DE8134681U1

DE8134681U1 - "drehend arbeitende bohrkrone"

Info

Publication number: DE8134681U1
Application number: DE19818134681U
Authority: DE
Original assignee: Christensen Inc
Current assignee: Norton Christensen Inc
Priority date: 1980-12-01
Filing date: 1981-11-27
Publication date: 1984-01-05
Also published as: FR2495216A1; NL8105292A; JPS57165591A; CA1161428A; US4352400A; BE891240A; GB2088443B; GB2088443A; JPS6055676B2; DE3147099A1; MX154647A; FR2495216B1

Description

Die Erfindung betrifft eine drehend arbeitende Bohrkrone mit einem Bohrkronenkörper, dessen axiale Länge und größter Durchmesser im voraus festgelegt sind, der entgegengesetzte Antriebs- und Schneidenden aufweist und um seine Mittel läi.,_sachse drehbar ist.

Bei bekannten drehend arbeitenden Mehrfinger-Bohrkronen ist die Lebensdauer hauptsächlich durch Biegeverformung und bruch der verhältnismäßig langen, geraden und schmalen Finger infolge abriebsbedingter Verkleinerung der verhältnismäßig kleinen anfänglichen Außenfläche und der sich daraus ergebenden Verringerung der Ouerschnittsflache der Finger begrenzt

Außerdem erzeugen die anfänglich kleine Oberfläche und die schmalen, geraden, hervortretenden Finger eine sehr geringe Bohrkronenstabilisierung im Bohrloch. Somit wird die ungenügend stabilisierte Bohrkrone in rüttelnde Bewegung versetzt und bewegt sich im Bohrloch seitwärts, was bewirkt, daß die Bohrkrone abgelenkt wird und die harten Flächen der Schneidelemente abplatzen, wenn sie auf die harten Erdreichformationen hart aufschlagen.

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" " 3. Oktober 1983 - 2 - 55

Mehrfinger-Bohrkronen erzeugen schon an sich einen zentralen Kern, und wenn sie auf harte Formationen stoßen, wird ('.er Bohrvorschub oder die Eindringgeschwindigkeit stark herabgesetzt oder gestoppt, wenn sie nicht in der Lage sind, das Kernmaterial rasch zu zermahlen, zerteilen oder aufzubrechen und abzuführen.

Viele herkömmliche Bohrkronen sind beim Erfassen und Aufbrechen des erzeugten Kerrn allein auf die Zusammensetzung und eine innere Schrägfläche der Bohrkronenkörpers angewiesen. Es sind andere Bohrkronen bekannt, die zum Verhindern von Abnutzung des Bohrkronenkörpers einen nichtschneidenden, abriebfesten Kernbrechereinsatz mit einer schrägen Fläche aufweisen.

Ebenfalls bekannt sind mehrere zusammengesetzte spiralgenutete Bohrkronen, die mit harten Schneideinsätzen aus einem härteren abriebfesten Werkstoff als der Tragkörper bestückt sind. Es sind verschiedene Schneideinsätze aus verschiedenen Metallkarbiden,-boriden,-nitriden,-oxiden, kubischem Bornitrid, natürlichen und synthetischen Diamanten sowie aus Gemischen oder Legierungen daraus hergestellt worden.

Auf dem Markt sind zusammengesetzte, kompakte, schleifend wirkende Schneideinsätze sowohl aus Diame \z als auch aus Bornitrid, die bei der Herstellung verschiedener Arten von Erdöl-Bohrkronen Verwendung finden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine drehend arbeitende Bohrkrone su schaffen, der die Nachteile des Standes der Technik nicht anhaften und die die gestellten Forderungen in besonders vorteilhafter Weise erfüllt.

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Die Lösung der Aufgabe ist in den beigefügten Ansprüchen gekennzeichnet.

Die drehend arbeitende Meh^finger-Bohrkrone gemäß der Erfindung hat einen durch spanende Bearbeitung oder nach dem Präzisionsgußverfahren gewonnenen Bohrkronenkörper mit damit einstückig im Winkelabstand ausgebildeten kurzen, kräftigen und '/endelförmig gekrümmten Fingern von größerer Querschnittsfläche, die durch Verstärkungsstege abgestützt sind und am Schneidende des Bohrkronenkörpers an ihnen befestigte, vorzugsweise als Diamantschneideinsätze ausgebildete vorgeformte, schleifend wirkende, zusammengesetzte und kompakte Schneideinsätze bzw. Schneidelemente tragen.

Von den Fingern ausgehend erstrecken sich über ungefähr die axiale Länge des Bohrkronenkörpers wendeiförmige oder spiralige, breite, sich überlappende Stabilisierungsrippen, zwischen denen spiralige oder wendeiförmige Nuten ausgebildet sind, die zum raschen Wegführen des Bohrkleins und des Spülfluids dienen, welche durch die Wirkung der spiraligen Stabilisierungsrippen nach oben gepumpt werden. Ein schräger Kernabführkanal ist zwischen Fingern und in der Nähe einer Tasche ausgebildet, in der ein geneigter kernschneidender und kernbrechender Einsatz befestigt ist, der vorzugsweise aus gesintertem Wolframkarbid hergestellt ist und eine schräge Schneidkante zum raschen Lösen und Aufbrechen von verhältnismäßig hartem Kernmaterial aufweist.

Der Bohrkronenkörper hat ferner eine zentrale Bohrung oder Ausnehmung zum Befestigen einer Antriebsvorrichtung mit einem zum Antriebsende des Bohrkronenkörpers führenden Fluidkanal sowie Kanäle, die sich von der Bohrung zu Auslaßöffnungen zwischen einander benachbarten Fingern und Schneidelementen erstrecken und dazu dienen, Spül- und/oder Schneidfluid zu den Schneidelementen und den spiral igen Nuten zu fördern und zu lenken.

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Das untere voreilende Ende oder der vordere Endabschnitt jedes wendeiförmigen Fingers hat eine Tasche mit einer zurückgesetzten Fläche und einer sich daran anschließenden, in sie eingearbeiteten Schulter. In die Tasche ist ein vorgeformtes, schleifend wirkendes, zusammengesetztes und kompaktes Schneidelement eingesetzt, das an der zurückgesetzten Fläche und an der Schulter vorzugsweise durch Hartlöten befestigt ist und von ihnen abgestützt wird.

Ein besonders vorteilhaftes Merkmal der Erfindung besteht darin, daß eine schräge Kante des harten kernschneidenden und -brechenden Einsatzes so positioniert ist, daß sie die verhältnismäßig harten Kerne rasch zerteilt, und die benachbarte schräg nach oben verlaufende Fläche des Kernabführkanals, m-t welcher der Kern später in Berührung kommt, sowohl das Bohrklein als auch die Kernstücke umlenkt und aus dem Kernabführkanal ausleitet.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung v;ird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt: Fig. 1 eine Vorder- oder Seitenansicht einer mit mehreren spiral igen Fingern versehenen Bohrkrone gemäß der Erfindung,
Fig. 2 eine Ansicht von oben bzw. mit Blickrichtung auf das

Antriebsende der i;. Fig. 1 dargestellten Bohrkrone, Fig. 3 eine Ansicht von unten bzw. mit Blickrichtung auf das Schneidende der in Fig. 1 dargestellten Bohrkrone ,
Fig. 4 den Teilquerschnitt 4-4 in Fig. Ί und 3 durch den

unteren, schneidenseitigen Teil der Bohrkrone und Fig. 5 den Querschnitt 5-5 in Fig. 2 und 3 durch die gesamte Bohrkrone.

Die dargestellte stabilisierte, drehend arbeitende Mehrfinger Bohrkrone 10 gemäß der Erfindung zum Bohren von Löchern von

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etwa 5 cm Durchmesser fn Erdreich hat einen vorzugsweise nach dem Präzisionsgußverfahren aus einem zähen Metall, z.B. aus

!> korrosionsbeständigem Stahl der Sorte 17-4 PH oder 440 hergestellten Bohrkronenkörper 12 von etwa 47,6 mm Durchmesser und einer axialen Länge zwischen den entgegengesetzten Antriebs- und Schneidenden der Bohrkrone 10 von wenigstens etwa 101 mm, vorzugsweise von etva 115 mm.

Mit dem Bohrkronenkörper 12 sind einstückig drei breite, in Umfangc-richtung sich überlappende spiral ige oder wendeiförmige Stabilisierungsrippen 14 ausgebildet, die spiralige Vorder- und Hinterkanten und Seitenflächen von einer radialen Höhe von etwa b,35 mm aufweisen. Die Seitenflächen gehen in dazwischenliegende Nuten 16 von gleicher Tiefe über. Die Stabilisierungsrippen 14 haben ferner verhältnismäßig kurze, gedrungene und kräftige spiral ig gekrümmte Finger 18 von etwa 15,8 mm Länge und etwa 12,7 mm radialer Dicke.

Bei Betrachtung mit Blickrichtung auf das Antriebsende gemäß Fig. 2 erstreckt sich die spiralige Seitenfläche an aer Rückflanke jeder spiral igen Stabilisierungsrippe 14 in Umfangsrichtung bis zu einer hinteren Rippenendkante, die =m Antriebsende und in einem vorbestimmten Winkelabstand jenseits ^ der vorderen Endkante der spiral igen Seitenfläche an der Vorderflanke der benachbarten Stabilisierungsrippe 14 am entgegengesetzten Schneidende angeordnet ist. Das nacheilende \ Ende einer Stabilisierungsrippe 14 kann folglich das voreilende Ende der benachbarten Stubilisierungsrippe 14 mit bis zu einem Drittel des Umfangs- oder Winkelabstandes der voreilenden Enden derselben Stabilisierungsrippen 14 überlappen.

Die Finger 18 am Schneidende des Bohrkronenkörpers 12 gehen von den Stabilisierungsrippen 14 aus und sind mit gleichem Winkelabstand um eine kurze innere, zentrale Kernaufnahme-

bohrung b von etwa 22 mm Durchmesser und etwa 15,8 mm Tiefe und um die Längsachse des Bohrkronenkörpers 12 angeordnet.

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Jede der drei mit gleichem Zwischenabstand angeordneten Stabilisierungsrippen 14 hat eine bogenförmig gekrümmte Außenfläche von einer Umfangsbreite von etwa 19 mm und erstreckt sich über nahezu die gesamte axiale Länge des Bohrkronenkörpers 12 entlang einer Schraubenlinie entgegengesetzt zur Drehrichtung mit einem Steigungswinkel, der in bezug auf eine zur Achse rechtwinklige Ebene zwischen 60° und 70°, vorzugsweise etwa 66°, und in bezug auf die Achsenebene zwischen 20° and 30°, vorzugsweise 24°, beträgt, um eine Gesamtstabilisierungsrippenflache von wenigstens etwa 58 cm² zu schaffen. Vorzugsv?ise ragen die spiraligen Finger 18 von der Unterseite des Bohrkronenkörpers 12 nach unten weg und in bezug auf zugehörige, mit dem Bohrkron^nkörper 12 einstückige Finger-Verstärkungsstege 12a nach vorn. Die Verstärkungsstege 12a erstrecken sich an den Rückseiten der Finger 18 sowohl in Umfangsrichtung als auch nach oben vom Senneidende weg.

Im unteren Mittelteil des Bohrkronenkörpers 12 ist zwischen den Fingern 18 ein schräg nach oben verlaufender Kernabführkanal P ausgebildet. Der Kernabführkanal P hat eine halbspnärisch gekrümmte eintrittsseitige Innenfläche, die sich , η die Innenseite eines Fingers 18 anschließt, und erstreckt sich von dieser Innenfläche radial nach außen zwischen dem anderen Paar benachbarter Finger 15 zu seinem entgegengesetzten Austrittsende.

Die Achse und der obere Mittelabschnitt der halbkreisförmigen inneren Kernablenkfläche (und Decke) R des Kernabführkanals P sind gegenüber der Waagerechten um 20° bis 40^ö, vorzugsweise um etwa 30°, geneigt und erstrecken sich zwischen Tangentenpunkten an der eintrittsseitigen inneren konkaven Fläche und an der äußeren konvexen Fläche am entgegengesetzten Austrittsende des Kernabführkanals P. Die schräge Kernablenkfläche R und die geneigten Flächen des Kernabführkanals P kommen mit

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dem von der Bohrkrone 10 herausgeschnittenen Kern in Beruh- | rung, lenken ihn seitlich ab und brechen ihn. Der Kernabführ- | kanal P ist in den Bohrkronenkörper 12 vorzugsweise ein- |

gegossen, kann aber auch spanend mittels eines kugeligen | Schaftfräsers oder Schleifstiftes von etwa 22 mm Durchmesser eingearbeitet werden, der in bezug auf eine zur Achse rechtwinklige waagerechte Ebene unter einem Winkel von 30° und in Umfangsrichtung unter einem Winkel von etwa 120° gegenüber einer Vertikalebene VP, die durch die Bohrkronenachse und durch einen an dieser liegenden Punkt der Vordernante eines benachbarten Fingers 18 geht, angesetzt und mit Vorschub zu einer zur Achse rechtwinkligen waagerechten Ebene hin zugestellt wird.

In die Wand des Fingers 18, welche sich an die eintrittsseitige innere konkave Fläche des Kernabfuhrkanals P und der zentralen Kernaufnahmebohrung b anschließt, ist eine schmale, rechteckige Tasche eingegossen oder eingearbeitet, in der ein hartes Kernschneidelement 20 in Form eines kernschneidenden und kernbrechenden Messers oder Einsatzes aufgenommen und darin durch Hartlöten befestigt ist.

Das Kernschneidelement 20 ist vorzugsweise rechteckig aus gesintertem Wolframkarbid mit einer Dicke von etwa 3,56 mm, einer Breite von etwa 6,35 mm und einer Länge von etwa 12,7 mm hergestellt und weist eine gerade Schneidkante auf, die aus der zugehörigen eintrittsseitigen inneren konkaven Fläche hervortritt.

Die gerade Kernschneidkante und die an sie sich anschließende schmale Endfläche des Kernschneidelementes 20 verlaufen unter einem Neigungswinkel Y von 45° bis 57°, vorzugsweise von etwa 51°, von einem Schnittpunkt I, der in der Vertikalebene VP an der Längsachse liegt, zu einem Finger 18. Vorzugsweise liegt der obere Punkt der Schneidkante ungefähr an

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oder in der Nähe des Schnittpunktes I der Vertikalebene VP mit der schrägen Ebene des oberen geneigten Mittelabschnitts der halbkreisförmigen inneren Kernablenkfläche R des Kernabführkanals P. Die schmale obere Kante und die sich an die Schneidkante anschließende untere Fläche erstrecken sich radial unter einem Neigungswinkel von bis zu 10°, vorzugsweise von etwa 8°, in bezug auf die durch die Achse gehende Vertikalebene VP. Die entgegengesetzte Kante und die sich anschließende entgegengesetzte Seite des Kernschneidelementes 20 sind in einer durch die Achse gehenden radialen Ebene ebenfalls schräg unter einem Winkel X von 74° bis 90°, vorzugsweise von etwa 82°, in bezug auf die Vertikalebene VP der Bohrkronenachse angeordnet.

Der vertikale Abstand D zwischen dem an oder in der Nähe des Schnittpunktes I gelegenen oberen Punkt der Schneidkante und dem unteren Ende des Fingers 18 ist ein kritisches Maß und beträgt vorzugsweise etwa das l,5fache des Durchmessers des erzeugten Kerns oder des Innendurchmessers der Kernaufnahmebohrung b. Bei der Bohrkrone 10, die einen Kern von nahezu 22 mm Durchmesser herauszuschneiden vermag, ist der vertikale Abstand D folglich etwa 33 mm. Der Durchmesser des erzeugten Kerns wird bestimmt, indem von der Bohrkronengröße entsprechend der Industrienorm AX das Zweifache des Durchmessers eines Schneidelementes 30 subtrahiert wird.

Für den Drehantrieb der Bohrkrone 10 ist vorzugsweise eine Antriebsvorrichtung, z.B. eine EW-Stangen-Aufnähme, vorgesehen. Die Antriebsvorrichtung kann von einer glatten zentralen Bohrung oder, wie beim gezeigten Beispiel, von einer mit Gewinde versehenen zentralen Bohrung 22 von etwa 25,4 mm Durchmesser und einer im voraus festgelegten axialen Tiefe von etwa 63,5 mm, gemessen ab dem Antriebsende der Bohrkrone, gebildet sein, in der sich in bekannter Weise eine glatte oder mit Gewinde versehene EW-Antriebsstange von entsprechenden Abmessungen eines Bohrgestänges befestigen läßt.

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Das Unterteil des Bohrkronenkörpers 12 ist zwischen dem Grund Z der zentralen Bohrung 22 und den Fingern 18 von mehreren,

S insbesondere von drei mit gleichem Winkelabstand angeordneten j Fluidkanälen 24 durchsetzt, die im Grund der Bohrung 22 von Einlaßöffnungen aus etwas schräg nach außen zu zugehörigen Auslaßöffnungen führen, um SpUIfluidströme nach außen zwischen die Finger 18 und insbesondere bis dicht an die Vorderseite jedes Fingers 18 und zur Schneidfläche jedes der an den Fingern 18 befestigten Schneidelemente 30 zu richten.

Das Spülfluid, das durch einen Kanal in den herkömmlichen EW-Stangen des Bohrgestänges, durch die Bohrung 22 und die Fluidkanäle 24 gedrückt wird, fördert folglich zusammen mit der durch die Drehung der Stabilisierungsrippen 14 erzeugten Pumpwirkung von der Bohrkrone 10 gelöstes Material durch die spiral igen Nuten 16 zwischen den Stabilisierungsrippen 14 nach oben.

Jedes der Schneidelemente 30 ist vorzugsweise ein kreisrundes, zusammengesetztes, kompaktes Plättchen mit Diarr.ant-Schleifpartikeln, das in einer Tasche am unteren, voreilenden, abstützenden Endabschnitt des zugehörigen spiraligen Fingers 18 aufgenommen und an einer darin schräg eingearoeiteten zurückgesetzten Auflagefläche 18a befestigt ist. Über jeder Tasche ist eine obere Schulter 18b vorgesehen, die eine bogenförmige oder kreisabschnittförmige Fläche aufweist, die zur Auflagefläche 18a rechtwinklig und zur Mittelachse des Schneidelementes 30 parallel verläuft.

Vorzugsweise ist jede der ein Schneidelement 30 abstützenden Auflageflächen 18a und folglich die dazu parallele voreilende Schneidfläche jedes Schneidelementes 30 in bezug auf das Zentrum der sich anschließenden bogenförmigen Fläche der Schulter 18b bzw. in bezug auf den voreilenden oberen Mittelpunkt der das Schneidelement 30 umgebenden Schneidkante der Drehrichtung entgegengesetzt nach hinten und unten geneigt.

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Die voreilende Schneidseite oder -fläche jedes Schneidelernentes 30 ist vorzugsweise in einer radialen schrägen Eber.a angeordnet, die von der Achse der Bohrkrone 10 radial verläuft und nach hinten zum Schneidende hin unter einem negativen Spanwinkel von bis zu -25° in bezug auf die durch die Bohrkronenlängsachse gehende Vertikalebene geneigt ist. Der nach hintsn oder unter einem negativen Spanwinkel geneigte untere halbkreisförmige Abschnitt der Schneidkante, der die untere Hälfte der Schneidfläche jedes Schneidelementes 30 umschließt, löst folglich die Formation ab, schneidet den Bohrlochdurchmesser und erzeugt den Kern, der danach vom Kernschneidelement 20 angegriffen und zerkleinert wird. Umgekehrt hat die nach vorn geneigte voreilende obere halbkreisförmige Schneidkante um die obere Hälfte der Schneidfläche jedes Schneidelementes 30 keine wesentliche Schneidwirkung, wogegen die Schulter 18b und ihre bogenförmige Fläche abstützend an einem Abschnitt der halbkreisförmigen Umfangsflache um die obere Hälfte jedes Schneidelementes 30 anliegen.

Abhängig von der Härte der angetroffenen Formation kann jedes Schneidelement 30 ein scheibenförmiges Plättchen aus gebundenen Schneidstoffen aufweisen, die aus der Gruppe mit Metalloxiden, -karbiden, -boriden, -nitriden, gesintertem Wolframkarbid, kubischem Bornitrid, Diamant, Gemischen und Massen daraus gewählt sind.

Vorzugsweise ist jedes der Schneidelemente 30 ein zusammengesetztes, kompaktes, scheibenförmiges Plättchen mit einer harten Stützschicht oder Stützplättchen 30a, mit dem zur Aus-, bildung der Schneidkante und der Schneidfläche des Schneidelementes 30 eine Schicht 3Ob aus harten schneidenden Schleif partikeln verbunden ist.

Das Stützplättchen 30a kann aus gesintertem oder metallgebundenem Titan-, Zirkonium- oder Wolframkarbid, Silizium-

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karbid, Borkarbid, aus Gemischen daraus und aus jedem anderen Werkstoff hergestellt sein, mit dem sich die Schleifpartikel 30b zuverlässig verbinden lassen und das selbst mit der zurückgesetzten Auflagefläche 18a des Fingers 18 ebenso zuverlässig verbindbar ist.

Für die Befestigung an den Fingern 18 des Bohrkronenkörpers 12 sind verschiedene zusammengesetzte Schneidelemente aus verschiedenen Quellen erhältlich. Derartige zusammengesetzte, kompakte Schneidelemente oder -plättchen, wie sie aus den US-PSen 4 098 362, 4 156 329, 4 186 628 und 4 225 322 bekannt sind und gemäß den US-PSen 3 743 489, 3 745 623 und 3 767 hergestellt werden, sind auf dem Markt erhältlich.

•Schneidplättchen sind grundsätzlich

vorgeformte, zusammengesetzte, kompakte Schneidelemente mit einer dünnen, ebenen Schicht oder Scheibe aus einer Masse selbstgebundener polykristalliner Schleifpartikel, wie z.B. synthetischem oder natürlichem Diamant und hexagonalem oder kubischem Bornitrid, die mit einer Schicht oder Scheibe aus metal!gebundenem oder gesintertem Metallkarbid direkt verbunden ist. Die letztgenannte Scheibe ist mit Messing- oder Silberhartlot beschichtet, um die Befestigung an den Auflageflächen 18a der Finger 18 zu ermöglichen.

Die Bohrkrone 10 ist jedoch vorzugsweise mit zusammengesetzten, kompakten -Schneidelementen 30 aus synthetischem Diamant bestückt, von denen jedes von etwa 13,2 mm Durchmesser und etwa 3,3 mm Dicke ist und eine etwa 0,5 mm dicke Schicht aus Partikeln mit einem Durchmesser kleiner | als 37 μπι und eine etwa 2,8 mm dicke Schicht aus gesintertem :

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Wolframkarbid aufweist. Die Schneidelemente 30 sind an der Auflagefläche 18a jedes Fingers 18 so angeordnet und durch Hartlöten so befestigt, daß die Diamantschneidfläche ihrer Schicht 30b einen negativen Spanwinkel von etwa -20° in bezug auf die Drehrichtung und eine durch die Achse gehende vertikale Ebene bildet. Beim Drehen der Bohrkrone 10 wird daher das von der unteren Hälfte der Schneidkante des Schneidelementes 30 gelöste Material an dessen negativ geneigter, schleifend wirkender Diamantschneidfläche in der Bohrkror.^ndrehrichtung nach oben und zu einer zugehörigen spiral igen Nut 16 geleitet.

Nach Stumpfwerden oder Abnutzung der unteren halbkreisförmigen schneidenden Hälften können die Schneidelemente 30 abgenommen und nach einer 180°-Drehung der nicht abgenutzten Schneidkante in eine dem Schneidende der Finger 18 und der Bohrkrone 10 entsprechend Stellung in derselben Weise wieder am selben oder an einem anderen Bohrkronenkörper 12 befestigt werden.

Die Arbeitsweise ist folgende: Das Antriebsende der Bohrkrone 10 wird an einem ersten Stangenabschnitt eines Bohrgestänges befestigt, das an eine herkömmliche Bohrmaschine, z.B. eine Track- oder Tricycle-Maschine, angeschlossen ist und von ihr drehangetrieben wird.

Beim Bohren überträgt die Bohrmaschine sowohl Axial- als auch Drehkräfte über die Bohrstange auf den Bohrkronenkörper 12 und über die Auflageflächen 18a und die Schultern 18b der Finger 18 aui" die Schneidelemente 30. Während des Bohrvorganges werden die Schneidelemente 30 daher zwischen den abstützenden Schultern 18b und dem Erdreich, das an ihren entgegengesetzten Umfangsflachen angreift, diametral und zwischen dem mit ihnen in Berührung stehenden Erdreich und den sich in day Erdreich hineindrehenden Auflageflächen 18a J axial auf Druck beanspruchte

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Bei der Drehung der Bohrkrone 10 dringt die untere Hälfte jedes schräggestellten Schneidelementes 30 in das Erdreich ein und drängt das Bohrklein nach vorn und die voreilenden geneigten Schneidflächen entlang nach oben in die zugehörigen spiral igen Nuten 16 und in die durch sie hindurchfließenden Spülfluidströme.

Bei der axialen und drehenden Bewegung der Bohrkrone 10 wird auch das schräge Kernschneidelement 20 zwischen dem abstützenden Bohrkronenkörper 12 und dem Kern in ähnlicher Weise auf Druck beansprucht. Somit werden die Schneideiemente 30 und die Kernschneidelemente 20, welche normalerweise gegen Zugbeanspruchung weniger widerstandsfähig sind, während des

|; Bohrvorganges entsprechend ihrer größeren Widerstandsfähigkeit auf Druck beansprucht und von den kurzen, kräftigen und

^li gedrungenen Fingern 18 sicher abgestützt, die gegen Versagen bei außergewöhnlich hohen Belastungen durch Axial- und Drehbeanspruchung durch die zusätzlichen Verstärkungsstege 12a gesichert sind.

Der aus einer harten oder weichen Formation herausgeschnittene Kern wird durch das schräge Kernschneidelement 20 rasch weggeschnitten oder- gebrochen und von der schrägen Kernablenkfläche R des Kernabführkanals P zu dessen Auslaß und aus diesem in einen Spülfluidstrom und in die zugehörige Nut 16 abgelenkt.

Beim Austreten reißt das unter Druck stehende Spül fluid das Bohrklein durch die Nuten 16 der sich drehenden Bohrkrone 10 ,1 hindurch mit nach oben und aus dem Bohrloch heraus. Durch

die Drehung der spiraligen Stabilisierungsrippen 14 und ihrer zugehörigen Vorderkanten und -flanken, deren Steigungsrichtung der Drehrichtung der Bohrkrone 10 entgegengesetzt ist, wird das umlaufende Spülfluid und das in ihm suspendierte Bohrklein bei beschleunigter Bewegung aus dem Bohrloch hinausgepumpt.

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Die gewünschte Tiefe des Bohrloches wird erreicht, indem zusätzliche Stangenabschnitte des Bohrgestänges in bekannter, herkömmlicher V/eise zusammengesteckt werden.

Mit Bohrkronen in erfindungsgemäßer Ausführung und mit den vorstehend beschriebenen Abmessungen und Merkmalen wurden Versuche unter tatsächlichen Einsatzbedingungen durchgeführt. Hierzu wurden an einer Dammbaustelle mehrere Bohrungen ausgeführt. Die Bohrbedingungen und -ergebnisse sind in den nachstehenden Tabellen I und II angegeben.

TABELLE I

Bohren von zwei Löchern an derse]ben Bohrstelle mit gleicher Bohrkrone, gleicher Ausrüstung und gleichen Bohrbedingungen

Bohrloch 1

Bohrkrone A: Ausführung gemäß der Erfindung mit 3 Spiralfingern, Neuzustand.

Bohrstelle: In Preiviertelhöhe des rechten Dammwiderlagers in mäßig hartem Grünstein.
Ausrüstung/Bohrbedingungen:

Spülung mit Wasser bei etwa 5,62 bis 7,03 kp/cm² , Nur Schwerkraftwirkung
Bohrdruck etwa 90,7 bis 181,4 kp

Drehzahl 0 bis 500 min , überwiegend im höheren Drehzahlbereich
Track-Maschine, Stangenabschnitt etwa 3,048 m lang.

Bohrergeunisse:

1. Stange (etwa 3,048 m) 2.

3.

4.

5.

6.

3	Minuten
7	Il
2	f!
10	Il
5	Il
8	Il
5	Il

etwa 21,335 m Gesamttiefe 40 Minuten

Durchschnittsergebnis: etwa 0,533 m/Minute = etwa 32 m/h.

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Bohrloch 2

Bohrkrone A: Gleich wie bei Bohrloch 1 Bohrstelle: Neben Bohrloch 1, ähnliche Formation Ausrüstung/Bohrbedingungen: Gleich wie bei Bohrloch 1

Bohrergebnisse:

1.	Stange (etwa 3»048 m)
2.	Il
3.	It
4.	Il
5.	Il
6.	Il

7.

2	Minuten
3	Il
2	Il
4	Il
7	Il
11	Il
5	Il

etwa 21,335 m Gesamttiefe 34 Minuten

Durchschnittsergebnis: etwa 0,64 m/Minute = etwa 39,672 m/h.

Gesamttiefe nit Bohrkrone A: etwa 42,67 m/1 h 14 min.

Durchschnittliche Bohrgeschwindigkeiten: 1. etwa 0,576 m/min

2. etwa 34,593 m/h.

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TABELLE II Bohren von zusätzlichen Löchern mit verschiedener Ausrüstung

Bohrloch 3

Bohrkrone B: Ausführung gemäß der Erfindung mit 3 Spiralfingern, Neuzustand.

Bohrstelle: Oberseite linkes Dammwiderlager. Ausrüstung/Bohrbedingungen:

Spülung mit Wasser bei etwa 14 kp/cm² mit Pumpe, Bohrdruck etwa 90,7 bis 181,4 kp,

Drehzahl 0 bis 500 min , überwiegend im höheren Dreh-

zahlbereich_v

Tricycle-Maschine mit Winde, Stangenabschnitt etwa

1,524 m lang.

Bohrergebnisse:

1.	Stange (etwa 1,524 m)
2.	Il
3.	Il
4.	Il
5.	Il
6.	Il
7.	Il
8.	Il
9.	Il
10.	Il
11.	Il
12.	Il
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14.	Il
15.	Il
16.	Il
17.	Il
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20.	"
21.	Il
2?.	il
23.	Il
24.	Il
25.	Il
26.	Il
27.	Il
28.	Il
etwa	42,67 m Gesamttiefe
Durchschnittsergebnis: et

1 Minute(n) 20

1	Il
1	Il
1	Il
1	Il
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2	!I
1	Il
1	Il
1	Il

45	Sekunden
30	Il
30	Il
15	Il
35	Ii
45	Il
45	Il
35	Il
40	Il
45	Il
40	Il
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20	Il
50	Il
20	Il
35	Il
30	Il
20	Il
15	Il
30	Il
0	Il
45	Il
30	Il
30	Il
35	Il
35	Il
35	Il

27 Minuten 10 Sekunden etwa 1,585 m/Minute = etwa 94,18 m/h,

1 I til*

■ 1

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Bohrloch 4

Fertige Bohrlochtiefe etwa 42,67 m, ohne Zeitaufzeichnung. Nach Angaben des Bohrleiters ähnliche Ergebnisse wie bei Bohrloch 3.

Bohrloch 5

Gesamttiefe von etwa 42,67 m war nahezu erreicht, als Bohrung aufgegeben werden mußte. Es wurde jedoch geschätzt, daß mit derselben Bohrkrone B weitere fünf Bohrlöcher mit einer Gesamttiefe von etwa 341,365 m gebohrt werden können, bevor die Schneidelemente vom abgenutzten Bohrkronenkörper auf einen neuen umgesetzt werden müssen.

Tabelle I zeigt, daß beim Bohren von zwei Bohrlöchern mit einer Gesamttiefe von etwa 42,67 m in 1 h 14 min bei einem Bohrdruck zwischen etwa 90,7 und 181,4 kp und einer Drehzahl von 500 min" mit einer Track-Bohrmaschine und Stangenabschnitten von etwa 3,048 m Länge mit der Bohrkrone A in erl'indungsgemäßer Ausführung ein Durchschnittsergebnis von etwa 34,593 m/h erreicht wurde.

Gemäß Tabelle II betrug mit einer neuen Bohrkrone B in erfindungsgemäßer Ausführung mit spiral igen Stabilisierungsrippen auf ganzer Länge und unter Verwendung einer Tricycle-Bohrmaschine mit Winde, Stangenabschnitten von etwa 1,524 m Länge und durch Pumpen erhöhtem Spül fluiddruck das Durchschnittsergebnis etwa 94,18 m/h oder nahezu das Dreifache der Bohrkrone A.

Es wurde auch geschätzt, daß mit der Bohrkrone B eine Gesamttiefe von etwa 341,365 m gebohrt werden könnte, bevor die gleichen Schneidelemente vom abgenutzten Bohrkronenkörper abgenommen, um 180° gedreht und an den Fingern eines neuen Eohrkronenkörpers befestigt werden müssen, um die unbenutzte, anfänglich obere Kaifte der Schneidkanten in Schneidstellung zu bringen.

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U Das Bohrergebnis zeigt daher, daß d.ie vorstehend beschriebenen i Bohrkronen A und B in erfindungsgemäßer Ausführung mit

k spiraligen Stabilisierungsrippen auf ganzer Länge, die im

f Neuzustand eingesetzt wurden, nicht durch raschen Bruch oder

® rasche Abnutzung unbrauchbar wurden und ähnlichen bekannten Bohrkronen mit herkömmlichen geraden Fingern und kürzeren Stabilisierungselementen hinsichtlich Leistung und Lebensdauer deutlich überlegen sind.

Claims

br.-ino.fh*nz tuesthofp WUESTHOFF-v. PECHMANN-BEHRENS-GOETZ -«.phil.freda™«thofp(,,17-,m«) DIPL.-ING. GERHARD PULS (1952-I971) EUROPEAN PATENTATTORNEYS d^-chfm. dr.e. frmherr von ,echmann DR.-INC. DIETER BEHRENS DIPL.-ING.; D1PL.-WIRTSCH.-1NG. RUPERT GOET 1 -55 444 D-8000 MÜNCHEN 90 SCHWEIGERSTRASSE 2 telefon: (089) 66 20 ji TELEGRAMM: PROTECTPATENT TELEX: 524070 Ansprüche

1. Drehend arbeitende Bohrkrone mit einem Bohrkronenkörper, dessen axiale Länge und größter Durchmesser im voraus festgelegt sind, der entgegengesetzte Antriebs- und Schneidenden aufweist und um seine Mittellängsachse drei,bar ist, gekennzeichnet durch

mehrere verhältnismäßig kräftige, kurze und gedrungene spiralige Finger (18) mit Vorder- und Hinterflanken, die mit Winkelabstand in bezug auf die Mittellängsachse und eine innere, zentrale Kernaufnahmebohrung (b) von verhältnismäßig kleiner axialer Tiefe am Schneidende des Bohrkronenkörpers (12) und der Finger (18) angeordnet sind,

mehrere Verstärkungsstege (12a), die sich an den Hinterflanken der Finger (18) in Umfangsrichtung und weg von den Schneidenden erstrecken,

mehrere mit Winkelabstand angeordnete sich überlappende, äußere, spiralige Stabilisierungsrippen (14) mit spiraligen vor- und nacheilenden Seitenkanten und -flächen, die sich außen und wendelförmig entgegengesetzt zur Drehrichtung der Bohrkrone (10) über ungefähr die gesamte axiale Länge des Bohrkronenkörpers (12) zwischen dessen entgegengesetzten Antriebs- und Schneidenden erstrecken,

mehrere mit Winkelabstand angeordnete spiralige Nuten (16), die sich zwischen den Stabilisierungsrippen (14) erstrecken und sich an die Kernaufnahmebohrung (b) anschließen,

einen schrägen Kernabführkanal (P) mit einer geneigten

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et·· ·

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inneren Kernablenkfläche (R), die sich radial nach außen erstreckt und von einem geschlossenen Eintrittsende, das sich an einen Innenflächenabschritt eines Fingers (18) und an die Kernaufnahmebohrung (b) anschließt, zu einem entgegengesetzten Austrittsende, das mit einer Nut (16) verbunden und zwischen zwei einander benachbarten Fingern (18) angeordnet ist, zum Antriebsende des Bohrkronenkörpers (12) hin schräg verläuft,

eine Anschlußvorricntung am Antriebsende des Bohrkronenkörpers (12) zum Befestigen einer Drehantriebsvorr^;chtung für die bohrkrone (10),

vorgeformte Schneidelemente (30), die an Auflageflächen (l8a) an den Vorderseiten der Finger (lö) befestigt sind und je eine gegen die Auflagefläche (18a) weisende Rückseite und eine der Rückseite entgegengesetzte Schneidseite mit einer Schneidkante aufweisen,

und durch ein vorgeformtes, hartes Kernschneidelement (20), das am geschlossenen Eintrittsende des Kernabführkanals (P) in einer Tasche befestigt ist und eine schräge Schneidkante aufweist, die von einem Schneidkantenpunkt aus, der in der Nähe eines Schnittpunktes (I) der geneigten Kernablenkfläche _VR) des Kernabführkanals (P) und einer durch die Längsachse des Bohrkronenkörpers (12) gehenden Ebene angeordnet ist, schräg nach außen gerichtet ist.

2. Bohrkrone nach Anspruch 1. dadurch g e k e η η zeichnet , daß jeder der Finger (18) zur abstützenden Anlage am Schneidelement (30) eine Schulter (18b) und eine Schulterfläche aufweist, die nahe der Auflagefläche (18a) angeordnet sind und von ihr ausgehen.

3. Bohrkrone nach Anspruch 1 oder 2, uadurch ge kennzeichnet , daß drei mit Winkelabstand angeordnete, sich überlappende, spiralige Stabilisierungsrippen (14) vorgesehen sind, von denen sich jede wendelförmig mit einem

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Steigungswinkel von 60° bis 70° um den Bohrkronenkörper (12) erstreckt und von ausreichender Länge und Breite ist, damit sich am Bohrkronenkörper (12) eine äußere, spiralige Gesamtstabilisierungsfläche von wenigstens 58 cm² ergibt.

4. Bohrkrone nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Kernablenkfläche (R) des KernabfUhrkanals (P) unter einem Winkel von etwa 20° bis 40° in bezug auf eine zur Längsachse rechtwinklige Ebene radial nach außen zum Antriebsende des Bohrkronenkörpers (12) hin schräg verläuft.

5. Bohrkrone nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Kernaufnahmebohrung (b) und der Kernabführkanal (P) annähernd gleichen Radius und Durchmesser haben und durch eine sphärische Innenfläche am geschlossenen Eintrittsende des Kernabführkanals (P) miteinander verbunden sind.

6. Bohrkrone nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß das Kernschneidelement (20) aus einem gesinterten Karbidkörper vorgeformt ist, wobei seine geneigte Schneidkante von der Spitze und der die Längsachse schneidenden Ebene weg unter einem Winkel von etwa 45° bis 57° schräg nach außen verläuft.

7. Bohrkrone nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Spitze der geneigten Schneidkante am Schnittpunkt vom Schneidende der Bohrkrone (10) in einem Abstand (D) angeordnet ist, der etwa das 1,5-fache des Durchmessers der Kernaufnahmebohrung (b) beträgt.

8. Bohrkrone nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß jedes der Schneidelemente (30} einen Stützkörper (30a) aus gesintertem Karbid mit einer

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Vorder- und einer Ruckseite aufweist, wobei letzters zur Befestigung an der Auflagefläche (18a) ausgelegt und an ihr befestigt ist, und eine Schicht (30b) aus gebundenen polykristallinen Schleifpartikeln, die mit der Vorderseite des Stützkörpers (30a) verbunden ist und wenigstens eine halbkreisförmige, schleifend wirkende Schneidseite und Schneidkante am Schneidelement (30) bildet.

9. Bohrkrone nach Anspruch 1, dadurch g e k e η ρ zeichnet , daß die Schneidseite und die Schneidkante jedes Schneidelementes (30) an einer geneigten radialen Ebene angeordnet und unter einem negativen Spanwinkel von bis zu -25° in bezug auf die Ebene der Längsachse und von dieser weg zur nacheilenden Seite hin zu einem weiteren Punkt der Schneidkante am Schneidende des zugehörigen Fingers (18) des Bohrkronenkörpers (12) geneigt sind.

10. Bohrkrone nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet , daß sich vom Antriebsende bis zur Unterseite des Bohrkronenkörpers (12) eine zentrale Bohrung (22) mit einer im voraus festgelegten axialen Tiefe erstreckt, und daß sich von Einlaßöffnungen am Grund der Bohrung (22) aus mehrere mit Winkelabstand angeordnete Fluidkanäle (24) zu Auslaßöffnungen hin erstrecken, die nahe dem Schneidende der Finger (18) angeordnet sind und Fluid zu ihnen hinzuleiten vermögen.

11. Bohrkrone nach Anspruch 10, dadurch g e k e η η zeichnet , daß die Anschlußvorrichtung ferner ein Schraubengewinde umfaßt, das in der Bohrung (22) ausgebildet und mit einem Schraubengewinde an einer Vorrichtung verschraubt ist, welche Fluid zuzufördern und die Bohrkrone (10) anzutreiben vermag.