DE69306165T2 - Diamantenschneiden mit geänderter Schneidkantengeometrie und ihre Montageanordnung am Bohrmeissel - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Schneidglieder aus superhartem Material für Erdbohrmeißel und insbesondere auf Änderungen an der Geometrie der Umfangs-Schneidkante derartiger Schneidglieder.
• Superharte Schneidglieder in Form von polykristallinen Diamant- Kompakt-Strukturen (PDC) sind seit etwa zwei Jahrzehnten und ebene PDC-Schneidglieder sind seit mehr als 15 Jahren auf dem Markt erhältlich. Der letztere Typ von PDC-Schneidgliedern weist üblicherweise eine dünne, im wesentlichen kreisförmige Scheibe (obwohl auch andere Konfigurationen erhältlich sind) mit einer Lage aus superhartem Material, gebildet aus bei sehr hohen Temperaturen und Drücken miteinander verbundenen und eine ebene Vorderseiten-Schneidoberfläche definierenden Diamantkristallen, eine ebene Rückseiten-Oberfläche und eine Umfangsoder Umlaufkante auf, von der wenigstens ein Teil als Schneidkante zum Schneiden der unterirdischen Formationen benutzt wird, in die mit einem mit einem PDC-Schneidglied ausgerüsteten Bohrmeißel gebohrt wird. PDC-Schneidglieder werden üblicherweise bei der Herstellung auf eine Stützlage oder ein Stützsubstrat aus Wolframcarbid aufgebracht, obwohl auch selbsttragende ebene PDC-Schneidglieder bekannt sind, insbesondere die bei höheren Temperaturen stabilen, die als TSP's oder thermisch stabile Produkte bekannt sind.
• Jeder Typ der PDC-Schneidglieder wird üblicherweise fest am Drehbohrmeißel angebracht, der durch Drehen des Meißels und Aufbringen des Gewichts des Bohrstrangs im wesentlichen mit einer Scherwirkung in die Formation schneidet. Eine Mehrzahl eines Typs oder auch beider Typen von PDC-Schneidgliedern wird an einem gegebenen Meißel angebracht, und Schneidglieder diverser Größen können am gleichen Meißel eingesetzt werden.
• Bohrmeißel können aus Metall, typischerweise Stahl, gegossen und/oder herausgearbeitet oder aus einem bei hohen Temperaturen zur Bildung einer Matrix mit einem flüssigen Bindemittel infiltrierten Pulvermetall gebildet werden. PDC-Schneidglieder könen nach dem Brennen auf einen matrixförmigen Meißel hartgelötet oder TSP's auch schon während des Brennvorgangs in den Meißelkörper eingebunden werden. Schneidglieder werden typischerweise durch vorausgehendes Anbinden an ein Trägerelement, das üblicherweise als Zapfen bezeichnet wird an gegossenen oder herausgearbeiteten (Stahlkörper-)Meißeln festgelegt, wobei der Zapfen wiederum in eine Öffnung in der Oberfläche des Meißels eingefügt und dort mechanisch oder metallurgisch festgelegt wird. Zapfen werden auch bei matrixförmigen Meißeln eingesetzt, ebenso wie auch die Schneidglieder über ihre Substrate an zylindrischen, an der Matrix befestigten Trägerelementen festgelegt werden.
• Es ist seit langem bekannt, daß PDC-Schneidglieder - unabhängig vom Verfahren ihrer Befestigung an Bohrmeißeln - wegen der extrem hohen Temperaturen und der hohen Belastungen, insbesondere Stoßbelastungen, bei der Benutzung, wenn der Meißel weiter nach unten bohrt, einer relativ schnellen Abtragung unterliegen. Eine der hauptsächlichen Wirkungen derartiger Abtragungen ist das Brechen oder Absplittern der Schneidkante des PDC-Schneidglieds, wobei sich große Anteile der superharten PDC-Lage vom Schneidglied abtrennen. Das Absplittern kann die Schneidoberfläche des PDC-Schneidglieds abtrennen und kann sogar zu einer Delaminierung der superharten Lage von der Stützlage des Substrats oder vom Meißel selbst führen, wenn kein Substrat benutzt wird. Auf jeden Fall wird die Schneidwirkung durch Schäden an der Schneidkante beeinträchtigt, wodurch auch die Eindringgeschwindigkeit des Bohrmeißels in die Formation vermindert wird. Selbst minimale Bruchschäden können eine negative Wirkung auf die Lebensdauer und Leistungsfähigkeit des Schneidglieds haben. Wenn einmal die scharfe Ecke der Vorderkante (in Richtung der Schneidbewegung) der Diamanttafel abgeplatzt ist, nimmt die Beschädigung der Tafel ständig zu, wie auch die senkrecht wirkende, zum Erreichen einer bestimmten Schneidtiefe benötigte Kraft. Daher führt die übliche Wirkung des zunehmenden Gewichts auf den Meißel, wenn eine Beschädigung des Schneidglieds auftritt und die Eindringgeschwindigkeit des Bohrmeißels abnimmt, schnell zu weiterer Abtragung und schließlich zu einem katastrophalen Ausfall des abgeschlagenen Schneidglieds.
• Man hat bei Werkzeugmaschinen herausgefunden, daß das Abschrägen von Diamantwerkzeugspitzen für das Ultraschall-Bohren das Abspalten und Abplatzen der Werkzeugspitze vermindert (J. Grandia und J. C. Marinace, "DIAMOND TOOL-TIP FOR ULTRA-SONIC DRILLING"; IBM Technical Disclosure Bulletin Bd. 13, Nr. 11, April 1971, Seite 3285). Die Verwendung von abgeschrägten oder abgefasten Diamant- und Bornitrid-Verbundstoffen zum Reduzieren der Tendenz zum Absplittern der Schneidkante bei Bergbauanwendungen ist ebenfalls bekannt (GB-A-2193740).
• Die US-A-4,109,737 offenbart im sachlichen Teil die Verwendung von stift- oder zapfenförmigen Schneidgliedern, wobei die Stifte eine Lage von polykristallinem Diamant an ihren freien Enden aufweisen und die Außenoberfläche des Diamants von auf kegelstumpfförmigen Flächen ausgebildeten Zylindern, Halbkugeln oder näherungsweisen Halbkugeln gebildet ist.
• Die US-U-32,036 offenbart die Verwendung einer abgeschrägten Schneidkante an einem scheibenförmigen, auf einem Zapfen angebrachten PDC-Schneidglied, eingesetzt an einem Drehbohrmeißel.
• Die US-A-4,987,800 bezieht sich auf die vorerwähnte US-U-32,036 und bietet mehrere alternative Kantenbehandlungen von PDC- Schneidgliedern einschließlich Nuten, Schlitzen und Mehrzahlen benachbarter Öffnungen, wobei alle diese ein Absplittern der superharten PDC-Lage hinter der von der Nut, dem Schlitz oder der Reihe von Öffnungen benachbart zur Schneidkante definierten Grenze behindern.
• Schließlich offenbart die US-A-5,016,718 die Verwendung ebener PDC-Schneidglieder, welche eine radial oder axial äußere Kante mit einem "sichtbaren" Radius aufweisen, wobei eine derartige Gestaltung die "mechanische Festigkeit" des Glieds in beabsichtigter Weise verbessert.
• Insgesamt scheint es, daß die Lebensdauer eines Schneidwerkzeugs erheblich verbessert werden kann, wenn das anfängliche Absplittern der Schneidkante der Diamanttafel vermieden werden kann. Eine Änderung der Schneidkantengeometrie wurde als vielversprechendes Verfahren zum Verringern des Absplitterns erkannt, mußte aber noch in seinen gesamten Möglichkeiten gegenüber bekannten Konfigurationen verwirklicht werden.
• Die vorliegende Erfindung schafft eine verbesserte Geometrie der Schneidkante mit Mehrfach-Abschrägungen für superharte Schneidglieder, wie in Anspruch 1 definiert. Eine derartige Konfiguration oder Geometrie schafft eine ausgezeichnete Bruchfestigkeit, kombiniert mit einem Schneidwirkungsgrad, der allgemein mit dem von normalen (unabgeschrägten) Schneidgliedern vergleichbar ist.
• Während die vorliegende Erfindung hier durch bevorzugte Ausführungsformen mit PDC-Schneidgliedern offenbart wird, wird es für möglich gehalten, daß sie in gleicher Weise auf andere superharte Materialien anwendbar ist, wie Bornitrid-, Siliconnitrid- und Diamantfilme.
• In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Winkel der äußersten Abschrägung am Umfang des superharten Schneidglieds zur Seitenkante des Schneidglieds hin im wesentlichen näherungsweise gleich dem Neigungswinkel des Schneidglieds auf der Oberfläche des Bohrmeißels. Anders gesagt, das Schneidglied kann auf der Meißeloberfläche so ausgerichtet werden, daß die Oberfläche der äußersten Abschrägung auf der gebohrten Formation "reitet" und eine erhöhte Stütz- oder Belastungsfläche liefert, wodurch auf das Schneidglied senkrecht wirkende Kräfte absorbiert werden.
• Fig. 1 zeigt eine Vorderansicht eines runden PDC-Schneidglieds gemäß der vorliegenden Erfindung,
• Fig. 2 eine Seitenansicht des Schneidglieds nach Fig. 1 entlang der Linie 2-2,
• Fig. 3 eine vergrößerte Seitenansicht des Außenumfangs des Schneidglieds nach Fig. 1 aus der gleichen Perspektive wie Fig. 2,
• Fig. 4 eine Seitenansicht eines an der Oberfläche eines Borhmeißels angebrachten PDC-Schneidglieds gemäß der vorliegenden Erfindung beim Schneiden in eine Formation, und
• Fig. 5 eine vergrößerte Seitenansicht des Außenumfangs eines Schneidglieds gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer dreifach abgeschrägten Kante.
• Es ist festgestellt worden, daß das Abschrägen oder Abfasen der Schneidkante oder des Schneidflächenumfangs eines ebenen PDC- Schneidglieds tatsächlich das Absplittern der Kante - was offensichtlich den Schneidgliedausfall wegen Bruchs nach sich zieht - vermindert, wenn nicht verhindert. Es ist entdeckt worden, daß mit Radien versehene Schneidwerkzeugkanten auch die Absplitterfestigkeit der Schneidkante erheblich verbessern. Untersuchungen haben jedoch gezeigt, daß der Grad des Vorteils von Abschrägungen oder Radien an der Kante der Diamanttafel eines Schneidglieds äußerst abhängig von der Abmessung der Abschrägung oder des Radius ist. Beim Messen einer Abschrägung wird das Maß senkrecht oder in der Tiefe ab der Vorderseite der Schneidoberfläche bis zum Punkt genommen, an dem die Abschrägung endet. Bei einer mit einem Radius versehenen Kante ist das Bezugsmaß der Krümmungsradius der abgerundeten Kante. Um die gewünschte nützliche Wirkung gegen das Absplittern zu schaffen, wurde festgestellt, daß die Abschrägung oder der Radius an der Kante der Diamanttafel relativ groß sein muß, in der Größenordnung von 0,102 - 0,114 cm (0,04 - 0,45 Zoll). Kleinere Abschrägungen und Kantenradien in der Größenordnung von 0,038 - 0,058 cm (0,015 - 0,02 Zoll) sind etwas weniger wirkungsvoll zum Liefern einer Bruchfestigkeit im Vergleich mit den größeren Abschrägungen und Radien, wenn die ersteren auch eine höhere Bruchfestigkeit als normale Schneidglieder mit scharfen Kanten liefern. Der Nachteil von Schneidgliedern mit kleineren Abschrägungen und Radien ist besonders bei wiederholten Stößen deutlich, denen Schneidglieder bei reellen Bohrvorgängen unterliegen.
• Die Entdeckung, daß Abschrägungen und Radien in ihrem Wirkungsgrad gegen Absplittern von den Abmessungen abhängen, war etwas entmutigend und stellte ein großes Hindernis für eine wirtschaftliche Verwirklichung von PDC-Schneidgliedern mit Abschrägungen oder Radien dar. Beispielsweise erfordert das Herstellen einer großen Abschrägung eine verlängerte Zeit zum Schleifen und nicht annehmbaren Materialverbrauch (Schleifscheibenverbrauch). Das Herstellen einer Schneidkante mit großem Radius benötigt nicht nur Zeit, sondern erfordert auch Präzisions- Schleiftechniken und -ausrüstungen, um die gewünschte Wölbung innerhalb einer vernünftige Toleranz zu halten und um sicherzustellen, daß die gewölbte Kante tangential zur Front und zur Seite des Schneidglieds ausläuft.
• Die Erfinder zu dieser Erfindung haben entdeckt, daß ein PDC- Schneidglied so hergestellt werden kann, daß es eine viel höhere Festigkeit gegen Absplittern, Abplatzen und Brechen der Diamanttafel hat als ein normales PDC-Schneidglied ohne die übermäßigen Kosten und Aufwendungen zum Herstellen einer großen Abschrägung oder eines großen Radius an der Kante der Diamanttafel.
• Nach Fig. 1 und 2 der Zeichnungen weist das erfindungsgemäße PDC-Schneidglied 10 insbesondere eine im wesentlichen ebene Diamanttafel 12 auf, welche auf einen Wolframcarbidkörper 14 des vorher beschriebenen Typs laminiert sein kann oder auch nicht. Die Diamanttafel 12 kann wie gezeigt von einer kreisförmigen Konfiguration sein, kann halbrund oder grabsteinförmig sein, eine größere, nicht-symmetrische Diamanttafel aus mehreren kleineren Bauteilen oder mit Diamantfilmtechniken oder andere bekannte Konfigurationen aufweisen. Der äußere Umfang 16 der Diamanttafel 12 ("äußere" bezeichnet die Kante des Schneidglieds, die beim Drehen des Meißels bei einem Bohrvorgang mit der Formation in Eingriff kommt) weist eine doppelte Abschrägungskonfiguration mit einer äußeren Abschrägung 20 und einer angrenzenden inneren Abschrägung 22 auf, wie man deutlicher in Fig. 2 sehen kann. Falls ein Stützkörper 14 benutzt wird, ist der Umfang 16 normalerweise an die Seite 18 des Körpers 14 angrenzend, welche wiederum senkrecht zur Ebene der Diamanttafel 12 steht.
• Im Beispiel der Figuren 1 und 2 beginnen die abgeschrägten Oberflächen 20 und 22 unter spitzen Winkeln zur Ausrichtung der Schneidgliedkante oder des Umfangs 16, welcher (bei konventionellen PDC-Schneidgliedern) normalerweise senkrecht oder unter 90º zur Ebene der Diamanttafel 12 verläuft. Die Oberflächen 20 und 22 sind unter Winkeln α bzw. β angeordnet und definieren Tiefen D&sub1; und D&sub2; der Gesamtdicke der Diamanttafel 12, wobei all dieses deutlicher in der vergrößerten Seitenansicht des Umfangs 16 in Fig. 3 dargestellt ist.
• Normalerweise haben PDC-Diamanttafeln eine Dicke oder Tiefe von 0,0762 - 0,162 cm (0,03 - 0,04 Zoll), und viele weit verbreitete PDC-Schneidglieder verwenden eine nominale Diamanttafel- Dicke von 1 mm (0,039 Zoll). Im Fall derartiger Schneidglieder wurde entdeckt, daß ein Winkel α von 20º und ein Winkel β von 45º zur verlängerten Linie der Ausrichtung des Schneidglied-Umfangs 16 leicht durch Schleifen von normalen, von der Fabrik beziehbaren Schneidwerkzeugen erzielt wird. Die Tiefe D&sub1; der mit einem Winkel α abgeschrägten Diamanttafel 12 ist 0,0508 cm (0,02 Zoll), während die Tiefe D&sub2; dieses Teils der mit einem Winkel β abgeschrägten Diamanttafel 12 0,0254 cm (0,01 Zoll) ist, wobei eine unabgeschrägte Tiefe von etwa 0,0228 cm (0,009 Zoll) neben dem Körper 14 übrigbleibt. In der Praxis kann der abgeschrägte Bereich den gesamten Umfang 16 umfassen, so daß keine unabgeschrägte Tiefe der Diamanttafel verbleibt. In solchen Fällen werden die Winkel α und β von einer zur Oberfläche der Diamanttafel 12 neben dem Umfang 16 senkrechten Linie aus gemessen.
• Untersuchungen haben gezeigt, daß so abgeänderte Schneidwerkzeug im wesentlichen genauso bruchfest sind wie Schneidglieder mit großen (0,102 cm, 0,04 Zoll) Radien oder Abschrägungen, jedoch erheblich wirtschaftlicher herzustellen als diese. In ähnlicher Weise sind doppelt abgeschrägte Schneidwerkzeug erheblich bruchfester als Schneidwerkzeuge mit kleinen (0,0381 cm, 0,015 Zoll) Radien und Abschrägungen.
• Es wird angenommen, daß Spannungserhöhungen am scharfkantigen Umfang einer normalen Schneidglied-Diamanttafel wenigstens teilweise für das Absplittern und Abplatzen verantwortlich sind. Während das Anbringen eines Radius an der Kante der Diamanttafel die winklige Kante beseitigt, wird wie erwähnt der für eine wirksame Absplitter-, Abplatz- und Bruchfestigkeit notwendige große Radius nur zu inakzeptablen Kosten erreicht. Von dem in Fig. 1 bis 3 dargestellten Aufbau mit einer Doppel- Abschrägung wird angenommen (und dies wurde demonstriert), daß er die gleiche Festigkeit gegen Zerstörung durch Stoß aufweist wie die Lösung mit großem Radius, offenbar durch Verringerung der Spannungskonzentration an der Kante der Diamanttafel unter einen Grenzwert.
• Das erwähnte Abplatzen und Absplittern der Diamanttafel umfaßt die beiden üblichsten Brucharten, was wie gezeigt durch verschiedene Belastungsarten bewirkt wird. Das Abplatzen resultiert vorzugsweise aus horizontaler oder tangentialer Belastung eines Schneidglieds, was der Drehung des Meißels, auf dem das Schneidglied angebracht ist, und den auf die Oberfläche der Diamanttafel ausgeübten Kräften bei deren Bewegung in der radialen Ebene zum Schneiden der gebohrten Formation zugeordnet werden kann. Das Absplittern andererseits resultiert hauptsächlich aus den auf das Schneidglied aufgebrachten senkrechten Kräften, welche durch das auf den Meißel aufgebrachte Gewicht entstehen und im wesentlichen parallel zur Meißelachse ausgerichtet sind. Die Abplatz- und Absplitterfestigkeit von Schneidgliedern mit Mehrfach-Abschrägung gemäß der vorliegenden Erfindung äquivalent zu der von sonst identischen Schneidgliedern mit einem großen Radius oder einer großen (einzigen) Abschrägung ist empirisch demonstriert worden. Analysetechniken mit finiten Elementen haben ebenfalls gezeigt, daß die Festigkeit eines Schneidglieds mit Doppel-Abschrägung gegen Abplatzen unter tangentialer Belastung größer ist als die von Schneidgliedern mit einer Einzel-Abschrägung. Die Zugbelastung der Diamanttafel durch tangentiale Kräfte ergibt sich numerisch derart, daß eine viel höhere Spannungskonzentration beim Aufbringen auf die Schneidkante eines Schneidglieds mit Einzel-Abschrägung als beim Aufbringen einer gleichen tangentialen Belastung auf die Schneidkante eines Schneidglieds mit Doppel-Abschrägung stattfindet.
• Es wird auch berücksichtigt, daß eine Kante mit Dreifach-Abschrägung (siehe Fig. 5) die gleichen, wenn nicht bessere Eigenschaften wie die Kante mit Doppel-Abschrägung aufweist und tatsächlich weniger teuer in der Herstellung sein könnte, da weniger Material von der Diamanttafel abgenommen werden müßte. Weiterhin ist ein Aufbau mit Dreifach-Abschrägung der nützlichen, aber teuren und schwer zu verwirklichenden Kante mit großem Radius angenähert, und das zu niedrigeren Kosten.
• Es ist von den Erfindern zu dieser Erfindung weiterhin beobachtet worden, daß die Eignung der Diamanttafel mit PDC-Schneidgliedern zum Widerstehen gegen senkrechte Kräften (parallel zur axialen Bewegungsrichtung des Meißels) durch die Verwendung des Aufbaus mit Mehrfach-Abschrägung nach der vorliegenden Erfindung wesentlich verbessert wird. Anders gesagt, auf die Schneidglieder wirkende senkrechte Kräfte werden als Hauptbeitrag zum Schneidgliedbruch angesehen, und der Aufbau mit Mehrfach-Abschrägung nach der vorliegenden Erfindung erhöht deutlich und in unerwartetem Ausmaß die Festigkeit eines Schneidglieds gegen Bruch durch senkrechte Kräfte. Tatsächlich wird angenommen, daß der Aufbau mit Mehrfach-Abschrägung die Fähigkeit des Schneidglieds zum besseren Widerstehen gegen aus einer Vielzahl von Richtungen aufgebrachte Kräfte verbessert.
• Fig. 4 stellt ein PDC-Schneidglied nach der vorliegenden Erfindung dar, das auf der Vorwölbung 30 der Oberfläche 32 eines Drehbohrmeißels 34 angebracht ist. Der Meißel 34 ist in einem Bohrloch angeordnet, so daß der Umfang 16 der Diamanttafel 12 des PDC-Schneidglieds 10 mit der Formation 36 in Eingriff kommt, wenn der Meißel 34 rotiert und ein Gewicht auf den Bohrstrang, an dem der Meißel 34 befestigt wird, aufgebracht wird. Man kann sehen, daß senkrecht Kräfte N im wesentlichen parallel zur Meißelachse ausgerichtet sind, und daß das PDC- Schneidglied 10 den senkrechten Kräften N unter einem spitzen Winkel ausgesetzt wird. In der Darstellung von Fig. 4 ist das PDC-Schneidglied 10 unter einem Neigungswinkel Δ von 15º angeordnet, welcher auf die "Ecke" zwischen der Front und der Seite der Diamanttafel wirken würde, wenn das PDC-Schneidglied einen konventionellen, scharfkantigen Aufbau hätte, und würde zu einer außerordentlich hohen und zerstörend wirkenden Kraftkonzentration aufgrund der minimalen Tragfläche durch den Punkt- oder Linienkontakt der Diamanttafelkante führen. Das am Meißel nach Fig. 4 eingesetzte PDC-Schneidglied 10 weist jedoch einen äußeren Abschrägungswinkel α von 15º auf, im wesentlichen gleich dem Neigungswinkel des PDC-Schneidglieds, so daß die beiden Winkel so zusammenwirken, daß die Oberfläche der Abschrägung 20 eine im wesentlichen ebene Lagerfläche liefert, auf der das PDC-Schneidglied 10 reitet. Somit wird die Belastung pro Fläche vom Punkt- oder Linienkontakt von Schneidwerkzeugen mit konventionellen 90&sup0;-Kanten deutlich vermindert, ein besonderer Vorteil beim Bohren von härteren Formationen. Man kann erkennen, daß es nicht notwendig ist, die äußere Abschrägung 20 parallel zur Formation auszurichten, solange sie ausreichend parallel dazu verläuft, so daß das Gewicht auf den Meißel und die Plastizität der Formation dafür sorgen, daß die Abschrägung 20 als Lagerfläche bezüglich der senkrechten Kräfte N wirkt. Die äußere Abschrägung 20 erhöht die effektive, von der Formation und den senkrecht dazu aufgebrachten Kräften N "gesehene" Oberfläche der Diamanttafel 12, während die innere Abschrägung 22 mit ihrer größeren Winkelabweichung von der Kante des PDC-Schneidglieds 10 eine Schneidkante liefert, die bei größeren Schneidtiefen wirksam ist, für die die gegenwärtigen Meißel vorgesehen sind und die sich bei bekannten Meißeln für neue Schneidglieder als äußerst zerstörend wirkend erwiesen haben.
• Ein komplizierteres Verfahren zum Anpassen des Neigungs- und Abschrägungswinkels des Schneidglieds ist weiterhin durch Benutzung der "effektiven" Neigung möglich, wodurch die radiale Position des Schneidglieds am Bohrmeißel und die vorgesehene Eindringgeschwindigkeit bzw. der Bereich von Eindringgeschwindigkeiten berücksichtigt werden, was sich im tatsächlichen Weg des Schneidglieds pro Fuß Vorschub des Bohrmeißels auswirkt und wodurch der wahre oder effektive Neigungswinkel eines Schneidglieds im Betrieb erreicht wird. Solch eine Aufgabe kann mit den heutigen Rechnerkapazitäten leicht gelöst werden, muß aber tatsächlich nicht unbedingt notwendig sein, solange die an einem Meißel verwendete Abschrägung an den scheinbaren Neigungswinkel eines stationären Meißels angepaßt wird, wenn zapfenförmige Schneidwerkzeuge eingesetzt werden. Wenn jedoch Schneidwerkzeugtaschen in einem matrixförmigen Meißel gegossen werden, können derartige individuelle Neigungswinkelberechnungen und das Schleifen von angepaßten Abschrägungswinkeln an jedem Schneidwerkzeug als Teil des normalen Herstellungsprozesses eingesetzt werden.
• Die Herstellung von PDC-Schneidgliedern (einschließlich TSP- Gliedern) nach der vorliegenden Erfindung kann leicht durch die Verwendung einer Diamant-Schleifscheibe auf Schmirgel- oder elektrischer Entladungsgrundlage und eine geeignete Vorrichtung verwirklicht werden, auf der das Schneidglied angebracht und im Fall von kreisförmigen oder teilweise kreisförmigen Gliedern gegenüber der Schleifscheibe gedreht wird.
• Fur eine optimale Wirksamkeit der vorliegenden Erfindung bei Schneidgliedern mit 1 mm (0,039 Zoll) dicken Diamanttafeln wird angenommen, daß die äußere Abschrägung 20 eine Tiefe von wenigstens etwa 0,0508 cm (0,02 Zoll) aufweist, während die innere Abschrägung 22 eine Tiefe von 0,0254 cm (0,01 Zoll) erreichen sollte. Jedoch sind derartige maßliche Empfehlungen nicht fest und bindend und hängen etwas von der Art der Diamanttafel und der eingesetzten Herstellungstechnologie ab.
• Weiterhin sollte deutlich sein, daß - obwohl die Erfindung im Zusammenhang mit einer ebenen Diamanttafel beschrieben wurde - der Ausdruck "eben" auch konvexe, konkave oder sonstwie unlineare Diamanttafeln berücksichtigt und einschließt, welche eine Diamantlage aufweisen, die eine Schneidkante an ihrem Umfang liefern. Darüberhinaus ist die Erfindung auf Diamanttafeln mit anderen PDC-Strukturen, wie beispielsweise Diamantfilmen, und anderen superharten Materialien, wie beispielsweise kubischem Bornitrid und Siliconnitrid, anwendbar.
• Weiterhin muß klar sein, daß das Abschrägen gleichermaßen Nutzen für gerade oder lineare Schneidkanten wie auch für bogenförmige Kanten bietet, wie weiter oben beschrieben und erläutert.
• Schließlich sollte anerkannt werden, daß die Schneidkante mit Mehrfach-Abschrägung nach der vorliegenden Erfindung von der Diamanttafel abgetragen wird, wenn sich der Meißel in der Formation vorwärts bewegt, und sich eine im wesentlichen lineare "Verschleißfläche" am Schneidglied bildet. Jedoch ist es die Absicht und das Ziel der vorliegenden Erfindung, die neue, unbenutzte Diamanttafel gegen Schlagzerstörung zu schützen, bis sie durch das Schneiden der Formation erheblich verschlissen ist, wonach der Trend der Diamanttafel zum Abplatzen und Absplittern nachgewiesenermaßem deutlich reduziert ist.
• Während das Schneidglied - allein und in Verbindung mit einer speziellen Montageausrichtung an einem Bohrmeißel - hier unter Bezug auf bestimmte bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurde, sind diese nur beispielhaft anzusehen, und die Erfindung ist nicht auf diese beschränkt. Der Fachmann wird anerkennen, daß viele Zusätze, Weglassungen und Änderungen an der Erfindung durchgeführt werden können, ohne daß vom Schutzumfang der Ansprüche abgewichen wird.

Claims (12)

1. Schneidglied (10) für den Einsatz auf einem räumenden Drehbohrmeißel zum Bohren unterirdischer Formationen, mit einer im wesentlichen ebenen Tafel (12) aus superhartem Material, die eine Oberfläche, eine Seite und eine Umfangskante zwischen diesen darbietet, wobei die Kante zumindest teilweise durch eine erste, äußere Abschrägung (20) definiert ist, die der Seite benachbart und unter einem ersten, spitzen Winkel (α) zu einer Linie ausgerichtet ist, die sich senkrecht zur Oberfläche angrenzend an die Umfangskante erstreckt, dadurch gekennzeichnet, daß die Kante ferner durch eine zweite, innere Abschrägung (22) definiert ist, die an die erste, äußere Abschrägung angrenzt und unter einem zweiten, größeren spitzen Winkel (β) zu der Linie als die erste, äußere Abschrägung (20) ausgerichtet ist.

2. Schneidglied nach Anspruch 1, bei dem die Umfangskante bogenförmig ist.

3. Schneidglied nach Anspruch 1, bei dem das Schneidglied (10) einen Stützkörper (14) aufweist, der mit der Tafel (12) aus superhartem Material auf der der Oberfläche gegenüberliegenden Seite verbunden ist.

4. Schneidglied nach Anspruch 1, bei dem das superharte Material aus Diamantmaterial besteht.

5. Schneidglied nach Anspruch 4, bei dem das Diamantmaterial aus einem PDC besteht.

6. Schneidglied nach Anspruch 4, bei dem die Diamanttafel (12) aus thermostabilem, polykristallinem Diamant besteht.

7. Schneidglied nach Anspruch 1, bei dem sich die Abschrägungen (20;22) von der Frontseite der Schneidfläche zu deren Rückseite erstrecken.

8. Schneidglied nach Anspruch 1, bei dem die Tafel (12) auf einem Trägerglied (14) befestigt ist, das zur Festlegung auf der Oberfläche (32) eines Drehbohrmeißels (34) geeignet ist.

9. Drehbohrmeißel (24) zum Bohren unterirdischer Formationen (36), bestehend aus einem Meißelkörper mit einer Oberfläche (32), einem mit dem Meißelkörper verbundenen Schaft zur Verbindung des Drehbohrmeißels (34) mit einem Bohrstrang und einer Mehrzahl von auf der Meißeloberfläche (32) angebrachten Schneidgliedern (10), von denen zumindest ein Schneidglied (10) eine im wesentlichen ebene Tafel (12) aus superhartem Material mit einem Umfang (16) aufweist, der zumindest teilweise durch im wesentlichen aneinandergrenzende erste und zweite Abschrägungen (20;22) gebildet ist.

10. Drehbohrmeißel nach Anspruch 9, bei dem zumindest eine der Tafeln (12) aus superhartem Material derart auf der Meißeloberfläche (32) ausgerichtet ist, daß an der äußersten der mehrfachen Abschrägungen (20;22) an der Schneidkante eine Lagerfläche (20) für zumindest eine Tafel (12) aus superhartem Material zum Reiten auf der Formation (36) während des Bohrens derselben gebildet ist.

11. Drehbohrmeißel nach Anspruch 9, bei dem der Wnkel (α) zwischen der in Umfangsrichtung äußersten der ersten und zweiten Abschrägungen (20;22) und dem senkrecht zur Ebene der Tafel (12) verlaufenden Umfang (16) im wesentlichen der gleiche ist wie der Winkel, den die Tafel (12) mit der Meißeloberfläche (32) einschließt.

12. Drehbohrmeißel nach Anspruch 9, bei dem die Tafel (12) aus superhartem Material eine Diamanttafel wie eine PDC-Tafel oder eine TSP-Tafel umfaßt.