DE1301784B

DE1301784B - Combination bit for plastic rock

Info

Publication number: DE1301784B
Application number: DE1968D0055209
Authority: DE
Inventors: Grodde; Dr Karl-Hinz
Original assignee: Deutsche Erdoel AG
Current assignee: Wintershall Dea Deutschland AG
Priority date: 1968-01-27
Filing date: 1968-01-27
Publication date: 1969-08-28

Description

Früher hat man zum Abteufen von Tiefbohrungen Blattmeißel verwendet, die spatenförmig oder blattförmig ausgebildet und deren Schneidkanten mit Hartmetall besetzt werden. Die etwas in das Gebirge eindringenden Schneiden schälen bei jeder Umdrehung eine dünne Schicht des Gesteins von der Bohrlochsohle ab, das von der aus verengten Kanälen austretenden Spülflüssigkeit fortgewirbelt und zutage transportiert wird. Blattmeißel haben einige Nachteile, die ihre Einsatzfähigkeit verringern: 1. Sie verursachen hohes Drehmoment, das stoßweise auftritt und das Gestänge stark beansprucht; 2. sie führen deshalb öfters zu Fangarbeiten, die erhebliche Schwierigkeiten bereiten; 3. sie verschleißen rasch und machen häufige Zieharbeiten nötig; 4. sie liefern kein glattes und maßhaltiges Bohrloch; 5. sie sind zum Bohren von härterem Gestein ungeeignet. Auch wenn plastisches Gestein mit geringmächtigen Lagen härteren Gesteins durchsetzt ist, sind Blattmeißel wenig zweckmäßig.In the past, blade bits were used to sink deep boreholes, which are spade-shaped or leaf-shaped and their cutting edges with hard metal to be occupied. The cutting edges, which penetrate the mountains somewhat, peel off everybody Turn a thin layer of rock from the bottom of the borehole, that of the Rinsing fluid escaping from narrowed channels is swirled away and transported to the surface will. Blade chisels have several disadvantages that reduce their usefulness: 1. They cause high torque that occurs intermittently and the linkage is strong claimed; 2. They therefore often lead to fishing work, which causes considerable difficulties prepare; 3. They wear out quickly and require frequent pulling work; 4. They do not provide a smooth and dimensionally accurate borehole; 5. They're for drilling harder Rock unsuitable. Even if plastic rock with thin layers is harder Blade chisels are not very useful.

In den letzten Jahrzehnten ist in der Tiefbohrtechnik der Rollenmeißel in zunehmendem Ausmaß verwendet worden. (Vergleiche z. B. L. C. R o g e r s in Oil and Gasjournal, 46 (1967), S. 118 bis 121, oder Ö. A 11 i q u a n d e r in »Das moderne Rotarybohren«, VEB-Verlag, Leipzig 1965.) Der Bohrvorgang ist bei ihm grundsätzlich anders als beim Blattmeißel. Die an meist drei konischen Rollen angeordneten Meißelzähne werden gegen das Gestein auf der Bohrlochsohle gedrückt, wodurch kleine Gesteinsstücke herausplatzen, die von der Bohrflüssigkeit fortgespült werden (F i g. l a). Um für jedes Gestein einen optimalen Bohrfortschritt zu erzielen, sind viele Typen entwickelt worden, die sich in der Form, Größe, Zahl und Anordnung der Zähne und anderen Konstruktionsteilen unterscheiden. Der Fortschritt im Vergleich zu Blattmeißeln liegt vor allem darin, daß härtere Gesteine schneller und sicherer gebohrt werden können. Es hat sich aber gezeigt, daß Rollenmeißel in plastischem Gestein, wie feuchten Tonen oder weicher Kreide, einen in Relation zur Härte des Gesteins viel zu geringen Bohrfortschritt geben. Der Grund hierfür ist in der Verformung des plastischen Gebirges zu finden (F i g. l b); ein Absplittern von Gesteinsstückchen findet nicht statt. Durch Abänderung der Form und Anordnung der Meißelzähne und Verschiebung der Rollenachse derart, daß die Kegelspitze nicht in der Bohrlochachse liegt, erzeugt man zusätzlich zu der rollenden Bewegung ein Gleiten der Meißelzähne, um ein Abheben von Gesteinsstücken von der Bohrlochsohle zu bewirken.In the last few decades the roller bit has been used to an increasing extent in the deep drilling technique. (Compare e.g. BLC Rogers in Oil and Gasjournal, 46 (1967), pp. 118 to 121, or Ö. A 11 iquander in "Das Moderne Rotarybohren", VEB-Verlag, Leipzig 1965.) The drilling process is fundamental for him different from the blade chisel. The chisel teeth, which are usually arranged on three conical rollers, are pressed against the rock on the bottom of the borehole, whereby small pieces of rock burst out, which are washed away by the drilling fluid (FIG. 1 a). In order to achieve optimal drilling progress for every rock, many types have been developed which differ in the shape, size, number and arrangement of the teeth and other structural parts. The advance compared to blade chisels is mainly that harder rocks can be drilled faster and more safely. It has been shown, however, that roller bits in plastic rock, such as moist clays or soft chalk, give a drilling progress that is far too poor in relation to the hardness of the rock. The reason for this can be found in the deformation of the plastic rock (Fig. 1b); fragments of rock do not split off. By changing the shape and arrangement of the chisel teeth and shifting the roller axis so that the cone tip is not in the borehole axis, sliding of the chisel teeth is produced in addition to the rolling movement in order to cause pieces of rock to be lifted from the borehole bottom.

Guten Bohrfortschritt kann man mit Rollenmeißeln in plastischem Gebirge erst bei Verwendung von engen Düsen erzielen, durch die die Spülflüssigkeit mit hoher Geschwindigkeit strömt und das auf Sohle oder am Meißel klebende Gestein zerspült. Strahlgeschwindigkeiten von 120 m/s und Druckverluste von 100 at in den Meißeldüsen werden oft verwendet. Besonders bei Bohrungen großen Durchmessers erfordert diese Bohrtechnik hohen zusätzlichen Energieaufwand, und als Folge der hohen Pumpendrucke großen Aufwand für die Wartung und Reparatur der Pumpen, Bohranlagen mit Pumpenleistungen von 1000 bis 2000 PS werden für Tiefbohrungen schon eingesetzt, und obwohl man versucht, möglichst 65% der Pumpenleistung in den Düsen wirksam zu machen, ist in manchen Fällen der Bohrfortschritt noch unbefriedigend im Vergleich zu der Härte des Gesteins.Good drilling progress can be achieved with roller chisels in plastic rock only achieve when using narrow nozzles, through which the rinsing liquid with flows at high speed and washes away the rock sticking to the bottom or the chisel. Jet speeds of 120 m / s and pressure losses of 100 at in the chisel nozzles are often used. This is particularly necessary for large-diameter bores Drilling technology high additional energy consumption, and as a result of the high pump pressures great effort for the maintenance and repair of pumps, drilling rigs with pump services from 1000 to 2000 HP are already being used for deep drilling, and although one tries to To make 65% of the pump output effective in the nozzles as possible is in some Cases the drilling progress is still unsatisfactory compared to the hardness of the rock.

Es sind ferner Bohrmeißel bekannt, in denen gezahnte Rollen, mit Schneidkanten bestückte Blätter sowie Spüldüsen vereinigt sind. Bei den z. B. in der französischen Patentschrift 1307 849 oder der USA.-Patentschrift 3100 544 beschriebenen Meißeln ist die Anordnung der Werkzeugelemente so getroffen, daß von den Blättern und den Rollen jeweils verschiedene Flächenanteile der Bohrlochsohle bearbeitet werden. Bei dem Meißel nach der französischen Patentschrift wird der innere und bei dem Meißel nach der USA.-Patentschrift der äußere Teil der Sohle ausschließlich von den Schneidkanten der Blätter und der verbleibende Teil von den Rollen bearbeitet und abgetragen. Dabei sind die Blätter wesentlich tiefer angeordnet als die Rollen des Meißels. Beide bekannten Bauarten solcher Meißel weisen demnach die geschilderten Nachteile sowohl des reinen Blatt- wie des reinen Rollenmeißels in kaum vermindertem Maße auf.There are also known drill bits in which toothed rollers, with cutting edges equipped leaves and flushing nozzles are combined. At the z. B. in the French U.S. Patent 1307,849 or U.S. Patent 3,100,544 the arrangement of the tool elements is made so that of the leaves and the Roll different areas of the borehole bottom are processed. In the case of the chisel according to the French patent specification, the inner and the Chisel according to the USA patent specification of the outer part of the sole exclusively from machined the cutting edges of the sheets and the remaining part from the rollers and worn away. The leaves are arranged much lower than the rollers of the chisel. Both known types of such chisels therefore have those described Disadvantages of both the pure blade and the pure roller bit are hardly reduced Dimensions on.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Meißel zu schaffen der die beiden Prinzipien des Blatt- und des Rollenmeißels vereint, ohne daß die jeweils vorhandenen Nachteile auftreten können.The invention is based on the object of creating a chisel who combines the two principles of the blade and the roller chisel, without the existing disadvantages can occur.

Diese Aufgabe wird durch im Anspruch 1 genannten, kennzeichnenden Merkmale gelöst.This object is mentioned in claim 1, characterizing Features solved.

Das plastische Gebirge wird so durch die Zähne 1 einer Meißelrolle geknetet (F i g. l b), und die nachfolgende Schneide 2 eines Meißelblattes hebt das durch die Verformung weicher gewordene Gebirge von der Bohrlochsohle ab (F i g. 1 b, Ziffer 2). Der auf die Schneide gerichtete Spülstrahl hat dann nur die Aufgabe, das abgescherte Gesteinsstück vom Meißelblatt fortzuspülen, wozu nur ein kleinerer Teil der Energie nötig ist wie der zum Zerspülen des Gesteins erforderlichen. Die Höhe der Schneidkante der Meißelblätter soll etwa in der halben Höhe der in das Gebirge eindringenden Zähne stehen (F i g.1 b).The plastic rock is kneaded by the teeth 1 of a chisel roller (Fig. 1b ), and the following cutting edge 2 of a chisel blade lifts the rock, which has become softer due to the deformation, from the bottom of the borehole (Fig. 1b, point 2) . The flushing jet directed at the cutting edge then only has the task of flushing the sheared off piece of rock from the chisel blade, for which only a smaller part of the energy is required than that required to flush the rock. The height of the cutting edge of the chisel blades should be approximately half the height of the teeth penetrating the rock (Fig. 1 b).

Aus konstruktionstechnischen Gründen scheint die Verwendung von zwei diametral gegenüberliegenden Rollen und zwei diametral angeordneten Meißelblättern am besten geeignet. Das Zentrum der Bohrlochsohle kann entweder durch eine Rolle (F i g. 2 a) oder durch die Schneiden der Blätter (F i g. 2b) erfaßt werden. Die perspektivische Darstellung (F i g. 3) zeigt den Gesamtaufbau des Meißels und auch die Anordnung der Düsen (Ziffer 3).For structural reasons, the use of two diametrically opposed rollers and two diametrically arranged chisel blades seems to be the most suitable. The center of the bottom of the borehole can be detected either by a roller (FIG. 2 a) or by cutting the leaves (FIG. 2 b) . The perspective view (FIG. 3) shows the overall structure of the chisel and also the arrangement of the nozzles (number 3).

Die Ausführung solcher Kombinationsmeißel ist in vielfachen Variationen möglich, die auch verschiedenartigem Gebirge und unterschiedlichen Bohrbedingungen angepaßt werden müssen. Wie bei den 3-Konus-Rollenmeißel können optimale Typen erst auf Grund umfangreicher praktischer Erfahrungen ermittelt werden. Mögliche Varianten sind vor allem in folgender Weise möglich: 1. Ausbildung der Rollen und Zähne, 2. Ausbildung der Blätter und Schneiden, 3. Höhe der Schneidkanten relativ zu den Rollen, 4. Zahl, Größe und Anordnung der Düsen. Die Kombination Rollen und Blätter ist auch nicht auf das hier genauer beschriebene 2-Rollen-, 2-Blätter-System beschränkt, obwohl diese Kombination aus räumlichen Gründen für einen den vollen Bohrlochquerschnitt bohrenden Meißel zweckmäßig erscheint. Für einen Erweiterungsmeißel, der dazu dient, ein vorhandenes Bohrloch auf einen erheblich größeren Durchmesser zu erweitern, wird die alternierende Anordnung von Rollen und Blättern zu drei, vier oder mehr Paaren günstiger sein (vgl. F i g. 4).The design of such combination chisels is in many variations possible, the different mountains and different drilling conditions need to be adjusted. As with the 3-cone roller bits, optimal types can only be can be determined on the basis of extensive practical experience. Possible options are mainly possible in the following way: 1. Formation of the rollers and teeth, 2. Formation of the blades and cutting edges, 3. Height of the cutting edges relative to the rollers, 4. Number, size and arrangement of the nozzles. The combination of roles and Sheets is also not based on the 2-roll, 2-sheet system described in more detail here limited, although this combination for space reasons for a full Borehole cross-section drilling chisel appears expedient. For an extension chisel, which serves to reduce an existing borehole to a considerably larger diameter to expand, the alternating arrangement of rolls and sheets becomes three, four or more pairs are cheaper (see Fig. 4).

Der Kombinationsmeißel hat gegenüber den Blatt-und den Rollenmeißeln mehrfache Vorteile: 1. Er ist durch die Rollen und die Seitenkanten der Blätter gut zentriert und ergibt ein glattes und gerades Bohrloch; 2. weiches plastisches Gebirge kann mit etwa 50 % der hydraulischen Energie gebohrt werden wie mit Düsenrollenmeißeln, was erhebliche Kosten einspart; 3. er arbeitet bei geringerer Belastung als Düsenrollenmeißel; die Lager halten daher länger; 4. in härteren Zwischenlagen z. B. Sandsteinen, dringen nur die Zähne teilweise in das Gebirge ein, die Schneiden der Blätter schweben oberhalb der Bohrlochsohle, sie verschleißen nicht und verursachen keine Drehmomentstöße; 5. das Gebirge wird nicht zerspült; die Spülflüssigkeit wird weniger durch feinstkörnige Feststoffe verdickt, sie ist leichter und billiger zu konditionieren. Der Anwendungsbereich des Kombinationsmeißels ist größer als zu erwarten, da besonders Tonsteine und Tonmergelsteine unter hohem Druck stärker plastisch sind als bei atmosphärischen Bedingungen. Der Kombinationsmeißel wird also noch in mittleren Teufen, z. B. 2000 bis 3000 m, zum Durchteufen von Tongesteinen mit gutem Erfolg einsetzbar sein, zumal in diesen Teufen wegen der schon hohen Druckverluste im Bohrstrang ein Düsenbohren nicht mehr voll realisierbar ist.The combination chisel has opposite the blade and roller chisels multiple advantages: 1. It is through the rollers and the side edges of the sheets well centered and gives a smooth and straight hole; 2. soft plastic Rocks can be drilled with around 50% of the hydraulic energy as with nozzle roller bits, which saves considerable costs; 3. It works as a nozzle roller bit with less load; the camps therefore last longer; 4. in harder intermediate layers z. B. sandstones penetrate only the teeth partially into the mountains, the blades of the leaves hover above the bottom of the borehole, they do not wear out and do not cause torque shocks; 5. the mountains are not washed away; the rinsing liquid is less fine-grained Solids thicken, it is easier and cheaper to condition. The scope of the combination chisel is larger than expected, as especially clay stones and clay marl stones are more plastic under high pressure than under atmospheric conditions. Of the Combination chisels are still used in medium depths, e.g. B. 2000 to 3000 m, for Drilling through clay stones can be used with good success, especially in these depths Because of the already high pressure losses in the drill string, nozzle drilling is no longer full is feasible.

Claims

Claims: 1. Drill bit for plastic rock, consisting made of toothed rollers, blades with cutting edges and nozzles, characterized in that the teeth of the rollers (1) by a third to two thirds their height are lower than the cutting edges of the sheets (2) and that the distances the rollers (1) and the blades (2) from the chisel axis are dimensioned so that practical processed the entire borehole bottom of the rollers (1) and the sheets (2) together is, and that between them flushing nozzles (3) arranged and on the cutting edges of the leaves (2) are directed. z. Drill bit according to claim 1, characterized by more than two alternately arranged rolls (1) and sheets (2). 3. Extension chisel according to claim 1 and 2, characterized in that the rollers (1) and the sheets (2) do not extend to the axis of the chisel.