DE60109872T2 - PDC-Bohrkopf mit spannungsvermindernder Nut - Google Patents

PDC-Bohrkopf mit spannungsvermindernder Nut Download PDF

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Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Meißel mit feststehenden Schneiden zum Bohren von Bohrlöchern durch Erdformationen. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf Strukturen sowie Herstellungsverfahren von Legierungskörpern für Bohrmeißel aus polykristallinem Diamant.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Zu den Bohrmeißeln mit feststehenden Schneiden nach dem Stand der Technik gehören Meißel aus polykristallinem Diamant (PDC). Der typische PDC-Meißel umfasst einen Meißelkörper, der aus pulverisiertem Wolframcarbid besteht, welches in einer geeigneten Form mit einer Binderlegierung infiltriert wird.
  • Die speziellen Materialien zum Bilden der PDC-Meißelkörper sind so ausgewählt, um eine hinreichende Festigkeit zu erreichen während gleichzeitig eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen Abrieb- und Erosionsverschleiß gegeben ist. Die Schneidelemente für diese Meißel werden typischerweise aus einem zylindrischen „Rohling" oder einem Substrat aus Wolframcarbid hergestellt. Ein Diamant-"Tisch" bestehend aus verschiedenen Arten von natürlichem und/oder synthetischem Diamant ist an dem Substrat befestigt. Das Substrat wird danach üblicherweise mit dem Meißelkörper an einer bestimmten Stelle an der Oberfläche des Körpers verlötet oder anderweitig verbunden.
  • Die zur Herstellung von PDC-Meißelkörpern verwendeten Materialien sind, um verschleißresistent zu sein, sehr hart und entsprechend schwer zu bearbeiten. Daher werden typischerweise die ausgewählten Stellen, an denen die PDC-Schneidelemente an dem Meißelkörper befestigt werden, während des Herstellungsprozesses des Bohrmeißels in ihre endgültige Form gebracht. Es ist allgemeine Praxis, beim Formen von PDC-Meißelkörpern in der Form an jeder der zu bildenden Schneiden-Montagestellen ein Formelement, auch "Schieber" genannt, anzuordnen. Ein Schieber ist üblicherweise ein kleiner Zylinder, der aus Graphit oder einem anderen hitzebeständigen Material besteht und in der Form jeweils an den Stellen, an denen sich eine PDC-Schneide am fertigen Bohrmeißel befinden soll, befestigt wird. Der Schieber bildet die Form der Schneiden-Montagestellen während des Formprozesses des Meißelkörpers. Hierzu wird beispielsweise auf die auf Fang ausgestellte US-Patentschrift Nr. 5,662,183 verwiesen, die das Infiltrierungs-Formverfahren unter Verwendung von Schiebern beschreibt.
  • Das Dokument US-A-5,373,908 aus dem Stand der Technik offenbart eine Schneidenstruktur, die bei einem Rotary-Bohrmeißel verwendet wird und die konfiguriert ist, um Spannungskräfte zu reduzieren, die sich im Verbindungsbereich zwischen einem segmentierten PDC-Schneidelement und dem Trägerelement, mit dem es verbunden ist, konzentrieren.
  • Die aus dem Stand der Technik bekannten PDC-Bohrmeißel sind dem Bruchversagen des Diamanttisches und/oder dem Ablösen des Diamanttisches von dem Substrat während des Bohrbetriebs unterworfen. Ein Grund für derartige Fehler ist der Presskontakt zwischen dem äußeren Bereich des Diamanttisches und der benachbarten Oberfläche des Meißelkörpers bei Bohrbelastung. Eine aus dem Stand der Technik bekannte Lösung dieses Problems liegt in der Anbringung der Schneidelemente derart, dass im Wesentlichen die gesamte Dicke des Diamanttisches nach außen über die Oberfläche des Meißelkörpers vorsteht. Obwohl bei dieser Lösung die Fehlerhäufigkeit des Diamanttisches verringert ist, kann, wenn der Diamanttisch über den Meißelkörper nach außen vorsteht, ein ungleichmäßiges oder turbulentes Strömen des Bohrfluids hinter den Schneidelementen am Meißel verursacht werden. Wie bekannt ist, bewirkt diese turbulente Strömung, dass neben anderen Nachteilen bei dieser PDC-Meißelstruktur die Schneidenbefestigung erodiert und sich die Verbindung zwischen den Schneiden und dem Meißelkörper löst. Vorzugsweise sind die PDC-Schneiden so angebracht, dass sie mit der Außenfläche der Montagestelle am Meißelkörper im Wesentlichen bündig sind.
  • Es besteht nach wie vor das Bedürfnis nach einer Struktur für einen PDC-Meißelkörper, bei der die Fehlerhäufigkeit des Diamanttisches reduziert ist und gleichzeitig die Vorteile der bündigen Anbringung der Schneiden am Meißelkörper beibehalten werden.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Ein Aspekt betrifft ein Verfahren zum Formen eines Bohrmeißelkörpers umfassend das Infiltrieren von pulverisiertem Wolframcarbid mit einer Binderlegierung in einer Form. Die Form weist innen wenigstens einen Schieber auf, der dazu ausgelegt ist, eine Montagefläche für ein Schneidelement zu formen. Der Schieber umfasst einen im Wesentlichen zylindrischen Körper mit einem Durchmesser, der so gewählt ist, dass er mit einem Radius des Schneidelements im Wesentlichen übereinstimmt, und einen Vorsprung, der dazu ausgelegt ist, eine Entspannungsnut unter einer Position eines Diamanttisches, der einen Teil des Schneidelements bildet, zu formen, wenn das Schneidelement an der Fläche montiert ist. Die Breite der Entspannungsnut ist so gewählt, dass sich die Entspannungsnut von einer Außenfläche des Meißelkörpers um wenigstens in etwa 40% des Abschnitts der Dicke des Diamanttisches, der nicht über die Außenfläche vorsteht, nach hinten erstreckt.
  • Ein weiterer Aspekt betrifft einen Bohrmeißelkörper aufweisend einen Hauptkörper mit wenigstens einer darin ausgebildeten Klinge und wenigstens einer Montagefläche für ein Schneidelement, die an der wenigstens einen Klinge ausgebildet ist. Die Montagefläche kann ein Substrat eines Schneidelements aufnehmen. In der Montagefläche befindet sich eine Entspannungsnut unter einer Position eines Diamanttisches in dem Schneidelement, wenn das Schneidelement an der Fläche angebracht ist. Die Breite der Entspannungsnut ist so gewählt, dass sich die Entspannungsnut von einer Außenfläche der Klinge über wenigstens in etwa 40% des Abschnitts der Dicke des Diamanttisches, der nicht über die Außenfläche vorsteht, nach hinten erstreckt.
  • Weitere Aspekte und Vorteile ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • 1 zeigt eine Seitenansicht eines Beispiels für einen Schieber, der gemäß der Erfindung hergestellt ist;
  • 2 zeigt eine Endansicht eines Schiebers wie in 1 gezeigt;
  • 3 zeigt eine Ansicht im Schnitt eines Bohrmeißelkörpers mit einem Schneidelement, das an einer Montagefläche, die gemäß der Erfindung hergestellt ist, angebracht ist; und
  • 4 zeigt ein Beispiel eines PDC-Bohrmeißels, der gemäß der Erfindung hergestellt ist.
  • Genaue Beschreibung
  • Ein Matrixbohrmeißelkörper für einen Meißel mit feststehenden Schneiden gemäß den verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung kann aus pulverisiertem Wolframcarbid, das in einer entsprechend ausgestalteten Form mit einer Binderlegierung infiltriert wird, oder auf eine andere Weise hergestellt werden. Hierzu wird beispielsweise auf das auf Fang ausgestellte US-Patent Nr. 5,662,183 verwiesen. Das in dem Fang '183-Patent beschriebene Verfahren zur Herstellung eines Meißelkörpers umfasst insbesondere das Einbringen von Stempeln, auch "Schieber" genannt, an Stellen um den Meißelkörper, an denen Schneidelemente an dem fertigen Meißelkörper angebracht werden sollen. Die Stellen, an denen Schneidelemente angebracht werden sollen, werden hierin aus Gründen der Einfachheit als "Montageflächen" bezeichnet.
  • Bei einem gemäß der Erfindung hergestellten Bohrmeißelkörper werden die Schieber während des Herstellungsprozesses des Körpers eingebracht, um Montageflächen für die Schneidelemente zu bilden. Ein Beispiel eines Schiebers gemäß eines Aspektes der vorliegenden Erfindung ist in 1 gezeigt. Der Schieber 10 ist bei dieser Ausführungsform ein im Wesentlichen zylindrischer Körper mit einer bestimmten Länge, die durch das Bezugszeichen L angegeben ist, einem Durchmesser, der durch das Bezugszeichen D angegeben ist, und einem Vorsprung 12 einer bestimmten Breite W an einem Ende. Die Länge L und der Durchmesser D sind so gewählt, um eine (nicht in der 1 gezeigte) Montagefläche an dem (nicht in 1 gezeigten) fertigen Meißelkörper zu bilden, die entsprechende Abmessungen hat, um ein bestimmtes (nicht in 1 gezeigtes) Schneidelement anbringen zu können. Typischerweise ist das an der Montagefläche befestigte (nicht in 1 gezeigte) Schneidelement ein polykristalliner Diamanteinsatz. Der Vorsprung 12 hat bei dieser Ausführungsform eine im Wesentlichen zylindrische Form und erstreckt sich seitlich über die Außenfläche 10A von dem Hauptkörper des Schiebers 10 über in etwa 0,025 Zoll (0,63 mm) bei dieser Ausführungsform. Der Schieber 10 ist an der (nicht in 1 gezeigten) Form so angebracht, dass die Montagefläche mit einer (nicht in 1 gezeigten) Ausnehmung oder einer Entspannungsnut gebildet wird, die sich unter einem Diamanttisch befindet, der einen Teil des an der Montagefläche befestigten Schneidelements bildet. Die Position der Entspannungsnut und des Diamanttisches wird im Folgenden näher beschrieben.
  • Der Schieber des Beispiels ist in 2 in einer Endansicht gezeigt, in der die Ausgestaltung und die seitliche Erstreckung des Vorsprungs 12 zu sehen sind. Bei dieser Ausführungsform hat der Vorsprung 12 eine Hauptfläche 12A, die sich seitlich von der Fläche (10A in 1) des Schiebers in etwa über 0,025 Zoll (0,63 mm) erstreckt und im Wesentlichen konzentrisch mit der Fläche (10A in 1) des Schiebers 10 zwischen den Punkten A und B ist. Die Übergangsflächen, die zwischen dem Endpunkt A und dem Punkt C1 und zwischen dem Endpunkt B und dem Punkt C2 am Umfang des Schiebers 10 gebildet sind, können so geformt sein, dass sich sie nach und nach dem Radius der Außenfläche des Vorsprungs 12 anpassen, um mit dem Radius der Hauptfläche 10A des Schiebers 10 übereinzustimmen. Typischerweise sind die Punkte C1 und C2 um in etwa 180° voneinander beabstandet, so dass sich die Entspannungsnut, die in der Montagefläche gebildet ist, über 180° erstreckt. Es sind jedoch auch andere Winkelabstände der Punkte C1 und C2 und der Endpunkte A und B bei der Erfindung möglich.
  • Der Schieber 10 kann aus Graphit oder irgendeinem anderen geeigneten Material hergestellt sein, welches zum Formen von Matrixkörpern verwendet wird. Die Anwendung von Gieß- oder Kaltpressverfahren kann vorteilhaft sein, da es möglich ist, den Schieber 10 zusammen mit dem Vorsprung 12 daran einstückig zu bilden.
  • Wie in dem Fang '183 Patent beschrieben, wird, nachdem die Schieber an den ausgewählten Stellen in der Form eingesetzt wurden, pulverisiertes Wolframcarbid in die Form eingebracht und anschließend mit einer Binderlegierung infiltriert. Typischerweise umfasst der somit hergestellte Bohrkronenkörper "Klingen", von denen jede eine oder mehrere durch die Schieber gebildete Montageflächen aufweist.
  • Ein Klingenabschnitt eines Bohrmeißelkörpers, der unter Verwendung eines Schiebers, wie z.B. in den 1 und 2 gezeigt, hergestellt wurde, ist in der Querschnittsdarstellung in 3 gezeigt. Die Klinge 24 weist eine Montagefläche 25 in der Form des Schiebers (10 in 1) auf. Wie zuvor beschrieben, wird der Radius der Montagefläche 25 durch den Durchmesser (D in 1) des Schiebers festgelegt. Typischerweise ist dieser Radius so gewählt, dass er mit dem Radius des daran befestigten Schneidelements übereinstimmt. Wie in 3 gezeigt, wird eine Entspannungsnut 26 in der Montagefläche 25 gebildet, indem der Schieber (10 in 1) in der Form so angeordnet wird, dass der Vorsprung (12 in 1) bezüglich der Klinge 24 in Richtung nach außen und in Richtung nach unten positioniert ist. Es ist ein an der Fläche 25 angebrachtes Schneidelement gezeigt, das aus einem an einem Substrat 22 befestigten Diamanttisch 20 besteht. Typischerweise besteht das Substrat 22 aus Wolframcarbid oder einem ähnlichen harten Material. Der Diamantisch 20 kann in einer nach dem Stand der Technik bekannten Art und Weise zur Herstellung von Diamanttischen für Bohrmeißel mit feststehenden Schneiden hergestellt werden. Das Schneidelement wird typischerweise mit der Klinge 24 verbunden, indem das Substrat 22 mit der Klinge 24 verlötet wird.
  • Bei dieser Ausführungsform steht der Diamanttisch 20 in Längsrichtung über die Oberfläche der Klinge 24 um eine mit dem Bezugszeichen E angegebene Länge vor. Der Diamanttisch 22 hat eine Dicke Z, die neben anderen Faktoren auf Grundlage des Durchmessers des Schneidelements und der beabsichtigten Verwendung des speziellen Bohrmeißels ausgewählt ist. Es hat sich herausgestellt, dass die Bruchhäufigkeit des Diamanttisches wirksam verringert ist, wenn die Breite X der Entspannungsnut 26 so gewählt wird, dass sich die Entspannungsnut 26 von der Oberfläche der Klinge 24 über wenigstens in etwa 40% des Abschnitts (Z – E) der Dicke Z des Diamanttisches, die nicht über die Kante der Klinge 24 vorsteht, nach hinten erstreckt. Mathematisch ausgedrückt: X/(Z – E) ≥ 0,40
  • Bei dem in 3 gezeigten Beispiel beträgt die Dicke Z des Diamanttisches in etwa 0,110 Zoll (2,8 mm) und eine Verlängerung E der Außenfläche des Diamanttisches 22 hinter der Kante der Klinge 24 beträgt in etwa 0,040 Zoll (1 mm). Die Breite X der Entspannungsnut 25 sollte daher größer oder gleich in etwa 0,028 Zoll (0,7 mm) sein. Wie zuvor beschrieben, kann die Breite Z der Entspannungsnut 25 durch ein geeignetes Auswählen der Breite (W in 1) des Vorsprungs (12 in 1) am Schieber bestimmt werden.
  • Vorzugsweise beträgt die Tiefe der Entspannungsnut 25 in etwa 0,025 Zoll (0,6 mm). Wie zuvor beschrieben, kann diese Tiefe im Meißelkörper an der Stelle einer oder sämtlicher Montageflächen 24 gebildet werden, indem der Schieber (10 in 2) so angeordnet wird, dass der Vorsprung (12 in 2) über die Hauptfläche (10A in 2) in etwa um 0,025 Zoll (0,6 mm) vorsteht.
  • Bei dem gemäß der Erfindung hergestellten Bohrmeißelkörper wird ein Schieber, wie z.B. in den 1 und 2 gezeigt, in der Form an jeder Stelle angeordnet, an der ein Schneidelement angebracht werden soll. Jede Montagefläche, die somit in dem Meißelkörper gebildet wird, weist folglich eine Entspannungsnut auf, wie beispielsweise in 3 gezeigt. Ein Beispiel für einen PDC-Bohrmeißel, der gemäß der Erfindung hergestellt ist, ist in 4 gezeigt. Der Meißelkörper 100 weist mehrere Klingen 110 auf. Jede der Klingen 110 weist, an Montageflächen montiert, ein (gemäß 3 geformtes) PDC-Schneidelement 112 auf. Jedes PDC-Schneidelement 112 umfasst einen Diamanttisch 113, der an einem Wolframcarbidsubstrat 114 befestigt ist. Der Meißelkörper 100 umfasst in geeigneter Weise positionierte Ausströmöffnungen oder "Düsen" 120, um das Bohrfluid in bestimmten Richtungen und mit einer bestimmten Durchflussrate abzuleiten.
  • Die vorhergehenden Ausführungsformen der Erfindung beziehen sich auf Meißelkörper, die durch das Infiltrieren von pulverisiertem Wolframcarbid mit einer Binderlegierung in einer geeigneten Form hergestellt werden. Bei anderen Ausführungsformen der Erfindung kann ein Meißelkörper, wie z.B. der in 4 mit dem Bezugszeichen 100 angegebene, aus Stahl oder einer anderen Legierung hergestellt und maschinell bearbeitet oder anderweitig unter Verwendung herkömmlicher Bearbeitungs- und/oder Schleifgeräte zugeschnitten und endbearbeitet sein. Bei dieser Ausführungsform wird ein Bohrmeißel-"Rohling" z.B. durch das Gießen oder Kaltpressen grob geformt und so endbearbeitet, dass wenigstens eine der Klingen 110 eine Montagefläche für Schneidelemente hat. Bei dieser Ausführungsform und wieder bezugnehmend auf 3 sind die Montageflächen 25 durch Schleifen oder Bearbeiten mit einer Entspannungsnut 26 versehen. Bei den Ausführungsformen der Erfindung mit einem Meißelkörper, der aus einem Meißelkörperrohling endbearbeitet wird, können die Entspannungsnuten 26 irgendeine geeignete Breite aufweisen, haben jedoch in etwa dieselbe Breite wie bei den vorhergehenden Ausführungsformen mit infiltrationsgeformten Meißelkörpern.
  • Ein gemäß der Erfindung hergestellter Bohrmeißel weist eine geringere Bruchhäufigkeit des Diamanttisches an den Schneidelementen gegenüber den Bohrmeißeln nach dem Stand der Technik ohne solche Entspannungsnuten auf. Derartige Meißel ermöglichen eine längere Lebensdauer und reduzierte Bohrkosten.
  • Obwohl die Erfindung in Bezug auf eine begrenzte Anzahl von Ausführungsformen beschrieben wurde, ist dem Fachmann auf dem Gebiet klar, dass andere Ausführungsformen möglich sind, die den Schutzbereich der hierin offenbarten Erfindung nicht verlassen. Folglich ist der Schutzbereich der Erfindung ausschließlich durch die beigefügten Ansprüche festgelegt.

Claims (12)

  1. Verfahren zum Formen eines Bohrmeißelkörpers durch das Infiltrieren von Wolframcarbid mit einer Binderlegierung in einer Form, dadurch gekennzeichnet, dass die Form innen wenigstens einen Schieber (10) aufweist, der dazu ausgelegt ist, eine Montagefläche (25) für ein Schneidelement zu formen, wobei der Schieber (10) einen im Wesentlichen zylindrischen Körper umfasst, dessen Durchmesser so gewählt ist, dass er sich im Wesentlichen an einen Radius des Schneidelementes anpasst, sowie einen Vorsprung (12) aufweist, der dazu ausgelegt ist, eine Entspannungsnut (26) unter einer Position eines Diamanttisches in dem Schneidelement zu bilden, wenn das Schneidelement auf der Fläche montiert ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Schneidelement ein Wolframcarbidsubstrat (22) umfasst, wobei das Substrat (22) mit der Montagefläche (25) verlötet ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem wenigstens ein Schieber (10) ein gießbares Material aufweist, das als einzelner Körper ausgebildet ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem sich der Vorsprung (12) über eine Außenfläche des Abstandshalters (10) um ungefähr 0,63 mm hinaus erstreckt (0,025 Zoll).
  5. Bohrmeißelkörper mit einem Hauptkörper, in welchem wenigstens eine Klinge (24) ausgebildet ist, sowie wenigstens einer Schneidelementmontagefläche (25), die an der wenigstens einen Klinge (24) ausgebildet ist, wobei die Montagefläche (25) ein Substrat (22) eines Schneidelements aufnehmen kann, und die Montagefläche (25) mit einer Entspannungsnut (26) unter einer Position einer Diamantfläche (20) in dem Schneidelement versehen ist, wenn das Schneidelement auf der Fläche montiert ist.
  6. Bohrmeißelkörper nach Anspruch 5, bei dem der Meißelkörper aus Wolframcarbidpulver, welches mit einer Binderlegierung infiltriert ist, besteht.
  7. Bohrmeißelkörper nach Anspruch 5, bei dem die Entspannungsnut (26) eine Tiefe von 0,63 mm (0,025 Zoll) hat.
  8. Bohrmeißelkörper nach Anspruch 5, weiterhin umfassend wenigstens ein Schneidelement (112), das auf der wenigstens einen Schneidelementmontagefläche (25) montiert ist.
  9. Bohrmeißelkörper nach Anspruch 5, bei dem die Breite der Entspannungsnut so ausgewählt ist, dass sich die Entspannungsnut (26) von einer Außenfläche der Klinge (24) um wenigstens in etwa 40 % desjenigen Abschnittes einer Dicke des Diamanttisches nach hinten erstreckt, der sich nicht über die Außenfläche hinaus erstreckt.
  10. Bohrmeißelkörper nach Anspruch 5, bei dem der Bohrmeißelkörper weiterhin einen bearbeiteten Meißelkörperrohling umfasst.
  11. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schieber (10) ein einziges Teil umfasst.
  12. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Breite der Entspannungsnut (26) so ausgewählt ist, dass sich die Entspannungsnut (26) von einer Außenfläche der Klinge (24) um wenigstens in etwa 40 % desjenigen Abschnittes einer Dicke des Diamanttisches (20) nach hinten erstreckt, der sich nicht über die Außenfläche hinaus erstreckt.
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