstützt das Kalibrieren des Bohrlochs 13. Zum Kalibrieren des Bohrloches dient bei dem Rollen­ meißel 10 nach der Erfindung nicht allein die Schneidwir­ kung der Schneidelemente einer Auflagereihe eines herkömm­ lichen Kegelrollenmeißels mit nichtversetzten Kegelrollen. Vielmehr kalibrieren die Schneidelemente 24 zusammen mit der Schneide 46 die Bohrung 13.

Gemäß der Darstellung in Fig. 2 bilden der Meißelkörper 12 und insbesondere dessen integrale Finger 28 vier Ecken eines Quadrats an der Unterseite des Rollenmeißels 10. Zwei End­ tragpunkte oder -positionen 48 (Fig. 4 und 5) sind an jedem Ende jedes Rollenkörpers 22 vorhanden und dort vorgesehen, wo jede Rollenkörperachse 39 an den Fingern 28 durch eine Schweißung oder auf andere Weise befestigt ist. Die End­ tragpositionen 48 für jeden Rollenkörper 22 haben von der Achse 17 den gleichen Abstand. Weiter erstreckt sich eine Längsdrehachse 50 in Längsrichtung jedes Rollenkörpers 22, bildet eine Evolutenachse und ist zu einer sich von der Achse 17 weg erstreckenden radialen Linie rechtwinkelig. Für die Zwecke der Beschreibung wird die Ausrichtung der Rollenkörper 22 wie oben beschrieben als vollständig ver­ setzt gegen die Achse 17 definiert.

Jeder Rollenkörper 22 hat dieselbe Ellipsoidform, wobei die Enden 54 jedes Rollenkörpers 22 abgestumpft sind. Die Ausrichtung der Rippen 25 von einem Rollenkörper zum ande­ ren ist unterschiedlich. Jeder Rollenkörper 22 hat eine Bohrung 51, die in Längsrichtung längs der Drehachse 50 gebildet ist. Die Bohrung 51 nimmt die Rollenkörperachse 39 auf. Eine äußere Oberfläche 53 (Fig. 7) jedes ellipsoid­ förmigen Rollenkörpers 22 ist in einem Mittelteil 55 auf der Länge zwischen den beiden Enden 54 etwas erhöht. Der Mittelteil 55 des Rollenkörpers 22 ist die Stelle, wo der überwiegende Teil des Schneidens oder Abreibens der Erd­ formation stattfindet.

Die Schneidelemente oder Meißelzähne 24 und die Rippen 25 sind auf der äußeren Oberfläche 53 des Rollenkörpers 22 gebildet. Die erhöhten Rippen sind wie dargestellt im Quer­ schnitt insgesamt rechteckig und stehen über die Oberfläche 53 vor und tragen die Schneidelemente 24. Die Rippen 25 sind in parallelen Reihen angeordnet. Die Schneidelemente 24 berühren und schneiden die Erdformation in der scheren­ den oder abschleifenden Kreisbewegungsbahn, die durch die Primärdrehung des Bohrgestänges und des Rollenmeißels 10 in Richtung des Pfeils 19 um die Achse 17 festgelegt wird, und in einer Sekundärdreh- oder -kreisbewegung aufgrund der Ausrichtung der Rippen 25 der Schneidelemente 24 in Richtung des Pfeils 21 um die Achse 50.

Jede Reihe von Schneidelementen 24 ist in bezug auf eine gedachte Linie 52 (Fig. 6) ausgerichtet, die zu beiden Enden 54 rechtwinkelig ist. Die Linie 52 fällt mit jeder Rolle 25 an einem Ende der Rippe 25 zusammen, das bei dem Rollenkörper 22 in der Richtung der Primärdrehung, die durch den Pfeil 19 gezeigt ist, vorn ist. Die Rippe 25 bildet einen Winkel mit der Linie 52, der sich über der Länge der Rippe 25 ständig ändert. Wenn sich der Rollenmeißel 10 in der Primärrichtung dreht, hat die Rippe einen endlichen, jedoch stetig zunehmenden senkrechten Abstand von der Linie 52. Die Rippen erfüllen die gleiche Funktion wie Gewindegänge sehr großer Steigung, um den Rollenkörper 22 in der Sekundärdrehrichtung zu drehen.

Die Abriebschneidelemente 24 bestehen vorzugsweise aus natür­ lichem oder synthetischem Diamantmaterial. Diamantmaterial­ schneidelemente haben in einer Scher- oder Abriebschneid­ betriebsart eine äußerst große Abriebwirkung und sind äußerst verschleißbeständig. Ein Beispiel eines bekannten Schneid­ elements aus synthetischem Diamantmaterial ist in der US-PS 4 156 329 beschrieben. Synthetische Schneidelemente sind im Handel von der General Electric Company unter dem Warenzeichen STRATAPAX erhältlich. Die Schneidelemente 24 können außerdem Hartmetalleinsätze sein oder metallische Zähne, die an dem Rollenkörper 22 angeformt und durch verschiedene bekannte metallurgische Techniken gehärtet worden sind.

Gemäß der Darstellung in Fig. 8 sind die Schneidelemente 24a in die Rippen 25a eingebettete natürliche oder künstliche Diamanten, wobei die Rippen an dem Rollenkörper 22a ange­ formt sind. Dieser Typ von Schneidelement wird am besten zum Schneiden einer harten Formation oder einer gebrochenen Formation benutzt. Jeder Rollenkörper 22 hat ungeachtet des verwendeten Schneidelements 24 eine unterschiedliche Anzahl von Rippen 25, um Gleichlauf zu vermeiden. Die Anzahl der Reihen von Rippen 25 auf einem Rollenkörper 22 wird sich immer von der Anzahl von Reihen des anderen Rollenkörpers 22 unterscheiden und das Endresultat ist, daß keine Möglichkeit einer Spur- oder Gleichlaufentwicklung besteht.

Gemäß der Darstellung in Fig. 9 hat der Rollenkörper 22b Schneidelemente 24b aus natürlichem, polykristallinem oder schwarzem Diamant. Das Material wird, ungeachtet dessen, welches Material benutzt wird, in den Rippen 25b vergossen. Diese Schneidelementausführungsform wird für lange Lebens­ dauer beim Schneiden von harten Formationen benutzt.

Gemäß der Darstellung in Fig. 10 hat der Rollenkörper 22c Schneidelemente 24c, die aus einer polykristallinen, laminier­ ten Scheibe hergestellt sind. Die Elemente 24c haben eine abgestumpfte Scheibenform. Entweder Silberhartlot oder eine erosionsbeständige Vergußmasse wird benutzt, um die Schneid­ elemente in den Rippen 25c zu befestigen. Diese Ausführungs­ form ist brauchbar beim Schneiden von Teersänden und anderen Gesteinsformationen mit gummiartigen oder schlüpfrigen Eigen­ schaften, wo andere Schneidelemente über die Oberfläche der Formation gleiten könnten.

In Fig. 11 hat der Rollenkörper 22d Schneidelemente 24d aus Aluminiumoxid, Hartmetall oder kubischem Bornitrid (Borizon). Diese Elemente sind brauchbar bei weichen, nichtabschleifenden Formationen wie weichem Schiefergestein, Kalkstein und Kohle.

Gemäß der Darstellung in Fig. 7 verlaufen die Rippen 25 der Schneidelemente 24 auf dem Rollenkörper 22 über dessen Länge zwischen den Enden 54 spiralförmig. Bei einem bestimmten Rol­ lenkörper 22 sind die Rippen 25 der Schneidelemente 24 im we­ sentlichen parallel zueinander. Bei dem anderen Rollenkörper 22 ist die Ausrichtung der Reihen 25 ein Spiegelbild von der des ersten Rollenkörpers 22. Deshalb dreht sich ein Rollen­ körper 22 um seine Drehachse 50 in einer bestimmten Richtung, während sich der andere Rollenkörper 22 in der entgegenge­ setzten Richtung um seine Drehachse 50 dreht, was alles durch die Pfeile 21 in den Fig. 2 und 3 gezeigt ist. Diese Ausrich­ tung hilft zu verhindern, daß die Sekundärdrehbewegung der Rollenkörper 22, die durch die Rippen 25 der Schneidelemente 24 erzeugt wird, im Gleichlauf ist, und gestattet eine größe­ re oder verbesserte Scherwirkung, wenn jeder Rollenkörper 22 dem anderen in der Primärdrehrichtung folgt, die durch den Pfeil 19 gezeigt ist.

An jedem Ende 54 der Rollenkörper 22 ist eine versenkte Boh­ rung 57 gebildet. Ein Ende 54 nimmt gemäß Fig. 5 ein Axial­ lager 59 auf. Das andere Ende 54 nimmt in der versenkten Bohrung 57 eine Dichtung 56 und eine Druckscheibe 58 auf. Das Axiallager 59 hat an seinem Umfang eine Gummidichtung und ist an dem Ende 54 befestigt, das an dem Rollenkörper 22 in der Primärdrehrichtung vorn ist. Das Axiallager 59, die Dichtung 56, die Druckscheibe 58, die Rollenkörperachse 39 und Rollenlager 60 bilden ein weiter unten ausführlicher be­ schriebenes Lagersystem sowohl für die Primärdrehbewegung des Rollenkörpers 22 an dem Axiallager 59 als auch für die Sekundär­ drehbewegung um die Rollenkörperachse 39 (Fig. 7).

Zwischen der Rollenkörperachse 39 und der Oberfläche der Boh­ rung 51 des Rollenkörpers 22 ist ein Zwischenraum vorhanden, der die Rollenlager 60 aufnimmt. Die Rollenlager 60 sind langgestreckte, nadelartige Stangen, es könnte aber auch ein Zapfenrollenlager benutzt werden. Die Rollenlager 60 er­ strecken sich zwischen den versenkten Bohrungen 57 im wesent­ lichen über die Länge des Rollenkörpers 22.

Die Axiallager 59, die Dichtung 56 und die Druckscheibe 58 dichten die Enden 54 der Rollenkörper 22 an der versenkten Bohrung 57 gegen Schmiermittelverlust ab. Die Axiallager 59, die Dichtung 56 und die Druckscheibe 58 halten außerdem die Rollenlager 60 in ihrer Lage bezüglich des Rollenkörpers 22.

Das Schmiersystem für die Rollenkörper 22 ist am besten in den Fig. 4 und 7 zu erkennen. Das Schmiermittelreservoir 40 ist durch einen Schmiermittelkanal 41 relativ kleineren Durch­ messers mit dem inneren der Rollenkörperachse 39 verbunden, die in der Bohrung 37 angeordnet und fest mit den Fingern 28 verbunden ist. Ein Fülloch 43 ist für jedes Schmiermittelre­ servoir 40 in dem Meißelkörper 12 in der Paßfläche 20 und der abgefasten Fläche 27 gebildet. Ein Verschluß in Form einer Ge­ windekappe 44 ist in das Fülloch 43 des Schmiermittelreservoirs eingeschraubt, um das Schmiermittelloch zu verschließen. Die Gewindekappe 44 hat einen Schraubendreherschlitz für das Ent­ fernen der Gewindekappe. Die Gewindekappen 44 haben jeweils ei­ ne Durchgangsbohrung 47, über die Bohrflüssigkeit in das Reser­ voir 40 eintreten kann. Ein zylindrischer schwimmender Kolben 49 ist in dem Schmiermittelreservoir 40 verschiebbar. Die un­ tere Oberfläche des Kolbens 49 übt einen statischen Druck auf das Schmiermittel aus, der zu dem Gewicht der Bohrflüssigkeit oder des Spülschlamms, das auf den Kolben 49 einwirkt, propor­ tional ist (Fig. 7). Eine Gummidichtung um den Kolben 49 ver­ hindert, daß Spülschlamm das Schmiermittel verunreinigt.

Das Ende jeder Rollenkörperachse 39 ist an Tragpunkten 48 in­ nerhalb der Bohrung 37 der Finger 28 mit dem Meißelkörper 12 verbunden. Neben den Tragpunkten 48 an dem Achsende nahe den Axiallagern 59 (Fig. 4) ist eine Schmiermitteleintrittsnut 63 in der Achse 39 gebildet. Die Schmiermitteleintrittsnut 63 steht mit dem Schmiermittelreservoir 40 über den Schmiermittel­ kanal 41 in Verbindung. Eine Eintrittsöffnung 65, die in der Achse 39 gebildet ist, gestattet Schmiermittel aus dem Schmiermittelkanal 41, in ein zentrales Längsversorgungsre­ servoir 66 zu gelangen, das auf einem Teil der Länge jeder Rollenkörperachse 39 gebildet ist. Jedes Längsversorgungs­ reservoir 66 hält einen vollen Schmiermittelspiegel als Er­ gebnis des Druckes aufrecht, der durch den Kolben 49 auf dem Schmiermittel aufrechterhalten wird, das in dem Schmiermittel­ reservoir 40 enthalten ist. Eine Queraustrittsversorgungsöff­ nung 67 erstreckt sich von dem Längsversorgungsreservoir 66 der Rollenkörperachse 39 zu der Oberfläche der Achse 39 an ei­ nem Punkt, der sich bezüglich der Position der Rollenlager 60 insgesamt in der Mitte befindet. Über diese zweite Versorgungs­ öffnung 67 werden die Rollenlager 60, das Axiallager 59 und die Druckscheibe 58 geschmiert.

Zusammenfassend läßt sich also feststellen, daß im Betrieb des Rollenmeißels 10 eine Primär- oder Umfangsdrehung um die Achse 17 durch das sich drehende Bohrgestänge und den sich drehenden Rollenmeißel 10 hervorgerufen wird, um die vollstän­ dig versetzten Rollenkörper 22 längs ihrer Drehachsen 50 zu bewegen, was durch die Pfeile 19 gezeigt ist. Eine erste Ab­ rieb- oder Abschleifbetriebsart wird über der Länge jedes Rollenkörpers 22 durch die Rippen 25 der Schneidelemente 24 hervorgerufen, die auf der äußeren Oberfläche 53 jedes Rollen­ körpers 22 gebildet sind, der jede Erdformation in Längsrich­ tung schneidet. Die vollständig versetzte Position, bei der die Drehachsen 50 der Rollenkörper 20 rechtwinkelig zu der Längsachse 17 des Bohrgestänges und des Rollenmeißels 10 sind, und gleicher Abstand jedes Tragpunkts 48 eines bestimmten Rol­ lenkörpers 22 von der Rollenmeißelachse 17 werden benutzt.

Eine zweite Abriebbetriebsart hilft, die Bohrung 13 zu kali­ brieren, wie es in Fig. 3 gezeigt ist. Als Ergebnis der Spi­ ral- oder Gewindeausrichtung der Rippen 25 der Schneidelemente 24 erfolgt die Sekundär- oder Radialdrehung bezüglich der Achse 17, welche durch die Primärdrehung jedes Rollenkörpers 22 und um die Drehachse 50 des Rollenkörpers 22 hervorgeru­ fen wird. Wenn sich die Rollenkörper 22 drehen, werden die Schneidelemente periodisch in und außer Berührung mit der Erd­ formation bewegt. Wenn sich die Rollenkörper 22 unter der Se­ kundärdrehbewegung drehen, schneiden die Rippen 25 die Erdfor­ mation quer. Es wird nicht nur die Bohrung 13 in der zweiten Abriebbetriebsart kalibiert, sondern zusätzliches Material wird von der Seite und von der Sohle der Bohrung abgerieben, wenn jedes Schneidelement 24 seine vollständige Umdrehung um die Drehachse 50 ausführt.

Die Rippen 25 an den beiden Rollenkörpern 22 sind Spiegelbil­ der von einander, so daß sich jeder Rollenkörper 22 um die Achse 50 zu dem anderen Rollenkörper 22 hin dreht. Die Düse 11 reinigt die Schneidelemente 24, wenn diese unter der Düse vor­ beigehen und bevor sie wieder mit der Erdformation in Berüh­ rung kommen.

Die Bohrflüssigkeiten verlassen die Sohle der Bohrung 13 über die Schlitze 35 und 36, wobei sie Bohrklein aus der Bohrung 13 abtransportieren. Die Flüssigkeit wird zur Oberfläche zurück­ geleitet, um aufbereitet und wieder verwendet zu werden.

Bei einer weiteren Ausführungsform, die in Fig. 12 gezeigt ist, in der gleiche Teile mit einem hochgesetzten Strich versehen sind, werden drei Rollenkörper 22′ verwendet. In jeder anderen Hinsicht stimmt der in Fig. 12 gezeigte Aufbau mit dem oben be­ schriebenen überein.

Noch eine weitere Ausführungsform, die in den Fig. 13 und 14 gezeigt ist, wobei gleiche Teile Bezugszahlen mit zwei hoch­ gesetzten Strichen tragen, ist eine Kerbohrkrone 70. Ein Kör­ per 72 der Kernbohrkrone 70 hat einen langgestreckten, rohr­ förmigen Aufbau mit einem mit Innengewinde versehenen Ende 73, das mit einem nicht dargestellten Bohrgestänge verbunden ist. An einem Schneidende 74 der Kernbohrkrone 70 sind vier Rollen­ körper 22′′ befestigt.

Das Schneidende 74 des Körpers 72 erweitert sich nach außen hin, um die Rollenkörper 22′′ auf oben beschriebene Weise dreh­ bar aufzunehmen. Ein Kern 75 hat einen Durchmesser, der durch die Abstände zwischen den innersten Schneiden der Rollenkörper 22′′ festgelegt ist. Ein anders ausgebildeter Rollenkörper 76 hat eine gekrümmte Vertiefung 77 am Umfang seines Mittelteils 55′′.

Claims (19)

1. Rollenmeißel zum Bohren eines Bohrloches (13) in eine Erdfor­ mation, mit wenigstens einem Rollenkörper (22) mit einer Achse (39), der an einem Meißelkörper (12) drehbar gelagert ist, Schneidelemente (24) aufweist und eine Drehachse (50) hat, die nicht durch eine Längsachse (17) des Rollenmeißels (10) hin­ durchgeht, so daß beim Bohren der Rollenkörper (22) durch die Drehung des Rollenmeißels (10) gedreht und jedes Schneidelement (24) periodisch in und außer Berührung mit der Erdformation be­ wegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehachse (50) des Rollenkörpers (22) in einer zu der Längsachse (17) des Rollen­ meißels (10) rechtwinkeligen Ebene liegt, so daß jedes Schneide­ lement (24) bei seiner Berührung mit der Erdformation eine Bewe­ gung mit einer Radial- und einer Umfangskomponente ausführt, wo­ bei die Umfangskomponente größer als die Radialkomponente ist.

2. Rollenmeißel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rollenkörper (22) schraubenförmig gewundene Rippen (25) hat, die an seiner äußeren Oberfläche und auf der Länge des Rollenkörpers (22) gebildet sind und die Schneidelemente (24) tragen.

3. Rollenmeißel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Rollenkörper (22) vorgesehen sind und daß die Rippen (25) eines Rollenkörpers (22) eine Schraubbewegung in zu der Richtung der Rippen (25) des anderen Rollenkörpers (22) entgegengesetzter Richtung ausführen.

4. Rollenmeißel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß je­ der Rollenkörper (22) eine andere Rippenzahl hat.

5. Rollenmeißel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Achse (39) jedes Rollenkörpers (22) in Endtragpositionen (48) an dem Meißelkörper (12) befestigt ist, welche von jedem Punkt auf der Längsachse (17) des Rollenmeißels (10) äquidistant sind.

6. Rollenmeißel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß jeder Rollenkörper (22) ellipsoidförmig ist und abgestumpfte Enden (54) hat.

7. Rollenmeißel nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Schneidelemente (24) auf der äußeren Ober­ fläche des Rollenkörpers (22) in parallelen Reihen (25) angeord­ net sind.

8. Rollenmeißel nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß je­ der Rollenkörper (22) eine Bohrung (51) aufweist, in der ein Rollenlager (60) angeordnet ist, und ein Axiallager (59) hat, das an dem Ende (54) des Rollenkörpers (22) angeordnet ist, wel­ ches bei der Bewegung des Rollenkörpers (22) um die Längsachse (17) des Rollenmeißels (10) hinten ist, wobei das Rollenlager (60) in der Bohrung (51) um die Achse (39) des Rollenkörpers (22), die mit dem Meißelkörper (12) fest verbunden ist, angeord­ net ist.

9. Rollenmeißel nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Meißelkörper (12) ein Schmiermittelreservoir (40) enthält und eine Einrichtung (44, 47, 49) zur Druckbeaufschlagung des Schmiermittels aufweist, daß die Achse (39) jedes Rollenkörpers (22) einen auf einem Teil ihrer Länge gebildeten Kanal (66) auf­ weist, der mit dem Schmiermittelreservoir (40) in Verbindung ist, und daß die Achse (39) jedes Rollenkörpers (22) eine Öff­ nung (67) hat, die in Verbindung mit dem Rollenlager (60) und dem Axiallager (59) steht und zur Zufuhr von Schmiermittel aus dem Schmiermittelreservoir (40) durch die Achse (39) jedes Rol­ lenkörpers (22) zu dem Rollenlager (60) und zu dem Axiallager (59) dient.

10. Rollenmeißel nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse (39) jedes Rollenkörpers (22) eine Schmiermittelnut (63) und eine Eintrittsöffnung (65) aufweist, die mit dem Schmiermittelreservoir (40) zur Zufuhr von Schmiermittel zu dem Kanal (66) in der Achse (39) jedes Rollenkörpers (22) in Verbin­ dung sind.

11. Rollenmeißel nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeich­ net, daß die Einrichtung (44, 47, 49) zur Druckbeaufschlagung des Schmiermittelreservoirs (40) eine langgestreckte Bohrung parallel zu der Längsachse (17) des Rollenmeißels (10) aufweist, die das Schmiermittelreservoir (40) bildet und eine Öffnung an einer oberen Fläche des Meißelkörpers (12) hat, wobei in der langgestreckten Bohrung ein Kolben (49) verschiebbar angeordnet ist und mit einer unteren Fläche das Schmiermittel berührt, und einen Nippel (44), der mit dem Meißelkörper (12) in der langge­ streckten Bohrung verbunden ist und eine Durchgangsbohrung (47) aufweist, welche die Druckbeaufschlagung des Kolbens (49) durch Bohrflüssigkeiten gestattet.

12. Rollenmeißel nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Schneidelemente (24) derart in Reihen aus­ gerichtet sind, daß sich für jeden Rollenkörper (22) eine Schraubwirkung ergibt.

13. Rollenmeißel nach den Ansprüchen 2 und 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sich die Reihen von Schneidelementen (24), die mit den Rippen (25) verbunden sind, von einem zum anderen Ende (54) des Rollenkörpers (22) erstrecken.

14. Rollenmeißel nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Schneidelemente (24b) vorstehende Zähne aus natürlichem Diamant, polykristallinem Diamant oder schwarzem Diamant sind.

15. Rollenmeißel nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Schneidelemente (24a) vorstehende Zähne aus Aluminiumoxid, Hartmetall oder kubischem Bornitrid sind.

16. Rollenmeißel nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Schneidelemente (24a) kleine Diamantsplitter sind, die mit den Rippen (25a) verbunden sind.

17. Rollenmeißel nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Schneidelemente (24c) laminierte polykristalline Diamanten sind, die in die Rippen (25c) eingebettet sind.

18. Rollenmeißel nach einem der Ansprüche 2 bis 4, 13, 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (25, 25a, 25c) im Mittelteil eine Dicke haben, die größer als die Dicke an einem Endteil ist.

19. Rollenmeißel nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Rippen (25) längs einer Linie (52) mit einem sich kon­ tinuierlich ändernden Winkel weg von einer horizontalen geraden Linie erstrecken, welche die Enden (54) jedes Rollenkörpers (22) miteinander verbindet.