DE1954576A1

DE1954576A1 - Bohrmeissel fuer Erdbohrungen

Info

Publication number: DE1954576A1
Application number: DE19691954576
Authority: DE
Inventors: Abel C Cortes
Original assignee: Compagnie Francaise des Petroles SA
Current assignee: Total Compagnie Francaise des Petroles SA
Priority date: 1969-03-19
Filing date: 1969-10-30
Publication date: 1970-10-01
Also published as: PL74590B1; BE740959A; CH528008A; NL6919217A; DE1954576B2; DE1954576C3; GB1310883A; NL152053B; ES375650A1; YU33125B; YU3470A; SU547179A3; CS193458B2; BR7017010D0; FR2029963A5; RO58895A; US3696875A

Description

PATENTANWALT

7 STUTTGART 1, MOSERSTRASSE 8 · TELEFON (0711) 244003

28, Oktober 1969 / P - C 56 -

COMPAGNIE FRANCAISE DES PETROLES S.A. 5, rue Michel-Ange,.. Paris l6

(Frankreich)

Bohrmeißel für Erdbohrungen

Die Erfindung bezieht sich auf ein Werkzeug mit Diamantschneiden für beliebige Erd-bohrungen, das sich durch hohe Lebensdauer und große Schneidwirkung auszeichnet und dessen Konstruktion sowohl das Verschmieren oder Vollsetzen mit klebrigen Erden, Beschädigungen aufgrund von Stößen als auch einen schnellen Verschleiß vermeidet.

Man hat bereits Bohrmeißel mit seitlichen Diamantschneiden verwendet, um die Vortriebsgeschwindigkeit in bestimmten Gesteinsschichten und deren Verschleißfestigkeit zu steigern, und um die Häufigkeit des Auswechselns bzw. des Ab- und Anbaus des Bohrgestänges zu verringern. Die erheblichen Scher-

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Wirkungen, denen diese Schneiden ausgesetzt sind, führen jedoch zu Rissen im Schneidansatz, weshalb man den Schneiden einen besonderen Aufbau gegeben hat, bei dem sie aus einer Reihe aneinandergesetzter oder angestückter Blöcke bestehen, so daß beim Entstehen eines Haarrisses in einer Schneide oder selbst in dem Stahlkörper des Werkzeuges nur ein kleiner Abschnitt der betreffenden Schneide abbricht.

Um die Gefahr des Entstehens von Rissen aufgrund von Stoßbeanspruchungen bestimmter Schneidenabshnitte an der Bohrlochwandung weiter zu verringern, hat man die Standfestigkeit ^ der Werkzeuge um ihre Rotationsachse durch Füllteile vergrößert, die zwischen den Schneiden angeordnet sind und deren zylindrische Außenkontur die Werkzeugführung unterstützt. Diese Anordnung hat nicht nur die Unterdrückung oder Beseitigung seitlicher Stöße zum Vorteil, sondern führt auch zu einer Versteifung des gesamten Bohrersystems.

Dennoch verhindert dieser bekannte Bohrmeißel-Aufbau nicht die Stöße auf solche Schneidenbereiche, die außerhalb der seitlichen Teile der Werkzeuge liegen. Um einen sachgemäßen Umlauf bzw. Auslauf des Bohrschlamms oder der Spülflüssigkeit zu erreichen und um eine genaue Vorschubgeschwindigkeit einzuhalten, mußten in den zwischen den Schneiden angeordneten Füll- f stücken Düsenöffnungen angeordnet werden, die in der Nähe der seitlichen Bereiche des Werkzeuges münden.

Um die schnelle Abnutzung der Schneidenabschnitte zu kompensieren, die am Rand der seitlichen Bereiche des Werkzeuges liegen, hat man die Breite der Schneidenbereiche verstärkt, in denen Karbide, Boride oder Diamant-Partikel enthalten sind, d.h. die Angriffskanten der Schneiden, indem man diese Breite vom Mittelpunkt des Werkzeuges zum Umfang hin allmählich vergrößerte ,

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BAOOAGfNAL

Diese Verbesserungen konnten dennoch bisher nicht zu einem Bohrmeißel führen, der, ohne vorzeitig abgenutzt zu werden und ohne Beschädigung der Schneiden, beim Durchdringen verschiedener Gesteins- oder Erdschichten, in denen sowohl harter Fels als auch lehmige Erden enthalten sind, welche die Oberfläche des Werkzeuges verschmieren und vollsetzen, eine höhere Bohrgeschwindigkeit gewährleistet.

Ziel der Erfindung ist die Beseitigung vorgenannter Nachteile und die Schaffung eines Bohrwerkzeuges mit hohem Wirkungsgrad in Erdschichten von beliebigem Aufbau, das öffnungen für Spülschlamm oder -flüssigkeit aufweist· Erfindungsgemäß ist ein solches Werkzeug mit über seine gesamte Oberfläche verteilten Vorsprüngen versehen, die jeweils eine parallel zur Werkzeugachse gemessene, ein Mehrfaches der mittleren Breite betragende mittlere Höhe aufweisen, und die sowohl eine Schneidkante und wenigstens eine schneidende Umfangsfläche besitzen. Jeder Vorsprung ist wenigstens teilweise umgeben von einem vertieften Bereich, dessen Tiefe mindestens gleich groß wie die mittlere Höhe des Vorsprunges ist, wobei die vertieften Bereiche aufeinander folgen und somit einen Durchgang für losgerissenes oder Erdreich oder Gestein bilden.

Auf diese Weise entsteht ein Werkzeug, mit dem das Erdreich nicht nur durch die Umfangsfläche der Vorsprünge erfaßt wird, sondern auch noch durch deren AngriffSflanfcen, während die Polge der vertieften Bereiche, die jeweils wenigstens einen Abschnitt jeden Vor Sprunges umgrenzen, das Verschmieren oder VoUsetzen des Werkzeuges beim Durchbohren von klebendem Erdreich verhindern.

Zur Erhöhung des Wirkungsgrades des erfindungsgemäßen Werkzeuges werden für die Vorsprunge der Schneiden ausschließlich in dem Angriffsbereich Diamanten-Konkretionen verwendet, die in einer Masse eingebettet sind, die mindestens aus einem Kar-

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bid der Metalle Wolfram, Titan, Tantal, Chrom, Vanadiu, Niob, Molybden oder anderer abriebsfester Metalle besteht und ferner mindestens Kobalt, Nickel, Molybden oder ein anderes Metall enthält, das nach dem Stand der Sintertechnik üblicherweise verwendet wird. Die Schneiden sind über die gesamte Oberfläche des Werkzeuges zu konzentrischen und nebeneinander liegenden Gruppen angeordnet, d.h. zuGruppen, bei denen die Entfernungen der äußeren Ränder jeder Schneide einer Gruppe zur Werkzeugachse zwischen einem vorbestimmten Minimalabstand und einem Maximalabstand liegen, wobei der Minimalabstand der Schneidenränder einer Gruppe im wesentlichen gleich dem Maximalabstand der Schneidenränder der nächstbenachbarten Gruppe ist und wobei die Schneiden wenigstens einer Gruppe seitlich bezüglich der der Schneiden benachbarten Gruppe versetzt sind.

Ein derartiges Werkzeug behält seinen hohen Wirkungsgrad auch beim Durchbohren von lehmigen oder tonhaltigen Erdschichten bei, wogegen die bekannten Werkzeuge mit bereichsweise eingesetzten Diamanten sich vollsetzen oder verschmieren. Aber auch harte Gesteinsschichten lassen sich mit hoher Vorschubgeschwindigkeit durchbohren, und zwar aufgrund der Höhe der Vor Sprünge, deren Aufbau und den in den Angriffsflächen angeordneten Diamanten-Konkretionen.

Der Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen Werkzeuges in harten Gesteinsschthten läßt sich erfindungsgemäß weiter verbessern, wenn die mit Diamanten versehenen Schneiden eine schabend oder kratzend wirkende Angriffsfläche erhalten, die senkrecht zur Werkzeugachse verläuft. Die Schneiden sind in Gruppen unterteilt, die durch Schneiden gebildet werden, deren Angriffsflächen sich in der gleichen Ebene befinden, wobei eine Kante dieser Flächen die Angriffskante bildet, die bezüglich eines innerhalb der Ebene liegenden und die Werkzeugachse mit einem Ende der Angriffskante verbindenden Radialstrahles geneigt ist;

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jede Schneide besitzt ferner den gleichen senkrechten Freiwinkel.

Das vorteilhafte Arbeitsverhalten dieser konstruktionsmäßigen Weiterbildung beruht darauf, daß jede Schneide unter einem sehr starken Bohrdruck mit dem Ende der Angriffskante in das Gestein eindringt, daß die Angriffsfläche auf dem Gestein schabt, und daß das Gestein aufgrund der Druckentspannung nach dem Vorbeilauf der unter hohem Druck stehenden Schneide aufplatzt bzw. reißt.

Das Arbeitsverhalten des erfindungsgemäßen Bohrwerkzeuges beim Durchdringen von klebenden oder backenden Erdschichten wird dadurch verbessert, daß die Schneidengruppen konzentrisch unterteilt und die Schneiden derart angeordnet sind, daß bei in Arbeitsstellung befindlichem Werkzeug ihre Unterseiten innerhalb einer Gruppe auf der gleichen Höhe liegen, wobei, ausgehend von der Werkzeugachse, die Höhen der (aufeinanderfolgenden) Gruppen zunächst abnehmen und danach von der mittleren Gruppe bis zur konzentrischen Schneidengruppe am Umfang zunehmen. Die zwei benachbarten konzentrischen Gruppen zugehörenden Schneiden sind derart zueinander versetzt, daß sie im wesentlichen abgestuften und spiralförmig verlaufenden Fluchtlinien folgen. Diese Fluchtlinien sind so angeordnet, daß die Zwischenräume zwischen den Schneiden zweier aufeinanderfolgender Fluchtlinien von einer Schneidengruppe zur nächsten aneinander anschließen, um auf diese Weise den Ablauf des Bohrschlammes zum Werkzeugumfang zu ermöglichen. Auf diese Weise entsteht ein Werkzeug, bei dem die Anordnung der Schneiden und die Drehbewegung des Werkzeuges den Jtohrschlamm und das losgelöste Gestein zum Umfang des Werkzeuges hin befördern,

Um die Lebensdauer fies Werkzeuges zu steigern und eine erhöhte Widei'standsfestigkeLt. «egan Sfcoßbeanspruohungen zu erreichen, sind die Jeimelden .in Ihrer Basis und an der der Angriffsfläche entgegengesetzten, oolte mit Hintat^ tut siiagan oüer Vers

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bogen versehen. Die Schneiden werden durch Sinterung gebildet, wobei man von einer Zusammensetzung ausgeht, die mindestens ein Karbid der Metalle Wolfram, Titan, Tantal, Chrom, Vanatium, Niob, Molybden oder eines anderen abriebsfesten Metalls enthält und ferner mindestens Kobalt, Nickel, Molybden oder ein anders üblicherweise in der Sintertechnik verwendetes Metall, Im unteren Abschnitt (bei in Arbeitsstellung befindlichem Werkzeug) der Schneiden und an ihrem seitlichen radialen Abschnitt sind Diamant-Partikel in einer Tiefe zwischen 2 bis 20 Millimeter eingebettet. Der Werkzeugkörper besteht aus einer Zusammensetzung, die mindestens einen

^ der Stoffe Kobalt, Nickel, Molybden oder Wolframkarbid (WC

oder WC), Chromkarbid, Titankarbid, Tantalkarbid, Vanadiumkarbid oder Kiobkarbid enthält und die durch Einfiltrierung bzw« durch Einsickern ein Hartlot aufgenommen hat, das aus wenigstens zwei der folgenden Stoffe besteht: Kupfer, Nickel, Eisen, Zink, Zinn, Silber, Silizium, Bor, Mangan, Aluminium und Blei. Das Hartlot bildet 25 bis 6o Gewichtsprozent der getränkten bzw. durch das Hartlot gesinterten Zusammensetzung. Diese Kombination hat den Vorteil, daß die Schneiden eine große Zähigkeit erhalten, so daß eine Widerstandsfestigkeit gegen Stoßbeanspruchungen gegeben ist, ohne den Werkzeugkörper zu schwächen, während die Dicke der Schneiden verringert werden kann. Dadurch ergibt sich ein erhöhter Flächendruck bei der

f Berührung des Bohrgesteins, womit wiederum das Aufbrechen der Gesteine nach dem Vorbeilauf der Schneide erleichtert wird.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels mit weiteren Vorteilen und Merkmalen näher erläutert. Es zeigen

PIg. 1 eine schematische Draufsicht auf das Werkzeug nach der

Erfindung,

Pig, 2 einen Längsschnitt nach der Linie H-II in Pig» I, FIg > 3 einen Teilschnitt einer Schneide der Umfangsschneiden-

gruppe,

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Fig. 4 einen Schnitt durch eine an beliebiger Stelle vorgeseime Schneide entsprechend einer parallel zu den Seitenflächen der Sehneide verlaufenden Ebene,

Fig. 5 bis 9 Längsschnitte durch das Werkzeug nach den Linien 0-A, 0-B, 0-C, 0-D und 0-E in Fig. 1 und

Fig.10 das Werkzeug in perspektivischer Darstellung.

Die Draufsicht auf den Bohrmeißel nach Fig. 1 zeigt die konzentrische Aufteilung der im Beispiel in Form von Vorsprüngen gewählten Schneiden zu konzentrischen Gruppen. Bei dieser Ausführungsform sind sechs Gruppen 1 bis 6 vorgesehen, in deren Bereichen jeweils Schneiden einer Gruppe liegen. Die Schneiden, beispielsweise die Schneide 7 der Gruppe 4, besitzen einen etwa rechteckförmigen Querschnitt, der senkrecht zur Achse des Werkzeuges verläuft. Der mit unterbrochenen Linien an der Stelle 8 gezeigte Umriß deutet den verstärkten Basisteil der Schneide 7 an, der in dem Werkzeugkörper 9 (Fig. 2) verankert ist.

Der Umriß des Werkzeugkörpers ist in Fig. 2 an der Stelle eingezeichnet. Eine öffnung 11 des Kanals 12, welche die Spülflüssigkeit in den mit dem Bohrgestänge in Verbindung stehenden inneren Bereich 30 der Bohrkrone führt, befindet sich in dem vertieften Abschnitt des Werkzeuges zwischen den Schneiden 14 und 15 der Gruppe 2 (Fig. 1).

In der gezeigten Stellung des Werkzeuges sind die Oberseiten dieser Schneiden sowie auch diejenige der Schneide 16 in gleicher Höhe entsprechend den Linien 17 in Fig. 2 angeordnet, während die unteren Abschnitte dieser Schneiden in den Werkzeugkörper entsprechend der Höhenlinie 18 eingesetzt sind.

Die Höhe der einzigen Schneide 19 der Gruppe 1(FIg. 1) zwischen den öffnungen 11 und 20 1st in Flg. 2 durch die Linie dargestellt.

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s —

Die Schneiden, deren senkrecht zur Achse des Werkzeuges liegende Angriffsfläche die größte Höhe haben bzw, am weitesten vorspringen, entsprechen den Schneiden der Gruppe J, beispielsweise die Schneide 22. Die Höhe deren Angriffsflächen ist an der Stelle 25 (Fig. 2) angegeben. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel sind diese Schneiden länger als die anderen Schneiden.

Von der Schneidengruppe 5 an nimmt die Höhe der Angriffsflächen der Schneiden der Gruppen 4, 5 und 6 entsprechend Fig« I ab, wie dies aus den Höhenlinien 24, 25 und 26 hervorgeht. Man erkennt aus Fig, 1, daß die Normalen an die Angriffskanten der Schneiden sämtlich bezüglich der Bewegungsrichtung (bzgl· der Tangente an einen Kreis durch den Fußpunkt der Normalen) geneigt verlaufen, entsprechend dem Pfeil J33 (Fig. 5).

Sämtliche Schneiden werden durch Sinterung hergestellt, wobei man ausgeht von einer Zusammensetzung, die mindestens ein Karbid folgender Metalle afweist: Wolfram, Titan, Tantal, Chrom, Vanadium, Niob, Molybden oder eines anderen abriebsfesten Metalls sowie mindestens entweder Kobalt, Nickel, Molybden oder ein anderes Metall, das im Zusammenhang mit der Sinterteohnlk allgemein verwendet wird.

Beispielsweise können folgende spezielle Zusammensetzungen verwendet werden:

1.) Wolframkarbid

Kobalt
2.) Wolframkarbid

Titankarbit

Kobalt
5.) Wolframkarbid

Titankarbid

TantalkarbM

Kobalt
4.) Cbromfcarbiä

Hiokel

50 bis 95 % 50 bis 6 % 40 bis 60 % 50 bis 50 %

4 bis 10 % 60 bis 85 %

4 bis 20 %

I nis 12 %

:> uia 15 % öo hl s 95 Ji

3 bis 20 %

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5.) Chromkarbid
Titankarbid
Niokel

6.) Titankarbid
Niobkarbid
Nickel
Molybden
Aluminium

7.) Titankarbid
Chrom
Nickel
Kobalt
Molybden

60 bis 80 % 10 bis 20 % 10 bis 20 % 20 bis 40 %

3 bis 10 % 30 bis 50 % 10 bis 20 % 10 bis 20 % 20 bis 40 %

7 Mf 20 % 50 bis 50 % 7 te. s 20 % 1 Ms 5 Si

Die Schneiden weisen einen senkrechten Freiwinkel 32 von ca, 10° auf, der demjenigen der in Fig. 3 gezeigten Schneide 27 der Gruppe 6 entspricht. Diese Schneiden sind den Umfangsabschnitten 28 benachbart, deren Außenflächen mit im Werkzeugkörper gefaßten Diamanten besetzt. Außer dieser Besonderheit haben die Schneiden im übrigen die gleichen Merkmale und wirken auf die zu durchbohrenden Erdschichten in der gleichen Weise ein. Die Schneidkante 29 dringt in das Erdreich ein, während die Oberfläche 30 einen starken Druck auf die von der Kante 29 angeschnittenen Schichten ausübt. Die Entspannung oder die Druckabnahme, die nach dem Vorbeilauf der Oberfläche 30 erfolgt, begünstigt das Zerbröckeln bzw. die Auflockerung der Erdschicht. Der hintere Versteifungsansatz 31, die Neigung der Schneidkante 29 und die Art des Aufbaus der Schneide führen aufgrund ihrer wechselseitigen Wirkungen zu einer erheblichen Steigerung der Widerstandsfestigkeit und Lebensdauer des Werkzeuges. Um eine Lockerung der Schneiden unter dem Einfluß von Stoßwirkungen auszuschließen, werden sie durch eine metallurgi~ sehe Einbettungsverbindung zum Zeitpunkt der Herstellung des Werkzeuges in diesen verankert, dessen Körper aus einer Zusammensetzung besteht, die mindestens einen der folgenden Stoffe enthält: Kobalt, Nickel, Molybden, Wolframkarbid (WC oder W₂C), Chromkarbid, Titankarbid, Tantalkarbid, Vanadiumkarbid, Niobkarbid und in die ein Hartlötmittel eingebracht wird. Nachdem man die Schneiden in der angegebenen Zusammensetzung in eine Form gefüllt hat, wird diese Anordnung auf eine Temperatur gebracht, bei der das Hartlot schmilzt. Auf diese Weise entsteht ein Werkzeug, dessen mit Hartlot getränkter Körper eine vollkommene Einbettung der Schneiden sicherstellt. Der Sintervorgang läßt sich noch verbessern, wenn man vor dem Aufheizen Über den Werkzeugkörper ein Hartlötmittel anbringt, das nach der Bildung des Werkzeuges beseitigt wird. Das eingedrungene Hartlötmittel macht etwa 25 bis 6o Gewichtsprozent der aus Karbiden und weiteren Metallen wie Molybden, Nickel und Kobalt bestehenden Zusammensetzung aus·

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BAD ORtQIMAL

Als nicht einscnränkend zu verstehende Beispiele können insbesondere folgende Zusammensetzungen Anwendung finden:

ι.)	Wolframkarbid WC	bis	100 %
	Wolframkarbid W₂C	bis	0 %
2.)	Wolframkarbid WC	bis	30 %
	Wolframkarbid W₂C	bis	85 %
	Itankarbid	bis	15 #
	Tantalkarbid	bis	8 %
	Wolframkarbid s	bis	98 %
	Kobalt j	bis	2 £
*0	Chromkarbid Cr-*C₂ i	bis	98 %
	Nickeil :	bis	2 %
: 0
ί 100
! 10
: 45
! 4
: 2
60
40
όθ
40

Als Hartlot kommen beispielsweise folgende Zusammensetzungen zur Anwendung;

1·) Kupfer ί 30 bis 50 %

Nickel j 5 bis 25 %

Zink : 30 bis 50 %

Eisen : 1 bis 2 %

2.) Kupfer i 25 bis 85 %

Zinr j 8 bis 30 %

Nickel : 3 bis 60 %;

darüber hinaus binäre Kupfer-Silber-Zusammensetzungen, Kupfer-Siii oder Zinn-Blei oder auch eine Zusammensetzung aus Kupfer-Silizium-Bor-Mangan ·

Von den vorstehend angegebenen Beispielen für die Zusammen» Setzungen der Sohneiden und des Werkzeugkörpers kann selbstverotäaulioh abgewichen werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, indem bestimmte Stoffe zugefügt oder ersetze

üsrdiäui« B^i.&y.-iölsweiae könnten die oühneidea Molybdenk&rDi'l Wiihrend die Metalle, die mit den Karbiden in eine

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Λ O CL R 7 ^

> ν ν τ O / G

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Sinterung eintreten, folgende Zusammensetzung aufweisen könnten:

Kobalt-Melybden-Kuper; Eisen-Nickel-Chrom; Nickel-Kupfer; Nickel-Chrom; Nickel-Molybden; Kobalt-Molybden oder Kobalt-Chre?»

Der Radialschnitt durch eine beliebige Schneide, die in Fig. 4 dargestellt ist, zeigt den Aufbau der Schneiden und des Werkzeuges. Der Bereich 59* der aus Wolframkarbid besteht und beispielsweise mit Kobalt gesiüdert bzw« legiert ist_x enthält eine Diamant-Konkretion in der Zone 55» so daß die erforderliche Abriebsfestigkeit an den senkrecht zur Werkzeugachse stehenden Arbeitsflächen 56 vorhanden ist, auch an den Umfangs flächen 57. Die Zone 58, d.h. der Werkzeugkörper, besteht beispielsweise aus Wolframkarbid mit einem Hartlot einer der vorstehend angegebenen Zusammensetzungen.

Der Freiwinkel 32 bezüglich der Drehrichtung 33 des Werkzeuges entsprechend Fig* 3 der sämtlichen Schneiden gemeinsam ist, ermöglicht das Mitnehmen von losgelöstem Erdreich oder Gestein und dessen Anheben mit Hilfe des zirkulierenden Bohrschlamms in den freien Zwischenräumen zwischen den beiden benachbarten Fluchtlinien der Schneiden, die im wesentlichen stufen- und spiralförmig verlaufen, wie beispielsweise die Fluchtlinie für die Schneiden 34, 35, 36 und 22 einerseits und die Fluchtlinie für die Schneiden 37, 38, 39 und 40 andererseits. Um die Bedeutung dieser Zwischenräume zwischen zwei Fluchtlinien zu erläutern, sind in den Figuren 5 bis 9 Halbschnitte entsprechend den Schnittlinien 0-A, 0-B usw. nach Fig· I dargestellt.

In Fig. 5 ßind an der Stelle 19, 15, 41 und 34 die Kanten der in· Fig. 1 die gleichen Bezugszeichen tragenden Sohneiden gezeigt. Der Umriß dee Schnittes zwischen den Schneiden 4l und 34 zeigt die Erniedrigung der Oberfläche des Werkzeugkörpers zum Uragangsende der Fluchtlinie oder -flolge 34, 35, 36 22 hin.

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Ein ähnliches Profil besteht zwischen den Schneiden 42 und 43 des Schnittes 0-B (Pig. 6). Dieser Schnitt zeigt ferner die Vertiefung in der Werkzeugmitte, von der die einzige Schneide 19 der Gruppe 1 (Fig. 1) in der Nähe der öffnung und der Schneide 16 ausgeht.

Der Schnitt gemäß Fig. 7 nach der Linie 0-C veranschaulicht die Tiefe des freigelassenen Raumes neben der Werkzeugachse zwischen dem Bereich der Gruppe 1 und der zur Gruppe 3 gehörenden Schneide 22, wie auch zwischen dieser und der Schneide 37.

Fig· 8 zeigt einerseits das Profil bei einem Schnitt nach der Linie 0-D in Fig. 1 in der Höhe der öffnung 20 und andererseits das vertikale Abfallen der Außenfläche 45 des Werkzeugkörpers in der Verlängerung der Fluchtlinie 37, 38, 39 und radial außerhalb der Schneide 39. Diese vertikale Außenfläche befindet sich am Werkzeug zwischen den Umfangsschneiden 37 und 46.

Ein Vergleich der Figuren 7 und 9 (Schnitt 0-E) zeigt die starken Änderungen der Oberflächenneigung des Werkzeugkörpers bei geringfügiger Änderung der Richtung der Schnittebene von den entsprechenden Lagen in zwei einander gleichen Sektoren· Die geringfügige Neigung des Abschnittes 47 resultiert aus der Tatsache, daß der Schnitt 0-E Tangente an die Schneidkante der Schneide 4o bildet. Im Gegensatz dazu verläuft der die Schneide 49 radial nach außen begrenzende Abschnitt 48 wie im Fall der Flg. 8 senkrecht·

Die zwischen den im Umfangeriohtung aufeinanderfolgenden Fluchtlinien der stufenförmig und spiralförmig angeordneten Sohneiden gebildeten Zwischenräume haben während des Werkzeugbetriebes in lehm- oder tonhaltigem Boden eine sehr wichtige Funktion, indem sie das Abführen losgelöstem Erdreich

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ORIGINAL

erleichtern, das unter= der Einwirkung der in den vertieften Abschnitt des Werkzeuges hineingedrückten SpUIflüssigkeifc und der Rotation aus dem Wei'kzeug nach außen befördert wird*

Bei dem in Fig. 10 gezeigten Bohrmeißel sind die benachbarten in spiraligen gestuften Fluchtlinien oder -fügen angeordneter. Schneiden 22, 34, 35 und 36 einerseits und 37, 38, 39, sO andererseits sowie der sich daraus ergebende Verlauf der freien Zwischenräume dargestellt, wobei die Unterteilung der Schneiden erkennbar ist, die zu konzentrischen und benachbarten Gruppen gehören. Diese Zwischenräume sind an der Seite der Schneidkanten begrenzt 3urch im vesentü.i.chen vertikale, steil abfallende Flächen, £„B 5^A, die sich von is? Oberkante der Schneide 36 der Gruppe 4 herab bis auf die 112:10 der Oberseite der Schneiden der benachbarten übernächsten Gruppe erstreckt, d.h. in der Höhe der Oberseite der Echr-side 37 der Gruppe 6, während diase Zwischenräume an der gegenüber?legenden Seite der Schneiden durch die Abstützungen 52 und 53 begrenz werden, die zur Schneide 39 der Gruppe 4 \m& zur Schneide 3B der Gruppe 5 gehören. Zwischen den Schneiden 4o und 54 (Fig. 10} befindet sich die Vertiefung zur Unterbringung äsr Sahneiden der Gruppe 2 und 1, deren Oberseiten auf einer niedrigeren Höhe als diejenige der eine Schab» und Kratzwirkung ausübenden Arbeitsflächen der Schneiden (z.B. 22) der Gruppe J liegen«,

Obwohl in den Zeichnungen nur ein AuBführungsbeispiel gezeigt ist, können im Rahmen der Erfindung verschiedene Änderungen an Einzelheiten des Werkseugkörpers und der Schneiden vorgenommen werden. So können die Hinterstützungen 52 nur von einem Abschnitt der Schneide ausgehen, der bei in Bohrstellung betrachtetem Werkzeug wesentlich tiefer als die Abfassung liegt und die Verlängerung der Schneidkante der benachbarten Schneide der unmittelbar höheren Gruppe bildet. Die Basis des Werkzeugkörpers kann jede geeignete beliebige Form aufweisen, um seine

J 0 θ 3 4 0 / 11 4 2

... BAD ORIGINAL

Befestigimg an iem Bohrstangenstrang zu ermöglichen, und kami auch im Hinblick auf einen Anschluß an ein Zwisohenwerkzeug (z.B. Stoßdämpfer) angepaßt werden. Aus diesem Grund ist. der untere Abschnitt des Werkzeuges in Figo·2 auch nur abgebrochen dargestellt·

Die Anzahl der Schneiden oder Vorsprünge pro Flächeneinheit kann verschieden sein, wobei sich Breite, Länge und Höhe in Abhängigkeit von der Anzahl der Sehneiden oder Vor Sprünge· pro Flächeneinheit voneinander unterscheiden. Obwohl die Schneiden in den Figuren mit einer Abfassung an beiden Seiten der Angriffsfläche dargestellt sind, könnte man die Angriffsoberfläche noch weiter verringern und von Abschrägungen ganz; absehen.

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Claims

PATENTANWALT
7 STUTTGART 1, ..ÄOSERSTRASSE 8 . TELEFON (0711) 244003

COMPAGNIE PRANCAISE

DES PETROLES, Paris 28. Oktober I969 / P

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Patentansprüche

1. Bohrmeißel für Erdbohrungen durch beliebige Formationen bestehend aus einem Werkzeugkörper mit Schneidkanten und mit Austrittsöffnungen für Spülflüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß über die Oberfläche des Werkzeugkörpers (9) verteilt Vorsprünge (27) vorgesehen sind, deren parallel zur Werkzeugachse (o) gemessene mittlere Höhe einem Mehrfachen der mittleren Breite entspricht, und die sowohl eine Schneidkante (29) als auch mindestens eine auf die zu durchdringenden Erdschichten einwirkende Umfangsflache aufweisen, und daß Jeder Vorsprung wenigstens teilweise von einem vertieften Bereich umgeben 1st, dessen Tiefe wenigstens gleich der mittleren Höhe des Vorsprunges ist, wobei die vertieften Bereiche sich aneinander anschließen und einen Abführungsweg für losgelöstes Bohrgut bilden·

2» Werkzeug nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsprünge Schneiden sind, die ausschließlich in ihren Angriffsoder Eingriffsbereichen eine Diamant-Konkretlon enthalten, die in einer Masse eingebettet 1st, welche mindestens ein Karbid der Metalle Wolfram, Titan, Tantal, Chrom, Vanadium, Niob, Molybdän oder eines anderen abriebefesten Metalles .und darüber hinaus mindestens eines der folgenden Metalle t Kobalt, Nickel, Molybdän oder ein anderes für Sinterzwecke

übliches Metall enthält; daß ferner die Sohneiden über die gesamte Werkzeugoberfläche zu benachbarten konzentrischen Gruppen (1-6) angeordnet sind, bei denen die Abstände

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zwischen den Außenkanten der Schneiden einer Gruppe zur Werkzeugachse innerhalb des Bereiches eines vorbestimmten Minimalabstandes und eines Maximalabstandes liegen, wobei der Minimalabstand der Kanten der Schneiden einer Gruppe im wesentlichen gleich ist dem Maximalabstand der Kanten der Schneiden der radial nach innen nächst benachbarten Gruppe; und daß die Schneiden wenigstens einer Gruppe bezüglich der Schneiden benachbarter Gruppen seitlich versetzt sind.

J. Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsprünge mit Diamanten besetzte Schneiden sind, die eine durch Kratz- ater Schabwirkung auf das zu durchdringende Gestein einwirkende senkrecht zur Werkzeugachse gerichtete Angriffsfläche aufweisen, daß die Schneiden zu Gruppen angeordnet sind, in denen die Angriffsflächen der Schneiden in der gleichen Ebene liegen, daß eine Kante dieser Oberflächen die Schneidkante bilden, die bezüglich des in der Ebene liegenden Radius, der die Werkzeugachse mit einem Ende der Schneidkante verbindet, geneigt sind, und daß sämtliche Schneiden den gleichen vertikalen Freiwinkel aufweisen.

4. Werkzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schneidengruppen zueinander konzentrisch angeordnet sind und die entsprechenden Höhen der verschiedenen Schneidengruppen bei in Arbeitsstellung betrachtetem Werkzeug von der Werkzeugachse ausgehend zunächst abnehmen und danach von der mittleren Schneidengruppe bis zum Umfang hin zunehmen, daß ferner die zu zwei benachbarten Gruppen gehörenden Schneiden derart zueinander versetzt sind, daß sie Im wesentlichen abgestufte und spiralförmige Fluchtfolgen bilden, wobei diese Fluchtfolgen derart verlaufen« daß Zwischenräume zwischen den Schneiden zweier benachbarter Fluchtfolgen und der gleichen Gruppe sich von einer Gruppe zur nächsten Gruppe aneinander anschließen und somit einen Ablauf der SpUIflUssigkeit und des Bohrschlamms zum Umfang des Werkzeuges ermöglichen«

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5. Werkzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, das die Schneiden mit Hinterstützungen (31* 52, 53) versehen sind, und daß der Raum zwischen zwei benachbarten stufenförmigen und spiralförmigen Schneidenfluchtlinien (34, 35, 36, 22 - 37* 38, 39, 4o) an der Seite der Angriffskanten der Schneiden (z.B. 36) durch eine im wesentlichen senkrechte Fläche (50) begrenzt ist, die sich für jede Schneide von der unteren Arbeitsfläche bis zur Höhe der entsprechenden Arbeitsfläche der benachbarten Schneide (37) der übernächsten konzentrischen Gruppe (6) erstreckt, und daß dieser Raum der Angriffskante gegenüberliegend durch eine abgestufte Oberfläche begrenzt ist, die durch die Hinterstützungen der Schneiden der folgenden Fluchtlinie gebildet ist.

6. Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsprünge im wesentlichen zu gestuften und spiralförmigen Fluchtfolgen angeordnet sind, die untereinander symmetrisch zur Werkzeugachse (0) verlaufen und zwischen denen jeweils ein freibleibender Raum besteht, dessen Breite mindestens gleich der mittleren Breite der Vorsprünge ist.

7. Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an den der Schneidkante gegenüberliegenden Seiten der Vorsprünge Hinterstützungen vorgesehen sind, deren Basis sich mindestens bis zur Angriffskante des nächstbenachbarten Vorsprunges erstreckt, der bei in Arbeitsstellung betrachtetem Werkzeug in größerer Höhe liegt»

8. Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daS die Schneiden bildenden Vorsprünge durch Sinterung hergestellt sind, ausgehend von einer Zusammensetzung mit mindestens einem Karbid aus Wolfram oder Titan, Tantal, Chrom, Vanadium, Niob, Molybdän oder einem anderen abriebsfesten Metall sowie mindestens mit einem^fietalie Kobalt, Nickel, Molybdän oder einem anderen in aer SMntwtechnik üblichen Metall, mn. ciaS die

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Diamfoitpartikel bei in Arbeitsstellung betrachtetem Werkzeug in dsm unteren Abschnitt und am seitlichen Umfang der Vorsprünge in einer Dicke zwischen 2 und 20 Millimetern eingebettet sind.

9. Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schneiden bildenden Vorsprünge metallurgisch in einem Werkzeugkörper eingebettet sind, der aus einer Zusammensetzung mit mindestens einem der Stoffe Kobalt, Nickel, Molybdän, Wolframkarbid (WC oder W₂C), Chromkarbid, Titankarbid, Tantalkarbid, Vanadiumkarbid, Niobkarbid besteht, und daß die Zusammensetzung ein durch Infiltration eingebrachtes Hartlot enthält, das aus mindestens zwei der Elemente Kupfer, Nickel, Eisen, Zink, Zinn, Silber, Silizium, Bor, Mangan, Aluminium, Blei besteht, und daß das Hartlot zwischen 25 und 60 Gewichtsprozent der durchtränkten Zusammensetzung bildet.

10. Werkzeug nach Anspruch 8, bei dem die Schneiden metallurgisch in den Werkzeugkörper eingebettet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkzeugkörper aus einer mittels Durchtränkung erhaltenen Zusammensetzung besteht, die mindestens ein Karbid eines abriebsfesten Metalles und ein Hartlot enthält, «?obei das Hartlot im Innern des Körpers in einer Konzentration von mindestens £5 Gewichtsprozent der Zusammensetzung und in den zur unjnifctelbaren Einbettung der Schneiden dienenden Be~ reiche in einer höheren Konzentration vorliegt,

11. Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schneiden bildenden Vorsprünge eine senkrecht zur Werkzeugachse sowie eine parallel zu dieser Achse verlaufend eingriffsfläche aufweisen und zu konzentrischen Gruppen ( 1 Mf? 6 ) angeordnet sind, daß jede Sohneide einer Gruppe eine Lärgssr« streokungsrtehtung besitzt, die zur waagerechte*¹ Bewegungsrichtung geneigt verläuft, und daß die beiden Erdkanten jsdnv Sohneide e^nar Gruppe jeweils einen gleichbleibenden vorbestimmten M.-Btand zur Werkzeugaohse aufweise;·: *

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12. Werkzeug nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Schneiden mindestens an einem Ende eine angefaete Kante aufweisen.

13. Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dieVorsprünge auf der Oberfläche des Werkzeuges zu konzentrischen Gruppen angeordnet sind, wobei die Angriffsflächen der einen Gruppe bei in Arbeitsstellung betrachtetem Werkzeug eine niedrigere Höhe als die Argriffsflächen der anderen Gruppen aufweisen, und daß die Vorsprünge dieser Gruppe eine größere mittlere Länge besitzen als die Vorsprüngs der- anderer Gruppen.

14. Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet^ daft eii Vorsprung vorgesehen ist, dessen eine Kante mit der Werten·.#- achse zusammenfällt.

15. Werkzeug nach einem der- vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schneiden ausschließlich in den Eingriffsbereichen eine in einen Körpar eingebettete Diamant-Konkreticr» aufweisen, der mindestens ein Karbid aus Wolfram, Titan, Tantal, Molybdän, Chrom, Vanadium, Niob oder einem anderen abriebsfesten Metall enthält und darüber hinaus mindestens eines der Metalle Kobalt, Nickel, Molybdän, oder ein anderes für Sinterzwecke übliches Metallj

daß die Sohneiden im Werkzaugkörper metallurgisch eingebettet sind und der Werkzeugkörper aus einer Zusammensetzung besteht, die wenigstens einen der Stoffe Kobalt, Nickel, Molybdän, Wolframkarbid (WC und/oder W₂C),Chromkarbid, Titankarbid, Tantalkarbid, Molybdänkarbid, Vanadiumkarbid, Niobkarbid enthält; daß diese Zusammensetzung ein durch Infiltration eingebrachtes Hartlot aufweist, das wenigstens zwei der Element« Kupfer, Nickel, Elsen, Zink, Zinn, Silber, Silizium, Bor, Mangan, Aluminium, Blei enthält, wobei das Hartlot an der getränkten Zusammensetzung einen Gewiohtsaiteil zwischen 25 bis 6o % aufweist!

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daß sämtliche Schneiden zu konzentrischen Gruppen auf der Werkzeugoberfläche angeordnet sind., wobei jede Schneide einer Gruppe eine Längserstreckungsrichtung besitzt, die zur waagerechten Bewegungsrichtung geneigt ist, und wobei die beiden Endkanten jeder Schneide der Gruppe jeweils den gleichen vorbestimmten Abstand zur Werkzeugachse aufweisen; daß der Maximalabstand der Kanten der Schneiden jeder Gruppe zur Werkzeugmittelachse im wesentlichen zusammenfällt mit dem Mindestabstand der Schneiden der radial nach außen benachbarten Gruppe;

daß die eine Schabe- oder Kratzwirkung ausübenden Angriffsflächen der zu der gleichen Gruppe gehörenden Schneiden in einer gleichen senkrecht zur Achse des Werkzeuges verlaufenden Ebene liegen, während die Angriffskanten dieser Flächen jeweils bezüglich eines in ihrer Ebene liegenden Radius, der die Werkzeugachse mit den Enden der Angriffskanten verbindet, geneigt sind;

daß jede Schneide einen senkrechten Freiwinkel sowie an ihrer der Angriffskante entgegengesetzten Basis eine Hinterstützung aufweist, die sich mit dem Oberflächenbereich verbindet, der von der Angriffsfläche der angrenzenden Schneide der benachbarten Gruppe ausgeht;

daß die Höhe der Schneiden einer Gruppe bei in Arbeitsstellung betrachtetem Werkzeug von der Werkzeugachse ausgehend zunächst abnimmt und dann zur nächsten benachbarten Gruppe zunimmt bis zu den weiter am Umfang des Werkzeuges angeordneten Gruppen, wobei die in awei benachbarten Gruppen befindlichen Schneiden derart zueinander versetzt sind, daß sie gestufte und spiralförmige Fluohtfolgen bilden, wobei die zwischen den Fluchtfolgen jeweils gebildeten Räume einerseits durch steile Wände begrenzt sind, die sich bei jeder Sohneide im wesentlichen von der niedrigeren Höhe der Arbeitsfläche bis zur entsprechenden Oberfläche der zur übernächsten benachbarten Gruppe gehörenden Schneiden erstrecken, während diese Räume auf der anderen Seite durch die gestuften Hintarstützungen

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der in einer Fluchtfolge angeordneten Schneiden begrenzt sind, wobei der kleinste Abstand zwischen zwei Fluchtfolgen, gemessen in Drehrichtung des Werkzeuges mindestens gleich der Breite einer Schneide ist.

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