DE102014007958A1

DE102014007958A1 - Device and method for reducing the necessary drive power in core drilling

Info

Publication number: DE102014007958A1
Application number: DE102014007958.9A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Puttke
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-06-04
Filing date: 2014-06-04
Publication date: 2015-12-17

Abstract

An einer Kernbohrkrone, bestehend aus einem rohrförmigen Schaft (4), der an der Stirnfläche in Bohrrichtung Schneidsegmente (2) aufweist und am anderen Ende des rohrförmigen Schaftes eine Deckplatte (6) mit einem koaxialen Spannflansch zur Befestigung am Bohrmotor, ist vorgesehen, dass mindestens ein oder mehrere zusätzliche Mantelsegmente (5) in der Mantelfläche (4) des rohrförmigen Schaftes angebracht werden, die den gleichen oder einen ähnlichen Überstand über die Wanddicke der Mantelfläche aufweisen wie die Schneidsegmente an der Stirnfläche, wobei diese Mantelsegmente (5) in einer oder mehreren Ebenen senkrecht zur Schaftachse angebracht sind und als löt- oder schweißrare Diamant- oder Hartstoffsegmente ausgebildet sind, wodurch die Reibung zwischen Bohrlochwand und rohrförmigem Schaft sinkt, die Präzessionsneigung der Bohrkrone nachlässt, die Bohrlochwandung geglättet und der Transport einer Bohrflüssigkeit entlang der Innen- und Aussenseite der Schaftwand (4) verbessert wird.On a core bit, consisting of a tubular shaft (4) having at the end face in the drilling direction cutting segments (2) and at the other end of the tubular shaft a cover plate (6) with a coaxial clamping flange for attachment to the drill motor, is provided that at least one or more additional shell segments (5) are mounted in the lateral surface (4) of the tubular shaft, which have the same or a similar projection over the wall thickness of the lateral surface as the cutting segments on the end face, said shell segments (5) in one or more Planes are mounted perpendicular to the shaft axis and are formed as solder or weld diamond or hard material segments, whereby the friction between the borehole wall and tubular shank decreases, the precession tendency of the drill bit decreases, the borehole wall smoothed and the transport of a drilling fluid along the inside and outside of the Shaft wall (4) v is tempered.

Description

Die Erfindung betrifft eine Bohrkrone zur Senkung der notwendigen Antriebsleistung bei Kernbohrarbeiten nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie ein Verfahren nach dem Oberbegriff von Anspruch 8.The invention relates to a drill bit to reduce the necessary drive power in core drilling operations according to the preamble of claim 1 and a method according to the preamble of claim 8.

Nach dem Stand der Technik werden Kernbohrungen in harten Gesteinen, Konglomeraten oder Beton mittels Bohrkronen durchgeführt, bestehend aus einem Hohlzylinder mit stirnseitig angeordneten Schneidsegmenten und einem deckelseitigen, meist gewindebestückten Einspannstutzen. Solche Bohrkronen werden zum Beispiel in der DE 41 06 392 A1 , DE 4426238 C2 und in der DE 10253247 B3 beschrieben.According to the prior art, core drilling in hard rocks, conglomerates or concrete by means of drill bits are performed, consisting of a hollow cylinder with frontally arranged cutting segments and a lid-side, usually threaded tenter. Such drill bits are used for example in the DE 41 06 392 A1 . DE 4426238 C2 and in the DE 10253247 B3 described.

Die während des Bohrvorganges stirnseitig auftretenden Schneid- bzw. Schleif- und Schabvorgänge entstehen aus dem Eingriff der in eine geeignete Matrix eingebetteten harten Diamant- oder Hartmetallpartikel in das weichere Material des Bohrgutes, sowie aus der durch Reibung erzeugten schnellen Erhitzung des Bohrgutes am stirnseitigen Eingriff der Bohrkrone in das Bohrmaterial. Aufgrund des so hervorgerufenen hohen lokalen Temperatur-gradienten und der hohen Drücke an den Eingriffsflächen der Diamant- oder Hartmetallpartikel entstehen Fissuren im Bohrgutmaterial, so dass der Schneidvorgang durch lokale Aufbrechvorgänge an den stirnseitig angebrachten Bohrsegmenten ergänzt wird.The cutting or grinding and scraping processes which occur at the end face during the drilling process arise from the engagement of the hard diamond or hard metal particles embedded in a suitable matrix in the softer material of the cuttings, as well as from the rapid heating of the cuttings at the end-face engagement of the friction material Drill bit into the drilling material. Due to the resulting high local temperature gradient and the high pressures on the engagement surfaces of the diamond or carbide particles fissures are formed in the cuttings material, so that the cutting process is supplemented by local breaking operations on the frontally mounted drilling segments.

Aus der Abschätzung der Trennarbeit (geometrisch unbestimmtes Zerspanen, Schleifen und Schaben) und der Messung der Erwärmung des Bohrmaterials und der Bohrkrone (sic bei Trockenbohren) kann die erforderliche Auslegungsleistung für den Bohrantrieb abgeleitet werden. Andererseits lässt sich die insgesamt tatsächlich aufgewendete elektrische Arbeit aus der Dauer des Bohrvorganges und der währenddessen zugeführten Leistung des Bohrantriebes recht genau messen. Es zeigt sich aus dem Vergleich der unter Berücksichtigung des Wirkungsgrades des Bohrantriebes abgeschätzten zu leistenden Trennarbeit und der gemessenen verbrauchten Energie, dass die tatsächlich aufgewendete Gesamtenergie die mit den Zerspanungsprozessen verbundene Arbeit bei weitem übersteigt. Dies gibt einen klaren Hinweis darauf, dass die Auslegung der Bohrantriebsleistung nach dem Stand der Technik deutlich reduziert werden kann. Da insbesondere die Ergonomie und Handhabung von Kernbohrgeräten wesentlich durch Gewicht, Leistung und Drehmoment der Antriebsmotore bestimmt wird, kommt dem Aspekt der Verringerung der notwendigen Antriebsleistung und damit dem 'Abspecken' der Antriebseinheiten besondere Bedeutung zu.From the estimation of the separation work (geometrically indeterminate cutting, grinding and scraping) and the measurement of the heating of the drilling material and the drill bit (sic by dry drilling) the required design power for the drill drive can be derived. On the other hand, the total electrical work actually expended can be measured quite accurately from the duration of the drilling process and the power supplied during the drilling drive. It can be seen from the comparison of the separation work estimated, taking into account the efficiency of the drill drive, and the measured energy consumed, that the total energy actually consumed far exceeds the work associated with the machining processes. This gives a clear indication that the design of prior art drill drive performance can be significantly reduced. Since in particular the ergonomics and handling of core drilling equipment is essentially determined by weight, power and torque of the drive motors, the aspect of reducing the necessary drive power and thus the 'slimming down' of the drive units is of particular importance.

Aus der Temperaturverteilung in Bohrgut und Bohrkrone ist nun ersichtlich, dass der Hauptanteil der Dissipation nicht notwendigerweise an der Stirnseite und damit am Eingriff der Bohrsegmente in das zu bohrende Material erfolgt, sondern in veränderlichem Maße auch an der Wandung der Bohrhülse. Der Grund hierfür ist die Reibung zwischen Bohrhülse und Bohrmaterial, die mit steigender Bohrlochtiefe anwächst. Die hierbei auftretende reibungsbedingte Erwärmung kann lokal so hoch sein, dass es zu Phasenumwandlungen der am Reibungsprozess beteiligten Komponenten in Bohrgut und Bohrsegmenten kommen kann. In einem solchen Falle kommt es dann häufig zu einem Blockieren der Bohrhülse oder gar zu einem Verbacken der Bohrhülse im Bohrloch, so daß diese dann nur unter goßen Schwierigkeiten aus dem Bohrloch herausgezogen werden kann. Die Wandreibung beeinflusst somit ganz wesentlich sowohl die Geschwindigkeit des Bohrfortschritts als auch die Rauhigkeit der Bohrlochflächen und den daraus resultierenden zusätzlichen Energie- und Zeitaufwand.From the temperature distribution in cuttings and drill bit is now apparent that the majority of the dissipation does not necessarily take place on the front side and thus the engagement of the Bohrsegmente in the material to be drilled, but to a variable extent on the wall of the drill sleeve. The reason for this is the friction between drill sleeve and drilling material, which increases with increasing drill hole depth. The resulting friction-induced heating can locally be so high that it can lead to phase transformations of the components involved in the friction process in cuttings and drilling segments. In such a case, it then often leads to a blocking of the drill sleeve or even to a caking of the drill sleeve in the borehole, so that they can then be pulled out of the well only with great difficulty. The wall friction thus significantly influences both the speed of the drilling progress and the roughness of the borehole surfaces and the resulting additional expenditure of energy and time.

Nach dem Stand der Technik werden nun üblicherweise geeignete Bohrflüssigkeiten über den Hohlschaft der Bohrkrone in den inneren Spalt zwischen Bohrhülse und Bohrkern eingedrückt, um den stirnseitigen Zerspanungsprozess zu kühlen, so dass keine erhitzungsbedingte Phasenumwandlung und lokales Erweichen oder bloßes Polierreiben auftreten können. Somit wirken diese Bohrflüssigkeiten dabei zum einen als Schmiermittel durch Verringerung des Reibungskoeffizienten zwischen dem Stahl der Bohrhülse und dem zu bohrenden Material, zum zweiten als Kühlmittel, das eine Phasenumwandlungen am Hülsenschaft verhindern kann, und zum dritten als Transportmittel, um die beim Bohrvorgang entstehenden Partikel über den Spalt zwischen Bohrhülse und Bohrmaterial auszuschwemmen. Damit ist auch klar, dass der Aufrechterhaltung der Spaltfunktion während des Bohrvorganges eine hohe Bedeutung zukommt. In DE 103 37 832.4 wird nun eine Maßnahme beschrieben, die das Ausschwemmen verbessern soll, und hierfür ein Anzahl von Nuten in der äußeren Mantelfläche der Bohrhülse vorsieht, in denen die partikelbeladene Bohrflüssigkeit abfließen soll. Diese Nuten erhöhen zwar das Spaltvolumen in begrenztem Maße, können sich allerdings durch Partikelbeladung zusetzen, sodaß sie für den weiteren Bohrvorgang unwirksam werden. Die Neigung zum Zusetzen der Nuten wird dabei durch die Eigenschaften der Bohrflüssigkeit regiert, wie diese die Partikel umhüllen und einen Kontakt der Partikel untereinander oder mit den Spalt- und Nutenwandungen unterbinden und die Suspension aus Bohrflüssigkeit und Partikel fließfähig halten kann. Aus diesem Grunde sind nach dem Stand der Technik, wie zum Beispiel in EP 2185665 B1 , Bohrflüssigkeiten aus komplexen Mischungen verfügbar, deren molukulare Eigenschaften nach dem Bohrgut und dem Bohrprozess ausgewählt werden, um die Zusetzneigung soweit möglich zu reduzieren. Diese Bohrflüssigkeiten haben zum einen besondere viskoelastische Eigenschaften als Schmiermittel, enthalten dazu grenzflächenaktive Substanzen, um die Grenzflächenspannung zwischen verschiedenen Phasen der Bohrflüssigkeit herabzusetzen und so die Bildung von komplexen Dispersionen mit den geeigneten Additiven zu ermöglichen, und wie in PCT/EP1999/005329 beschrieben zudem noch lysierende Komponenten zur Reduzierung der Partikelbeladung im Flüssigkeitsstrom. Jedoch tritt durch die nachfolgend beschriebene flächige Wandreibung der Bohrhülse im inhomogenen und im ungünstigen Falle gebietsweise vollständig verschwindenden Spalt eine derartige lokale Erwärmung der Bohrflüssigkeit auf, dass deren Schmier- und Fließeigenschaften relevant nachlassen können. Ein wesentlicher Aspekt ist dabei die schwer zu erreichende thermische Stabilität derart komplexer Dispersionen. Erst die Vermeidung solcher reibungsinduzierter Hotspots könnte hier grundlegende Abhilfe schaffen.In the prior art, suitable drilling fluids are now usually forced through the hollow shaft of the drill bit into the inner gap between the drill sleeve and the core in order to cool the end-side machining process, so that no heating-related phase transformation and local softening or mere polishing rubbing can occur. Thus, these drilling fluids act on the one hand as a lubricant by reducing the coefficient of friction between the steel of the drill sleeve and the material to be drilled, the second as a coolant that can prevent a phase transformations on the sleeve shaft, and the third as a means of transport to the resulting during the drilling particle over flush out the gap between the drill sleeve and the drilling material. It is therefore also clear that the maintenance of the gap function during the drilling process is of great importance. In DE 103 37 832.4 Now a measure is described which is intended to improve flushing, and for this purpose provides a number of grooves in the outer surface of the drill sleeve, in which the particle-laden drilling fluid is to flow. Although these grooves increase the gap volume to a limited extent, they can become clogged by particle loading, rendering them ineffective for further drilling. The tendency to clog the grooves is governed by the properties of the drilling fluid, as they envelop the particles and prevent contact of the particles with each other or with the gap and Nutenwandungen and keep the suspension of drilling fluid and particles flowable. For this reason, according to the prior art, such as in EP 2185665 B1 , Drilling fluids from complex mixtures are available, whose molecular properties are selected after the cuttings and the drilling process in order to reduce the clogging tendency as much as possible. These drilling fluids On the one hand, they have special viscoelastic properties as lubricants, and they contain surface-active substances in order to reduce the interfacial tension between different phases of the drilling fluid and thus to allow the formation of complex dispersions with the appropriate additives, and as in US Pat PCT / EP1999 / 005329 also described lysing components to reduce the particle load in the liquid stream. However, due to the surface wall friction of the drill sleeve described below, such local heating of the drilling fluid occurs in the inhomogeneous and, in the unfavorable case, completely disappearing gap, that its lubricating and flow properties can diminish relevantly. An essential aspect is the difficult to achieve thermal stability of such complex dispersions. Only avoiding such friction-induced hotspots could provide a fundamental remedy here.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist daher die besondere Ausgestaltung der Bohrhülse zum Zwecke der Optimierung dieses Spaltes, und zur Aufrechterhaltung seiner Funktionsfähigkeit während des gesamten Bohrvorganges.The aim of the present invention is therefore the special design of the drill sleeve for the purpose of optimizing this gap, and to maintain its functionality during the entire drilling process.

Dieser Spalt bildet sich durch den Überstand der Bohrsegmente über die Stirnfläche der Bohrhülse, die sowohl radial nach außen als auch nach innen überstehen. Zusätzlich wird dieser Spalt durch die Präzession der Bohrkrone verbreitert, wodurch die ringförmige Bohrfläche größer ist, als dies der Dicke der Kronensegmente bei gegebenem Bohrkronenradius entspricht. Zwar ist ein breiter Spalt günstig, um eben einen besseren Bohrflüssigkeittransport zu erreichen und die Reibung der Bohrhülse am Bohrgut zu verringern, zugleich ist aber damit ein größerer Zerspanungsaufwand, eine längere Bohrzeit und eine Verschlechterung der Bohrlochqualität verbunden, da die Präzessionsbewegung Bohrlochtiefen-abhängig variiert, wodurch dann der Durchmesser des Bohrloches ebenfalls variiert. Insbesondere bei Bohrgut aus Konglomeraten, wie zum Beispiel Beton oder die meisten Natursteine, wird dieser Effekt relevant, da die Präzession durch die statistische Verteilung und Körnung der Bestandteile im Konglomerat, durch die Anregung von Eigenfrequenzen der Bohrkone bei wechselnder Rotationsgeschwindigkeit (Rattern) und durch eventuelle Schlupfbewegungen der Bohraufnahme ungleichmäßig abläuft. Dieses Phänomen ist insbesondere bei Kernbohrvorgängen zur Gewinnung von Bohrkernen unerwünscht, da die Bohrkerne durch Vibrationen und Schläge infolge der Bohrhülsen-Präzession stark beschädigt sein können. Durch dieses auch als ”whirling” bekannte Phänomen, nämlich dem Rotieren der Bohrkrone in ihrem Loch um ihre Rotationsachse und deren Rotation um die Achse des Loches, wird das Kernbohrgerät gegen die wie oben beschrieben zwangsläufig pseudozylindrische Innenwand des Loches bewegt, so daß die genannten extrem starken mechanischen Belastungen des Bohrkerns mit unerwünschter Bohrkernbeschädigung auftreten.This gap is formed by the projection of the drill segments over the end face of the drill sleeve, which protrude both radially outwardly and inwardly. In addition, this gap is broadened by the precession of the drill bit, whereby the annular drilling surface is larger than corresponds to the thickness of the crown segments for a given Bohrkronenradius. Although a wide gap is favorable to achieve better drilling fluid transport and to reduce the friction of the drill sleeve on the cuttings, but at the same time a greater Zerspanungsaufwand, a longer drilling time and a deterioration of the quality of the hole is connected because the precession movement varies depending on the depth of the hole, whereby then the diameter of the well also varies. Especially with cuttings from conglomerates, such as concrete or most natural stones, this effect is relevant because the precession by the statistical distribution and grain of the components in the conglomerate, by the excitation of natural frequencies of the drill bit at varying rotational speed (rattling) and by eventual Slippage movements of the drilling receiving unevenly. This phenomenon is particularly undesirable in core drilling operations to obtain cores because the cores may be severely damaged by vibrations and impacts due to the sleeve precession. By this also known as whirling phenomenon, namely the rotation of the drill bit in its hole around its axis of rotation and its rotation about the axis of the hole, the core drill is against the inevitably pseudo cylindrical inner wall of the hole moves as described above, so that said extreme strong mechanical loads on the core with unwanted core damage occur.

Diese Deformationen der Zylindrizität des Bohrloches und auch des Bohrkerns haben außerdem zur Folge, dass der Schaft der Bohrhülse an der Bohrlochwandung auch großflächig schleifen kann und der oben beschriebene Reibungswiderstand gravierend ansteigt. Die Größe der so entstehenden reibenden Schleifflächen wird durch das Verhältnis von Bohrkronendurchmesser zu Überstand der Kronensegmente bestimmt, sowie den geometrischen Eigenschaften des Bohrhülsen-Hohlzylinders, der Spielfreiheit der Bohrkronenaufnahme und Vorschubeinrichtung, und der daraus resultierenden Präzessionsanregung.These deformations of the cylindricity of the borehole and also of the drill core also have the consequence that the shaft of the drill sleeve on the borehole wall can also grind over a large area and the frictional resistance described above increases sharply. The size of the resulting abrasive grinding surfaces is determined by the ratio of drill bit diameter to protrusion of the crown segments, as well as the geometric properties of the drill sleeve hollow cylinder, the backlash of Bohrkronenaufnahme and feed device, and the resulting precession excitation.

Bei der durch diese konstruktionsbedingt festgelegten Eigenschaften der Bohrvorrichtung und der daraus resultierenden unvermeidbaren Deformation der Zylindrizität der Bohrloch- und Bohrkernoberflächen erfolgt das Auftreten der schleifenden Flächen in einem achsenparallelen Mindestabstand von der Stirnseite der Bohrkrone. Dieser Mindestabstand (MA) lässt sich aus der Relation von Spaltbreite zu konstruktions- und bohrvorgangs-determinierten Präzessionsbewegung der Bohrkrone abschätzen. Eine relevante Erhöhung der notwendigen Bohrleistung tritt daher erst bei Bohrlochtiefen auf, die über diesem Mindestabstand liegen. Für eine gegebene Konfiguration aus Bohrgestell, Bohrantrieb und Bohrkrone lässt sich daher die maximale Bohrlochlänge bestimmen, bei der noch kein relevantes Ansteigen der notwendigen Antriebsleistung zu beobachten ist, und die dem oben beschriebenen Mindestabstand (MA) entspricht.In the construction of this determined properties of the drilling device and the resulting unavoidable deformation of the cylindricity of the borehole and core surfaces occurs the grinding surfaces in an axis-parallel minimum distance from the front side of the drill bit. This minimum distance (MA) can be estimated from the ratio of gap width to design and drilling-determined precession movement of the drill bit. A relevant increase in the necessary drilling performance therefore only occurs at borehole depths that are above this minimum distance. For a given configuration of drilling rig, drill drive and drill bit, therefore, the maximum borehole length can be determined at which no relevant increase in the necessary drive power is yet to be observed and which corresponds to the minimum distance (MA) described above.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zu Grunde, das Ansteigen der notwendigen Antriebsleistung bei steigenden Bohrlochtiefen und Entstehen von Reibflächen zwischen Stahlwand der Bohrhülse und Bohrgut zu verhindern und bei Naßbohren gleichzeitig den Transport der Bohrflüssigkeit im Spalt zwischen Bohrhülse und Bohrgut zu verbessern. Zudem soll zur Minimierung der Bohrdauer und der Bohrarbeit eine unnötige Aufweitung der Spalte zwischen Bohrhülse und Bohrgut vermieden werden.The invention is based on the object to prevent the increase in the necessary drive power with increasing borehole depths and emergence of friction surfaces between the steel wall of the drill sleeve and cuttings and at the same time improve the transport of the drilling fluid in the gap between drill sleeve and cuttings in wet drilling. In addition, an unnecessary widening of the gap between drill sleeve and cuttings should be avoided to minimize the duration of drilling and drilling.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass die Bohrhülsenwand mit schleifenden und schabenden Segmenten versehen ist, die mit fortschreitender Bohrlochtiefe während des Bohrprozesses erstens die großflächige Berührung der Bohrhülse mit der Bohrloch- und Bohrkernwand vermeiden, zweitens durch Zerspanen der reibungserzeugenden Unebenheiten die Spalte glätten, drittens bei Naßbohrungen den Transport der Bohrflüssigkeit optimieren, viertens den Kraftaufwand während des Herausziehens der Bohrkrone aus dem Bohrloch verringern und fünftens die Maßhaltigkeit und mechanische Unversehrtheit des Bohrkerns verbessern.According to the invention this is achieved in that the sleeve wall is provided with grinding and scraping segments, the first with the progressing hole depth during the drilling process avoid the large-area contact of the drill sleeve with the borehole and core wall, secondly smooth the gap by machining the friction-generating bumps, third Wet bores optimize the transport of the drilling fluid, fourthly the effort during the Fifth, remove the drill bit from the borehole and fifth, improve the dimensional accuracy and mechanical integrity of the core.

Die erfindungsgemäße Bohrkrone weist daher nicht nur die für den eigentlichen Bohrvorgang eingesetzten Schneidsegmente (2) auf der Stirnseite (4) der Bohrkrone auf, sondern es werden im Mantel (4) des Hohlzylinders der Bohrkrone zusätzliche Schneidsegmente angebracht, im folgenden als Mantelsegmente (5) bezeichnet. Die Anordnung dieser Mantelsegmente erfolgt bevorzugt ab einer Querschnittsebene im Abstand D von der Stirnseite der Bohrkrone, der kleiner ist als der vorstehend beschriebene Mindestabstand MD.The drill bit according to the invention therefore has not only the cutting segments used for the actual drilling process ( 2 ) on the front side ( 4 ) of the drill bit, but it is in the mantle ( 4 ) of the hollow cylinder of the drill bit additional cutting segments attached, hereinafter referred to as shell segments ( 5 ) designated. The arrangement of these shell segments is preferably carried out from a cross-sectional plane at a distance D from the end face of the drill bit, which is smaller than the minimum distance MD described above.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass mindestens ein Mantelsegment im Abstand D angebracht wird. Es hat sich aber als besonders vorteilhaft erwiesen, dass 3 Mantelsegmente auf einer Querschnittsebene um jeweils 120° versetzt auf dem Umfang des Hohlzylinders verteilt werden. Dadurch wird eine 3-Punkt Zentrierung erreicht und Präzessionsbewegungen werden unterdrückt.According to the invention it is provided that at least one shell segment is mounted at a distance D. However, it has proven to be particularly advantageous that 3 shell segments are distributed on a cross-sectional plane offset by 120 ° on the circumference of the hollow cylinder. This achieves 3-point centering and suppresses precession movements.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die Mantelsegmente (3) nicht nur auf einer einzigen Querschnittsebene angebracht werden, sondern auf mehreren Querschnittsebenen, die sich über die gesamte Längsachse des Hohzylinders verteilen. Vorzugsweise haben die mit Mantelsegmenten versehenen Querschnittsebenen jeweils einen Abstand voneinander, der kleiner ist als der vorstehend beschriebene Mindestabstand MA.In a preferred embodiment it is provided that the shell segments ( 3 ) are mounted not only on a single cross-sectional plane, but on several cross-sectional planes, which are distributed over the entire longitudinal axis of the Hohzylinders. Preferably, the cross-sectional planes provided with shell segments each have a distance from each other which is smaller than the minimum distance MA described above.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Mantelsegmente besitzen diese die gleiche Dicke, wie die stirnseitig angeordneten Schneidsegmente, und werden wie diese mittig zur Mantelwand eingebaut, so dass sie den gleichen Überstand wie die stirnseitigen Schneidsegmente nach innen und nach außen aufweisen und keine unnötige Spaltaufweitung erzeugt wird.In a further advantageous embodiment of the shell segments, these have the same thickness as the cutting edges arranged on the front side, and like these are installed centrally to the shell wall, so that they have the same projection as the front cutting segments inwardly and outwardly and no unnecessary gap widening is generated ,

Weiterhin ist es vorteilhaft, diese Mantelsegmente mit einer auf die Bohraufgabe angepassten Neigung zur Bohrhülsen-Querschnittsebene zu positionieren. Während des Bohrvorganges erfährt die rotierende Bohrkrone infolge dieses Neigungswinkels, den man auch als Anstellwinkel bezeichnen kann, eine Kraft parallel zur Bohrlochachse, wodurch der Bohrvortrieb verbessert wird. Durch Umkehr der Drehrichtung des Antriebes kehrt sich auch die Richtung der auf die Mantelsegmente wirkende Kraft um, wodurch auch der Ausziehvorgang der Bohrkrone aus dem Bohrloch nach Fertigstellung der Bohrung erleichtert wird.Furthermore, it is advantageous to position these shroud segments with an adapted to the drilling task inclination for Bohrhülsen-cross-sectional plane. During the drilling process, as a result of this angle of inclination, which may also be referred to as the angle of attack, the rotating drill bit experiences a force parallel to the borehole axis, thereby improving drilling propulsion. By reversing the direction of rotation of the drive, the direction of the force acting on the shell segments force is reversed, whereby the extraction process of the drill bit from the well after completion of the bore is facilitated.

Ein weiterer Aspekt bei der Wahl des Neigungswinkels ist, dass bei sinkender Spaltbreite und steigender Beladung der Bohrflüssigkeit mit Partikeln die Viskosität und damit die Scherkräfte in der Suspension Bohrflüssigkeit-Partikelstrom im Außenspalt stark ansteigen, so dass der Transportvorgang dort stark reduziert wird und dann trotz Beibehaltung eines freien Spaltquerschnitts letzlich den Charakter einer Spaltkapillarströmung annehmen kann. In diesem Falle besteht dann ebenfalls die Gefahr, dass sich der Spalt zusetzt und sich nur schlecht wieder freispülen lässt. Der Bohrvorgang müsste dann unterbrochen und die Bohrkrone aus dem Bohrloch gezogen werden. Die Anstellwinkel der Seitenelemente sollen diesem Vorgang Rechnung tragen und so ausgelegt werden, dass die Mantelsegmente in dem Spalt wie die Schaufeln in einem sogenannten ducted fan wirken. Dadurch wird der Massendurchsatz durch den außenliegenden Spalt auch bei hoher Viskosität aufrecht erhalten und so das Verstopfen wirkungsvoll verhindert.Another aspect in the choice of the angle of inclination is that with decreasing gap width and increasing loading of the drilling fluid with particles, the viscosity and thus the shear forces in the suspension drilling fluid particle flow in the outer gap increase sharply, so that the transport process is greatly reduced there and then despite retention a free gap cross-section can ultimately assume the character of a Spaltkapillarströmung. In this case, there is also the danger that the gap is clogged and can be rinsed out only bad. The drilling process would then have to be interrupted and the drill bit pulled out of the borehole. The angles of attack of the side elements should take this process into account and be designed so that the shell segments in the gap act like the blades in a so-called ducted fan. As a result, the mass flow rate is maintained by the outer gap even at high viscosity and thus effectively prevents clogging.

Die erfindungsgemäße Bohrkrone und das Verfahren zu deren Herstellung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und begleitenden Zeichnungen erläutert.The drill bit according to the invention and the method for its production will be explained below with reference to an embodiment and accompanying drawings.

In der Darstellung 1 ist eine Bohrkrone dargestellt, die aus einem zylindrischen Rohr besteht, dessen Wandung (4) an der bohrrichtungsseitigen Stirnfläche die für den stirnseitigen Bohrvorgang bestimmten Schneidsegmente (2) aufweist. Die der Bohrrichtung abgewendete Rückseite des zylindrischen Rohres ist mit einer als Spannflansch (6) ausgebildeten Platte abgeschlossen, über den die Bohrkrone an den Bohrantrieb angeschraubt wird, und der eine zentrale Bohrung (7) aufweist, über die die Bohrflüssigkeit zugeführt werden kann. Die erfindungsgemäß vorzusehenden Mantelsegmente (5) befinden sich im Abstand D von der Stirnfläche in der Wandung (4) des zylindrischen Rohres der Bohrung des Spannflansches (15) der Bohrkrone und über den innenliegenden Spalt (12) zu den stirnseitigen Schneidsegmenten (2) führt, und dann über den äußeren Spalt (13) an die Oberfläche des Bohrgutes gelangt, so daß mit der Bohrflüssigkeit (14) die beim Bohrvorgang entstehenden Partikel und Späne (16) ausgespült werden können. Dieser Anstellwinkel (8) ist je nach Bohraufgabe so zu wählen, dass die Spiegelung des Anstellwinkels infolge der Umkehrung der Strömungsrichtung zwischen innerem und äußerem Spalt den Abtransport der Bohrpartikel nicht beeinträchtigt. Aufgrund der meist sehr stark unterschiedlichen Viskosität zwischen unbeladener Bohrflüssigkeit im inneren Spalt und beladener Bohrflüssigkeit im äußeren Spalt kann man davon ausgehen, dass der Durchfluß in Richtung Stirnfläche (2) der Bohrkrone im inneren Spalt (12) zwar durch den im vorstehenden Sinne gewählten Anstellwinkel (8) beeinträchtigt werden kann, dass dies jedoch durch die Verbesserung des Abtransportes von Bohrpartikeln im äußeren Spalt (13) bei weitem kompensiert wird.In the illustration 1, a drill bit is shown, which consists of a cylindrical tube whose wall ( 4 ) at the borehole-side end face the cutting segments intended for the end-face boring process ( 2 ) having. The back of the cylindrical tube averted from the drilling direction is provided with a clamping flange ( 6 ) formed plate over which the drill bit is screwed to the drill drive, and a central bore ( 7 ), via which the drilling fluid can be supplied. The sheath segments to be provided according to the invention ( 5 ) are located at a distance D from the end face in the wall ( 4 ) of the cylindrical tube of the bore of the clamping flange ( 15 ) of the drill bit and over the inner gap ( 12 ) to the front cutting segments ( 2 ), and then over the outer gap ( 13 ) reaches the surface of the cuttings, so that with the drilling fluid ( 14 ) the particles and chips ( 16 ) can be rinsed out. This angle of attack ( 8th ) is to be selected depending on drilling task so that the reflection of the angle of attack due to the reversal of the flow direction between the inner and outer gap does not affect the removal of the Bohrpartikel. Due to the mostly very different viscosity between unloaded drilling fluid in the inner gap and loaded drilling fluid in the outer gap, it can be assumed that the flow in the direction of the end face (FIG. 2 ) of the drill bit in the inner gap ( 12 ) by the angle of attack selected in the above sense ( 8th ), but that by improving the removal of boring particles in the outer gap ( 13 ) is compensated by far.

Bei einer anderen Anordnung der Mantelsegmente (5) mit Anstellwinkeln (8) von nahezu 90° relativ zur Stirnfläche (9) erfahren sowohl die Bohrflüssigkeitsströmung als auch die Bohrhülse keine Vortriebskomponente mehr. In another arrangement of the shell segments ( 5 ) with angles of attack ( 8th ) of nearly 90 ° relative to the end face ( 9 ) learn both the Bohrflüssigkeitsströmung and the drill sleeve no propulsion component more.

In einer weiteren Ausgestaltung der Mantelsegmente (5) können diese durch Aufbringen dünner Pads hergestellt werden, bestehend aus in eine geeignete Matrix eingebetteten Diamant- oder Hartmetallpartikel, die zum Beispiel durch Autragsschweißen aufgebracht werden können. In diesem Falle ist es nicht mehr notwendig, Aussparungen zur Aufnahme der Mantelsegmente an der Bohrhülse anzubringen.In a further embodiment of the jacket segments ( 5 ), these can be produced by applying thin pads, consisting of embedded in a suitable matrix diamond or hard metal particles, which can be applied, for example, by order welding. In this case, it is no longer necessary to attach recesses for receiving the shell segments on the drill sleeve.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 4106392 A1 [0002]
DE 4426238 C2 [0002]
DE 10253247 B3 [0002]
DE 10337832 [0006]
EP 2185665 B1 [0006]
EP 1999/005329 [0006]

Claims

Device for reducing the necessary drive power in core drilling operations, characterized in that when using a drill bit with a hollow cylindrical drill sleeve, which cutting, grinding and / or scraping segments ( 2 ) not only at the drilling direction-side end face, but cutting, grinding and / or scraping segments ( 5 ) also in the lateral surface ( 4 ) has the drill sleeve.

Device according to claim 1, characterized in that these segments ( 5 ) in the lateral surface ( 4 ) the drill sleeve inwardly and / or outwardly in core ( 18 ) or Bohrgutwand ( 11 ) have a grinding, cutting or scraping effect.

Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that these sheath segments ( 5 ) over the wall of the drill sleeve inwards and / or outwards with the supernatant ( 17 ) survive.

Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that that the shell segments ( 5 ) with the end face ( 2 ) of the drill sleeve ( 4 ) enclose an angle between 0 ° to 90 °.

Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the shell segments ( 5 ) are straight or slightly curved, with a radius of curvature equal to the radius of curvature of the end-face segments ( 2 ), or approximately the cylinder radius (R _a ) of the drill sleeve ( 4 ) corresponds.

Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the sheath segments ( 5 ) in recesses of the drill sleeve ( 4 ) are introduced and at least one non-positively connected thereto at least one contact surface with the (4) Bohrhülsenwand.

Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the sheath segments ( 5 ) on the mantle surface of the drill sleeve ( 4 ) non-positively in supernatant thickness ( 17 ) are applied without introducing recesses into the drill sleeve according to claim 6.

Method for reducing the necessary drive power during core drilling, characterized in that by shell side in the drill sleeve ( 4 ) are cutting, scraping or dragging segments ( 5 ) the eccentricity of borehole and core ( 18 ), thereby large-scale rubbing between Bohrkronenhülse ( 4 ) and cuttings ( 11 . 19 ) and thus smaller and lighter drilling drives can be used.

Method according to claim 8, characterized in that the drill sleeve ( 4 ) of the core drilling apparatus by means of suitable geometrical configuration mounted shroud segments ( 5 ) is centered over the entire length of the wellbore in the wellbore and precessional movements are minimized.

Method according to one of claims 8 or 9, characterized in that the precession movements and hitting the drill sleeve ( 4 ) in the borehole associated mechanical and thermal loads and damage to the core ( 18 ) and improve the surface quality of the borehole and core.

Use of core bits, consisting of a tubular shaft ( 4 ) as a drill bit sleeve, which at the end face in the drilling direction cutting segments ( 2 ) and at least one or more additional shell segments ( 5 ) in the outer surface of the Bohrkronenhülse ( 4 ), so that 3 or more shell segments ( 5 ) contribute by suitable geometric arrangement for centering the Bohrkronenhülse, and a suitable angle of inclination of the shell segments ( 5 ) optimizes the transport of the drilling suspension.