DE68910351T2

DE68910351T2 - Zusammenstellung von Schneideinsätzen für Drehbohrmeissel.

Info

Publication number: DE68910351T2
Application number: DE89302429T
Authority: DE
Inventors: Nigel Dennis Griffin
Original assignee: Camco Drilling Group Ltd
Current assignee: Camco Drilling Group Ltd
Priority date: 1988-03-11
Filing date: 1989-03-13
Publication date: 1994-02-24
Anticipated expiration: 2009-03-14
Also published as: EP0332474A1; ZA891836B; EP0332474B1; IE60967B1; GB2216577A; GB2216577B; GB8905593D0; GB8805789D0; US4947945A; IE890787L; DE68910351D1

Description

Die Erfindung betrifft Schneideinsatzanordnungen für Drehbohrmeißel zur Anwendung beim Bohren oder Kernbohren von Bohrlöchern in unterirdische Lagerstätten.
Die gattungsgemäßen Schneideinsatzanordnungen, die bei Drehbohrmeißeln zum Einsatz kommen, umfassen einen Meißelkörper, der einen Schaft zur Verbindung mit einem Bohrgestänge hat, sowie eine Vielzahl von Schneideinsatzanordnungen, die auf der Oberfläche des Meißelkörpers befestigt sind, und einen Durchgang im Meißelkörper zum Zuführen von Bohrfluid zur Oberfläche des Bohrmeißels, um die Schneidelemente zu reinigen und/oder zu kühlen. Jede Schneideinsatzanordnung umfaßt einen Schneidelementrohling, der auf einem Träger befestigt ist.
Eine gebräuchliche Form des Schniedelementrohlings umfaßt ein z. B. kreisrundes Formstück, das eine dünne harte Schneidschicht aus polykristallinem Diamant aufweist, die auf eine dickere, weniger harte Stützschicht aus gesintertem Wolframkarbid gebondet ist. Der Schneidelementrohling wird dann auf dem Träger z. B. durch ein als "LS-Bonding" bekanntes Verfahren befestigt.
Der Träger, welcher gewöhnlich eine im wesentlichen zylindrische Form hat, ist in einer Fassung in der Oberfläche des Meißelkörpers auf genommen. Der Meißelkörper selbst kann in spanender Bearbeitung aus Metall, gewöhnlich Stahl, hergestellt sein oder er dann durch ein pulvermetallurgisches Verfahren geformt sein. Bei bekannten Schneideinsatzanordnungen dieses Typs ist es üblich, daß der Träger aus gesintertem Wolframkarbid hergestellt wird, welches Eigenschaften besitzt, die es für diesen Zweck besonders geeignet erscheinen lassen. So zeigt es hohe Standfestigkeit, hohe Beständigkeit gegenüber Erosion, der solche Träger bei ihrem Einsatz ausgesetzt sind, und Hitzebeständigkeit. Auch liegt der Ausdehnungskoeffizient von Wolframkarbid hinlänglich nahe dem Ausdehnungskoeffizienten von polykristallinem Diamant, um die Differenzspannungen, welche auftreten können, wenn zwei Materialien miteinander gebondet werden, zu reduzieren. Jedoch haben einige der übrigen Eigenschaften von gesintertem Wolframkarbid bestimmte Nachteile.
Zum Beispiel hat gesintertes Wolframkarbid eine niedrige Zähigkeit (d. h. es ist vergleichsweise spröde) und dies kann zum Ausfall solcher Schneideinsatzanordnungen während ihres Einsatzes in der Folge von Stoßkräften auf die Anordnung führen. Auch entwickelt sich nach längerem Einsatz am Träger eine große Verschleißfläche und drückt auf die zu durchbohrende Formation. Dies führt, verursacht durch die hohe Abriebfestigkeit des Wolframkarbids und die Reibung zu einer hohen Hitzeentwicklung und daraus folgend zu einer Überhitzung und zum vorzeitigen Ausfall der polykristallinen Diamantschicht des Schneidelementrohlings. Das Zusammenwirken von niedrigen Zähigkeit und hoher Hitzeentwicklung verursacht auch Hitzerißbildung im aus Wolframkarbid bestehenden Trägermaterial mit der Folge des vorzeitigen Ausfalls des Bohrmeißels.
Entsprechend der Erfindung umfaßt die Schneideinsatzanordnung für einen Drehbohrmeißel einen Schneidelementrohling der auf einem Träger befestigt und dadurch gekennzeichnet ist, daß der Träger aus einem Material geformt ist, das aus mindestens ca. 50 % Wolframmetall besteht. Bevorzugt enthält das Material mindestens ca. 80 % Wolframmetall.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Träger aus einer Metallverbundgrundmasse gebildet, welche Wolframmetallteilchen in einer Metallbindephase enthält.
Die Metallverbundgrundmasse kann durch Sintern oder durch ein Auflagetränkungsverfahren oder durch Heißpressen gebildet werden.
Jedes geeignete Metall oder jede geeignete Metallegierung kann als Metallbindephase des Verbundes verwendet werden. Zum Beispiel kann jedes der folgenden Materialien geeignet sein: Cu, Co, Ni + Cu, Ni + Fe, Ni + Fe + Mo, Co + Ni.
In einer Ausführungsform der Erfindung hat die Metallverbundgrundmasse die folgende Zusammensetzung (Gewichtsprozente):
W 95 %
Ni 3,5 %
Fe 1,5 %
Die Verwendung einer Metallverbundgrundmasse der erwähnten Art für den Träger kann die oben beschriebenen Probleme bezüglich des vorhandenen gesinterten Wolframkarbidmaterials überwinden. Zusätzlich wurde festgestellt, daß das neue Material sogar fester als das gesinterte Wolframkarbid gegenüber einseitigen Biege- und Scherkräften ist, denen Schneideinsatzanordnungen beim Einsatz ausgesetzt sind.
In einer alternativen Ausführungsform entsprechend der Erfindung besteht das Material des Trägers aus thoriertem Wolfram, das sich aus Thoriumdioxid (z. B. ca. 2 %) und Wolframmetall als Stabilisierungsmaterial zusammensetzt.
Die Erfindung umfaßt innerhalb ihres Schutzumfanges Anordnungen, bei denen der Träger aus einer Metallverbundgrundmasse einschließlich Wolframmetall zusätzlich zu dem normalerweise verwendeten Wolframkarbid besteht. Es wurde festgestellt, daß das Vorhandensein eines Anteils von Wolframmetall in dem Verbund einige der Nachteile von reinem Wolframkarbid vermindert, wie das bereits oben erwähnt wurde.
In solchen Ausführungsformen der Erfindung sollen Wolframmetall und Wolframkarbid zusammen mindestens ca. 50 % des Materials umfassen, aus dem der Träger gebildet ist, und vorzugsweise mindestens ca. 80 %.
Die Metallverbundgrundmasse kann aus Wolframmetallteilchen und Wolframkarbidteilchen in einer Metallbindephase bestehen und kann durch Sintern, durch ein Auflagetränkungsverfahren oder durch Heißpressen eines Gemisches von pulverisiertem Wolframkarbid und Wolframmetall mit einem Katalysator, wie z. B. Kobalt, gebildet werden.
Der Träger kann die Form eines im wesentlichen zylindrischen Zapfens haben und das Schneidelement ist an der Endfläche des Zapfens und im allgemeinen koaxial zu diesem befestigt. Alternativ kann der Zapfen so geformt sein, daß die Ebene seiner Endfläche in einem Winkel von weniger als 90 Grad zur Längsachse des Zapfens geneigt ist und der Schneidelementrohling an der geneigten Fläche befestigt ist.
In den Bereich der Erfindung ist auch ein Drehbohrmeißel eingeschlossen, der einen Meißelkörper mit einem Schaft zur Verbindung mit einem Bohrgestänge besitzt und bei dem eine Vielzahl von Schneideinsatzanordnungen auf der Oberfläche des Meißelkörpers befestigt sind und ein Durchgang im Meißelkörper zur Zuführung eines Bohrfluides auf die Oberfläche des Bohrmeißels zur Reinigung und/oder zur Kühlung der Schneidelemente vorhanden ist.
In den Zeichnungen ist folgendes dargestellt:
Figur 1 zeigt eine Seitenansicht eines typischen Bohrmeißels, bei dem Schneideinsatzanordnungen entsprechend der Erfindung zum Einsatz kommen können,
Figur 2 zeigt eine Draufsicht auf das Ende des Bohrmeißels, der in Figur 1 dargestellt ist und
Figur 3 zeigt eine Seitenansicht einer für die Erfindung typischen Schneideinsatzanordnung.
Die Figuren 1 und 2 zeigen einen typischen Durchgangsbohrmeißel der Art, bei der Schneideinsatzanordnungen entsprechend der Erfindung einsetzbar sind. Der Meißelkörper 10 ist durch spanende Bearbeitung aus Stahl hergestellt und hat einen an einem Ende mit Gewinde versehenen Schaft 11 zum Anschluß an das Bohrgestänge. An der operativen Stirnseite 12 des Meißelkörpers sind eine Anzahl von Blättern 13 angeformt, die vom mittleren Bereich des Meißelkörpers radial nach außen hervorstehen, wobei die Blätter Schneideinsatzanordnungen 14 tragen, die entlang der Blattlänge beabstandet angebracht sind. Der Meißel hat einen Kalibrierabschnitt mit Führungskanten 16, die die Wände des Bohrloches berühren, um den Meißel im Bohrloch zu stabilisieren. Ein in der Mitte befindlicher Durchgang (nicht dargestellt) im Meißelkörper und im Schaft führt durch die Düsen 17 in der Stirnfläche 12 Bohrfluid in bekannter Weise zu.
Wie in Figur 3 im Detail dargestellt ist, umfaßt jede Schneideinsatzanordnung 14 einen Schneidelementrohling 18, der an einem Träger 19 in Form eines Zapfens befestigt ist, welcher in einer Fassung des Meißelkörpers sitzt. Jeder Schneidelementrohling hat die Form eines kreisrunden Flachzylinders mit einer dünnen Stirnschicht 20 aus polykristallinem Diamant, die auf eine Stützschicht 21 aufgebondet ist, wobei beide Schichten eine gleichförmige Dicke aufweisen. Die Rückseite der Stützschicht wird z. B. durch LS-Bonden auf die in geeigneter Weise ausgerichtete Oberfläche des Zapfens aufgebondet.
Es ist erkennbar, daß die Zeichnungen nur ein Beispiel der vielen möglichen Varianten von Meißel und Schneideinsatzanordnungstypen illustrieren, auf die die Erfindung anwendbar ist, und daß viele andere Anordnungen möglich sind. Zum Beispiel kann der Meißelkörper, anstatt daß er durch spanabhebende Bearbeitung aus Stahl hergestellt wird, aus einer Wolframkarbidgrundmasse, die mit einer Bindelegierung getränkt ist, geformt sein. Auch kann das Schneidelement, statt daß es aus einem zweischichtigen Rohling besteht, einen einheitlichen Körper aus thermisch stabilem polykristallinem Diamant-Material umfassen. Statt der dargestellten Ausbildung kann der Träger die Form eines im wesentlichen zylindrischen Zapfens aufweisen, wobei das kreisförmige Schneidelement an einer Endfläche des Zapfens, im allgemeinen koaxial zu diesem, angebracht ist.
In einer ersten bevorzugten Ausführungsform besteht der Träger aus einer Metallverbundgrundmasse mit den folgenden Anteilen (Gewichtsprozente):
W 95 %
Ni 3,5 %
Fe 1,5 %.
In diesem bevorzugten Beispiel ist der Anteil von Wolframmetall größer als 80 %, jedoch können geringere Anteile von Wolframmetall auch Vorteile bieten. Vorzugsweise enthält das Material jedoch mindestens ca. 50 % Wolframmetall.
Geringere Anteile von Wolframmetall können in dem Fall von Vorteil sein, wenn das Trägermaterial auch Wolframkarbid enthält, wie z. B. eine Metallverbundgrundmasse die aus Wolframmetallteilchen und Wolframkarbidteilchen in einer Metallbindephase besteht.
Wenn das Material Wolframkarbid enthält, machen Wolframmetall und Wolframkarbid zusammen vorzugsweise mindestens ca. 50 % und mehr, vorzugsweise 80 % des Materials aus, aus dem der Träger besteht. Wie in den vorangehenden Ausführungsbeispielen beschrieben, kann der Träger durch Sintern, Auflagetränkung oder Heißpressen geformt sein. Diese Verfahren sind bekannter Stand der Technik und werden deshalb nicht im Detail beschrieben.
Das gemischte Trägermaterial besteht vorzugsweise aus mindestens 50 % Wolframmetall und, in einigen Ausführungsformen, aus mindestens ca. 80 % Wolframmetall.
Die Verwendung eines Gemisches welches Wolframmetall entsprechend der Erfindung für den Träger enthält, kann das Bonden des Schneidelementes auf den Träger erleichtern.
Weiter oben wurde bereits erwähnt, daß sich das erfindungsgemäße Material im vergleich zu gesintertem Wolframkarbid als fester erwiesen hat, wenn es einseitigen Biege-/Scherkräften ausgesetzt ist. Laborauswertungen zeigen, daß sich ein Normstab aus einer Wolframmetallmischung von 16 mm Durchmesser, der in einer hochfesten Stahlbefestigung gehalten wird, wenn er einer Scherbelastung ausgesetzt ist, sich beim selben Kräftepegel plastisch zu verformen beginnt, bei dem ein gleicher Stab aus gesintertem Wolframkarbid bricht. Der Bruch des Wolframmetallgemisches erfolgt bei 30 % höheren Kräften als jenen, bei denen Wolframkarbid bricht, und dies geschieht in einer geschmeidigen Art und Weise nach beträchtlicher plastischer Verformung. Diese Eigenschaften sind in der Umgebung, in welcher solche Schneideinsatzanordnungen arbeiten, vorteilhaft.

Claims

1. Zusammenbau von Schneideeinsätzen für einen Drehbohrmeissel, mit einem Schneideelementrohling (18), welcher auf einem Träger (19) montiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger aus einem Material geformt ist, welches mindestens etwa 50% Wolframmetall enthält.

2. Zusammenbau von Schneideeinsätzen nach Anspruch 1, bei dem das Material, aus welchem der Träger (19) geformt ist, mindestens etwa 80% Wolframmetall enthält.

3. Zusammenbau von Schneideeinsätzen nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Träger (19) aus einer Metallverbundgrundmasse gebildet ist, welche Wolframmetallteilchen in einer Metallbindephase enthält.

4. Zusammenbau von Schneideeinsätzen nach Anspruch 3, bei welchem die Metallverbundgrundmasse durch Sintern gebildet ist.

5. Zusammenbau von Schneideeinsätzen nach Anspruch 3, bei welchem die Metallverbundgrundmasse durch ein Auflagetränkungsverfahren hergestellt wird.

6. Zusammenbau von Schneideeinsätzen nach einem der Ansprüche 3 bis 5, bei welchem das Material der Metallbindephase ausgewählt wurde aus Cu, Co, Ni + Cu, Ni + Fe, Ni + Fe + Mo, Co + Ni.

7. Zusammenbau von Schneideeinsätzen nach Anspruch 3, bei welchem die Metallverbundgrundmasse die folgende Zusammensetzung (in Gewichtsprozenten) hat:

W 95%

Ni 3,5%

Fe 1,5%.

8. Zusammenbau von Schneideeinsätzen nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem das Material des Trägers (19) thorierter Wolfram ist, welches aus Thoriumdioxyd und Wolframmetall als Füllmaterial besteht.

9. Zusammenbau von Schneideeinsätzen nach Anspruch 8, bei welchem das thorierte Wolfram etwa 2% Thoriumdioxyd enthält.

10. Zusammenbau von Schneideeinsätzen nach Anspruch 1, bei welchem der Träger (19) aus einer Metallverbundgrundmasse, bestehend aus Wolframmetall und Wolframkarbid, gebildet ist.

11. Zusammenbau von Schneideeinsätzen nach Anspruch 10, bei welchem das Wolframmetall und Wolframkarbid zusammen mindestens etwa 50% des Materials bilden, aus welchem der Träger (19) geformt ist.

12. Zusammenbau von Schneideeinsätzen nach Anspruch 10, bei welchem das Wolframmetall und Wolframkarbid zusammen mindestens etwa 80% des Materials bilden, aus welchem der Träger (19) geformt ist.

13. Zusammenbau von Schneideeinsätzen nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei welchem der Träger (19) aus einer Metallverbundgrundmasse, bestehend aus Wolframmetallteilchen und Wolframkarbidteilchen in einer Metallbindephase, gebildet ist.

14. Zusammenbau von Schneideeinsätzen nach Anspruch 13, bei welchem die Metallverbundgrundmasse durch Sintern geformt ist.

15. Zusammenbau von Schneideeinsätzen nach Anspruch 13, bei welchem die Metallverbundgrundmasse durch ein Auflagetränkungsverfahren hergestellt ist.

16. Zusammenbau von Schneideeinsätzen nach Anspruch 13, bei welchem der Träger (19) durch Warmpressen einer Mischung aus pulverförmigem Wolframkarbid und metallischem Wolfram mit einem Katalysatormaterial geformt ist.

17. Zusammenbau von Schneideeinsätzen nach Anspruch 16, bei welchem das Katalysatormaterial Kobalt ist.

18. Zusammenbau von Schneideeinsätzen nach einem der Ansprüche 1 bis 17, bei welchem der Träger (19) die Form eines allgemein zylindrischen Zapfens hat, wobei das Schneideelement auf einer Endfläche des Zapfens im wesentlichen montiert ist.

19. Zusammenbau von Schneideeinsätzen nach einem der Ansprüche 1 bis 18, bei welchem der Träger (19) die Form eines Zapfens hat, welcher an einem seiner Enden mit einer ebenen Fläche versehen ist, welche einen Winkel von weniger als 90º mit der Längsachse des Zapfens bildet, wobei der Schneideelementrohling (l8) auf der geneigten Fläche montiert ist.

20. Drehbohrmeissel mit einem Meisselkörper (10), welcher einen Schaft (11) zur Verbindung mit einem Bohrgestänge hat, mehreren an der Oberfläche des Meisselkörpers montierten Zusammenbaue für Schneideelemente (14), und einem Durchgang in dem Meisselkörper zum Zuführen eines Bohrfluidums an die Oberfläche des Bohrmeissels, um die Schneideelemente zu reinigen und/oder zu kühlen, wobei wenigstens einige der Zusammenbaue (14) von Schneideelementen in Uebereinstimmung mit einem Ansprüche 1 bis 19 sind.